1、五章GSM系统中的工程学一、概述目的：将一个GSM蜂窝网在覆盖面积和话务量的限制下组织得比较合理。移动通信电子工程系李明组网时的问题：采用什么技术来提高共享资源的利用率？如何划分蜂窝小区？小区内的基站数量？互连互通性？如何保证移动台的巡游？采用哪种信令系统？etc.移动通信电子工程系李明信令链路话音链路PSTN图规范定义的GSM网络结构移动通信电子工程系李明二、几个基本概念.通信中的话务量和呼损率话务量(traffic)：衡量话音通信中业务量大小的指标。分为流入话务量和完成话务量。流入话务量A：取决于单位时间(1小时)内平均发生的呼叫次数和每次呼叫的平均占用信道时间S。ErlangSA移动通信
2、电子工程系李明注意事项：在只有一台机器时，以Erlang表示的话务量也是它被占用的概率，不可能超过1如果有一组L台机器，每台机器的话务量都是一样的，那么总的话务量是它们的总和，不可能超过L移动通信电子工程系李明例题1：10000个用户连接在同一台程控交换机上。每个用户有0.1Erlang的话务量。呼叫持续3分钟。请问，在这个程控交换机上每小时有多少次呼叫？移动通信电子工程系李明20000360100010001.010000nErlangSA呼叫次数解：移动通信电子工程系李明完成话务量：假设单位时间内成功的呼叫次数为0，完成的话务量为A0=0 S。损失话务量：流入话务量A与完成话务量A0之差。
3、呼损比：损失话务量占流入话务量的比率，又被称为通信网的服务等级。00AAAB移动通信电子工程系李明.完成话务量的性质与计算在T小时内，全网共完成C1次通话，那么完成话务量为假设总的信道数为n，在时间T内有i(in)个信道被同时占用的时间为ti(tT)，可以得到SCTSA1001SCtnttttiniin 13211321移动通信电子工程系李明ti/T表示的是在n个信道中，有i个信道同时被占用的概率，用Pi表示，有完成话务量表示了通信网的繁忙程度。niiPiA10移动通信电子工程系李明.呼损率的计算Erlang呼损公式(Erlang B)信道利用率：表示每小时每个信道的完成话务量，即niiniA
4、nAB1!/!/nBAnA)1(0移动通信电子工程系李明.用户忙时的话务量与用户数集中系数k：最忙1小时内的话务量与全天话务量之比，k的值一般在10%15%之间。移动通信电子工程系李明假设通信网中每个用户每天平均呼叫次数为C(次/天)，每次呼叫的平均占用信道时间为T(秒/次)，集中系数为k，那么每个用户的忙时话务量为每个信道所能容纳的用户数为36001kTCakTCnAanAm3600/移动通信电子工程系李明三、多址接入技术(Multiple Access)共享传播介质时，在保证通信质量的前提下，如何使多用户能够进行通信的技术，就是多址接入技术。常用的有：CSMA、CDMA、FDMA、TDMA
5、、OFDMA等移动通信电子工程系李明频分多址FDMA将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道信道，使不同的用户在同一时间内可以进行通信的技术。频分双工FDD：接收频率f和发送频率F不同，保证接收和发送可以同时进行的技术。FDMA:Frequency Division Multiple AccessFDD:Frequency Division Duplex移动通信电子工程系李明信道2信道1 信道N信道1 信道N收发间隔 信道带宽功率时间移动台收（基站发）移动台发（基站收）图FDMA示意图移动通信电子工程系李明时分多址TDMA将时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，使得多个用户可以在同一
6、频率进行通信。时分双工TDD：允许上下行帧可以工作在相同的频率上的技术。TDMA:Time Division Multiple AccessTDD:Time Division Duplex移动通信电子工程系李明图TDMA示意图移动通信电子工程系李明在GSM中，每个载频被分割成时隙(slot)。每个时隙为在时隙中传输的信息被称为突发(burst)。同一个载频上，个时隙组成一个TDMA帧，msTslot5769.0msTTslotTDMA6152.48移动通信电子工程系李明.TDMA系统中，时隙设计需考虑的问题控制和信令信息的传输多径传播的影响系统的同步移动通信电子工程系李明.应采取的措施在每个时
7、隙中，专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输在时隙中插入自适应均衡器所需的训练序列，来克服多径传播引起的码间干扰在上行链路的每个时隙中预留一定的保护间隔，防止两个连续的时隙出现重叠在每个时隙中插入传输同步序列移动通信电子工程系李明三、传播模式信号畸变的结果：频率上(多普勒效应)幅度上(瑞利衰落或多径传播衰落)相位上(多径传播带来的时间上的延迟)移动通信电子工程系李明通常考虑的几个方面.路径传播损耗又叫Path Loss，和工作频率以及传播距离有关：L代表路径传播损耗，d代表收发端距离，f 代表无线电频率，c代表光速；2)4(cdfL移动通信电子工程系李明或者，考虑线性衰减的情况下式中，Gai
8、n为信道的增益；为一常数，取值界于2和3.5之间(2对应着无线电在自由空间的传播)；k为一常数，根据不同的工作环境而取不同的值(比如说，当k=1/5时，面积为1平方公里的蜂窝小区边界的接收功率为-90 dB)。dkGainpathgainGainPPxxTR:其中移动通信电子工程系李明.阴影效应造成的慢衰落损耗由于发射机和接收机之间的障碍物带来的影响。视距传播(Line Of Sight)：在发射机和接收机的直射途径中没有障碍物的存在非视距传播(Non Line Of Sight)：在发射机和接收机的直射途径中有障碍物的存在移动通信电子工程系李明.树木带来的损耗的单位是米距离，的单位是，频率的
9、单位是式中，fffffdGHzFdBLmddFLmddFL14045.104001433.1284.0588.0284.0移动通信电子工程系李明.快衰落损耗主要是多径传播引起的。多径传播扩展时延的计算：其中，的单位是米，c代表光速。c短长移动通信电子工程系李明 宏蜂窝模式主要存在Hata和COST231-Hata(european Cooperation in the field of Scientific and Technical research)两种模式。适用于蜂窝半径1km或以上的蜂窝系统。移动通信电子工程系李明应用的前提条件为：基站天线hb高度在30200米(含)之间移动台天线hm
10、高度在110米(含)之间移动台和基站间的距离在120公里之间频率的单位为MHz移动通信电子工程系李明.Hata模式该模式适用于频段1501000MHz(含)之间。在城市中，用dB表示的慢衰落Lc为:其中，dhhahfLbmbclglg55.69.44)(lg82.13lg16.2655.69的修正因子。度和环境决定为一个由移动台天线高)(mha移动通信电子工程系李明97.4)75.11lg(2.3)(2mmhha对于中等城市来说，对于大城市来说，当移动台天线的高度小于(含)1.5米时，该修正指数可以忽略不计。8.0lg56.1 7.0lg1.1)(fhfhamm移动通信电子工程系李明对于小城市
11、来说，对于农村来说，可以视为沙漠(衰落记为Lro)或半沙漠地带(衰落记为Lrqo)4.5)28lg(22fLLcsc94.35lg33.18lg78.494.40lg33.18lg78.422ffLLffLLcrqocro移动通信电子工程系李明.COST 231-Hata模型使用的频率范围在15002000MHz(含)之间。在城市中，用dB表示的慢衰落Lc为：其中，对于中等城市来说对于中等城市和郊区Cm=0dB对于大城市Cm=3dB。mbmbcCdhhahfLlglg55.69.44)(lg82.13lg9.3333.468.0lg56.1 7.0lg1.1)(fhfhamm移动通信电子工程系
12、李明在该模式下，对于农村的处理和Hata模式一样。移动通信电子工程系李明133.1+33.8lgd102.0+31.8lgd97.0+31.8lgd在1795 MHz频率上的慢衰落123.6+33.8lgd95.9+31.8lgd90.9+31.8lgd在925 MHz频率上的慢衰落50100100基站天线高度城市(中等)半遮挡的农村无遮挡的农村工作环境表与距离有关的慢衰落移动通信电子工程系李明微蜂窝模式城市中，当基站天线位于屋顶之下，并且发射功率比较弱时，被覆盖的范围可被视为“微蜂窝”。在视距传播时，慢衰落可视为：该式适用于频率在8002000MHz之间，移动台天线高度在13米之间，基站天线
13、高度在450米之间时。当移动台位于街道另一端时，可以考虑再加上20dB的衰减。)02.0(lg26lg206.42kmddfLloss当移动通信电子工程系李明四、资源复用蜂窝小区：指的是在移动通信中，被一个天线覆盖的地理范围。移动通信电子工程系李明典型的六边型模式区群(motif)：包含了一组信道的、最小的蜂窝小区群。规范中建议：在一个蜂窝群，信道(同一频率)仅仅只能出现一次(但是实际应用中，一个小区中可以有数个频率)。频率再用距离：两个使用同一频率的发射机间的最小距离。移动通信电子工程系李明组成区群的条件：区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的
14、距离相等。移动通信电子工程系李明图N=4的区群111111111112222224444444444333333移动通信电子工程系李明载干比：C/(I+N)C：收到的信号功率I：同频干扰和邻频干扰N：接收机系统本身的噪声载干比门限值越小，频率再用距离就越小，区群就越小。移动通信电子工程系李明.规则的区群区群的大小N=i2+ij+j2其中，i和j为自然数或0。移动通信电子工程系李明表区群内小区数N的取值移动通信电子工程系李明同频小区的再用距离：式中，N为区群中的小区数，R为小区的外接圆半径。RND3移动通信电子工程系李明11111111111图再用距离DR移动通信电子工程系李明相对于一个蜂窝小区
15、来说，和它使用同频的蜂窝小区的中心都位于一个同心圆上。移动通信电子工程系李明常见的区群一般包含3、4、7、9、12、21、27个小区。在不规则区群中，再用距离不会比规则区群更大。移动通信电子工程系李明.受噪声限制的系统当一个地区只需要很少的资源时，运营商可以在整个区域只使用一个蜂窝小区。这时，同频干扰和邻频干扰远小于系统噪声IN，这种系统即为受噪声限制的系统。这种系统的同频再用距离非常大，通常被使用在人口稀少的农村。移动通信电子工程系李明.受干扰限制的系统在最大限度地再用资源时，同频干扰将远大于其他的影响NI，这种系统被称为受干扰限制的系统。Bi为在移动台接收频率上发射的所有基站，Ik是来自于
16、第一个同心圆上的第k个蜂窝小区的干扰。iBkkICICNIC移动通信电子工程系李明典型模式的研究.TDMA/FDMA系统大多数的系统均为TDMA/FDMA，网络的布置一般是根据基站的频率来进行的。移动通信电子工程系李明.使用定向天线在GSM中，每个天线覆盖一个蜂窝小区。每个基站收发器BTS(Base Transceiver Station)采用三副120扇形辐射的定向天线。这三副天线在逻辑上由同一个BSC管理，它们使用不同的频率。移动通信电子工程系李明图GSM中4/12的区群GSM中常见的最小区群移动通信电子工程系李明.考虑阴影效应一个网络允许5%10%的手机的接收电平低于系统规定的门限值。G
17、SM规范中规定保证正常运作的C/I值为9dB。最小的区群所含小区数等于9。移动通信电子工程系李明图C/I值和区群大小的关系xP(C/IC1在f1上，C/Ia1=C1/C2-9 dB图ACS的示意图移动通信电子工程系李明一般来说，在同一个基站收发信机上的不同频率间应该有至少600kHz的间隔；并且避免在两个相邻的基站收发机上使用两个相邻频道。移动通信电子工程系李明.其他应该考虑的因素区域中的人口密度、居民购买手机的欲望、通话高峰期、通话高峰的地点等移动通信电子工程系李明五、影响系统容量的因素跳频目的：对抗选择性衰落和使干扰尽量平均出现在所有的载频上，而不是在某些载频的电平非常高后果：在基站必须布
18、置更多的频道移动通信电子工程系李明功率控制目的：在保证一定的通话质量前提下，减少同频干扰和延长移动台的续航时间后果：降低了发射能量功率控制是由基站控制器BSC(Base Station Control)完成的。移动通信电子工程系李明间断发射(DTX)每条话务信道的使用率平均约为40%。目的：在无线信道上降低发射能量，降低资源消耗和因发射而产生的干扰后果：在讲话停顿时，可能会带来可闻干扰移动通信电子工程系李明六、GSM网络的扩容内在容量的增加系统的内在容量：指的是在分配的频段上，每个蜂窝小区能够承载的Erlang数(话务量)。系统的内在容量与蜂窝小区的大小无关，它与使用的区群大小有关。移动通信电
19、子工程系李明.非整数区群要增加系统的内在容量，应该将区群数减小，采用不规则的区群，不同的区群中应用不同数量的频率。移动通信电子工程系李明图非整数区群示意图区群为3区群为12区群为9区群=(12+3+9)/3=87.5(实际应用中)移动通信电子工程系李明案例分析：运营商甲，有29.6MHz的频段，48个双工作业的载波，分布在规则的六边形网络中。采用的区群数为12(4/12)，32个物理信道中，配置了29个TCH信道。假设每个蜂窝小区的呼损率为2%，经过计算得出总话务量是21Erlang。系统的内在容量为21/(2 9.6)=1.1Erlang/MHz。移动通信电子工程系李明若：运营商甲在每个蜂窝
20、小区设置了(48/7.5)6个频率，即45个TCH信道，话务量为35.6Erlang。相对区群数为12的系统，容量增加了(35.6-21)/2170%。移动通信电子工程系李明.综合式跳频暂时性负荷的系统假设不增加蜂窝小区的负荷提高系统容量=每个频率被占用的概率减小=增加每个蜂窝小区中的频率数不超过门限值?=通话质量尚可以接受=提高系统容量移动通信电子工程系李明改良设备TRX的数量小于蜂窝小区中被配置的频率数，将频率固定的TRX换成频率不固定的TRX。移动通信电子工程系李明简单跳频综合跳频该图中没有考虑信标信道。图跳频的类型couplercoupler移动通信电子工程系李明.Sectoring通
21、过使用定向天线代替全向天线来实现。移动通信电子工程系李明图Sectoring移动通信电子工程系李明增加小区密度.分割小区运营商可以通过增加基站数量和将蜂窝小区分割成更小的来增加系统的容量。移动通信电子工程系李明图将蜂窝小区分割为更小的蜂窝小区移动通信电子工程系李明图蜂窝小区的面积不能无限制缩小如果基站的密度太大，势必对移动台带来很大的干扰。移动通信电子工程系李明.布置微蜂窝小区和多层网络见图和图。移动通信电子工程系李明micro-cellmicro-cellmicro-cell图微蜂窝小区的布置移动通信电子工程系李明micro-cell layermacro-cell layer图多层网络移动
22、通信电子工程系李明在微蜂窝小区的BCCH信道上，通过广播，禁止所有的移动台接入到微蜂窝小区。在宏蜂窝小区的BCCH信道上，将微蜂窝小区的信标信道加入到相邻蜂窝小区的列表中。所有的呼叫都是在宏蜂窝小区建立的。在呼叫阶段的起初几秒(在SDCCH信令阶段或者响铃阶段)，网络根据SACCH信道发送的消息，可以确定移动台是否在一个微蜂窝小区的覆盖范围内以及移动台是否处于基本不动的状态，从而决定是否将通信转接给微蜂窝小区。移动通信电子工程系李明多频段网络增加基站=成本太高申请更宽的频带=成本相对低GSM网络：GSM900MHz,扩展的GSM 900MHz(880890和925935),DCS1800MHz
23、。移动通信电子工程系李明.两种配置每个蜂窝小区只有一个频段网络有两种蜂窝小区：一种的信标信道是在900MHz频段；另一种的信标信道是在1800MHz频段。每个蜂窝小区有两个频段移动通信电子工程系李明.布置双频段网络在移动用户饱和地段，布置1800MHz频段的TRX，以及900-1800的天线。这样，双频段移动台可以自动选择合适的频段工作。移动通信电子工程系李明idle on the beacon of 900MHz900-1800 MHznetworkcommunication on the traffic 1800 MHz图双频段终端的接入示意图移动通信电子工程系李明自适应天线(smart antennas)目的：减少干扰。由多个天线组成，天线间距离的典型值为0.5。结合使用的技术：1998年测试的系统：将蜂窝小区分割成8个扇区，根据移动台的位置，选择合适的波束。此时，一个波束管理一个方位。SDMA(Spatial Division Multiple Access)系统：如果基站收到来自两个角度相差比较大的移动台信号时，那么在同一频率和同一时隙，这两个移动台的信号经过自适应天线的处理后是相对独立的。移动通信电子工程系李明小结：了解组建GSM网络时应考虑的方面，熟悉GSM中的多址接入技术，掌握资源复用中的部分重点内容以及增加系统容量的技术。移动通信电子工程系李明
