1、第2章移动通信中的基本技术 第2章移动通信中的基本技术 2.1 电波传播电波传播 2.2 网络组建网络组建 2.3 调制与解调调制与解调 2.4 信源编解码信源编解码 2.5 信道编、解码与交织信道编、解码与交织 2.6 分集接收分集接收 2.7 自适应均衡自适应均衡 第2章移动通信中的基本技术 2.1 电电 波波 传传 播播移动通信技术是一种通过空间电磁波来传输信息的技术，如图2-1所示。掌握无线电波传播特性是学习移动通信技术的基础，也是设计移动通信系统的必要前提。电波的传播特性如何直接关系到通信设备的性能、天线高度的确定、通信距离的计算以及为实现优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一系列问
2、题。第2章移动通信中的基本技术 图2-1 移动通信系统中的电波传播 第2章移动通信中的基本技术 2.1.1 电波传播方式电波传播方式移动通信电波传播的方式有直射波、折射波、反射波、散射波、绕射波以及它们的合成波等多种。下面介绍其中主要的四种，如图2-2所示。第2章移动通信中的基本技术 图2-2 移动通信的主要电波传播方式第2章移动通信中的基本技术 1.直射波直射波电波传播过程中没有遇到任何的障碍物，直接到达接收端的电波，称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。2.反射波反射波电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时，会在物体表面发生反射，形成反射波。反射常发生于地表、建筑物的墙
3、壁表面等。这种波传输的情况常被称为视距(Line of Sight，简称LOS)传输，其它波传输情况称为非视距(None Line of Sight，简称NLOS)。第2章移动通信中的基本技术 3.绕射波绕射波电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时，会由阻挡表面产生二次波，二次波能够散布于空间，甚至到达阻挡体的背面，那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性，绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。4.散射波散射波电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者障碍物体积小但数目多时，会在其表面发生散射，形成散射波。散射波可能散布于许多方向，因而电波的能量也被分散到多个方向。
4、第2章移动通信中的基本技术 2.1.2 电波传播现象电波传播现象1.阴影效应阴影效应在电波传播过程中，遇到地形的起伏、建筑物，尤其是高大树木和树叶的遮挡，会在传播接收区域上形成半盲区，产生电磁场的阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收信号场强中值的起伏变化叫做阴影效应，如图2-3所示。第2章移动通信中的基本技术 图2-3 阴影效应第2章移动通信中的基本技术 2.远近效应远近效应由于系统用户具有随机移动性，因而移动用户与基站间的距离也是随机变化的。若移动用户的发射功率都相同且固定不变，则离基站近的用户信号会很强，相反会很弱，离基站近的用户信号会对远处的信号形成强的干扰，这就是远近效应，如图
5、2-4所示。由于CDMA系统是自干扰系统，许多用户共用同一频段，因此远近效应问题更加突出。要克服远近效应，必须采用功率控制技术。第2章移动通信中的基本技术 图2-4 远近效应 第2章移动通信中的基本技术 3.多径效应多径效应移动通信中的电波传播最具特色的现象是多径效应。无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等，从而使电波沿着各种不同的路径传播，这称为多径传播。由于多径传播使得部分电波不能到达接收端，而接收端接收到的信号也是在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上的信号的合成信号，因而会产生信号的频率选择性衰落和时延扩展等现象，这就是多径效应，如图2-5所示
6、。第2章移动通信中的基本技术 图2-5 多径效应 第2章移动通信中的基本技术 所谓频率选择性衰落，是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致，所以衰落信号波形将产生失真。第2章移动通信中的基本技术 所谓时延扩展(或时延散布)，是指由于电波传播存在多条不同的路径，路径长度不 同，且传输路径随移动台的运动而不断变化，因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信号 s0(t)=a0(t)在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组很宽的信号 s(t)=a0wtiiNiaj1e)(，即引起接收信号脉冲宽度的扩展，如图 2-6 所示。
7、时延扩展可直观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，即最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值，记为。实际上，就是脉冲展宽的时间。第2章移动通信中的基本技术 图2-6 时延扩展 第2章移动通信中的基本技术 4.多普勒效应多普勒效应多普勒效应指的是由于移动台高速运动而使接收信号在传播频率上产生扩散的现象。其特性可用下述公式来描述：cosavf(2-1)式中，v为移动台的相对速度，为无线信号波长，为电波入射角，fa为信号频移，如图2-7所示。式(2-1)表明，移动速度越快，入射角越小，多普勒效应就越明显。需要指出的是，这一现象只产生在高速(大于70 km/h)车
8、载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则无需考虑。第2章移动通信中的基本技术 图2-7 多普勒效应第2章移动通信中的基本技术 多普勒效应会引起时间选择性衰落。所谓时间选择性衰落，指的是由于移动台相对速度的变化引起频移度也随之变化，这时即使没有多径信号，接收到的同一路信号的载频范围也会随时间而不断变化。采用交织编码技术可以克服时间选择性衰落。第2章移动通信中的基本技术 5.自由空间传播损耗自由空间传播损耗所谓自由空间，指的是相对介电常数和磁导率为1的均匀介质所存在的空间，该空间具有各向同性、电导率为零的特点，它是一种理想的传播环境，即人们平常所说的真空。由于真空环境是不吸收电磁能
9、量的，所以自由空间的传输损耗只有直线传播的扩散损耗，即电磁波在传播过程中随着传播距离的增大、能量的自然扩散而引起的损耗。自由空间电波传播是无线电波最简单、最理想化的传播方式。在实际的传播介质中，无线电波的传播不仅有扩散损耗，还有介质的折射和吸收造成的损耗。第2章移动通信中的基本技术 6.慢衰落慢衰落慢衰落(Slow Fading)指的是无线信号强度随机变化缓慢，具有十几分钟或几小时的长衰落周期，因此也称为长期衰落。慢衰落的产生原因主要有两个：地形地貌和传输媒质的结构。无线电波在传播过程中会遇到各种不同的地形地貌，受到各种障碍物的阻挡，从而产生阴影效应，引起慢衰落，如图2-8所示。因此慢衰落也称
10、为阴影衰落。另外，由于气象条件的变化，电波折射系数随时间也会发生平缓变化，使得同一地点接收到的信号场强中值也随时间缓慢地变化。显然，在陆地上这种变化比由于阴影效应引起的信号变化要慢得多，因此在工程上往往被忽略掉。慢衰落一般具有对数正态分布的统计特性，因此又有一个名字叫对数正态衰落。第2章移动通信中的基本技术 图2-8 慢衰落第2章移动通信中的基本技术 7.快衰落快衰落快衰落(Fast Fading)指的是无线信号强度在足够短的时间间隔内(如几秒、几分钟内)发生随机的快速变化，因此也称为短期衰落。快衰落的产生原因主要是多径传播。移动台周围往往存在很多散射体、反射体和折射体，会引起信号的多径传播，
11、使得经由不同路径到达的信号相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化。因此，快衰落也称为多径衰落。第2章移动通信中的基本技术 快衰落具有莱斯分布或瑞利分布的统计特性。当发射机和接收机之间有视距LOS路径时一般服从莱斯分布，无视距(NLOS)路径时一般服从瑞利分布。无视距路径的情况更符合通信的现状，因此，快衰落也称为瑞利衰落。慢衰落和快衰落的信号变化情况如图2-9所示。图中，信号强度曲线的中值呈现慢速变化的是慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化的是快衰落。可见快衰落与慢衰落尽管形成原因不同，但并不是两个独立的衰落，快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。第2章移动通信中的基本技术
12、 图2-9 慢衰落与快衰落的信号变化 第2章移动通信中的基本技术 综上所述，自由空间的传播损耗是自然现象，是不可避免的。衰落对传输信号的质量和传输可靠度都有很大的影响，严重的衰落甚至会使传播中断。对于慢衰落来讲，由于它的变化速度十分缓慢，通常可以通过调整设备参量(如调整发射功率)来补偿。快衰落必须通过采用分集接收、自适应均衡等技术来抵抗。第2章移动通信中的基本技术 2.1.3 电波传播的分类电波传播的分类当电波频率、移动台和电波传播环境不同时，电波传播特性也不相同。以下是电波传播常见的几种分类。1.根据电波频率划分根据电波频率划分如1.6节所述，可以根据电波的频率不同，将电波传播分为甚低频(V
13、ery Low Frequency，简称VLF)、低频(Low Frequency，简称LF)、中频(Middle Frequency，简称MF)、高频(High Frequency，简称HF)、甚高频VHF、特高频UHF和更高频(超高频、极高频等)几种情况。其中特高频是目前移动通信电波传播研究工作应侧重的频段。第2章移动通信中的基本技术 2.根据移动通信系统的类型划分根据移动通信系统的类型划分根据移动通信系统的不同类型，电波传播可以分为陆地移动通信的电波传播、海上移动通信的电波传播、空中移动通信的电波传播和卫星移动通信的电波传播等。陆地移动通信的电波传播又可分为自由空间电波传播、建筑物内电波
14、传播、隧道内电波传播、小区(微小区、微微小区)电波传播等。第2章移动通信中的基本技术 3.根据电波传播途径划分根据电波传播途径划分根据传播的途径，电波传播可分为地波传播、空间传播、电离层传播等，如图2-10所示。地波传播就是电波沿着地球表面到达接收点的传播方式，因此又称为表面波传播。电波在地球表面上传播，以绕射方式可以到达视线范围以外。地面对表面波有吸收作用，吸收的强弱与带电波的频率、地面的性质等因素有关。空间传播就是自发射天线发出的电磁波，沿着空间直射或者经地表反射后到达接收点的传播方式，亦称为天波传播。电离层传播就是无线电波经电离层反射或折射后到达接收点的传播方式。电离层对电磁波除了具有反
15、射作用以外，还有吸收能量与引起信号畸变等作用。其作用强弱与电磁波的频率和电离层的变化有关。第2章移动通信中的基本技术 图2-10 不同途径的电波传播 第2章移动通信中的基本技术 2.1.4 典型电波传播的分析典型电波传播的分析1.自由空间电波传播自由空间电波传播对于移动通信系统而言，其自由空间传播损耗Lbs仅与传输距离d和电波频率f有关，而与收、发天线增益无关，可用下式来表示：LbsdB=32.45+20lgd+20lg f(2-2)式中，传输距离d的单位为km，电波频率f的单位为MHz。从式(2-2)可看出，传播距离d越远，自由空间传播损耗Lbs越大，当传播距离d加大一倍时，Lbs就增加6
16、dB；电波频率f越高，Lbs就越大，当电波频率f提高一倍时，自由空间传播损耗Lbs就增加6 dB。第2章移动通信中的基本技术 2.由建筑物外部向内部的穿透传播由建筑物外部向内部的穿透传播发射机在建筑物外部时，电磁波可能会在穿透建筑物后继续传播，称为穿透传播。穿透传播会造成穿透损耗。穿透损耗可定义为建筑物室外场强与室内场强之比(以dB表示)。影响穿透损耗的几点要素有：建筑物结构(砖石、钢筋混凝土、土等)和建筑物厚度、电波频率、楼层高度、进入室内的深度等。第2章移动通信中的基本技术 简单来说，钢筋混凝土结构的穿透损耗大于砖石或土结构的穿透损耗；建筑物厚度大的穿透损耗比厚度小的低；电波频率越高，穿透
17、能力越强，越容易通过门窗到达室内，越有利于在建筑物内部传播；楼层越高，穿透损耗越小；建筑物内的损耗随电波穿透深度(即进入室内的深度)的增大而增大。第2章移动通信中的基本技术 2.1.5 电波传播模型电波传播模型对移动环境中电波传播特性的研究，可以采用两种方法：理论分析方法和实测分析方法。理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播，在确定收发天线的高度、位置和周围环境的具体特征后，根据直射、折射、反射、散射、透射等波动现象，用电磁波理论计算电波传播路径损耗及有关信道参数。实测分析方法是在典型的传输环境中进行现场测试，并用计算机对大量实测数据进行统计分析。这两种方法最终都要建立有普遍适用性的数学模型
18、，以进行传播预测。在实际工作中，人们往往把二者结合起来，从而能够实现对电波传播特性更准确的估算。第2章移动通信中的基本技术 移动通信中常用的几种电波传播模型有：Okumura-Hata模型、Walfish-Ikegami模型、COST231-Hata模型和COST231-WIM模型等。下面仅介绍Okumura-Hata模型。Okumura-Hata模型是由国际无线电咨询委员会(CCIR)推荐、由日本科学家奥村提出的，其特点是：以准平坦地形城市市区环境作为基准，对其它传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。Okumura-Hata模型中值路径损耗经验公式为 Lb=69.55+26.
19、16 lgf-13.82 lghb-a(hm)+(44.9-6.55 lghb)lgd 其中，Lb为市区准平滑地形电波传播损耗中值(dB)，f是工作频率(MHz)，hb是基站天线有效高度(m)，hm是移动台天线有效高度(m)，d为移动台与基站之间的距离(km)，(hm)是移动台天线高度因子。第2章移动通信中的基本技术 在移动网络的实际建设中，首先应根据网络所用无线电频段的传播特点及基站和移动台的实际天线高度等，初步选择合适的电磁波传播模型，然后再根据各个地区不同的地理环境进行测试，运用分析和计算手段对传播模型的参数进行修正。通过实地架设发射机进行连续波测试，网络规划人员可获得准确的无线电信号的
20、路径损耗值，再与仿真模拟的结果进行反复比较修正，最终得出所用频段在当地传播环境中的最实际可靠的传播模型。综上所述，移动通信的电波传播环境复杂多变，信号在传输过程中存在着各种衰落和损耗。要在这样的传播条件下获得可以接受的传输质量，就必须采用各种抗衰落技术。常用的抗衰落技术有分集、扩频/跳频、均衡、交织和差错控制编码等。第2章移动通信中的基本技术 2.2 网网 络络 组组 建建 2.2.1 区域覆盖和网络结构区域覆盖和网络结构如前所述，陆地移动通信系统都采用小区制蜂窝结构进行区域覆盖。这种小区制蜂窝结构采用信道复用技术，能够大大缓解频谱资源紧缺的问题，提高频谱利用率，增加用户数目和系统容量。如图2
21、-11所示，相邻小区不使用相同的信道组，但相隔几个小区间隔的不相邻小区可以重复使用同一组信道。不使用同一组信道的若干个相邻小区就组成了一个区群/簇(Cluster)(图中的阴影区域即为一个区群/簇)，则整个通信服务区也可看成是由若干个区群/簇构成的。第2章移动通信中的基本技术 图2-11 蜂窝结构信道复用技术 第2章移动通信中的基本技术 图2-12 本地网的结构组成 第2章移动通信中的基本技术 所谓本地网互联，指的是为了实现各个本地网之间的业务以及本地网与远端网络之间的移动长途业务，通过移动汇接局将多个本地网汇接在一起的网络结构。如图2-13所示，两个移动电话局通过同移动汇接局的连接来实现两个
22、本地网之间的互通，不同地区的移动汇接局互联即可实现移动长途业务。与移动汇接局相对，移动电话局也称为端局。通常在省会或经济中心设置一个或两个移动汇接局，而移动端局可以根据实际需要设置多个。第2章移动通信中的基本技术 图2-13 本地网互联的结构组成 第2章移动通信中的基本技术 2.2.2 多址接入技术多址接入技术为了提高频谱利用率，保证系统的容量，移动通信的网络组建必须要考虑多个用户共享无线信道的问题，即多址接入技术。所谓多址接入，指的是把同一个无线信道按照时间、频率、码道等进行分割，使不同的用户都能够在不同的分割领域中使用这一信道，而又不会明显地感觉到他人的存在，就好像自己在专用这一信道一样。
23、占用不同的分割领域就像是拥有了不同的地址，使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址，这就是多址接入名称的由来。第2章移动通信中的基本技术 例如，在蜂窝移动通信系统中，多个移动用户要同时通过一个基站和其它移动用户进行通信，就必须对基站和不同的移动用户发出的信号赋予不同的特征，使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户发来的信号，同时各个移动用户又能够识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的。蜂窝移动通信系统中多址接入技术的简单模型如图2-14所示。第2章移动通信中的基本技术 图2-14 蜂窝移动通信系统中多址接入技术的简单模型 第2章移动通信中的基本技术 不同的多址方式对通信系统的容
24、量和质量影响很大，因此，寻求更好的多址方式就成为重要的研究目标。按照信道资源的共享方式，多址接入技术通常可分为三类：固定分配多址接入(Fixed Assignment Multiple Access，简称FAMA)、按需分配多址接入(Demand Assignment Multiple Access，简称DAMA)和随机多址接入(Random Multiple Access，简称RMA)。第2章移动通信中的基本技术 FAMA的信道分配形式固定，只适用于用户数量比较少，通信业务量又比较稳定的系统。DAMA根据用户的需要为其分配一定的信道容量，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又难以预测的情况
25、，但实现DAMA需要一个专用信道，以供所有用户以固定分配或随机接入方式提出呼叫申请。当网络由大量用户组成，而这些用户又只是间歇性地工作时，采用FAMA或DAMA效率会很低，这时可采用随机多址接入技术。第2章移动通信中的基本技术 按照信道的分割依据不同，多址接入技术又可分为四种基本类型：频分多址接入(FDMA)、时分多址接入(TDMA)、码分多址接入(CDMA)和空分多址接入(Space Division Multiple Access，简称SDMA)。目前的移动通信系统中，常采用这些多址方式的混合方式(FD/TDMA、TD/CDMA、TD/FD/CD/SDMA等)。下面简要介绍四种基本的多址方
26、式。第2章移动通信中的基本技术 1.频分多址接入频分多址接入(FDMA)频分多址接入技术按照频率来分割信道，即给不同的用户分配不同的载波频率以共享同一信道。FDMA是模拟载波通信、微波通信、卫星通信的基本技术，也是第一代模拟移动通信的基本技术。在FDMA系统中，信道总频带被分割成若干个间隔相等且互不相交的子频带(地址)，每个子频带分配给一个用户，每个子频带在同一时间只能供一个用户使用，相邻子频带之间无明显的干扰。第2章移动通信中的基本技术 以模拟系统TACS为例，其总频带宽度为45MHz，频道间隔(子频带)为25kHz，那么在935960MHz的上行频带内，每25kHz取一个载波频率，可以得到
27、935 MHz，935.025 MHz，935.05 MHz，959.05 MHz，959.075 MHz和960MHz一共1000个互不交叠的载频。FDMA将移动台发出的信号调制到移动通信频带内的不同载频上，这些载频在频率轴上分别排开、互不重叠。基站可以根据载频的不同来识别发射地址(移动台)，从而完成多址连接。所以，在FDMA中，每个载频对应一个信道，而且由于信道在时间轴和空间轴上没有被分割，所以信号可以在每一个载频信道上连续传输。FDMA的示意图如图2-15所示。第2章移动通信中的基本技术 图2-15 频分多址接入 第2章移动通信中的基本技术 2.时分多址接入时分多址接入(TDMA)时分多
28、址接入技术按照时隙(Time Slot，简称TS)来划分信道，即给不同的用户分配不同的时间段以共享同一信道。TDMA是数字数据通信和第二代移动通信的基本技术。在TDMA系统中，时间被分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙(地址)。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互不混淆。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。第2章移动通信中的基本技术 以数字系统
29、GSM为例，每一载频对应一帧，每一帧可分成8个时隙，每一时隙对应一个信道。因此，一个载频最多可供8个移动用户共享。系统总信道数为每个基站使用的载频数乘以每载频的时隙数。TDMA示意图如图2-16所示。第2章移动通信中的基本技术 图2-16 时分多址接入 第2章移动通信中的基本技术 与FDMA技术相比，TDMA具有如下特性：(1)每载频多路。TDMA系统能够在每一载频上产生多个时隙，而每个时隙都是一个信道，因而能够进一步提高频谱利用率，增加系统容量。(2)传输速率高。每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高。(3)对新技术开放。例如当因话音压缩编码算法的改进而降低比特速率时，TDMA系统的信道
30、很容易重新配置以接纳新技术。(4)共享设备成本低。由于每一载频为许多客户提供业务，因此TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了。第2章移动通信中的基本技术(5)更易管理与分配。对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配简单而经济。所以，TDMA系统更容易进行时隙的动态分配。(6)基站可以只用一台发射机。可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰。第2章移动通信中的基本技术 同时，TDMA也具有一定的缺陷：(1)必须有精确的定时和同步。为保证各移动台发送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，TDMA
31、系统必须采用精确的定时和同步技术。(2)移动台较复杂。它比FDMA系统移动台能完成更多的功能，但需要复杂的数字信号处理。(3)传输开销大。由于TDMA分成时隙传输，使得收信机在每一时隙脉冲序列上都得重新获得同步。为了把一个时隙和另一个时隙分开，保护时间也是必需的，因此，TDMA系统通常比FDMA系统需要更多的开销。第2章移动通信中的基本技术 3.码分多址接入码分多址接入(CDMA)码分多址接入技术按照码序列来划分信道，即给不同的用户分配一个不同的编码序列以共享同一信道。CDMA是第二代移动通信的演进技术和第三代移动通信的基本技术。在CDMA系统中，每个用户被分配给一个唯一的伪随机码序列(扩频序
32、列)，各个用户的码序列相互正交，因而相关性很小，由此可以区分出不同的用户。与FDMA划分频带和TDMA划分时隙不同，CDMA既不分频带又不分时隙，而是让每一个频道使用所能提供的全部频谱，因而CDMA采用的是扩频技术，它能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同码序列来实现多路通信。CDMA示意图如图2-17所示。第2章移动通信中的基本技术 图2-17 码分多址接入 第2章移动通信中的基本技术 以上三种多址技术相比较，CDMA技术的频谱利用率最高，所能提供的系统容量最大，它代表了多址技术的发展方向；其次是TDMA技术，目前技术比较成熟，应用比较广泛；FDMA技术由于频谱利用率低，将逐渐被TDMA和
33、CDMA所取代，或者与后两种方式结合使用，组成TD/FDMA、TD/CD/FDMA方式。第2章移动通信中的基本技术 4.空分多址接入空分多址接入(SDMA)空分多址接入技术是按照空间的分割来构成不同信道的。理论上来讲，空间中的一个信源可以向无限多个方向(角度)传输信号，从而可以构成无限多个信道。但是由于发射信号需要用天线，而天线又不可能是无穷多个，因而空分多址的信道数目实际上是有限的。SDMA技术是卫星通信和使用智能天线的第三代移动通信系统的基本技术。以卫星通信为例，在一颗卫星上安装多个天线，这些天线的波束分别指向地球表面上的不同区域，使各区的地球站所发射的电波不会在空间出现重叠，这样即使是工
34、作在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，这些地球站信号之间也不会形成干扰，从而可以使系统的容量大大增加，如图2-18所示。第2章移动通信中的基本技术 图2-18 空分多址接入 第2章移动通信中的基本技术 总的来看，SDMA技术具有如下优点：系统容量大幅度提高。扩大覆盖范围。天线阵列的覆盖范围远远大于任何单个天线，因此采用SDMA技术系统的小区数量就可大大减少。兼容性强。SDMA可以与任何调制方式、带宽或频段兼容，包括AMPS、GSM、PHP、DECT、IS-54、CDMA IS-95和其它格式。SDMA可以实施在多种阵列和天线类型中。SDMA还可以和其它多址方式相互兼容，从而实现组合的多址
35、技术，例如SD/CDMA。第2章移动通信中的基本技术 大幅度降低来自其它系统和其它用户的干扰。在极端吵闹、干扰强烈的环境中，系统可以实现有选择地发送和接收信号，从而提高通信质量。功率大大降低。由于SDMA采用有选择性的空间传输，因此SDMA基站发射的功率可以远远低于普通的基站。定位功能强。每条空间信道的方向是已知的，可以准确地确定信号源的位置，从而为提供基于位置的服务奠定基础。第2章移动通信中的基本技术 2.2.3 越区切换越区切换1.切换判决条件切换判决条件/准则准则在通信过程中，MS不断向MSC和BS周期性地提供大量的参考数据是系统判断是否需要发起切换过程的重要依据。以这些参考数据为基础，
36、不同的系统可能采取不同的切换判断准则，有不同的切换判决条件。这些准则主要包括以下三种：(1)按接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication，简称RSSI)进行判断。接收到的射频信号强度直接反映了话音传输的质量。因此，依据射频信号强度进行判决是一种常用基准。它测量的是BS接收到的MS信号的强度，当测量值低于规定门限时，切换程序启动。第2章移动通信中的基本技术(2)按接收信号的载干比(Carrier to Interference Ratio，简称CIR)进行判断。CIR是接收机接收到的载波信号平均功率和干扰信号平均功率的比值，反映了通话质量，因此也是一
37、种常用的判决标准。在测量的载干比低于规定门限时启动切换程序。(3)按MS到BS的距离进行判断。越区切换都是在MS距离BS较远的小区边缘时发生的，因此可以将MS距离BS的距离作为切换判决条件。当MS和BS的距离超出了规定值时，启动切换。第2章移动通信中的基本技术 由上可见，BS会根据以上的判决准则设置一个门限值。门限值的设置必须合适，过高或过低都会影响正常的切换。如图2-19所示，设移动台当前所处为基站1覆盖的小区，移动台连续监测各个小区的信号强度，随着移动台的移动，当基站2覆盖的小区的信号强度超过当前小区，并且当前小区基站1的信号强度低于设置的门限时，发起切换。由图2-19可见，如果选择高于两
38、基站等信号强度(B点)的门限1(A点)，则该门限就没有什么意义了；如果选择略微低于B点的门限2(C点)，移动台将推迟切换一小段时间(由B点到C点的时间段)，直到基站1的信号强度经过此门限值；如果选择远低于B点的门限3(D点)，将会造成过大的时延(由B点到D点的时间段)，这必然会降低通信链路的质量，甚至导致呼叫中断。第2章移动通信中的基本技术 图2-19 越区切换判决门限 第2章移动通信中的基本技术 2.切换控制方式切换控制方式根据切换控制的主体不同，常用的切换控制方式主要包括如下三种：(1)网络控制切换(Network Control Hand Over，简称NCHO)。NCHO方式是指由通信
39、端口监测信号强度和质量，当信号强度低于门限时，将通信切换到新的通信端口。在实际工作时，由BS监测所有通信链路，MSC决定和完成切换，MS不参与切换。其缺点是若MS失去联系，则会造成信号的中断；切换时间长，可达10 s。这种切换控制方式为第一代移动通信系统TACS和AMPS所采用。第2章移动通信中的基本技术(2)MS控制切换(Mobile station Control Hand Over，简称MCHO)。MCHO方式是指由MS持续监测通信端口的信号强度和质量，在满足切换条件时，MS就选择其中最好的候选项进行切换。DECT和PACS等无绳电话系统采用的就是这种控制方式，大的移动通信系统采用该方式
40、容易引起切换冲突。(3)MS辅助切换(Mobile station Auxiliary-control Hand Over，简称MAHO)。MAHO方式是NCHO的一种演化。它要求MS测量临近端口的信号强度并报告给原端口，由网络决定切换，即切换是由MS、BS和MSC共同完成的。这是第二代GSM、CDMA系统和第三代移动通信系统所采用的切换控制方式。其优点是：切换过程时间短，只有1 s2 s，信号中断时间小于1 s。第2章移动通信中的基本技术 3.信道分配方法信道分配方法越区切换属于信道切换的一种。切换发生时的信道分配方法一般都是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换，以保证越区切换失败的概率尽
41、量小。第2章移动通信中的基本技术 2.2.4 位置管理位置管理移动通信网络中位置管理的实质就是通过移动通信网络的具体操作来实现对移动用户的定位，对应定位业务(Location Service，简称LCS)。具体来说，就是确保在有外来呼叫移动用户时，该移动用户能有效及时地被移动通信网络“找”到，也即在移动用户变换自己的位置的情况下，移动通信网络能及时地进行跟踪，当呼叫到达时，能够被及时准确地传递到移动用户当前的位置。位置管理的进程涉及MS、BS、MSC和位置寄存器几个功能实体以及相应的接口。这里的位置寄存器包括归属位置寄存器(Home Location Register，简称HLR)和访问位置寄
42、存器(Visit Location Register，简称VLR)两种。通常一个PLMN网络由一个HLR和若干个VLR组成，每个VLR管理着多个位置区LA。HLR负责存储在其网络注册的所有用户信息，包括用户预定业务、记账信息、位置信息等。VLR负责管理该网络中若干位置区内的移动用户。图2-20所示为在一个PLMN网络中HLR和VLR负责的位置区关系结构图。第2章移动通信中的基本技术 图2-20 HLR和VLR负责的LA关系结构 第2章移动通信中的基本技术 位置管理与网络的处理能力和通信能力紧密相关。网络处理能力主要包括数据库的大小、查询的频度和响应速度等；网络通信能力包括传输位置更新和查询信息
43、所增加的业务量和时延等。位置管理追求目标是：以尽可能小的处理能力和附加的业务量，最快地确定用户位置，以容纳尽可能多的用户。位置管理主要包括位置更新和寻呼两个过程，如图2-21所示。第2章移动通信中的基本技术 图2-21 位置管理功能框图 第2章移动通信中的基本技术 1.位置更新位置更新(Location Update)为了减少位置的不确定性，移动终端需要不时地向移动通信系统报告其当前所在位置，这就是位置更新。有效的位置更新方法可以平衡并优化位置管理过程中移动通信系统信令消耗的代价。位置更新要解决的问题是移动台如何发现位置变化及何时报告它的当前位置。根据网络对位置更新的标识不同，位置更新情况可以
44、分为以下三种：(1)正常位置更新，即跨位置区的位置更新。(2)周期性位置更新，即在一定的特定时间内，网络与移动台没有发生联系时，移动台自动地、周期地与网络取得联系，核对数据信息。(3)IMSI附着分离，即移动台开机时的位置登记。第2章移动通信中的基本技术 总的来说，位置更新方法分为静态位置更新(Static Location Update，简称SLU)和动态位置更新(Dynamic Location Update，简称DLU)两种。第二代移动通信系统GSM使用的就是静态位置更新策略。这里的静态指的是位置区的范围是固定的。静态位置更新方法是基于网络发起位置更新操作的。它存在以下几个缺点：(1)当
45、移动终端在边界上来回运动时，将产生大量的不必要的位置更新操作。(2)信令负载过于集中，边界小区的信令负载要远大于内部小区。(3)位置区的大小、形状、配置并不是对所有的移动终端都是最佳的。(4)寻呼业务量过大，当呼叫到达时，要在LA的所有小区中进行寻呼。第2章移动通信中的基本技术 在无线个人通信系统中，要求系统能够容纳更多的用户和适应用户的更大的移动性。但静态位置更新策略存在一个很大的问题：随着移动用户数目的增长，移动网络所承受的信令负载急剧增加。对于位置管理来说，信令负载的增加是一个很沉重的负担，特别是无线带宽资源的稀缺，因此必须采用有效的方法来减少信令负载。基于以上的分析和考虑，在移动性管理
46、方面，特别是在位置更新策略上研究人员提出了诸多动态的优化方案，以提高移动通信系统的工作效率和网络的移动性能。相对于静态位置更新算法而言，动态位置更新方法是基于移动用户的呼叫和运动模式来发起位置更新操作的。现阶段，动态位置更新策略主要有以下几种：第2章移动通信中的基本技术(1)基于时间的位置更新策略(Time-based Scheme)。用户每隔T(时间门限)秒周期性地更新其位置。T可由系统根据呼叫到达间隔的概率分布动态确定。(2)基于运动的位置更新策略(Movement-based Scheme)。当移动台跨越一定数量的小区边界(运动门限)以后，移动台就进行一次位置更新。(3)基于距离的位置更
47、新策略(Distance-based Scheme)。若移动台离开上次位置更新时所在小区的距离超过一定的值(距离门限)，则移动台进行一次位置更新。最佳距离门限的确定取决于各个移动台的运动方式和呼叫到达参数。第2章移动通信中的基本技术(4)基于状态的位置更新策略(Status-based Scheme)。移动台的状态信息变更时，进行一次位置更新。这里的状态信息可以指上一次位置更新后所经历的时间、跨越的小区数目或者运动的距离等。不同的状态信息对应于不同的位置更新策略。其中一种情况是状态信息包括当前所在位置及上一次位置更新后所经过的时间，移动终端运动模型为时变高斯过程，则基于该状态信息的位置更新方案
48、比基于时间的方案能够获得10%的性能改善。第2章移动通信中的基本技术(5)基于预测的位置更新策略(Prediction-based Scheme)。该策略的思想是认为移动终端将来的速度和位置与当前的速度和位置是相关的，并且移动终端在位置更新过程中向网络报告它的位置地点及运动速度，网络根据这些信息确定移动终端位置的概率密度函数，并据此预测移动终端未来时刻所处的位置，网络端和移动终端都维持预测信息，移动终端周期性地检查它的位置，当移动的距离超过根据预测信息所确定的距离门限时执行位置更新。位置更新过程中最重要的一步是位置登记。所谓位置登记，是指移动台向通信网报告其当前所在位置的过程，也称位置注册。下
49、面是移动台进入一个新的位置区后位置登记过程的一般执行步骤，如图2-22所示。第2章移动通信中的基本技术 图2-22 位置登记过程 第2章移动通信中的基本技术(1)MS进入一个新的LA并向新BS发送位置更新消息。(2)BS向MSC转发位置更新消息，MSC向其相应的VLR发出登记请求。(3)VLR更新MS的位置记录。如果新LA与原LA属于同一个VLR，则位置登记过程结束；如果属于不同的VLR，则新VLR根据MS的移动台标识码(Mobile Identity Number，MIN)来确定MS的HLR地址，并向该HLR发送一个位置登记消息。(4)HLR执行必要的操作对MS进行鉴权并记录新VLR的ID。
50、HLR向新VLR发送登记应答消息。(5)HLR向旧VLR发送登记删除消息。(6)旧VLR删除MS的记录并向HLR发送一个删除应答消息。第2章移动通信中的基本技术 2.寻呼寻呼(Paging)寻呼指的是当某个移动用户有呼叫(Incoming Call)时，移动通信网络要及时搜索并确定该移动终端所在具体蜂窝位置并将该呼叫传递到该移动用户的过程。在一次寻呼期间，移动网络通过下行控制信道向移动终端可能驻留的小区发送寻呼消息，即在位置区内以一次或多次呼叫方式向一个或多个寻呼区(Paging Area，简称PA)内的所有移动终端广播寻呼信号以进行寻呼，而所有的移动终端时刻都在监听寻呼消息，只有被呼移动终端
