基于雙頻網(wǎng)和分層體系的GSM立體網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用實(shí)踐

陳 波

上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司 上海 200092

前言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，中國(guó)移動(dòng)GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高速增長(zhǎng)，但同時(shí)也需要投入更多的無(wú)線資源。在一些熱點(diǎn)地區(qū)，GSM網(wǎng)絡(luò)一直處在高負(fù)荷狀態(tài)，小區(qū)分裂和頻率復(fù)用度接近極限，網(wǎng)內(nèi)干擾問(wèn)題越來(lái)越突出，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量受到明顯影響。以某省移動(dòng)公司為例，GSM在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、優(yōu)化擴(kuò)容、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中面臨的挑戰(zhàn)主要有6個(gè)方面。1)在市區(qū)已部署大量基站，個(gè)別基站間距僅有200～300m，重疊覆蓋明顯增加，同時(shí)由于高載頻配置，基站間無(wú)線信號(hào)干擾嚴(yán)重；2)隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的激增，增大基站發(fā)射功率導(dǎo)致更強(qiáng)的基站間干擾，降低了相鄰小區(qū)的容量，并使相鄰小區(qū)覆蓋惡化，網(wǎng)絡(luò)底噪平均抬升接近12%；3)孤立的基站不能有效地處理潮汐效應(yīng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷；4)TD/WLAN對(duì)GSM數(shù)據(jù)未起到明顯的分流作用，反而出現(xiàn)數(shù)據(jù)倒流情況，近一年來(lái)仍維持GSM話音話務(wù)量增長(zhǎng)16%、數(shù)據(jù)話務(wù)量增長(zhǎng)50%的速度；5)基站選址困難、配套費(fèi)用高昂、運(yùn)維成本居高不下，節(jié)能減排政策對(duì)基站降耗提出了緊迫要求；6)數(shù)據(jù)流量快速增長(zhǎng)，但是APRU值增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。

GSM網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的大幅增長(zhǎng)，究其原因，一是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)導(dǎo)致單用戶數(shù)據(jù)流量不斷增大，以iPhone為代表的智能終端快速發(fā)展成為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的加速器，說(shuō)明了易操作數(shù)據(jù)終端對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的正向激勵(lì)作用；二是TD網(wǎng)絡(luò)利用率低，并呈現(xiàn)出TD數(shù)據(jù)倒流GSM的現(xiàn)象。

1 解決GSM高負(fù)荷的應(yīng)對(duì)策略

對(duì)于某省移動(dòng)公司來(lái)說(shuō)，為G網(wǎng)減壓是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化面臨的重要挑戰(zhàn)之一。從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、數(shù)據(jù)流量遷移、GSM新技術(shù)等角度出發(fā)，本文提出以下解決GSM高負(fù)荷的應(yīng)對(duì)策略。

1) 立體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)：在高話務(wù)密度區(qū)域通過(guò)容量立體化來(lái)降低干擾。

2) GSM演進(jìn)新技術(shù)：MCPA、基于基帶池的分布式基站、DPI業(yè)務(wù)識(shí)別等GSM+技術(shù)的引入能夠挖掘網(wǎng)絡(luò)潛力，增強(qiáng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能，提升用戶感知。

3) 四網(wǎng)融合協(xié)調(diào)發(fā)展：體現(xiàn)各類制式的差異性發(fā)展，形成發(fā)展有銜接、投資不浪費(fèi)、GSM資源優(yōu)化整合的建設(shè)模式。

4) WLAN與GSM寬帶融合：大流量業(yè)務(wù)默認(rèn)優(yōu)先選擇WLAN，將客戶流量尤其是下載類業(yè)務(wù)流量向WLAN遷移。

5) LTE數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分流：加強(qiáng)LTE覆蓋，通過(guò)資費(fèi)策略引導(dǎo)用戶使用LTE發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)盡量留在LTE網(wǎng)上。

6) 引入C-RAN：建設(shè)[1]基于集中處理、協(xié)作處理、實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架的綠色無(wú)線接入網(wǎng)C-RAN。

2 GSM立體網(wǎng)絡(luò)覆蓋的技術(shù)背景

2.1 立體網(wǎng)絡(luò)思想

GSM立體網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于高話務(wù)密度區(qū)域，其實(shí)質(zhì)是利用空間特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的多層覆蓋，以空間換容量，從而提高單位內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)容量；利用頻率的多層復(fù)用和容量的立體化吸收來(lái)降低干擾，改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量；利用無(wú)線信號(hào)覆蓋特點(diǎn)，結(jié)合天線布點(diǎn)，提升移動(dòng)信號(hào)深度覆蓋[2]。

2.2 分層體系架構(gòu)

立體網(wǎng)絡(luò)的分層體系架構(gòu)由三層網(wǎng)絡(luò)組成，即中層站、低層站、室內(nèi)站[3]，如圖1所示。

圖1 GSM立體網(wǎng)絡(luò)分層體系架構(gòu)

1) 中層站。以骨干宏蜂窩覆蓋中層，中層站的天線高度略高于建筑物的平均高度，在20～35m左右，覆蓋范圍一般在幾個(gè)街區(qū)范圍內(nèi)。中層站一般作為城區(qū)的廣覆蓋。

2) 低層站。以燈桿站和RRU街道站對(duì)低層進(jìn)行延伸覆蓋。低層站的天線高度低于建筑物的平均高度，一般在20m以下，天線安裝在建筑物范圍低層外墻、裙樓或低層飄臺(tái)天面等處。低層站覆蓋范圍僅為一條街道、一條街道的一部分或某建筑物室內(nèi)。低層站的頻率使用效率較高，一般用于吸收室外熱點(diǎn)話務(wù)，同時(shí)可補(bǔ)充室內(nèi)深度覆蓋。

3) 室內(nèi)站。以室內(nèi)分布信號(hào)覆蓋室內(nèi)區(qū)域。室內(nèi)站結(jié)合分布式系統(tǒng)吸收室內(nèi)熱點(diǎn)話務(wù)，分流室外站的話務(wù)負(fù)荷，從而降低室外站的載波配置和同頻干擾，形成高效的立體網(wǎng)絡(luò)。

上述分層體系架構(gòu)的特點(diǎn)是，在有限的頻率資源下提高單位面積內(nèi)網(wǎng)絡(luò)承載能力，通過(guò)低層網(wǎng)絡(luò)和室內(nèi)分布建設(shè)解決密集城區(qū)深度覆蓋問(wèn)題，把話務(wù)轉(zhuǎn)移到低層和室內(nèi)分布，使信號(hào)覆蓋和干擾更容易受到控制，從而有效地提升GSM網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，同時(shí)通過(guò)低層站豐富站點(diǎn)資源。

2.3 GSM 900/1 800M雙頻網(wǎng)的引入

目前的GSM網(wǎng)絡(luò)建立在900M頻段上，隨著用戶的迅速增長(zhǎng)，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量需求急劇增加，市區(qū)高話務(wù)密度區(qū)域的頻率資源成為制約業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸。新建900M站點(diǎn)涉及到周邊基站的天線掛高調(diào)整或頻率規(guī)劃調(diào)整，調(diào)整期間對(duì)現(xiàn)網(wǎng)質(zhì)量影響大，對(duì)網(wǎng)優(yōu)提出較高要求，同時(shí)，城區(qū)站點(diǎn)密度大、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及征址困難，需要通過(guò)GSM 900/1 800M雙頻網(wǎng)覆蓋方式進(jìn)行解決。

引入1 800M頻段(1 710～1 725MHz/1 805～1 820MHz)進(jìn)行規(guī)模部署具有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)[4]。1)有效解決900M頻段的頻率資源瓶頸制約；2)1 800M網(wǎng)絡(luò)與900M網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)組網(wǎng)、工程實(shí)施、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與業(yè)務(wù)支持方面比較一致；3)可以重復(fù)利用現(xiàn)有的900M站址進(jìn)行1 800M基站建設(shè)，從根本上緩解城區(qū)基站選址壓力。

對(duì)于某省移動(dòng)公司來(lái)說(shuō)，由于1 800M頻段引入較晚，1 800M全網(wǎng)可按照?qǐng)D2所示的“三步走”原則進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)。

圖2 1 800M基站建設(shè)三階段

2.4 GSM 900/1 800M雙頻網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

GSM 900/1 800M雙頻網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可分為共BTS混合組網(wǎng)和共BSC混合組網(wǎng)兩種類型。共BTS混合組網(wǎng)也稱為Co-BCCH，即小區(qū)的BCCH和SDCCH信道配置在900M的載頻上，非BCCH載頻可以是900M的，也可以是1 800M的載頻。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省一個(gè)BCCH時(shí)隙，直接在900M小區(qū)內(nèi)配置1 800M載頻，不必修改原來(lái)的小區(qū)鄰接關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)無(wú)需重新規(guī)劃，并且不存在共站址雙頻小區(qū)間的重選和切換問(wèn)題。針對(duì)某省移動(dòng)公司GSM網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，本文建議采用共BTS混合組網(wǎng)方案，如圖3所示。

圖3 GSM900/1800M共BTS混合組網(wǎng)

3 GSM立體網(wǎng)絡(luò)覆蓋的建設(shè)策略

3.1 GSM 900/1 800M雙頻網(wǎng)規(guī)劃方法

GSM900/1 800M雙頻網(wǎng)規(guī)劃的總原則是，900M網(wǎng)絡(luò)保證覆蓋，1 800M網(wǎng)絡(luò)充分吸收話務(wù)量。在實(shí)際工程建設(shè)中，1 800M基站和已建900M基站共址建設(shè)，充分利用基站機(jī)房、鐵塔、電源以及傳輸設(shè)備，除了節(jié)省投資，也減小了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、運(yùn)行、優(yōu)化的復(fù)雜性。

1 800M基站的天饋建設(shè)方案為共饋線雙頻天線。從無(wú)線傳播特性并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)考慮，重點(diǎn)城市高話務(wù)密度區(qū)域的1 800M基站站距控制在250～300m較好，但已建GSM基站按900MHz進(jìn)行規(guī)劃，不可能完全滿足1 800M頻段的要求，加上部分市區(qū)基站機(jī)房面積小，無(wú)擴(kuò)容安裝新設(shè)備的空間，有少量基站可能共址不共機(jī)房或不共站。

在1 800M基站配置容量較小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要解決SDCCH、TCH信道擁塞，以及雙頻間的頻繁切換。

為避免雙頻網(wǎng)間的大量切換和重選的產(chǎn)生，采取如下方法加以控制。1)使雙頻手機(jī)優(yōu)先選擇1 800M網(wǎng)絡(luò)，可將1 800M小區(qū)設(shè)為正常優(yōu)先級(jí)小區(qū)，其CBQ=0，CBA=0；900M小區(qū)設(shè)為低優(yōu)先級(jí)小區(qū)，其CBQ=1，CBA=0。2)通過(guò)C2參數(shù)的控制，讓雙頻手機(jī)重選1 800M網(wǎng)絡(luò)。3)對(duì)1 800M覆蓋區(qū)內(nèi)的盲區(qū)適當(dāng)補(bǔ)站，以保證1 800M的連續(xù)覆蓋，降低位置更新發(fā)生的可能性。4)禁止900M網(wǎng)絡(luò)向1 800M網(wǎng)絡(luò)的PBGT切換，也禁止1 800M網(wǎng)絡(luò)向900M網(wǎng)絡(luò)的PBGT切換。

3.2 GSM 900/1 800M雙頻網(wǎng)建設(shè)原則

在“城區(qū)900M高配置小區(qū)(大于7載頻)的占比控制在10%以下”的原則下，進(jìn)行1 800M網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。

1) 擴(kuò)容900M基站原則：原有基站無(wú)1 800M，需求TRX大于原有載頻，并小于7載頻上限(農(nóng)村基站可根據(jù)需要放寬到10載頻上限)。

2) 擴(kuò)容1 800M基站原則：原有基站有1 800M，需求TRX大于原有載頻，按擴(kuò)容需求擴(kuò)容1 800M；如果擴(kuò)容需求大于1 800M上限(在保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量前提下，1 800M宏站可以接受的最大平均配置為7/7/7)，則再擴(kuò)容900M載頻；如果達(dá)到900M上限，則再新建900M容量型基站。

3) 新建900M容量基站原則：原有基站無(wú)1 800M，需求TRX大于原有載頻，并大于7載頻上限，此處為農(nóng)村或高速或有耦合直放站，新建基站載頻數(shù)等于擴(kuò)容需求數(shù)。

4) 新建1 800M基站原則：原有基站無(wú)1 800M，需求TRX大于原有載頻，并大于7載頻上限，此處為非農(nóng)村、非高速、無(wú)耦合直放站。

5) 對(duì)于站距小于350m且配置大于S777的900M站點(diǎn)，擴(kuò)容時(shí)使用1 800M載頻，不再擴(kuò)容900M載頻。

6) 整網(wǎng)900M平均頻率復(fù)用度不低于5×3，1 800M平均頻率復(fù)用度不低于4×3。

7) 搭建從MSC到BSC的框架，預(yù)留三年以上的容量，以擴(kuò)容方式進(jìn)行基站建設(shè)，避免無(wú)謂的割接。

3.3 GSM立體網(wǎng)絡(luò)性能提升分析

圖4給出了傳統(tǒng)的GSM立體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其存在的弊端主要有五個(gè)。1)“高站”問(wèn)題。原則上，在城區(qū)應(yīng)將高站逐步拆除或降低天線高度(不超過(guò)50m，并且不高于周邊基站平均高度15m以上)，以克服高站越區(qū)干擾。2)“高配置站”問(wèn)題。原則上，城區(qū)900M高配置小區(qū)(大于7載頻)的占比應(yīng)控制在10%以下，1 800M小區(qū)載頻配置不超過(guò)7。

圖4 傳統(tǒng)的GSM立體網(wǎng)絡(luò)示意圖

3)“高直放站比”問(wèn)題。按照中國(guó)移動(dòng)集團(tuán)公司直放站替換原則，在城區(qū)，除電梯、地下停車場(chǎng)等容量需求小的信號(hào)盲區(qū)外，原則上應(yīng)避免使用直放站，通過(guò)微蜂窩、宏站或RRU進(jìn)行替換。

4) GSM微蜂窩站點(diǎn)數(shù)量不足，同時(shí)，已有微蜂窩站點(diǎn)的室分系統(tǒng)高層信號(hào)雜亂。微蜂窩基站引入較晚，也未使用室分系統(tǒng)分層解決方案。在后續(xù)的微蜂窩建設(shè)中，應(yīng)加大RRU信源的使用比例，加快網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)度。

5) 低層網(wǎng)絡(luò)站址獲取困難，精確覆蓋實(shí)施困難。城市快速發(fā)展導(dǎo)致無(wú)線環(huán)境不斷改變，同時(shí)，居民環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)導(dǎo)致低層網(wǎng)絡(luò)機(jī)房和天面獲取困難，造成站址選擇和設(shè)備安裝的極大困難，天面?zhèn)窝b需求急劇提升。傳統(tǒng)機(jī)房式基站模式難以適應(yīng)快速覆蓋，需要通過(guò)多形態(tài)、小體積的基站適應(yīng)復(fù)雜的分層組網(wǎng)場(chǎng)景，燈桿站和RRU街道站兩種站型應(yīng)作為低層站的主要建設(shè)模式，從而實(shí)現(xiàn)低層網(wǎng)絡(luò)的精確覆蓋。圖5給出了RRU街道站的建設(shè)場(chǎng)景。

圖5 低層站中的RRU街道站建設(shè)場(chǎng)景

本文提出的新型GSM立體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)克服了上述弊端，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高話務(wù)密度區(qū)域的GSM三層立體網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如圖6所示。1)中層站中的宏站覆蓋層：以900M為主，降低頻率復(fù)用度，控制網(wǎng)絡(luò)底噪，吸收深度話務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋。2)中層站中的宏站容量層：以1 800M為主，承擔(dān)大部分CS和PS業(yè)務(wù)的話務(wù)吸收，依靠頻段特性保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。3)中層站同時(shí)為無(wú)室分系統(tǒng)的樓宇提供GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋。4)低層站：通過(guò)燈桿站和RRU街道站構(gòu)建微微蜂窩，實(shí)現(xiàn)局部熱點(diǎn)的話務(wù)吸收和單點(diǎn)補(bǔ)盲，確保VIP用戶的保障。5)室內(nèi)站：面向室內(nèi)覆蓋，并吸收室外熱點(diǎn)話務(wù)，分擔(dān)中層站和低層站話務(wù)負(fù)荷，提供樓宇室分系統(tǒng)分層解決方案。6)對(duì)于交通干道，通過(guò)多RRU共小區(qū)實(shí)現(xiàn)低層站單小區(qū)最大覆蓋近10km，減少站間切換71%[5]。

圖6 新型GSM立體網(wǎng)絡(luò)示意圖

4 GSM網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)演進(jìn)

隨著TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的超常規(guī)建設(shè)，以某省移動(dòng)公司為例，預(yù)計(jì)2015年底將出現(xiàn)GSM數(shù)據(jù)流量拐點(diǎn)，GSM載頻利用率呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。為充分利用GSM載頻資源，在FDD LTE牌照發(fā)放前，建議優(yōu)選移動(dòng)自有的900MHz頻段實(shí)施農(nóng)村TD-LTE覆蓋試點(diǎn)(也稱GSMHi)，以較低的成本為農(nóng)村提供普遍的4G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。初期采用GSM900MHz頻段中的890～895MHz共5MHz帶寬用于農(nóng)村TD-LTE基站，遠(yuǎn)期按需擴(kuò)展至10MHz，即890MHz～900MHz(見(jiàn)圖7、表1)。

圖7 GSM-Hi頻段使用策略

表1 GSM-Hi數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)能力

5 總結(jié)和展望

GSM立體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和建設(shè)策略為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化工作提供了一條可行的解決思路。本文提出的GSM立體網(wǎng)絡(luò)思路符合LTE組網(wǎng)趨勢(shì)，具有較強(qiáng)的先進(jìn)性和可實(shí)施性，從2013年開(kāi)始已普遍用于某省移動(dòng)公司的GSM規(guī)模性建設(shè)，低層站和室內(nèi)站的財(cái)務(wù)靜態(tài)投資回收期小于3年，屬于較為優(yōu)質(zhì)的建設(shè)工程。后續(xù)將從對(duì)比優(yōu)勢(shì)、重要投訴、集中投資、現(xiàn)有資源、組巡保障、投資效益六個(gè)維度重點(diǎn)投放微站、Relay、Lampsite、Femto/Nanocell等站型，進(jìn)一步完善精品網(wǎng)覆蓋能力。

此外，GSM低層站在解決GSM立體覆蓋的同時(shí)，為4G超常規(guī)建設(shè)提前儲(chǔ)備了重要的站址資源，已成功地實(shí)現(xiàn)規(guī)模性TD-LTE微站/小站共址建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)移動(dòng)通信研究院.C-RAN無(wú)線接入網(wǎng)綠色演進(jìn)白皮書2.5版本[R].2011

[2]丁東.GSM立體網(wǎng)覆蓋思路和解決方案[J].電信技術(shù),2010,(8):52-54

[3]中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司.關(guān)于下發(fā)2011年GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化指導(dǎo)意見(jiàn)的通知(中移有限網(wǎng)通[2011]95號(hào))[R].2011

[4]張威.GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化－原理與工程(第2版)[M].北京:人民郵電出版社,2010

[5]華為公司.GSM立體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)討論[EB/OL].[2015-01-02].http://www.huawei.com/,2012