蜂窝概念 - 简介

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由于连接电线的限制，传统电话的巨大潜力无法得到最大限度的发挥。但是，随着蜂窝无线电的出现，这一限制已经被消除。

频谱稀缺问题

如果我们为每个用户使用专用的射频环路，那么即使在一个城市中为有限数量的用户提供服务，也需要更大的带宽。

示例

单个射频环路需要 50 kHz 带宽；那么对于十万用户，我们需要 100,000 x 50 kHz = 5 GHz。

为了克服这个带宽问题，用户必须根据需要共享射频信道，而不是使用专用的射频环路。这可以通过使用多址接入方法 FDMA、TDMA 或 CDMA 来实现。即便如此，为用户提供服务所需的射频信道数量仍然是不切实际的。

示例

考虑用户密度为 30 平方公里，服务等级为 1%，每个移动用户的业务量为 30mE。那么所需的射频信道数量为：

为了分配 360 个无线信道给 10,000 个用户，我们需要 360 × 50 KHz = 18 MHz 的带宽。这实际上是不可行的。

蜂窝方法

在有限的频率资源下，蜂窝原理可以以可承受的成本为数千用户提供服务。在蜂窝网络中，总面积被细分为较小的区域，称为“小区”。每个小区可以在其边界内覆盖有限数量的移动用户。每个小区可以有一个基站，并拥有多个射频信道。

在给定小区区域中使用的频率将在地理位置上分隔的不同小区中同时复用。例如，可以考虑一个典型的七小区模式。

可用的总频率资源被分成七部分，每部分包含多个无线信道并分配给一个小区站点。在一组 7 个小区中，可用的频谱被完全消耗。在一定距离后，可以再次使用相同的七组频率。

其中可用的频谱被完全消耗的小区组称为小区簇。

在相邻簇中具有相同编号的两个小区使用相同的射频信道集，因此被称为“同频小区”。使用相同频率的小区之间的距离应足够大，以将同频干扰保持在可接受的水平。因此，蜂窝系统受到同频干扰的限制。

因此，蜂窝原理可以实现以下几点：

• 更有效地利用有限的可用射频资源。

• 在一个区域内制造每部用户终端都具有相同信道集，以便任何移动设备都可以在该区域内的任何地方使用。

小区形状

出于分析目的，由于以下原因，在纸面上优选“六边形”小区而不是其他形状。

• 六边形布局需要较少的小区来覆盖给定区域。因此，它意味着较少的基站和最低的资本投资。

• 其他几何形状无法有效地做到这一点。例如，如果有圆形小区，那么就会出现小区重叠。

• 同样，对于给定的面积，在正方形、三角形和六边形中，六边形的半径最大，这是较弱的移动设备所需的。

实际上，小区不是六边形的，而是形状不规则的，这取决于无线电波在地形上的传播、障碍物和其他地理限制等因素。需要复杂的计算机程序来将一个区域划分为小区。西门子的“Tornado”就是一个这样的程序。

运行环境

由于移动性，基站和移动终端之间的无线电信号在从发射机到接收机的传输过程中会发生各种变化，即使在同一小区内也是如此。这些变化是由于：

• 发射机和接收机的物理分离。
• 路径的物理环境，即地形、建筑物和其他障碍物。

慢衰落

• 在自由空间条件（或）视距条件下，射频信号传播常数被认为是 2，即 r = 2。这适用于静态无线电系统。

• 在移动环境中，这些变化是明显的，通常将‘r’取为 3 到 4。

瑞利衰落

在移动环境中，基站和移动设备之间的直接视线无法保证，接收机接收到的信号是通过不同路径到达的多个信号之和（多径）。射频波的多径传播是由于射频能量从山丘、建筑物、卡车或飞机等反射造成的；反射能量也发生相位变化。

如果有 180 度与直达路径信号反相的信号，它们往往会相互抵消。因此，多径信号往往会降低信号强度。根据发射机和接收机的地理位置以及路径长度上各种反射障碍物的不同，信号会发生波动。波动发生得很快，被称为“瑞利衰落”。

此外，多径传播会导致“脉冲展宽”和“符号间干扰”。

多普勒效应

由于用户的移动性，接收到的射频信号的频率会发生变化。蜂窝移动系统使用以下技术来应对这些问题：

• 信道编码
• 交织
• 均衡
• rake 接收机
• 慢速跳频
• 天线分集

同频干扰和小区分隔

我们假设一个蜂窝系统具有小区半径“R”和同频距离“D”以及簇大小“N”。由于小区大小是固定的，因此同频干扰将与功率无关。

同频干扰是“q” = D/R 的函数。

Q = 同频干扰衰减因子。

较高的“q”值意味着较少的干扰。

较低的“q”值意味着较高的干扰。

“q”也与簇大小 (N) 相关，因为 q = 3√N

q = 3√N = D/R

对于不同的 N 值，q 为：

N = 1 3 4 7 9 12
Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00

较高的“q”值

• 减少同频干扰，
• 导致较高的“N”值（更多小区/簇），
• 每个小区的信道数较少，
• 较低的流量处理能力。

较低的“q”值

• 增加同频干扰，
• 导致较低的“n”值（更少的小区/簇），
• 每个小区的信道数更多，
• 更高的流量处理能力。

通常，N = 4、7、12。

C/I 计算和 ‘q’

“q”的值也取决于 C/I。“C”是从所需发射机接收到的载波功率，“I”是从所有干扰小区接收到的同频干扰。对于七小区复用模式，同频干扰小区的数量应为六个。

信号损失与 (距离)^-r 成正比

R – 传播常数。

c α R^-r

R = 小区半径。

I α 6D^-r

D = 同频分离距离

C/I = R^-r / 6D^-r = 1/6 × (D/R)^r = 1/6 (D/R)^r

C/I = 1/6 q^r 因为 q = D/R 且 q^r = 6C/I

Q = [6 × C/I]^1/r

根据可接受的语音质量，C/I 值被发现等于 18 dB。

假设：

• 七小区复用模式
• 全向天线

“q”的值通常约为 4.6。

r 值取为 3。

这是理想条件，考虑到移动单元到干扰小区的距离在所有情况下都均匀地等于“D”。但实际上，移动设备会移动，“D”会减少到“D-R”，当它到达小区边界时，C/I 会下降到 14.47 dB。

因此，使用全向天线时，7 的‘频率’复用模式不满足 C/I 标准。

如果 N = 9（或）12，

N = 9q = 5.2C/I = 19.78 dB

N = 12q = 6.0C/I = 22.54 dB

因此，使用全向天线时，必须采用 9 或 12 小区模式，但流量处理能力会降低。因此，它们并不受欢迎。

为了使用 N = 7（或更低），每个小区站点都使用定向天线。一个具有 3 个扇区的小区非常流行，就像下图所示。

天线的前后耦合现象减少了潜在干扰器的数量。

例如，如果 N = 7。

使用全向天线时，干扰小区的数量应为六个。使用定向天线和 3 个扇区时，该数量减少到两个。对于 N = 7 和三个扇区，即使在最坏的情况下，C/I 也从 14.47 dB 提高到 24.5 dB。然后 C/I 满足 18dB 的要求。对于 N = 7 和六个扇区，C/I 提高到 29 dB。

对于城市应用，使用 N = 4 和三个扇区的小区，以便比 N = 7 获得每个小区更多的载波数。在最坏的情况下，C/I 也达到 20 dB。

DAMPS 使用 7/21 小区模式

GSM 使用 4/21 小区模式

扇区化的优点

• 减少同频干扰
• 提高系统容量

扇区化的缺点

• 基站天线数量多。
• 每个小区的扇区数量增加会降低集群效率
• 扇区化减少了特定信道组的覆盖范围。
• “切换”次数增加。

切换

当移动单元沿路径移动时，它会穿过不同的小区。每次进入与不同频率相关的不同小区时，移动设备的控制都会由另一个基站接管。这被称为“切换”。

切换是根据以下因素决定的：

• 如果接收到的信号强度信息低于阈值。
• 载波干扰比小于 18 dB。

邻道干扰

给定的小区/扇区使用多个射频信道。由于不完善的接收机滤波器允许附近的频率泄漏到通带，因此会发生邻道干扰。

可以通过尽可能增大给定小区中每个射频信道之间的频率间隔来减少它。当复用因子较小时，此间隔可能不足。

通过选择间隔超过 6 个信道的射频频率来进行信道分离，足以将邻道干扰控制在限制范围内。

例如，在遵循 4/12 模式的 GSM 中，N = 4

扇区 = 3/小区

IA 将使用射频载波 1、13、25……

IB 将使用射频载波 5、17、29……

IC 将使用射频载波 9、21、33……以此类推。

信道复用

蜂窝无线电依靠信道复用来在有限的无线电频谱中容纳大量的用户。每个用户根据需要/每次呼叫分配一个信道，并且在呼叫终止时，信道将返回到公共的射频信道池。

服务等级 (GOS)

由于信道复用，如果所有射频信道都被占用，则呼叫可能会被阻塞。这称为“服务等级”或“GOS”。

蜂窝设计人员估算最大所需容量并分配适当数量的射频信道，以满足 GOS。对于这些计算，使用“Erlang B”表。

小区分割

当用户的数量在一个启动小区（初始设计）中达到饱和，并且没有更多的备用频率可用时，则将启动小区分割成通常四个较小的单元，流量增加四倍，可以服务更多用户。

经过“n”次分割后，流量将为：

T2 = T0 × 4ⁿ

功率将降低：

P2 = P0 – n × 12 dB

因此，小区分割提高了容量并降低了发射功率。