1、第一章蜂窝通信原理蜂窝通信原理概述蜂窝电话系统用于为移动台 MS（Mobile Station）与公共电话系统之间，或者和另一个蜂窝系统的移动台之间建立连接。移动台 MS 与蜂窝网络之间的信息通过无线电波传送，这样省去了传统电话中的电话线，因此，移动用户可以自由移动，比如在车上，或步行。蜂窝通信的优点蜂窝电话网络与“陆地 ”电话网络相比，有 许多优点，不仅对于移动用户，对 于网络运营商来说也是一样的。概述对于移动用户的优点 移动性 灵活性 便利性对于网络运营商的优点 易于扩容 高收益率 频谱利用率高 易于重新配置网络组成GSM 网络包括移动业务交换中心 MSC（Mobile Services
2、Switching Centres），基站系统 BSS（Base Station System），以及移动台 MS（Mobile Station）。这三种网络实体各自都还可以划分成更小的实体，比如在 BSS 中有基站控制器 BSC（Base Station Controller），基站收发 信台 BTS（Base Transceiver Station）和压缩编码器 XCDR（Transcoder）。对于这些更小的网络实体，在后面将会具体讨论到。在 MSC，BSS 和 MS 组成的蜂窝系统中，移 动用户可以发起呼叫，接收呼叫，系统会相 应的计费，就如同一般的 PSTN 网络能完成的功能一样。唯
3、一存在的问题是，MS 只能同其它的 MS 之间进行呼叫，为了使移 动台也能与市话用户之间进行呼叫，所以有必要把GSM 网络连到 PSTN。蜂窝网络中的移动台处在“小区” 中， 这些小区由 BSS 提供，每个 BSS 能提供一个或多个小区，这取决于厂商的设备。小区一般被画作六边形，但实际上小区是不规则形状，这主要是受周围地形干扰的影响或是取决于网络规划者的设计。图示的小区覆盖实际的小区覆盖4基站/3小区6 小区基站6 副发射/接收天线全向基站1小区扇区化（Sectorization）3 小区基站3 副发射/接收天线频率1频率2频率1小的小区大的小区最大6070kmMSCMSBSSMSBSSMSB
4、SSMSBSSMSBSSMSBSSPSTN网络组成PSTN(PublicSwitched Telephone Network) 公众交换电话网MSC(Mobile service Switching Centre) 移动业务交换中心BSS(Base Station System)基站系统MS(MobileStation) 移动台(Cell Coverage Area)小区覆盖区域频谱简介频谱非常拥挤，只有很窄的带宽分配给了蜂窝通信。对面列出了分配给 GSM，EGSM（Extended GSM），GSM1800（DCS1800）及 PCS1900 的频谱一个绝对无线频率信道编号 ARFCN（Ab
5、solute Radio Frequency Number）或 RF 载频实际是指一对频率，一个用于发射，一个用于接收， 这样可以双向的传送信息。发射、接收频率之间的频率间隔称为双工间隔，GSM900 和 EGSM900 的双工间隔是45MHz，DCS1800 的双工间隔是 95MHz，PCS1900 的双工间隔是 80MHz，GSM 网络中每个小区至少要分配一个 ARFCN，当然也可以分配多个 ARFCN 用来提供更大的容量。每个 GSM RF 载频支持 8 个 TDMA（Time Division Multiple Access）时隙，所以理论上说每个 RF 载频可以同时支持 8 个电话呼
6、叫，在以后的 课程中我们将可以看到，尽管这种理论上的情况是可能实现的，但实际上系统还需要传信令，所以一个 RF 载频可能同时 只能支持六个到七个电话呼叫，减少了能支持的移动台数。GSM 网络不同于 PSTN 网络，在 PSTN 网络中，每部电话都是通过一对固定的电话线连到陆地网络，但在GSM 网络中，MS 通过无线接口连接到网络，所以很容易理解：一个 RF 载频可以支持远多于 8 个移动用户。经过统计，一个 RF 载频可以支持 15，20，甚至 25 个移动用户。显然由于资源限制,这些移动用户不能同时发起呼叫，但一般他们也不会同时发起呼叫，所以多个移动用户可以在不同的时间使用相同的物理资源。频
7、率范围GSM 900 接收(上行)890-915MHz 发射(下行)935-960MHz124 个独立无线频率信道 ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels)EGSM 900 接收(上行）880-915MHz 发射(下行)925-960MHz174 个独立无线频率信道 ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels)GSM 1800(DCS1800) 接收(上行）1710-1785MHz 发射(下行)1805-1880MHz374 个独立无线频率信道 ARFCN(Absolute Radio Frequency Channe
8、ls)PCS 1900 接收(上行）1850-1910MHz 发射(下行)1930-1990MHz299 个独立无线频率信道 ARFCN(Absolute Radio Frequency Channels)ARFCN 带宽=200KHz8 个 TDMS 时隙小区的大小一个区域内的小区数取决于该区域内的移动用户数及该区域的地形（山、湖、建筑物等）。大的小区GSM 最大的小区直径达 80km，但 这 和小区覆盖区域的地形及 MS 的功率级有关。在 GSM 系统中，MS 的发射功率可达 8w，显然 MS 的发射功率越高，小区可以越大。如果基站设在山上，而且周围没有什么障碍物，无线电波可以传得很远。如
9、果基站设在城市中间，周围高的建筑物会阻挡无线电波的传播路径。大的小区一般用在： 偏远地区 海边 用户很少的区域 面积大但需要用最少的基站覆盖的地方小的小区小的小区用在 MS 数多的小区域，或者为了减小干扰而要求发射功率低的区域。小的小区一般覆盖直径为200m 以上。小的小区一般用在： 城区 要求低功率发射的区域MS 数多的区域不同大小的小区混合使用选择使用什么样的小区没有唯一方案。网络运营商希望使用大的小区，减少安装维护费用，但又必须为用户保证服务质量，他们必须考虑到多种因素，比如地形，要求的发射功率，MS 数等，这样会不可避免的将不同大小的小区混合使用。小区的大小频率复用标准 GSM 共有
10、124 个频点可用，大多数的网 络运营商并不能使用所有这频点，而只能使用这 124 个频点中的一部分。例如：某网络运营商分配了 48 个频点，需要用这些 频点覆盖一个很大的区域，如英国。由前面可知，最大的小区其直径约为 70km，显然这 48 个频点无法覆盖整个英国。为解决频率受限的问题，网络运营商必须将同一个频率重复使用，这就称为“频 率复用” 。网络规划者在做频率复用规划时必须考虑频率的复用率及小区间的距离，否则会产生同信道干扰或邻信道干扰，或二者都有。网络运营商还要考虑需要被覆盖的区域的不同特点，在人口稠密的城区频率复用率比较高，采用小的小区能提供高的容量；在人口稀少的农村频率复用率较低
11、，采用大的小区，提供的容量也较小。同信道干扰如果使用相同频率的两个载频离得过近，它们之间将会互相干扰，这种干扰称为同信道干扰。邻信道干扰RF 载频受到另一个使用邻近频率的 RF 载频的干扰，这种干扰称为邻 信道干扰。频率复用频率复用扇区化我们前面所说的小区都是指全向小区，即一个基站对应一个小区，有一根发射天线，将无线电波辐射到 360 度的范围。如果采用全向小区，那么当同一地理区域内的 MS 数增加时，应该相应的增加小区数以扩大容量。为了在该地理区域安装更多的小区，必须减小小区的大小，而全向小区间的距离必须足够远，以防止同信道干扰和邻信道干扰。这种冲突会降低蜂窝网络的性能。为了在同一地理区域内
12、获得更大的容量，可以采用一种称为“扇区化” 的技术，扇区化即是将一个基站分成多个小区，每个小区都有自己的发射和接收天线，相当于一个独立的小区。扇区化的小区使用特制的定向天线，使该小区发射的无线电波集中在一个特定的方向上。这样做有很多优点，首先小区发射的无线电波能量集中到了一个更小的区域如 60 度，120 度或 180 度，而不是以 360 度全向发射，这样可以获得更强的信号，有利于“室内覆盖” 等。另外，同频 复用距离缩短，在同一地理区域可以有更多的小区，可以支持更多的移动用户。使用扇区化的基站一方面为了避免干扰，需要让使用相同频率 RF 载频的小区之间相距足够远， 这样会降低频率服用率；另
13、一方面，为了获得更高的容量，需要尽量提高频率复用率。在实际情况中，RF 载频分配及小区大小选择的原则主要就是为了使以上二者之间达到平衡。从对面图中可以看出，将基站扇区化之后，在相同的地理区域内可以有更多的小区，更多的移动用户可以接入并使用蜂窝网络。一般对人口稠密地区或者移动用户较集中区域（比如会议中心/商务建筑物）内的基站扇区化4 基站/3 小区4 基站/3 小区是 GSM 中一种典型的频率复用模式。例如：网络运营商有 36 个频点可用，如果他希望采用 4 基站/3小区的复用方式的话，可以将频率划分如下：Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell
14、Cell Cell CellA1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D31 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2425 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36在这种配置中每个小区共有 3 个载频，每个基站共有 9 个载频。如果网络运营商希望采用 3 基站/3 小区的频率复用方式的话，频率的划分将会是：Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell Cell CellA1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C31 2 3 4 5 6 7
15、 8 910 11 12 13 14 15 16 17 1819 20 21 22 23 24 25 26 2728 29 30 31 32 33 34 35 36从表中可以看出，现在每个小区中共有 4 个载频，每个基站共有 12个载频，这样在相同的地理范围内支持的用户数会增加，但同时，同信道干扰和邻信道干扰会有所增强。交换与控制在全向和定向小区建立的无线覆盖区域内，我们来看一下 MS 移动时的情况（MS 经常是处在移动状态的）。当 MS 移动时，可能会从一个小区移动到另一个小区。有多种原因会引起移动台从一个小区到另一个小区的切换，如：“服务小区” 的信号比“相邻 小区” 的信号弱，或者 MS
16、 在当前服务小区中的通话质量不好，这时 切换到相邻小区可以改善通话质量。不论是什么原因引起的切换，都需要由某些网络实体来控制切换的完成。在 GSM 中，由移动业务交换中心 MSC 控制切换。为了完成切换，系统必须知道 MS 将要切换到哪个相邻小区去，为保证 MS 能切换到信号最好的小区，MS 须测量它周围相邻小区的信号强度并上报给系统。系统分析比较这些测量数据，并根据切换的需要作出是否需要切换的决定。如果需要发生切换，系统会产生相应的控制信息并由 MSC 控制切换的完成。切换对用户来说必须必须是透明的，即使移动用户意识不到切换的发生。在后面我们将会看到，切换控制功能只是 MSC 能完成的多种功能中的一种，MSC 与其它相关网络实体在一起 还能完成多种其他功能，（如 MS 鉴权，加密控制，位置登 记，与 PSTN 间的网关等）。注：有的网络允许某些切换在 BSS 的控制下就可以完成，这取决于不同厂家的设备。
