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移动通信技术ch4v3-组网技术

移动通信技术ch4v3-组网技术


移动通信技术
主讲:刘琨 办公地点:图书馆三楼信软学院办公室 办公电话:6126732-603 E-mail: sailsmoon@sina.com
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本章思考
? 1、有人说CDMA是第三代移动通信技术,

对吗?为什么? ? 2、新型多址技术有哪些?简述之。 ? 3、到国外漫游是否需要换手机?

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移动通信组网技术
? 多址技术 ? 区域覆盖和信道分配

? 网络结构
? 信令

? 越区切换和位置管理

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多址技术
多址 ?一个信道容纳一个用户,多个同时通话的用 户,相互以信道来区分叫多址. ? 多址接入的问题 ?用户之间无线信道是如何连接的 ? 多址接入技术 ?解决多址接入问题的方法 ? 多址接入方式 ?多址接入方式是移动通信网体制范畴,关系到 系统容量,小区构成,频谱和信道利用效率以及 系统复杂性. ?基站的多路工作和移动台的单路工作
?

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多址接入方式表达式
? 无线电信号可以表达为时间,频率和码型的

函数 ?s(c,f,t) = c(t) s(f,t) ?c(t):码型函数; s(f,t):时间和频率的函数 ? 多址接入方式的数学基础是信号的正交分 割原理.

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多址分类
? 频分多址(FDMA):

?频道划分,频带独享,时间共享.

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多址分类-TDMA
?

时分多址(TDMA): ?时隙划分,时隙独占,频率共享

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多址分类-CDMA
? 码分多址(CDMA):

?码型划分,时间和频率共享.

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FDMA
? FDMA系统原理 ? FDMA系统中的干扰问题

? FDMA系统的特点

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? ?

?

?

?

频分双工FDD 概念:每个用户占用一个 信道,一个信道含一对频 道 前向信道: ? 基站向移动台方向的信 道 反向信道: ? 移动台向基站方向的信 道 用户地址: ? 频道号

FDMA系统原理

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?

?

?

互调干扰 ? 概念:系统内由于通过非线性器件(功率放大器)产 生各种组合频率成分落入本频道接收机带通内造 成对有用信号的干扰. ? 解决办法:尽可能提高系统线性程度,并用无互调 频率集.(频率规划) 邻道干扰 ? 概念:相邻信道信号中产生的寄生辐射落入本频道 带内造成对有用信号的干扰 ? 解决办法:采用旁瓣滚降更快的调制技术,加大频 道间的隔离度.(频率规划) 同频道干扰 ? 概念:相邻区群中同信道信号之间造成的干扰. ? 解决办法:合理选定蜂窝结构与频率规划.
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FDMA的干扰问题

FDMA 的特点
FDMA信道每次只能传送一个电话 ? 每个信道占用一对载频,相邻载频之间的间隔 应满足传输信带宽的要求 ? 符号时间与平均延迟扩展相比较很 大,25kbps<<100kbps,码间干扰引起误码极 小 ? 移动台较简单 ? 基站复杂庞大,重复设置收发信设备. ? FDMA系统,接收设备必须使用带通滤波器允 许指定信道内信号通过,滤除其他频率信号 ? 越区切换较复杂和困难
?
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TDMA ? TDMA系统原理 ? TDMA的帧结构 ? TDMA系统的同步与定时

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TDMA系统原理
? 概念:每个用户占用一个时隙 ? 用户地址:

?时隙

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? ?

TDMA的帧结构 帧由时隙组成,时隙内传送的信号叫做突发(burst).
典型帧长在几毫秒到几十毫秒之间,GSM系统的帧长为 4.6ms(每帧8个时隙) TDMA/TDD系统中,某频率上一帧中一半的时隙用于前 向链路;后一半用于反向链路,收发在相同频率上。 TDMA/FDD系统中,一个帧,或者用于前向传送,或者用于 反向传送,但前向和反向链路使用的载频和时间不同.前 向和反向时隙间设置几个延时时隙,以便用户单元中无 须使用双工器.

?
?

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TDMA时隙结构的设计考虑要素
每帧时隙结构的设计考虑三个要素 ?控制和信令信息的传输 ?信道多径的影响 ?系统同步 ? 解决上述问题的4个主要措施 ?每个时隙内专门划出部分比特用于控制和信令 信息地传输; ?为了便于接收端利用均衡器克服多径引起地码 间干扰,在时隙中插入训练序列; ?上行链路的每个时隙留出一定的保护间隔; ?为了接收端同步,在每个时隙中传输同步序列.
?

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TDMA时隙结构的设计考虑要素
? 同步序列和训练序列可以分开也可合二为



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突发传输的速率高,远大于语音编码速率,每路编 码速率为R bit/s,共N个时隙,则此载波上传输速 率大于NR bit/s(同步开销) ? 发射信号速率随N的增大而提高,如果到达 100kbps以上,码间串扰将加大,必须采用自适应 均衡,补偿传输失真. ? TDMA用不同的时隙发射和接收,因此不需要双 工器. ? 基站复杂性减小.N个时分信道共用一个载波. ? 抗干扰能力强,频率利用率高,系统容量大. ? 越区切换简单.TDMA中移动台是不连续的突发 式传输,所以切换处理对一个用户单元来说很简 单.
?
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TDMA的特点

CDMA
? 概念:基于码型结构分割信道,频率和时

间共享 ? 码分多址以扩频信号为基础,利用不同码 型实现不同用户的信息传输. ? 扩频信号:经过伪随机序列调制的宽带信 号,其带宽比原始信号带宽高几个量级. ? 常用扩频信号有2类: ?跳频码分多址(FH-CDMA) ?直扩码分多址(DS-CDMA)
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跳频码分多址(FH-CDMA)
每个用户根据各自的伪随机(PN)序列,动态改变 其已调信号的中心频率. ? 各用户的中心频率可在给定系统带宽内随机改变. ? 该系统带宽通常比各用户的已调信号带宽宽地多. ? FH-CDMA类似于FDMA,但使用的频道是动态变 化地. ? FH-CDMA中各用户使用的频率序列要求相互正 交(或准正交),即在一个PN序列周期对应的时间 区间内,各用户使用的频率在任一时刻都不相同
?
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直扩码分多址(DS-CDMA)
? 所有用户工作在相同的中心

频率上,输入数据序列与PN 序列相乘得到宽带信息. ? 不同用户使用不同PN序列. ? PN序列相互正交,来区分不 同用户.

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CDMA系统的特点
? 特点:

?多用户共享同一频率 ?通信容量大 ?容量的软特性 ?平滑的软切换和有效的宏分集 ?低信号功率谱密度,较强的抗窄带干扰

能力,对窄带系统的干扰很小

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CDMA的2个重要问题
? CDMA信号的正交性不能保证,扩频码

集的非零互相关系数会引起用户间的 相互干扰(多址干扰) ? 远近效应:移动台位置在动态变化中,基 站接收信号相差很大.或者由于深衰落 的存在会使到达基站信号强度各不相 同,强信号对弱信号有明显的抑制作用, 会使弱信号接收性能很差甚至无法通 信.
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概念:通过空间的分割来区别不同的用户. ?空间角度划分.时间/频率/码型共享 ? 基本技术:采用自适应阵列天线,在不同用户方向 上形成不同的波束.自适应阵列天线有极小的波 束和极快的跟踪速度. ? 自适应天线提供最理想的SDMA,提高在本小区 内不受其他用户干扰的唯一信道.
?

SDMA

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三种系统容量的比较
? 三种体制系统容量比较结果为: ? mCDMA=16mTACS=9m GSM

? 以上容量比较,

是理想条件下得出的理论值. 实际的CDMA系统容量比理论值有所下降. ? 普遍看法,CDMA系统容量是模拟FDMA系 统容量的8~10倍.

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移动通信组网技术
? 多址技术 ? 区域覆盖和信道分配

? 网络结构
? 信令

? 越区切换和位置管理

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区域覆盖
? 在同一地点可同时工作的收发信机数目是

有限的(如<30),因此单个基站覆盖一个服务 区可容纳的用户数是有限的. ? 采用多个基站覆盖给定的服务区 ? 相同频率在相隔一定距离的小区中重复使 用,只要使用相同频率的小区之间干扰足够 小. ? 下面对不同类型的服务区讨论小区的结构 和频率的分配。
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带状网
? ? ? ?

主要用于覆盖公路,铁路,海岸等 双频制 三频制 从造价和频率资源利用而言,双频制最好,但是从抗同频 干扰而言,双频制最差,因此一般考虑多频制.

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带状网的同频干扰
? 根据信号传输损耗与传输距离的四次方成

正比,在最不利的情况下,得到同频干扰抑制 比列表:

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蜂窝网
? 小区的形状 ? 区群的组成

? 同频(信道)的距离
? 小区的分裂

? 中心激励与顶点激励

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小区的形状
? 由数学证明可知,要用多边形无空隙,无重复

覆盖整个平面的区域,可取的形状只有以下 三种. ? 这三种形状中哪种最好?

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三种形状小区的比较
? 当服务总面积一定的情况下,正六边形小区

形状最接近理想的圆形,用它覆盖整个服务 器所需的基站数最少,最经济.

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区群的组成 ? 相邻的小区不能用相同的信道,为了保证同信道小区之
?

?

间相隔足够的距离,附近若干个小区都不能用相同的信 道,这些不同信道小区组成一个区群. 组成区群的2个条件: ? 区群之间可以邻接,且无空隙无重叠的覆盖 ? 邻接后的区群保证各个相邻同信道小区之间的距离相 等 经数学证明可得,满足以上两个条件的区群内的小区数 应满足下式:N=i2 + ij +j2

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? 区群的组成

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同频小区的距离
?

确定同频小区的位置和距 离的方法 ?从某小区A出发,先沿边 垂线方向跨j个小区,再 左(右)转60°,再跨i个

小区到同信道小区A

?设小区的辐射半径为r,

可算出同信道小区中心 之间的距离为 ?D=√3(i2 + ij +j2) * r = √3N*r ?可看出:N越大,同信道 小区的距离就越远,抗 同频干扰的性能也越好.
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? ? ?

中心激励:小区中央,用全向天线形成圆形覆盖区 顶点激励:基站在小区六边形的3个顶点上,每个 基站采用3副120度扇形辐射的定向天线. 顶点激励接收的同频干扰功率仅为采用全向天 线系统的1/3,可减少同道干扰.

中心激励与顶点激励

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小区的分裂
只有当用户密度均匀的情况下每个小区的大小可 以是相同的. ? 用户密度不均匀,在用户密度高的市中心小区面 积小些,用户密度低的市郊区小区面积大一些. ? 用户密度变大,小区面积变小.
?

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信道(频率)配置
? 解决将给定的信道(频率)如何分配给在一个

区群的各个小区. ? CDMA系统需要信道配置吗? ? 信道配置的方式: ?分区分组配置法 ?等频距配置法 ?其他频率配置方法

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?

?

? ?

原则: ? 尽量减少占用的总频段,提高频段利用率; ? 同一区群不能使用相同的信道,避免同频干扰; ? 小区内采用无三阶互调的相容信道组,避免互调干扰; 若每个区群有7个小区,每个小区6个信道: ? 第一组:1,5,14,20,34,36 ? 第二组: 2,9,13,18,21,31 ? 第三组: 3,8,19,25,33,40 ? 第四组: 4,12,16,22,37,39 ? 第五组: 6,10,27,30,32,41 ? 第六组: 7,11,24,26,29,35 ? 第七组: 15,17,23,28,38,42 使用42个信道只占用42个频段,是最佳的分配方案. 缺点:未考虑同一信道组中的频率间隔,可能出现较大的邻道 干扰.
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分区分组配置法

?

?

?

?

原则: ? 按等频率间隔来配置信道,频距足够大,可有效避免邻 道干扰. ? 频距大,干扰易于被接收机输入滤波器滤除而不易作用 到非线性器件,避免互调干扰的产生. 根据群内小区数N来确定同一信道组内各信道之间的频 率间隔. 例N =7,信道配置为: ? 第一组:1,8,15,22,29 ? 第二组: 2,9,16,23,30 ? 第三组: 3,10,17,24,31 ? 第四组: 4,11,18,25,32 ? 第五组: 5,12,19,26,33 ? 第六组: 6,13,20,27,34 ? 第七组: 7,14,21,28,35 优点:有效抑制邻道干扰和互调干扰.
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等频距配置法

动态配置法: ?随业务量的变化重新配置全部信道. ?如果理想实现,频率利用率可提高20%~50% ?但是及时算出新的配置方案,且能避免各类干 扰,电台和天线共用器等装备也要能适应,这是 十分困难的. ? 柔性配置法: ?准备若干个信道,需要时向某个小区使用. ?控制比较简单,只要预留部分信道使各基站都 能共用,可应付局部业务量变化的情况,较为实 用.
?

其他频率配置方法

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移动通信组网技术
? 多址技术 ? 区域覆盖和信道分配

? 网络结构
? 信令

? 越区切换和位置管理

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网络结构
? 基本网络结构 ? 数字蜂窝移动通信网的网络结构

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基本网络结构
?

? ?

2种基本的通信链路 ? 移动用户-基站-交换机-固定网络-固定用户 ? 移动用户-基站-交换机-基站-移动用户 基站与交换机之间,交换机与固定网络之间一般采用有 线链路。 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。

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交换机的组成和基本原理
交换机由交换网络,接口和控制系统组成。 ? 交换网络作用:在控制系统控制下,将任一输入 线和输出线接通。
?

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数字蜂窝移动通信网的网络结构
?

组成部分: ? 移动台(MS) ? 基站分系统 (BSS) ? 基站控制器 (BSC) ? 基站收发信 台(BTS) ? 网络分系统 (NSS) ? 移动交换中 心(MSC) ? 归属位置寄 存器(HLR) ? 访问位置寄 存器(VLR) ? 设备标志寄 存器(EIR) ? 认证中心 (AUC) ? 操作维护中心 (OMC)

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通信设备各厂商份额
? 2008年TD-SCDMA基地台市场占有率

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通信设备各厂商份额
? 2008年TD-SCDMA基地台市场占有率

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移动通信组网技术
? 多址技术 ? 区域覆盖和信道分配

? 网络结构
? 信令

? 越区切换和位置管理

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信令
在正常通话前后和过程中传输很多其他的控制 信号,比如摘机,挂机,空闲音,忙音,拨号,振铃,回 铃,频道分配,用户等级与管理,呼叫与应答,越区 切换等信号… ? 和通信有关的一系列控制信号通称信令. ? 用户信息直接通过通信网络由发信者传输到收 信者. ? 信令在通信网络的不同环节(基站,移动台,MSC 等)之间传输,各环节处理分析并通过交互作用 而形成一系列的操作控制,保证用户信息有效而 可靠的传输. ? 信令分2类: ?接入信令:用户到基站间的信令 ?网络信令:网络节点之间的信令
?

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接入信令
?

?

Um接口协议栈 ? 第一层(最低层)L1是物理层。为高层信息传输提 供无线信道。 ? 第二层是数据链路层。为网络层提供必要的数据传输 结构。 ? 第三层是网络层。管理链路连接,控制呼叫过程,以 及移动管理和无线资源管理。 根据信号形式不同 ? 数字信令 ? 音频信令

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数字信号
?

?

常用的信令格式: ? 前置码(P):提供位同步信息,确定每一码位的起始和终 止时间. ? 字同步码(SW):也叫帧同步用于确定信息(报文)的开 始位. ? 地址和数据码(A或D):包括控制,选呼,拨号等信令. ? 纠错码(SP):纠错码以降低信息传输速率为代价提高 传输的可靠性. 特点: ? 速度快,容量大,可靠性高
P SW A或D

SP
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音频信令
? 用不同的频率或者频率组合表示信令. ? 常用的信令种类

?单音频信令
?双音频信令

?多音频信令

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? ? ?

带内单音频信令: ? 用0.3~3kHz范围内不同的单音作为信令. 例:SFD:F1至F8用于选呼.基站发F9表示信道忙,发F10表 示信道空闲. 要求: ? 发端有多个不同的振荡器; ? 收端有相应的选择性极好的滤波器; ? 优点:抗衰落性能好;缺点:每个单音需持续200ms左 右,处理速度慢.

单音频信令

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双音频拨号信令
? ?

?
?

拨号信令是移动台主叫时发往基站的信号. 4×3方式,就是市话网用户环路中用的双音多频(DTMF) 方式. 用高音群的一个单音和低音群的一个单音代表一个十进 制数. 优点:每次发送的两个单音频差大,易于检出;与市话兼容, 不需转换,传送速度快;设备简单,性能可靠,成本低.#,*可 以赋以他用.

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网络信令
? 常用的网络信令是7号信令,主要用于交换

机之间,交换机与数据库之间交换信息.

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7号信令的网络结构
? 7号信令网络是与PSTN平行的独立网络.

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7号信令网络的组成
? 7号信令网络由3个部分组成:

?信令点(SP):发出和接收信令的设备,包括

业务交换点(SSP)和业务控制点(SCP) ?信令链路 ?信令转移点(STP) ? SSP:电话交换机,MSC ? SCP:提供增强型业务数据库,HLR或VLR ? STP:在MSC和数据库之间中转SS7消息的 交换机.
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移动通信组网技术
? 多址技术 ? 区域覆盖和信道分配

? 网络结构
? 信令

? 越区切换和位置管理

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概念 ?将当前正在进行的移动台与基站间的通信链路 从当前基站转移到另一个基站的过程. ? 越区切换分类: ?硬切换:新的连接建立以前,先中断旧的连接. ?软切换:既维持旧的连接又同时建立新连接,并 利用旧链路的分集合并改善通信质量,当与新 基站建立可靠连接后再中断旧链路. ? 越区切换包括3个方面的问题: ?越区切换的准则,何时需要进行越区切换; ?越区切换如何控制; ?越区切换时信道分配.
?
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越区切换

根据移动台接收的平均信号强度. ? 相对信号强度准则(准则1):在任何时间都选择具 有最强接收信号的基站. ? 具有门限规定的相对信号强度准则(准则2):仅允 许移动用户在当前基站的信号足够弱(低于某一 门限),且新基站的信号强于本基站的信号情况下, 才进行越区切换.
?

越区切换的准则

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具有滞后余量的相对信号强度准则(准则3):仅允 许移动用户在新基站的信号强度比原基站强很多 情况下进行越区切换.防止“乒乓效应” ? 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则 (准则4):仅允许移动用户在当前基站的信号电平 低于规定门限并且新基站的信号强度高于当前基 站一个给定之后余量时进行越区切换.
?

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越区切换的控制策略
? 越区切换控制包括2个方面:

?越区切换的参数控制

?越区切换的过程控制
? 过程控制方式分3种:

?移动台控制的越区切换
?网络控制的越区切换

?移动台辅助的越区切换
? GSM,IS-95采用移动台辅助的越区切换

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越区切换时的信道分配
? 每个小区预留部分信道专门用于越区切换. ? 那么新呼叫可用信道数会减少。

? 由于从用户角度看,正在进行的通话中断比

新呼叫阻塞更令人讨厌,因此使切换具有优 选权,保留小区中所有可用信道的一小部分, 专门为可能要切换到该小区的通话所发出 的切换请求服务.

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位置管理
2个主要任务 ?位置登记 ? 在移动台实时位置信息已知情况下,更新位 置数据库. ?呼叫传递 ? 在有呼叫给移动台的情况下,根据HLR和 VLR中位置信息定位移动台. ? 2个需解决的问题 ?位置更新 ? 移动台如何发现位置变化及何时报告它的当 前位置 ?寻呼 ? 如何有效的确定移动台处于哪个小区
?
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位置登记
? 移动通信系统分若干登记区(RA,GSM中成

为位置区LA). ? 当一个移动台(MT)进入一个新的RA, ? 位置登记的步骤: ?在管理新RA的新VLR中登记MT(T1) ?修改HLR中记录服务该MT的新VLR的 ID(T2) ?在旧VLR和MSC中注销MT(T3,T4).
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呼叫传递
?

2个步骤: ?确定为被呼MT服务的VLR ?确定被呼MT在访问哪个小区

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位置更新和寻呼
当有呼叫要到达该用户时,将在该RA内进行 寻呼,以确定移动用户在哪个小区范围内. ? 位置登记区越大,位置变更频率越低,但每次 呼叫寻呼的基站数目就越多. ? 如果极限情况下,移动台每进入一个小区就 发送一次位置更新信息,则用户位置更新开 销非常大,但寻呼开销很小.

? 当用户进入一个新的RA,它将进行位置更新.

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三种动态位置更新策略 ? 基于时间的位置更新策略:每个用户每隔⊿T秒周 期性更新其位置. ? 基于运动的位置更新策略:移动台跨越一定数量 的小区边界以后,移动台就进行一次位置更新. ? 基于距离的位置更新策略:移动台离开上次位置 更新时所在小区的距离超过一定值时,移动台进 行一次位置更新. ? 基于距离的位置更新策略开销最大,要求移动台 能有不同小区直接的距离消息,网络必须以高效 方式提供消息. ? 基于时间和运动的位置更新策略实现比较简单, 用定时器或者运动计数器就可跟踪.
?
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动态位置更新策略

本章小结
? FDMA,TDMA,CDMA多址技术概念,原

理,特点,容量比较 ? 区域覆盖,信道分配方法 ? 移动通信系统的结构和网络接口 ? 越区切换,位置更新基本原理

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本章思考
? 1、有人说CDMA是第三代移动通信技术,

对吗?为什么? ? 2、新型多址技术有哪些?简述之。 ? 3、到国外漫游是否需要换手机?

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

漫游费的问题 国内自动漫游计费方法(全球通用户)
在A地开户的13X电话漫游至B地: 1、打B地普通电话:收漫游费0.5元每分 2、打B地13X电话: 收漫游费0.5元每分 3、打A地普通电话:收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 4、打A地13X电话: 收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 5、A地普通电话打入:收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 6、A地13X电话打入: 收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 7、B地普通电话打入:收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 8、B地13X电话打入: 收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 9、打C地普通电话: 收B地到C地长途费0.07元/6秒+0.5元/分 10、打C地13X电话: 收B地到C地长途费0.07元/6秒+0.5元/分 11、C地普通电话打入:收A地到B地长途费0.07元/6秒+0.5元/分 12、C地13X电话打入: 收A地到B地长途费0.07元/6秒+0.5元/分 以上指的是A地的手机需付的费用。联通用户基本话费少0.04/分。

?
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

漫游费的问题 国内自动漫游计费方法(全球通用户)
在A地开户的13X电话漫游至B地: 1、打B地普通电话:收漫游费0.5元每分 2、打B地13X电话: 收漫游费0.5元每分 3、打A地普通电话:收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 4、打A地13X电话: 收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 5、A地普通电话打入:收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 6、A地13X电话打入: 收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 7、B地普通电话打入:收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 8、B地13X电话打入: 收B地到A地的长途费0.07元/6秒+0.5元/分 9、打C地普通电话: 收B地到C地长途费0.07元/6秒+0.5元/分 10、打C地13X电话: 收B地到C地长途费0.07元/6秒+0.5元/分 11、C地普通电话打入:收A地到B地长途费0.07元/6秒+0.5元/分 12、C地13X电话打入: 收A地到B地长途费0.07元/6秒+0.5元/分 以上指的是A地的手机需付的费用。联通用户基本话费少0.04/分。

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