3.1 蜂窝移动通信基本概念

蜂窝组网技术并没有采用点对点传输和广域覆盖的模式，而是将一个移动通信服务区划分成很多正六边形小区，以此为基本几何图形的小覆盖区域（蜂窝小区）。

3.1.1 提高频率资源利用率

每个蜂窝小区都有自己的基站，基站的小功率发射机只将自己的小区域覆盖，且仅为自己的小区提供服务，每个蜂窝小区被分配一组频率，其结构如图3-2所示。通常，相邻的蜂窝小区被分配另外一组不同的工作频率，目的是避免相同频率发生相互干扰。由于每个蜂窝区基站的发射功率较小，当无线电波的能量在传播中损耗到足够微弱时，在距离足够远的另外一个基站即使重复使用相同的一组工作频率，也不会产生干扰，从而有效地进行了频率复用。

1.正六边形小区结构

正六边形对移动通信网络是非常完美的几何图形，不仅可以像蜂窝一样覆盖任何形状的服务地区，还可以提供邻接小区等距的天线机构。而当小区模型为其他形状时，很可能达不到这样的效果。例如，当小区模型为正四边形时，相邻小区的天线距离可能不相等，如图3-3（a）中所示的d1和d2；而与之对比，如图3-3（b）所示正六边形的半径被设定为它的外接圆半径，即从正六边形中心到各个顶点的距离，其值也等于正六边形各个边的长度。对于一个半径为R的蜂窝区，其中心到每个邻接蜂窝小区中心的距离。图3-4描述了一个N=4的频率复用模型。整个蜂窝无线通信系统的全部工作频率被分为4个各不相同、各自独立的频率组，共同使用全部频率的N个小区叫做区群（Cluster，也称簇）。N为区群的大小，也就是区群中的小区个数，在本例中区群的大小为4。在相邻的蜂窝区内使用不同组的工作频率，能使用同组频谱的蜂窝小区中心之间的距离为D，如图3-4所示。

蜂窝技术大大增加了移动无线网络的可用容量，比如，一个拥有一百万用户的大城市，如果给每一个用户分配一个频率，则需要极大的频谱资源，且在话务繁忙时还可能饱和。频率复用能够从有限的原始频率分配中产生几乎无限的可用频率，可以在不同的蜂窝区内允许多个并发进行的通话使用相同的频率，大大缓解频谱资源紧缺的问题，增加了用户的数量和系统的容量。

2.减小蜂窝小区干扰的措施

蜂窝小区的设计中，需要注意的问题是如何有效避免干扰，干扰是蜂窝系统性能的主要限制因素。干扰源可能来自同一小区的其他移动设备（如手机）、相邻小区正在进行的通信、使用相同频率的其他基站的同频干扰，还有可能是其他非蜂窝系统无意中渗入蜂窝系统的频带范围。

蜂窝移动通信网络中存在着许多使用同一组工作频率的小区，这些小区之间的信号干扰称为同频干扰（也称为同道干扰）。对于同频干扰，不能像克服热噪声那样通过增大信噪比来解决，也不能简单地增大发射机的发射功率，因为这样反而会增大同频干扰。减少同频干扰的方法是将同频小区隔开一个合理的距离，而这个距离的确定与小区半径和同频小区之间的距离的比值有关。在每个蜂窝区的大小相近，每个基站的发射功率也相同的情况下，小区半径R与同频小区中心距离D的比值Q有如下函数关系，即

式中，Q为同频干扰抑制因子；N为区群大小，这里也称N为复用因子。当D/R的值增加时，同频小区的空间距离相对增加，所以来自同频小区的射频能量将减少，从而干扰也将减小。

来自相邻频率的信号干扰称为邻频干扰。邻频干扰是由于接收机滤波器的滤波特性不理想而造成的，也就是相邻频道的信号渗透到传输带宽中，因此可以通过精确设计滤波器和信道分配策略，使其干扰减小。将连续的信道分配给不同的小区，使小区内的信道频率间隔尽可能地大。

3.1.2 蜂窝移动电话的工作过程

在每个蜂窝小区的中心点设置一个基站，基站包括一副天线、一个控制器和大量的收/发信机。其中控制器用于处理移动单元和网络其余部分的呼叫过程。在任一时刻，可能有大量活跃的移动台（如手机）在一个蜂窝区内移动并与基站联络。每个基站（BS）都连接到一个移动电话交换局（MSC），每个MSC为多个基站提供服务。通常，MSC与基站之间的链路是有线链路，当然用无线链路也是可以的。MSC连接并处理移动设备之间的业务，同时，MSC也连接到公共电话或电信网络，且能够连接公用网的固定用户和蜂窝式网络的移动用户。MSC为每个呼叫分配语音信道，执行越区切换，并根据计费信息监控呼叫，图3-5所示为蜂窝式移动电话系统的工作示意图。

1.移动电话的呼叫流程

移动电话完成一次呼叫通话的流程如下。

（1）移动设备初始化。蜂窝系统在不同的信道上反复广播，当移动设备（如手机）打开时，扫描该蜂窝系统所使用的控制信道，选择最强信号的信道建立控制信道并监控该信道。移动设备在它将要工作的蜂窝区中自动寻找基站天线。由于移动设备的移动状态，只要移动设备开机，该扫描过程将周而复始地重复进行，一旦移动设备进入新的蜂窝小区，则选取新的基站。

（2）移动设备发起呼叫。通过在预选的信道上发送被叫设备的号码，移动设备发起一次呼叫，通过下行链路（基站向移动台）的校验信息，移动设备的接收器检测信道是否空闲。当检测到一条空闲信道时，移动设备会在相应的上行链路（移动台向基站）上发射请求信号，基站将请求信号送至MSC。

（3）寻呼。MSC根据被叫移动设备号码，将寻呼消息发送给某些基站，每个基站在自己所分配的信道上发射寻呼信号。

（4）接收呼叫。被叫移动设备在被监控的信道上认出它的号码并向基站做出响应，该基站将响应送往MSC，MSC将在主信道与被叫信道之间建立一条电信链路。同时，MSC在每个基站所在蜂窝区中选择一个可用信道，并通知每个基站，这些基站将依次通知它们的移动台。将这两个移动台调至在它们各自分配的业务信道上。

（5）继续呼叫。当连接继续时，两个移动设备通过各自的基站与MSC交换语音或数字信号。

（6）越区切换。如果在连接过程中，一个移动设备越出一个蜂窝小区后进入另一个蜂窝小区的范围，业务信道不得不改为新蜂窝区中一条已分配给基站的信道，系统在不需切断呼叫的情况下，完成这次连接更改。

（7）结束呼叫。当两个用户之一挂机时，MSC收到信息，释放两个基站的业务信道。

2.意外情况的发生

在呼叫中有可能发生以下意外情况：

（1）呼叫阻塞。在移动设备初始化阶段，如果所有分配给最近基站的业务信道都没有空闲，则该设备反复尝试预先设定号码。经过几次呼叫失败后，将忙音返回用户。

（2）掉话。在连接过程中，由于在某些地区存在干扰或信号太弱等现象，基站无法在某段时间内维持所需要的最小信号强度，通向用户的业务信道会被关闭，造成掉话现象的发生，并告知MSC。