GSM数字移动通信网容量增加解决方案

全球通GSM数字移动通信网容量增加解决方案宗新华摘要：首先从理论方面分析了GSM网络容量的计算方法；接着又理论联系实际，根据GSM网络运行的情况，叙述了增加GSM网络容量的几种实用技术；最后提出了增加GSM网络容量的具体步骤与建议。关键词：网络容量;宏蜂窝;微蜂窝;双层网;多层网一、增加网络容量是市场发展的需要移动通信在我国开通运营12年以来，一直以超过100％的年增长率高速发展。中国电信经过十年建设发展(到1997年7月17日)移动用户达到1000万，然后又用了一年零一个月(到1998年8月18日)用户达到2000万。到1999年6月底全国移动电话用户达到3383万（中国电信3109万，中国联通274万），而GSM用户在全国移动电话市场的占有率接近80％。自从1994年9月中国大陆第一个全球通数字蜂窝移动通信系统(GSM)在广东省开通运营以来，用户迅猛增长，网络急剧扩大，其发展可谓如日中天，市场前景非常看好。目前中国电信已建成了技术日臻完善、规模日趋庞大、结构比较合理、覆盖相当良好、效益尤为突出的全球第一大GSM移动通信网,中国电信GSM用户占全球GSM用户总数的1/7。截止到1998年底，中国电信GSM网已覆盖了全国97％的地市(330个)、93％的县市(2022个)，有26个省市实现了县以上全部覆盖，与38个国家和地区的60多个运营商开通了自动漫游业务。但是，随着GSM用户的急剧增长，网络容量受限的矛盾越来越突出，为了满足旺盛的市场需求，为了提供更加完善和多样化的服务，怎样既注重技术先进、又坚持经济合理，多快好省地建设面向21世纪的、优质、高效、超大规模的GSM数字移动通信网是必须引起运营商高度重视的问题。二、GSM网络无线信道容量的理论计算一个频率复用系统的整个工作频段配置被划分为K个频率组复用的模式，K=3，4，7等。图中R为小区六边形外接圆半径，D为同频相邻两个小区群中，位置相对应的两个小区中心之间的距离，即最近同频小区距离，那么比值D/R被称作处理同频道干扰的一个主要参量：………(2－1)q称为同频道干扰抑制因子在一个完整的六边形蜂窝系统中，第一层中总是有6个同频道干扰小区，如图1所示。在中心小区，其基站与移动用户都受到同频道干扰影响。如果干扰相当大，移动用户收到的由6个基站引起的载干比C/I在平均意义上等于中心小区基站收到的由6个小区中同频道移动用户所引起的载干比C/I。根据互易定理和无线电传播特性的统计规律，这两个载干比非常接近。通常本地噪声远小于干扰电平，可以忽略不计，那么载干比C/I可表示为：………(2－2)图1小区复用模式及同频干扰小区示意图其中γ是由地形确定的传播路径损耗指数，在无线电传播中，γ通常为3～4；n为同频道干扰小区数目，q是i个同频道干扰小区的同频道干扰抑制因子。至于第二层和更外层的同频道干扰的影响可忽略不计。为了简化计算，假设所有干扰源距中心小区的距离相等，即Di=D，q=q，又n=6，γ取4，则(2－2)式便成为：………(2－3)将(2－1)代入(2－3)………(2－4)………(2－5)由于FDMA系统中每一频率信道或TDMA系统中每一时隙信道被指定供1个用户通话，在通话期间别的用户不能共用此信道。在此情况下，根据上述分析，可以给出无线容量m的表达式:载频数/小区………(2－6)Bt网络占用的总带宽Bc每频道带宽或等效频道带宽M=Bt/Bc总频道数或等效频道数由此可以看出，要使每个小区具有更多的载频数或用户信道，需要(1)增加频率资源；(2)压缩每载频占用带宽；(3)降低系统要求的最小载干比。而(2)和(3)有时是矛盾的。就蜂窝系统的实际频谱效率来讲，涉及的因素非常复杂，主要与载频间隔和频率复用系数密切相关。载频间隔与发送带宽、抗邻频干扰能力有关；而频率复用系数与抗同频干扰能力有关。抗干扰能力又取决于发送信号的冗余度(例如话音编码输出)、信道编码、交织和调制有关。对于GSM系统来讲，载频间隔为200kHz，话音编码采用带有长期预测的规则脉冲激励线性预测编码(RPE－LTP)，话音编码速率为13kb/s；信道编码采用具有交织脉冲检错和1/2编码率的卷积编码；调制采用高斯滤波最小移频键控(GMSK)，BT=0.3。根据国家无线电管理委员会的频率分配方案，中国电信GSM网络具有4MHz频率（上行905～909MHz，下行950～954MHz），中国联通GSM网络具有6MHz频率（上行909～915MHz，下行954～960MHz）。但由于移动用户的急剧增加，中国电信的4MHz频率显然不够，所以将其模拟TACS系统调整，所占频率压缩，腾出的频率转给GSM网使用。具体腾出多少频率，各地根据网络发展情况酌情规划，目前中国电信GSM网在全国各地拥有的频率一般都在10MHz以上。以北京电信为例，GSM网络目前占用的频率带宽为11.8MHz，计59个载频。根据上述公式和北京电信GSM网络频率资源，可以得到表1。表1北京电信GSM网络每标准宏蜂窝基站小区理论容量所需量小C/I(dB)频率复用系数k载频数/基站9(GSM技术规范)2.452412(工程设计要求)2.8320.8三、标准宏蜂窝基站小区1.标准宏蜂窝基站小区的覆盖面积图2标准宏蜂窝基站小区的覆盖面积由图2可知：………(3－1)………(3－2)每标准宏蜂窝基站小区的覆盖面积S为:………(3－3)R:小区覆盖半径R=2r2.标准宏蜂窝基站小区半径与相邻基站间距的关系图3标准宏蜂窝基站小区半径与相邻基站间距的关系注：d=1.5Rd:相邻基站间距R:基站小区半径四、增加GSM网络容量的具体方案1．小区分裂GSM建网初期，主要是解决覆盖问题，天线较高，基站间距较大，小区覆盖半径也较大。随着用户的增多，可以将原来的小区进一步分裂成更多的覆盖面积更小的小区，基站间距缩小，小区覆盖半径也减小，天线高度降低，或者适当增加天线的下倾角。通过小区分裂，全网基站数增加，全网载频数、信道数、承载话务量、用户数等网络容量也相应增加。每进行一次半站距分裂，基站间距、小区覆盖半径均减半，从理论上讲，分裂后的每个基站的服务面积缩小为原来的1／4，在基站配置结构维持不变(即每个基站的载频频数不变)的条件下，每个基站所能承载的话务量增加为原来的4倍。小区分裂的优点是网络容量增加明显，缺点是建设投资较大。因为不仅涉及新增基站设备投资，还要增加基站租金、光缆引入、传输设备、电源空调等配套投资；并且相应也要增加运行维护的工作量；另外从技术角度来讲，小区分裂也有一个限度，当基站间距缩小为400～500m时就不宜再进行大规模的小区分裂了，除个别情况下如利用建筑物阻挡，小区间距可达到200m。以北京电信为例，GSM网的历次扩容工程基本上都是以小区分裂、增加基站为主，GSM网常规基站间距完成了3300m→1650m→825m→412m演进过程，其相应的话务量承载能力如表2所示。北京电信GSM六期工程结束后，GSM900宏蜂窝基站间距缩小为412m左右，基站格局基本定型，下一步重点转为优化调整。表2小区分裂的效果（理论计算）基站间距(m)33001650825412基站覆盖半径(m)22001100550275每基站服务面积(km2)9.42.360.590.15话务量承载能力(Erl/km2)11.0744.28177.12708.482.密集频率复用采用更紧密的频率复用技术，提高频率利用率，在同样的频率资源下，可以提高每基站所能承载的话务量。提高频率利用率的主要技术有IUO、MRP、1×3等。如同样的12MHz频率资源，如果采用传统的4×3复用方式，基站最大结构为S5/5/5；若采用3×3复用方式，可以做到S6/6/6；若采用MRP技术,可以做到S7/7/7;若采用1×3复用技术，可以做到S9/9/9。⑴IUO技术IUO技术是采用智能双层网(IntelligentUnderlayOverlay)模式，每个cell都分成超级层(Superlayer)和常规层(RegularLayer)。1998年北京电信GSM网NOKIA基站设备采用IUO技术，频率复用模式是：BCCH采用比较宽松的15复用；超级层采用2×3复用，每个cell一个TRX；常规层采用4×3复用。由此可见若要实现S5／5／5配置，共需要频点数为:(15＋4×3×3)(RegularLayer)＋(2×3×1)(Superlayer)=57个，频率带宽为11.4MHz，频率复用系数仅相当于57÷5=11.4，比常规的12复用仅提高了5％；而若要实现S6／6／6配置，则共需要频点数为:(15＋4×3×4)(RegularLayer)＋(2×3×1)(Superlayer)=69个，频率带宽为13.8MHz，频率复用系数仅相当于69÷6=11.5，比常规的12复用仅提高了4.2％，所以从提高频率复用系数的角度来讲意义不大。采用IUO技术，当从BCCH所在TRX切换到本服务小区的Superlayer时，首先要将本服务小区的BCCH与邻近小区的BCCH场强比较，当本服务小区的BCCH场强比邻近小区BCCH场强高出一定值(比如10～20dB)时，才切换到本服务小区的Superlayer，又由于Superlayer只有一个TRX，TCH显然紧张，很可能又切换到RegularLayer，这就要求RegularLayer无线信道良好，容易造成Superlayer与RegularLayer的相互切换，相互制约，相当不利。另外，采用IUO技术时，基站附近无线信道资源既有Superlayer，又有RegularLayer，所以能承载的话务量较大，而离基站较远的地区，无线信道资源一般只能依靠RegularLayer，所能承载的话务量相对较小。如果基站所在建筑物附近恰好为高话务热点地区，就比较理想，但是基站布局一般是根据蜂窝网孔模型设置的，这种概率毕竟太小。所以IUO技术对北京电信来讲意义不大，目前已不再使用IUO了。⑵MRP多重复用技术MRP的基本原理是将频率分解成不同的段，每段采用不同的复用模式。例如若基站配置为S6／6／6，就要将频率分成6段，第1个TRX(BCCH)采用比较宽松的12或15复用，第2个TRX(TCH)9复用，第3个TRX(TCH)8复用，第4个TRX(TCH)7复用，第5、第6个TRX(TCH)6复用等。采用MRP多重复用技术，其频率复用系数相当于7.5～9。Ericsson公司比较推崇采用MRP技术，根据其在深圳移动网上的实际运营结果，在9.6MHz带宽下，其基站最大配置可达到S6／6／6，但基站间距最好不要小于700m，如果基站间距过小，有一定的风险和难度。有一点必须强调的是MRP是“多重”复用技术，并不是“多层”，同一cell的每个TRX的覆盖范围完全一样，可以比较均匀地承载话务量。并且MRP不需要RF跳频，基带跳频就可以。⑶1×3复用技术1×3复用技术频率规划比较简单，并且频率利用率很高，但后期优化调整的余地不大，采用1×3复用模式时BCCH也要维持比较宽松的12或15复用，TCH采用1x3复用，将频率分成3组，复用效率可达50％以上。在9.6MHz带宽下，基站最大配置可达S7／7／7。1×3复用模式的频率复用系数相当于7。Nortel公司比较推崇采用1×3技术。根据其在西安移动网上的运营情况，在9.6MHz带宽下，其基站最大配置已经达到S7／7／7。并且效果相当不错。但采用1×3复用模式时，要求BTS支持RF跳频。3．微蜂窝和微蜂窝层微蜂窝基站主要有三种用途：一是解决宏蜂窝难以覆盖的“盲点”，二是解决话务量特别高的“热点”，三是为了解决全网容量问题，在现有的宏蜂窝层下面再建一个连续覆盖的微蜂窝层。⑴宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝和微蜂窝层的区别宏蜂窝：小区覆盖半径一般大于400m；天线高度20m以上。微蜂窝：小区覆盖半径一般100～200m；天线高度10～15m左右；无线电波在街区范围内，可采用高频率复用模式。微微蜂窝：小区覆盖半径一般小于100m；天线安装在建筑物内部，主要解决重点场所室内覆盖；无线电波仅在建筑物