蜂窝概念 - 简介

由于连接线的限制，传统电话的巨大潜力无法得到最大程度的发挥。 但随着蜂窝无线电的出现，这一限制已被消除。

频率稀缺问题

如果我们为每个用户使用专用的射频环路，我们就需要更大的带宽来为单个城市中有限数量的用户提供服务。

示例

单个 RF 环路需要 50 kHz B/W； 那么对于十万用户，我们需要 1,00,000 x 50 kHz = 5 GHz。

为了克服这个黑白问题，用户必须根据需要共享射频通道，而不是专用的射频环路。 这可以通过使用多种接入方法 FDMA、TDMA 或 CDMA 来实现。 即使这样，为用户提供服务所需的射频信道数量也是不切实际的。

示例

考虑子节点密度为 30Sq.Km.，服务等级为 1%，每个移动子节点提供的流量为 30m E。则所需的 RF 通道数为 −

对于 10,000 个订阅者分配 360 个无线电频道，我们需要 360 × 50 KHz = 18 MHz 的 B/W。 这实际上是不可行的。

蜂窝方法

在频率资源有限的情况下，蜂窝原理可以以可承受的成本为数千名用户提供服务。 在蜂窝网络中，总区域被细分为称为"小区"的更小的区域。 每个小区可以覆盖其边界内有限数量的移动用户。 每个小区可以有一个带有多个射频通道的基站。

给定小区区域中使用的频率将同时在地理上分离的不同小区中重复使用。 例如，可以考虑典型的七单元图案。

总的可用频率资源分为七个部分，每个部分由多个无线信道组成，并分配给一个小区站点。 在一组 7 个小区中，可用频谱被完全消耗。 一定距离后可使用相同的七组频率。

可用频谱被完全消耗的小区群称为小区簇。

相邻簇中具有相同编号的两个小区使用同一组射频信道，因此被称为"同信道小区"。 使用相同频率的小区之间的距离应足以将同信道（co-chl）干扰保持在可接受的水平。 因此，蜂窝系统受到同信道干扰的限制。

因此，蜂窝原理可以实现以下目的。

• 更有效地利用可用的有限射频源。

• 在一个区域内制造每一个用户终端，并具有相同的信道集，以便任何移动设备都可以在该区域内的任何地方使用。

蜂窝形状

出于分析目的，"六边形"单元优于纸上的其他形状，原因如下。

• 六边形布局需要更少的单元来覆盖给定区域。 因此，它设想了更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，如果存在圆形蜂窝，则蜂窝会重叠。

• 同样，对于给定的区域，在正方形、三角形和六边形中，六边形的半径将是较弱移动设备所需的最大值。

实际上，蜂窝的形状不是六边形而是不规则的，这是由无线电波在地形、障碍物和其他地理限制上的传播等因素决定的。 需要复杂的计算机程序将一个区域划分为多个单元。 西门子的"Tornado"就是这样的一个程序。

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器传输到接收器时会经历各种变化，即使在同一小区内也是如此。 这些变化是由于 −

• 发射器和接收器物理分离。
• 路径的物理环境，即地形、建筑物和其他障碍物。

缓慢衰落

• 在自由空间条件（或）LOS 下，射频信号传播常数被视为 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"r"取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得到保证，并且接收器接收到的信号是通过不同路径（多路径）到达的多个信号的总和。 RF 波的多径传播是由于 RF 能量从山丘、建筑物、卡车或飞机等处反射所致； 反射能量也会发生相变。

如果直接路径信号有 180 个异相，它们往往会相互抵消。 因此，多径信号往往会降低信号强度。 根据发射器和接收器的位置以及沿路径长度的各种反射障碍物，信号会发生波动。 这种波动发生得很快，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解决这些问题。

• 频道编码
• 交错
• 均衡
• Rake 接收器
• 慢速跳频
• 天线多样性

同信道干扰和小区分离

我们假设蜂窝系统具有小区半径"R"、同信道距离"D"以及簇大小"N"。 由于小区大小是固定的，同信道干扰将与功率无关。

Co-chl 干扰是"q"= D/R 的函数。

Q = Co-chl 干扰降低因子。

"q"值越高意味着干扰越少。

"q"值越低表示干扰越强。

"q"也与簇大小 (N) 有关，因为 q = 3N

q = 3N = 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

• 减少同信道干扰，
• 导致"N"个蜂窝/簇的价值更高，
• 通道/单元数量较少，
• 流量处理能力较低。

较低的"q"值

• 增加同信道干扰，
• 导致"n"个蜂窝/簇的值降低，
• 更多数量的通道/单元，
• 更高的流量处理能力。

一般来说，N = 4, 7, 12。

C/I 计算和"q"

"q"的值还取决于 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信道干扰。 对于七小区复用模式，同信道干扰小区的数量应为六个。

信号丢失与（距离）-r 成正比

R – 传播常数。

c α R-r

R = Radius of cell.

I α 6 D-r

D=同信道间隔距离

C/I = R – r / 6D –r = 1/6 × Dr / Rr = 1/6 (D/R) r

C/I = 1/6 q r since q = D/R and q r = 6 C/I

Q = [6 × C/I]1/r

根据可接受的语音质量，C/I 值等于 18 dB。

假设，

• 七单元重用模式
• 全向天线

"q"的值通常约为 4.6。

r值取3。

这是一个理想的条件，考虑到移动单元与干扰小区的距离在所有情况下都一致等于"D"。 但实际移动移动时，当到达小区边界时，距离"D"减小为"D-R"，C/I 降至 14.47 dB。

因此"频率"重用模式 7 不符合全向天线的 C/I 标准。

如果 N = 9 (or) 12,

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

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

因此，9 或 12 小区模式将采用全向天线，但流量处理能力会降低。 因此他们不是首选。

为了使用 N = 7（或更低），每个蜂窝基站都使用定向天线。 具有 3 个扇区的单元非常流行，如下图所示。

天线的前向耦合现象减少了潜在干扰源的数量。

例如，如果 N = 7。

对于全向天线，干扰小区的数量应为六个。 具有定向天线和 3个扇区同样减少为两个。 对于 N = 7 和三个扇区，即使在最坏的条件下，C/I 也从 14.47 dB 提高到 24.5 dB。 那么C/I满足18dB的要求。 对于 N = 7 和六个扇区，C/I 提高至 29 dB。

对于城市应用，N = 4 并使用三扇区小区，以便每个小区获得比 N = 7 更多的载波数量。而且，在最坏情况下，C/I 会变为 20 dB。

DAMPS 使用 7/21 单元格图案

GSM 使用 4/21 小区模式

扇区划分的优点

• 减少同信道干扰
• 增加系统容量

扇区划分的缺点

• 基站有大量天线。
• 扇区/小区数量的增加会降低集群效率
• 扇区缩小了特定通道组的覆盖范围。
• "移交"次数增加。

移交

当移动单元沿着一条路径行进时，它会穿过不同的小区。 每次它进入与 f = 不同频率相关的不同小区时，移动台的控制权就由另一个基站接管。 这称为"移交"。

切换的决定基于 −

• 接收到的信号强度信息（如果信号强度低于阈值）。
• 载波干扰比小于 18 dB。

相邻频道干扰

给定的小区/扇区使用多个射频信道。 由于接收器滤波器不完善，附近的频率会泄漏到通带中，从而会发生相邻信道干扰。

可以通过将给定小区中每个射频通道之间的频率间隔保持得尽可能大来减少这种情况。 当重用因子较小时，这种分离可能不够充分。

通过选择 RF 频率（间隔超过 6 个通道）进行通道分离，足以将相邻通道干扰保持在限制范围内。

例如，在遵循 4/12 模式的 GSM 中，N = 4

扇区 = 3/单元

IA 将使用 RF Carr。 1、13、25，…………..

IB将使用RF Carr 5, 17, 29,…………

IC 将使用 RF Carr。 9、21、33、…………等等。

集群

蜂窝无线电依靠集群在有限的无线电频谱内容纳大量用户。 每个用户根据需要/每次呼叫分配一个信道，并且在小区终止时，该信道将返回到公共射频信道池。

服务等级 (GOS)

由于中继的原因，如果所有 RF 通道都被占用，则呼叫可能会被阻塞。 这称为"服务等级""GOS"。

蜂窝设计人员估计所需的最大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。

蜂窝分裂

当启动小区（初始设计）的用户数量达到饱和并且没有更多可用的空闲频率时，然后启动小区被分割，通常分成四个较小的小区，流量增加四个，并且可以服务更多数量的订户。

"n"次分割后，流量将为 −

T2 = T0 × 42

功率将会降低 −

P2 = P0 – n × 12 db

因此，小区分裂提高了容量并降低了传输功率。