信息时代的底层逻辑—带你“认识通信” | 今晚看直播 抢图书福利

贝尔实验室精妙的蜂窝构思

当无线电波从发射机的天线发出后，在没有约束情况下就会向四周扩散，使处于电磁波扩散空间范围内的用户在移动情况下也能收到无线电信号。但带来的问题是，一旦某一频段被某用户占用后，其他用户如果也想使用相同频段进行通信就会造成干扰或泄密，因此其他用户只能使用其他不同的频段。遗憾的是无线电频率是一种不可再生的有限资源，因此各国政府都对无线电频率的使用进行了严格的管制。我国的无线电频率使用权由国家无线电管理委员会进行分配、监督和管理。过去主要分配给军事、警务、民航、海事、广播电视、应急救灾等重点特殊用户使用，分配给业余无线电爱好者或普通民用的频段非常有限。

由于无线电通信具有通信位置不受限制的优点，人们一直在不断探索对它的普及应用。早在1900年，马可尼等人利用电磁波进行远距离无线电通信就取得了成功。1928年，美国普渡大学学生发明了工作于2MHz的超外差式无线电接收机，并很快在底特律的警察局投入使用，这是世界上第一种可以有效工作的移动通信系统；1930年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用；1930年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，试验表明调频制式的移动通信系统比调幅制式的移动通信系统更加有效。20世纪40年代，调频制式的移动通信系统逐渐占据主流地位，这个时期主要完成通信实验和电磁波传输的实验工作，在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统。这种移动通信系统的工作频率较低、话音质量差、自动化程度低，难以与公众网络互通。第二次世界大战期间，军用无线通信的需求促进了移动通信的发展。二战结束后，军事移动通信技术逐渐被应用于民用领域。到20世纪50年代，美国和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统，在技术上实现了移动电话系统的移动交换中心(MSC)与公用电话交换网(PSTN)的互通。从20世纪60年代中期至20世纪70年代中期，美国推出了使用150MHz和450MHz频段的改进型移动电话系统，实现了无线频道自动选择及自动接入公用电话网。

随着民用移动通信用户数量的增加，业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数需求增加之间的矛盾日益突出。

我们已经知道，中、短波无线电波可以通过电离层反射回地球表面，因而可以传播很远的距离，如电台可覆盖成百上千公里的范围，这就形成大范围内的单个用户独占频率。因此这些频段无法实现广大区域内的频率共享。

当使用处于300MHz至3000GHz频段内的微波进行通信时，电磁波会穿透电离层而不会反射回地面，因此传播距离受限，只能进行视距内的直射传播。另一方面，如果将无线电发射功率减到足够小的程度，则电磁波传播一定距离后的能量就会衰减到足够小，以至于不会让这个距离以外的用户检测到。这样，这个区域以外的用户就可以再次使用这个频率而不会受到同频干扰，从而实现同一频段的无线电频率可以被不同空间区域的用户共享，这就是无线电频率和信道的空分复用原理。

为此，20世纪70年代中期，美国贝尔实验室根据无线电波不同频率在大气空间传播过程中所受到的衰减情况，提出利用微波频段按蜂窝形状分割空间区域获取重复使用信道的概念。方法是将移动电话的服务区划分成若干个小区，每个小区设立一个基站，只有位于该基站无线电波覆盖范围内的移动用户才可以接收基站发来的信号，基站服务区以外的用户则接收不到信号，如下图所示为蜂窝移动通信的空分复用结构图，将无线电传输范围控制在蜂窝区域范围的思想，突破了无线电通信技术普及应用的瓶颈。

实际应用中，蜂窝小区的大小可以根据该区域人口密度来确定。目前的蜂窝小区结构按宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝三个层次进行分级。在人口密度小的农村、山区由于人少地广，蜂窝的覆盖面积可以划分大些，这种蜂窝称为宏蜂窝。宏蜂窝小区的基站天线较高，基站发射功率较大，基站覆盖半径1～2.5公里左右，最大半径20公里以上。宏蜂窝可以处理快速移动车辆的业务，减少小区切换引起的信号中断。在人口密度较大的城市、用户集中的小区以及繁华的街区则采用微蜂窝。微蜂窝的基站覆盖半径大约100米～1公里，一般在200米左右，基站发射功率2W左右，天线高度15米左右。微蜂窝用于处理低速移动通信的场合。在人口高度稠密的市区、商业区，则采用微微蜂窝，主要覆盖商场和办公区等室内区域，解决商业中心、会议中心等室内热点的通信问题。微微蜂窝的覆盖半径一般只有10m～30m，特点是基站发射功率大约在几十毫瓦左右，天线一般装于建筑物内业务集中的地点。

小区制蜂窝组网理论的提出，对移动通信的发展具有里程碑式的意义，此举解决了移动通信中的频谱紧张问题，就如同打开了一个巨大的天窗，使人人用手机进行通信成为可能，并从此将人类带入了一个新的、充满无限潜力的通信时代。

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今晚中国通信学会会士、四川省通信学会理事，美国纽约州里宾汉姆顿大学访问学者陈金鹰博士，将为大家带来直播 新一代信息技术名家讲堂 第一讲：信息时代的底层逻辑——陈金鹰带你“认识通信”

直播时间：2022年9月1日（周四）20:00

剑指工控，视频号

将在09月01日 20:00 直播