1. 移动通信网基本概念

• 移动通信网络结构
  • 空中网络
    • 多址接入/切换和位置更新/频率复用和蜂窝小区
  • 地面网络
    • 服务区内各基站相互连接/基站与固定网络
• 蜂窝式组网理论
  • 蜂窝式小区覆盖/小功率发射/频率复用/多信道公用/越区切换
• 移动通信网基本组成

• 移动通信无线服务区由许多正六边形蜂窝小区覆盖而成，通过接口与公众通信网（ PSTN 、PSDN ）互联
• 移动通信系统包括交换子系统SS、操作维护管理子系统OMS 、基站子系统BSS 、移动台MS ，是一个完整的信息传输实体
  • 各子系统的功能

2. 频率复用和蜂窝小区

2.1 容量与区制

• 目的：解决频率资源有限，用户容量问题
• 区域覆盖方式
  • 小容量大区制
    • 一个基站覆盖整个服务区，发射功率大
    • 利用分集接收保证上行链路通信质量
    • 仅适用于小容量
  • 大容量小区制
    • 频率复用，覆盖区域划分若干小区，每个小区设立一个基站服务
    • 各小区克重复使用频率
    • 会带来同频干扰问题

• 切换和位置管理

• 蜂窝系统-小区制的系统

  • 宏蜂窝/微蜂窝/皮蜂窝（微微蜂窝）

• 小区越来越小

  • 频率可重复利用程度越高，利用率越高
  • 但同频干扰带来挑战

• 大容量小区制

  • 频率复用和覆盖方式
    • 带状服务覆盖区/面状服务覆盖区
• 面状服务覆盖区簇
  • 共同使用全部可频率的N个小区叫做一簇
  • 同一个小区簇内要使用不同的频率
  • 不同的小区簇间使用对应相同频率

2.2 小区簇频率复用

• 小区簇的意义
  • 一个共有S个双向信道的蜂窝系统，如果每簇含N个小区，每个小区分配K个信道（k<S）

• 如果簇在系统中共同复制了M次，则信道的总数C可作为容量的一个度量

• N叫做簇的大小，典型值为4、7或12
• N的值表现了移动台或基站在保证通信质量的同时，可以承受的干扰（主要是同频干扰）
  • 频率复用距离与小区簇的关系

• 频率复用距离（即同频距离）D是指最近的两个同频点小区中心之间的距离，在小区中心作两条与小区的边界垂直的直线，其夹角为120º。此两条直线分别连接到最近的两个同频点小区中心，其长度分别为I和J

• H为小区中心到边的距离，R是小区的半径，i和j为跨越小区次数，当N为7时，i=1，j=2

• 
• N又称为频率复用因子
• N越小，频率复用利用率高，但是同频距离D小，同频干扰大
  • 载波干扰比与小区簇的关系
• 假定小区的大小相同，移动台的接收功率门限（阈值）按小区大小调节
• 若设L为同频干扰小区数，则移动台的接收载波干扰比可表示为

• C为最小载波强度

• I 为第l个同频干扰小区所在基站引起的干扰功率

• 移动无线信道的传播特性表明

  • 小区中移动台接收到的最小载波强度C与成正比，R代表移动台和基站的距离
  • 设是第l个干扰源与移动台的间距，则移动台接收到的来自第l个干扰小区的载波功率与成正比
  • n为衰落指数，一般取4

• 多层同频小区干扰

• 通常在被干扰小区周围，干扰小区是多层，一般第一层起主要作用
• 如果每个基站的发射功率相等，整个覆盖区域内的路径衰落指数相同

• 有效信号

• 无效信号

• 现仅考虑第一层干扰小区，且假定所有干扰基站与预设被干扰基站的间距相等，则载干比可简化为

• 式中为同频复用比例（也称同频干扰因子），一般用Q表示

• 原式表明了载干比和小区簇的关系
• 一般模拟移动通信系统要求，假设n取值为4，则簇N最小为6.49，故一般取簇N的最小值为7
• 数字移动通信系统中，所以可以采用较小的N值
  • 例题

• 小区的分裂

  • 若系统中所有小区都按原半径的一半分裂，则理论上 ，系统容量增长接近4倍
  • 小区制优点
    • 提高了频谱利用率 （最大的优点 ）
    • 基站的功率减小 ，使相互间的干扰减少
    • 小区的服务范围可根据用户密度确定 ，组网灵活

      3. 多址接入技术

      3.1 多址接入方式

• 移动通信系统中基站的多路工作，移动台单路工作形成了移动通信的一大特点

• 下行链路移动台识别来源
• 上行链路基站识别来源
• 多址技术解决，多址就是将不同的信号空间维度分配给不同的用户
• 分集/复用/多址的区分

3.2 频分多址方式FDMA

3.2.1 频谱分割原理

• 每个用户分配一信道，即一对频谱
  • 较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向
  • 较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向
• 必须同时占用2个信道（2对频谱）才能实现两用户之间的双工通信
  • 基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号
  • 任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转

• 设置频道间隔
  • 前向信道与反向信道之间设有保护频带
  • 用户频道之间设有保护频隙

• 保护频带的作用
  • 补偿滤波特性不理想（存在频带溢出）、邻道干扰和多普勒扩展

    3.2.2 主要干扰

    

    3.2.3 特点

    

    3.3 时分多址方式TDMA

    3.3.1 工作原理

• 在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，无论帧或时隙都是互不重叠
• 每个时隙 (Time Slot) 就是一个通信道，分配给一个用户
• 基站按时隙排列顺序发收信号，各移动台在指定的时隙内收发信号

• 同步和定时是 TDMA 系统正常工作的前提
• 同步
  • 位同步：正确接收符号的基础
  • 时隙同步：正确区分数据的基础
  • 帧同步：进行复用/解复用所需
• 定时
  • 不同 MS 到BS 的距离差异导致，不同的信号延迟
  • 会使得BS接收到的信号相互交叠
  • 解决办法：设定保护时间

3.3.2 系统特点

• 突发传输的速率高，远大于语音编码速率，因为TDMA系统中需要较高的同步开销
• 发射信号速率随时隙数 N的增大而提高，引起码间串扰加大，所以必须采用自适应均衡
• 无需双工器
• 基站复杂性小，互调干扰小
• 抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大

• 越区切换简单，可在无信息传输时进行，不会丢失数据

  3.4 码分多址方式CDMA

  3.4.1 工作原理

• 码分多址系统为每个用户配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息

• CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空上都可能重叠

• 系统的接收端必须有完全一致本地址码，才能对接收的信号进行相关检测

  3.4.2 系统特点

• 多用户共享同一频率

• 通信容量大，干扰的减少将转化为容量的提高
• 容量的软特性，多增加一个用户只会使通信质量有所下降，不会出现硬阻塞现象
• 由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落
• 信道数据速率很高，无需自适应均衡
• 平滑的软切换和有效的宏分集，不会引起通信中断

• 扩频后低信号功率谱密度

  • 抗窄带干扰能力强
  • 对窄带系统的干扰小，可以与其它系统公用频段

• 系统的软切换过程

  • 每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态（硬切换为断掉当前连接重新连接）
  • 当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换

    3.4.3 存在问题

• 多址干扰

  • 不同用户的扩频序列不完全正交， 扩频码集的非零互相关系数会引起用户间的相互干扰
• 远-近效
  • 移动用户所在的位置的变化以及深衰落的存在，会使基站接收到的各用户信号功率相差很大，强信号对弱信号有着明显的抑制作用

• 解决办法

  • 使用功率控制

    3.5 空分多址方式SDMA

    3.5.1 工作原理

• 使用定向波束天线在不同用户方向上形成不同的波束

• 自适应天线
• 需要小波束宽度
• 快搜索能力
• 克服多径干扰和通信道干扰

  3.5.2 蜂窝系统中反向链路的困难

  

  3.5.3 自适应式阵列天线