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        常見的LoRa網(wǎng)絡結構，在星狀網(wǎng)絡結構中提到了多個問題點，這些問題點在傳統(tǒng)的單一拓撲網(wǎng)絡結構中很難解決，而LoRaWAN技術可以解決這些問題。我們首先通過學習運營商蜂窩網(wǎng)絡的技術特點，了解蜂窩網(wǎng)是如何解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡問題的，再學習LoRaWAN的網(wǎng)絡技術，通過對比可以更深刻地了解LoRaWAN的網(wǎng)絡 優(yōu)勢。本章對網(wǎng)絡結構部分的講解循序漸進，從簡單的網(wǎng)絡拓撲開始，到實際應用的簡單網(wǎng)絡，再到復雜的運營商蜂窩網(wǎng)絡，最后到本章要講解的核心LoRaWAN網(wǎng)絡。LoRaWAN網(wǎng)絡技術出現(xiàn)最晚，吸取了前面 技術的優(yōu)勢并引入大量物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新。

一、蜂窩移動通信系統(tǒng)

        蜂窩移動通信（Cellular Mobile Communication）采用蜂窩無線組網(wǎng)方式，在終端和網(wǎng)絡設備之間通過無線通道連接起來，進而實現(xiàn)用戶在活動中相互通信。其主要特征是終端的移動性，并具有越區(qū)切換和跨本地網(wǎng)自動漫游功能。

1.移動通信網(wǎng)的基本組成

         移動通信無線服務區(qū)由許多正六邊形蜂窩小區(qū)覆蓋而成，通過接口與公眾通信網(wǎng)（PSTN、PSDN）互連，圖5-11所示。

圖5-11     典型蜂窩移動通信系統(tǒng)圖

 

       移動通信系統(tǒng)包括移動交換子系統(tǒng)（SS）、操作維護管理子系統(tǒng)（OMS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、移動臺（MS），是一個完整的信息傳輸實體。

       BSS和SS共同建立呼叫。BSS提供并管理移動臺和SS之間的無線傳輸通道，SS負責呼叫控制功能，所有呼叫都經(jīng)由SS建立連接，OMS負責管理控制整個移動，MS由移動終端設備和用戶數(shù)據(jù)兩部分組成，用戶識別卡（SIM）與移動終端設備分離，用于存放用戶數(shù)據(jù)。

       從圖5-11中可以看出一個基站實現(xiàn)一個正六邊形蜂窩小區(qū)覆蓋，而幾個BSS管理。當用戶在同一個BSS內移動時，需要切換基站是由本地的移動交換中心（MSC）完成，當跨BSS時，需要兩個MSC通過公眾通信網(wǎng)（PSTN）連接協(xié)調。數(shù)字TDMA第二代系統(tǒng)是由MS輔助切換（MAHO）。

       下面的內容，針對幾個關鍵問題進行分析討論：容量及覆蓋問題、頻道分配問題、跨區(qū)問題（信道切換）、頻道干擾問題、擴容問題。

2.頻率復用和蜂窩小區(qū)覆蓋

無線通信最重要的問題是解決頻率資源有限和用戶容量問題。針對區(qū)域覆蓋，有常見的兩種方式：

1）小容量的大區(qū)制

（1）一個基站覆蓋整個服務區(qū)，發(fā)射功率要大，利用分集接收等技術來保證上行鏈路的通信質量。

（2）雖然覆蓋范圍大，但是只能適用于小容量的通信網(wǎng)。

2）大容量的小區(qū)制

（1）采用頻率復用方式。

（2）將覆蓋區(qū)域劃分為若干小區(qū)，每個小區(qū)設立一個基站服務于本小區(qū)，但各小區(qū)可重復使用頻率。

（3）由于頻率的復用，帶來同頻干擾的問題。

       由于移動互聯(lián)網(wǎng)具有大容量的要求，所以在當時的技術條件下，選擇了小區(qū)制覆蓋方式。小區(qū)制的概念：將所要覆蓋的地區(qū)劃分為若干小區(qū)，每個小區(qū)的半徑可視用戶的分布密度在1～10km，在每個小區(qū)設 立一個基站為本小區(qū)范圍內的用戶服務。從而就出現(xiàn)了頻率復用的需求。用有限的頻率數(shù)就可以服務多個小區(qū)，每一個小區(qū)和其他小區(qū)可再重復使用這些頻率，稱為頻率復用。這種組網(wǎng)方式可以構成大區(qū)域、大容量移動通信系統(tǒng)。

       為了便于討論覆蓋和頻率復用，先從簡單的帶狀服務覆蓋區(qū)展開討論，一般應用在鐵路、公路、沿海等。按橫向排列覆蓋整個服務區(qū)，基站（BS）使用定向天線，由許多細長的無線小區(qū)相連而成。

       為了克服同頻干擾，常采用雙頻組、三頻組或四頻組的頻率配置方式。雙頻組和三頻組頻率配置如圖5-12所示。從造價和頻率利用率來看，選擇雙頻組最好，但雙頻組的抗干擾能力最差。

圖5-12   多頻組頻率配置

       系統(tǒng)的抗干擾能力是由同頻基站之間的距離決定的，當使用三個或者三個以上的頻率時，相同頻率的基站之間的距離間隔是兩個以上的小區(qū)空間，其同頻干擾大幅下降。但是依然會存在一些位置由于環(huán)境影響或者建站的站點位置不理想，引起同頻干擾。