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蜂窝形小区制区域覆盖原理
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蜂窝形小区制区域覆盖原理
2009-11-2321:
12
蜂窝形小区制区域覆盖原理
移动通信网的服务区体制可分为大区制和小区制两种。
早期的公用移动电话系统采用大区制工作方式。
所谓大区制，就是用一个基站覆盖整个服务区。
它的特点是，基站只有一个天线，架设高、功率大，覆盖半径也大，服务区半径通常为20～50km。
采用这种方式虽然设备较简单，投资少，见效快，但容纳的用户数有限，通常只有几百用户。
人们很快发现，这种体制扩容非常困难，随着移动用户数量的急剧增加，这种覆盖方式显然无法满足实际需要。
为了解决有限频率资源与大量用户的矛盾，可以采用小区制的覆盖方式。
小区制就是将整个服务区划分为若干个小区，在各小区中分别设置基站（每个基站的覆盖区称为一个小区），负责本小区移动通信的
蜂窝形小区制区域覆盖原理
2009-11-2321:
12
蜂窝形小区制区域覆盖原理
移动通信网的服务区体制可分为大区制和小区制两种。
早期的公用移动电话系统采用大区制工作方式。
所谓大区制，就是用一个基站覆盖整个服务区。
它的特点是，基站只有一个天线，架设高、功率大，覆盖半径也大，服务区半径通常为20～50km。
采用这种方式虽然设备较简单，投资少，见效快，但容纳的用户数有限，通常只有几百用户。
人们很快发现，这种体制扩容非常困难，随着移动用户数量的急剧增加，这种覆盖方式显然无法满足实际需要。
为了解决有限频率资源与大量用户的矛盾，可以采用小区制的覆盖方式。
小区制就是将整个服务区划分为若干个小区，在各小区中分别设置基站（每个基站的覆盖区称为一个小区），负责本小区移动通信的联络和控制。
另外设立移动交换中心，负责与各基站之间的联络和对系统的集中控制管理。
多个基站在移动交换中心的统一管理和控制下，实现对整个服务区的无缝覆盖。
在甚高频段和超高频段，无线电波在地球表面以直线传播为主，传播损耗随距离增大而增大。
因此，在小区制中，可以应用频率复用技术，即在相邻小区中使用不同的载波频率，而在非相邻且距离较远的小区中使用相同的载波频率。
由于相距较远，基站功率有限，使用相同的频率不会造成明显的同频干扰，这样就提高了频带利用率。
从理论上讲，小区越小，小区数目越多，整个通信系统的容量就越大。
但小区制比大区制在技术上要复杂得多。
移动交换中心要随时知道每个移动台正处于哪个小区中，才能进行通信联络，因此必须对每一移动台进行位置登记；移动台从一个小区运动进入另一小区要进行越区切换等复杂的操作；移动交换中心要与服务区中每一小区的基站相连接，传送控制信号。
完成通信业务有一系列技术问题要解决，因此采用小区制的设备和技术投资相对比较大。
但是，小区制的优点远远超过了它的缺点，而且随着电子技术和计算机技术的发展，复杂的控制和电路设备都已经可以实现，因此，地面公用移动通信网选用小区制是无可争议的。
1．小区形状的选择
小区制的服务区有带状服务区和面状服务区两种，面状服务区是地面移动通信服务区的主要形式。
一个全向天线辐射的覆盖区是个圆形，为了不留空隙地覆盖一个面状服务区，一个个圆形辐射区之间一定会有很多的重叠区域。
去除重叠之后，每个辐射区的有效覆盖区是一个多边形。
如图4—2—1所示，若每个小区相问120。
设置三个邻区，则有效覆盖区为正三角形；若每个小区相间90。
设置四个邻区，则有效覆盖区为正方形；若每个小区相问600设置六个邻区，则有效覆盖区为正六边形。
要组成一个面状服务区，究竟采用哪种形状最合适，一般从以下几方面考虑：
邻接小区中心间距d越大越好，间隔大则干扰小；单位小区的有效面积越大越好，面积大则使一个区域小区个数少，使用频率数少；重叠区域面积小为好，重叠的地方少使得同频干扰减小；重叠距离要小，使移动通信便于跟踪交接；所需无线电频率个数越少越好。
在辐射半径r相同的条件下，可计算出三种形状小区的邻区距离、小区面积、交替区宽度和交叠区面积如表4—2—1所示。
综合以上这几方面的考虑，采用正六边形小区邻接的形状最接近理想的圆形，用来覆盖整个服务区所需的基站数最少、最经济，是构成面状服务区最好的选择。
因此，世界各国在发展移动通信时，无一例外地都采用了这种电波覆盖区域形式，这种面状服务区的形状很像蜂窝，所以称为蜂窝式移动通信网。
2．区群的形成
为了防止同频干扰，相邻小区显然不能使用相同的频率。
而且，为了保证同频率区群的组成小区之间保持足够的距离，附近的若干小区都不能使用相同的频率。
这些不同频率的小区组成了一个区群，只有不同区群的小区才能进行频率复用。
区群的组成应满足两个条件：
一是区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖；二是邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等。
满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。
可以证明，区群内的小区数Ⅳ应满足下式：
3．同频小区的距离
在区群内小区数不同的情况下，可用下面的方法来确定同频小区的位置和距离。
如图4—2—3所示，自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨。
个小区，再向左（或向右）转60。
，再跨b个小区，这样就到达同频小区A。
在正六边形的六个方向上，可以找到六个相邻同信道小区，所有A小区之间的距离都相等。
设小区的辐射半径（即正六边形外接圆的半径）为r，则从图4—2—3可以算出同信道小区中心之间的距离为
4．同频干扰和载千比
蜂窝系统中由于有多个使用相同频率的小区，因此可能会发生同频干扰。
一般用载干比（C／1）来描述同频干扰的大小。
由于电波传播损耗随距离增大而迅速增大，计算C／1只要考虑最临近的同频复用小区来的干扰。
以基站发射机产生的同频干扰为例，当移动台处于小区边缘（正六边形顶点）时，有用信号功率最弱，这时移动台与基站的距离为小区半径r。
在整个蜂窝系统中，最临近的同频复用小区最多有6个，这6个小区的基站与移动台的距离随移动台在小区中的位置而变化。
为简化分析，可取本小区与这6个小区的中心距D为平均距离，假设各基站的发射功率相同，电波传播的损耗与距离的4次方成正比，则移动台处于小区边缘时的载干比近似为
由式（4．2．2）和（4．2．1），上式可表示为
一个区群中的最少小区数与系统允许的载干比门限值有关，对于模拟蜂窝通信系统，载干比门限值一般为l8dB，因此N不能小于7；对于数字蜂窝系统．载干比允许降低到l0～12dB，因此可以采用3小区或4小区区群的蜂窝结构。
一个区群中的小区数越小，频率复用率就越高，通信容量就越大，可见，数字蜂窝移动通信系统的容量要比模拟蜂窝系统大很多。
5．中心激励和顶点激励
在每个小区中，基站可设在小区的中央，用全向天线形成圆形覆盖区，称为“中心激励”，如图4—2—4（a）所示。
也可以将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120。
扇形辐射的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域，每个小区由三副120。
扇形天线共同覆盖，称为‘‘顶点激劢”，如图4—2—4（b）所示。
采用120。
的定向天线后，所接收的同频干扰功率仅为采用全向天线系统的三分之一，因而可以减少系统的同频干扰。
另外．在不同地点采用多副定向天线可消除小区内障碍物的阴影区。
6·小区的分裂
在整个服务区中每个小区的大小可以是相同的，但这只能适应用户密度均匀的情况。
事实上，服务区内的用户密度是不均匀的，例如城市中心商业区的用户密度高，居民区和市郊区的用户密度低。
为了适应这种情况，在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些。
另外，对于已建好的蜂窝通信网，随着城市建设的发展，原来的低用户密度区可能变成高用户密度区，这时相应地在该地区设置新的基站，将小区面积划小，解决这个问题可采用小区分裂的方法。
以l20。
扇形辐射的顶点激励为例．如图4—2—5所示，在原小区内分设三个发射功率更小一些的新基站+就可以形成几个面积更小些的正六边形小区，如图中虚线所示。
2.5 频率复用信道的概念
在全双工工作方式中，一个无线信道包含一对信道频率，每个方向都用一个频率来发射。
在覆盖半径为R的地理区域C1内呼叫一个小区使用特定无线信道F1，也可以在另一个相距D、覆盖半径也为R的小区内再次使用F1。
频率复用是蜂窝移动无线电系统的核心概念。
在频率复用系统中，处在不同地理位置（不同的小区）上的用户可以同时使用相同频率的信道（见图2-13），频率复用系统可以极大地提高频谱效率。
但是，如果系统设计得不好，就会产生严重的干扰。
这种干扰是由于共同使用相同信道造成的，这种干扰称为同频干扰，它是在频率复用概念中必须考虑的重要问题。
图2-13 D/R比
2.5.1 频率复用方案
在时域与空间域内均可以使用频率复用的概念。
时域内的频率复用是指在不同的时隙里占用相同的工作频率，叫做时分复用（Time-DivisionMultiplexing，TDM）。
在空间域上的频率复用可分为两大类：
（1）在两个不同的地理区域里配置相同的频率。
例如在不同的城市中使用相同频率的AM或FM广播电台。
（2）在一个系统的同一区域内重复使用相同的频率2——这种方案用于蜂窝系统中。
一个系统中有许多同频小区，将整个频谱分配划分为K个频率复用的模式。
如图2-14所示，其中K=4、7、12和19。
图2-14 N小区复用模式
2.5.2 频率复用距离
允许同一频率复用的最小距离取决于许多因素，如中心小区附近的同频小区数、地形轮廓类别、天线高度及每个小区基站的发射功率。
频率复用距离D由下式确定：
（2.5-1）
其中K是如图2-14所示的频率复用模式。
如果所有小区基站都发射相同的功率，则K增加，频率复用距离D也增加。
D增加将减少同频干扰发生的可能。
从理论上来说，K应该大些。
然而，分配的总信道数是固定的。
如果K太大，则K个小区中分配给每个小区的信道数将减少。
随着K增加而划分给K个小区中的信道总数不变，则中继效率就会降低18。
同样道理也适用于频率利用：
在同一地区，如果将一组信道分配给两个不同的网络系统，频率利用效率也将降低。
因此，现在面临的问题是，在满足系统性能的条件下如何得到一个最小的K17值。
解决它必须估算同频干扰，并选择最小的频率复用距离D以减少同频干扰。
在公式K=i2+ij+j2中取i=j=1，可得到最小的K值为K=3（见图2-14）。
2.5.3 系统中的用户数量
设计系统时，某地区忙时的业务量将有助于确定不同小区的大小以及分配给它们的信道数。
单个小区中，每小时呼叫的最大次数由业务条件来确定。
确定了每个小区中最大数量的频率信道后，则应考虑每个小区中每小时内的最大呼叫次数。
现在设每个小区中一小时的最大呼叫次数为Qi，并累加它们。
假设忙时有60%的汽车电话在使用，且平均每部电话（在使用的情况下）呼叫一次（ηc=0.6），则可得允许的用户总业务量Mt。
例2.5 忙时，每10个小区的每小时呼叫次数Qi分别为2000、1500、3000、500、1000、1200、1800、2500、2800、900，假设在此阶段60%的电话在使用（ηc=0.6），且每车只使用一次，累加所有的Qi，得到总Qt。
由于ηc=0.6，故系统用户数量为
蜂窝网络内容来自：
蜂窝网络
蜂窝网络，就是把移动电话的服务区别分为一个个正六边形的子区，每个小区设一个基站。
形成了形状酷似“蜂窝”的结构，因而把这种移动通信方式称为蜂窝移动通信方式。
蜂窝网络又可分为模拟蜂窝网络和数字蜂窝网络，主要区别于传输信息的方式。
目录
∙•概述
∙•组成部分
∙•类型
∙•分类
∙•可靠性
∙•局限性
∙•相关词条
∙•相关衔接
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概述编辑本段回目录
目前主流通讯服务提供上绝大部分采用蜂窝网络。
蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学猜想，正六边形被认为是使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形，出于节约设备构建成本的考虑，正六边形是最好的选择。
这样形成的网络覆盖在一起，形状非常象蜂窝，因此被称作蜂窝网络。
组成部分编辑本段回目录
蜂窝网络系统构成
蜂窝网络组成主要有以下三部分：
移动站，基站子系统，网络子系统.移动站就是我们的网络终端设备，比如手机或者一些蜂窝工控设备。
基站子系统包括我们日常见到的移动机站（大铁塔）、无线收发设备、专用网络（一般是光纤）、无数的数字设备等等的。
我们可以把基站子系统看作是无线网络与有线网络之间的转换器。
1、蜂窝和频率重用
蜂窝：
将一块大的区域划分为多个小的蜂窝，使用多个小功率发射器代替一个大功率发射机。
一般使用正六边形来描述蜂窝形状。
频率复用：
每一个蜂窝使用一组频道。
如果两个蜂窝相隔足够远，则可以使用同一组频道。
簇（cluster）:
由N个蜂窝组成的蜂窝组，使用了全部的频率资源频率复用因子（reusefactor）:
1/N对于正六边形的蜂窝，N=i2+i*j+j2,i>=1,j>=1，因此,N=3,4,7,9,12...
2、蜂窝的几何表示
蜂窝网络坐标表示
蜂窝通常使用正六边形来表示。
为什么是正六边形而不是圆？
顶点到几何中心等距的多边形中，能够完整（无重叠）地覆盖某一区域可能的几何形状有：
正方形、等边三角形和正六边形三种形状。
在正方形、等边三角形和正六边形中，正六边形的面积最大。
3、蜂窝坐标系
使用（i,j）表示某一蜂窝的坐标。
例如：
蜂窝A的坐标为（2,1）
4、蜂窝信道分配
FDMA系统：
利用信号衰减原理。
关键：
将频谱划分为若干个信道（用户信道载波），在距离足够远时可以复用信道=>频道规划影响系统性能。
静态与动态信道分配：
-静态信道分配：
每一蜂窝预先分配一组固定的信道，实现简单。
-动态信道分配：
基站从MSC处动态分配一个信道（percall），蜂窝可以使用所有的信道，降低了阻塞概率，实现复杂，需要实时流量检测和基站间的协调处理。
类型编辑本段回目录
常见的蜂窝网络类型有：
GSM网络（有些国家叫pcs-1900）、CDMA网络、3G网络、FDMA、TDMA、PDC、TACS、AMPS等。
分类编辑本段回目录
1、分布式蜂窝网络
蜂窝网络
一种分布式蜂窝网络（100）提供了与多个移动台（102）进行的无线通信。
多个基地收发信机网络组件（104）被配置成在一种无线介质上与多个移动台（102）进行通信，其中每个基地收发信台都包括一个适于耦合到网络（110）的网络接口。
至少一个移动台控制器网络组件（108）包括一个适于耦合到网络（100）的网络接口。
对系统（100）进行配置，以便为了效率而对于基地收发信台（104）、基站控制器（106）以及移动切换中心（108）之间的通信业务量进行负载均衡。
本发明的优点包括将低成本收发信机（104）与灵活部署相结合，从而以低费用对大区域实现了通信覆盖。
一种分布式蜂窝通信系统，包括：
一个网络；一个耦合到该网络的公共交换电话网（PSTN）；多个耦合到该网络的收发信机，多个收发信机在地理上相互分离，并且每一个都被配置成在一个无线介质上与相关小区中的移动站进行通信；至少一个耦合到该网络的数据处理系统，该至少一个数据处理系统被配置成执行计算机程序，该计算机程序包括适于使多个收发信机能在移动台之间以及一个移动台与PSTN之间传递数据的软件功能块，这些软件功能块包括：
一个实施MM功能的移动性管理（MM）功能块；一个实施VLR功能的访问者位置登记（VLR）功能块；一个实施CM功能的通信管理（CM）功能块；多个实施RR功能的无线电资源（RR）功能块，所述RR功能包括在移动台从一个小区移动到另一个小区的时候切换多个收发信机之间的通信，从而保持移动台与网络之间的通信。
2、蜂窝移动电话
蜂窝网络
所谓蜂窝移动电话是指将移动电话服务区划分为若干个彼此相邻的小区，每个小区设立一个基站的网络结构。
由于每个小区呈正六边形，又彼此邻接，从整体上看，形状酷似蜂窝，所以人们称它为“蜂窝”网。
用若干蜂窝状小区覆盖整个服务区的大、中容量移动电话系统就叫做蜂窝移动电话系统，简称蜂窝移动电话。
蜂窝移动电话最大的好处是频率可以重复使用。
大家或许知道，在我们使用移动电话手机进行通信时，每个人都要占用一个信道，也就是说，系统要拿出一个信道供你使用。
同时通话的人多了，有限的信道就可能不够使用，于是便会出现通信阻塞的现象。
采用蜂窝结构就可以使用同一组频率在若干个相隔一定距离的小区重复使用，从而达到节省频率资源的目的。
譬如，我们将一个城市分成72个小区，每12个小区组成一个小区群。
让他们共同使用300个频道。
那么，我们就可以将300个频道分成12个频道组，每个组25个频道，第一个小区群使用第1组频道，第二个小区群使用第2组频道，以此类推。
经过适当安排，不同小区群的相同编号小区的频道组是可以重复使用的。
尽管这些小区基站所使用的无线电频率相同，但由于他们彼此相隔较远，而电波作用范围有限，彼此不会造成干扰。
这样，一组频率就可重复使用6次，原本300个频道只能供300个用户同时通话，现在却可同时供1800个用户同时通话了。
蜂窝移动电话系统主要由移动台（汽车电话、手机等），无线基站以及移动电话交换中心组成。
每个小区基站均与移动电话交换中心连接，形成一个蜂窝移动电话网。
移动电话网还与市内公用电话网以及国内、国际长途电话网相连，使移动电话用户不仅可以与网内的移动电话用户通电话，还可以与更大范围内的移动用户和固定用户通电话。
可靠性编辑本段回目录
蜂窝网络
无线蜂窝网在提高无线网络的覆盖率方面起到关键性作用。
在宽带无线城域网中，可采用网状结构来实现低成本高效率的大面积覆盖。
网状结构的优点很多，如网络出故障时提供有效的迂回路由，确保通信畅通无阻;与专线或菊花链相比更具弹性和可靠性，而且网络具有自配置、自组织和自愈的能力。
目前，首先进入这个市场的有Tropos、Mesh-Network和BelAir网络公司，此外NortelNetworks也不甘落后。
从目前来看，互联网和FTTH（光纤到户）都是蜂窝网的应用领域。
长期以来，无线网络信奉中央控制模式，这也带来潜在的风险，比如传输瓶颈、遗留的老系统或单点故障等。
但是，无线蜂窝网络作为无线交换另一项技术日渐兴起。
通过组织成的网格拓扑结构，从交换机到接入点，蜂窝网络都能分配智能。
这种拓扑结构的发展符合计算机行业体系结构的演变过程。
首先，计算环境是独立主机系统，随后是客户机/服务器，然后是对等网络。
网络的体系结构将毫无疑问进化成一个分布式、动态的无线体系结构。
蜂窝网络允许节点或接入点与其他节点通信，而不需要路由到中心交换点，从而消除了集中式的故障，提供自我恢复和自我组织的功能。
虽然通信量的决策是在本地实施，但系统可以在全球管理。
1、无线扩展
今天的无线局域蜂窝网络采用基于802.11a/b/g标准，但是它们可以扩展到任何射频技术，如UltraWideband或802.15.4Zigbee。
因为网络智能保留在每一个接入点，所以不需要集中式交换机——只需要智能接入点和网络处理器、交换能力和系统软件。
网络在蜂窝结构中相互连接时，首先，节点的自我发现功能必须确定它们是作为无线设备的接入点来服务，还是作为来自另一节点的信息量的骨干网来服务，或者两项功能都具备。
其次，单一的节点用发现查询/响应协议来定位它们的邻居。
这些网络协议必须简洁，所以不能增加信息流量的负担，即它们不能超过可用带宽的1%到2%。
一旦某节点识别出另一个节点，它们会计算路径信息，如接收信号的强度、吞吐量、错误率和遗留的老系统等。
这些信息必须在节点之间交换，但又不能占用太多的带宽。
基于这些信息，每一个节点都能够选择通向其邻居的最佳路径，从而使每一时刻的服务质量达到最优。
网络发现和路径选择的过程在后台运行，这样每一个节点保留现有邻居的列表并不断重新计算最佳路径。
因为在维护、重新安排或出故障时，假如一个节点从网络中断开，临近它的节点可以迅速地重新配置它们的信息列表并重新计算路径，以便在网络发生变化时，保持信息流量。
这种自我恢复的特性或纠错能力，是蜂窝结构与集线器辐射网络的区别所在。
蜂窝网络
2、节点发现
每一个节点都是自我管理的，作为一个有组织的网络的一部分，它可以作为单一实体从中心点得到管理和配置。
采用SNMP协议，系统管理员可以设置和监控单个元素、节点、域或整个网络。
发现协议简化了寻找和定位节点，并在管理显示屏上显示的任务。
因为蜂窝网络依赖于管理、控制和发现信息，它们必须保障自身流量和用户流量的安全。
带内信息通过加密隧道进行传输，可以防止窃听或类似的攻击。
基于标准的安全技术，如802.1x和高级加密标准等加密技术，确保只有经授权的无线网络设备和节点能连接进来并得到正确的加密。
当布线困难或费用昂贵时，蜂窝网络是一项极佳的无线技术。
商用市场上最普遍的蜂窝网络体系结构，是由从无线链接上的路由数据包到中心有线网络构成的。
此体系结构对那些希望创建无线宽带蜂窝网络，比如用802.11热点来覆盖广泛的地理范围的无线Internet供应商（WISP）来说,是最佳的选择。
利用802.11这个无需政府授权的频段，蜂窝网络技术能够以比现有蜂窝技术低得多的成本来提供高带宽。
此结果将导致未来的手机接入互联网的费用保持在人们能够普遍接受的价格水平，从而带来一个全新的无线设备和服务市场，比如在手持媒体播放器上传输视频。
在企业级市场，蜂窝架构让IT部门将无线覆盖延伸到没有布线基础设施的地区。
在这种状况下，蜂窝接入点与现有无线网络接入点整合，来延长Wi-Fi，覆盖到那些无法通过有线接入的地区。
需要指出的是，蜂窝网络接入点的增加会提高网络的潜力。
在802.11环境中，当数据包在用户设备和有线网络之间传递时，每一个无线跳将会增加1ms～2ms的延迟。
所以，在设计蜂窝网络时，需要仔细考虑蜂窝网络的大小及采用应用软件的类型。
目前，另一个让人关心的问题是蜂窝网络为私人所有。
但是，近来我们开始看到关于标准化的努力在不断付诸实施，因为一些公司在基于现有802.11的技术上开发系统。
事实上，今年1月11～16日召开的IEEE802.11工作小组会议上，成立了一个研究小组，为蜂窝网络开发建立一个业界公认的标准。
这向前迈出了重大一步，因为蜂窝网络的使用将会随着标准的形成而得到发展。
通过扩大无线网络的覆盖区域，超越现有的物理界线，蜂窝技术将会为现有802.11无线网络系统提供很好的补充。
局限性编辑本段回目录
下一代蜂窝网络新标准
从70年代贝尔实验室发明蜂窝概念以来，蜂窝技术就是移动通信的基础。
有时候，大家就将移动通信称为蜂窝通信。
蜂窝概念中包括几个重要的部分是移动通信发展的基础。
第一，频率复用。
有限的频率资源可以在一定的范围内被重复使用。
第二，小区分裂。
当容量不够的时候，可以减小蜂窝的范围，划分出更多的蜂窝，进一步提高频率的利用效率。
蜂窝的概念解决了移动通信中频率资源有限的问题，直接导致了80年代以后的移动通信大发展。
但是蜂窝的概念也是有局限性的。
现在面临的主要问题是，小区不可能无限制的进行分裂，导致了系统的容量不能进一步提高，这阻碍了移动通信进一步的发展。
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