蜂窝技术：无线通信的未来

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：蜂窝技术的出现使覆盖大区域问题有了新的思路。图10.29给出了区群数分别为4和7个小区的覆盖。图10.29正六角型小区覆盖刚开始建立系统时，在所有基站小区都同时建立是非常昂贵的。这是因为增大发射功率会增大对相邻同频小区的干扰。图10.30小区分裂示意图对于在尺寸上更小的新小区，它们的发射功率也应该下降。

无线移动传输的传统方法是在覆盖区域的最高点建一个大功率的发射机，覆盖一个区域。由于电波传播的损耗与视线受阻影响，单个的无线发射机只能覆盖一定的区域，这就很难适应大区域通信的要求，并且这种单站式覆盖也只能支持很少数量的移动通信用户。例如，1970年纽约的Bell System 只能支持12个用户同时通话。

蜂窝技术的出现使覆盖大区域问题有了新的思路。它不用大范围内直接覆盖的方法，而是使用低功率的发射机服务一小的区域，将一个城市划分为几个甚至几十个小的区域，称为小区“Cell”。每个小区有一个发射机，而不是整个城市用一个发射机。通过将覆盖区划分为小区，使得在不同的小区内可以重用相同的频率。小区的大小可根据容量和应用环境确定。在实际中，小区的覆盖不是规则形状的，确切的小区覆盖取决于地势和其他因素，为了设计方便，通常近似假定覆盖区为规则的多边形，如全向天线小区，覆盖面积近似为圆形，为了获得全覆盖、无死角，小区面积多为正多边形，如正三角形、正四边形、正六角型。采用正六角型主要有两个原因：第一，正六角型的覆盖需要较少的小区，较少的发射站；第二，正六角型小区覆盖相对于四边形和三角形费用小。

为了降低小区间的干扰，相邻小区可能使用不同频率，而为了提高频谱效率，用空间划分的方法，在不同的空间进行频率再用。即若干个小区组成一个区群（Cluster），区群内的每个小区占用不同的频率，占用给定的频带。另一区群可重复使用相同的频带。不同区群中的相同频率的小区间产生同频干扰。图10.29给出了区群数分别为4和7个小区的覆盖。

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图10.29　正六角型小区覆盖

刚开始建立系统时，在所有基站小区都同时建立是非常昂贵的。然而一个大半径的小区可以在一段时间后，用小区分裂的方法变为几个小半径的小区。在一个小区内用户数量到达某一程度时，服务质量下降，呼通率降低时，可以用几个较低的发射功率的基站小区代替原有的一个基站区，即小区分裂。

蜂窝通信的主要特征有：①低功率的发射机和小的覆盖范围；②频率再用；③切换和中央控制；④小区分裂可用于增加容量。

1.蜂窝的类型

为了使移动通信系统的业务容量最大，同时使移动台在各种速度时切换最少，除了最大限度地提高频谱效率外，对于移动台诸如移动特性、输出功率及所用业务类型等不同参数，使用不同类型的蜂窝可能是有利的。同一地理区域同时运用不同类型的蜂窝是可能的。

根据小区覆盖的大小，蜂窝大体可分成巨区、宏区、微区及微微区，这些蜂窝类型的一些参数包括蜂窝小区半径、终端速度、安装地点、运行环境、业务量密度和适应系统。小区半径决定了无线电可靠的通信范围，它与输出功率、业务类型、接收灵敏度、编码及调制等有关；终端速度为基站与移动台的相对速度，与移动特性有关，其大小决定了区间切换的次数；基站的安装高度与蜂窝半径有关，半径越大安装高度也越大。

2.蜂窝系统中同频干扰

频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内，存在着许多使用同一组频率的小区。这些小区叫作同频小区，这些同频小区之间的信号干扰叫作同频干扰。不像热噪声可以通过增大信噪比（SNR）来克服，同频干扰不能简单地通过增大发射机的发射功率来克服。这是因为增大发射功率会增大对相邻同频小区的干扰。为了减小同频干扰，同频小区必须在物理上隔开一个最小的距离，为传播提供充分的隔离。

如果每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为小区半径（R）和相距最近的同频小区中心间距离（D）的函数。增加D/R 的值，相对于小区的覆盖距离，同频小区间的空间距离就会增加，从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小。参数q叫作同频再用比，与区群的大小N 有关。对于六边形系统来说，q可表示为

q的值越小，则容量越大。但是，q值增大，同频干扰减小，传输性能提高。在实际的蜂窝系统中，需要对这两个目标进行协调和折中。

3.小区分裂

随着用户对无线服务要求的提高，分配给每个小区的信道数量最终变得不足以支持所要达到的用户数。从这点来看，需要采用无线网络优化技术来给单位覆盖区域提供更多的信道。在实际中，一般采用小区分裂、扇区化和覆盖区域逼近等技术来增大蜂窝系统的频率复用。微小区概念能将小区覆盖分散，将小区边界延伸到难以到达的地方。小区分裂通过增加基站的数量来增加系统容量，而扇区化和微小区依靠基站天线的定位来减小同频干扰以提高系统容量。

小区分裂就是一种将拥塞的小区分成更小小区的方法，分裂后的每个小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。由于小区分裂能够提高信道的复用次数，因而能提高系统容量。通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安置这些小区，使得单位面积内的信道数目增加，从而增加系统容量。

假设每个小区都按半径的一半来分裂，如图10.30所示。为了用这些更小的小区来覆盖整个服务区域，将需要大约为原来小区数4倍的小区。以R 为半径画一个圆就容易理解了。以R 为半径的圆所覆盖的区域是以R/2为半径的圆所覆盖区域的4倍。小区数的增加将增加覆盖区域内的簇数目，这样就增加了覆盖区域内的信道数量，从而增加了容量。小区分裂通过用更小的小区代替较大的小区来允许系统的增长，同时又不影响为了维持同频小区间的最小同频复用因子所需的信道分配策略。图10.30所示为小区分裂的例子，基站放置在小区角上，假设基站A 服务区域内的话务量已经饱和（即基站A 的阻塞超过了可接受值），因此该区域需要新基站来增加区域内的信道数目，并减小单个基站的服务范围。注意到，在图中，最初的基站A 被6个新的微小区基站所包围，更小的小区是在不改变系统的频率复用计划的前提下增加的。

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图10.30　小区分裂示意图

对于在尺寸上更小的新小区，它们的发射功率也应该下降。半径为原来小区的一半的新小区的发射功率，可以通过检查在新的和旧的小区边界接收到的功率Pr，并令它们相等来得到。

4.切换

当移动用户处于通话状态时，如果出现用户从一个小区移动到另一个小区的情况，为了保证通话的连续，系统需要将对该移动用户的连接控制也从一个小区转移到另一个小区。这种将正处于通信状态的移动用户转移到新的业务信道上（新的小区）的过程称为“切换”（Handover）。因此，从本质上说，切换的目的是实现蜂窝移动通信的“无缝隙”覆盖，即当移动台从一个小区进入另一个小区时，保证通信的连续性。切换的操作不仅包括识别新的小区，而且需要分配给移动台在新小区的业务信道和控制信道。通常，有以下两个原因引起一个切换：

①信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此时移动台被切换到信号强度较强的相邻小区；

②由于某小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区。

由第一种原因引起的切换一般由移动台发起，由第二种原因引起的切换一般由上级实体发起。

切换处理在任何蜂窝无线系统中都是一项重要的任务。切换必须顺利完成，并且尽可能少地出现，同时要使用户觉察不到。为了适应这些要求，系统设计者必须要指定一个启动切换的最恰当的信号强度。一旦将某个特定的信号强度指定为基站接收机中可接受的通信质量的最小可用信号，稍微强一点的信号强度就可作为启动切换的门限。

在决定何时切换的时候，要保证所检测到的信号电平的下降不是因为瞬间的衰减，而是由于移动台正在离开当前服务的基站。为了保证这一点，基站在准备切换之前先对信号监视一段时间。

呼叫在一个小区内没有经过切换的通话时间，叫作驻留时间。某一特定用户的驻留时间受到一系列参数的影响，包括传播、干扰、用户与基站之间的距离，以及其他的随时间而变的因素。

不同的系统用不同的策略和方法来处理切换请求。一些系统处理切换请求的方式与处理初始呼叫是一样的。在这样的系统中，切换请求在新基站中失败的概率和来话的阻塞是一样的。然而，从用户的角度来看，正在进行的通话中断比偶尔的新呼叫阻塞更难以让人接受。为了提高用户所觉察到的服务质量，采用各种各样的办法来实现在分配话音信道的时候，切换请求优先于初始呼叫请求。

切换分为软切换和硬切换。

软切换是指当移动终端的通信被连到另一个小区的业务信道时，不需要中断当前服务小区的业务信道。CDMA 系统中所有小区使用相同的频率，每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态。当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去。

硬切换是指移动终端被连接到不同的移动通信系统、不同的频率分配或不同的空中接口特性时，必须断掉原来小区的无线信道，才能使用新小区的无线信道进行通信。硬切换在空中接口是先断后通的过程。

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