蜂窝网络

蜂窝网络

--无线局域网课程报告

班级：08041203 学号：********** 姓名：***

前言

在本学期《无线局域网》课程中，我初步了解到了无线网络的优势劣势以及其的一些关键技术，例如CSMA/CA,RTS/CTS机制等。然而课程中介绍的是无线网络的一个分支无线局域网（WLAN、WiFi），虽然在家庭或者公司等场合使用起来很方便，适用于数据量较大的服务，但它覆盖范围较小，限制了使用；而无线网络另一重要分支的蜂窝移动通信网络的覆盖范围则更加广阔，在我们使用手机通话、上网时，使用的便是蜂窝移动网络。在充分理解无线局域网的基础上，我选择了研究蜂窝移动网络作为对这门课程的扩展，期间我在图书馆查阅了不少相关书籍对蜂窝网络的关键技术有了基本的了解。

早期的移动通信采用大区制的场强覆盖，即由一个基站覆盖一个较大的服务区，半径约为30~50km的范围。为了满足电波场强覆盖的要求，通常需要很大的发射功率和很高的天线塔。这种通信方式固然简单，但它的缺点也很明显：覆盖范围有限，数据容量有限频道利用率低，硬件设备受限等。

为了克服大区制移动通信的缺点，提高系统容量和有效地利用频率资源，人们从蜂巢中受到启发并应用的实际中，提出了小区制蜂窝移动网络的概念。蜂窝移动网络从最初单纯的语音通话发展到现在的高速的视频点播，其中的技术改进显而易见。然而，蜂窝网络最基本的思想却并未改变。作为通信工程专业的一名学生，在把握行业先进技术的同时，了解通信行业的过去也是一件十分有必要的事。如今蜂窝网络发展到第四代LTE,但本文由于篇幅限制，选择2G作为研究对象，只求对其关键技术做简单的阐述。

蜂窝通信系统

蜂窝网络结构

蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学结论，即以相同半径的圆形覆盖平面, 当圆心处于正六边形网格的各正六边形中心，也就是当圆心处于正三角网格的格点时所用圆的数量最少。虽然使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形即使要求结点在一个如同晶格般有平移特性的网格上也仍是有待求解的未知问题，但在通讯中，使用圆形来表述实践要求通常是合理的，因此出于节约设备构建成本的考虑，正三角网格或者也称为简单六角网格是最好的选择。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。

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基站（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。

蜂窝网络频率复用

在频分信道体制的蜂房系统中，每个小区占有一定的频段，而且各个小区间占用的频道是不同的。假设每个小区分配一组载波频率，为了避免相邻的小区之间产生干扰，各个小区的载波频率应当不同。因为频率资源是有限的，当小区覆盖不断扩大，小区数目不断增加时，将出现频率资源不足的问题。因此，在小区制蜂房覆盖结构中，用空间划分方法，在不同空间进行频率复用，进而提高频率利用率。即将若干个小区组成一个区群，区群内的每个小区占有不同的频带。另一区群可以重复使用相同的频带。不同的区群中相同频率的小区将产生同频干扰。但是，当同频小区之间的距离足够远时，可以近似消除同频干扰。

以上图为例，图中每个区群由7个小区构成，数字1~7代表不同的载波频率。

区群结构和区群内小区数目N的关系为:

其中a，b为相邻同频小气之间的间隔小区数，取整数且不同时为零。

采用区群拼接覆盖大区的方式很容易就能扩展覆盖范围，同时降低对基站等通信设备的要求。

蜂窝网络的同信道干扰

当频率复用时，相邻区群的同频小区因为具有相同的载波频率而会产生一定的干扰，称之为同信道干扰。为了保证通信质量，要求接收端处的有用信号和干扰信号满足一定的载干比，即C/I=载波信号强度/干扰信号强度。而影响载干比的因素是区群结构和小区覆盖。若同信道小区的距离为D，小区半径为R，则可用同信道干扰衰减因子q来表征，有q=D/R 在系统设计时，若本小区载波信号最大的传播距离为R，而M个同频小区干扰信号的传播距离为D，若路径损耗按距离的4次方计算则载干比C/I可表示为C/I=q4/M,同信道干扰衰减因子对改善载干比很重要

蜂窝网络中的信道切换

在《无线局域网》课程中，我们也遇到过切换问题，当时我们通过比较两个AP的信号强度来判断是否需要切换。假设有两个AP分别为A和B，移动终端由A向B移动，当信号强度Pa-Pb=k（临界值）时，切换AP，之所以不选择两者相等时切换是为了防止信号强度的抖动导致反复切换。

而在蜂窝网络中也经常需要信道的切换，这种切换分为两种：越区切换和漫游切换。当一个移动用户在交换服务辖区内的不同小区内移动时发生的切换称为越区切换，而在不同交换服务辖区边界发生的切换称为漫游切换，也就是我们使用手机时通常所说的漫游。其区别可用下图简单描述：

其中前四个小区属于同一个交换服务辖区，后面的则属于另一个.C1->C2->C3->C4都属于越区切换，而C4->C1属于漫游切换。判断切换的标准则可以依据信号强度或者载干比。

蜂窝网络的多址接入技术

蜂窝网络中常用的多址接入技术包括频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等，其中FDMA和TDMA在无线局域网课程中已做基本介绍，FDMA是以频道不同来区分地址的，其特点是频带独占，而时间资源共享；TDMA时以时隙的不同来区分地址的，其特点是时隙独占，而频率资源共享。在国内我们经常听到的CDMA和CDMA2000，分别代表这电信的2G和3G网络，实际上CDMA是一种多址接入技术，是基于不同的码型来分割信道。每个移动用户分配有一个地址码，而这些码型互不重叠。其特点是频率和时间资源均为共享，因此在当今频率和时间资源短缺的环境下是一个十分不错的选择，这正是CDMA受到人们广泛关注的原因。码分多址(CDMA)是在数字技术的分支--扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

蜂窝网络的优缺点

优点：1.可以以区群为单位实现频率复用，实现频率资源的有效利用。

2.可以一区群为单位不断向外扩展覆盖范围。

3当某小区内通信量增加到小区不足以处理时，可采用小区分裂等方式扩展容量。

关于第三条，我曾经遇到过一个问题。去年9月份，华为来学校开宣讲会，当时在翱翔搞了一个活动，大家一起打屏幕上的电话，谁先接通送手机。这时候大部分人都无法接通，首先当初设计的时候没有考虑到这么大的通信容量，毕竟打电话的时间本来不多，而且大部分都是分开的，不会出现这么多人同时打电话的情况。那么如何解决这个问题呢？一个方法就是蜂窝分裂，将大的蜂窝裂变为小的蜂窝来提高系统的通信容量。但是实际上运营商不会傻到这样浪费钱，只要能保证大家的基本通信即可，毕竟这种情况很少出现。或者可以采用软件的方法，在通话请求较多时忽略一部分，优先处理一部分。

缺点：1.相邻区群的同频小区存在同频率干扰。

2.蜂窝不能无线分裂，因而限制了系统容量的增加。