蜂窩概念 - 簡介

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由於連線電線的限制，傳統電話的巨大潛力無法得到最大限度的發揮。但是，隨著蜂窩無線電的出現，這一限制已經被消除。

頻譜稀缺問題

如果我們為每個使用者使用專用的射頻環路，那麼即使在一個城市中為有限數量的使用者提供服務，也需要更大的頻寬。

示例

單個射頻環路需要 50 kHz 頻寬；那麼對於十萬使用者，我們需要 100,000 x 50 kHz = 5 GHz。

為了克服這個頻寬問題，使用者必須根據需要共享射頻通道，而不是使用專用的射頻環路。這可以透過使用多址接入方法 FDMA、TDMA 或 CDMA 來實現。即便如此，為使用者提供服務所需的射頻通道數量仍然是不切實際的。

示例

考慮使用者密度為 30 平方公里，服務等級為 1%，每個移動使用者的業務量為 30mE。那麼所需的射頻通道數量為：

為了分配 360 個無線通道給 10,000 個使用者，我們需要 360 × 50 KHz = 18 MHz 的頻寬。這實際上是不可行的。

蜂窩方法

在有限的頻率資源下，蜂窩原理可以以可承受的成本為數千使用者提供服務。在蜂窩網路中，總面積被細分為較小的區域，稱為“小區”。每個小區可以在其邊界內覆蓋有限數量的移動使用者。每個小區可以有一個基站，並擁有多個射頻通道。

在給定小區區域中使用的頻率將在地理位置上分隔的不同小區中同時複用。例如，可以考慮一個典型的七小區模式。

可用的總頻率資源被分成七部分，每部分包含多個無線通道並分配給一個小區站點。在一組 7 個小區中，可用的頻譜被完全消耗。在一定距離後，可以再次使用相同的七組頻率。

其中可用的頻譜被完全消耗的小區組稱為小區簇。

在相鄰簇中具有相同編號的兩個小區使用相同的射頻通道集，因此被稱為“同頻小區”。使用相同頻率的小區之間的距離應足夠大，以將同頻干擾保持在可接受的水平。因此，蜂窩系統受到同頻干擾的限制。

因此，蜂窩原理可以實現以下幾點：

• 更有效地利用有限的可用射頻資源。

• 在一個區域內製造每部使用者終端都具有相同通道集，以便任何移動裝置都可以在該區域內的任何地方使用。

小區形狀

出於分析目的，由於以下原因，在紙面上優選“六邊形”小區而不是其他形狀。

• 六邊形佈局需要較少的小區來覆蓋給定區域。因此，它意味著較少的基站和最低的資本投資。

• 其他幾何形狀無法有效地做到這一點。例如，如果有圓形小區，那麼就會出現小區重疊。

• 同樣，對於給定的面積，在正方形、三角形和六邊形中，六邊形的半徑最大，這是較弱的移動裝置所需的。

實際上，小區不是六邊形的，而是形狀不規則的，這取決於無線電波在地形上的傳播、障礙物和其他地理限制等因素。需要複雜的計算機程式來將一個區域劃分為小區。西門子的“Tornado”就是一個這樣的程式。

執行環境

由於移動性，基站和移動終端之間的無線電訊號在從發射機到接收機的傳輸過程中會發生各種變化，即使在同一小區內也是如此。這些變化是由於：

• 發射機和接收機的物理分離。
• 路徑的物理環境，即地形、建築物和其他障礙物。

慢衰落

• 在自由空間條件（或）視距條件下，射頻訊號傳播常數被認為是 2，即 r = 2。這適用於靜態無線電系統。

• 在移動環境中，這些變化是明顯的，通常將‘r’取為 3 到 4。

瑞利衰落

在移動環境中，基站和移動裝置之間的直接視線無法保證，接收機接收到的訊號是透過不同路徑到達的多個訊號之和（多徑）。射頻波的多徑傳播是由於射頻能量從山丘、建築物、卡車或飛機等反射造成的；反射能量也發生相位變化。

如果有 180 度與直達路徑訊號反相的訊號，它們往往會相互抵消。因此，多徑訊號往往會降低訊號強度。根據發射機和接收機的地理位置以及路徑長度上各種反射障礙物的不同，訊號會發生波動。波動發生得很快，被稱為“瑞利衰落”。

此外，多徑傳播會導致“脈衝展寬”和“符號間干擾”。

多普勒效應

由於使用者的移動性，接收到的射頻訊號的頻率會發生變化。蜂窩移動系統使用以下技術來應對這些問題：

• 通道編碼
• 交織
• 均衡
• rake 接收機
• 慢速跳頻
• 天線分集

同頻干擾和小區分隔

我們假設一個蜂窩系統具有小區半徑“R”和同頻距離“D”以及簇大小“N”。由於小區大小是固定的，因此同頻干擾將與功率無關。

同頻干擾是“q” = D/R 的函式。

Q = 同頻干擾衰減因子。

較高的“q”值意味著較少的干擾。

較低的“q”值意味著較高的干擾。

“q”也與簇大小 (N) 相關，因為 q = 3√N

q = 3√N = D/R

對於不同的 N 值，q 為：

N = 1 3 4 7 9 12
Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00

較高的“q”值

• 減少同頻干擾，
• 導致較高的“N”值（更多小區/簇），
• 每個小區的通道數較少，
• 較低的流量處理能力。

較低的“q”值

• 增加同頻干擾，
• 導致較低的“n”值（更少的小區/簇），
• 每個小區的通道數更多，
• 更高的流量處理能力。

通常，N = 4、7、12。

C/I 計算和 ‘q’

“q”的值也取決於 C/I。“C”是從所需發射機接收到的載波功率，“I”是從所有干擾小區接收到的同頻干擾。對於七小區複用模式，同頻干擾小區的數量應為六個。

訊號損失與 (距離)^-r 成正比

R – 傳播常數。

c α R^-r

R = 小區半徑。

I α 6D^-r

D = 同頻分離距離

C/I = R^-r / 6D^-r = 1/6 × (D/R)^r = 1/6 (D/R)^r

C/I = 1/6 q^r 因為 q = D/R 且 q^r = 6C/I

Q = [6 × C/I]^1/r

根據可接受的語音質量，C/I 值被發現等於 18 dB。

假設：

• 七小區複用模式
• 全向天線

“q”的值通常約為 4.6。

r 值取為 3。

這是理想條件，考慮到移動單元到干擾小區的距離在所有情況下都均勻地等於“D”。但實際上，移動裝置會移動，“D”會減少到“D-R”，當它到達小區邊界時，C/I 會下降到 14.47 dB。

因此，使用全向天線時，7 的‘頻率’複用模式不滿足 C/I 標準。

如果 N = 9（或）12，

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

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

因此，使用全向天線時，必須採用 9 或 12 小區模式，但流量處理能力會降低。因此，它們並不受歡迎。

為了使用 N = 7（或更低），每個小區站點都使用定向天線。一個具有 3 個扇區的小區非常流行，就像下圖所示。

天線的前後耦合現象減少了潛在干擾器的數量。

例如，如果 N = 7。

使用全向天線時，干擾小區的數量應為六個。使用定向天線和 3 個扇區時，該數量減少到兩個。對於 N = 7 和三個扇區，即使在最壞的情況下，C/I 也從 14.47 dB 提高到 24.5 dB。然後 C/I 滿足 18dB 的要求。對於 N = 7 和六個扇區，C/I 提高到 29 dB。

對於城市應用，使用 N = 4 和三個扇區的小區，以便比 N = 7 獲得每個小區更多的載波數。在最壞的情況下，C/I 也達到 20 dB。

DAMPS 使用 7/21 小區模式

GSM 使用 4/21 小區模式

扇區化的優點

• 減少同頻干擾
• 提高系統容量

扇區化的缺點

• 基站天線數量多。
• 每個小區的扇區數量增加會降低叢集效率
• 扇區化減少了特定通道組的覆蓋範圍。
• “切換”次數增加。

切換

當移動單元沿路徑移動時，它會穿過不同的小區。每次進入與不同頻率相關的不同小區時，移動裝置的控制都會由另一個基站接管。這被稱為“切換”。

切換是根據以下因素決定的：

• 如果接收到的訊號強度資訊低於閾值。
• 載波干擾比小於 18 dB。

鄰道干擾

給定的小區/扇區使用多個射頻通道。由於不完善的接收機濾波器允許附近的頻率洩漏到通帶，因此會發生鄰道干擾。

可以透過儘可能增大給定小區中每個射頻通道之間的頻率間隔來減少它。當複用因子較小時，此間隔可能不足。

透過選擇間隔超過 6 個通道的射頻頻率來進行通道分離，足以將鄰道干擾控制在限制範圍內。

例如，在遵循 4/12 模式的 GSM 中，N = 4

扇區 = 3/小區

IA 將使用射頻載波 1、13、25……

IB 將使用射頻載波 5、17、29……

IC 將使用射頻載波 9、21、33……以此類推。

通道複用

蜂窩無線電依靠通道複用來在有限的無線電頻譜中容納大量的使用者。每個使用者根據需要/每次呼叫分配一個通道，並且在呼叫終止時，通道將返回到公共的射頻通道池。

服務等級 (GOS)

由於通道複用，如果所有射頻通道都被佔用，則呼叫可能會被阻塞。這稱為“服務等級”或“GOS”。

蜂窩設計人員估算最大所需容量並分配適當數量的射頻通道，以滿足 GOS。對於這些計算，使用“Erlang B”表。

小區分割

當用戶的數量在一個啟動小區（初始設計）中達到飽和，並且沒有更多的備用頻率可用時，則將啟動小區分割成通常四個較小的單元，流量增加四倍，可以服務更多使用者。

經過“n”次分割後，流量將為：

T2 = T0 × 4ⁿ

功率將降低：

P2 = P0 – n × 12 dB

因此，小區分割提高了容量並降低了發射功率。