GSM網(wǎng)絡(luò)基本知識(shí)(中)蜂窩通信原理

1、1999年8月 東方通信培訓(xùn)中心蜂窩通信原理概述蜂窩電話系統(tǒng)用于為移動(dòng)臺(tái)MS(MobileStation)與公共電話系統(tǒng)之間，或者和另一個(gè)蜂窩系統(tǒng)的移動(dòng)臺(tái)之間建立連接。移動(dòng)臺(tái)MS與蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的信息通過(guò)無(wú)線電波傳送，這樣省去了傳統(tǒng)電話中的電話線，因此，移動(dòng)用戶可以自由移動(dòng)，比如在車上，或步行。蜂窩通信的優(yōu)點(diǎn)蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)與“陸地”電話網(wǎng)絡(luò)相比，有許多優(yōu)點(diǎn)，不僅對(duì)于移動(dòng)用戶，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)也是一樣的。概述對(duì)于移動(dòng)用戶的優(yōu)點(diǎn)移動(dòng)性靈活性便利性對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的優(yōu)點(diǎn)易于擴(kuò)容高收益率頻譜利用率高易于重新配置網(wǎng)絡(luò)組成GSM網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心MSC(MobileServicesSwitchingCe

2、ntres),基站系統(tǒng)BSS(BaseStationSystem),以及移動(dòng)臺(tái)MS(MobileStation)。這三種網(wǎng)絡(luò)實(shí)體各自都還可以劃分成更小的實(shí)體，比如在BSS中有基站控制器BSC(BaseStationController)，基站收發(fā)信臺(tái)BTS(BaseTransceiverStation)和壓縮編碼器XCDR(Transcoder)。對(duì)于這些更小的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，在后面將會(huì)具體討論到。在MSC,BSS和MS組成的蜂窩系統(tǒng)中，移動(dòng)用戶可以發(fā)起呼叫，接收呼叫，系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)的計(jì)費(fèi)，就如同一般的PSTN網(wǎng)絡(luò)能完成的功能一樣。唯一存在的問(wèn)題是，MS只能同其它的MS之間進(jìn)行呼叫，為了使移動(dòng)臺(tái)也能與市

3、話用戶之間進(jìn)行呼叫,所以有必要把GSM網(wǎng)絡(luò)連到PSTN。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)臺(tái)處在“小區(qū)”中，這些小區(qū)由BSS提供，每個(gè)BSS能提供一個(gè)或多個(gè)小區(qū)，這取決于廠商的設(shè)備。小區(qū)一般被畫(huà)作六邊形，但實(shí)際上小區(qū)是不規(guī)則形狀，這主要是受周圍地形干擾的影響或是取決于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者的設(shè)計(jì)。圖示的小區(qū)覆蓋嚴(yán)網(wǎng)絡(luò)組成BSSMMS,MS.MSVMSCPSTNBSSBSSBSSBSSBSSPSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)公眾交換電話網(wǎng)MSC(MobileserviceSwitchingCentre)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心BSS(BaseStationSystem)(MobileStatio

4、n)(CellCoverageArea)基站系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)小區(qū)覆蓋區(qū)域頻譜簡(jiǎn)介頻譜非常擁擠，只有很窄的帶寬分配給了蜂窩通信。對(duì)面列出了分配給GSM，EGSM(ExtendedGSM)，GSM1800(DCS1800)及PCS1800的頻譜一個(gè)絕對(duì)無(wú)線頻率信道編號(hào)ARFCN(AbsoluteRadioFrequencyNumber)或RF載頻實(shí)際是指一對(duì)頻率，一個(gè)用于發(fā)射，一個(gè)用于接收，這樣可以雙向的傳送信息。發(fā)射、接收頻率之間的頻率間隔稱為雙工間隔,GSM900和EGSM900的雙工間隔是45MHzDCS1800的雙工間隔是95MHz,PCS1900的雙工間隔是80MHz,GSM網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)小區(qū)至少

5、要分配一個(gè)ARFCN,當(dāng)然也可以分配多個(gè)ARFCN用來(lái)提供更大的容量。每個(gè)GSMRF載頻支持8個(gè)TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)時(shí)隙，所以理論上說(shuō)每個(gè)RF載頻可以同時(shí)支持8個(gè)電話呼叫,在以后的課程中我們將可以看到,盡管這種理論上的情況是可能實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)際上系統(tǒng)還需要傳信令，所以一個(gè)RF載頻可能同時(shí)只能支持六個(gè)到七個(gè)電話呼叫,減少了能支持的移動(dòng)臺(tái)數(shù)。GSM網(wǎng)絡(luò)不同于PSTN網(wǎng)絡(luò)，在PSTN網(wǎng)絡(luò)中，每部電話都是通過(guò)一對(duì)固定的電話線連到陸地網(wǎng)絡(luò)，但在GSM網(wǎng)絡(luò)中，MS通過(guò)無(wú)線接口連接到網(wǎng)絡(luò)，所以很容易理解：一個(gè)RF載頻可以支持遠(yuǎn)多于8個(gè)移動(dòng)用戶。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)RF載頻

6、可以支持15，20，甚至25個(gè)移動(dòng)用戶。顯然由于資源限制,這些移動(dòng)用戶不能同時(shí)發(fā)起呼叫，但一般他們也不會(huì)同時(shí)發(fā)起呼叫，所以多個(gè)移動(dòng)用戶可以在不同的時(shí)間使用相同的物理資源。GSM900接收（上行）890-915MHZ發(fā)射（下行）935-960MHz124個(gè)獨(dú)立無(wú)線頻率信道ARFCN（AbsoluteRadioFrequencyChannels）EGSM900接收（上行）880-915MHz發(fā)射（下行）925-960MHz174個(gè)獨(dú)立無(wú)線頻率信道ARFCN（AbsoluteRadioFrequencyChannels）GSM1800（DCS1800）接收（上行）1710-1785MHz發(fā)射（下行）

7、1805-1880MHz374個(gè)獨(dú)立無(wú)線頻率信道ARFCN（AbsoluteRadioFrequencyChannels）PCS1900接收（上行）1850-1910MHz發(fā)射（下行）1930-1990MHz299個(gè)獨(dú)立無(wú)線頻率信道ARFCN（AbsoluteRadioFrequencyChannels）ARFCN帶寬=200KHz8個(gè)TDMS時(shí)隙小區(qū)的大小一個(gè)區(qū)域內(nèi)的小區(qū)數(shù)取決于該區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)用戶數(shù)及該區(qū)域的地形（山、湖、建筑物等）。大的小區(qū)GSM最大的小區(qū)直徑達(dá)80km,但這和小區(qū)覆蓋區(qū)域的地形及MS的功率級(jí)有關(guān)。在GSM系統(tǒng)中，MS的發(fā)射功率可達(dá)8w,顯然MS的發(fā)射功率越高，小區(qū)可以越大

8、。如果基站設(shè)在山上，而且周圍沒(méi)有什么障礙物,無(wú)線電波可以傳得很遠(yuǎn)。如果基站設(shè)在城市中間,周圍高的建筑物會(huì)阻擋無(wú)線電波的傳播路徑。大的小區(qū)一般用在：偏遠(yuǎn)地區(qū)海邊用戶很少的區(qū)域面積大但需要用最少的基站覆蓋的地方小的小區(qū)小的小區(qū)用在MS數(shù)多的小區(qū)域，或者為了減小干擾而要求發(fā)射功率低的區(qū)域。小的小區(qū)一般覆蓋直徑為200m以上。小的小區(qū)一般用在：城區(qū)要求低功率發(fā)射的區(qū)域MS數(shù)多的區(qū)域不同大小的小區(qū)混合使用選擇使用什么樣的小區(qū)沒(méi)有唯一方案。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商希望使用大的小區(qū),減少安裝維護(hù)費(fèi)用,但又必須為用戶保證服務(wù)質(zhì)量,他們必須考慮到多種因素，比如地形，要求的發(fā)射功率，MS數(shù)等，這樣會(huì)不可避免的將不同大小的小區(qū)混

9、合使用。小區(qū)的大小最大60-70km大的小區(qū)小的小區(qū)頻率復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)GSM共有124個(gè)頻點(diǎn)可用，大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商并不能使用所有這頻點(diǎn)，而只能使用這124個(gè)頻點(diǎn)中的一部分。例如：某網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商分配了48個(gè)頻點(diǎn)，需要用這些頻點(diǎn)覆蓋一個(gè)很大的區(qū)域，如英國(guó)。由前面可知，最大的小區(qū)其直徑約為70km,顯然這48個(gè)頻點(diǎn)無(wú)法覆蓋整個(gè)英國(guó)。為解決頻率受限的問(wèn)題,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商必須將同一個(gè)頻率重復(fù)使用,這就稱為“頻率復(fù)用”。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者在做頻率復(fù)用規(guī)劃時(shí)必須考慮頻率的復(fù)用率及小區(qū)間的距離,否則會(huì)產(chǎn)生同信道干擾或鄰信道干擾,或二者都有。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商還要考慮需要被覆蓋的區(qū)域的不同特點(diǎn),在人口稠密的城區(qū)頻率復(fù)用率比較高,采用小的

10、小區(qū)能提供高的容量；在人口稀少的農(nóng)村頻率復(fù)用率較低,采用大的小區(qū),提供的容量也較小。同信道干擾如果使用相同頻率的兩個(gè)載頻離得過(guò)近,它們之間將會(huì)互相干擾,這種干擾稱為同信道干擾。鄰信道干擾RF載頻受到另一個(gè)使用鄰近頻率的RF載頻的干擾，這種干擾稱為鄰信道干擾。頻率復(fù)用扇區(qū)化我們前面所說(shuō)的小區(qū)都是指全向小區(qū)，即一個(gè)基站對(duì)應(yīng)一個(gè)小區(qū)，有一根發(fā)射天線，將無(wú)線電波輻射到360度的范圍。如果采用全向小區(qū)，那么當(dāng)同一地理區(qū)域內(nèi)的MS數(shù)增加時(shí)，應(yīng)該相應(yīng)的增加小區(qū)數(shù)以擴(kuò)大容量。為了在該地理區(qū)域安裝更多的小區(qū)，必須減小小區(qū)的大小，而全向小區(qū)間的距離必須足夠遠(yuǎn)，以防止同信道干擾和鄰信道干擾。這種沖突會(huì)降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)的

11、性能。為了在同一地理區(qū)域內(nèi)獲得更大的容量，可以采用一種稱為“扇區(qū)化”的技術(shù)，扇區(qū)化即是將一個(gè)基站分成多個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)都有自己的發(fā)射和接收天線，相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)。扇區(qū)化的小區(qū)使用特制的定向天線，使該小區(qū)發(fā)射的無(wú)線電波集中在一個(gè)特定的方向上。這樣做有很多優(yōu)點(diǎn)，首先小區(qū)發(fā)射的無(wú)線電波能量集中到了一個(gè)更小的區(qū)域如60度，120度或180度，而不是以360度全向發(fā)射，這樣可以獲得更強(qiáng)的信號(hào)，有利于“室內(nèi)覆蓋”等。另外，同頻復(fù)用距離縮短，在同一地理區(qū)域可以有更多的小區(qū)，可以支持更多的移動(dòng)用戶。Site3Site3CellCellSiteCel!小區(qū)扇區(qū)化(Sectorization)全向基站1副發(fā)射

12、/接收天線CAntenna副I射接收天瓠Antenna6小區(qū)基站6副發(fā)射/接收天線6Transmit/ReceiveAntenna360Degreecells60DegreeSectors/cells120DegreeSectors/cells使用扇區(qū)化的基站一方面為了避免干擾，需要讓使用相同頻率RF載頻的小區(qū)之間相距足夠遠(yuǎn)，這樣會(huì)降低頻率服用率；另一方面，為了獲得更高的容量，需要盡量提高頻率復(fù)用率。在實(shí)際情況中，RF載頻分配及小區(qū)大小選擇的原則主要就是為了使以上二者之間達(dá)到平衡。從對(duì)面圖中可以看出，將基站扇區(qū)化之后，在相同的地理區(qū)域內(nèi)可以有更多的小區(qū)，更多的移動(dòng)用戶可以接入并使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。一

13、般對(duì)人口稠密地區(qū)或者移動(dòng)用戶較集中區(qū)域（比如會(huì)議中心/商務(wù)建筑物）內(nèi)的基站扇區(qū)化4基站/3小區(qū)4基站/3小區(qū)是GSM中一種典型的頻率復(fù)用模式。例如：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商有36個(gè)頻點(diǎn)可用，如果他希望采用4基站/3小區(qū)的復(fù)用方式的話，可以將頻率劃分如下：CellA1CellA2CellA3CellB1CellB2CellB3CellC1CellC2CellC3CellD1CellD2CellD3123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536在這種配置中每個(gè)小區(qū)共有3個(gè)載頻，每個(gè)基站共有9個(gè)載頻。如果網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商希望采用3基站/3小

14、區(qū)的頻率復(fù)用方式的話，頻率的劃分將會(huì)是：CellA1CellA2CellA3CellB1CellB2CellB3CellC1CellC2CellC3123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536從表中可以看出，現(xiàn)在每個(gè)小區(qū)中共有4個(gè)載頻，每個(gè)基站共有12個(gè)載頻，這樣在相同的地理范圍內(nèi)支持的用戶數(shù)會(huì)增加，但同時(shí)，同信道干擾和鄰信道干擾會(huì)有所增強(qiáng)。4基站13小區(qū)而1畫(huà)D叵1回B叵畫(huà)叵回詞回A1叵!回面1叵回廠囤/叵回一k/畫(huà)交換與控制在全向和定向小區(qū)建立的無(wú)線覆蓋區(qū)域內(nèi)，我們來(lái)看一下MS移動(dòng)時(shí)的情況（MS經(jīng)常是處在移動(dòng)

15、狀態(tài)的）。當(dāng)MS移動(dòng)時(shí)，可能會(huì)從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)。有多種原因會(huì)引起移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)到另一個(gè)小區(qū)的切換，如：“服務(wù)小區(qū)”的信號(hào)比“相鄰小區(qū)”的信號(hào)弱，或者M(jìn)S在當(dāng)前服務(wù)小區(qū)中的通話質(zhì)量不好，這時(shí)切換到相鄰小區(qū)可以改善通話質(zhì)量。不論是什么原因引起的切換，都需要由某些網(wǎng)絡(luò)實(shí)體來(lái)控制切換的完成。在GSM中，由移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心MSC控制切換。為了完成切換，系統(tǒng)必須知道MS將要切換到哪個(gè)相鄰小區(qū)去，為保證MS能切換到信號(hào)最好的小區(qū)，MS須測(cè)量它周圍相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度并上報(bào)給系統(tǒng)。系統(tǒng)分析比較這些測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)切換的需要作出是否需要切換的決定。如果需要發(fā)生切換，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息并由MSC控制切換的完成。切換對(duì)用戶來(lái)說(shuō)必須必須是透明的，即使移動(dòng)用戶意識(shí)不到切換的發(fā)生。在后面我們將會(huì)看到，切換控制功能只是MSC能完成的多種功能中的一種，MSC與其它相關(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體在一起還能完成多種其他功能，（如MS鑒權(quán)，加密控制，位置登記，與PSTN間的