第五章蜂窩組網(wǎng)技術

1、移動通信技術移動通信技術 第五章第五章 蜂窩組網(wǎng)技術蜂窩組網(wǎng)技術 2Mobile Communication Theory目錄目錄移動通信網(wǎng)的基本概念移動通信網(wǎng)的基本概念 5.1頻率復用和蜂窩技術頻率復用和蜂窩技術 5.2多址接入技術多址接入技術5.3碼分多址關鍵技術碼分多址關鍵技術5.4蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量分析蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量分析5.5切換、位置更新切換、位置更新5.6無線資源管理技術無線資源管理技術5.7移動通信網(wǎng)絡結構移動通信網(wǎng)絡結構5.83Mobile Communication Theory5.1 移動通信網(wǎng)的基本概念移動通信網(wǎng)的基本概念 實現(xiàn)系統(tǒng)在其覆蓋區(qū)內良好的語音和數(shù)據(jù)

2、通信，這樣的通信網(wǎng)就是移動通信網(wǎng)學習的內容包括：1. 移動通信移動通信網(wǎng)絡結構網(wǎng)絡結構2. 蜂窩式蜂窩式組網(wǎng)理論組網(wǎng)理論 3. 移動通信網(wǎng)的移動通信網(wǎng)的基本組成基本組成蜂窩移動通信系統(tǒng)圖示蜂窩移動通信系統(tǒng)圖示各子系統(tǒng)功能各子系統(tǒng)功能4Mobile Communication Theory5.1.1 移動通信網(wǎng)絡結構移動通信網(wǎng)絡結構 fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20, 自自由由空空間間傳傳播播損損耗耗）空中網(wǎng)絡空中網(wǎng)絡 fAfAffAAtAlosDdDdDDddhdLlog4log20(4log20, 自自由由空空間間傳傳播播損損耗耗）地面網(wǎng)絡地面

3、網(wǎng)絡5Mobile Communication Theory5.1.2 蜂窩式組網(wǎng)理論蜂窩式組網(wǎng)理論無線蜂窩式小區(qū)覆蓋 將一個移動通信服務區(qū)劃分成許多以正六邊形為基本幾何圖將一個移動通信服務區(qū)劃分成許多以正六邊形為基本幾何圖形的覆蓋區(qū)域形的覆蓋區(qū)域小功率發(fā)射 一個較低功率的發(fā)射機服務一個蜂窩小區(qū)，在較小的區(qū)域內一個較低功率的發(fā)射機服務一個蜂窩小區(qū)，在較小的區(qū)域內設置相當數(shù)量的用戶設置相當數(shù)量的用戶頻率復用 蜂窩系統(tǒng)的基站工作頻率，由于傳播損耗提供足夠的隔離度，蜂窩系統(tǒng)的基站工作頻率，由于傳播損耗提供足夠的隔離度，在相隔一定距離的另一個基站可以重復使用同一組工作頻率在相隔一定距離的另一個基站可以

4、重復使用同一組工作頻率優(yōu)點優(yōu)點：緩解了頻率資源緊缺，增加了系統(tǒng)容量：緩解了頻率資源緊缺，增加了系統(tǒng)容量缺點缺點：同頻干擾：同頻干擾6Mobile Communication Theory5.1.2 蜂窩式組網(wǎng)理論蜂窩式組網(wǎng)理論多信道共用 由若干無線信道組成的移動通信系統(tǒng)，為大量的由若干無線信道組成的移動通信系統(tǒng)，為大量的用戶共同使用并且仍能滿足服務質量的信道利用用戶共同使用并且仍能滿足服務質量的信道利用技術技術越區(qū)切換 當正在通話的移動臺進入相鄰無線小區(qū)時，業(yè)務當正在通話的移動臺進入相鄰無線小區(qū)時，業(yè)務信道自動切換到相鄰小區(qū)基站，從而不中斷通信信道自動切換到相鄰小區(qū)基站，從而不中斷通信過程過程

5、7Mobile Communication Theory5.2 頻率復用和蜂窩小區(qū)頻率復用和蜂窩小區(qū)用來解決頻率資源有限和用戶容量問題用來解決頻率資源有限和用戶容量問題區(qū)域覆蓋方式區(qū)域覆蓋方式小容量的大區(qū)制小容量的大區(qū)制 一個基站覆蓋整個服務區(qū)，發(fā)射功率要大一個基站覆蓋整個服務區(qū)，發(fā)射功率要大 利用分集接收等技術來保證上行鏈路的通信質量利用分集接收等技術來保證上行鏈路的通信質量 只能適用于小容量的通信網(wǎng)只能適用于小容量的通信網(wǎng)大容量的小區(qū)制大容量的小區(qū)制 頻率復用頻率復用 將覆蓋區(qū)域劃分為若干小區(qū)將覆蓋區(qū)域劃分為若干小區(qū) ，每個小區(qū)設立一個基站服務于本，每個小區(qū)設立一個基站服務于本小區(qū)，但各小

6、區(qū)可重復使用頻率小區(qū)，但各小區(qū)可重復使用頻率 帶來同頻干擾的問題帶來同頻干擾的問題 切換和位置管理切換和位置管理8Mobile Communication Theory5.2.1 大容量的小區(qū)制大容量的小區(qū)制頻率復用和覆蓋方式帶狀服務覆蓋區(qū)帶狀服務覆蓋區(qū)面狀服務覆蓋區(qū)面狀服務覆蓋區(qū) 簇簇 小區(qū)的覆蓋形狀小區(qū)的覆蓋形狀 同頻干擾同頻干擾同頻相鄰小區(qū)的找法9Mobile Communication Theory帶狀服務覆蓋區(qū)帶狀服務覆蓋區(qū)雙頻組頻率配置三頻組頻率配置 f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 10Mobile Communication T

7、heory面狀服務覆蓋區(qū)簇面狀服務覆蓋區(qū)簇圖圖52 蜂窩系統(tǒng)的頻率復用和小區(qū)面狀覆蓋圖示蜂窩系統(tǒng)的頻率復用和小區(qū)面狀覆蓋圖示q=D/R=4.6N=711Mobile Communication Theory小區(qū)的覆蓋形狀小區(qū)的覆蓋形狀采用六邊形的原因用最小的小區(qū)數(shù)就能覆蓋整個地理區(qū)域用最小的小區(qū)數(shù)就能覆蓋整個地理區(qū)域最接近于全向的基站天線和自由空間傳播的全向輻射模最接近于全向的基站天線和自由空間傳播的全向輻射模式式基站發(fā)射機位置中心激勵小區(qū)：安置在小區(qū)的中心中心激勵小區(qū)：安置在小區(qū)的中心頂點激勵小區(qū)：安置在六邊形頂點之中的三個上頂點激勵小區(qū)：安置在六邊形頂點之中的三個上實際形狀 由于地形地貌、

8、傳播環(huán)境、衰落形式的多樣性，小區(qū)的實際無線覆蓋是一個不規(guī)則的形狀不規(guī)則的形狀12Mobile Communication Theory同頻干擾同頻干擾小區(qū)簇的意義頻率復用距離與小區(qū)簇的關系載波干擾比與小區(qū)簇的關系13Mobile Communication Theory小區(qū)簇的意義小區(qū)簇的意義 一個共有S個雙向信道的蜂窩系統(tǒng)，如果每簇含N個小區(qū)，每個小區(qū)分配K個信道（k平均延遲擴展（Ts ） ，所以碼間干擾較少，無需自適應均衡基站復雜龐大，易產(chǎn)生信道間的互調干擾必須使用帶通濾波器來限制鄰道干擾越區(qū)切換復雜，必須瞬時中斷傳輸，對于數(shù)據(jù)傳輸將帶來數(shù)據(jù)的丟失sT26Mobile Communicat

9、ion Theory5.3.2 時分多址（時分多址（TDMA）方式）方式27Mobile Communication TheoryTDMA工作原理工作原理在一個寬帶的無線載波上，把時間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干時隙，無論幀或時隙都是互不重疊的每個時隙就是一個通信信道，分配給一個用戶基站按時隙排列順序發(fā)收信號，各移動臺在指定的時隙內收發(fā)信號MS3MS2時隙時隙幀幀時隙N時隙3時隙2時隙1保護比特信息數(shù)據(jù)同步比特尾比特一個一個TDMATDMA幀幀圖圖58 TDMA幀結構幀結構圖圖57 TDMA系統(tǒng)工作示意圖系統(tǒng)工作示意圖28Mobile Communication TheoryTDMA系統(tǒng)

10、的特點系統(tǒng)的特點突發(fā)傳輸?shù)乃俾矢?，遠大于語音編碼速率，因為TDMA系統(tǒng)中需要較高的同步開銷發(fā)射信號速率隨N的增大而提高，引起碼間串擾加大，所以必須采用自適應均衡不需雙工器基站復雜性小，互調干擾小抗干擾能力強，頻率利用率高，系統(tǒng)容量大越區(qū)切換簡單，可在無信息傳輸時進行，不會丟失數(shù)據(jù)29Mobile Communication Theory5.3.3 碼分多址（碼分多址（CDMA）方式）方式工作原理工作原理系統(tǒng)特點系統(tǒng)特點存在問題存在問題30Mobile Communication TheoryCDMA的工作原理的工作原理碼分多址系統(tǒng)為每個用戶分配了各自特定的地址碼，利用公共信道來傳輸信息CDMA

11、系統(tǒng)的地址碼相互具有準正交性，以區(qū)別地址，而在頻率、時間和空間上都可能重疊系統(tǒng)的接收端必須有完全一致的本地地址碼，才能對接收的信號進行相關檢測 1c2c1C2CNcNCMSCBS圖圖59 CDMA系統(tǒng)工作示意圖系統(tǒng)工作示意圖31Mobile Communication TheoryCDMA系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點 多用戶共享同一頻率多用戶共享同一頻率通信容量大通信容量大容量的軟特性容量的軟特性 多增加一個用戶只會使通信質量略有下降，不會出現(xiàn)硬阻塞現(xiàn)象多增加一個用戶只會使通信質量略有下降，不會出現(xiàn)硬阻塞現(xiàn)象由于信號被擴展在一較寬頻譜上而可以由于信號被擴展在一較寬頻譜上而可以減小多徑衰落減小多徑衰落信

12、道數(shù)據(jù)速率很高，信道數(shù)據(jù)速率很高，無需自適應均衡無需自適應均衡平滑的平滑的軟切換軟切換和有效的和有效的宏分集，宏分集，不會引起通信中斷不會引起通信中斷低信號功率譜密度低信號功率譜密度的好處的好處抗窄帶干擾能力強抗窄帶干擾能力強對窄帶系統(tǒng)的干擾很小，可以與其它系統(tǒng)共用頻段對窄帶系統(tǒng)的干擾很小，可以與其它系統(tǒng)共用頻段32Mobile Communication TheoryCDMA系統(tǒng)的軟切換過程系統(tǒng)的軟切換過程每當移動臺處于小區(qū)邊緣時，同時有兩個或兩個以上的基站向該移動臺發(fā)送相同的信號，移動臺的分集接收機能同時接收合并這些信號，此時處于宏分集狀態(tài) 當某一基站的信號強于當前基站信號且穩(wěn)定后，移動臺

13、才切換到該基站的控制上去，這種切換可以在通信的過程中平滑完成，稱為軟切換 33Mobile Communication TheoryCDMA系統(tǒng)存在問題系統(tǒng)存在問題多址干擾原因原因 不同用戶的擴頻序列不完全正交，擴頻碼集的非零互不同用戶的擴頻序列不完全正交，擴頻碼集的非零互相關系數(shù)會引起用戶間的相互干擾相關系數(shù)會引起用戶間的相互干擾“遠-近”效應原因原因 移動用戶所在的位置的變化以及深衰落的存在，會使移動用戶所在的位置的變化以及深衰落的存在，會使基站接收到的各用戶信號功率相差很大，強信號對基站接收到的各用戶信號功率相差很大，強信號對弱信號有著明顯的抑制作用弱信號有著明顯的抑制作用解決方法解決方

14、法 使用功率控制使用功率控制34Mobile Communication Theory5.3.4 空分多址（空分多址（SDMA）方式）方式 通過空間的分割來區(qū)別不同的用戶 常與FDMA、TDMA、CDMA結合使用工作原理蜂窩系統(tǒng)中反向鏈路的困難自適應式陣列天線35Mobile Communication TheorySDMA的工作原理的工作原理使用定向波束天線在不同用戶方向上形成不同的波束相同的頻率（在TDMA或CDMA系統(tǒng)中）或不同的頻率（在FDMA系統(tǒng)中）用來服務于被天線波束覆蓋的這些不同區(qū)域圖圖510 SCDM系統(tǒng)工作示意圖系統(tǒng)工作示意圖36Mobile Communication Th

15、eory蜂窩系統(tǒng)中反向鏈路的困難蜂窩系統(tǒng)中反向鏈路的困難反向鏈路的困難原因解決方法用戶端的發(fā)射功率必須動態(tài)控制各用戶和基站間無線傳播路徑的不同采用空分多址方式反向控制用戶的空間輻射能量對用戶端發(fā)射功率的控制程度受限發(fā)射受到用戶單元電池能量的限制 37Mobile Communication Theory自適應式陣列天線自適應式陣列天線自適應式天線提供了最理想的SDMA 無窮小波束寬度無窮大快速搜索能力提供在本小區(qū)內不受其他用戶干擾的唯一信道克服多徑干擾和同信道干擾38Mobile Communication Theory隨機接入隨機接入 對于大多數(shù)分組數(shù)據(jù)業(yè)務，分組數(shù)據(jù)對于大多數(shù)分組數(shù)據(jù)業(yè)務，

16、分組數(shù)據(jù)隨時間隨機出現(xiàn)，比較理想的就是采用隨隨時間隨機出現(xiàn)，比較理想的就是采用隨機接入策略將信道分配給需要傳送數(shù)據(jù)的機接入策略將信道分配給需要傳送數(shù)據(jù)的用戶。用戶。 采用隨機接入就會出現(xiàn)所謂采用隨機接入就會出現(xiàn)所謂“碰撞碰撞”現(xiàn)現(xiàn) 象，即當多個用戶都企圖接入到同一個信象，即當多個用戶都企圖接入到同一個信 道時碰撞就會發(fā)生。道時碰撞就會發(fā)生。 通常的技術包括純通常的技術包括純ALOHA、時隙、時隙ALOHA載波監(jiān)聽多址（載波監(jiān)聽多址（CSMA）和調度）和調度等。等。39Mobile Communication Theory隨機接入隨機接入 分組錯誤率（分組錯誤率（PER, packet erro

17、r rate）通常假設分組的產(chǎn)生是符合泊松分布的，通常假設分組的產(chǎn)生是符合泊松分布的， 因因此在此在 內到達的分組數(shù)內到達的分組數(shù) （ 為整數(shù)）的為整數(shù)）的概率為：概率為： 0,t X tkk !kktP X tkek40Mobile Communication Theory隨機接入隨機接入 其中其中 是單位時間內產(chǎn)生的分組數(shù)，即任意是單位時間內產(chǎn)生的分組數(shù)，即任意 時間段時間段 內的平均分組數(shù)除以內的平均分組數(shù)除以 。 定義定義 為信道業(yè)務的負載。為信道業(yè)務的負載。其中其中 為一個分組的傳輸時間，為一個分組的傳輸時間， 用戶用戶數(shù)據(jù)分組（數(shù)據(jù)分組（bit），）， 信道的傳速速率。信道的傳速速

18、率。0,ttLN RNRbit s41Mobile Communication Theory隨機接入隨機接入 當當 時，表明在給定的時間內平均到達時，表明在給定的時間內平均到達 的分組數(shù)多于在同樣的時間內能夠發(fā)出去的分組數(shù)多于在同樣的時間內能夠發(fā)出去 的分組數(shù)，這樣就會引起碰撞可能導致傳的分組數(shù)，這樣就會引起碰撞可能導致傳 輸出錯，所以此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。輸出錯，所以此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 如果出錯時接收端可以通知發(fā)送端對錯誤如果出錯時接收端可以通知發(fā)送端對錯誤 的分組重傳，則分組到達率的分組重傳，則分組到達率 以及相應的以及相應的 負載計算應該包括新到達的分組和需要重負載計算應該包括新到達的分

19、組和需要重 傳的分組，這時的傳的分組，這時的 稱為總提交負載。稱為總提交負載。1LL42Mobile Communication Theory隨機接入隨機接入 吞吐量吞吐量 定義為在給定時間內平均成功發(fā)定義為在給定時間內平均成功發(fā) 送的分組速率除以信道的分組傳輸速率送的分組速率除以信道的分組傳輸速率 ， 也等于總提交負載乘以成功接收分組的概也等于總提交負載乘以成功接收分組的概 率。率。 穩(wěn)定系統(tǒng)要滿足：穩(wěn)定系統(tǒng)要滿足：TR1TL43Mobile Communication Theory純純ALOHA 假設沒有發(fā)生碰撞的分組一定能夠正確接假設沒有發(fā)生碰撞的分組一定能夠正確接 收，則吞吐量為：收，

20、則吞吐量為： 不發(fā)生碰撞的概率就是在不發(fā)生碰撞的概率就是在 內沒有分組內沒有分組 到達的概率：到達的概率： 相應的吞吐量為相應的吞吐量為 =TLPP無碰撞無碰撞- , 220LP X tee2LTLe44Mobile Communication Theory時隙時隙ALOHA 時隙時隙ALOHA把時間劃分成連續(xù)時間為把時間劃分成連續(xù)時間為 的的 時隙，用戶準備發(fā)送的分組必須等到下一時隙，用戶準備發(fā)送的分組必須等到下一 個時隙的起點才能開始發(fā)送分組，而純個時隙的起點才能開始發(fā)送分組，而純 ALOHA允許用戶在任意時刻發(fā)送分組，允許用戶在任意時刻發(fā)送分組， 因此增大了發(fā)生局部重疊的概率。因此增大了

21、發(fā)生局部重疊的概率。 不發(fā)生碰撞的概率：不發(fā)生碰撞的概率： 吞吐量為：吞吐量為： （吞吐量比純吞吐量比純ALOHA提高了兩倍提高了兩倍） LTLe 0LP X tee45Mobile Communication Theory載波監(jiān)聽多址（載波監(jiān)聽多址（CSMA） 載波監(jiān)聽技術需要用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)之前監(jiān)載波監(jiān)聽技術需要用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)之前監(jiān) 聽信道，查看是否有其他用戶在此信道上聽信道，查看是否有其他用戶在此信道上 發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有則暫不發(fā)送數(shù)據(jù)，推遲發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有則暫不發(fā)送數(shù)據(jù)，推遲 發(fā)送。發(fā)送。 46Mobile Communication Theory調度調度 調度技術是對系統(tǒng)中各用戶的信道使

22、用作調度技術是對系統(tǒng)中各用戶的信道使用作 出安排，即把可用的資源按照時間、頻率出安排，即把可用的資源按照時間、頻率 或碼子分成信道，每個節(jié)點按照時間表進或碼子分成信道，每個節(jié)點按照時間表進 行發(fā)送，其原則是避免相鄰接點發(fā)生沖突，行發(fā)送，其原則是避免相鄰接點發(fā)生沖突， 同時充分地利用信道資源。同時充分地利用信道資源。 47Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4 碼分多址關鍵技術碼分多址關鍵技術1.擴頻通信基礎擴頻通信基礎2.地址碼技術地址碼技術3.擴頻碼的同步擴頻碼的同步48Mobile Communication Th

23、eoryMobile Communication Theory5.4.1 擴頻通信基礎擴頻通信基礎 v 擴頻通信擴頻通信： 頻帶擴展頻帶擴展 擴頻調制擴頻調制 擴頻系統(tǒng)擴頻系統(tǒng)v 理論基礎理論基礎：仙農定理。：仙農定理。49Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.1 擴頻方法擴頻方法直接序列擴頻 跳變頻率擴頻 跳變時間擴頻寬帶線形調頻 擴頻方法擴頻方法50Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.1 擴頻方法擴頻方法功率小，隱蔽性功率小，隱蔽性保

24、密性保密性抗干擾性強抗干擾性強抗衰落能力強抗衰落能力強碼分多址復用碼分多址復用(CDMA)51Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 直擴系統(tǒng)直擴系統(tǒng)直接序列調制系統(tǒng)原理框圖：直接序列調制系統(tǒng)原理框圖：窄帶信號窄帶信號擴頻信號If擴頻偽碼振蕩調制偽碼本振解擴混頻52Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 直擴系統(tǒng)直擴系統(tǒng)編碼擴頻調制（射頻）混頻解擴解調發(fā)送端發(fā)送端接收端接收端53Mobile Communication TheoryMo

25、bile Communication Theory5.4.2 直擴系統(tǒng)直擴系統(tǒng)v 假定同步單徑假定同步單徑BPSK信道中有信道中有K個用戶，并假定所有的載個用戶，并假定所有的載波相位為波相位為0，則接收的信號等效基帶表示為：，則接收的信號等效基帶表示為： 1( )( )( )( )Kkkkks tP at ctn t其中： 1,1ka kP為發(fā)送功率， )(tck為第k個用戶歸一化擴頻信號， 為第k個用戶歸一化擴頻信號， bT為信息比特的時間寬度， ( )n t表示加性高斯白噪聲，其雙邊功率 譜密度為 02N，單位為W/Hz。 ，單位為 W/Hz。 54Mobile Communication

26、 TheoryMobile Communication Theory5.4.2 直擴系統(tǒng)直擴系統(tǒng)v對于某一特定比特，相關器（解擴）的輸出為：對于某一特定比特，相關器（解擴）的輸出為：0,011( )( )1( )( )bbTkkbKTkki kiikibikkkkkys t ct dtTP bPbn t ct dtTP bMAIz相關系數(shù)的定義為：,01( )( )bTi kikbc t c t dtT上式表明：與第k個用戶本身的自相關給出了希望接收的數(shù)據(jù)項， 與其它用戶的互相關產(chǎn)生出多址干擾項MAI ，與熱噪聲的相關產(chǎn) 生了噪聲 kz項。 55Mobile Communication The

27、oryMobile Communication Theory5.4.2 直擴系統(tǒng)直擴系統(tǒng)v由頻譜擴展對抗干擾性帶來的好處，稱為擴頻增由頻譜擴展對抗干擾性帶來的好處，稱為擴頻增益益 PG，可表示為：，可表示為： WPSBGB式中， WB為發(fā)射擴頻信號的帶寬； sBsB為信碼的速率。其中 WB 與所采用的偽碼（偽隨機序列或偽噪聲序列的簡稱）速率有關。為獲得高的擴頻增益，通常希望增加射頻帶寬 WB，即提高偽碼的速率。56Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 直擴系統(tǒng)直擴系統(tǒng)cff(a) 在接收機輸入端的擴展頻譜頻譜密度

28、wBsBf(b) 接收機解擴輸出端的頻譜頻譜密度wB 有用信號譜 干擾信號譜wB 射頻帶寬sB 信息帶寬57Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 直擴系統(tǒng)直擴系統(tǒng)v 在發(fā)端，有用信號經(jīng)擴頻處理后，頻譜被展寬如圖在發(fā)端，有用信號經(jīng)擴頻處理后，頻譜被展寬如圖 （a）所示；在收端，利用偽碼的相關性作解擴處理后，有用信所示；在收端，利用偽碼的相關性作解擴處理后，有用信號頻譜被恢復成窄帶譜，如圖號頻譜被恢復成窄帶譜，如圖 （b）所示。）所示。 v 直擴系統(tǒng)的優(yōu)點在于它可以在很低的甚至負信噪比環(huán)境中直擴系統(tǒng)的優(yōu)點在于它可以在

29、很低的甚至負信噪比環(huán)境中使系統(tǒng)正常工作。使系統(tǒng)正常工作。 v 移動通信采用直擴系統(tǒng)時，需要解決移動通信采用直擴系統(tǒng)時，需要解決遠遠-近近效應帶來效應帶來的影響，辦法之一是采用功率控制。的影響，辦法之一是采用功率控制。 58Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory基于基于IS-95標準的碼分多址通信系統(tǒng)的結構示意圖標準的碼分多址通信系統(tǒng)的結構示意圖 數(shù) 據(jù) 編 碼 和 交 織PN 源 載 波PN 源 數(shù) 字 濾 波 器 反 交 織 和 譯 碼數(shù) 據(jù) 載 波 外 部 干 擾f0f0 背 景 噪 聲 其 他 小 區(qū) 干 擾f0 其

30、他 用 戶干 擾f00 數(shù) 據(jù)f0 寬 帶 頻 譜f00-100dB/Hz 偽 信 號1.25MHz BW1.25MHz BW10kHz BW10kHz BW1.25MHz BW1.25MHz BW9.6Kbps19.2Kbps1228Kbps1228Kbps19.2Kbps9.6Kbps1228Kbps1228Kbps 圖1.1 CDMA 原 理 圖59Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 跳頻系統(tǒng)跳頻系統(tǒng)v 跳頻系統(tǒng)的原理方框圖跳頻系統(tǒng)的原理方框圖 信碼If調制器偽碼頻率合成器混頻器本地偽碼頻率合成器解調器混

31、頻器信碼60Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 跳頻系統(tǒng)跳頻系統(tǒng)v 偽碼隨機置定頻率合成器時，發(fā)射機的振蕩頻率在很寬的偽碼隨機置定頻率合成器時，發(fā)射機的振蕩頻率在很寬的頻率范圍內不斷地改變，從而使射頻載波亦在一個很寬的頻率范圍內不斷地改變，從而使射頻載波亦在一個很寬的范圍內變化，于是形成了一個寬帶離散譜，如圖所示范圍內變化，于是形成了一個寬帶離散譜，如圖所示 NbbffN 信 道 數(shù)b 信 道 間 隔時 使 用 的 信 道 頻 率時 刻f61Mobile Communication TheoryMobile C

32、ommunication Theory5.4.3 跳頻系統(tǒng)跳頻系統(tǒng)v 接收端必須以同樣的偽碼置定本地頻率合成器，使其與發(fā)接收端必須以同樣的偽碼置定本地頻率合成器，使其與發(fā)端的頻率作相同的改變，即收發(fā)跳頻必須同步，這樣，才端的頻率作相同的改變，即收發(fā)跳頻必須同步，這樣，才能保證通信的建立。解決同步及定時是實際跳頻系統(tǒng)的一能保證通信的建立。解決同步及定時是實際跳頻系統(tǒng)的一個關鍵問題。個關鍵問題。跳頻系統(tǒng)處理增益的定義與直擴系統(tǒng)的擴頻增益是相同的，即WPSBGB更直觀的表達式為： PGN62Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5

33、.4.2 地址碼技術地址碼技術v 對于對于CDMA2000系統(tǒng)下行鏈路，短的偽隨機碼用以區(qū)分系統(tǒng)下行鏈路，短的偽隨機碼用以區(qū)分基站，基站，Walsh碼用以區(qū)分用戶，他們統(tǒng)一構成碼用以區(qū)分用戶，他們統(tǒng)一構成地址碼地址碼。v 地址碼的選擇直接影響地址碼的選擇直接影響CDMA系統(tǒng)的容量、抗干擾能力、系統(tǒng)的容量、抗干擾能力、 接入和切換速度等接入和切換速度等v 在直接擴頻任意選址的通信系統(tǒng)中，對地址碼有如下三個在直接擴頻任意選址的通信系統(tǒng)中，對地址碼有如下三個要求：要求： 偽碼的比特率應能滿足擴展帶寬的需要；偽碼應具有尖銳的自相關特性，正交編碼應具有尖銳的互相關特性；偽碼應具有近似噪聲的頻譜性質，即近

34、似連續(xù)譜，且均勻分布。63Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2地址碼技術地址碼技術Gold碼Walsh碼m序列序列64Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 Gold碼碼v m序列構成優(yōu)選對的數(shù)目很少，不便于在碼分多址系統(tǒng)中序列構成優(yōu)選對的數(shù)目很少，不便于在碼分多址系統(tǒng)中應用。應用。v R.Gold于于1967年提出了一種基于年提出了一種基于m序列優(yōu)選對的碼序序列優(yōu)選對的碼序列，稱為列，稱為Gold序列。序列。v 由優(yōu)選對的兩個由優(yōu)選

35、對的兩個m序列逐位模序列逐位模2加得到，當改變其中一個加得到，當改變其中一個m序列的相位（向后移位）時，可得到一新的序列的相位（向后移位）時，可得到一新的Gold序列。序列。 v Gold系列具有與系列具有與m序列優(yōu)選對類似的自相關和互相關特序列優(yōu)選對類似的自相關和互相關特性。性。 65Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 Gold碼碼v Gold序列序列的生成的生成圖中m序列發(fā)生器1和2產(chǎn)生的m序列是一m序列優(yōu)選對，m序列發(fā)生器1的初始狀態(tài)固定不變，調整m序列發(fā)生器2的初始狀態(tài)，在同一時鐘脈沖控制下，產(chǎn)生兩個m

36、序列經(jīng)過模2加后可得到Gold序列，通過設置m序列發(fā)生器2的不同初始狀態(tài)，可以得到不同的Gold序列。m 序列發(fā)生器 1m 序列發(fā)生器 2初始狀態(tài)設置Gold 序列時鐘脈沖66Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 Gold碼碼vGold序列的特性序列的特性相關特性v 具有與m序列優(yōu)選對相類同的自相關和互相關特性。v 當=0時自相關函數(shù)與m序列相同；當1P-1 時自相關 函數(shù)取三個理想的值，即最大旁瓣是。 Gold序列的數(shù)量v 周期P=2n-1的m序列優(yōu)選對生成的Gold序列，總共有2n+1個。v 隨著n的增加，G

37、old序列數(shù)以2的n次冪增長 。67Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 Gold碼碼v Gold序列的特性序列的特性 平衡的Gold序列v平衡的Gold序列是指在一個周期內1碼元數(shù)比0碼元數(shù)僅多一個。 v對于周期P=2n-1的m序列優(yōu)選對生成的Gold序列，當n是奇數(shù)時， 有2n-1+1個Gold序列是平衡的，約占50%；當n是偶數(shù)（不是4的倍 數(shù)）時，有2n-1+ 2n-2+ 1個Gold序列是平衡的，約占75%。v只有平衡Gold序列才可以用到碼分多址通信系統(tǒng)中去。在WCDMA系統(tǒng)中，下行鏈路采用Gold碼

38、區(qū)分小區(qū)和用戶，上行鏈路采用Gold碼區(qū)分用戶。 68Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 Walsh碼碼v Walsh碼（又稱為碼（又稱為Walsh函數(shù)）有著良好的互相關和較函數(shù)）有著良好的互相關和較好的自相關特性好的自相關特性。v Walsh函數(shù)波形函數(shù)波形若對圖中Walsh函數(shù)波形在8個等間隔上取樣，可得到離Walsh函數(shù)，可用88的Walsh函數(shù)矩陣表示。69Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.2 Walsh碼碼v Walsh

39、函數(shù)對應的矩陣可函數(shù)對應的矩陣可寫作寫作 0 00 00 00 00 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 11 00 11 00 11 01 00 10 10 11 01 00 10 10 10 1Walsh函數(shù)矩陣的遞推關系 00H 20001H 2242 2220000010100110110HHHHHH2NNNNNHHHHH其中N取2的冪， 是的 補。NHNH70Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 擴頻碼的同步擴頻碼的同步v 在碼分系統(tǒng)中相關接收要求本地地址碼（偽碼）與

40、收到的在碼分系統(tǒng)中相關接收要求本地地址碼（偽碼）與收到的（發(fā)送來的）地址碼同步。（發(fā)送來的）地址碼同步。所謂兩個擴頻碼同步，就是保持其時差（相位差）所謂兩個擴頻碼同步，就是保持其時差（相位差） 為為0 0狀態(tài)。狀態(tài)。地址碼的同步是碼分多址系統(tǒng)的重要組成部分，地址碼的同步是碼分多址系統(tǒng)的重要組成部分， 其性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。其性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。 ( )() ()iinc ta tnTt 71Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 擴頻碼的同步擴頻碼的同步v 令令 為接收到的偽碼，為為接收到的偽碼，為

41、 本地偽碼，分別如本地偽碼，分別如下圖所示。其周期為下圖所示。其周期為T=NTc，N為碼位數(shù)（碼長），為碼位數(shù)（碼長），Tc為為碼片寬度。碼片寬度。同步的過程就是使同步的過程就是使 。()ic t()ic t 接收偽碼序列延時 本地偽碼序列延時 72Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 擴頻碼的同步擴頻碼的同步v 擴頻碼的同步分為：擴頻碼的同步分為： 粗同步粗同步Product 細同步細同步73Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3

42、粗同步粗同步粗同步的方法粗同步的方法匹配濾波捕獲法串行相關檢測并行相關檢測74Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 粗同步粗同步v 并行相關檢測捕獲系統(tǒng)的示意圖并行相關檢測捕獲系統(tǒng)的示意圖 75Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 粗同步粗同步v 串行相關檢測捕獲系統(tǒng)的示意圖串行相關檢測捕獲系統(tǒng)的示意圖 將輸出信號 與門限值 比較。如果超出門限值，則 此時對應的 即為時延估計值，捕獲完成，有 。如果 輸出信號低于門限值，則將本地信號

43、的相位增加一個增量， 通常為Tc或者Tc/2 （即每隔T，增加 的值），再進行相關、 比較，直至捕獲完成，轉入跟蹤過程。 0ucT()iR76Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 粗同步粗同步v 令輸入為令輸入為 則匹配濾波器的輸出為則匹配濾波器的輸出為( )()iinc ta tnT00( )( )( )() ( )() ()()()iTiTiiiiy tc th tc thdc ta TdR tTR tT( )y t( )ia t77Mobile Communication TheoryMobile Comm

44、unication Theory5.4.3 粗同步粗同步v 如果為雙極性的如果為雙極性的m序列，則輸出為如下圖序列，則輸出為如下圖 ，可以看出可以看出()(0)( ),0, 1, 2.iimaxy kTRR tk 78Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 細同步細同步v 細同步又稱為跟蹤，它需要連續(xù)地檢測同步誤差，根據(jù)檢細同步又稱為跟蹤，它需要連續(xù)地檢測同步誤差，根據(jù)檢測結果不斷調整本地偽碼的時延（相位），使測結果不斷調整本地偽碼的時延（相位），使 并保持此狀態(tài)并保持此狀態(tài)。0 79Mobile Communic

45、ation TheoryMobile Communication Theory5.4.3 細同步細同步同步誤差檢測同步誤差檢測80Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 細同步細同步 偽碼延時鎖定電路偽碼延時鎖定電路 可用于偽碼細同步跟蹤可用于偽碼細同步跟蹤v圖中，21()ffy81Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory5.4.3 細同步細同步v從圖中可以看出，在區(qū)間從圖中可以看出，在區(qū)間 內，有：內，有： (,)ccT T()yK(0,)cT

46、21ff(,0)cT 21ff0 (,)ccT T82Mobile Communication Theory5.5 蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量分析蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量分析 蜂窩系統(tǒng)的無線容量可定義為： 信道/小區(qū) 其中 m無線容量大小 Bt 分配給系統(tǒng)的總的頻譜 Bc 信道帶寬 N 頻率重用的小區(qū)數(shù)NBBmct 83Mobile Communication Theory三種多址接入方式的理論容量三種多址接入方式的理論容量00(/)(/)rFDMATDMACDMAbbreqPNMMMREN84Mobile Communication Theory三種系統(tǒng)容量的比較三種系統(tǒng)容量的比較理論可得：在總頻

47、帶寬度為1.25MHz時，三種體制的系統(tǒng)容量的比較結果為： 實際的CDMA系統(tǒng)的容量比理論值有所下降，其下降多少將隨著其功率控制精度和某些參數(shù)的選取而變化當前比較普遍的看法是CDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的容量是模擬FDMA系統(tǒng)的810倍GSMTACSCDMAmmm916 85Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory對用戶來對用戶來說是透明說是透明的的處理頻率處理頻率適中適中過程過程定義定義分分類類要要求求切換（切換（Handoff，HO）是指移動）是指移動臺在通信臺在通信期間，由于位置期間，由于位置發(fā)生改變，而改發(fā)生改變，而改

48、變與網(wǎng)絡變與網(wǎng)絡的連接關系的過的連接關系的過程，也稱越區(qū)切程，也稱越區(qū)切換。換。硬切換硬切換軟切換軟切換1鏈路監(jiān)視和測量鏈路監(jiān)視和測量2目標小區(qū)的確定和目標小區(qū)的確定和切換觸發(fā)（切換決策切換觸發(fā)（切換決策）3切換執(zhí)行切換執(zhí)行86Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory特點先斷后通：在新鏈路建立前，先中斷舊鏈路。先斷后通：在新鏈路建立前，先中斷舊鏈路。在整個切換過程中移動臺只能使用一個無線信道。在整個切換過程中移動臺只能使用一個無線信道。存在短期通話中斷。存在短期通話中斷。有掉話的可能。有掉話的可能。系統(tǒng) 模擬系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)和T

49、DMATDMA系統(tǒng)（如系統(tǒng)（如GSMGSM系統(tǒng)）系統(tǒng)） 原因：采用不同頻率的小區(qū)之間只能采用硬切換原因：采用不同頻率的小區(qū)之間只能采用硬切換缺點失敗率較高失敗率較高“乒乓效應乒乓效應”統(tǒng)計結果 無線信道上無線信道上90%90%的掉話是在切換過程中發(fā)生的。的掉話是在切換過程中發(fā)生的。 87Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory優(yōu)點優(yōu)點優(yōu)缺點優(yōu)缺點系統(tǒng)系統(tǒng)地位地位軟切換是指需要切換時，移動臺先與目標軟切換是指需要切換時，移動臺先與目標基站建立通信鏈路，再切斷與原基站之間基站建立通信鏈路，再切斷與原基站之間的通信鏈路的切換方式，即

50、先通后斷的通信鏈路的切換方式，即先通后斷CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)所獨有蜂窩移動通信系統(tǒng)所獨有提高切換成功率提高切換成功率增加系統(tǒng)容量增加系統(tǒng)容量提高通信質量提高通信質量硬件設備的增加硬件設備的增加占用更多的資源占用更多的資源CDMA系統(tǒng)特有的關鍵技術之一系統(tǒng)特有的關鍵技術之一88Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory移動臺與原小區(qū)基站臺移動臺與原小區(qū)基站臺保持通信鏈路；保持通信鏈路；移動臺與原小區(qū)基站臺移動臺與原小區(qū)基站臺保持通信鏈路的同時，保持通信鏈路的同時，與新的目標小區(qū)（一個與新的目標小區(qū)（一個或多個小區(qū)）的基站臺或多

51、個小區(qū)）的基站臺建立通信鏈路建立通信鏈路；89Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory軟切換時軟切換時Rake 接收說明接收說明90Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory 位置管理包括兩個主要任務：位置登記和呼叫傳遞。位置登記的步驟是在移動臺的實時位置信息已知的情況下，更新位置數(shù)據(jù)庫和認證移動臺。呼叫傳遞的步驟是在有呼叫給移動臺的情況下，根據(jù)HLR（Home Location Register 歸屬寄存器）和VLR（Visitor Location Regi

52、ster 訪問寄存器）中可用的位置信息來定位移動臺。 與上述兩個問題緊密相關的兩個問題是：位置更新（Location Update）和尋呼（Paging）。位置更新解決問題是移動臺如何發(fā)現(xiàn)位置變化以及何時報告它的當前位置。尋呼解決的問題是如何有效地確定移動臺當前處于哪一個小區(qū)。91Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory移動通信中無線資源管理原理性框圖移動通信中無線資源管理原理性框圖92Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory 一般的來說無線資源管理包括以下內

53、容：接納控制一般的來說無線資源管理包括以下內容：接納控制（Admission Control）、負載控制（）、負載控制（Load Control）、）、 功率控制（功率控制（Power Control）、切換控制（）、切換控制（Handoff Control）、速率控制（）、速率控制（Rate Control）以及信道分配）以及信道分配 （Channel Allocation）、分組調度（）、分組調度（Packet Scheduling）等）等93Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory發(fā)生下面三種情況時就需要進行接納控制：發(fā)

54、生下面三種情況時就需要進行接納控制：v UE的初始建立、無線承載建立；的初始建立、無線承載建立；v UE發(fā)生越區(qū)切換；發(fā)生越區(qū)切換；v 處于連接模式的處于連接模式的UE需要增加業(yè)務。需要增加業(yè)務。 接納控制通過建立一個無線接入承載來接受或拒絕一個呼接納控制通過建立一個無線接入承載來接受或拒絕一個呼 叫請求，當無線承載建立或發(fā)生變化時接納控制模塊就需叫請求，當無線承載建立或發(fā)生變化時接納控制模塊就需 要執(zhí)行接納控制算法。要執(zhí)行接納控制算法。94Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory接納控制與其他無線資源管理功能模塊的關系：接納

55、控制與其他無線資源管理功能模塊的關系： 95Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory接納控制算法：接納控制算法：v 基于預留信道的基于預留信道的CAC算法：信道預留的算法：信道預留的CAC機制的關鍵在機制的關鍵在 于確定最優(yōu)的預留信道供切換使用。于確定最優(yōu)的預留信道供切換使用。v 基于信干比的基于信干比的CAC算法：根據(jù)小區(qū)內用戶當前的信干比和信算法：根據(jù)小區(qū)內用戶當前的信干比和信 干比門限值來估計系統(tǒng)的剩余容量。對于新呼叫或切換呼叫，干比門限值來估計系統(tǒng)的剩余容量。對于新呼叫或切換呼叫， 只有在系統(tǒng)剩余容量大于零的前提下才允

56、許接入。只有在系統(tǒng)剩余容量大于零的前提下才允許接入。v 基于碼道的基于碼道的CAC算法：當一個新呼叫到達時，該呼叫的歸屬算法：當一個新呼叫到達時，該呼叫的歸屬 基站判斷本小區(qū)的空閑基站判斷本小區(qū)的空閑RU（資源單元）是否能夠滿足呼叫（資源單元）是否能夠滿足呼叫 用戶的需求，能夠滿足則接入新呼叫，否則阻塞該新呼叫。用戶的需求，能夠滿足則接入新呼叫，否則阻塞該新呼叫。96Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory接納控制算法：接納控制算法：v 基于碼道和功率的基于碼道和功率的CAC算法：在進行接納判別時，除了要進算法：在進行接納判別

57、時，除了要進 行碼道資源的判斷外，還要進行功率資源的判斷。行碼道資源的判斷外，還要進行功率資源的判斷。97Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配 按照信道分割的不同方式，信道分配技術可分為固定信道按照信道分割的不同方式，信道分配技術可分為固定信道 分配（分配（FCA）、動態(tài)信道分配（）、動態(tài)信道分配（DCA）和混合信道分配）和混合信道分配 （HCA）。）。v FCA 指根據(jù)預先估計的覆蓋區(qū)域內的業(yè)務負荷，將信道資指根據(jù)預先估計的覆蓋區(qū)域內的業(yè)務負荷，將信道資 源分給若干個小區(qū)，相同的信道集合在間隔一定

58、距離的小區(qū)源分給若干個小區(qū)，相同的信道集合在間隔一定距離的小區(qū) 內可以再次得到利用。內可以再次得到利用。v DCA將根據(jù)小區(qū)的業(yè)務負荷，候選信道的通信質量、使用將根據(jù)小區(qū)的業(yè)務負荷，候選信道的通信質量、使用 率及信道的再用距離等諸多因素選擇最佳的信道，動態(tài)的分率及信道的再用距離等諸多因素選擇最佳的信道，動態(tài)的分 配給接入的業(yè)務。配給接入的業(yè)務。98Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配v HCA 是固定信道分配和動態(tài)信道分配的結合，在是固定信道分配和動態(tài)信道分配的結合，在HCA 中中 全部信道被分為固

59、定和動態(tài)兩個集合。全部信道被分為固定和動態(tài)兩個集合。99Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory負載控制負載控制 無線資源管理功能的一個重要任務是確保系統(tǒng)不發(fā)生過載。無線資源管理功能的一個重要任務是確保系統(tǒng)不發(fā)生過載。 一旦系統(tǒng)過載必然會使干擾增加、一旦系統(tǒng)過載必然會使干擾增加、QoS下降，系統(tǒng)的不穩(wěn)下降，系統(tǒng)的不穩(wěn) 定會使某些特殊用戶的服務得不到保證，如果遇到過載，則定會使某些特殊用戶的服務得不到保證，如果遇到過載，則 無線網(wǎng)絡規(guī)劃定義的負載控制功能體將系統(tǒng)迅速并且可控地無線網(wǎng)絡規(guī)劃定義的負載控制功能體將系統(tǒng)迅速并且可控地

60、回到無線網(wǎng)絡規(guī)劃所定義的目標負載值?；氐綗o線網(wǎng)絡規(guī)劃所定義的目標負載值。 負載控制就是通過一定的方法或準則，對系統(tǒng)承載能力進行負載控制就是通過一定的方法或準則，對系統(tǒng)承載能力進行 監(jiān)控和處理，確保系統(tǒng)在具有高性能高容量的目標下能穩(wěn)定監(jiān)控和處理，確保系統(tǒng)在具有高性能高容量的目標下能穩(wěn)定 可靠的工作的一種無線資源管理方法?？煽康墓ぷ鞯囊环N無線資源管理方法。100Mobile Communication TheoryMobile Communication Theory負載控制負載控制負載控制的一般流程：負載控制的一般流程：101Mobile Communication TheoryMobile C