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。

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 。

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。

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。

图4 理想的网络结构图

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。

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。

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。

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

点滴学习总结，欢迎指正，欢迎评论，欢迎点赞，欢迎关注

上一期文章：移动基站之天馈系统，认识啥是天线