移动通信系统中蜂窝的几个概念

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宏蜂窝小区

  传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区(macrocell)构成,每小区的覆盖半径大多为1km~25km。由于覆盖半径较大,所以基站的发射功率较强,一般在10W以上,天线也做得较高。图1是由宏蜂窝组成的移动通信系统示意图。如图所示,每个小区分别设有一个基站,它与处于其服务区内的移动台建立无线通信链路。若干个小区组成一个区群(蜂窝),区群内各个小区的基站可通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心(MSC)相连。移动交换中心通过PCM电路与市话交换局相连接。 

图1  宏蜂窝移动通信系统示意图

图1  宏蜂窝移动通信系统示意图

  在实际的宏蜂窝内,通常存在着两种特殊的微小区域。一是“盲点”,由于网络漏覆盖或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因,使得该区域的信号强度极弱,通信质量低劣;二是“热点”,由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域,造成空间业务负荷的不均匀分布。以上两“点”问题,往往通过设置直放站、分裂小区等办法来加以解决。但从原理上讲,这两种办法也不能无限制地使用:直放站实质是一个宽带放大器,设置不合理(包括选址及安装等)或设置得过多,都极易造成对周围信号的干扰;小区分裂实质就是采用使宏基站变密的办法(即将覆盖面大的基站分裂成覆盖面较小的基站)来增加系统的容量,但当基站小到一定程度时,由于干扰和基站接入等问题,这种办法将难以再进行。特别是近几年来,随着移动通信的迅速发展和业务需求的剧增,这些方法更是难奏其效,这样便产生了微蜂窝小区(microcell)技术。

微蜂窝小区

  微蜂窝小区(microcell)是在宏蜂窝小区的基础上发展起来的一门技术。它的覆盖半径大约为30m~300m;发射功率较小,一般在1W以下;基站天线置于相对低的地方,如屋顶下方,高于地面5m~10m,传播主要沿着街道的视线进行,信号在楼顶的泄露小。因此,微蜂窝最初被用来加大无线电覆盖,消除宏蜂窝中的“盲点”。同时由于低发射功率的微蜂窝基站允许较小的频率复用距离,每个单元区域的信道数量较多,因此业务密度得到了巨大的增长,且RF干扰很低,将它安置在宏蜂窝的“热点”上,可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。

  在实际设计中,微蜂窝作为无线覆盖的补充,一般用于宏蜂窝覆盖不到又有较大话务量的地点,如地下会议室、娱乐室、地铁、隧道等。作为热点应用的场合一般是话务量比较集中的地区,如购物中心、娱乐中心、会议中心、商务楼、停车场等地。而在话务量很高的商业街道等地则可采用多层网形式进行连续覆盖,即分级蜂窝结构:不同尺寸的小区重叠起来,不同发射功率的基站紧密相邻并同时存在,使得整个通信网络呈现出多层次的结构。相邻微蜂窝的切换都回到所在的宏蜂窝上,宏蜂窝的广域大功率覆盖可看成是宏蜂窝上层网络,并作为移动用户在两个微蜂窝区间移动时的“安全网”,而大量的微蜂窝则构成微蜂窝下层网络。

微微蜂窝小区

  随着容量需求进一步增长,运营者可按同一规则安装第三或第四层网络,即微微蜂窝小区(picocell)。微微蜂窝实质就是微蜂窝的一种,只是它的覆盖半径更小,一般只有10m~30m;基站发射功率更小,大约在几十毫瓦左右;其天线一般装于建筑物内业务集中地点。微微蜂窝也是作为网络覆盖的一种补充形式而存在的,它主要用来解决商业中心、会议中心等室内“热点”的通信问题。  在目前的蜂窝式移动通信系统中,我们主要通过在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更多的“内含”蜂窝,形成分级蜂窝结构,从而解决网络内的“盲点”和“热点”,提高网络容量的。因此,一个多层次网络,往往是由一个上层宏蜂窝网络和数个下层微蜂窝网络组成的多元蜂窝系统。如图2所示。 

图2  三层分级蜂窝结构

图2  三层分级蜂窝结构

  图2为一个三层分级蜂窝结构示意图,它包括宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝。每种蜂窝执行早已定义好的不同功能,即:宏蜂窝用于处理快速移动车辆的业务;微蜂窝处理慢速移动,集中于步行或交通阻塞车辆的业务;微微蜂窝用于覆盖商场和办公区等室内区域。将负载按这种方式分层的原因与切换功能有关,因为车载电话在微蜂窝间快速移动会产生频繁切换,加重网络的负担,从网络管理出发,将产生频繁切换的业务转移到较小切换的宏蜂窝,将提高网络效率。慢速移动的车辆,由于它穿过蜂窝边界需花较长的时间,产生切换的可能性较小,因此由微蜂窝来处理这类业务。

  当用户接入时,系统根据所测得的信号强度和各蜂窝的容量为某一呼叫选择最恰当的蜂窝(宏蜂窝、微蜂窝或微微蜂窝),层间切换与普通的蜂窝切换一样,切换点由系统决定,由GSM移动台自动辅助切换测量来完成,切换过程还取决于当时各级的容量,如果微蜂窝和微微蜂窝已饱和,业务将切换至更高一级的蜂窝。

智能蜂窝

  随着移动通信的不断发展,近年来又出现了一种新型的蜂窝形式:智能蜂窝。所谓智能蜂窝,它是相对于智能天线而言的,是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线系统,智能地监测移动台所处的位置,并以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。智能天线利用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。因此,智能蜂窝小区的应用,必将极大地改善系统性能。具体而言,智能蜂窝将在以下方面提高未来移动通信的系统性能:

  ①扩大系统覆盖区域;  ②提高频谱利用率,增加系统容量;  ③降低基站发射功率,减少信号间干扰;  ④减少电磁环境污染;  ⑤节省系统成本。  智能蜂窝既可以是宏蜂窝,也可以是微蜂窝和微微蜂窝。这项技术正在研制过程中。