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《移动通信》参考资料(第一部分)_修订1_共79页.pdf
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79页
移动通信参考资料,适合初学者参考 在我们初次接触通信系统,尚不能综合运用通信专业的基础知识时,良好的思维习惯与一定程度的延伸思考能力的培养和锻炼是至关重要的。我们可以从简单的(甚至原始的)、显而易见的方案出发,从中分析、总结系统的特点、问题,然后再逐步改进和发展这个系统,直至获得较为完备的理论体系和成套的解决方案。
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移动通信参考资料 修订 01
1
移动通信参考资料(修订 01)
第一章 引言
一、 一个简单的移动无线通信系统的设计案例
在我们初次接触通信系统,尚不能综合运用通信专业的基础知识时,良好的思维习惯与一定程度的
延伸思考能力的培养和锻炼是至关重要的。我们可以从简单的(甚至原始的)、显而易见的方案出发,
从中分析、总结系统的特点、问题,然后再逐步改进和发展这个系统,直至获得较为完备的理论体系和
成套的解决方案。
1
、需求的提出
(
1
) 系统中用户需要传输的信息:语音(
300Hz-3400Hz
);延伸:高保真音频频段(
20Hz-20kHz
)。
(
2
) 双工方式:全双工;延伸:全双工、半双工、单工的概念。
(
3
) 用户数量:
10000
用户
(
4
) 频段:
100MHz
附近;延伸:常用的无线通信系统的工作频段,如中波调幅广播、调频立体
声广播、电视广播(模拟、数字)、车载电台和手持电台通信、
GSM
通信等
…
2
、解决方案(根据学生初步具有的基础知识提出),要点如下:
(
1
) 使用最容易理解的模拟
AM
调制方式,产生
6800Hz
的频道带宽,考虑保护间隔,取
10kHz
;
延伸:为什么要有频率保护间隔、滤波和选频技术。
(
2
) 因为每频道
10kHz
(
0.01MHz
)带宽,为
10000
用户各派发一个
10kHz
频道,需要总频率资
源为
100MHz
。
(
3
) 工作机制:给每位用户派发一份
“
入网用户频率表
”
,平时,电台处在本机频率守听状态,等
待其他用户呼入;发起呼叫时,查询被叫用户频率,调谐后进行呼叫。呼叫进行时为全双工。
使用的频率依靠查询和告知
“
被叫用户
”
和
“
主叫用户
”
的
“
入网用户频率表
”
。
至此,一个
“
原始
”
的移动通信网建成。
3
、引导学生分析:
“
原始
”
解决方案存在的问题
(
1
) 频率利用率低:
100MHz/10000
用户。
(
2
) 覆盖范围有限:通信的两个用户必须在有限距离内,如果由于移动处在有效范围之外,通信
无法进行。
(
3
) 呼叫发起和建立需要人工操作:查表获得被叫用户频率、报告主叫用户
ID
或频率
(
4
) 通信内容不保密,第三方可在叫简单的技术条件下监听。
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移动通信参考资料 修订 01
2
4
、改进的解决方案一(共享频率资源、设置公共信道、中心节点调度),引导学生提出并分析
在此方式下,想要发起呼叫的用户可先按约定的
“
公共频道
A”
向中心节点(人工值守)进行呼叫申
请,中心基站使用
“
公共频道
B”
向被叫用户发起寻呼,并向主叫和被叫用户口头分配一对
“
业务频道
”
。
平时,待机用户需要在
“
公共频道
B”
守听。
注意:由此提出了
“
公共频道
”
、
“
业务频道
”
的概念,为信道属性的划分打下基础。
该方式下,频率资源的使用发生了革命性变化,频率资源由
“
固定分配
”
变成了
“
动态分配
”
,资源使
用率显著提高。
5
、改进的解决方案二(中心基站交换),引导学生提出并分析 要点:略
延伸:引导学生为本问题建立数学模型,考虑一般性,这里使用
“
业务信道
”
一词,要素如下:
(
1
) 假定
8
:
00
到
18
:
00
时间段,每用户发起呼叫的平均次数为
m
,每次通话平均时间为
t
(
2
) 如果规划
1
对业务信道,呼叫失败的概率为多少?
(
3
) 如果规划
2
对业务信道,呼叫失败的概率为多少?
(
4
) 如果规划
n
对业务信道,呼叫失败的概率为多少?
(
5
) 分析并构建性能曲线
(
6
)
n
大于多少之后,对呼叫体验的影响开始显著下降?
以上分析的思想,可作为动态频率资源分配的依据。即:允许大量用户在一个小区内共享有限的
信道资源,即从可用信道资源中按需给用户分配信道。
阅读材料:话务量与呼损率
最早从事话务量研究的是丹麦的学者
A.K.
爱尔兰(
A.K.Erlang
)。他致力于研
究怎样由有限的资源为大量的用户服务。他在
1909
年发表的有关话务量的理论著
作
,
至今仍然被认为是话务理论的经典。
国际通用的话务量单位是原国际电报电话咨询委员会(
CCITT
)建议使用的
单位
,
叫做
“
爱尔兰(
Erl
)
”,
是为了纪念话务量理论的创始人
A.K.Erlang
而命名的。
在移动电话系统中,话务量可分为流入话务量和完成话务量。流入话务量取决于
单位时间内发生的平均呼叫次数与每次呼叫平均占用无线信道的时间,在系统流
入的话务量中,完成接续的那部分话务量称作完成话务量,未完成接续的那部分
话务量称作损失话务量,损失话务量与流入话务量之比称为呼损率。
1
爱尔兰(
Erl
)表示一个完全被占用的信道的话务量强度,即 :单位小时的呼叫小时(呼叫小时
/
小时)或单位分钟的呼叫分钟(呼叫分钟
/
分钟)
例如:一个在一小时内被占用了
30
分钟(
60
分钟)的信道的话务量为:
0.5 Erl (1 Erl)
话务量公式为:
A=Ct
。
A
是话务量,单位为
Erl
(爱尔兰),
C
是呼叫次数,单位是个,
t
是每次呼
叫平均占用时长,单位是小时。一般话务量又称小时呼,统计的时间范围是
1
个小时。
1
爱尔兰(
Erl
)就是一条信道能处理的最大话务量。如果观测
1
个小时,这条信道被连续不断地占
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移动通信参考资料 修订 01
3
用了
1
小时,话务量就是
1
爱尔兰
,
也可以称作
“1
小时呼
”
。
通俗的讲,话务量就是一条信道一个小时内被占用的时长。如果一条信道被占用一个小时,话务量
就是
1
爱尔兰。(爱尔兰不是量纲,只是为纪念爱尔兰这个人而设立的单位),如果一条电话线被占用(统
计)时长为
0.5
小时,话务量是
0.5
爱尔兰。
一般来说,一小时中,一条信道不可能被一个人占用一个小时,比如,统计表明,用户线的常见话
务量为
0.05
爱尔兰。过去我国电话还不是很普及时,因为很多人使用有限资源,用户线的话务量很大,
达到
0.13
爱尔兰。
话务量
A
(流入话务量):
1
)每个用户的话务量强度为呼叫次数乘以保持时间。在观察时间
1
小时内,完成
λ
次通话,每次通话保
持时间为
S
。则每用户话务量为:
A
u
= λ*S
2)
系统共有
U
个用户,总话务量为:
A = U*A
u
3)
系统有
n
个信道,则每信道平均话务量为:
A
n
= A/n
例:某系统有
50
个用户,每个用户平均每小时发起
2
次呼叫,每次呼叫平均保持
3
分钟,则每个用户
的话务量为:
A
u
= λ*S = 2*3/60 = 0.1 (Erl)
它表示系统中平均每用户每小时占用信道
0.1
小时。
系统总话务量为:
A = U*A
u
= 50*0.1 = 5 (Erl)
呼损率
B
即损失话务量占流入话务量的比率:
B = (A-A
0
)/A
其中
A
0
为完成话务量。呼损率越低,呼叫成功率越高,用户满意度越高。
呼损率
B
的计算
对于有
N
个信道的共用系统,爱尔兰呼损公式为:
1)在呼损 B 给定的条件下,可计算共用 n 个信道所能承受的流入话务量 A。
2)在流入话务量 A 给定的条件下,可计算达到某一呼损率 B 所需要的信道数 n。
3)在给定信道数 n 的条件下,可计算流入话务量 A 时的呼损率 B。
忙时话务量 a
a = C*T*K
C:用户每天平均呼叫次数
T:每次呼叫平均时间(小时)
0
/ !
/ !
n
n
i
i
A n
B
A i
=
=
å
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移动通信参考资料 修订 01
4
K
:集中系数,忙时话务量对全日(
24
小时)的话务量比,一般为
10% - 15%
工程设计时,将每用户的话务量考虑为忙时话务量进行计算。
例:某移动通信系统,每天每用户平均呼叫
10
次,每次占用信道平均时间为
80
秒,呼损率要求为
10%
,
集中系数为
0.125
,问
8
个信道能容纳的用户
m
?
忙时话务量:
a = C*T*K = 10*(80/3600)*0.125 = 0.0278
(
Erl/
用户)
根据呼损率
B
及信道数
n
,查表求得总话务量
A
为
5.597Erl
。
则系统可容纳用户数为:
m = A/a = 5.597/0.0278 = 201
二、 移动通信概述和技术要素
蜂窝移动电话投入商用是在
20
世纪
80
年代,时至今日,其技术与业务都经历了深刻的变革。
第一代蜂窝和无绳电话系统主要基于模拟调频技术,属窄带电路交换话音业务。延伸:模拟调频(宽
带、窄带);
第二代蜂窝和无绳电话系统在
20
世纪
90
年代引入,使用数字调制,能提供较高的频谱效率和话音
质量。第二代系统也属于窄带话音和数据业务。
第三代移动通信系统提供较高带宽,如:车载
144kbit/s
,步行
384kbit/s
,室内
2.048Mbit/s
;延伸:
为什么在不同环境及运动状态下所提供的带宽不同?(多普勒效应、多经衰落等
...
)
第四代系统概念已经提出,技术标准已经开始研究和制定,目标是提供
1Gbit/s
的非对称宽带无线
接入业务。
无线接入系统通常通过覆盖范围和比特率来区分。卫星移动系统提供全球覆盖,但是比特率非常低;
陆地无线移动系统使用陆地蜂窝和微蜂窝网络,为车载和步行用户提供广域的覆盖;固定无线接入系统
可以为固定用户提供跨越校园或临近区域的无线连接;无线局域网为固定的室内用户提供高效的多媒体
业务。
1
、在上世纪
70
年代,贝尔实验室首次提出蜂窝系统的概念。
蜂窝小区和频率复用
蜂窝小区和频率复用是一种蜂窝组网的概念,是由美国贝尔实验室最早提出的,内容如下:
1)无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射:蜂窝式组网放弃了点对点传输和广播覆盖的模式,将一个
移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何形状的覆盖区域,称为蜂窝小区。一个较低功率的发
射机配置在一个蜂窝小区,在较小的区域内服务于相当数量的用户。
2)频率复用:蜂窝系统的基站工作频率,由于传播损耗效应提供足够的隔离度,在相隔一定距离
的另一个基站可以重复使用同一组工作频率,称为频率复用。例如,用户超过一百万的大城市,若每个
用户都有自己的频率,则需要极大的频率资源。采用频率复用大大地缓解了频率资源紧缺的矛盾,增加
了用户数目或系统容量。频率复用能够从有限的原始频率分配中产生几乎无限的可用频率,这是使系统
容量趋于无限的极好方法。频率复用所带来的问题是同频干扰,同频干扰的影响并不是与蜂窝之间的绝
对距离有关,而是与蜂窝间距与小区半径比值有关。
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移动通信参考资料 修订 01
5
3)多信道共用和越区切换:由若干无线信道组成的移动通信系统,为大量的用户共同使用并且仍
能满足服务质量的信道利用技术称为多信道共用技术。多信道共用技术利用信道占用的间断性,使许多
用户能够任意地、合理地选择信道,以提高信道的使用效率,这与市话用户共同享有中继线相类似。事
实上,不是所有的呼叫都能在一个蜂窝小区内完成全部接续业务的,为了保证通话的连续性,当正在通
话的移动台进入相邻无线小区时,移动通信系统必须具备业务信道自动切换到相邻小区基站的越区切换
功能(切换到新的信道上),从而不中断通信过程。
2
、
1979
年,第一代模拟蜂窝移动通信系统的标准诞生。代表系统是美国的
AMPS
(
Advanced Mobile
Phone Service
,先进移动电话业务系统);然后是欧洲的标准,包括瑞典的
NMT
(
Nordic Mobile Telephone
,
北 欧 移 动 电 话 )、 英 国 的
TACS
(
Total Access Communication System
, 全 接 入 通 信 系 统 )、 及
Radiocom/RTMS/C-450
等;另外是日本的
NTT
系统。
第一代蜂窝移动通信系统的主要技术包括:采用蜂窝结构,实现了频谱复用和广域覆盖;采用漫游
和越区切换技术,实现了移动中的连续通信。
以
AMPS
为例,第一代蜂窝移动通信系统(
1G
)是一种采用频分制频分双工传输模拟电话信号的
蜂窝无线电通信系统。工作在
800/900MHz
频段上,占用
40MHz
的频谱。在蜂窝结构中,为了实现每
个基站(
BS
)与其移动通信用户(
MS
)间的通信,必须建立符合某种无线通信协议的无线连接
——
通
用空中接口(
CAI
)。该握手通信协议规定了移动用户和基站之间的通信信令以及通信方法。应该提供高
可靠性信道,以保证信令数据的有效传输。系统中除了基站(
BS
)与和移动台(
MS
)间是无线电连接
外,其他单元之间可以是无线电连接,也可以是有线电连接。
1979
年日本开通了世界上第一个蜂窝移动电话网,同年,
AMPS
模拟蜂窝式移动电话系统由
Motorola
在美国芝加哥试验获得成功后,于
1983
年
12
月在美国投入商用。
1981
年瑞典运行
Nordic
移动电话
NMT
。
1985
年英国运行
TACS
。
1987
年
11
月中国电信在我国广州开通第一个移动电话局,使用的是
Motorola
的
AMPS
。
向第二代发展时,美国的
AMPS
与数字化的
DAMPS
兼容,英国的
TACS
和北欧的
NMT
被
GSM
所替代。
3
、与第一代模拟蜂窝移动通信相比,第二代移动通信系统具有保密性强、频谱利用率高、能提供
丰富的业务、标准化程度高等特点,使得移动通信得到了空前的发展,从过去的补充地位,已毋容质疑
地跃居通信的主导地位。我国应用的第二代蜂窝系统为欧洲的
GSM
系统以及北美的窄带
CDMA
系统。
GSM
在
92
年开始在欧洲商用,最初仅为泛欧标准,随着该系统在全球的广泛应用,其含义已成为
“
全球移动通信系统(
Global System for Mobile
)
”
。
GSM
系统具有标准化程度高、接口开放的特点,强
大的联网能力推动了国际漫游业务,用户识别卡的应用,真正实现了个人移动性和终端移动性。到
2000
年前后,至少已有
120
多个国家,
250
多个运营者采用
GSM
系统,全球
GSM
用户数已超过
2.5
亿。我
国从
1995
年开始建设
GSM
网络,到
99
年底已覆盖全国
31
个省会城市、
300
多个地市,到
2000
年
3
月全国
GSM
用户数已突破
5000
万,并实现了与近
60
个国家的国际漫游业务。
窄带
CDMA
,也称
adma One
、
IS-95
等,
1995
年在香港开通第一个商用网。
CDMA
技术具有容量
大、覆盖好、话音质量好、辐射密度小等优点,但由于窄带
CDMA
技术成熟较晚,标准化程度较低,
在全球的市场规模远不如
GSM
系统。目前窄带
CDMA
全球用户约
4000
万,其中约
70%
的用户在韩国、
日本等亚太地区国家。窄带
CDMA
技术在我国经历了曲折的发展过程,我国从
1996
年开始,原中国电
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