淺談蜂窩無線通信系統(tǒng)

姚婧 馬志悅

摘 要 隨著無線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展以及無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的迅速提高，基于無線網(wǎng)絡(luò)下的快速移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控具有廣泛的應(yīng)用前景。由于實(shí)時(shí)監(jiān)控會(huì)涉及到大量的音視頻數(shù)據(jù)的傳輸，且無線網(wǎng)絡(luò)信道又具有易錯(cuò)、時(shí)變和帶限的特點(diǎn)，且多徑現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致慢衰落和快衰落，使得信道誤比特率要比有線環(huán)境大得多，且隨著基站和終端位置、方向的改變而變化很大。人們開發(fā)出了許多無線通信系統(tǒng)，為不同的運(yùn)行環(huán)境中的固定用戶或移動(dòng)用戶提供了接入到通信基礎(chǔ)設(shè)施的手段。

關(guān)鍵詞 蜂窩網(wǎng)絡(luò) 無線通信 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1蜂窩無線通信

1.1無線網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)：由多個(gè)通信點(diǎn)和通信鏈路，按照一定的組織形式所構(gòu)成的通信系統(tǒng)的統(tǒng)一體。廣義地講，它包括一切用于傳遞信息的網(wǎng)絡(luò)，它是實(shí)現(xiàn)信息傳遞的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。

通信點(diǎn)和通信鏈路是通信網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)基本要素。如果通信鏈路是有線的（例如雙絞線、光纖等），則對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)為有線網(wǎng)絡(luò);如果通信鏈路是無線的（依靠電磁波進(jìn)行傳輸），則對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)為無線網(wǎng)絡(luò)。

1.2 蜂窩網(wǎng)絡(luò)

無線通信鏈路具有惡劣的物理信道特征，比如由于傳播途徑中有再大的障礙物，會(huì)產(chǎn)生時(shí)變多徑和陰影。此外，無線蜂窩系統(tǒng)的性能還會(huì)受限于來自其他用戶的干擾，因此，對干擾進(jìn)行準(zhǔn)確的建模就很重要。很難用簡單的解析模型來描述復(fù)雜的信道條件，雖然有集中模型確實(shí)易于解析求解并與信道實(shí)測數(shù)據(jù)比較相符，不過，即使建立了完美的信道解析模型，再把差錯(cuò)控制編碼、均衡器、分集及網(wǎng)絡(luò)模型等因素都考慮再鏈路中之后，要得出鏈路性能的解析在絕大多數(shù)情況下任然是很困難的甚至是不可能的。因此，在分析蜂窩通信鏈路的性能時(shí)，常常需要進(jìn)行仿真。

1.3 蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)

跟無線鏈路一樣，對蜂窩無線系統(tǒng)的性能分析使用仿真建模時(shí)很有效的，這是由于在時(shí)間和空間上對大量的隨機(jī)事件進(jìn)行建模非常困難。這些隨機(jī)事件包括用戶的位置、系統(tǒng)中同時(shí)通信的用戶個(gè)數(shù)、傳播條件、每個(gè)用戶的干擾和功率級的設(shè)置、每個(gè)用戶的話務(wù)量需求等，這些因素共同作用，對系統(tǒng)中的一個(gè)典型用戶的總的性能產(chǎn)生影響。前面提到的變量僅僅是任一時(shí)刻決定系統(tǒng)中的某個(gè)用戶瞬態(tài)性能的許多關(guān)鍵物理參數(shù)中的一小部分。蜂窩無線系統(tǒng)指的是，在地理上的服務(wù)區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)用戶和基站的全體，而不是將一個(gè)用戶連接到一個(gè)基站的單個(gè)鏈路。為了設(shè)計(jì)特定大的系統(tǒng)級性能，比如某個(gè)用戶在整個(gè)系統(tǒng)中得到滿意服務(wù)的可能性，就得考慮在覆蓋區(qū)域內(nèi)同時(shí)使用系統(tǒng)的多個(gè)用戶所帶來的復(fù)雜性。因此，需要仿真來考慮多個(gè)用戶對基站和移動(dòng)臺(tái)之間任何一條鏈路所產(chǎn)生的影響。

鏈路性能是一個(gè)小尺度現(xiàn)象，它處理的是小的局部區(qū)域內(nèi)或者短的時(shí)間間隔內(nèi)信道的順時(shí)變化，這種情況下可假設(shè)平均接收功率不變。在設(shè)計(jì)差錯(cuò)控制碼、均衡器和其他用來消除信道所產(chǎn)生的瞬時(shí)影響的部件時(shí)，這種假設(shè)時(shí)合理的。但是，在大量用戶分布在一個(gè)廣闊的地理范圍內(nèi)時(shí)，為了確定整個(gè)系統(tǒng)的性能，有必要引入大尺度效應(yīng)進(jìn)行分析，比如在大的距離范圍內(nèi)考慮單個(gè)用戶受到的干擾和信號電平的統(tǒng)計(jì)行為時(shí)，忽略瞬時(shí)信道特征。我們可以將鏈路級仿真看作通信系統(tǒng)性能的微調(diào)，而將系統(tǒng)級仿真看作時(shí)整體質(zhì)量水平粗略但很重要的近似，任何用戶在任何時(shí)候都可預(yù)計(jì)達(dá)到這個(gè)水平。

2 無線網(wǎng)絡(luò)分類

（1）衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)（Satellite Network）

這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供全球覆蓋，但是其資費(fèi)水平很高，傳輸時(shí)延也很大（LEO的傳輸時(shí)延約為20-25ms，GEO的傳輸時(shí)延約為250-280ms）。

（2）無線廣域網(wǎng)（WWAN）

這類系統(tǒng)的覆蓋范圍可達(dá)省際甚至洲際，支持靜止、步行或者車載的移動(dòng)用戶，當(dāng)用戶處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)最多能夠獲得2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（3）無線城域網(wǎng)（WMAN）

這類網(wǎng)絡(luò)能夠提供城域覆蓋，峰值傳輸速率可達(dá)70Mb/s，能夠支持的最高移動(dòng)速率約為120 km/h。

（4）無線局域網(wǎng)（WLAN）

例如IEEE 802.11bWLAN，能夠在較低的資費(fèi)水平下提供最高可達(dá)11Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是只能支持低速移動(dòng)的用戶，而且傳輸距離只有幾十米到幾百米。

（5）無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）

例如Bluetooth。該系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)3Mb/s，傳輸距離通常不超過10米。

3 蜂窩無線通信系統(tǒng)中信道分配的與優(yōu)化

3.1 信道分配的方法與策略

目前的信道分配策略可以分為三類：固定信道分配（FCA）、動(dòng)態(tài)信道分配（DCA）和混合信道分配。

當(dāng)前資源需求服務(wù)的有效傳遞以及實(shí)現(xiàn)無縫銜接的移動(dòng)性管理對信道分配控制算法提出更高要求，尤其是基站之間的快速越區(qū)切換。為越區(qū)呼叫預(yù)留更多的信道是保證更高服務(wù)質(zhì)量（QoS）的方法，但也會(huì)存在浪費(fèi)資源的危險(xiǎn)，不利于資源的高效利用。因此信道分配策略要保證合適的越區(qū)預(yù)留信道數(shù)，以達(dá)到當(dāng)保持大規(guī)模的通信連接時(shí)能保證服務(wù)質(zhì)量和高效資源利用率的平衡。

3.2 信道分配——越區(qū)切換時(shí)的信道分配

越區(qū)切換時(shí)的信道分配是解決當(dāng)呼叫要轉(zhuǎn)換到新小區(qū)時(shí)，新小區(qū)如何分配信道，使得越區(qū)失敗的概率盡量小。

常用的做法是在每個(gè)小區(qū)預(yù)留部分信道專門用于越區(qū)切換。 這種做法的特點(diǎn)是：因新呼叫可使用信道數(shù)的減少，要增加呼損率，但減少了通話被中斷的概率，從而符合人們的使用習(xí)慣。

4 結(jié)語

當(dāng)今大多數(shù)無線通信系統(tǒng)都是基于蜂窩無線電概念之上的。蜂窩系統(tǒng)可以采用頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）或者空分多址（SDMA）中的任何一種技術(shù)。