第六章
移动通信组网技术
1
Outline（目录）
I.
II.
III.
IV.
基本概念
蜂窝概念
多址接入
话务量分析
Basic concept
（基本概念）
多用户通信
在追求最大容量的同时，各个无线区域互连来追求最大区域的无
缝覆盖，促使了移动通信网络的形成。
wi
ne
l1
wi
r el
es
s
ch
ls2
ne
an
ch
an
ess
rel
Receiver
User 1
User 2
多用户同基站通信
端对端通信
4
移动通信网络的组成
composition of the mobile communication network
 Air network 空中网络
• Multiple access technology 多址接入
• Frequency reuse and cellular network 频率复用和蜂窝组网
• Handoff and location updating 切换和位置更新
 Land network 地面网络
• Connected to different base stations 各基站相互连接
• Connected between base station and fixed network 基站与固定网络（PSTN、
ISDN、PDN）的连接
5
移动通信网络的区域覆盖
大区制





一个基站覆盖整个服务区
天线架设高
发射功率大
小容量通信网
控制方式简单、设备成本低
6
移动通信网络的区域覆盖
覆盖范围有限
基地台发射机覆盖范围
R1
移动台发射机覆盖范围
R2
T/R
移动台
R4
移动台安置在基地台覆盖
边缘，基地台收不到信号
R3
上下行互通区域
移动台与基站
分集接收台接收
7
移动通信网络的区域覆盖
小区制
 带状服务覆盖区
 面状服务覆盖区
8
移动通信网络的区域覆盖
小区制

f1

f2

f1

f2

f1

f2
A
B
A
B
A
B

f1

f2

f3

f1

f2

f3
A
B
C
A
B
C
9
双频组
三频组
移动通信网络的区域覆盖
小区制
 带状服务覆盖区
 面状服务覆盖区
 当业务区域为面状时，无线电区域的组成方式就复杂多了。这时
可把整个服务区划分成许多小区域（即无线电区），每个小区覆
盖半径约为5～15km，通常组成蜂窝式网络。
小容量的大区制，大容量的小区制
10
Cellular concept
（蜂窝的概念）
小区形状
形状
邻区距离
正三角形
r
正四边形
2r
3r
正六边形
12
小区形状
这三种小区的形状中哪一种最好？
 在三种形状外接圆半径相同的条件下，计算出三种形状小区的邻区
距离、小区面积、交叠区宽度和面积。
13
小区形状
   
V1  V2 = V1  V2  sin 60o
 
V1 = V2 =2R sin 60o  3R
14
 
V1  V2  3R 2 sin 60o  2.6R 2
小区形状
在服务区面积一定的情况下




正六边形小区最接近理想的圆形辐射模式；
覆盖面积最大；
重叠面积最小；
可用最少数目的小区覆盖整个地理区域，因此用正六边形覆盖整
个服务区所需要的基站数最少，无线频率个数最少。
15
多选题
0.5分
在设计移动通信网络的时候，选择什么形状的网络来进行覆盖会
影响到系统的性能，那么如下说法哪些是正确的？
16
提交
小区形状
为什么被称
为“蜂窝”
移动通信系
统呢？
17
小区形状
美国基站
分布情况
18
小区簇的组成
每个小区的基站分配整个系统可用信道中的一部分，相邻基站则分配
另外一部分，如何将所有的可用信道分配给一组相邻的小区基站，并
保证基站间用户的干扰?
共同使用全部可用频率的NR个小区称为一个簇，NR称为簇的大小。
小区簇内的任意两个小区不能使用相同的频率，只有不同簇内的小区
才能进行频率复用。
小区簇的组成应满足两个条件：
 第一是簇间可以邻接，且保证簇间的无缝覆盖；
 第二是邻接之后的小区簇应保证各个相邻同频小区之间的距离相等。
19
小区簇的组成
某小区与其他同频小区的中心距离为U1和U2，该
小区与邻近小区间的距离为U1和U2，可得:
U2
U 1  k1 v1  m1 v2
v1
v2
U 2  k 2 v1  m2 v2
U1
v1
v1
式中，k1、k2、m1和m2为整数
v1
20
小区簇的组成
U1  U 2  (k1V1  m1V2 )  (k2V1  m2V2 )
 k1m2V1  V2－k2 m1V1  V2
 k1m2－k2 m1 V1  V2
21
小区簇的组成
U1  U 2  (k1V1  m1V2 )  (k2V1  m2V2 )
U2
 k1m2V1  V2－k2 m1V1  V2
v1
 k1m2－k2 m1 V1  V2
v2
U1
v1
v1
NR=|k1m2-m1k2| 表示每个簇内小区个数
v1
22
小区簇的组成
 V1和V2具有相同模数，并且矢量V2由矢量
V1逆时针旋转60°而得
A
 U1和U2也具有相同模数，并且矢量U2由矢
量U1逆时针旋转60°而得
A
k
D
A
A
化简，可得：
m
A
U 2  k 2V1  m2V2  k1V2  m1 (V2  V1 )
A
 k2   m1

 m2  k1  m1
A
N R  m12  m1k1  k12
23
小区簇的组成
每个簇内小区个数
N R  m12  m1k1  k12
式中，k1和m1为整数，其不同时为零
A
B
B
A
A
C
NR=3,m=1,k=1
C
B
D
C
D
E
F
G
NR=7,m=1,k=2
24
NR=4, m=0, k=2
小区簇的组成
需找相距最近的同频小区
U 1  k1V1  m1V2
 沿任何一条六边形链移动m个小区
 逆时针旋转60度再移动k个小区
C
A
A
B
C
C
A
B
B
A
C
A
A
B
B
B
C
NR=3,m=1,k=1
C
A
A
B
25
C
同频小区
 在一定的服务区内，使用相同频率
的小区称为同频小区
 同频小区之间由于频率相同带来的
干扰称为同频干扰
 同频干扰与发射机的发射功率无关
，仅与小区半径R 与同频复用距离
D 的比值有关
 同频复用距离 D 是指最近的两个同
频小区中心之间的距离
26
同频复用因子
D 2  M 2  K 2  2MK cos120o
 M 2  K 2  MK
M =2m1
3
R  3m1 R
2
K =2k1
3
R  3k1 R
2
Q
D
 3N R
R
27
同频复用因子
Q
3N R R
D

 3N R
R
R
 Q值越大，话音质量就越好，因为此时的
同频干扰越小；
 Q值越小，则容量就越大，相同小区半径
下同频干扰将越大。
28
同频复用因子
H
H  R cos(300 )  R 3 2
30 0
R
M
A
A
 M  2mH  3mR

 K  2kH  3kR
D 2  M 2  K 2  2 MK cos1200
 M 2  MK  K 2
 3R 2 (m 2  mk  k 2 )
D  3N R R
29
单选题
0.5分
以下两种小区同频复用方式哪种更加合理？
A
左侧方式
B
右侧方式
B
A
B
D
A
C
B
B
A
A
D
D
C
D
C
C
30
提交
同频复用因子
 一定要用寻找相邻同频小区的方法确定相邻区群的位置才能保证同
频小区间距离最大：
D  3N R
R
B
A
D
A
C
D=3R
B
D  2 3 R  3.5 R
B
B
A
A
D
C
D
C
C
Right
wrong
31
D
同频复用因子
不同NR值的同频复用因子
簇的大小
同频复用因子Q
i=1,j=1
3
3
i=1,j=2
7
4.58
i=2,j=2
12
6
i=1,j=3
13
6.24
32
接收信干比
假设小区的大小相同，i0为同频干扰小区数，则移动台接收机的信
干比（SIR）可以表示为：
S
S
 i
0
I
 Ii
i 1
 S是来自目标基站中的想获得的信号功率；
 Ii是第i个同频干扰小区内基站的干扰功率。
33
接收信干比
无线移动信道的传播特性表明，在任一点的平均接收功率随发射机
和接收机之间距离的幂变化。在距离发射天线d处的平均接收信号
功率Pr可以表示为：
d 
Pr  P0  
 d0 
n
 P0是靠近参考点处的接收功率，该点与发射天线之间有一个较小的距离d0；
 n是路径衰减指数，一般取值在2～4之间。
34
接收信干比
如果每个基站的发射功率相等，整个覆盖区域内的路径衰减指数
也是相同的，那么移动台的接收信干比可以近似表示为：
S
S
 i
0
I

Rn
i0
 Ii  Di
i 1
n
i 1
 移动台接收的最弱信号强度与所在小区半径的负n次幂即R-n成正比；
 Di是第i个干扰源与移动台之间的距离，则移动台接收到来自第i个干扰小区
的功率与Di-n成正比。
35
接收信干比
通常移动台的周围具有多层干扰小区，而起主要作用的是第一层干
扰小区。仅仅考虑第一层干扰小区时，假设所有干扰基站和目标基
站之间的距离相等，都等于同频复用距离D，用户也近似与各个干
扰基站距离相等。
n
S  D / R


I
i0
Q
3N
36

3N
i0

n
接收信干比
以N=7的小区簇为例，其中Q=4.58，n=4。
只考虑第一层的6个干扰小区，并假设所有
干扰基站与移动台之间的距离相等，那么移
动台的接收信干比为：
S

I
 4.58
6
4
 18.66dB
 一般的移动通信系统需要移动台接收信干
比大于或等于18dB。
 在理想情况下簇大小为7的蜂窝小区可以
提供足够好的话音质量。
37
接收信干比
移动台移动到小区的边界时，它与第一层多
个干扰小区间的距离并不相等。
S
R 4

I 2  D  R  4  2  D  R  4  2 D 4

1
2  Q  1
4
4
 2  Q  1  2Q 4
 17dB
 利用系统容量的损失来换取极少发生的最
坏情况是不被提倡的。
 同频干扰不仅决定链路性能，还决定了频
率复用方案和蜂窝系统容量。
38
接收信干比
NR越小，则意味一个系统中可有更多的区群，频谱利用率高，容
量更多。
NR越大，则意味着同频小区间距离越远，同频干扰越小。
NR的值表示在保持令人满意的通信质量时移动台或基站可以承受
的干扰。
期望NR值取可能的最小值，目的是为获得某一给定覆盖范围上的
最大容量。
39
中心激励和顶点激励
在划分区域时，若基站位于
无线区的中心，则采用全向
天线实现无线区的覆盖，这
称为“中心激励”方式。
在划分区域时，若基站位于
无线区的中心，则采用全向
天线实现无线区的覆盖，这
顶点激励
称为“中心激励”方式。
40
中心激励和顶点激励
“顶点激励”方式采用定向天线，
除了对消除障碍物阴影有利外，对
来自120°主瓣之外的同信道干扰
信号提供一定的隔离度，降低了干
扰，因而允许以较小的同频复用距
离工作，构成单位小区簇的无线区
数可以降低，对进一步提高频率利
用率、简化设备、降低成本都有一
定好处。
41
小区分裂
对于容量密度高的地区，应将
小区适当地划小一些，或分配
给每个小区的信道数适当多一
些
容量密度不等时区域划分的实例
42
小区分裂
 小区的划分和组成，应根据地形、地物情况，
容量密度，通信容量，有效利用频谱等因素
综合考虑。
 尤其是当整个服务区的地形、地物复杂时，
更应该根据实际情况划分小区。
 考虑到用户数随时间不断增加，当原有小区
的容量密度高到出现话务阻塞时，可以将原
有小区再细分为更小的小区，以增大系统的
超密集网络（UDN）
容量和容量密度。
43
Multiple access technology
（多址接入技术）
多址接入技术
当把多个用户接入一个公共的传输媒
re
wi
质实现相互通信时，需要给每个用户
sc
wi
r el
es
s
2
e ls
nn
ha
ch
an
ne
l1
les
Receiver
的信号赋予不同的特征，以区分不同
的用户，这种技术称为多址接入技术。
User 1
多址接入技术的应用可以允许多个用
User 2
多用户同基站通信
户终端共享无线通信信道，从而提高
频谱利用率。
45
多址接入技术
多址接入技术把同一个无线信
道按照不同的依据进行分割，
使不同的终端都能够在不同的
分割段中使用信道，并且不会
受到其他终端的干扰。
46
多址接入技术
47
FDMA
在FDMA系统中，总频带被分割
成若干个间隔相等且没有交集的
子频带，每个子频带分配给不同
的用户；
每个子频带在同一时刻只能供给
一个用户使用；
相邻子频带之间有保护间隔，且
频带之间无明显的干扰。
48
FDMA
FDMA通信系统具有以下特点。
 ① 每FDMA信道的相对带宽较小（25kHz或30kHz），每个信道的每一载波仅
支持一个电路连接，也就是说FDMA通常在窄带系统中实现。
 ② 符号时间与平均延迟扩展相比是很大的。这说明符号间干扰的数量少，因
此在窄带FDMA系统中无须自适应均衡。
 ③ 基站复杂度高，重复设置收发信设备。基站有多少信道，就需要多少部收
发信机，同时需用天线共用器，功率损耗大，易产生信道间的互调干扰。
 ④ FDMA系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波
器允许指定信道里的信号通过，限制邻近信道间的相互干扰。
 ⑤ 越区切换较为复杂和困难。在越区切换时，必须瞬时中断传输数十至数百
毫秒，以把通信从一个频率切换到另一个频率。
49
FDMA中的三种干扰
 移动通信系统属于多信道工作系统，为有效利用频谱，信道间隔是受限的，这就
带来相邻或相近信道相互干扰的问题。
 邻道干扰是指相邻信道信号中存在的寄生辐射落入本信道接收机通带内造成的干
扰。
 同频干扰是指相同工作频率电台之间的干扰，是移动通信在组网中出现的一种干
扰，也称同信道干扰或载波干扰。
 凡是能进入接收机通带的外台载频信号都能形成接收机的同频干扰，所以形成同频干扰的频
率范围为f0±Bi/2， f0为接收机工作信道载频，Bi为接收机中频带宽。
 互调干扰是指由于非线性器件等原因产生的各种组合频率成分落入本信道接收机
通带内，造成对有用信号的干扰。
50
FDMA中互调干扰
在发射机的末端，由于功率放大器的非线性工作，使从天线侵入
的其他干扰信号与有用的发射信号产生相互调制而形成干扰，称
为发射机互调。
处于互调关系的两个或两个以上的无线电信号同时被一个接收机
所接收，由于接收机调频放大器或混频器的非线性而发生相互调
制，称为接收机互调。
在发射机附近金属件会产生大家所熟知的“生锈的螺栓效应”。
这是由于金属接头件生锈或腐蚀及不同金属接触处，在强的射频
场中产生检波作用而产生互调信号的辐射。
51
FDMA中互调干扰
 电路的非线性特性
是造成互调干扰的
根本原因。
 在电子线路课程学
习中已经阐明，若
晶体管的转移特性
用幂级数表示
i  a 0  a1u  a 2 u  a 3 u 
2
3
3
a 3 AB 2 [cos( 2 B   A ) t  cos( 2 B   A ) t ]
4
3
 a 3 A 2 C [cos( 2uA Acos
2 A cos
  C
) t ] t  C cos  t
cos(
C )t 
At  B
B
C
4
3
 a 3 AC 2 [cos( 2 C   A ) t  cos( 2 C   A ) t ]
4
3
 a 3 B 2 C [cos( 2 B   C ) t  cos( 2 B   C ) t ]
4
3
 a 3 BC 2 [cos( 2 C   B ) t  cos( 2 C   B ) t ]
2信号三阶互调
4
3
3信号三阶互调
 a 3 ABC [cos(  A   B   C ) t
2
 cos(  A   C   B ) t  cos(  B   C   A ) t }

 
52
52
FDMA中互调干扰
多信道移动通信网络中各无线电信道频率和信道序号的关系，可
由下式表述
f x  f 0  c x  BL
fx是无线电信道频率；f0是起始频率；BL是信道间隔；cx是信道序号。
为了推导计算方便起见，这里都以信道序列和信道差值序列来表
示信道组。
53
FDMA中互调干扰
信道序列和信道差值阵列
信道序列
Channel sequence
c1 c 2 c3 c 4 
信道
差值
序列
Channel number
Subtraction array
d 12 d 23 d 34
d n  2 ,n1 d n 1,n
d 13 d 24
d n  3,n 1 d n  2 ,n
d 14
d n  4 ,n 1 d n  3,n

 c n  2 c n 1 c n

d 1,n
54
FDMA中互调干扰
最小频道数的无互调信道组
因三次非线性失真引起的三阶互调产物落在信道内的充分条件为：
c x  ci  c j  c k  c x  c j  ci  c k 


d ix  d kj
 d ix  d kj

因此，判别某个无线电区所选择的信道组有无三阶互调干扰的产生，只要
判别信道差值阵列中有无相同的差值即可。
55
FDMA中互调干扰
 无三阶互调Ⅰ型信道组(利用对称特性计算)
所需要信道数目n
最小占用信道数M
无三阶互调信道组
3
4
1,2,4
4
7
1,2,5,7;1,3,6,7
5
12
1,2,5,10,12;1,3,8,11,12
6
18
1,2,9,13,15,18
1,2,5,11,16,18
1,2,5,11,13,18
1,2,9,12,14,18
7
26
1,2,8,12,21,24,26
1,3,4,11,17,22,26
1,2,5,11,19,24,26
1,3,8,14,22,23,26
1,2,12,17,20,24,26
1,4,5,13,19,24,26
1,5,10,16,23,24,26
56
单选题
0.5分
判断如下的信道组是否会产生三阶互调。
A
是
B
否
57
提交
TDMA
58
TDMA
 TDMA通信系统具有以下特点。
 ① 突发传输的速率高，远大于语音编码速率，每路编码速率设为R，共N个时隙，则在这个
载波上传输的速率将大于NR。这是因为TDMA系统中需要较大的同步开销。同步技术是
TDMA系统正常工作的重要保证。
 ② 发射信号速率随N的增大而提高，如果达到100kbps以上，码间串扰将增大，必须采用自
适应均衡，用以补偿传输失真。
 ③ TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需要双工器。即使使用FDD技术，在用户单
元内部的切换器，就能满足TDMA在接收机和发射机之间的切换，也不需要使用双工器。
 ④ 基站复杂性减小。N个时分信道共用一个载波，占据相同带宽，只需要一部收发信机，
互调干扰小。
 ⑤ 抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。
 ⑥ 越区切换简单。
59
CDMA
 按照码序列来区分用户，
即给不同的用户分配一个不
同的码序列以共享无线信道。
 在CDMA系统中，每个用户
被分配给一个唯一的伪随机
码序列，各个用户的码序列
相互准正交，由此区分出不
同的用户。
60
CDMA系统的多址干扰
 在其蜂窝系统中，不同用户的
扩频序列不完全正交，这种扩
频码集的非零互相关系数会引
起各个用户之间的相互干扰，
称为多址干扰（MAI）
 随着工作的用户数目不断增多，
多址干扰将更加严重。
61
CDMA系统的远近效应
 靠近基站的强信号功率会远远
大于远离基站的弱信号的功率。
 远近效应就是，当用户共享同
一信道时，强信号对弱信号有
着明显的抑制作用，使得弱信
号的接收性能很差，甚至根本
无法通信。
62
CDMA的分类
 直接扩频码分多址（DS-CDMA）
 多用户完全同一时间、同一地点占用同一频率资源；
 跳频码分多址（FH-CDMA）：单一用户单一时刻占用的频谱带宽较窄，占用
频率随时间变化按照一定规律跳变，跳变规律由地址码决定。
 跳时码分多址（TH-CDMA）：单一用户不定时占用较宽的频谱，占用的时间
按照一定规律变化，时间改变的规律由地址码决定。
63
CDMA的特点
 CDMA通信系统具有以下特点。
 ① CDMA系统的许多用户共享同一频率。
 ② 通信容量大。
 ③ 容量的软特性。
 ④ 信号被扩展在较宽的频谱上，从而可以减少多径衰落。
 ⑤ 在CDMA系统中，信道数据速率很高。因此码片时长很短，通常比信道的时延扩展小得多，
因为PN序列有较好的自相关性，所以大于一个码片宽度的时延扩展部分，可受到接收机的自
然抑制。
 ⑥ 平滑的软切换和有效的宏分集。
 ⑦ 低信号功率谱密度。
64
多址技术的区分
第３ms
１０MHz载波
0000正交码组
？
第２ms
４０MHz载波
1010正交码组
？
code
f
第１ms
１０MHz载波
1010正交码组
第１ms
１０MHz载波
0000正交码组
１
第１ms
１０MHz载波
0011正交码组
２
３
４
第６ms
１０MHz载波
0011正交码组
65
５
６
t
OFDMA
OFDMA
 LTE中的Resource Block (RB)
66
SDMA
以不同的波束来区分不同的用户
67
NOMA













Sparse code multiple access (SCMA)
Multi-user shared access (MUSA)
Non-orthogonal coded multiple access (NCMA)
Non-orthogonal multiple access (NOMA)
Pattern division multiple access (PDMA)
Resource spread multiple access (RSMA)
Interleave-Grid Multiple Access (IGMA)
Low density spreading with signature vector extension (LDS-SVE)
Low code rate and signature based shared access (LSSA)
Non-orthogonal coded access (NOCA)
Interleave Division Multiple Access (IDMA)
Repetition division multiple access (RDMA)
Group Orthogonal Coded Access (GOCA)
68
PD-NOMA
69
多选题
1分
以下关于多址接入的说法不正确的是哪些
提交
70
Traffic analysis
（话务量分析）
排队论
 系统中有n个信道，稳态时，系统有0-n个用户的概率为:
P0 , P1 , Pi , Pn
 0 为单位时间内系统有0状态向1状态转移的次数，代表新到达的呼叫。
 1 是系统从状态1到状态0的转移次数，代表用户离去。
1
0
P0
P1
1
i
2
...
P2
2
Pi
i
72
n1
...
Pn
n
习题
课后习题：1、2、3、5、6、7
73