一種用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋的GSM準(zhǔn)基站構(gòu)建方案

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211188)

1 引 言

GSM基站建設(shè)面臨著種種困難，如：基站選址難、超遠(yuǎn)距離覆蓋難、邊遠(yuǎn)地區(qū)非可視距覆蓋難、部分地區(qū)光纖傳輸不到位、建站費用大、建站周期長、城區(qū)覆蓋盲點多等問題,這些問題極大地制約著GSM網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化覆蓋。隨著GSM網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模的發(fā)展，優(yōu)化覆蓋的問題突顯，包括了一些覆蓋盲區(qū)和突發(fā)高話務(wù)量的需求等[1-3]。

針對以上GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋的問題，出現(xiàn)了數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)、飛地壓擴系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)資源智能調(diào)度系統(tǒng)等GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋解決方案[4-5]。這些方案有效地解決了在不同應(yīng)用場景中GSM網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化覆蓋問題，并且在實際工程中已得到充分應(yīng)用。但是，這些方案仍然存在著覆蓋手段單一、覆蓋盲區(qū)過大等缺陷。

為了更好地解決GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋問題，本文在分析GSM網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景以及解決方案的基礎(chǔ)上，提出了用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋的GSM準(zhǔn)基站構(gòu)建方案，對GSM準(zhǔn)基站的構(gòu)建以及工程應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。

2 GSM網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化覆蓋

2.1 應(yīng)用場景

GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋所針對的應(yīng)用場景包括封閉場景、線狀場景、開闊場景、特殊場景。

(1)封閉場景

其覆蓋目標(biāo)主要有居民樓、寫字樓、酒店、商場、場館、機場等由于建筑物對無線信號屏蔽所造成的覆蓋盲區(qū)或弱區(qū)。其目標(biāo)特點是：用戶集中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)高發(fā)區(qū)；用戶群呈朝夕時間規(guī)律分布；不同覆蓋目標(biāo)結(jié)構(gòu)類型差異大，信號的傳播環(huán)境復(fù)雜。

(2)線狀場景

其覆蓋目標(biāo)主要有公路、鐵路、城市街道、隧道、水路運河等呈線狀或帶狀的狹長覆蓋區(qū)域。其目標(biāo)特點是：用戶分布時間無規(guī)律，容量要求不是特別高；覆蓋目標(biāo)區(qū)域較長，小區(qū)切換頻率高，重點考慮連續(xù)無縫覆蓋；用戶終端處于高速移動狀態(tài)，易出現(xiàn)多普勒頻移現(xiàn)象；用戶使用視頻電話、定位導(dǎo)航及流媒體下載等數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)。

(3)開闊場景

其覆蓋目標(biāo)主要有城市生活廣場、平原、村莊等場地開闊、可視空間較大的區(qū)域。其目標(biāo)特點是：用戶分布差異大，如城市廣場傍晚用戶量非常大，其它時間很少；覆蓋目標(biāo)區(qū)域較為寬闊，特定區(qū)域內(nèi)廣覆蓋；信號傳播環(huán)境較好。

(4)特殊場景

其覆蓋目標(biāo)主要有風(fēng)景名勝區(qū)、山區(qū)、丘陵等特殊地形地貌區(qū)域，單一覆蓋手段難以解決覆蓋問題。其目標(biāo)特點是：地形地貌造成信號分布不連續(xù)、不均勻；信號質(zhì)量差，用戶量不大；自然條件惡劣，供電和配套難以解決。

2.2 優(yōu)化覆蓋的解決方案

(1)典型封閉場景：室內(nèi)信號覆蓋綜合解決方案

設(shè)計思想：設(shè)計合理的室內(nèi)分布系統(tǒng)解決方案，接收宏蜂窩或微蜂窩的信源信號，經(jīng)過直放站將需要的信號進(jìn)行有效放大，利用室內(nèi)天線分布系統(tǒng)將信號均勻地分布在室內(nèi)的每個角落，實現(xiàn)室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，為用戶提供良好的無線通話環(huán)境。

(2)典型線狀場景：公路、鐵路、隧道、海域覆蓋綜合解決方案

設(shè)計思想：采用大功率光纖拉遠(yuǎn)多點覆蓋解決方案、無線直放站高增益定向天線覆蓋解決方案、室外有源分布系統(tǒng)解決方案、泄漏電纜解決方案、太陽能供電解決方案等。

(3)典型開闊場景：郊區(qū)、農(nóng)村、體育場、會展中心覆蓋綜合解決方案

設(shè)計思想：對于周圍基站數(shù)較少、信源比較純凈的區(qū)域，可采用成本較低的寬帶直放站；對于無線網(wǎng)絡(luò)狀況復(fù)雜區(qū)域，可采用具有極強頻點選擇能力的選頻直放站；對于隔離度難以保證、同時對信源基站可視的區(qū)域，可采用沒有自激危險的移頻直放站；對于難以取得信源的區(qū)域，可采用光纖直放站；對于以高話務(wù)量事件為觸發(fā)的區(qū)域，可采用無線網(wǎng)絡(luò)資源智能調(diào)度系統(tǒng)。

(4)典型特殊場景：風(fēng)景區(qū)覆蓋綜合解決方案

設(shè)計思想：采用光纖直放站對基站進(jìn)行光纖拉遠(yuǎn)至風(fēng)景區(qū)內(nèi)，為基站吸收話務(wù)量，并配以干線放大器延伸覆蓋范圍；在制高點等有利于覆蓋的地點架設(shè)直放站及高增益天線實現(xiàn)覆蓋；在山體較多區(qū)域采用飛地壓擴系統(tǒng)。

3 GSM準(zhǔn)基站的構(gòu)建

3.1 GSM準(zhǔn)基站產(chǎn)生背景

直放站的無線信號遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)一般都采用模擬傳輸技術(shù)，其中模擬光纖傳輸系統(tǒng)是其中采用比較多的一種傳輸方式。由于模擬光纖傳輸方式存在固有噪聲疊加的缺陷，會導(dǎo)致遠(yuǎn)距離傳輸和分區(qū)傳輸?shù)膭討B(tài)范圍下降，難以解決多載波信號的遠(yuǎn)距離傳輸和大容量、大動態(tài)范圍的信號覆蓋問題，特別是高鐵、線性區(qū)域、群樓區(qū)域。

隨著社會信息化的加快，邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)對移動通信的需求也日益提高，成為了移動運營商的重要業(yè)務(wù)增長點。這些地方地域廣、地型復(fù)雜、話務(wù)量低，運營商建網(wǎng)初期面臨高投入、低回報的壓力。另外，許多鄉(xiāng)村陸續(xù)開發(fā)風(fēng)景旅游區(qū)，節(jié)假日話務(wù)量較高，對通信質(zhì)量的需求也在進(jìn)一步提升。

GSM準(zhǔn)基站解決方案是基于數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)和飛地壓擴系統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋解決方案基礎(chǔ)上提出的。

(1)數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)

數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)是采用軟件無線電技術(shù)，通過光纖將數(shù)字信號傳送到遠(yuǎn)端，利用遠(yuǎn)端射頻單元對數(shù)字信號進(jìn)行再生、放大，實現(xiàn)基站信號的拉遠(yuǎn)覆蓋。采用數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多載波移動通信信號的遠(yuǎn)距離傳輸和大容量、大動態(tài)的信號覆蓋，為移動通信系統(tǒng)增加了一種靈活的大動態(tài)范圍和大容量的射頻信號遠(yuǎn)距離優(yōu)化覆蓋的新型手段。

數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)特別適用于鐵路、高速公路、普通道路、城中村、海域等狹長型區(qū)域覆蓋。

(2)飛地壓擴系統(tǒng)

飛地壓擴系統(tǒng)是一種把占用帶寬較大的通信信號壓縮到頻帶較窄的低頻頻段中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)南到y(tǒng)。它在近端機把工作頻段信號壓縮并移頻至3 MHz帶寬的低頻頻段，在遠(yuǎn)端機把信號解擴還原至原頻段，信號線性放大后進(jìn)行覆蓋。

采用飛地壓擴系統(tǒng)，可以對頻率資源緊張的覆蓋區(qū)和超遠(yuǎn)距離覆蓋的地區(qū)進(jìn)行優(yōu)化覆蓋。通過采用150～250 MHz的中頻頻率作為中繼傳輸頻率，進(jìn)行非可視距覆蓋，能有效地解決多丘陵、多山、森林地區(qū)以及大草原等地區(qū)的信號覆蓋問題，提高村莊、郊區(qū)等低話務(wù)量地區(qū)以及受地形影響的陰影區(qū)域的信號質(zhì)量。

3.2 GSM準(zhǔn)基站系統(tǒng)組成

GSM準(zhǔn)基站主要是由數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的近端機和遠(yuǎn)端機、飛地壓擴系統(tǒng)的遠(yuǎn)端機、光纖及天饋系統(tǒng)組成,其中，DAU為近端機，DRU為遠(yuǎn)端機。

3.2.1數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的組成

圖1和圖2分別是數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的近端機和遠(yuǎn)端機組成示意圖。

圖1 數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的近端機組成示意圖Fig.1 DAU of digital optical fiber remote system

圖2 數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)端機組成示意圖Fig.2 DRU of digital optical fiber remote system

3.2.2飛地壓擴系統(tǒng)遠(yuǎn)端機的組成

圖3是飛地壓擴系統(tǒng)的遠(yuǎn)端機組成示意圖。

圖3 飛地壓擴系統(tǒng)的遠(yuǎn)端機組成示意圖Fig.3 DRU of compress-band shift-frequency repeater system

3.2.3工作原理

GSM準(zhǔn)基站工作原理如下：

(1)數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的近端機耦合基站信號進(jìn)行下變頻，然后進(jìn)行軟件無線電處理，對所需的信號進(jìn)行濾波及增強處理；

(2)信號通過光纖傳送到數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)端機，利用遠(yuǎn)端機數(shù)字中頻板進(jìn)行射頻信號的再生，通過射頻單元放大，實現(xiàn)基站信號拉遠(yuǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋；

(3)同時，數(shù)字光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)端機留有飛地壓擴系統(tǒng)的中頻接口，可以根據(jù)實際應(yīng)用情況，接入飛地壓擴系統(tǒng)的遠(yuǎn)端機，進(jìn)行遠(yuǎn)距離覆蓋。

3.3 GSM準(zhǔn)基站優(yōu)化覆蓋功能

圖4 GSM準(zhǔn)基站優(yōu)化覆蓋方式示意圖Fig.4 GSM extension base station optimization coverage

圖4是GSM準(zhǔn)基站優(yōu)化覆蓋方式示意圖。通過對GSM準(zhǔn)基站解決方案進(jìn)行分析可以看出，GSM準(zhǔn)基站優(yōu)化覆蓋方式具有5個方面的功能。

(1)自動時延校準(zhǔn)功能

GSM準(zhǔn)基站通過實時測量各遠(yuǎn)端機與近端機之間的時延，自動或手動調(diào)整各遠(yuǎn)端機和近端機之間的時延，有效地消除同扇區(qū)遠(yuǎn)端機之間重疊信號覆蓋區(qū)域的時延色散干擾。

(2)噪聲抑制功能

GSM準(zhǔn)基站對每個遠(yuǎn)端機的上行鏈路進(jìn)行控制，極大地減小了各遠(yuǎn)端機之間上行噪聲相互干擾，消除了上行鏈路對基站的噪聲干擾。

(3)靈活的組網(wǎng)功能

在GSM準(zhǔn)基站的近端機和遠(yuǎn)端機之間，可采用點對多點星形結(jié)構(gòu)，以及在遠(yuǎn)端機之間，可進(jìn)行點對點菊花鏈結(jié)構(gòu)傳輸。光波分復(fù)用與菊花鏈功能組合使用，可以大大減少光纖資源，組網(wǎng)更為靈活。

(4)上、下行鏈路平衡自動實現(xiàn)功能

采用GSM準(zhǔn)基站，無論接入一臺或串接多臺遠(yuǎn)端機，其引入的噪聲始終為-131 dBm，因此不需要下調(diào)上行增益來防止干擾基站，因此上下行鏈路平衡不受任何影響。

(5)非可視距覆蓋功能

采用GSM準(zhǔn)基站，可以對頻率資源較為緊張的覆蓋區(qū)和超遠(yuǎn)距離覆蓋的地區(qū)進(jìn)行優(yōu)化覆蓋，能有效地解決多丘陵、多山、森林地區(qū)以及大草原等地區(qū)的信號覆蓋問題。

4 GSM準(zhǔn)基站優(yōu)化覆蓋的應(yīng)用

4.1 GSM準(zhǔn)基站優(yōu)化覆蓋的組網(wǎng)

(1)鏈形組網(wǎng)的優(yōu)化覆蓋

GSM準(zhǔn)基站鏈形組網(wǎng)的優(yōu)化覆蓋應(yīng)用示意圖如圖5所示。其配置是：一臺近端機、若干臺遠(yuǎn)端機及遠(yuǎn)端機服務(wù)天線。鏈形組網(wǎng)方式適用于鐵路、公路、隧道及高速鐵路等具備狹長特征的應(yīng)用場景優(yōu)化覆蓋。

圖5 鏈形組網(wǎng)的優(yōu)化覆蓋應(yīng)用示意圖Fig.5 Optimization coverage of link networking

(2)星形組網(wǎng)的優(yōu)化覆蓋

GSM準(zhǔn)基站星形組網(wǎng)的優(yōu)化覆蓋應(yīng)用示意圖如圖6所示。其配置是：一臺近端機可帶多臺遠(yuǎn)端機。星形組網(wǎng)適用于住宅區(qū)、補盲、擴大覆蓋范圍等各覆蓋點相似距離的應(yīng)用場景優(yōu)化覆蓋。

圖6 星形組網(wǎng)的優(yōu)化覆蓋應(yīng)用示意圖Fig.6 Optimization coverage of star networking

(3)混合型組網(wǎng)的優(yōu)化覆蓋

GSM準(zhǔn)基站混合型組網(wǎng)的優(yōu)化覆蓋應(yīng)用示意圖如圖7所示，圖中，BTS為基站。其配置是：星形+菊花鏈形組網(wǎng)方式。一臺近端機最多可帶4條菊花鏈，每條菊花鏈最多可拖8臺遠(yuǎn)端機，即，總共支持達(dá)32臺遠(yuǎn)端機的工作方式，用戶按實際需要進(jìn)行靈活選擇。

圖7 混合型組網(wǎng)的優(yōu)化覆蓋應(yīng)用示意圖Fig.7 Optimization coverage of hybrid networking

4.2 GSM準(zhǔn)基站優(yōu)化覆蓋的效果

4.2.1解決村村通工程的優(yōu)化覆蓋問題

(1)采用GSM準(zhǔn)基站的噪聲抑制功能和擴展分集接收功能，在不干擾基站的情況下可實現(xiàn)信號大功率輸出的鏈路平衡，獲得接近基站的覆蓋效果；

(2)運營商通過GSM準(zhǔn)基站的話務(wù)統(tǒng)計功能，可隨時了解各遠(yuǎn)端區(qū)域的業(yè)務(wù)增長情況，為制定符合實際情況的市場拓展計劃和網(wǎng)絡(luò)擴容計劃,提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2.2解決鐵路、隧道、公路等狹長地區(qū)的優(yōu)化覆蓋問題

(1)采用GSM準(zhǔn)基站，可消除多臺遠(yuǎn)端機對施主基站的噪聲影響，提高了施主基站信道利用率，便于基站擴容和維護(hù)；

(2)采用光波分復(fù)用設(shè)備和菊花鏈的組網(wǎng)方式，減少了傳輸資源的占用；

(3)GSM準(zhǔn)基站的時延調(diào)整功能，可減少因切換造成的掉話現(xiàn)象，無需實施扇區(qū)交錯覆蓋，能達(dá)到很好的通話效果。

4.2.3解決大型展館和體育場館的優(yōu)化覆蓋問題

(1)GSM準(zhǔn)基站的話務(wù)調(diào)度功能，可根據(jù)覆蓋區(qū)域的實時話務(wù)量，自動調(diào)動一個或多個扇區(qū)信號進(jìn)行話務(wù)吸收，解決大型展館或體育場所平常話務(wù)量低、但不定時突發(fā)性話務(wù)量高的問題；

(2)數(shù)字濾波技術(shù)的應(yīng)用，可極大提高設(shè)備在城區(qū)復(fù)雜電磁環(huán)境里的抗干擾和抗飽和的能力。

4.2.4解決多丘陵、多山、森林等地區(qū)的優(yōu)化覆蓋問題

(1)GSM準(zhǔn)基站的數(shù)字光纖遠(yuǎn)端機與飛地壓擴遠(yuǎn)端機之間采用中頻傳輸?shù)姆绞?，進(jìn)行非可視距覆蓋，可極大提高信號的繞射能力，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的優(yōu)化覆蓋；

(2)GSM準(zhǔn)基站的抗干擾能力強，可以節(jié)省頻率資源，并且，信號傳輸過程中失真率低，避免了同頻干擾，可全向覆蓋。

4.3 GSM準(zhǔn)基站的優(yōu)化覆蓋應(yīng)用工程案例

4.3.1地理位置

某村莊是典型的丘陵溝壑地帶，山丘連綿，溝壑縱深且狹長。該村有近100戶居民，全部居民居住在丘陵的山谷溝壑之中，居住分散，山谷遍布樹木，而且枝葉繁茂，這給移動通信信號覆蓋帶來很大困難。通信信號無法進(jìn)入溝底之中，致使該地區(qū)的信號覆蓋出現(xiàn)了盲點。

4.3.2各種優(yōu)化覆蓋方案比較

4.3.2.1 采用選頻或?qū)拵е狈耪?/p>

如果采用選頻或?qū)拵е狈耪?，建設(shè)成本低，但該村內(nèi)居民房子分布在一個狹長地帶，至少需要兩面大波瓣角的覆蓋天線，施主天線與服務(wù)天線之間的隔離度偏低。另一方面，在該村山頭無法直視基站，接收信號飄浮不定，容易發(fā)生自激，干擾基站。

4.3.2.2 采用移頻直放站

移頻直放站沒有自激問題，可全向覆蓋。但1.5 GHz/1.8 GHz中繼頻率只能覆蓋5 km內(nèi)的可視范圍，加上移頻直放站占用的帶外頻段寬，容易受到干擾，所以也不適合采用移頻直放站。

4.3.2.3 采用光纖直放站

光纖直放站利用光信號傳輸，線路損耗小，傳輸距離遠(yuǎn)，信號傳輸不受地理、氣候環(huán)境的限制，可全向覆蓋，覆蓋效果好。但該村周圍有茂密的森林，還有多條河流，單純采用光纖直放站進(jìn)行覆蓋，其覆蓋效果不理想。

4.3.2.4 采用基站

基站運行穩(wěn)定，覆蓋效果最佳。但基站也要有光纖資源，配套設(shè)施多，設(shè)備成本也高。該村移動用戶較少，主要解決的是覆蓋問題，其運營成本過高。

4.3.3GSM準(zhǔn)基站的應(yīng)用

GSM準(zhǔn)基站結(jié)合了數(shù)字光纖直放站和飛地壓擴系統(tǒng)的優(yōu)點。采用GSM準(zhǔn)基站對該村莊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋，工程完工后，在該村莊內(nèi)的手機接收場強普遍在-75 dBm以上，同時手機一直用小功率發(fā)射。從基站的話務(wù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，除了基站載頻利用率變高外，沒有其它影響。

由此可見，GSM準(zhǔn)基站非常適用于需要深度覆蓋的應(yīng)用場景。

5 結(jié)束語

隨著移動通信的發(fā)展以及資費的下降，移動電話已經(jīng)成為人們通信聯(lián)系的主要手段，廣大用戶希望運營商提供一個能夠滿足人們隨時隨地通信需求的移動網(wǎng)絡(luò)。因此，移動通信網(wǎng)絡(luò)做到室內(nèi)室外、地上地下、各種場所均能優(yōu)化覆蓋是吸引用戶的必要條件。

為了更好地解決GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋問題，本文提出了GSM準(zhǔn)基站網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋解決方案。通過分析可以看出，GSM準(zhǔn)基站可以很好地應(yīng)用于GSM網(wǎng)絡(luò)需要深度覆蓋的應(yīng)用場景，是一種非常有發(fā)展前景的GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋全面解決方案。

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