蜂窩網絡

蜂窩網絡被廣泛採用的原因是源於一個數學結論，即以相同半徑的圓形覆蓋平面, 當圓心處於正六邊形網格的各正六邊形中心，也就是當圓心處於正三角網格的格點時所用圓的數量最少。 雖然使用最少個結點可以覆蓋最大面積的圖形即使要求結點在一個如同晶格般有平移特性的網格上也仍是有待求解的未知問題，但在通訊中，使用圓形來表述實踐要求通常是合理的，因此出於節約設備構建成本的考慮，正三角網格或者也稱為簡單六角網格是最好的選擇。這樣形成的網絡覆蓋在一起，形狀非常像蜂窩，因此被稱作蜂窩網絡。

蜂窩網絡組成主要有以下三部分：移動站，基站子系統，網絡子系統。移動站就是網絡終端設備，比如手機或者一些蜂窩工控設備。基站子系統包括移動基站（大鐵塔）、無線收發設備、專用網絡（一般是光纖）、無線的數字設備等等的。基站子系統可以看作是無線網絡與有線網絡之間的轉換器。

蜂窩和頻率複用

蜂窩：將一塊大的區域劃分為多個小的蜂窩，使用多個小功率發射器代替一個大功率發射機。一般使用正六邊形來描述蜂窩形狀。

頻率複用：每一個蜂窩使用一組頻道。如果兩個蜂窩相隔足夠遠，則可以使用同一組頻道。簇(cluster)：由N個蜂窩組成的蜂窩組，使用了全部的頻率資源頻率複用因子(reusefactor):1/N對於正六邊形的蜂窩，N=i^2+i*j+j^2,i>=1,j>=1，當i>1時，j≥0或當j>1時，i≥0.因此,N=3,4,7,9,12...

蜂窩通常使用正六邊形來表示。至於為什麼是正六邊形而不是圓形。因為頂點到幾何中心等距的多邊形中，能夠完整（無重疊）地覆蓋某一區域可能的幾何形狀有：正方形、等邊三角形和正六邊形三種形狀。在正方形、等邊三角形和正六邊形中，正六邊形的面積最大。

蜂窩座標系

使用(i,j)表示某一蜂窩的座標。例如：蜂窩A的座標為(2,1)

FDMA系統：利用信號衰減原理。關鍵：將頻譜劃分為若干個信道(用户信道載波)，在距離足夠遠時可以複用信道。

靜態信道分配：每一蜂窩預先分配一組固定的信道，實現簡單。

動態信道分配：基站從MSC處動態分配一個信道，蜂窩可以使用所有的信道，降低了阻塞概率，實現複雜，需要實時流量檢測和基站間的協調處理。

常見的蜂窩網絡類型有：GSM網絡（有些國家叫pcs-1900）、CDMA網絡、3G網絡、FDMA、TDMA、PDC、TACS、AMPS等。

一種分佈式蜂窩網絡（100）提供了與多個移動台（102）進行的無線通信。多個基站收發信機網絡組件（104）被配置成在一種無線介質上與多個移動台（102）進行通信，其中每個基站收發信台都包括一個適於耦合到網絡（110）的網絡接口。至少一個移動台控制器網絡組件（108）包括一個適於耦合到網絡（100）的網絡接口。對系統（100）進行配置，以便為了效率而對於基站收發信台（104）、基站控制器（106）以及移動切換中心（108）之間的通信業務量進行負載均衡。本發明的優點包括將低成本收發信機（104）與靈活部署相結合，從而以低費用對大區域實現了通信覆蓋。

一種分佈式蜂窩通信系統，包括：一個網絡；一個耦合到該網絡的公共交換電話網(PSTN)；多個耦合到該網絡的收發信機，多個收發信機在地理上相互分離，並且每一個都被配置成在一個無線介質上與相關小區中的移動站進行通信；至少一個耦合到該網絡的數據處理系統，該至少一個數據處理系統被配置成執行計算機程序，該計算機程序包括適於使多個收發信機能在移動台之間以及一個移動台與PSTN之間傳遞數據的軟件功能塊，這些軟件功能塊包括：一個實施MM功能的移動性管理(MM)功能塊；一個實施VLR功能的訪問者位置登記(VLR)功能塊；一個實施CM功能的通信管理(CM)功能塊；多個實施RR功能的無線電資源(RR)功能塊，所述RR功能包括在移動台從一個小區移動到另一個小區的時候切換多個收發信機之間的通信，從而保持移動台與網絡之間的通信。

所謂蜂窩移動電話是指服務區劃分為若干個彼此相鄰的小區，每個小區設立一個基站的網絡結構。由於每個小區呈正六邊形，又彼此鄰接，從整體上看，形狀酷似蜂窩，所以人們稱它為“蜂窩”網。用若干蜂窩狀小區覆蓋整個服務區的大、中容量移動電話系統就叫做蜂窩移動電話系統，簡稱蜂窩移動電話。

蜂窩移動電話最大的好處是頻率可以重複使用。大家或許知道，使用移動電話手機進行通信時，每個人都要佔用一個信道，也就是説，系統要拿出一個信道供你使用。同時通話的人多了，有限的信道就可能不夠使用，於是便會出現通信阻塞的現象。採用蜂窩結構就可以使用同一組頻率在若干個相隔一定距離的小區重複使用，從而達到節省頻率資源的目的。譬如，我們將一個城市分成72個小區，每12個小區組成一個小區羣。讓他們共同使用300個頻道。那麼，我們就可以將300個頻道分成12個頻道組，每個組25個頻道，第一個小區羣的1號小區使用第1組頻道，第一個小區羣的2號小區使用第2組頻道，以此類推。經過適當安排，不同小區羣的相同編號小區的頻道組是可以重複使用的。儘管這些小區基站所使用的無線電頻率相同，但由於他們彼此相隔較遠，而電波作用範圍有限，彼此不會造成干擾。這樣，一組頻率就可重複使用6次，原本300個頻道只能供300個用户同時通話，卻可同時供1800個用户同時通話了。

蜂窩移動電話系統主要由移動台（汽車電話、手機等），無線基站以及移動電話交換中心組成。每個小區基站均與移動電話交換中心連接，形成一個蜂窩移動電話網。移動電話網還與市內公用電話網以及國內、國際長途電話網相連，使移動電話用户不僅可以與網內的移動電話用户通電話，還可以與更大範圍內的移動用户和固定用户通電話。

無線蜂窩網在提高無線網絡的覆蓋率方面起到關鍵性作用。在寬帶無線城域網中，可採用網狀結構來實現低成本高效率的大面積覆蓋。網狀結構的優點很多，如網絡出故障時提供有效的迂迴路由，確保通信暢通無阻;與專線或菊花鏈相比更具彈性和可靠性，而且網絡具有自配置、自組織和自愈的能力。

首先進入這個市場的有Tropos、Mesh-Network和BelAir網絡公司，此外NortelNetworks也不甘落後。互聯網和FTTH（光纖到户）都是蜂窩網的應用領域。

長期以來，無線網絡信奉中央控制模式，這也帶來潛在的風險，比如傳輸瓶頸、遺留的老系統或單點故障等。但是，無線蜂窩網絡作為無線交換另一項技術日漸興起。通過組織成的網格拓撲結構，從交換機到接入點，蜂窩網絡都能分配智能。

這種拓撲結構的發展符合計算機行業體系結構的演變過程。首先，計算環境是獨立主機系統，隨後是客户機/服務器，然後是對等網絡。網絡的體系結構將毫無疑問進化成一個分佈式、動態的無線體系結構。

蜂窩網絡允許節點或接入點與其他節點通信，而不需要路由到中心交換點，從而消除了集中式的故障，提供自我恢復和自我組織的功能。雖然通信量的決策是在本地實施，但系統可以在全球管理。

無線局域蜂窩網絡採用基於802.11a/b/g標準，但是它們可以擴展到任何射頻技術，如UltraWideband或802.15.4Zigbee。因為網絡智能保留在每一個接入點，所以不需要集中式交換機——只需要智能接入點和網絡處理器、交換能力和系統軟件。

網絡在蜂窩結構中相互連接時，首先，節點的自我發現功能必須確定它們是作為無線設備的接入點來服務，還是作為來自另一節點的信息量的骨幹網來服務，或者兩項功能都具備。

其次，單一的節點用發現查詢/響應協議來定位它們的鄰居。這些網絡協議必須簡潔，所以不能增加信息流量的負擔，即它們不能超過可用帶寬的1%到2%。

一旦某節點識別出另一個節點，它們會計算路徑信息，如接收信號的強度、吞吐量、錯誤率和遺留的老系統等。這些信息必須在節點之間交換，但又不能佔用太多的帶寬。基於這些信息，每一個節點都能夠選擇通向其鄰居的最佳路徑，從而使每一時刻的服務質量達到最優。

網絡發現和路徑選擇的過程在後台運行，這樣每一個節點保留現有鄰居的列表並不斷重新計算最佳路徑。因為在維護、重新安排或出故障時，假如一個節點從網絡中斷開，臨近它的節點可以迅速地重新配置它們的信息列表並重新計算路徑，以便在網絡發生變化時，保持信息流量。這種自我恢復的特性或糾錯能力，是蜂窩結構與集線器輻射網絡的區別所在。

每一個節點都是自我管理的，作為一個有組織的網絡的一部分，它可以作為單一實體從中心點得到管理和配置。採用SNMP協議，系統管理員可以設置和監控單個元素、節點、域或整個網絡。發現協議簡化了尋找和定位節點，並在管理顯示屏上顯示的任務。

因為蜂窩網絡依賴於管理、控制和發現信息，它們必須保障自身流量和用户流量的安全。帶內信息通過加密隧道進行傳輸，可以防止竊聽或類似的攻擊。基於標準的安全技術，如802.1x和高級加密標準等加密技術，確保只有經授權的無線網絡設備和節點能連接進來並得到正確的加密。

當佈線困難或費用昂貴時，蜂窩網絡是一項極佳的無線技術。商用市場上最普遍的蜂窩網絡體系結構，是由從無線鏈接上的路由數據包到中心有線網絡構成的。此體系結構對那些希望創建無線寬帶蜂窩網絡，比如用802.11熱點來覆蓋廣泛的地理範圍的無線Internet供應商（WISP）來説,是最佳的選擇。利用802.11這個無需政府授權的頻段，蜂窩網絡技術能夠以比現有蜂窩技術低得多的成本來提供高帶寬。此結果將導致未來的手機接入互聯網的費用保持在人們能夠普遍接受的價格水平，從而帶來一個全新的無線設備和服務市場，比如在手持媒體播放器上傳輸視頻。

在企業級市場，蜂窩架構讓IT部門將無線覆蓋延伸到沒有佈線基礎設施的地區。在這種狀況下，蜂窩接入點與現有無線網絡接入點整合，來延長Wi-Fi，覆蓋到那些無法通過有線接入的地區。需要指出的是，蜂窩網絡接入點的增加會提高網絡的潛力。在802.11環境中，當數據包在用户設備和有線網絡之間傳遞時，每一個無線跳將會增加1ms～2ms的延遲。

所以，在設計蜂窩網絡時，需要仔細考慮蜂窩網絡的大小及採用應用軟件的類型。另一個讓人關心的問題是蜂窩網絡為私人所有。但是，我們開始看到關於標準化的努力在不斷付諸實施，因為一些公司在基於現有802.11的技術上開發系統。事實上，1月11～16日召開的IEEE802.11工作小組會議上，成立了一個研究小組，為蜂窩網絡開發建立一個業界公認的標準。這向前邁出了重大一步，因為蜂窩網絡的使用將會隨着標準的形成而得到發展。通過擴大無線網絡的覆蓋區域，超越現有的物理界線，蜂窩技術將會為現有802.11無線網絡系統提供很好的補充。

自從20世紀70年代貝爾實驗室發明蜂窩概念以來，蜂窩技術就是移動通信的基礎。有時候，大家就將移動通信稱為蜂窩通信。

蜂窩概念中包括幾個重要的部分是移動通信發展的基礎。

1. 頻率複用。有限的頻率資源可以在一定的範圍內被重複使用。

2.小區分裂。當容量不夠的時候，可以減小蜂窩的範圍，劃分出更多的蜂窩，進一步提高頻率的利用效率。 ^[1] 

蜂窩的概念解決了移動通信中頻率資源有限的問題，直接導致了20世紀80年代以後的移動通信大發展。但是蜂窩的概念也是有侷限性的。面臨的主要問題是，小區不可能無限制的進行分裂，導致了系統的容量不能進一步提高，這阻礙了移動通信進一步的發展。 ^[1] 

4G/5G蜂窩移動網絡日益普及，分析和預測蜂窩移動網絡用户的數據用量也越來越受到重視。在目前蜂窩移動網絡數據用量預測上，主要採用統計和深度學習方法來進行預測，需要進行大量統計，由於用户個人的通訊行為使蜂窩移動網絡數據用量差異較大，且統計僅能得到同一資費方案中的平均值及趨勢，若在同一資費方案中蜂窩移動網絡數據用量變異大，則統計和深度學習方法將可能得到較大的蜂窩移動網絡數據用量估計誤差。 ^[2]