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關(guān)于GSM系統(tǒng)的小區(qū)覆蓋問題 王 樹 甲[1] 摘 要 介紹了GSM蜂窩移動通信的業(yè)務(wù)量模型、關(guān)于上、下行鏈路系統(tǒng)增益平衡和城區(qū)路徑損耗的計算以及蜂窩網(wǎng)無線規(guī)劃、優(yōu)化的問題。 關(guān)鍵詞 GSM 規(guī)劃 增益 業(yè)務(wù)量 一、引 言 蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和優(yōu)化過程一般分為兩個相對獨立、相輔相成的部分：一是無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和優(yōu)化，二是傳輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和優(yōu)化。前者又可分為確立業(yè)務(wù)量模型和小區(qū)規(guī)劃(頻率規(guī)劃、小區(qū)布局等)；后者則是以前者為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的PSTN、ISDN規(guī)劃大體相同，但反過來又對無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃有一定影響。蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與優(yōu)化的目標(biāo)是：在統(tǒng)籌兼顧用戶業(yè)務(wù)量負(fù)荷(含控制信令負(fù)荷)、頻譜利用效率、功率利用效率、覆蓋概率、業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)、服務(wù)等級(GoS)、掉話率等性能指標(biāo)的前提下，盡可能地降低建設(shè)投資和運營成本。 鑒于蜂窩移動通信的質(zhì)量和有效性主要取決于空中接口1至2個RF傳輸段的優(yōu)劣，無線頻道的時變特性及地域、傳播環(huán)境。本文主要論及蜂窩網(wǎng)無線規(guī)劃與優(yōu)化的問題，由于我國當(dāng)前蜂窩移動通信主要采用GSM制式，所以重點介紹GSM網(wǎng)的情況，順便涉及ETACS和CDMA方式。 二、GSM蜂窩移動通信的業(yè)務(wù)量模型 1.設(shè)計目標(biāo) GSM系統(tǒng)參照ISDN定義了滿足用戶要求的性能、功能和通信能力，諸如業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)、服務(wù)等級(GoS)、網(wǎng)絡(luò)性能(NP)等；同時還規(guī)定了蜂窩通信特有的設(shè)計目標(biāo)，諸如保證移動性的位置更新、越區(qū)切換及其成功率、小區(qū)和/或服務(wù)區(qū)的覆蓋概率、鑒權(quán)和/或提供業(yè)務(wù)的延遲等。 只有達(dá)到設(shè)計目標(biāo)才能使用戶滿意，達(dá)到運營商對公眾用戶服務(wù)的最高責(zé)任。所以，應(yīng)當(dāng)將評價網(wǎng)絡(luò)諸元的功能和性能是否達(dá)到目標(biāo)要求作為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化和開發(fā)新業(yè)務(wù)的出發(fā)點和落腳點。這也確立了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化工作的重要性和運營商參與競爭的主要策略。 2.業(yè)務(wù)量模型概要 描述業(yè)務(wù)量負(fù)荷的起始點是移動用戶通信的過程數(shù)目和處理數(shù)量，而過程可以用一系列功能、性能、操作性的要求來定量評估。這是一種動態(tài)特性，理論上可以利用排隊論對業(yè)務(wù)抵達(dá)過程、服務(wù)過程和離去過程進(jìn)行統(tǒng)計分析，實踐上利用OMC的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的統(tǒng)計分析，并據(jù)此調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)資源配置，這是網(wǎng)絡(luò)運營企業(yè)永無休止、精益求精的長期工作。 按照ISDN的概念，MS用戶通信過程可以分為兩個層面：控制層面和用戶層面?？刂茖用嬷饕獞?yīng)當(dāng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)諸元的控制過程、發(fā)生頻度和所需信令的作用范圍。GSM系統(tǒng)中，控制信令不 僅包括與PSTN、ISDN相類似的部分，諸如呼叫建立和釋放信令、用于執(zhí)行非連接業(yè)務(wù)特點的信令、用戶至用戶之間的信令等；同時還應(yīng)具有與移動性有關(guān)的信令，諸如位置更新信令、越區(qū)切換信令。前者定義為呼叫有關(guān)的信令，后者則是移動通信特有的信令；前者可以根據(jù)用戶密度或用戶業(yè)務(wù)量密度來確定，后者可以通過OMC統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行計算?；A(chǔ)數(shù)據(jù)主要是一定基準(zhǔn)周期(如忙時)的試呼數(shù)目或試呼率、分組交換的消息數(shù)目和電路交換的保持時間等，其中還包括分組方式的尋呼信令與電路方式的位置更新信令的折衷平衡問題，以期充分利用效率較高的分組信道、節(jié)省位置更新的電路方式信道、以便容納短消息業(yè)務(wù)，提高SDCCH信令信道的利用率和效率。這與合理設(shè)置位置更新區(qū)的大小有關(guān)。 （1） 在一定假定條件下，以Um接口為基準(zhǔn)點，平均占用小區(qū)用戶業(yè)務(wù)信道的時長可以用下式估算： 式中，λHO-CALL為當(dāng)位置更新區(qū)=小區(qū)時的通話期間的切換率，TCALL為平均通話時長。式(1)還告訴我們，當(dāng)計算小區(qū)忙時話務(wù)量時，不能采用常規(guī)意義上的忙時用戶平均話務(wù)量。這樣才能建立小區(qū)信道數(shù)、阻塞率、業(yè)務(wù)容量之間的正確業(yè)務(wù)統(tǒng)計關(guān)系。 3.話務(wù)量密度的計算 在蜂窩網(wǎng)規(guī)劃中已廣泛采用無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)的計算機輔助計算(CAESAR)，這種方法通常由幾個協(xié)同運作的模塊組成，即網(wǎng)絡(luò)定義→覆蓋分析→業(yè)務(wù)量密度和分析→頻率需要的確定→干擾分析→頻率分配。然而由于移動通信工作環(huán)境的復(fù)雜性和電波傳播的統(tǒng)計特性，送入計算機的基本數(shù)據(jù)不可能十分準(zhǔn)確，因此模擬計算的結(jié)果難以符合實際，必須輔以人工分析、測量、計算、調(diào)整才能達(dá)到滿意結(jié)果。 因為業(yè)務(wù)量密度是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的最基本要素，現(xiàn)就業(yè)務(wù)量密度的計算和分析(TICA)作些說明，從中不難發(fā)現(xiàn)其復(fù)雜性和變動性。根據(jù)上述模型每個地區(qū)的業(yè)務(wù)量密度主要取決于： （1）要覆蓋地區(qū)的各基站的業(yè)務(wù)量值，這可以通過OMC的統(tǒng)計結(jié)果取得。 （2）該地區(qū)的車輛平均數(shù)目，這可以通過汽車流量統(tǒng)計間接確定。 （3）該地區(qū)的人口密度、建筑物的平均層高和密度，是商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、工業(yè)區(qū)還是旅游區(qū)，以及各占多大比例。 （4）該地區(qū)的三維地理圖數(shù)據(jù)。 顯然，我們可以按照這些因素的加權(quán)組合來建立一個地區(qū)的話務(wù)密度模型。TICA按照使每基站的計算業(yè)務(wù)量與測量業(yè)務(wù)量的差值最小的原則求出各加權(quán)因子的值，計算誤差便是測量值與模型估算值的差值。如果總的差值小于滿意的業(yè)務(wù)量密度分布允許值，工作到此為止。 對于那些差值太大的基站，還應(yīng)按誤差大小分為幾類，并從大到小重新分配加權(quán)因子，重新計算誤差，直至誤差小到符合要求為止。這樣，便可確定不同地區(qū)的每平方公里(或其它單位面積的)話務(wù)量密度，作為站點布局和頻率分配的依據(jù)，有的放矢的擴充網(wǎng)絡(luò)。 一切事物都是變化的，業(yè)務(wù)量密度的變化是運營企業(yè)調(diào)整、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的依據(jù)，它可使無線頻譜資源得到充分利用，又可較好地提供QoS和GoS。 三、關(guān)于上、下行鏈路系統(tǒng)增益平衡問題 （2） 式中，PTmax為發(fā)射機最大輸出功率(W或mW)，PRmin為接收機最小接收功率。D為其它因素引起的信號惡化的修正值(dB)。 在一定比特差錯率前提下(質(zhì)量要求)，可接受的最小接收功率又叫做門限功率，它主要取決于接收機噪聲功率電平，即按質(zhì)量要求解調(diào)消息數(shù)據(jù)信號和控制數(shù)據(jù)信號所要求的信號/噪聲比。系統(tǒng)存在許多惡化因素，諸如超量的噪聲帶寬、信號的失真、互調(diào)、碼間干擾、載波恢復(fù)的偏移、定時誤差、抖動、干擾噪聲等。而饋線、分/合路器以及濾波器的損耗也是衰減信號和/或增加噪聲的因素?，F(xiàn)以GSM 900MHz蜂窩移動通信系統(tǒng)總規(guī)范規(guī)定的標(biāo)稱基本參數(shù)為例分析空中接口上、下行鏈路的增益不平衡問題。 （3） 式中，K為波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23J/°K；To為以絕對溫度表示的環(huán)境噪聲溫度，常溫取293°K；B為接收機帶寬，GSM為200kHz。Fn為接收機噪聲系數(shù)；S/N為保證規(guī)定差錯率條件下的門限信噪比，它與Eb/No成正比關(guān)系，但不一定相等，取決于調(diào)制方式和傳輸速率，取S/N=9dB。通過式(3)可以計算出基站接收機的噪聲系數(shù)Fnbr=8dB(線性值為6.3)。 根據(jù)FriiS公式： （4） 可以求出以天線下端接口為基準(zhǔn)點的基站接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)Fnbs=12.6dB(線性值為18.2 )。在所論條件下，Fn1為饋線噪聲系數(shù)，等于其損耗，即3dB(線性值為2)，Fn2為Fnbr 。而后按照式(3)，可以算出基站接收系統(tǒng)靈敏度為－99.7dBm。所以，在無衰落條件下，下行鏈路系統(tǒng)增益為40dBm—（－102dBm）=142dB，而上行為33dBm—(－99.7dBm)=132.7dB，相差9.3dB。在有衰落條件下，計及因受布局限制而不很理想的上行分集接收增益為2～3dB，下行鏈路系統(tǒng)增益仍比上行大6.3～7.3dB。 因為蜂窩移動通信是雙工通信，不論在待機狀態(tài)還是通話狀態(tài)，上、下行鏈路都要傳送信令數(shù)據(jù)和/或消息數(shù)據(jù)，所以覆蓋范圍受上行鏈路系統(tǒng)增益限制而減小，換句話說，基站發(fā)射機的功率沒有充分利用。 從式（4）不難看出，用提高基站接收機靈敏度的方法解決上下行系統(tǒng)增益不平衡問題是事倍功半的，即成本高而效果差，增大手機功率的方法是不可取的；降低基站發(fā)射機功率，在非干擾和容量受限的廣大地區(qū)則會導(dǎo)致基站增多、系統(tǒng)成本加大。當(dāng)前國際上通用的方法是 在天線下端口和饋線上端口之間安裝低噪聲、高線性、寬頻帶放大器。這種放大器的噪聲系數(shù)可以作到1.8dB(1.5)，25MHz帶寬、互調(diào)失 真很低，增益達(dá)12dB(15.8倍)。利用式(4)可以算出安裝放大器后的基站接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)為2.4(3.8dB)，由式(3)可以算出靈敏度為－108.2dBm。視基站饋線系統(tǒng)損耗大小不同，接收機靈敏度高低不同，塔頂?shù)驮肼暦糯笃骺墒股闲墟溌废到y(tǒng)增益提高3～10dB。 此外，因上行功率受基站控制，所以基站靈敏度的提高，意味著不在小區(qū)邊緣的手機發(fā)射功率可以降低，從而減小上行干擾、上行頻率誤差和相位誤差，提高上行鏈路質(zhì)量。當(dāng)然，塔頂放大器既不改善也不惡化客觀存在的下行干擾噪聲，它主要是為了平衡上、下行系統(tǒng)增益。 四、城區(qū)路徑損耗的計算 眾所周知，城區(qū)路徑傳播損耗的計算和測量都是小區(qū)規(guī)劃與優(yōu)化的難題：所需小區(qū)覆蓋的幾何描述通常不可行；各小區(qū)之間沒有確切的物理界線；建筑物的“三維分布”、時間變遷以及它們的形狀、結(jié)構(gòu)的多樣性；作為移動障礙物的車輛的動態(tài)分布和變化；植被的分布與變化等，構(gòu)成了十分復(fù)雜的邊界條件，因此，要進(jìn)行傳播損耗的嚴(yán)格數(shù)學(xué)計算是不可能的，只能借助一定的模型，用統(tǒng)計方法予以估算。 1.修正的Hata路徑損耗經(jīng)驗公式 Okumura曾對東京城區(qū)和郊區(qū)無線電信號強度進(jìn)行過大量測量，涉及200、435、922、1320、1430和1920MHz等很寬的頻段，采用幾種基站天線高度和幾種移動臺天線高度，并包括各種不規(guī)則地形和環(huán)境條件。然而，測試數(shù)據(jù)多為各種曲線形式，使用起來很不方便。 1980年，Hata提出表示Okumura測量曲線的計算公式，其形式為，中值路徑損耗=A+Blog(d)，式中A和B分別為頻率和天線高度的函數(shù)，d為距離。該中值路徑損耗基本公式于1986年由國際電聯(lián)無線電咨詢委員會采納(CCIR Rep.567-3)，其形式為： Lccir=69.55+26.16log(f)－13.82log(Hb)+[44.9－6.55log(Hb)]log(d)+ax(Hm) （5） 式中，f為頻率(MHz)，d為移動臺至基站距離(km)，Hb為基站天線高度(m)，ax(Hm)為移動臺天線高度校正函數(shù)。 在中等城市，ax(Hm)為： ax(Hm)=[0.7－1.1log(ｆ)]Hm+1.56log(ｆ)－0.8 （6）在大城市200MHz以下頻段，ax(Hm)為： a2(Hm)=1.1－8.29log2[1.54 Hm] （7）在大城市400MHz以上頻段，ax(Hm)為： a4(Hm)=4.97－3.2log2[11.75Hm] （8）在郊區(qū)，Hata公式給出的路徑損耗為Lccir－LＰＳ ，式中： LPS=－2log2(F/28)－5.4 （9）在開闊地區(qū)，路徑損耗為Lccir－Lpo ，式中： （11） （12） 并給出修正的Hata模型的各參數(shù)，如表1所示。 表1 修正的Hata模型的各參數(shù)
（13） 郊區(qū)/城區(qū)的校正，可以利用城市化參數(shù)Ur進(jìn)行線性變換，即： So=(1－Ur) [(1－2 Ur) LPO +4 Ur LPS ] (14) （15） 根據(jù)地面建筑物密度參數(shù)Bl，可以得到另一校正函數(shù)Bo，即： （17） 應(yīng)當(dāng)指出，修正的Hata公式是對東京的大量實測結(jié)果和曲線的逼近得出的，在d=1～5km范圍內(nèi)，誤差不大于1dB，當(dāng)d=5～20km時，誤差不大于3dB。Hata公式雖然十分繁雜，但編程計算則十分簡便。只要我們在工作中不斷積累各參數(shù)的數(shù)據(jù)，建立移動通信設(shè)計專用地圖，便可利用該公式比較準(zhǔn)確計算城區(qū)路徑損耗，分析城區(qū)覆蓋概率。 2.無線電信號的統(tǒng)計特性 在大中城市蜂窩小區(qū)的接收點附近，信號強度由中值信號電平和在其上不斷變化的電平來表征，其變動部分只能以統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行描述。一般認(rèn)為，信號中值電平遭受二類隨機變化的影響，一是由于多徑信號向量疊加引起的小范圍變化，即在接收點附近相距數(shù)十至數(shù)百個波長范圍內(nèi)，由于反射、繞射和散射引起的多徑信號疊加后產(chǎn)生許多深衰落點，其空間間隔約為半波長，其衰落深度約為+5～20dB(+號表示增強，稱上衰落)，衰落點持續(xù)時間約為數(shù)十微秒至十多毫秒。由于這種隨機變化分布符合Ray leigh概率密度函數(shù)(PDF)和累積分布函數(shù)(CDF)，所以叫做Ray leigh衰落，人們也習(xí)慣地稱之為快衰落。二是大范圍的變化，如果在空間距 離數(shù)百個波長至數(shù)千個波長的許多個點上對小范圍變化進(jìn)行平均，便可揭示這種衰落特性，它沿距離相對中值電平緩慢變化，衰落深度較小、持續(xù)時間較長，故稱慢衰落。由于當(dāng)各點平均信號電平以分貝(dB)表示時，大范圍信號電平變化的概率分布函數(shù)呈正態(tài)分布特性，所以這種變化又叫做對數(shù)正態(tài)變化。產(chǎn)生這種變化的原因是多方面的，主要有對流層變化、地勢起伏、建筑物陰影效應(yīng)和隔離損耗、屋頂繞射損耗、基站天線方向性圖的變動和不均勻性以及接收點地物變化的影響等。 （18） 式中，бR 為瑞利分布的方差，其準(zhǔn)確值為5.5dB，實際取值為7.5dB。бLN為慢衰落對數(shù)正態(tài)分布的方差，其取值范圍為5～12dB，一般取8dB。 3.城市微小區(qū)的覆蓋問題 一般來講，蜂窩移動通信系統(tǒng)的功能、性能和質(zhì)量是指它滿足用戶要求的能力。GSM系統(tǒng)評價這種能力的方法與ISDN大體相同，諸如業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)、服務(wù)等級(GoS)及網(wǎng)絡(luò)性能(NP)，但也包括移動通信特定的評價參數(shù)，例如QoS包括的參數(shù)有業(yè)務(wù)質(zhì)量、掉話率、越區(qū)切換的操作時間和成功率、開機到提供服務(wù)的響應(yīng)時間、來話至振鈴的延遲時間等；GoS包括忙時接通率(或阻塞率)、呼叫建立和釋放的占用時間、一次始發(fā)呼叫和一次尋呼的成功率等。不難看出，所有這些都與小區(qū)覆蓋的好壞有關(guān)。 一些研究表明，城市微小區(qū)的傳播特性主要取決于基站和移動臺的天線高度及其本地的環(huán)境條件。建筑物內(nèi)、外的傳播損耗曲線沿距離呈現(xiàn)斷點，即在近距離內(nèi)與距離的平方成正比，超過一定距離后，傳播損耗迅速增大，與距離的4次方成正比。利用這種傳播特性進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，有助于改善干擾受限的微小區(qū)的信號/干擾比性能。 （19） （20） 當(dāng)d=4HbHm/λ時，出現(xiàn)分割斷點，其后路徑損耗隨距離的4次方成正比增加(信號強度隨距離的4次方成反比減小)。 對于900MHz頻段，當(dāng)Hb=25m ,Hm為1.6m時，分割斷點距天線距離d約為480m，垂直極化和水平極化的分割斷點大體相同。對于可視通直射波束的微小區(qū)而言，多射束傳播模型研究表明，也具有類似的分割斷點。這一現(xiàn)象告訴我們，在微小區(qū)設(shè)計時，合理選擇基站天線高度是十分重要的，它可以使本區(qū)有用信號傳播損耗降低，而使越站干擾信號的傳播損耗加大，從而得到更高的信號/干擾比。 建筑物對無線電信號的隔離損耗(穿透損耗)與頻率、建筑物的結(jié)構(gòu)、類型、層數(shù)有關(guān)。由于穿透損耗隨層數(shù)的增加而減小，每層約1.5dB，所以，通常根據(jù)建筑物—層的覆蓋要求來進(jìn)行設(shè)計。穿透損耗隨頻率增高而降低，對于大中城市中心的辦公建筑和商業(yè)建筑來說，800～900MHz頻段的穿透損耗約為20～18dB，每倍頻程下降約3dB；對于工廠、中小辦公室、商業(yè)、住宅建筑，800～900MHz頻段的穿透損耗約為12～10dB，每倍頻程下降約為1dB，其標(biāo)準(zhǔn)方差分別為7.5dB和6.5dB。 建筑物內(nèi)的傳播損耗計算起來十分復(fù)雜，從概念上講它與室內(nèi)凈高、過道空間大小、“六壁”的反射，“六壁”上障礙物的繞射和散射等因素有關(guān)。經(jīng)過多次反射和繞射的室內(nèi)傳播損 耗也呈現(xiàn)分割斷點特性，對于900MHz頻段，當(dāng)過道寬度為1.5～2m時，分割點約為30m，即在30m范圍內(nèi)附加傳播損耗很小，在30m外，其傳播損耗遠(yuǎn)大于自由空間傳播損耗，以每倍距離30dB～35dB斜率增大。 五、結(jié)束語 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與優(yōu)化的目標(biāo)是：在滿足QoS、GoS和NP要求的條件下，使網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本和維護(hù)成本最低。就蜂窩小區(qū)的設(shè)施而言，成本包括兩個方面，一是根據(jù)愛爾蘭定律基站收發(fā)信機的數(shù)目或信道數(shù)目應(yīng)滿足該小區(qū)的忙時話務(wù)量(在一定阻塞率條件下)，這一部分的成本和話費收入都與該小區(qū)的話務(wù)量密度有關(guān)；二是與業(yè)務(wù)量沒有直接關(guān)系的成本，諸如基站房地產(chǎn)成本，天饋線系統(tǒng)、電源、空調(diào)成本及它們的安裝成本。所以，在低業(yè)務(wù)量密 度地區(qū)或話務(wù)量密度較低的運營商，應(yīng)盡可能增大小區(qū)的覆蓋范圍，從而降低每單位忙時話 務(wù)量的建設(shè)成本和運營成本，但QoS受到系統(tǒng)增益的限制，不得不多建基站。因而，在話務(wù)量密度很低的地區(qū)或運營網(wǎng)絡(luò)中，每單位話務(wù)量的成本較高。在話務(wù)量密度較高的地區(qū)，為保證GoS和QoS，可以采用適度的小區(qū)覆蓋范圍，既不受限于系統(tǒng)增益，也不受限于干擾，使每單位業(yè)務(wù)量的成本保持合理。在業(yè)務(wù)量密度很高的地區(qū)，可以通過小區(qū)分裂，在保證信號/干擾比的條件下，使小區(qū)覆蓋范圍減小來支持更大的業(yè)務(wù)量，但由于沒能有效利用系統(tǒng)增益，每單位業(yè)務(wù)量的成本也會增大。在業(yè)務(wù)量密度極大的地區(qū)，受限于干擾和越區(qū)切換，GSM系統(tǒng)不能無限制地減小小區(qū)覆蓋范圍，即使運營商愿意付出成本代價也不能滿足容量要求，只能通過增建DCS1800MHz系統(tǒng)和采用雙頻手機來解決，同樣需要付出成本代價。 （收稿日期：2000-10-18） |
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