第5章蜂窝组网技术.ppt

,第5章 蜂窝组网技术,5.1 移动通信网络的构成 5.2 多址接入技术 5.3 多信道共用技术 5.4 移动通信中的信令 5.5 移动管理技术,5.1 移动通信网络的构成 5.1.1 大区制移动通信网 所谓大区制,就是在一个服务区内只有一个或几个基站，由该基站负责整个移动通信网的联络与控制，如图5-1所示。为了增大覆盖区半径，基站天线架设得很高，可达几十米至几百米；发射功率很大，一般为50200W，实际覆盖半径为3050km。,图5-1 大区制移动通信示意图,大区制的优点是网络结构简单、成本低，一般将基站的收发信设备与市话交换局连接起来，借助于很高的天线，为一个较大的服务区提供移动通信业务。 一个大区制系统的基站频道数是有限的，容量不大，不能满足用户数目日益增加的需要，一般用户数只能达到几十到几百个。大区制覆盖的移动通信方式只适用于中、小城市等业务量不大的地区或专用移动通信业务。,移动台发射功率的大小是决定大区制系统覆盖区大小的重要因素，但移动台功率不可能很大，上行传输距离很有限。上、下行增益差可达612dB或更大，使平坦地区上、下行传输距离差大于1倍，从而限制了基站（BS）与移动台（MS）的互通距离，即所谓的上、下行传输不平衡问题。要解决这一问题，应采取相应的技术措施，主要的措施有以下几种： （1）设置分集接收台。在业务区内的适当地点设立分集接收台（Rd），如图5-1所示。位于远端移动台的发送信号可以由就近的Rd分集接收，放大后由有线或无线链路传至基站。,（2）基站采用全向天线发射和定向天线接收，可以获得810dB的接收增益。 （3）基站采用分集接收的天线配置方案。 （4）提高基站接收机的灵敏度。 （5）在大的覆盖区内，用同频转发器扫描盲区，整个系统都能使用相同的频道，盲区中的移动台也不必转换频道，工作简单。,大区制的优点是系统组成简单，投资少，见效快。大区制的设计和组网代表移动通信的一个发展阶段，容量小、用户密度低的宏小区，以及大范围覆盖的专用集群移动通信系统等，都具有大区制移动通信网的技术特点。例如20世纪40年代美国出现的公用汽车电话系统IMTS，就是一种大区制系统。另外，目前的区域寻呼系统以及集群移动通信系统等也大多采用大区制的组网方式。,5.1.2 小区制蜂窝移动通信网络的构成 1.蜂窝网的由来 当用户数很多时，话务量相应增大，需要提供很多频道才能满足通话需要。为了增大服务面积，将一个移动通信服务区划分成许多小区(Cell)，每个小区设立基站，与用户移动台之间建立通信，小区的覆盖半径较小，可从几百米至几十千米。如果基站采用全向天线，覆盖区实际上是一个圆，但从理论上说，圆形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖。在进行服务区设计时，能有效覆盖整个平面区域的实际上是圆的内接规则多边形，这样的规则多边形有正三角形、正方形、正六边形三种，如图5-2所示。,对这三种图形进行比较可知，正六边形小区的中心距离最大，覆盖面积也最大，重叠区面积最小，即对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区所需的小区数最少，因此所需的频率组数也最少，所以用正六边形组网是最经济的方式。应该说明，这种规则的小区图形仅仅具有理论分析和设计意义，实际中的基站天线覆盖区不可能是规则正六边形。我们把许多正六边形小区作为几何图形覆盖整个服务区所构成的形状类似蜂窝的移动通信网称为小区制蜂窝移动通信网或蜂窝网，图5-3给出了一个蜂窝网的全展开图形。,图5-2 小区的形状 (a)正三角形；(b)正方形；(c)正六边形,图5-3 蜂窝小区覆盖,2.区群的结构 在频分信道的蜂窝系统中，每个小区占有一定的频道，而且各个小区占用的频道是不相同的。假设每个小区分配一组载波频率，为避免相邻小区间产生干扰，各小区的载波频率不应相同。但因为频率资源有限，当小区覆盖不断扩大而且小区数目不断增加时，将出现频率资源不足的问题。因此，为了提高频率资源的利用率，用空间划分的方法，在不同的空间进行频率复用，即将若干个小区组成一个区群或簇(Cluster)，区群内不同的小区使用不同的频率，另一区群对应的小区可重复使用相同的频率。不同区群中的相同频率的小区之间将产生同频干扰，但当两同频小区间距足够大时，同频干扰将不影响正常的通信质量。,构成单元无线区群的基本条件是：区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积；相邻单元中，同频道小区之间的距离保持相等，且为最大。满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。可以证明，区群内的小区数N应满足下式： N=a2+ab+b2 （5.1） 式中：a和b分别是相邻同频小区之间的二维距离（相隔的小区数），如图5-3所示。a和b为不能同时取0的正整数。由式（5.1)的计算可得到N为不同值时的正六边形蜂窝的区群结构,如图5-4所示。,图5-4 正六边形区群的构成,确定相邻区群同频小区的方法是：自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨越a个小区，再按逆时针方向转60°，然后再跨越b个小区，这样就可找出同频小区A。在正六边形的六个方向上，可以找到6个相邻的同频小区，如图5-3所示。区群间同频复用距离可由下式计算：,（5.2）,式中:dg为同频复用小区之间的几何中心距离;N为区群内的小区数;r0为小区的辐射半径。可见，群内小区数N越大，同频道小区距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。,3.同频干扰保护与同频复用距离 移动环境中对同频小区中心距离dg有何要求呢？下面我们从同频干扰概念出发进行分析。我们对区群内对应的无线小区使用相同的频率，这势必会造成干扰信号与有用信号以相同的频率进入到接收机的通频带，造成同频干扰，而且这种干扰是无法消除的。在移动通信组网过程中，防止同频道干扰的基本措施是通过基站站址的布局，使同频复用的小区之间保持足够的距离以及进行合理的设计和频道配置，以满足同频道干扰保护比指标。,1）射频防护比 为保证接收质量，接收机输入端的有用信号电平与同频道干扰电平之比（S/I）必须大于某一个数值，这个数值就称为射频防卫比（即同频干扰保护比）。它与调制制度、可通率等因素有关。,对于模拟蜂窝移动通信网，射频防护比指标规定如下：静态条件下（不考虑快衰落和慢衰落及其他各种干扰的影响），要达到三级语音质量，并且可通率为90时，射频防护比应大于或等于8dB；要达到四级语音质量，射频防护比应大于或等于12dB。在动态条件下，则应在此基础上加上衰落和干扰余量。一般来说，对于三级语音质量，干扰保护比应取25dB左右；而对于四级语音质量，应取30dB左右。 对于数字蜂窝移动通信网，数字网情况下，因为采用先进的语音编码技术以及调制技术等，与模拟系统相比，在语音质量和可通率要求相同的情况下，所需的载干比可以降低，例如，对于GSM系统，在采用跳频时，干扰保护比取9dB，无跳频情况下取11dB就可以满足语音质量要求了。,2）同信道再用距离的计算 影响同频复用距离的因素有调制制度、电波传播特性、小区半径、工作方式、可通率等。 图5-5给出了计算同频道复用距离的示意图。假设基站A和B使用相同的频道，移动台M正在接收基站A发射的信号，由于基站天线高度大于移动台天线高度，因此当移动台M处于小区边缘时，容易受到基站B发射的同频信号的干扰。假若输入到移动台接收机的有用信号与同频道干扰信号之比等于射频防护比，则A、B两基站之间的距离就是同频道复用距离D。图中，DS为有用信号的传播距离，即小区半径r0，DI为干扰源到被干扰移动台的距离。下面具体分析同频道复用距离D与小区半径r0的关系。,在第2章我们已经得到平面大地上电波传播损耗的计算公式。设干扰信号与有用信号的传播损耗中值分别用LI和LS表示，则由式（2.10）可列出：,（5.3）,所以传播损耗之差为,（5.4）,设基站A和B的发射功率均为PT，则移动台M接收机的输入信号功率和同频干扰功率分别为,（5.5）,所以有,（5.6）,将式（5.6）代入式（5.4）,可以得到,（5.7）,4.激励方式 中心激励：基站设在小区的中央，由全方向性天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的中心激励方式，如图5-6（a）所示。,图5-6 两种激励方式,将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120°扇形覆盖的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域，每个小区由三副120°扇形天线共同覆盖，这就是所谓的顶点激励方式，如图5-6（b）所示。采用120°定向天线后，所接收到的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的13，因而可减少系统的同频干扰。另外，在不同地点采用多副定向天线可消除小区内障碍物的阴影区。,5.扇区划分技术 为了扩大系统容量，FDMA系统和CDMA系统都使用了扇区划分技术，其区别在于FDMA的每个扇区使用不同的载频，CDMA可以使用相同的载频。 蜂窝系统中的同频干扰可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线来减小，其中每个定向天线辐射某一特定的扇区。由于使用了定向天线，小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰。这种使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做裂向。同频干扰减小的因素决定于使用扇区的数目。通常将一个FDMA小区划分为3个120°的扇区或是6个60°的扇区，如图5-7(a)和(b)所示。,图5-7 FDMA小区扇区划分 （a）120°裂向；（b）60°裂向,FDMA采用裂向技术以后，在某个小区中使用的信道就分为分散的组，每组只在某个扇区中使用，如图5-7(a)和(b)所示。例如，假设有一个N=7小区复用情形，对于120°扇区，第一层(包围该小区的小区群)干扰源数目由6下降到2,这是因为1个扇区只能接收到2个小区相应信道组的干扰。 FDMA系统采用裂向方法会造成中继效率下降，话务量有所损失，所以一些运营商不用裂向方法。特别是在密集的市区，这些地方的定向天线模式在控制无线传播时往往失效。由于裂向中每个基站使用不止一根天线，小区中的可用信道必须进行划分并且对特定天线实行专用，这样就把可用的中继信道分为多个部分，从而降低了中继效率。,CDMA系统利用定向天线将小区分成几个扇区(典型的是120°扇形天线)，每个扇区的基站仅接收来自确定方向的用户信号(约为1/3)，因为干扰也是1/3，理论上将系统容量提高了3倍，由于相邻天线覆盖区有重叠，实际为2.55倍。扇区的划分是与系统业务量相匹配的，业务量较高的地区扇区划分得密集一些，这样可进一步提高系统效率。但是，扇区数增加了，容量增加了，同时也增加了软切换的次数。因此，扇区的划分应根据实际话务情况决定。 扇区的划分技术和智能天线技术是有区别的，扇区的划分采用确定覆盖角度的定向天线对准该覆盖角度服务区的所有用户，而智能天线技术是在某定向天线的覆盖范围内用天线赋形的波束对准跟踪该覆盖范围的每一个用户。,6.小区分裂技术 在整个服务区中每个区的大小可以是相同的，分配给各小区的频道数目也相同，但这只能适应用户密度均匀的情况。然而，事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如闹市区的用户密度大，话务量急增；郊区的用户密度较小，话务量也较小。随着城市建设的不断发展，原来的用户低密度区可能已变成高密度区。为了适应这种情况，在高用户密度的地区，应将小区面积划分得小一些，或将小区中基站全向覆盖改为定向覆盖，使每个小区所分配的频道数增多，满足话务量增大的需要，这种技术称为小区分裂。小区一般分为巨型区、宏小区、微小区、微微小区几类，具体指标见表5-1，各分类之间的关系如图5-8所示。,表5-1 小区分裂,图5-8 小区分类图,采用蜂窝小区分裂的方法，在有限的频率资源中通过缩小同频复用距离使单位面积的频道数增多，系统容量增大。具体实施方法有两种：一是在原基站基础上采用方向性天线将小区扇形化，如图5-9(a)、(b)和(c)所示。一个全向天线的小区可以分裂成3个120°扇形小区、6个60°扇形小区、一个“三叶草”形无线区。二是将小区半径缩小并增加新基站，如图5-9(d)所示，方法是将原来较大的小区分裂成4个较小的小区，采用这种方法应将原基站天线高度适当降低，发射功率减少，努力避免小区间的同频干扰。,图5-9 蜂窝小区的分裂方案 （a）13;（b）16;（c）三叶草； （d）增加新基站的分裂,5.1.4 基本网络结构 移动通信的基本网络结构如图5-13所示。基站通过传输链路与移动交换机相连，交换机再与固定电信网络或其他通信网相连，所以移动通信有以下两种通信链路：(1)移动用户基站交换机其他网络其他用户;(2)移动用户基站交换机基站移动用户。,图5-13 基本网络结构,基站与交换机之间、交换机与网络之间可采用有线链路（如光纤、同轴电缆、双绞线等），也可采用无线链路（如微波链路）。这些链路上传输的数字信号形式通常为PCM数字多路复用信号。 通常每个基站要同时支持50路语音呼叫，每个交换机可以支持近100个基站，交换机到固定网络之间需要5000个话路的传输容量。 移动通信网中使用的交换机通常称为移动交换中心（MSC）。它与常规交换机的不同之处在于：MSC除了要完成常规交换机的所有功能外，还要负责移动性管理和无线资源管理（包括越区切换、漫游、用户位置登记管理等）。,在蜂窝移动通信网中，为便于网络组织，将一个移动通信网分为若干个服务区，每个服务区又分为若干个MSC区，每个MSC区又分为若干个位置区，每个位置区由若干个基站小区组成。一个移动通信网由多少个服务区或多少个MSC区组成，取决于移动通信网所覆盖地域的用户密度和地形地貌等。多个服务区的网络结构如图5-14所示。每个MSC（包括移动电话端局和移动汇接局）要与本地的市话汇接局、本地长途电话交换中心相连。MSC之间需互连互通才能构成一个功能完善的网络。,图5-14 多个服务区的网络结构,5.2 多址接入技术 蜂窝系统是以信道来区分对象的，一个信道只能容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户互相以信道来区分，这就是多址。移动通信是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法即为多址接入技术。,图5-15 频分多址示意图,在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工（FDD）的方式来实现双工通信，即接收频率和发送频率是不同的，收发要有一定的间隔（保护频带），此间隔必须大于一定的数值，例如，在800MHz和900MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。此外，在用户频道之间设有保护频隙Fg，以避免系统频率漂移造成频道间重叠。FDMA频道划分方法如图5-16所示。,图5-16 FDMA的频道划分方法,频分多址是以频率来区分信道的，多个频道在频率轴上严格分开，但在时间和空间上是重叠的，此时，“信道”一词的含义即为“频道”。模拟信号和数字信号都可采用频分多址方式传输。该方式有如下特点： （1）单路单载频。每个频道只传送一路业务信息，载频间隔必须满足业务信息传输带宽的要求。 （2）连续传输。系统分配给移动台和基站一对FDMA信道，它们利用此频道通信直到结束。 （3）是频道受限和干扰受限的系统。主要干扰有邻道干扰、互调干扰和同频干扰。,（4）需要周密的频率计划，频率分配工作复杂。 （5）基站有多部不同频率的收发信机同时工作，基站的硬件配置取决于频率计划和频道配置。 （6）频率利用率低，系统容量小。,FDMA系统通常采用FDD工作方式，由于所有移动台均使用相同的接收和发送频段，因而移动台到移动台之间不能直接通信，而必须经过基站中转。移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每一个移动台预留一个信道，只可能为每个基站配置好一组信道，供该基站所覆盖的区域（称为小区）内的所有移动台共用，即多信道共用问题。关于多信道共用的问题我们将稍后讨论。,5.2.2 时分多址(TDMA) 1.时分多址的原理 时分多址是以时隙(时间间隔)来区分信道的。在无线信道上，把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而不混扰。同时基站发向多个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。图5-17是TDMA通信系统的工作示意图，图中只画出了移动台到基站传输时信号占用时隙的情况。,图5-17 TDMA通信系统的工作示意图,时分多址方式中，时间轴上按时隙严格分割，时隙间设有保护时间，但在频率轴上是重叠的，此时，“信道”一词的含义为“时隙”。时分多址只能传送数字信息，语音必须先进行模/数变换，再送到调制器对载波进行调制，然后以突发信号的形式发送出去。不同的系统复用路数可以不同。和FDMA通信系统相比，TDMA通信系统主要有以下几方面的特点： （1）以每一时隙为一个话路的数字信号传输。N个时分信道共用一个载波，占据相同的带宽，只需一部收发信机。,（2）各移动台发送的是周期性信号，而基站发送的是时分复用(TDM)信号，发射信号的速率随时隙数的增大而提高。 （3）抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。 （4）因为移动台只在指定的时隙中接收基站发给它的信息，因而在一帧的其他时隙中，可以测量其他基站发送的信号强度，或检测网络系统发送的广播信息和控制信息，这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都是有利的。,（5）TDMA系统不存在频率分配问题，对时隙的动态管理和动态分配通常要比对频率的管理和分配简单而经济。如果采用语音检测技术，实现有语音时分配时隙，无语音时不分配时隙，还有利于提高系统容量。 （6）TDMA系统必须有精确的定时和同步功能，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证，往往也是比较复杂的技术难题。,2.时分多址通信系统的帧和时隙 不同通信系统的帧长度和帧结构通常是不一样的。TDMA蜂窝式通信网络所用的时帧长度一般在几毫秒到几十毫秒的范围内。时帧结构和通信系统的双工方式有关。采用频分双工（FDD）时，基站（或移动台）的收发设备要在两个不同的频率上工作，而且这两个频率之间要有足够的保护间隔。通常基站在高频率发射，在低频率接收，而移动台在低频率发射，在高频率接收。对于这样的双工方式，其帧结构如图5-18所示。,图5-18 频分双工的帧结构示意图,采用时分双工（TDD）时，基站（或移动台）的收发设备均在同一频率上工作，因而同一部电台的发射机和接收机只有用轮流工作的办法，才能实现双工通信。比如，把帧中的时隙分成两部分，前一部分由基站向移动台发送（移动台接收），后一部分由移动台向基站发送（基站接收），如此交替地转换，即可实现双工通信。按这种办法构成的帧结构如图5-19所示。,图5-19 时分双工结构示意图,不同系统所采用的时隙结构存在很大的差异，即使同一个系统中，不同传输方向（正向与反向）上的时隙结构也可能不尽相同。实际上，不可能规定一种通用的时隙格式来适应各种系统的需要。 有的系统因为设置了专用控制信道，其传输业务信息的时隙与传输控制信息的时隙可以分别考虑。有的系统因为没有设置专用控制信道，其时隙除传输业务信息外，通常还要插入相应的控制信息。即使在设置专用控制信道的系统中，为了对移动台进行实时可靠的控制，也会在业务信道中插入一定的控制信息。,有些系统在每一时隙内均插入一定数量的同步信息，供比特同步用。也有的系统在每一时隙前面设置一个同步码（时隙头），供时隙同步用。 在各种通信系统中，时隙内均包含各自的标志符号。这些标志符号可以不止一种，可以有不同的用途，也常常采用不同的名称。有的是为了区分基站的身份；有的是为了标明该时隙在帧中的位置，防止接收机同步时，错误地锁定到别的时隙上；有的只是区分业务信息的类型等。,在移动通信中，信号的传播存在着随机时延。由于移动台的位置在通信网内是随机分布的，也是经常变化的，因此移动台和基站之间的距离是一个随机变量。通信距离的不同，使得信号的传播时延也不同。因而，即使移动台与基站的时钟都非常精确，信号到达对方接收机时，也不可能完全准确地落入对方的时隙。为了防止不同时隙的信号因为时延差不同而在相邻时隙发生交叠，通常在时隙末尾（或开头）设置一定的保护时间。此保护时间对移动台向基站传输信息的时隙来说是不可缺少的。保护时间的大小可以根据最大通信距离估算出来。在保护时间内不发送信息。,在移动信道进行数据传输时，如果信息的传输速率高到一定程度，则因为多径传播引起的码间干扰会使系统的误比特率增大。在这种情况下，接收机通常要采用自适应均衡技术，以减少这种码间干扰的影响。所以，有些通信系统常常在各个时隙中包含自适应均衡所需要的训练序列。 图5-20是一种时隙结构的示意图，该图只说明了时隙结构的基本形式，并没有考虑不同系统在不同使用场合下的特殊要求。,图5-20 TDMA系统的时隙结构示意图,3.时分多址通信系统的同步和定时 同步和定时是TDMA移动通信系统正常工作的前题。因为通信双方只允许在规定的时隙中发送信号和接收信号，所以必须在严格的帧同步、时隙同步和比特（位）同步的条件下进行工作，如果通信设备采用相干检测，则接收机还必须获得载波同步。 （1）位同步是接收机正确解调的基础。在移动通信系统中，用于传输位同步信息的方法有两种：一种是用专门的信道传输；另一种是插入业务信道中传输，比如在每一个时隙的前面发送一段“0”、“1”交替的信号作为位同步信息。此外，在有些通信系统中，位同步信息是从其数字信号中提取的，用这种办法可以不再发送专门的位同步信息，但考虑到TDMA通信系统是按时隙以猝发方式传输信号的，为了迅速、准确而可靠地获得位同步信息，不宜采用这种方法。,由于信号在移动环境中传输时，经常受到干扰、噪声和多径衰落的损伤，因而，接收机在提取同步信息时，必须采取措施以减少由于干扰、噪声、衰落或误码引起的相位抖动，同时还要通过保护电路进行保护，防止因为偶然的原因使接收机失步，引起通信中断。,（2）帧同步和时隙同步所采用的方法一样，如果需要，可以在每帧和每时隙的前面分别设置一个同步码作为同步信息。同步码的选择是在帧长度确定之后，根据信道条件和对同步的要求而确定的。对帧同步和时隙同步的要求是建立时间短、错误捕获概率小、同步保持时间长和失步概率小。 从提高传输效率出发，希望同步码短一些，而从同步的可靠性和抗干扰能力方面考虑，又希望同步码长一些。对同步码的码型选择，应使之具有良好的相关特性，不易与信息流中的随机比特混淆而出现假同步。,（3）系统定时（或称网同步）是TDMA移动通信系统中的关键问题。只有全网中有统一的时间基准，才能保证整个系统有条不紊地进行信息的传输、处理和交换，协调一致地对全网设备进行管理、控制和操作。就同步而言，可以保证各基站和移动台迅速地进入同步状态，也不会因为定时误差随时间积累而引起失步。 系统定时可以采用不同方法。在移动通信系统中常用的是主从同步法，即系统所有设备的时钟均直接或间接地从属于某一个主时钟的信息。主时钟通常有很高的精度，其信息以广播的方式送给全网的许多设备，或者以分层的方式逐层送给全网的许多设备。各设备从收到的时钟信号中提取定时信息，或者说锁定到主时钟上。,在移动通信系统中也用到独立时钟同步法，其办法是在网中各设备内均设置高精度的时钟，在通信开始或进行过程中，只要根据某一标准时钟进行一次时差校正后，在很长的时间内，时钟便不发生明显的漂移，从而得到准确的定时，这种办法通常要求各设备采用稳定度很高的石英振荡器来产生定时信号，这对于移动台尤其是小型手持机而言，无论从价格方面还是从体积重量方面考虑都不一定合适，但在通信网络中的基站和其他大型设施中采用这种办法还是可以的。,5.2.3 码分多址(CDMA) 码分多址是基于码型分割信道的。在CDMA方式中，不同的用户传输信息所用的信号不是根据频率或时隙的不同来区分的，而是用各不相同的编码序列来区分的。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，而其他使用不同码型的信号不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰(称为多址干扰)，各码型之间的互相关性越小，多址干扰就越小。CDMA系统无论传送何种信息的信道，都是靠采用不同的码型来区分的，所以，此时“信道”一词的含义为“码型”。,在图5-21所示的CDMA工作系统中，前向信道和反向信道采用频率划分的方式，即移动台对基站方向的载波频率为f，基站对移动台方向的频率为f。每一个移动用户分配有一个地址码，且这些码型信号相互正交（即码型互不重叠）。移动台MS1、MS2、MSk分别分配有C1、C2、Ck，这些码分信道在同一载波上。利用码型和移动用户的一一对应关系，只要知道用户地址（地址码）,便可实现选址通信。在CDMA系统中，每对用户是在一对地址码型中通信，所以其信道是以地址码型来表征的，并且为了充分利用信道资源，这些信道是动态分配给移动用户的，其信道支配是由基站通过信令信道进行的。因此，在这种动态分配信道的系统中，码型和信道号存在一一对应的关系。,图5-21 码分多址工作方式示意图,CDMA的特点是： (1)网内所有用户可以使用同一载波，在频域上占用相同的带宽。 (2)各用户可以同时发送或接收信号，在时域上可能占用相同的时间段。 (3)为了传送不同的信息(业务信息和相应的控制信息)，需要设置不同的信道。但是CDMA系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道，都是靠采用不同的码型来区分的，类似这样的信道被称为逻辑信道。这些逻辑信道无论从频域或时域上来看，都是互相重叠的，它们均占用相同的频段和时间。 (4)为了实现双工通信，下行传输和上行传输各使用一个载波频率，即频分双工 (FDD)。如果只使用一个载波频率，下行传输和上行传输用时间分割，即时分双工(TDD)。,由于多个用户发射的CDMA信号在频域和时域是相互重叠的，因此用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的，对某用户发送的信号，只有采用与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接收，也就是说靠用各自编码序列的不同，或者说信号波形的不同来区分，接收机用相关器从多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，其他使用不同码型的信号因为与接收机产生的本地码型不同而不能被解调。,CDMA与FDMA、TDMA的划分形式不同，FDMA与TDMA均属于一维多址划分，而CDMA属于时频二维域上的划分，三者的比较如图5-22所示。在3G移动通信应用中，WCDMA系统是典型的CDMA/FDMA的混合应用，而TD-SCDMA系统是CDMA/TDMA/FDMA的混合应用。图5-23是它们的比较示意图。,图5-22 FDMA、TDMA、CDMA划分形式比较示意图,图5-23 WCDMA和TD-CDMA系统多址接入方式比较示意图(a)WCDMA系统多址接入方式；(b)TD-SCDMA系统多址接入方式,5.2.4 FDMA、TDMA与CDMA系统容量的比较 1.蜂窝系统容量 通信系统的通信容量可以用不同的表征方法进行度量。对于点对点的通信系统而言，系统的通信容量可以用信道效率，即对给定的可用频率中所能提供的最大信道数目进行度量。一般来说，在有限的频段中，信道数目越多，系统的通信容量也越大。但对于蜂窝网而言，由于信道在小区中的分配，涉及频率再用和由此产生的同频干扰问题，因而系统的通信容量用每个小区的可用信道数进行度量比较适宜，具体可用以下方式来度量： （1）每小区可用信道数（ch/cell），它表征每小区允许同时工作的用户数。 （2）每小区每兆赫兹可用信道数（ch/cell/MHz），它表征每小区单位带宽允许同时工作的用户数。 （3）每小区爱尔兰数（Erl./cell），它表征每小区允许的话务量。,还可以用以下方式来度量： （1）每平方千米用户数（用户数/km2），它表征单位面积的用户密度。 （2）每平方千米每小时通话次数（call/h/km2），它表征单位面积用户的通话强度。 以上方式从不同的角度对系统的容量进行衡量，它们之间是有联系的，在一定的条件下可以互相转换。,任何通信系统都要满足通话（通信）质量的要求。为了保证规定的语音质量，系统接收端的信干比（SIR）必须大于一定门限值。在FDMA系统中，通常规定以SIR=17dB作为信干比的门限值；在TDMA系统中，通常规定以SIR=10dB作为信干比的门限值；在CDMA系统中，通常规定以SIR=7dB作为信干比的门限值。 蜂窝系统采用频率再用技术，使用相同频率的小区称为共道小区，共道小区之间存在的干扰称为共道干扰。,2.FDMA和TDMA蜂窝系统容量计算 对于模拟FDMA系统和数字TDMA系统来说，系统容量的计算比较简单。 模拟FDMA和数字TDMA蜂窝网移动通信系统容量受到带宽限制。模拟FDMA和数字TDMA蜂窝网移动通信系统容量m的一般公式为,（信道/小区）,（5.9）,式中：W为无线系统总带宽；N为区群小区数（小区频率复用数）；B为信道带宽，对于TDMAFDMA系统，因为每个载波信道又被分为M个时隙（时分信道），所以信道带宽B为载波间隔Bc/M。,【例5.1】模拟TACS系统采用FDMA方式，设分配给系统的总频宽W=1.25MHz,信道带宽B=25kHz,频率复用的小区数N=7，则系统容量m为,（信道/小区）,【例5.2】数字GSM系统采用TDMA/FDMA方式，设分配给系统的总频宽W=1.25MHz,载频间隔Bc=200kHz,每载频时隙数M为8,频率复用的小区数N=4，则系统容量m为,（信道/小区）, 3.CDMA蜂窝系统容量计算 CDMA系统的容量主要受到多址干扰的限制。暂不考虑蜂窝移动通信系统的特点，首先考虑一般CDMA通信系统的通信容量。m个用户共用一个无线频率同时通信，每一个用户的信号都受到m-1个用户信号的干扰。假定系统的功率控制是理想的，即到达接收机的所有m个信号强度都一样,式中:Rb为信息的速率；Eb为信息的比特能量；N0为干扰的功率谱密度（单位为Hz的干扰功率）；W为CDMA系统所占的有效频带宽度；W/Rb为CDMA系统的扩频增益；Eb/N0为比特能量与干扰密度比，其取值取决于对误码率和语音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关。 由式（5.10）和式（5.11），得到一般CDMA系统容量m为,（信道/小区）,（5.12）,式（5.12）说明：在误码率一定的条件下，所需归一化信干比（Eb/N0）越小，扩频增益（W/Rb）越大，系统可以同时容纳的用户（信道）数m越大。,下面根据CDMA蜂窝网系统的特征，对一般CDMA系统容量式（5.12）进行修正，最后得到CDMA蜂窝网系统容量公式。 1）考虑语音激活因子的系统用户数 统计结果表明，人们在通话过程中平均只有35的时间在讲话，另外65的时间处于听对方讲话、语句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中，所有用户共享一个无线频率，如果采用语音激活技术，使通信中的用户有语音时发射机才发射信号，没有讲话时，该用户的发射机就停止发射功率，那么任一用户语音发生停顿时，所有其他通信中的用户都会因为背景干扰减少而受益。这就是说，语音停顿可以使背景干扰减少65，从而系统容量可以提高到原来的1/0.35=2.86倍。,如语音的占空比为d（通常，语音占空比d=0.35），则式（5.12）改写为,2）考虑扇区化因子和语音激活因子的系统用户数 在CDMA蜂窝系统中采用定向天线进行分区能明显提高系统容量。比如，用120°的定向天线把小区分成3个扇区，可以将背景干扰减少到原来的1/3，因而系统的容量将增加到原来的3倍。实际上，由于相邻天线覆盖区之间有重叠，一般能提高到G=2.55倍左右，G为扇区系数，则式（5.13）改写为,（信道/小区）,（5.14）,3）考虑邻近蜂窝小区的干扰、扇区化因子以及语音激活因子的系统用户数 邻近小区的干扰分两种情况，即下行传输和上行传输。 根据码分多址蜂窝移动通信系统的特点，在CDMA蜂窝移动通信系统中，所有用户共享一个无线频道，即在若干小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。因此任一小区的移动台都会受到相邻小区移动台的干扰，这些干扰的存在必然会影响系统的容量。其中任一小区的移动台对相邻小区基站的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台的总干扰量是不同的，对系统容量的影响也有所差别，下面分别加以简要说明。,.下行传输 在一个蜂窝小区内，基站不断地向所有通信中的移动台发送信号，移动台在接收它自己所需信号的同时，也接收到基站发给所有其他移动台的信号，而这些信号对它所需的信号将形成干扰。当系统采用下行功率控制技术时，由于路径传播损耗的原因，位于基站附近的移动台受到本小区基站所发射的信号干扰比距离远的移动台要大，但受到相邻小区基站的干扰较小；位于小区边缘的移动台受到本小区基站所发射的信号干扰比距离近的移动台要小，但受到相邻小区基站的干扰较大。移动台最不利的接收位置是处于3个小区交界的地方，如图5-24所示的X点。,图5-24 CDMA蜂窝系统移动台最不利的接收位置X,假设各小区的基站都同时向多个用户发送功率相等的信号，由于邻近基站的干扰不能忽略，理论分析表明：在采用功率控制时，每小区同时通信的用户数将下降到原来的60，即信道复用效率F=0.6，则式（5.14）改写为,（信道/小区）,（5.15）,.上行传输 在一个蜂窝小区内，基站在接收本小区移动台的信号的同时，也收到来自相邻小区移动台的信号，这些信号对所需信号同样形成干扰，对系统容量也造成不良影响。CDMA蜂窝系统中基站B受移动台干扰的情况如图5-25所示。,图5-25 CDMA蜂窝系统中基站受移动台干扰的情况,假设各小区中同时通信的用户数为m，即各小区有m个移动用户同时发送信号，理论分析表明，在采用功率控制时，每个小区同时通信的用户数将下降到原来的65，即信道复用效率F=0.65，也就是系统容量下降到不考虑邻近干扰时的65。由此可见，上行传输和下行传输的信道复用效率大致一样，也就是说作为通信容量的估算公式（5.15），既可以用于下行传输,也可以用于上行传输。在计算CDMA蜂窝系统容量时，一般按下行信道考虑，通常取F=0.6。,例如，CDMA蜂窝系统所占的频率带宽W=1.25MHz，信息数据速率Rb=9.6kb/s，语音占空比d=0.35，扇区系数G=2.55，信道复用效率F=0.6，比特能量与干扰密度比Eb/N0=5.012（7dB），则可计算得到CDMA蜂窝系统容量m=118（ch/cell）(每小区信道数)。,4.CDMA、FDMA、TDMA蜂窝系统容量比较 关于CDMA蜂窝通信系统容量的计算和与FDMA、TDMA蜂窝系统容量的比较，在不同的条件下得出的结果是不同的，现以CDMA2000为例，给出比较方法和参考结果。由于CDMA2000考虑了其他系统的干扰，在CDMA2000每载波带宽的两边各留了0.2625MHz的保护频带，因此实际占用的频带宽度是1.775MHz。现在用系统总带宽W=1.775MHz为基准来计算单位频带（1MHz）的系统容量，对CDMA、FDMA、TDMA蜂窝系统的容量进行比较。,1）模拟FDMA系统（TACS） TACS系统有效带宽W=1.775MHz，系统占用带宽Wc=1.775MHz，信道带宽B=25kHz，每区群小区数N=7，由式（5.9）可知FDMA蜂窝系统单位频带的容量m/Wc为,（ch/cell/MHz）, 2）数字TDMA系统（GSM） GSM系统有效带宽W=1.775MHz，系统占用带宽Wc=1.775MHz，载波间隔Bc=200kHz，每载频时隙数M=8，信道带宽B=25kHz，每区群