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大话天馈之蜂窝网络与定向天线

我们接之前的文章,上一文章,我们总结了天线基本组成和相关的概念,而天线的方向图以半波振子全向天线的形式为大家说明,但是现实情况,我们采用的是定向天线,为什么呢? 难道全向不好吗,360度全覆盖,多好啊!为什么,我们还得认识一下,移动网络的蜂窝网络。

蜂窝网络

蜂窝长啥样?我们来看看,我们可爱的蜜蜂家长什么家,如下图1如示:一个个六边形组成,暂且不论,为啥是六边形。

大话天馈之蜂窝网络与定向天线

图1 蜂巢,蜂巢内的蜜蜂

问题就来了,我们移动通信的基站,跟八竿子打不到一块的蜜蜂有什么关系吗?

移动网络为什么叫蜂窝网络?

我们通过上章节,我们知道,我们无线电波通过天线的半波振子向四周发射信号,覆盖的区域是一个圆形。由于各个区域彼此相连,用圆形小区进行排列,必然会产生较大的空隙和重叠,当手机进入空隙地区(又叫盲区)时,手机将收不到信号;当手机进入重叠地区,信号又会相互干扰,手机无法使用,如图2 。

大话天馈之蜂窝网络与定向天线

如图2 以圆小区进行排列的覆盖图

无线通信系统里面每个基站的覆盖范围都是有限的,为了实现无缝覆盖,需要的是一张无缝的网络,通过几何计算发现,对于同一种图形而言,在正多边形中只有正三角形、正方形、正六边形可以把平面铺满。而这三种图形中正六边形最接近于圆形,即同样的面积,正六边形的周长最小,而且又可以把平面无重叠无缝隙地铺满。所以,蜜蜂选择正六棱柱体,既能保证用料最省,又能保证结构稳定坚固。

大话天馈之蜂窝网络与定向天线

图3 六边形蜂窝结构

如上图3,多个信号发射,所形成的多个圆,当都有一个个重叠区时,相交结点连接起来,就是一个个六边形,相交的两个顶点,相连直线,就是两个信号边界,边界是需要相领的两个信号源共同管理,那谁管多谁管少,就是我们移动通信相关的重选、切换等问题。同样的,正六边形的结构实现了网络的无缝覆盖。

所以我们建无线覆盖的网络与蜜蜂建巢穴的诉求是一样的,都是希望分界线越少越好的,即用最少的边界实现最大的覆盖,所以无线通信网络结构,叫做蜂窝网络,理想的网络结构,如图4。

大话天馈之蜂窝网络与定向天线

图4 理想的网络结构图

为什么需要定向天线

无线网络中,关键挑战是在可用频谱内提供尽可能多的容量。为了实现这一 设计目标,工程师们正努力实现更紧密的频率复用和更宽阔的信道部署。

蜂窝网络中每一个六边形就是一个小区,蜂窝结构中每一个小区同相邻的6个小区,都非常的近,并且基站会同时发射,因此会在下行链路上生成更高的噪声电平(来自基站方向或从基站到手机方向)。

下行链路上手机天线的更高噪声电平会触发手机,使其增加其输出功率以克服更高的噪声电平。

回过头来,这又会导致上行链路上基站天线(从手机到基站的方向)更高的噪声电平。基站天线的更高噪声电平会使得蜂窝基站的容量低。

全向天线,让相同频率碰撞的机率增加了6倍,使网络的内部干扰更加强,网络频率规划更加难。

而定向天线,把原来360的全方向,分成3等,每一个方向120度,相当于,定向的主覆盖方向,只会原来六边中的两个边有强相关,这就大大的减少的干扰系数。

以上就是选用定向天线的原因一

另二个原因,是建网成本的考虑。

我们知道,每一个小区,我们都需要一套设备,如果每一个小区,都需要一整套的基站设备,包括机房、电源、主设备、天馈、天线,那这个建网的成本,谁都受不了。

大话天馈之蜂窝网络与定向天线

图5 基站的组成

因此,怎么才能省钱呢?

这里有这两种方案,可以探讨下:

方案1:每个小区的中心位置建设站点、装1套通信设备、覆盖该小区,即每套设备覆盖360度(一圈),就是如上说到的要整套基站设备的方案。

方案2:每3个小区放一起,在3个小区的顶点处建设站点、装3套通信设备、每套设备覆盖一个小区,即每个设备覆盖120度(1/3圈),定向覆盖。

大话天馈之蜂窝网络与定向天线

建网方案

从建的站点数量上,毫无悬念,方案2是最节省投资的,同时,也是最有益于网络频率复用的方案。

因此,定向天线,在覆盖密集的场景下,对网络的覆盖更益。

小结

1)为什蜂窝网络和蜂巢都是六边形?

因为六边形能让蜂巢最省材料,让移动网络无缝覆盖,六边形是最优的。

2)为啥要用定向天线

利于频率复用减少干扰,节省投资

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上一期文章:移动基站之天馈系统,认识啥是天线

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