蜂窝系统基础知识

一、什么是蜂窝系统

蜂窝的思想是用许多小功率的发射机来代替单个的大功率发射机，每一个小的覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖，分配整个系统可用信道中的一部分，并相隔一定的距离重复使用这些频率资源，以增大系统容量。
蜂窝概念的提出使得移动通信真正走向了实用与运营，即在频率资源有限的前提下能够提供大的系统容量。

二、蜂窝系统的分类

2.1 大区制移动通信网

2.1.1 什么是大区制移动通信网

大区制移动通信系统由一个或几个基站覆盖，服务区半径为30 ~ 50km，并由基站负责整个通信网的控制与联络。为了增大覆盖区面积，基站天线一般架设得很高，可达几十米至几百米；发射功率很大，一般为50 ~ 200W。

2.1.2 大区制移动通信网的优点和缺点

• 优点：网络结构简单、成本低。
• 缺点：覆盖范围有限，最大覆盖半径一般为50km；系统容量受限；系统设备受限，若要满足移动台的双向通信，则要求移动台有更大的发射功率，但是移动台体积、发射机功率和天线高度都是受限的。

2.2 小区制移动通信网

小区制即讲一个移动通信服务区划分为许多小区，每个小区设立基站，而小区的覆盖半径一般为几百米到几十千米。

三、蜂窝系统的干扰

3.1 簇的概念

蜂窝原理即为频率复用的原理，即相隔一定的距离可使频率资源重复使用。“簇”即使用全部资源的小区集合，若簇内有N个小区，在频率规划中，只有做好一个簇的频率规划，不断复制，即可完成全区的频率规划。簇内频率规划的原则如下：

• 簇内不允许出现同频
• 簇内允许出现邻频，邻频要尽可能远离
• 同一基站不能出现同邻频
• 簇内小区可以将所有的信道全部分配

3.2 干扰的分类

• 干扰是蜂窝系统无线系统性能的主要限制因素，包括系统间和系统内干扰。系统间干扰包括其他蜂窝系统和无线局域网的干扰、不可预测信号的干扰和非法信号的干扰等；系统内干扰包括设备内部的干扰、网内干扰（同频干扰、邻频干扰和互调干扰）及多址干扰。
• 干扰还可以从其他角度来分。例如，从数学模型的角度来看，干扰可以分为加性干扰和乘性干扰；从物理机制的角度来说，干扰可以分为功率干扰、时间干扰和空间干扰。

3.3 同频干扰

3.3.1 什么是同频干扰

• 由于蜂窝系统的基本原理是频分复用，所以在给定的覆盖范围内，存在着许多使用同一组频率的小区，这些小区称为同频小区，同频小区之间的信号干扰称为同频干扰（也称为同道干扰）。
• 同频干扰是由频率复用而引起的。由于落到接收机通带内的有用信号与无用信号具有相同的载频，无用信号与有用信号一样经放大、变频而落到通频带内。同频干扰分上行链路同频干扰和下行链路同频干扰。
• 在移动通信中，为了增加系统容量，可以采用地理上较高密度的频率重复方式，这样必然会造成更为严重的同频干扰。

3.3.2 如何克服同频干扰

• 同频干扰不像热噪声那样可以通过增大信噪比（SNR）来克服，也不能简单地通过增大发射机的发射功率在克服，因为增大发射功率会增大对相邻同频小区的干扰。为了达到减小同频干扰的目的，同频小区必须在物理上隔开一段距离，相隔的最小距离成为同频复用距离。
• 有一个参数叫做同频复用比例Q（也称为同频干扰抑制因子），与簇的大小有关。通常，同频小区之间的距离越小（即Q值越小），同频干扰越大，但频率复用次数增加，频率利用率提高，容量增大；反之，同频小区之间的距离越大（即Q值越大），同频干扰越小，这样可以提高传播质量，但频率利用率亦降低，容量减小。在实际的蜂窝系统中，需要对容量和质量这两个目标进行协调和折中。
• 1x3（每个簇中只有1个基站，每个基站控制3个小区）的复用情况拥有最大的容量和最低的质量；7x3（每个簇中有7个基站，每个基站控制3个小区）的复用情况则拥有最高的质量和最小的容量。因为7x3模式中，一个簇中总共有7个基站，所以这一个簇的面积就会很大，所以同一个频率的小区就可以在空间距离上相隔很远，所以它的同频干扰就会减小，但是由于这一个簇中共有21个小区，所以平均分配到每一个小区的容量就会减小。

3.4 邻频干扰

3.4.1 什么是邻频干扰

• 来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰称为邻频干扰（也称为邻道干扰）。根据干扰信号与有用信号的频率间隔，若干扰信号的频率为f1，有用信号的频率为f0，且f1 = f0 ± n x △f，n为正整数，△f表示载频宽度，则称该干扰信号为n阶干扰信号。
• 邻频干扰产生的机理与同频干扰有一定的区别，它主要是由发射机和接收机非理想所致，即由于接收机滤波器的阻带衰减不够陡峭而引起相邻频带信号的泄露

3.4.2 如何克服邻频干扰

• 邻频干扰可以通过精确的滤波器和信道分配使其减小
• 邻频干扰一般主要考虑一阶邻频干扰和二阶邻频干扰

3.5 互调干扰

• 互调干扰由传输信道中的非线性电路产生，当多个不同频率的信号加到非线性器件上时，非线性变换将产生许多组合频率信号，一部分可能落到接收机通带内，称为对有用信号的干扰。常见的情况是两个以上不同频率的信号同时输入到非线性电路，由于非线性器件的作用而产生许多谐波和组合频率分量
• 互调干扰的机理：由于通信设备中某些电路的非线性是由输入频率相互叠加而成，进而产生新频率，造成对本信道或外信道的干扰。当多个不同频率的信号叠加到非线性特性上时，非线性的变化将产生许多组合频率信号，一部分可能落到接收机通带内而成为对有用信号的干扰。
• 产生互调干扰的条件：
  （1）存在非线性部件，由输入信号混频产生的互调成分；
  （2）输入信号频率必须满足其组合频率能落到接收机通带内；
  （3）输入信号功率足够大，由此产生幅度较大的互调干扰成分。
• 在移动通信系统中，可能造成互调干扰的原因：
  （1）在发射机末端，由于功率放大器的非线性，侵入的其它干扰信号与有用的发射信号相互调制而形成一种干扰，称为发射机的互调干扰；
  （2）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接收，由于接收机高频放大器或混频器的非线性而发生相互调制，称为接收机的互调干扰。

四、提高蜂窝小区的容量

在有限的资源下，提高容量一直是蜂窝系统设计的目标

4.1 小区分裂

• 小区分裂是将小区半径缩小来提高系统容量的方法，同时降低天线高度和发射功率。
  
• 假设小区半径为原小区的一半，同时频率复用方式不变，则该小区得到的信道数不变，单位面积上的用户数可增加。即小区分裂可增加系统容量。
• 小区分裂的缺点是高速移动用户越区切换增加，导致交换和控制链路负荷增加，因此可采用伞状覆盖来解决高速移动用户的切换和用户密集的问题。

4.2 划分扇区

• 若想提高小区容量，还可以采用降低同频干扰的方法，划分扇区即为该方法可用的方式之一。
  
• 使用定向天线代替全向天线可以减小蜂窝系统中的同频干扰，每个定向天线辐射某一特定的扇区。
• 使用定向天线的小区将只接收同频小区中一部分小区的干扰。这种使用定向天线减小同频干扰，从而提高系统容量的技术成为裂向（即扇区化）。
• 使用裂向时需要增加切换次数，这就导致移动系统的交换和控制链路的负荷增加。

4.3 分区微小区

五、信道分配方法

5.1 固定的信道分配策略

• 在固定的信道分配策略中，给每个小区分配一组事先确定好的信道，小区中的任何呼叫都只能用该小区的空闲信道。如果该小区中所有的信道都已被占用，则呼叫阻塞，用户得不到服务。
• 固定的信道分配策略又可分为分区分组分配法和等频距分配法
  （1）分区分组分配法没有考虑到邻道干扰，这种方法只适用于小容量移动通信系统。
  （2）等频距分配法能有效避免邻道干扰，这种方法是大容量蜂窝网广泛采用的频率分配方法。

5.2 动态的信道分配策略

• 在动态的信道分配策略中，语音信道不是固定地分配给每个小区，相反，每次呼叫请求到来时，为它服务的基站就向MSC请求一个信道。交换机则根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道。
• 每个小区不是固定使用一定的信道，而是多个小区可以使用相同的信道，每个小区的信道数是不固定的。业务量大时，分配给该小区的信道数就多，业务量减小时还可以再把这些信道分配给其他小区使用。小区的信道分配由移动交换中心（MSC）来管理和执行。
• 动态的信道分配策略降低了阻塞的可能性，从而增加了系统的中继能力。
• 动态的信道分配策略又可分两种：
  （1）采用扇区化的信道借用法：热点小区（用户数量多）可以借用相邻的非热点小区（出租小区，用户数量少）的频率资源。
  
  （2）动态共享式信道借用法。

5.3 混合的信道分配策略

• 混合的信道分配策略利用固定的信道分配喝动态的信道分配相结合的方式，即将一部分信道固定地分配给各个小区，另一部分信道作为各无线小区均可使用的动态频道。各小区可优先使用分配给它的固定信道组，当业务量大导致固定频道组不够用时，再申请空闲的动态信道。

5.4 固定的和动态的比较

• 固定的信道分配方法控制简单，但资源利用率很难保证，并需事先做好频率规划。
• 动态的信道分配方法控制复杂，增加了系统的存储和计算量，但有利于提高信道的利用率，也能减小呼叫阻塞的概率。

六、话务量与呼损率

6.1 话务量

• 话务量是通信系统业务量或繁忙程度的指标。它的性质如同客流量，具有随机性，只能用统计方法获取。呼叫话务量是指单位时间（一小时）内的平均电话交换量，即A = C x t0，式中，C为每小时的平均呼叫次数（包括呼叫成功和呼叫失败的次数），t0为每次呼叫平均占有信道的时间（包括连续时间和通话时间）。
• 注意：话务量是平均电话交换量，也就是平均的打电话时长，而不是平均呼叫次数。
• 如果t0以小时为单位，则话务量的单位是Erl（爱尔兰）。如果在一个小时之内连续地占用一个信道，则呼叫话务量为1Erl，这是一个信道所能完成的最大话务量。

6.2 呼损率

• 在一个通信系统中，呼叫失败的概率称为呼叫损失概率，简称呼损率。
• 呼损率的物理意义是损失话务量与呼叫话务量之比的百分数。
• 呼损率在数值上等于呼叫失败次数与总呼叫次数之比的百分数。

七、小区结构

7.1 宏蜂窝

• 宏蜂窝小区的覆盖半径大多为1 ~ 20km，基站很高。
• 扩大了系统覆盖面，通信质量就下降；提高了通信质量，通信容量就会受到限制。

7.2 微蜂窝小区

• 微蜂窝小区的覆盖半径为0.1 ~ 1km，基站天线的高度低于屋顶的高度，传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。
• 微蜂窝最初被用来加大无线电的覆盖面，消除宏蜂窝中的“盲点”。
• 但是它使高速移动的用户增加了切换的次数。

7.3 微微蜂窝

• 微微蜂窝实质上就是微蜂窝的一种，只是它的覆盖半径更小，一般只有10 ~ 30m；基站的发射功率更小，大约为几十毫瓦；天线一般装于建筑物内业务集中地点。
• 微微蜂窝也是作为网络覆盖的一种补充形式而存在的，主要用来解决商业中心和会议中心等室内“热点”的通信问题。

在目前的蜂窝式移动通信系统中，主要通过在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更多的“内含”蜂窝，形成分级蜂窝结构，从而解决网络内“盲点”和“热点”，提高网络容量。因此，一个多层次的网络往往是由一个上层宏蜂窝网络和数个下层微蜂窝网络组成的多元蜂窝系统。

7.4 伞状小区

• 伞状小区的结构即是综合了宏蜂窝和微蜂窝小区的结构，解决了用户切换和大业务密度之间的矛盾。
• 伞状小区采用的是两层结构，上层采用伞状宏小区，主要负责快速移动用户，避免频繁的越区切换，还可以填补微小区覆盖的盲区。下层是微小区覆盖，主要负责步行移动用户；在发生堵车这样的业务密度突然增大的情况时，也可以由宏小区覆盖转换为微小区覆盖。
• 上层采用宏小区，即基站功率大，覆盖范围广，这样就可以避免快速移动的用户频繁进行越区切换；下层使用微小区，虽然基站功率小，覆盖范围小，但是它主要服务的对象是行人，行人的移动速度低，即同样不会发生频繁的越区切换。
• 伞状小区可以在上下层进行切换，满足不同用户的需求。
  

7.5 智能小区

• 智能蜂窝是指基站采用具有阵列信号处理能力的自适应天线系统，智能地监测移动台所处的位置，并以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。
• 利用智能蜂窝小区的概念进行组网设计，能够显著地提高系统容量，改善系统性能。
• 智能小区又可分为3种类型：
  （1）功率传送型小区：通过有效的功率传输以减少干扰。
  （2）处理增益型小区：允许有大量干扰存在的情况下，能正确地接收有用信号。
  （3）分布式小区：更好地适应多天线和正交频分复用技术。

7.6 异构网络融合

• 目前的无线移动通信系统不支持用户在异构网络之间无缝的漫游。蜂窝网主要支持实时语音通信和低速的数据业务，无线局域网则支持宽带数据通信。然而，用户希望根据自己的需求及其周围的网络资源，在异构网络之间进行切换，以最优的价格获取满意的服务。
• 异构网络的融合是下一代网络发展的必然趋势。在易购网络的融合框架下，一个必须要考虑并解决的关键问题是如何使任何用户在任何时间任何地点都能获得具有QoS保证的服务。

注：本文大部分内容都是参考课本上的话，目前有些具体的知识我也不是很懂，有待以后继续深入学习，现在就先知道一下大概的框架就行。
参考的课本为：移动通信原理与系统（由北京交通大学李旭、艾渤、钟章队编著，科学出版社出版）