基于双频网和分层体系的GSM立体网络及其应用实践

陈 波

上海邮电设计咨询研究院有限公司 上海 200092

前言

随着移动互联网时代的到来，中国移动GSM数据业务高速增长，但同时也需要投入更多的无线资源。在一些热点地区，GSM网络一直处在高负荷状态，小区分裂和频率复用度接近极限，网内干扰问题越来越突出，网络质量受到明显影响。以某省移动公司为例，GSM在网络维护、优化扩容、网络建设中面临的挑战主要有6个方面。1)在市区已部署大量基站，个别基站间距仅有200～300m，重叠覆盖明显增加，同时由于高载频配置，基站间无线信号干扰严重；2)随着数据业务量的激增，增大基站发射功率导致更强的基站间干扰，降低了相邻小区的容量，并使相邻小区覆盖恶化，网络底噪平均抬升接近12%；3)孤立的基站不能有效地处理潮汐效应的动态网络负荷；4)TD/WLAN对GSM数据未起到明显的分流作用，反而出现数据倒流情况，近一年来仍维持GSM话音话务量增长16%、数据话务量增长50%的速度；5)基站选址困难、配套费用高昂、运维成本居高不下，节能减排政策对基站降耗提出了紧迫要求；6)数据流量快速增长，但是APRU值增长相对缓慢。

GSM网络数据流量的大幅增长，究其原因，一是移动互联网和智能手机导致单用户数据流量不断增大，以iPhone为代表的智能终端快速发展成为数据业务发展的加速器，说明了易操作数据终端对数据业务的正向激励作用；二是TD网络利用率低，并呈现出TD数据倒流GSM的现象。

1 解决GSM高负荷的应对策略

对于某省移动公司来说，为G网减压是当前网络建设和优化面临的重要挑战之一。从网络建设、数据流量迁移、GSM新技术等角度出发，本文提出以下解决GSM高负荷的应对策略。

1) 立体网络建设：在高话务密度区域通过容量立体化来降低干扰。

2) GSM演进新技术：MCPA、基于基带池的分布式基站、DPI业务识别等GSM+技术的引入能够挖掘网络潜力，增强数据业务功能，提升用户感知。

3) 四网融合协调发展：体现各类制式的差异性发展，形成发展有衔接、投资不浪费、GSM资源优化整合的建设模式。

4) WLAN与GSM宽带融合：大流量业务默认优先选择WLAN，将客户流量尤其是下载类业务流量向WLAN迁移。

5) LTE数据业务分流：加强LTE覆盖，通过资费策略引导用户使用LTE发起数据业务，同时通过优化网络参数保证数据业务尽量留在LTE网上。

6) 引入C-RAN：建设[1]基于集中处理、协作处理、实时云计算构架的绿色无线接入网C-RAN。

2 GSM立体网络覆盖的技术背景

2.1 立体网络思想

GSM立体网络主要应用于高话务密度区域，其实质是利用空间特点实现网络信号的多层覆盖，以空间换容量，从而提高单位内的网络容量；利用频率的多层复用和容量的立体化吸收来降低干扰，改善网络质量；利用无线信号覆盖特点，结合天线布点，提升移动信号深度覆盖[2]。

2.2 分层体系架构

立体网络的分层体系架构由三层网络组成，即中层站、低层站、室内站[3]，如图1所示。

图1 GSM立体网络分层体系架构

1) 中层站。以骨干宏蜂窝覆盖中层，中层站的天线高度略高于建筑物的平均高度，在20～35m左右，覆盖范围一般在几个街区范围内。中层站一般作为城区的广覆盖。

2) 低层站。以灯杆站和RRU街道站对低层进行延伸覆盖。低层站的天线高度低于建筑物的平均高度，一般在20m以下，天线安装在建筑物范围低层外墙、裙楼或低层飘台天面等处。低层站覆盖范围仅为一条街道、一条街道的一部分或某建筑物室内。低层站的频率使用效率较高，一般用于吸收室外热点话务，同时可补充室内深度覆盖。

3) 室内站。以室内分布信号覆盖室内区域。室内站结合分布式系统吸收室内热点话务，分流室外站的话务负荷，从而降低室外站的载波配置和同频干扰，形成高效的立体网络。

上述分层体系架构的特点是，在有限的频率资源下提高单位面积内网络承载能力，通过低层网络和室内分布建设解决密集城区深度覆盖问题，把话务转移到低层和室内分布，使信号覆盖和干扰更容易受到控制，从而有效地提升GSM网络质量，同时通过低层站丰富站点资源。

2.3 GSM 900/1 800M双频网的引入

目前的GSM网络建立在900M频段上，随着用户的迅速增长，特别是数据业务的高速增长，网络容量需求急剧增加，市区高话务密度区域的频率资源成为制约业务发展的瓶颈。新建900M站点涉及到周边基站的天线挂高调整或频率规划调整，调整期间对现网质量影响大，对网优提出较高要求，同时，城区站点密度大、网络规划及征址困难，需要通过GSM 900/1 800M双频网覆盖方式进行解决。

引入1 800M频段(1 710～1 725MHz/1 805～1 820MHz)进行规模部署具有3个优点[4]。1)有效解决900M频段的频率资源瓶颈制约；2)1 800M网络与900M网络在系统组网、工程实施、网络规划、网络维护与业务支持方面比较一致；3)可以重复利用现有的900M站址进行1 800M基站建设，从根本上缓解城区基站选址压力。

对于某省移动公司来说，由于1 800M频段引入较晚，1 800M全网可按照图2所示的“三步走”原则进行规划和建设。

图2 1 800M基站建设三阶段

2.4 GSM 900/1 800M双频网组网结构

GSM 900/1 800M双频网组网结构可分为共BTS混合组网和共BSC混合组网两种类型。共BTS混合组网也称为Co-BCCH，即小区的BCCH和SDCCH信道配置在900M的载频上，非BCCH载频可以是900M的，也可以是1 800M的载频。这种方案的优点是节省一个BCCH时隙，直接在900M小区内配置1 800M载频，不必修改原来的小区邻接关系，网络无需重新规划，并且不存在共站址双频小区间的重选和切换问题。针对某省移动公司GSM网络的现状，本文建议采用共BTS混合组网方案，如图3所示。

图3 GSM900/1800M共BTS混合组网

3 GSM立体网络覆盖的建设策略

3.1 GSM 900/1 800M双频网规划方法

GSM900/1 800M双频网规划的总原则是，900M网络保证覆盖，1 800M网络充分吸收话务量。在实际工程建设中，1 800M基站和已建900M基站共址建设，充分利用基站机房、铁塔、电源以及传输设备，除了节省投资，也减小了网络规划、运行、优化的复杂性。

1 800M基站的天馈建设方案为共馈线双频天线。从无线传播特性并结合工程经验考虑，重点城市高话务密度区域的1 800M基站站距控制在250～300m较好，但已建GSM基站按900MHz进行规划，不可能完全满足1 800M频段的要求，加上部分市区基站机房面积小，无扩容安装新设备的空间，有少量基站可能共址不共机房或不共站。

在1 800M基站配置容量较小时，网络优化需要解决SDCCH、TCH信道拥塞，以及双频间的频繁切换。

为避免双频网间的大量切换和重选的产生，采取如下方法加以控制。1)使双频手机优先选择1 800M网络，可将1 800M小区设为正常优先级小区，其CBQ=0，CBA=0；900M小区设为低优先级小区，其CBQ=1，CBA=0。2)通过C2参数的控制，让双频手机重选1 800M网络。3)对1 800M覆盖区内的盲区适当补站，以保证1 800M的连续覆盖，降低位置更新发生的可能性。4)禁止900M网络向1 800M网络的PBGT切换，也禁止1 800M网络向900M网络的PBGT切换。

3.2 GSM 900/1 800M双频网建设原则

在“城区900M高配置小区(大于7载频)的占比控制在10%以下”的原则下，进行1 800M网络扩容。

1) 扩容900M基站原则：原有基站无1 800M，需求TRX大于原有载频，并小于7载频上限(农村基站可根据需要放宽到10载频上限)。

2) 扩容1 800M基站原则：原有基站有1 800M，需求TRX大于原有载频，按扩容需求扩容1 800M；如果扩容需求大于1 800M上限(在保证网络质量前提下，1 800M宏站可以接受的最大平均配置为7/7/7)，则再扩容900M载频；如果达到900M上限，则再新建900M容量型基站。

3) 新建900M容量基站原则：原有基站无1 800M，需求TRX大于原有载频，并大于7载频上限，此处为农村或高速或有耦合直放站，新建基站载频数等于扩容需求数。

4) 新建1 800M基站原则：原有基站无1 800M，需求TRX大于原有载频，并大于7载频上限，此处为非农村、非高速、无耦合直放站。

5) 对于站距小于350m且配置大于S777的900M站点，扩容时使用1 800M载频，不再扩容900M载频。

6) 整网900M平均频率复用度不低于5×3，1 800M平均频率复用度不低于4×3。

7) 搭建从MSC到BSC的框架，预留三年以上的容量，以扩容方式进行基站建设，避免无谓的割接。

3.3 GSM立体网络性能提升分析

图4给出了传统的GSM立体网络架构，其存在的弊端主要有五个。1)“高站”问题。原则上，在城区应将高站逐步拆除或降低天线高度(不超过50m，并且不高于周边基站平均高度15m以上)，以克服高站越区干扰。2)“高配置站”问题。原则上，城区900M高配置小区(大于7载频)的占比应控制在10%以下，1 800M小区载频配置不超过7。

图4 传统的GSM立体网络示意图

3)“高直放站比”问题。按照中国移动集团公司直放站替换原则，在城区，除电梯、地下停车场等容量需求小的信号盲区外，原则上应避免使用直放站，通过微蜂窝、宏站或RRU进行替换。

4) GSM微蜂窝站点数量不足，同时，已有微蜂窝站点的室分系统高层信号杂乱。微蜂窝基站引入较晚，也未使用室分系统分层解决方案。在后续的微蜂窝建设中，应加大RRU信源的使用比例，加快网络建设进度。

5) 低层网络站址获取困难，精确覆盖实施困难。城市快速发展导致无线环境不断改变，同时，居民环保意识增强导致低层网络机房和天面获取困难，造成站址选择和设备安装的极大困难，天面伪装需求急剧提升。传统机房式基站模式难以适应快速覆盖，需要通过多形态、小体积的基站适应复杂的分层组网场景，灯杆站和RRU街道站两种站型应作为低层站的主要建设模式，从而实现低层网络的精确覆盖。图5给出了RRU街道站的建设场景。

图5 低层站中的RRU街道站建设场景

本文提出的新型GSM立体网络架构克服了上述弊端，可以实现对高话务密度区域的GSM三层立体网络覆盖，如图6所示。1)中层站中的宏站覆盖层：以900M为主，降低频率复用度，控制网络底噪，吸收深度话务，保证网络覆盖。2)中层站中的宏站容量层：以1 800M为主，承担大部分CS和PS业务的话务吸收，依靠频段特性保证网络质量。3)中层站同时为无室分系统的楼宇提供GSM网络覆盖。4)低层站：通过灯杆站和RRU街道站构建微微蜂窝，实现局部热点的话务吸收和单点补盲，确保VIP用户的保障。5)室内站：面向室内覆盖，并吸收室外热点话务，分担中层站和低层站话务负荷，提供楼宇室分系统分层解决方案。6)对于交通干道，通过多RRU共小区实现低层站单小区最大覆盖近10km，减少站间切换71%[5]。

图6 新型GSM立体网络示意图

4 GSM网络的后续演进

随着TD-LTE网络的超常规建设，以某省移动公司为例，预计2015年底将出现GSM数据流量拐点，GSM载频利用率呈现持续下降趋势。为充分利用GSM载频资源，在FDD LTE牌照发放前，建议优选移动自有的900MHz频段实施农村TD-LTE覆盖试点(也称GSMHi)，以较低的成本为农村提供普遍的4G网络服务。初期采用GSM900MHz频段中的890～895MHz共5MHz带宽用于农村TD-LTE基站，远期按需扩展至10MHz，即890MHz～900MHz(见图7、表1)。

图7 GSM-Hi频段使用策略

表1 GSM-Hi数据业务服务能力

5 总结和展望

GSM立体网络架构和建设策略为移动互联网时代的GSM无线网络规划、建设和优化工作提供了一条可行的解决思路。本文提出的GSM立体网络思路符合LTE组网趋势，具有较强的先进性和可实施性，从2013年开始已普遍用于某省移动公司的GSM规模性建设，低层站和室内站的财务静态投资回收期小于3年，属于较为优质的建设工程。后续将从对比优势、重要投诉、集中投资、现有资源、组巡保障、投资效益六个维度重点投放微站、Relay、Lampsite、Femto/Nanocell等站型，进一步完善精品网覆盖能力。

此外，GSM低层站在解决GSM立体覆盖的同时，为4G超常规建设提前储备了重要的站址资源，已成功地实现规模性TD-LTE微站/小站共址建设。

参考文献

[1]中国移动通信研究院.C-RAN无线接入网绿色演进白皮书2.5版本[R].2011

[2]丁东.GSM立体网覆盖思路和解决方案[J].电信技术,2010,(8):52-54

[3]中国移动通信集团公司.关于下发2011年GSM网络优化指导意见的通知(中移有限网通[2011]95号)[R].2011

[4]张威.GSM网络优化－原理与工程(第2版)[M].北京:人民邮电出版社,2010

[5]华为公司.GSM立体网络技术讨论[EB/OL].[2015-01-02].http://www.huawei.com/,2012