无线网络规划心法

移动通信的特点是媒介很特别，不是封闭的线，而是开放的空气。移动通信如何实现分多址呢？

Ø 时分多址（TDMA）

通信空间是四维空间，人们想到了把时间切成片，同时分给多个终端。但是我们通话都是连续的，就是多个正弦波的跌加，把这个波切碎了分开了，再掺上别人的波，这还能择开嘛？奈奎斯特抽样准则救了时分多址：不需要抽样无穷而只需要以带宽2倍以上的速率抽样即可恢复信号。当抽头是离散时，就出现了缝隙（这个缝隙还很大），之后就可以利用这个空隙来抽样其他的信号，用《庄子》的话讲叫"以无厚入有间"。这样在整个时间段内就可以把其分成N多时间缝隙（简称时隙），然后每个时隙为某终端传一路信息，依旧能确保无损恢复。

Ø 频分多址（FDMA）

频分多址的概念很简单。时间都能切成时隙分了，那通过调制这种高招，也可以把每个终端的通信调制到不同的频率上，让不同地址的用户占用不同的频率（也叫载波），就不会出现干扰。在更高的射频波频段可是从几十MHz到几十GHz，通过把低频的话音、图像、数据调制到射频波频段，再把它分成成千上万路载波。

Ø 空分多址（SDMA）

电磁波在空中传递，人们又看上了空间，能不能利用空间就把终端给分开？智能天线，给通话的人专门提供一个很窄的天线波束，设想一下，如果这个波束窄到像跟线一样，就有点像固定通话的电话线了。这样通过空分降低干扰，反过来说就是为了网络容量提供了增益。所以说，移动通信的空分多址跟天线很相关，天线技术没有突破，空分就是空谈。

Ø 码分多址（CDMA）

这是个神奇的发明，即不切时间、也不切频率、还不切空间。让每个终端的通信信息用相互正交的码来区分。这让我想起了一个事：我夫人是江苏人，她说当地话我根本听不懂，设想在这样一个环境里我对张三说 "我没说他拿了你的钱"，我说普通话、她在旁边说另外一句江苏话，张三只能听懂普通话，那么张三能听懂我说的，江苏话的干扰就跟外边马路上汽车跑的噪音一样，不影响理解。但如果她说了另外一句普通话，声音还都挺大，那张三估计就听不清谁说啥了。普通话跟江苏话就是正交的扩频码，这就是码分多址。

估计高通公司发明码分多址团队的每个人都是地方口音很重的人，要不怎么能迸发出这种匪夷所思的火花来。

当然，真正的码分多址是拿一个相互正交的扩频码跟信息相乘，把信息扩频，按香农公式的推导，扩频以后就产生了增益。这个原理在很多书都讲了N遍了，不多说了。

移动通信网络技术几乎都是以"分多址"技术为核心，原因在于分多址技术的任何一次变革和创新，都能够在数量级上提升频谱效率（或称频谱利用率），在有限的频谱资源内能够大幅度提升容量。而反过来，移动通信网络的辈份划分的一个主要依据就是频谱效率（或称频谱利用率）。

（频谱利用率：指每单位的频谱能够支持多少数据能力， bps/Hz，但是且慢，移动通信的特点是频谱可以在多个空间重复使用，把移动网络分成小区、蜂窝就是以此为目的的，因此移动通信的频谱利用率不同于卫星、广播，必须将其确定为单位面积内的频谱效率才有意义，因此一般单位取为 bps/Hz/cell）

为什么在上边讲了那么些个"分多址"的招数，这跟网络规划设计有什么关系呢？

规划设计的一个最主要的目标就是容量，这个容量不仅指用户通信的速率和整个网络所能提供的速率，容量的关键是频谱效率。而"分多址"的这些招数所要解决的就是怎么才能在有限的资源下尽可能多的提升并发信息的容量，因此只有了解了这些"分多址"的原理，才能在其中寻找到容量提升的密码，才能尽可能合理的采用某种方法配置网络资源，也才能估算出有限资源前提下移动网络的能力。

拿个例子说说：TD-SCDMA是个最综合的"分多址"系统，这个名字看上去就很好很强大，包含了TDMA、SDMA和CDMA，实际由于一个载波的带宽为1.6MHz，一个频带可以放不少载波，因此还隐含了FDMA，能想到的都用上了。一个规划工程师必须了解关于TD时隙的原理，才能配置好上下行时隙；必须了解智能天线的工作原理，才能计算其赋形增益；必须了解其多频点的特性，才能进行频率规划；……甚至可以这么说，几乎所有移动网络的技术都在围绕"分多址"做文章，从中挖掘任何哪怕能提升一点点容量的技术就会彪炳青史。不了解这些原理，以后做规划设计里写方案无从下手。

别羡慕蜂窝，蜂窝只是个传说

懂点英语的人都知道手机的英文叫什么？CELL PHONE 或者 CELLULAR PHONE，翻译过来叫蜂窝电话。几年前，"手机"这个词没流行时，技术文章里就是把终端叫"蜂窝电话"的。另外，对于移动通信网络，技术人员们又称其为"蜂窝网络"。毋庸置疑，蜂窝结构是移动通信网络的根本。因此，移动接入网络规划设计里很关键的原则就是——遵循蜂窝结构的原则进行网络规划和站址选择。

当年贝尔实验室的工程师们提出了蜂窝结构的移动通信网是出于频率资源的困扰，本来用大区覆盖很靠谱，一个大区覆盖几十平方公里的范围，但是用户容量蓬勃发展了，就必须要拥有更多的频率才能满足业务量。可频谱资源太宝贵了，贝尔实验室的热脸贴到了美国政府这个冷屁股上。

政府不给频率了

老天爷饿不死瞎家雀，没得频率用，那可不可以把大区覆盖变小一点，然后多建几个小区呢，贝尔的工程师提出了"分裂"的概念。可分裂所增加的成本就是多建小区花的钱，那就得算算经济账了，怎样才能最有效的花这个成本呢？于是乎我们就可以编出这样一个类似"苹果砸到牛顿"的故事：一天早上，一个工程师在喝蜂蜜时想到了蜜蜂，由此又联想到了蜂窝，于是被雷劈了一样地提出了蜂窝小区的结构。

这是一个很科普的猜想：正六边形被认为是使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形。因此当移动网络采用蜂窝结构，则效率最高，即用最少的站点覆盖最大的面积。

这个猜想如此令人信服，以至于自打蜂窝结构提出之后，从规划到优化、从设备到天线几乎都无法回避蜂窝，小区扩容要遵循蜂窝来分裂；频率复用、码字复用要根据蜂窝分簇，天线的方向图也是按照蜂窝的方式设计；说蜂窝渗透到了移动网络规划设计师的骨头里并不为过。如果哪个人敢在2G网络、3G网络里边不遵循蜂窝结构规划的原则，那是要被人耻笑滴。

（图：蜂窝结构图 频率复用图，天线波瓣图）

这个神奇的规划方式风靡世界三十余年，但是，现在的网络到底还是不是蜂窝的呢？答案恐怕有点尴尬。

这个世界并不平，老人讲要人要接地气，可是那些在大城市忙碌的人们没几个人两支脚是接地的：上班在24层的办公楼里，回家又到了16层的居民楼。蜂窝结构的网络是怎么考虑垂直空间的呢？

基站就像公共厕所，谁都离不了它，谁也都不愿意它离自己太近，即便我们用蜂窝的理想方式选择了站点，但到了现场就会发现在这个理想点规划很困难。实际的情况往往是，哪个楼允许建设就选哪个楼。"遵循蜂窝原则？不好意思，我打酱油路过。"

蜂窝结构的效率最高，站点性价比最高，这个论点很正确。但经济学里的边际成本理论告诉我们：建1000个站的成本并不比建1050个站的成本低多少。那么蜂窝结构所勾勒出的站址数量到底能节约多少比例的站点呢？

至于未来移动网络的发展，微微小区、家庭基站、智能天线、自组织网络，这些林林总总都对蜂窝结构的原则提出了疑问：我们在进行移动网络规划设计时还要不要蜂窝原则？

……

但是我还要说，蜂窝是移动网络规划所必须遵循的原则。原因何在？原因跟地理地图有关。任何一个移动网络规划（或者说，无线网络规划）的一个核心工作就是对地图进行布点，而只有三角形、正方形和六边形才能自我复制的无重叠覆盖整个地图，而站点覆盖的一个重要原则是各向同性，那么只有圆才能保证各向同性。好了，在无重叠覆盖中最接近圆的就是六边形，即蜂窝。因此，蜂窝是初期布局所能遵循的最好原则，尽管存在上述所提的种种制约蜂窝的因素，在遵循蜂窝原则的同时就上述因素进行调整，之后再对天线方向按蜂窝原则进行调整，如下图（图略）。这是避免网络质量出现雪崩效应的最好方法。有道是"上工治未病"。

有趣的是，在城市规划理论中也找到了六边形蜂窝原则的注脚。即"中心地理论"，在理想的地表之上，要满足商人赢利、生存与消费者为购买商品所出行距离之间的平衡，中心地向周围提供服务的范围就会趋近于正六形状，其原因在于六边形分布可以使消费者都能选择距离自己最近的中心地来获得服务。以北京为例，在城市的最中心——天 安 门的周围，围绕着鼓楼、东四、东单（王府井）、天桥、西单、西四等6个繁华的商业中心。从略小比例尺的地图来看，丰台、大兴、通州、顺义、昌平、门头沟6 个区分别位列北京城区的6个方向，把它们用线段在地图上连接起来，就会出现一个围绕京城的六边形，这些城区为市中心提供多方面的服务。在其他城市中也能找到这样的现象。通信网络的规划同城市规划的基本要素都是地图，根本需求也都是为地图上的人群服务，所以两者规划所遵循的蜂窝原则相似也就不奇怪了。

网元：移动网络的"五脏六腑"

通信网络规划设计的基本功之一是画一张网络结构图，图论里讲图是由节点和连线组成，让我们先看一个基本的网络结构图：

（图：GSM网络结构图，从略）

这张图上，有很多节点，BTS/BSC/MSC/HLR/GGSN，用行话把这些节点归纳一下："网元"。记得以前做网络规划方案时，一个老工程师强调BSC的作用，跟客户是这么说的："BSC是一个网元。"一脸的郑重其事，可见网元在网络中的地位。

网元是什么？从不同的角度有不同的说法，网元是网络单元，从网络管理的角度讲，网络可管理的所有物理硬件都叫网络单元。但有人就会问，基站上边的跳线算不算网元？基站里边的空调算不算网元？交换机房的配线架算不算网元？……我比较认同另外一种说法：网元是能够独立对网络信息进行处理的设备。网元一定要"独立"进行"信息处理"，如：存储、转换、汇聚、复用……。

这很像我们身体里的"五脏六腑"，"四肢五官"，当然大脑也可以包含进来，它们都是可以独立的处理人体内的"信息"，比如肺处理空气、心脏处理血液、大脑处理神经脉冲、肾脏处理废弃物……。元，从中国文化中讲是万物之本的意思。那网元就是网络之本了。看来，网元是有灵性的设备。

那么，网元和之间的接口、连线构成网络结构图。我们可以看看移动网络的网络结构图是如何演变的。

对于GSM而言，网元分成了核心网域、接入网域、终端域。如下图：

（同GSM图，从略）

之后，变化到了3G R99版本，这个版本在核心网域里增加了处理数据业务的网元GGSN、SGSN（实际在GPRS结构里已经存在）。R99的特点是接入网域已经3G化，而核心网域还是基本传承了GPRS架构。个人认为，R99是特殊年代的特殊版本，在IP蓬勃发展时，电信领域的专家为了守住自己的一亩三分地对IP说不，固守自己的TDM传输方式而采用了电信系自有的ATM技术。网元架构如下图：

（R99图，从略）

之后3G的版本再升级到R4，R99的架构迅速终结。IP技术横扫架构体系无法拦住，核心网发生巨大变革，MSC这个"州牧"被生生的分成了"布政使"——MSC Server和"按察使"——MGW。如下图：

（R4图，从略）

再之后到了R5，IP已经深入到整个网络的底层接入网，同时业务导向的理念逐渐战胜了技术导向。为此，核心网层增加了一个新的域"IMS"及由之带来的CSCFHSSMGCF等多个网元，用来将电路域和分组域和在一起，并生成众多多媒体共享业务，由此，话音和数据被一视同仁，再也无电路域和分组域之分。R5版本是业务应用的巨大变革。如下图：

（R5图，从略）

再之后到了R6，此时网络已经快进入4G了。业务导向更为明显，网络及网元的设计多基于业务需求，如对IMS架构的深加工。同时，为了让信息延迟更小，终端和基站单元（ENode-B）功能壮大，导致了RNC的逐渐消失。网络发展也跟社会发展一样，村级行政体系的增强，导致了乡镇架构的分解。。这样，基站的角色更像以前的RNC。但是，随着分布式结构、MIMO天线的出现，由射频单元和天线组成的远端节点很有可能演变成"网元"，因为MIMO的天线和射频单元也在独立的处理信息了。如下图：

（R6图，从略）

至于R7R8版本，业务增加了许多，调制技术实现了64QAM，复用方式也变成了OFDM，但是网元结构却再无巨大变化，先进的电信专家所能想到的网元架构至此算是告一段落。

作者：瑞士军刀   来源：C114通信人家园论坛