蜂窝网络

移动通信硬件架构

蜂窝网络（Cellular network），又称移动网络（mobile network）是一种移动通信硬件架构，分为模拟蜂窝网络和数字蜂窝网络。由于构成网络覆盖的各通信基地台的信号覆盖呈六边形，从而使整个网络像一个蜂窝而得名。

应用原因

蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学结论，即以相同半径的圆形覆盖平面, 当圆心处于正六边形网格的各正六边形中心，也就是当圆心处于正三角网格的格点时所用圆的数量最少。虽然使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形即使要求结点在一个如同晶格般有平移特性的网格上也仍是有待求解的未知问题，但在通讯中，使用圆形来表述实践要求通常是合理的，因此出于节约设备构建成本的考虑，正三角网格或者也称为简单六角网格是最好的选择。这样形成的网络覆盖在一起，形状非常像蜂窝，因此被称作蜂窝网络。

组成部分

蜂窝网络组成主要有以下三部分：移动站，基站子系统，网络子系统。移动站就是网络终端设备，比如手机或者一些蜂窝工控设备。基站子系统包括移动基站（大铁塔）、无线收发设备、专用网络（一般是光纤）、无线的数字设备等等的。基站子系统可以看作是无线网络与有线网络之间的转换器。

蜂窝和频率复用

蜂窝：将一块大的区域划分为多个小的蜂窝，使用多个小功率发射器代替一个大功率发射机。一般使用正六边形来描述蜂窝形状。

频率复用：每一个蜂窝使用一组频道。如果两个蜂窝相隔足够远，则可以使用同一组频道。簇(cluster)：由N个蜂窝组成的蜂窝组，使用了全部的频率资源频率复用因子(reusefactor):1/N对于正六边形的蜂窝，N=i^2+i*j+j^2,i>=1,j>=1，当i>1时，j≥0或当j>1时，i≥0.因此,N=3,4,7,9,12...

蜂窝的几何表示

蜂窝通常使用正六边形来表示。至于为什么是正六边形而不是圆形。因为顶点到几何中心等距的多边形中，能够完整（无重叠）地覆盖某一区域可能的几何形状有：正方形、等边三角形和正六边形三种形状。在正方形、等边三角形和正六边形中，正六边形的面积最大。

蜂窝坐标系

使用(i,j)表示某一蜂窝的坐标。例如：蜂窝A的坐标为(2,1)

蜂窝信道分配

FDMA系统：利用信号衰减原理。关键：将频谱划分为若干个信道(用户信道载波)，在距离足够远时可以复用信道。

静态信道分配：每一蜂窝预先分配一组固定的信道，实现简单。

动态信道分配：基站从MSC处动态分配一个信道，蜂窝可以使用所有的信道，降低了阻塞概率，实现复杂，需要实时流量检测和基站间的协调处理。

网络类型

常见的蜂窝网络类型有：GSM网络（有些国家叫pcs-1900）、CDMA网络、3G网络、FDMA、TDMA、PDC、TACS、AMPS等。

类型分类

分布式蜂窝网络

一种分布式蜂窝网络（100）提供了与多个移动台（102）进行的无线通信。多个基站收发信机网络组件（104）被配置成在一种无线介质上与多个移动台（102）进行通信，其中每个基站收发信台都包括一个适于耦合到网络（110）的网络接口。至少一个移动台控制器网络组件（108）包括一个适于耦合到网络（100）的网络接口。对系统（100）进行配置，以便为了效率而对于基站收发信台（104）、基站控制器（106）以及移动切换中心（108）之间的通信业务量进行负载均衡。本发明的优点包括将低成本收发信机（104）与灵活部署相结合，从而以低费用对大区域实现了通信覆盖。

一种分布式蜂窝通信系统，包括：一个网络；一个耦合到该网络的公共交换电话网(PSTN)；多个耦合到该网络的收发信机，多个收发信机在地理上相互分离，并且每一个都被配置成在一个无线介质上与相关小区中的移动站进行通信；至少一个耦合到该网络的数据处理系统，该至少一个数据处理系统被配置成执行计算机程序，该计算机程序包括适于使多个收发信机能在移动台之间以及一个移动台与PSTN之间传递数据的软件功能块，这些软件功能块包括：一个实施MM功能的移动性管理(MM)功能块；一个实施VLR功能的访问者位置登记(VLR)功能块；一个实施CM功能的通信管理(CM)功能块；多个实施RR功能的无线电资源(RR)功能块，所述RR功能包括在移动台从一个小区移动到另一个小区的时候切换多个收发信机之间的通信，从而保持移动台与网络之间的通信。

蜂窝移动电话

所谓蜂窝移动电话是指服务区划分为若干个彼此相邻的小区，每个小区设立一个基站的网络结构。由于每个小区呈正六边形，又彼此邻接，从整体上看，形状酷似蜂窝，所以人们称它为“蜂窝”网。用若干蜂窝状小区覆盖整个服务区的大、中容量移动电话系统就叫做蜂窝移动电话系统，简称蜂窝移动电话。

蜂窝移动电话最大的好处是频率可以重复使用。大家或许知道，使用移动电话手机进行通信时，每个人都要占用一个信道，也就是说，系统要拿出一个信道供你使用。同时通话的人多了，有限的信道就可能不够使用，于是便会出现通信阻塞的现象。采用蜂窝结构就可以使用同一组频率在若干个相隔一定距离的小区重复使用，从而达到节省频率资源的目的。譬如，我们将一个城市分成72个小区，每12个小区组成一个小区群。让他们共同使用300个频道。那么，我们就可以将300个频道分成12个频道组，每个组25个频道，第一个小区群的1号小区使用第1组频道，第一个小区群的2号小区使用第2组频道，以此类推。经过适当安排，不同小区群的相同编号小区的频道组是可以重复使用的。尽管这些小区基站所使用的无线电频率相同，但由于他们彼此相隔较远，而电波作用范围有限，彼此不会造成干扰。这样，一组频率就可重复使用6次，原本300个频道只能供300个用户同时通话，却可同时供1800个用户同时通话了。

蜂窝移动电话系统主要由移动台（汽车电话、手机等），无线基站以及移动电话交换中心组成。每个小区基站均与移动电话交换中心连接，形成一个蜂窝移动电话网。移动电话网还与市内公用电话网以及国内、国际长途电话网相连，使移动电话用户不仅可以与网内的移动电话用户通电话，还可以与更大范围内的移动用户和固定用户通电话。

可靠性

无线蜂窝网在提高无线网络的覆盖率方面起到关键性作用。在宽带无线城域网中，可采用网状结构来实现低成本高效率的大面积覆盖。网状结构的优点很多，如网络出故障时提供有效的迂回路由，确保通信畅通无阻;与专线或菊花链相比更具弹性和可靠性，而且网络具有自配置、自组织和自愈的能力。

首先进入这个市场的有Tropos、Mesh-Network和BelAir网络公司，此外NortelNetworks也不甘落后。互联网和FTTH（光纤到户）都是蜂窝网的应用领域。

长期以来，无线网络信奉中央控制模式，这也带来潜在的风险，比如传输瓶颈、遗留的老系统或单点故障等。但是，无线蜂窝网络作为无线交换另一项技术日渐兴起。通过组织成的网格拓扑结构，从交换机到接入点，蜂窝网络都能分配智能。

这种拓扑结构的发展符合计算机行业体系结构的演变过程。首先，计算环境是独立主机系统，随后是客户机/服务器，然后是对等网络。网络的体系结构将毫无疑问进化成一个分布式、动态的无线体系结构。

蜂窝网络允许节点或接入点与其他节点通信，而不需要路由到中心交换点，从而消除了集中式的故障，提供自我恢复和自我组织的功能。虽然通信量的决策是在本地实施，但系统可以在全球管理。

无线扩展

无线局域蜂窝网络采用基于802.11a/b/g标准，但是它们可以扩展到任何射频技术，如UltraWideband或802.15.4Zigbee。因为网络智能保留在每一个接入点，所以不需要集中式交换机——只需要智能接入点和网络处理器、交换能力和系统软件。

网络在蜂窝结构中相互连接时，首先，节点的自我发现功能必须确定它们是作为无线设备的接入点来服务，还是作为来自另一节点的信息量的骨干网来服务，或者两项功能都具备。

其次，单一的节点用发现查询/响应协议来定位它们的邻居。这些网络协议必须简洁，所以不能增加信息流量的负担，即它们不能超过可用带宽的1%到2%。

一旦某节点识别出另一个节点，它们会计算路径信息，如接收信号的强度、吞吐量、错误率和遗留的老系统等。这些信息必须在节点之间交换，但又不能占用太多的带宽。基于这些信息，每一个节点都能够选择通向其邻居的最佳路径，从而使每一时刻的服务质量达到最优。

网络发现和路径选择的过程在后台运行，这样每一个节点保留现有邻居的列表并不断重新计算最佳路径。因为在维护、重新安排或出故障时，假如一个节点从网络中断开，临近它的节点可以迅速地重新配置它们的信息列表并重新计算路径，以便在网络发生变化时，保持信息流量。这种自我恢复的特性或纠错能力，是蜂窝结构与集线器辐射网络的区别所在。

节点发现

每一个节点都是自我管理的，作为一个有组织的网络的一部分，它可以作为单一实体从中心点得到管理和配置。采用SNMP协议，系统管理员可以设置和监控单个元素、节点、域或整个网络。发现协议简化了寻找和定位节点，并在管理显示屏上显示的任务。

因为蜂窝网络依赖于管理、控制和发现信息，它们必须保障自身流量和用户流量的安全。带内信息通过加密隧道进行传输，可以防止窃听或类似的攻击。基于标准的安全技术，如802.1x和高级加密标准等加密技术，确保只有经授权的无线网络设备和节点能连接进来并得到正确的加密。

当布线困难或费用昂贵时，蜂窝网络是一项极佳的无线技术。商用市场上最普遍的蜂窝网络体系结构，是由从无线链接上的路由数据包到中心有线网络构成的。此体系结构对那些希望创建无线宽带蜂窝网络，比如用802.11热点来覆盖广泛的地理范围的无线Internet供应商（WISP）来说,是最佳的选择。利用802.11这个无需政府授权的频段，蜂窝网络技术能够以比现有蜂窝技术低得多的成本来提供高带宽。此结果将导致未来的手机接入互联网的费用保持在人们能够普遍接受的价格水平，从而带来一个全新的无线设备和服务市场，比如在手持媒体播放器上传输视频。

在企业级市场，蜂窝架构让IT部门将无线覆盖延伸到没有布线基础设施的地区。在这种状况下，蜂窝接入点与现有无线网络接入点整合，来延长Wi-Fi，覆盖到那些无法通过有线接入的地区。需要指出的是，蜂窝网络接入点的增加会提高网络的潜力。在802.11环境中，当数据包在用户设备和有线网络之间传递时，每一个无线跳将会增加1ms～2ms的延迟。

所以，在设计蜂窝网络时，需要仔细考虑蜂窝网络的大小及采用应用软件的类型。另一个让人关心的问题是蜂窝网络为私人所有。但是，我们开始看到关于标准化的努力在不断付诸实施，因为一些公司在基于现有802.11的技术上开发系统。事实上，1月11～16日召开的IEEE802.11工作小组会议上，成立了一个研究小组，为蜂窝网络开发建立一个业界公认的标准。这向前迈出了重大一步，因为蜂窝网络的使用将会随着标准的形成而得到发展。通过扩大无线网络的覆盖区域，超越现有的物理界线，蜂窝技术将会为现有802.11无线网络系统提供很好的补充。

优点

自从20世纪70年代贝尔实验室发明蜂窝概念以来，蜂窝技术就是移动通信的基础。有时候，大家就将移动通信称为蜂窝通信。

蜂窝概念中包括几个重要的部分是移动通信发展的基础。

1. 频率复用。有限的频率资源可以在一定的范围内被重复使用。

2.小区分裂。当容量不够的时候，可以减小蜂窝的范围，划分出更多的蜂窝，进一步提高频率的利用效率。

局限性

蜂窝的概念解决了移动通信中频率资源有限的问题，直接导致了20世纪80年代以后的移动通信大发展。但是蜂窝的概念也是有局限性的。面临的主要问题是，小区不可能无限制的进行分裂，导致了系统的容量不能进一步提高，这阻碍了移动通信进一步的发展。

4G/5G蜂窝移动网络日益普及，分析和预测蜂窝移动网络用户的数据用量也越来越受到重视。在目前蜂窝移动网络数据用量预测上，主要采用统计和深度学习方法来进行预测，需要进行大量统计，由于用户个人的通讯行为使蜂窝移动网络数据用量差异较大，且统计仅能得到同一资费方案中的平均值及趋势，若在同一资费方案中蜂窝移动网络数据用量变异大，则统计和深度学习方法将可能得到较大的蜂窝移动网络数据用量估计误差。

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