1.2
蜂窝移动通信系统
20世纪70年代，美国贝尔实验室发明的蜂窝移动通信系统解决了以有限频谱资源覆盖无限大区域通信的问题，其几何模型十分简单明了[7]，它以六边形小区为基本形，以数个小区组成的簇构成了频率重复使用的最小单元。其模型中组成一个簇的小区个数为：
N=i2+ij+j2
（1-1）
其中的N为一个簇包含小区的个数，也称为频率复用因子，i和j为正整数。
蜂窝小区的精彩之处如下：
（1）将相同的簇在空间中进行简单无缝拼接即可实现无限的无缝覆盖。
（2）将所有频率均匀分配给每个小区，则拼接后的同频小区的几何距离相等。
（3）它利用信号传输的路径损耗，有效降低/隔离了同频小区之间的相互干扰。
就其本质而言，同频小区在空间的重复出现次数代表了频率的重复使用次数，完美地达到了无限大区域无缝覆盖的要求。
然而，蜂窝组网付出的代价是频谱效率的下降：假设系统总共有M个可用频点，为了防止小区之间的干扰，每个小区可使用的频点数为
K=M/N
（1-2）
其中K为每个小区可以使用的频点数。简而言之，一个频率复用因子为N的簇系统模型，频谱效率下降为1/N。而使用较大频率复用因子的好处是，降低同频小区之间的干扰。我们利用图1-5表示频率复用因子为4和7的蜂窝小区结构，更加直观地解释上述结论。
图1-5 蜂窝小区结构图
在频率复用因子为4的情况下[图1-5（a）]，系统频率分为4份，每个小区使用1/4个频点。利用A、B、C、D表示不同频率的小区，简单展开簇模型可以发现：①同频小区距离相同，②同频小区边缘最小距离为六边形的一个边长。
而在频率复用因子为7的情况下[图1-5（b）]，系统频率分为7份，每个小区使用1/7个频点。利用A、B、C、D、F、G、E表示不同频率的小区，簇扩展后可以发现：同频小区最小距离增大。
这里需要指出的是，随后码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）出现，蜂窝移动通信系统普遍采用了同频覆盖，然而小区结构依然存在。系统只是将频率资源换成了码资源，把隔离同频干扰的几何模型用于隔离码之间的干扰，把频率资源的重复使用转变为码资源的重复使用。
时至今日，我们尚没有找到取代蜂窝小区结构的有效方法。为了节约篇幅，这里不再继续讨论蜂窝小区的设计。
现在让我们回到小区通信的双工问题上：每个小区的基站工作在一点对多点通信模式上。在实现双工通信时，基站发往移动终端的信道定义为下行信道，而移动终端发往基站的信道定义为上行信道。系统双工是指上、下行信道同时通信的功能。在基站将资源分配给每个用户之后，它与每个移动终端的通信方式保持了如图1-1点对点FDD模式。
图1-6（a）描述了一个FDD小区内用户频率分配方式，其多址方式为FDMA[8][9]。系统首先将小区可使用频点分为两半，一半用于下行信道，一半用于上行信道[见图1-6（b）]。基站为每一个移动终端选择下行信道频点和上行信道频点中进行配对，以实现基站与移动站之间双向通信。FDD的优点在于用户频点分配算法和用户信号同步简单，缺点是每个用户（特别是语音窄带服务）对信道的频率选择性衰落比较敏感，需要采用一些信号分集技术稳定信号的接收功率，以保障通信质量。
图1-6 频分双工通信系统示意图
另一种传统双工方法是TDD系统[见图1-7（a）]，它将上、下信道的信号分别承载于基站的上、下行时隙上，以时间分离的方式实现基站与移动终端间的双工服务：下行时隙中基站和移动终端分别处于信号发射和接收状态，而上行时隙中基站和移动终端分别处于信号接收和发射状态。TDD系统的上、下行信道设置在相同频段上[见图1-7（b）]。在时隙资源分配完成后，基站与移动终端之间的双向通信与如图1-3所示点对点TDD相同。通常在TDD系统中，用户接入方式采用TDMA技术[1][2]，它们的上、下行信道必须严格同步，以避免双工之间的干扰。
图1-7 时分双工通信系统示意图
相对FDD而言，TDD优势如下：
（1）系统的上、下行信道具有信道互易性，便于采用诸多先进技术。
（2）TDD上、下时隙可以灵活分配，更容易适应上、下行业务要求，特别是非对称的上、下行业务。
（3）每个用户占用带宽较大，具有一定的频率分集作用，由此保证通信性能比较稳定。
TDD的缺点如下：
（1）大功率TDD基站在不同时隙上的切换瞬间，会导致较大的信号非线性带外泄露，造成系统干扰。因此，在采用多频点TDD系统时，需要有较大的保护带宽，此做法可能导致频谱效率的下降。
（2）高功率发射要求时隙之间的静默时间较长，因此它不太适合大功率发射基站，直接导致小区覆盖面积较小。