目前移动通信的频率主要集中在UHF频段。根据其电波的视距传播特性可知,一个基站发射的电磁波只能在有限的区域内被移动台接收,这个能为移动用户提供服务的范围称为无线覆盖Ⅸ,或称为无线小区。一个大的服务区可以划分为若干个无线小区;反之若干个无线小区彼此相邻接可以组成一个大的服务区。如果再用专门的线路和设备将这些大的服务区相连接,就构成了移动通信网。一般来说,移动通信网的服务区域覆盖方式可分为两类。一类是小容量的大区制,另一类是大容量的小区制(蜂窝系统)。
1.小容量的大区制移动通信网
大区制就是在一个服务区域(如一个城市)内只有一个或几个基站,并由基站负责与各移动台的联络和控制。
为了扩大服务区域的范围,基站天线一般架设得很高,发射机输出功率也较大(一般在200W左右),其覆盖半径为30~50km。基本上保证在大区域范围内移动台能接收到基站发来的信号。
通常由于移动台电池容量有限,移动台发射机的输出功率较小。故移动台距基站较远时,移动台可以接收到基站发来的信号(即下行信号),但基站却不一定能收到移动台发出的信号(即上行信号)。为了解决两个方向通信不一致的问题,可以在服务区域中的若干个适当地点设立分集接收站。利用分集接收,来保证在服务区内的双向通信质量。在大区制中,为了避免相互间的干扰,在服务区内的所有信道(一个信道包含收、发一对频率)的频率都不能重复,否则会产生严重的同信道干扰。因此,这种体制的频率利用率和通信容量都受到了限制,不能满足用户数量急剧增长的需要。
大区制只能适用于小容量的通信网,例如用户数在1000以下。这种制式的控制方式简单,设备成本低,适用于中小城市、工矿区以及专业部门,是发展专用移动通信网可选用的制式。在开展移动通信业务的初期,因为用户较少,话务量也不大,为节约初期工程投资,可按大区制设计考虑。但是从长期规划来说,为了满足用户数量的增长,提高频率利用率,就需采用小区制。
2.大容量的小区制(蜂窝)移动通信网
小区制就是把整个服务区划分为若干个无线小区,每个小区分别设置一个基站,负责本区移动通信的联络和控制。同时设置一个移动业务交换中心,统一控制这些基站协调工作,保证每个移动用户只要在其服务区域内,不论在哪个无线小区内,都能实现小区之间移动用户通信的转接,以及移动用户与市话用户的联系。小区制(蜂窝)是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破。它能在有限的频谱上提供较大的容量,而不需要做技术上的重大修改。其原理是用许多小功率发射机来代替单个大功率发射机,每一个小的覆盖区只提供服务范围内一小部分覆盖。可以把服务区域分成几个小区,每个小区各设一个小功率基站,发射功率一般为5~20W,以满足各无线小区移动通信的需要。随着用户数的不断增加,无线小区还可以继续划小为微小区和微微小区,以不断适应用户数增长的需要。在实际中,用小区分裂、小区扇形化和覆盖区域逼近等技术来增大蜂窝系统容量。小区分裂是将拥塞的小区分成更小的小区,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。由于小区分裂提高了信道复用次数,因而使系统容量有了明显提高。小区扇形化是依靠基站方向性天线来减少同信道干扰,提高系统容量。通常一个小区划分为3个120°的扇区或6个60°的扇区。
采用小区制不仅提高了频率利用率,而且由于基站功率减小,也使相互间的干扰减少。此外无线小区的范围还可根据实际用户数的多少来确定,具有组网的灵活性。采用小区制最大的优点是有效地解决了信道数量有限和用户数增大之间的矛盾。但是这种体制,由于将无线小区范围划小,网络结构将趋复杂;各无线小区的基站之间要进行信息交换,需要有交换设备,并且各基站至交换局都要有一个中继线,会使成本增加;在移动台通话过程中,从一个小区转入另一个小区时,移动台需要经常地更换工作信道;无线小区的范围越小,通话中切换信道的次数就越多,这样对控制交换功能的要求就提高了,所以无线小区的范围不宜过小。通常需根据用户密度或业务量的大小来确定无线小区半径。
由于小区制组网灵活,它可以根据服务对象和地形的不同对服务区域做灵活划分,通常有两种划分方法,即带状服务覆盖区和面状服务覆盖区。(www.daowen.com)
(1)带状服务覆盖区。
列车的无线电话、长途汽车的无线电话,以及沿海内和航行的船舶无线电话系统等都属于带状服务区。这种服务区域的无线小区,是按横向排列来覆盖整个服务区。因此在服务区域比较狭窄时,带状服务覆盖网的基站可以使用定向天线.这样整个系统是由许多细长的无线小区相连而成,因此也称“链状网”。从造价和频率资源的利用率来考虑,双频组最好,但双频组的抗同信道的干扰性能比较差。
面状服务覆盖区的实际形状取决于电波传播条件和天线的方向性。如果服务区的地形、地物相同,且基站采用全向天线,它的覆盖面积基本上是一个圆。为了不留空隙地覆盖整个服务区,一个个圆形的无线小区之间会有重叠。每个小区实际上的有效覆盖区是一个圆的内接多边形。根据重叠情况不同,这些多边形有正三角形、正方形或正六边形。
在这3种小区结构中,正六边形小区的中心间隔和覆盖面积都是最大的,而重叠区域宽和面积又是最小的。也就是说,对于同样大小的服务区域,采用正六边形构成的小区所需的水区数最少,所需频率组数最少,各基站间的同信道干扰最小。由于小区采用了正六边形小区结构,形成蜂窝状分布,故小区制也称蜂窝制。由于公用移动电话网均采用这种体制,所以公用移动电话也称蜂窝移动通信。
在移动通信系统中,对基站进行选址和分配信道组的设计过程称为频率规划。由于地形、地物等因素的影响,不可避免地会出现电场覆盖不到的地区,通常把这种地区称盲区或死角。为了消除这种盲区,常常在适当的地方建立直放站(也称同频中继站),来连接盲区移动台与基站之间的通信。直放站的主要功能是把基站部分信道引过来,来实现接收和转发来自基站和移动台的信号。
当用正六边形来模拟覆盖范围时,基站发射机可安置在小区的中心或者安置在6个小区顶点之中的3个点上,前者称为中心激励方式,后者称为顶点激励方式。通常中心激励方式采用全向天线,顶点激励方式采用扇形天线。
(3)蜂窝网的无线区群的组成。
现代公众蜂窝移动电话网,通常是先由若干个邻接的无线小区组成一个无线区群,再由若干无线区群组成一个服务区。所谓区群是指由采用不同信道的若干小区组成的覆盖区域。由于频率资源有限,我们不可能使所有区群都使用不同的频率,而尽可能将相同的频率在一定的距离内重复使用,即频率复用。为了实现频率复用,又不产生同信道之间的干扰,就必须要求每个区群中的无线小区不得使用相同频率。只有在不同区群中的无线小区,并保证同频无线小区之间的距离足够大时,才能进行频率复用。
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