GSM边际网覆盖解决方案

GSM边际网覆盖解决方案

黄 昊

一、概 述

2000年是中国GSM移动市场发展最为迅猛的一年。由于入网费及手机价格的逐步下调，全年GSM用户大幅增加。截至2000年底，中国的GSM手机用户数已达8526万，今年一季度，又新增移动电话用户1504.8万户，使全国移动电话用户总数突破1亿大关，达到1.0030亿户，中国成为拥有世界上最大GSM网络的国家。

由于移动运营市场竞争的日益激烈和用户规模的扩大，以及加入WTO的临近，中国移动及中国联通都把GSM网络扩容及新业务建设作为网络建设的重点。中国联通更是把解决网络覆盖规模作为建设重点，网络的覆盖质量和覆盖的完善性成为各运营商迫切需要解决的问题。

目前，移动、联通的网络在沿海省份、中西部大中城市、高等级公路、旅游景点基本实现了无缝覆盖，网络的重点转向增值业务应用的开发、网络覆盖质量的改善以及满足网络容量的需求，如中国移动启动的\计划、室内覆盖工程和网络优化工程等。 另一方面，随着西部大开发，中西部经济的发展，原来对移动需求为运营商所忽视的GSM网络边缘县乡移动用户，我们称为边际网用户逐渐加入移动用户行列，且发展迅速，运营商需要部署网络以满足这些用户爆炸性增长的需求。

目前，大多数GSM网络基本覆盖到了县一级，其用户主要集中在县城。而实际上这些地方早期建立的设备可能存在设备老化，如BSC的单机容量较小，支持的TRX数一般在150个以下，网络支持新业务能力、过渡性和可扩展性差等情况。而运营商为了完成无缝覆盖，面临扩容的压力很大，必须要增加新的BSC设备才能解决问题。

据初步统计，对一个中等规模的县市进行良好的全境覆盖，约需要200个TRX，采用原有网络的小容量BSC难以满足要求，必须增加BSC的数量。此时移动运营商一般有两种选择：第一，继续采用原来的网络设备进行扩容。第二，引入新厂家设备特别是国产设备进行扩容。由于引入竞争，设备在价格和服务方面都可得到保证，提高了竞争力。

乡镇人口密度低，热点通常不明显，因此乡镇小区可以采用大覆盖范围，半径一般在4公里左右。并且一般乡镇之间的距离相对比较远，对其它小区影响较小，即使在平原地带，由于在乡村可以采用较低的频率复用方式，如采用4×3复用（低话务量下6M带宽也可以满足要求），则两同频间距离至少为16Km，加上信号衰减，对其它小区的影响几乎可以忽略。在不同县地域交界处由于人口密度的关系话务量小，有时甚至没有移动用户，在丘陵地带很多乡镇多处于盆地，覆盖更有孤岛形式。因此建立的边际网具有如下优点：

· 适用于移动用户量少的边缘地区 · 手机移动速度慢，手机极少漫游 · 小区覆盖半径大 · 频率资源宽松

· 对数据业务需求不大

由于边际网移动通信具有以上特点，因此小区之间的切换和BSC间的切换比较少， BSC之间的切换由于标准的A接口不会成为障碍，有利于引入第二方厂家设备，采用新的思路建设网络。中兴通讯通过分析研究，在重庆、贵州应用的实践证明边际网覆盖解决方案是完全符合网络的经济性和合理性的。 二、边际网覆盖解决方案

1、方案一：插花布局解决方案第二方厂家设备直接在原有BTS之间，形成插花布局新建BSC，增加覆盖，新建站点通过新建BSC接入原有的MSS系统，如图1所示。

图一 BTS插花布局图

2、方案二：分片覆盖解决方案

采用分片覆盖方式，将同一厂家设备在服务地域上相对集中，即在一个移动本地网中，原设备和新加入的第二方设备各自覆盖几个县城及其所属的地理区域。这样可以减少部分跨BSC的切换，网络结构相对比较清晰。地区已建基站，需要进行小规模基站搬迁。

图2 分片覆盖布局图

3、方案三：包围式覆盖解决方案

方案三是方案二的延伸，即对于一个GSM本地网来说，原厂家设备全部集中到本地网所在地的市区，周边地区包括郊区和所属县城全部由第二家设备覆盖，要求引入的第二家设备必须容量大、技术新、性价比高。 4、方案比较

方案一具有网络部署速度快，对原有网络影响小，投资少的特点。方案二由于需要搬迁少量基站，可以以县为单位搬迁或者在同一县内以城区、乡镇为单位搬迁，对原有网络有一定影响，建网速度略慢，但网络的完整性相对较好。方案三与方案二特点类似，但如果引入的第二家设备为国内厂商，运营商的投资将降到最小。无论采用哪种覆盖方式，必须保证手机在异种机构成的网络中的相邻小区间顺利地进行小区重选和切换，同时尽可能避免过多的跨BSC切换。从网络的长远发展看，方案二和方案三较合适，在有些乡镇地区，也可以采用方案一。具体采用什么方案，要根据实际情况拟定。 三、边际网覆盖方案给系统带来的影响和解决措施 1、切换问题

边际网覆盖方案存在异种机之间的切换。在平原和丘陵地带，由于地势比较平坦，小区覆盖范围比较大一些，在乡镇甚至基本可以形成连续覆盖，新建BSS系统和原BSS系统间交叉覆盖区域会多一些，因此存在跨BSC切换的可能；另一方面，原设备BSC容量比较小，扩容需要新增BSC，也会存在BSC的切换。在方案二和方案三中，若引入的设备具有容量大、技术新等特点，从另一个角度来说，反而会相对减少跨BSC的切换，在这方面，中兴通讯的大容量BSC，话务处理能力强，具有很大的优势。

对于跨BSC切换的问题：假设某县人口50-100万，面积4000Km2，基站均匀分布，每站覆盖面积为50Km2，则共需要80个站完成无缝覆盖。考虑极端情况，两厂家设备完全间隔插花布站（县城除外，可采用同一厂家设备连续覆盖），即在乡镇除了同一站点的BSC内部小区间切换外，其它均为BSC间切换。设全县10％的人生活在城镇，其他90％的人生活在农村，相对远离基站。城镇用户发展到一定阶段达5％的移动用户，为2500-5000用户，这部分人中的移动用户绝大部分在同一小区或者同一BSC覆盖范围内完成通话，仅极少用户可能在不同BSC覆盖边缘小区或者公路上移动，存在跨BSC切换的问题；其他农村人口中0.5%的用户为移动用户，为2250-4500用户，少量用户可能存在跨BSC切换的问题，可见在完全插花方式下整个插花系统跨BSC切换，对MSC，BSC系统信令负荷和服务质量的影响是非常小的，几乎可以忽略。

另外，乡镇用户移动速度比较慢，系统能确保切换时的通话质量。如此，方案二、方案三带来的影响就更小了。另外由于A接口的标准性，跨BSC切换在技术上完全不存在问题。再通过对系统HANDO_MARGIN的正确设置，两个BSS系统的小区分别设置不同的切换优先级，以及对PBGT切换的禁止等参数的合理设置，可以避免滞留在覆盖交界处的少数用户的频繁乒乓切换，更不会因频繁切换而给系统带来较多的信令负荷。对于在丘陵盆地低谷处的乡镇的孤岛性覆盖，基本不存在切换问题。

为了保证可靠的切换，两BSC间需要密切配合：

· 互相在空闲侦听频率表中加入对方相邻小区的BCCH频点，并用系统消息里2广播 · 互相在专用侦听频率表中加入对方相邻小区的BCCH频点，并用系统消息5广播 · 互相在邻近小区表中加入对方的全球小区识别号以及相关的网络和基站色码 · 在MSC中正确配置新建基站的LAC路由数据 · 确保对方的全球小区识别号数据正确 · 确保对方的基站色码数据正确

通过两个BSC的密切配合，可以确保手机在两小区间自由移动，从而提供良好的网络服务质量。

2、网络发展问题

中国大多数县和乡镇的经济状况将决定其移动业务在相当长的时间内仍以话音业务和短信业务（如点对点、超级寻呼、小区广播）为主。随着国家农村经济改革的深入，各地将会涌现更多的小乡镇和农村集贸市场，乡镇移动业务量在\十五\期间将大幅增长。随着乡镇话务量的增加，必然涉及到BSS系统的扩容。由于BSS系统为独立的子系统，只需要分别按照话务需求相应进行各BSS系统扩容即可，如果发达一些的县城和乡镇有一定的低速数据业务需求，即有向GPRS过渡的需求，由于A口和Gb接口的标准性和开放性，设备可以方便地按照独立的子系统分别演进。而新引入的BSS系统由于技术起点高，无论是处理能力、支持新业务能力、可扩展性还是网络后续发展性均可以容易地进行网络升级和新业务的叠加。 3、操作维护问题

由于引入了第二家设备厂商，需要对两家设备进行维护和管理，对设备管理和维护带来了一定的复杂性，但对成本和工作量影响不多。一方面因为竞争的引入已经使投资成本得到

了大幅下降，同时各厂家的服务也得到了进一步保证；另一方面，国产设备在人机界面设计上更具亲和力，如中兴本地操作维护终端LMT和OMC-R界面一致，采用全中文界面，更富人性化的管理，操作维护简单，易学易用，在用户已对GSM网管系统有一定认识的情况下，很容易适应。同时ZXG10-BSS系统提供丰富的在线自测试、自诊断功能，包括ABIS-LOOP、RF-LOOP、HW-LOOP等。BTS具有集成度高，模块数少等特点，方便工程开通和设备的日常维护。主备倒换技术、TRX远程复位技术、BCCH载波备份技术，在线的本地和后台软件升级提高了系统的可靠性。ZXG10-BSS提供对机房外部环境的监控和告警支持，ABIS链路支持低速图像的传输，为环境动力集中监控系统提供了一条物理透明通道，真正实现机房的无人值守，大大减少了维护工作量，将由于引入第二套系统增加的维护复杂度和工作量减小到最低。 4、网络规划和优化问题

在平原和丘陵地带采用插花方案解决覆盖问题，较采用同一厂家设备而言，相对增加了网络的复杂性，如何有效地解决切换、覆盖以及干扰问题，给系统网络规划和优化提出了一定的要求。中兴PlanMaster?网络规划和优化可以在建网初期提供良好的覆盖、干扰预测、频率规划、模拟手机的切换和重选，将插花布局对网络的影响降到最小。中兴通讯在重庆，贵州等复杂地形成功的网络规划为解决此类问题提供了可信赖的保证。 5、站型选择问题

在边际网覆盖过程中，因为边际移动用户的特点、用户话务量低等因素，容量不是主要受限因素，决定了边际网主要解决覆盖问题，相应站型主要以很不经济的O1、O2或者S111等小站型为主。那么究竟选择何种站型，一方面应考虑覆盖区域的覆盖效果，另一方面要考虑建网的总成本，由于站型小，需要考虑建网平均每用户成本。

按照业界厂家设备的目录价来考虑每用户成本，如表1。因为目前各厂家设备平均每TRX目录价大致上相差不大，具有普遍代表性。BSC部分因为投资比较固定，和采用何种站型没有太大关系，此处不做详细分析。表1中数据仅用于分析不同站型投资成本比较，实际投资要低得多。 无线呼损：2％

表1. 不同站型投资成本分析 每用户话务量：0.018Erl

BTS主设天馈BTS含每用户Subscribe 备目录价目录天馈目每TRX投资 投资 格 价格 录价格 314,200 33,400 347,600 2,132 347,600 423,500 33,400 456,900 1,003 228,450 548,900 33,400 582,300 704 194,100 站TRX TCH Erl 型 01 1 7 2.935 163 02 2 14 8.2 456 03 3 22 14.896 828 S111 3 21 8.808 489 582,600 97,960 680,560 1,391 226,853

从表1可以看到，从平均每载波、每用户的成本看，O3站具有无可比拟的成本优势，

分别只有相同载波定向站S111的85％和50％，在具有旅游潜力比较大的集镇可以优先考虑采用。很明显，在一般的覆盖区域， O1站无论是每载波、每用户的成本均比较高，很不经济，而且因为建站导致的用户增长很快就需要扩容，因此从降低投资成本或是提高服务质量的角度，我们建议采用O2站，O2站平均每载波成本只有O1站的65.7％，和三载波的S111站相当，但平均每用户成本却降低到分别只有O1站的47％，S111站的72％，投资规模大幅降低。

在边际网建设中，覆盖是需要解决的主要问题。若某地拟采用2个S111站完成覆盖，通过表1分析，可以发现3个O2站和2个S111站投资成本几乎完全相当，如果采用3个O2站完成覆盖却可以大幅度改善室内室外覆盖效果，提高服务质量。通常边际用户话务量比较低，可以直接采用两个O2站完成覆盖，投资降低到拟投资的66％，而且全向站通过增大发射功率，可以采用新型馈缆进一步降低损耗，采用塔放改善上行链路等措施仍可以达到比较理想的覆盖效果。另外，S111站每小区只有一个TRX，若该TRX故障，则该小区立刻无法为用户提供服务，O2站网络的安全性比S111站高很多，因为采用了BCCH载频备份等技术，系统仍可有效为用户提供服务，为排除故障赢得时间，提高了运营商竞争力。 综上分析，在边际网建设中，优先采用O2站型，综合考虑人口、用户数的增长、覆盖范围等各种因素，再决定是否由全向站改成定向站。 四、重庆移动边际网覆盖解决实例

中兴通讯为重庆移动解决重庆市近郊和万州、黔江地区的容量和覆盖问题，采用了边缘网覆盖技术。在网络建设中，根据实际情况，综合采用多种覆盖方案，在重庆近郊地区，我们采用方案一和方案二，采用插花方式与ERICCSON BTS共同覆盖北碚、合川、铜粱三区县，采用分片方式覆盖潼南县，中兴BTS通过ZXG10-BSC管理，通过标准A接口与位于北碚的ERICCSON MSS设备对接；在黔江、万州地区分别采用插花和分片方式与ALCATEL BTS共同完成覆盖，两地中兴BTS通过ZXG10-BSC管理，通过A接口与ALCATEL MSS设备对接。结合三地客观具体情况，根据不同地方的特点，综合运用不同边际网覆盖方法，采用中兴网络规划和优化软件PlanMasterTM周密的站点、小区、频率规划，覆盖规划和实际工程基本一致，满足了重庆移动公司覆盖和运营的要求。(中兴通讯)

蜂窝系统覆盖范围与容量的折衷

--AMPS系统与IS-95 CDMA系统的比较

Charles Wheatley

（Qualcomm Inc.San Diego,CA,USA)

本文介绍了蜂窝系统的性能，评估了一种无负载蜂窝系统的覆盖范围，并且探讨了负载逐步增加与覆盖范围缩减之间的关系。比较了现有模拟高级移动电话服务（AMPS）系统和新型数字IS-95码分多址（CDMA）系统。

1、引言

在实现个人通信服务（PCS）的无线系统中，必须考虑覆盖范围和容量的限制条件。覆盖范围极限系指通信系统可支持的基站与用户之间的最大通信距离，它取决于接收机的热噪声。容量则受用户间相互干扰的限制，这种干扰影响最低容限，从而导致覆盖极限距离缩小。本文论述和评估了这些条件，并且比较了现有模拟高级移动电话服务（AMPS）系统和新型数字IS-95码分多址（CDMA）系统。

在蜂窝系统的规划中，必须考虑覆盖范围和容量。本文介绍蜂窝系统的性能，评估一种无负载蜂窝系统的覆盖范围，并且探讨负载逐步增加与覆盖范围缩小之间的关系。蜂窝系统由基站网络构成，通过无线链路与该网络连接的用户可以自由地移动，频繁地从一个基站切换到另一个基站，而不会中断系统连接。北美AMPS系统是蜂窝系统最明显的例子。它采用频分多址（FDMA）技术区分用户。其他的系统采用时分多址（TDMA）或码分多址（CDMA）技术，或者这些多址连接技术的综合形式，将系统用户分配到时间／频率／编码空间中的某一特定位置。

首先需要考虑的是系统设置初期经常会遇到的一种很简单的情况，即热噪声限定情况。这是一种覆盖极限限定条件。网络中如果只有一个用户，用户和基站之间的最大覆盖距离通常取决于用户的发射功率和基站的灵敏度。某些系统的覆盖极限在于前向链路。但是，大多数新型系统是为低功率手提式设备而设计的，采用两种链路中功率较弱的反向链路。因此，现在的重点是分析反向链路问题，其中的覆盖距离取决于用户功率。这项技术适用于正反两个方向，但具体细节有所不同。

第二种情况是全负载网络经常会遇到的，也更加复杂，即干扰限定情况。这是一种容量限定条件。由于覆盖范围限定和容量限定的缘故，无论选用哪一种多址连接方式，随着用户数目增加，覆盖距离必将缩小。本文简单明了地介绍确定这两种限定之间相互关系的可行方法，分析两者中比较简单的覆盖限定情况，然后确定业务负载增加到容量极点的条件。我们必须确定提供规定的最低性能所需的基站密度（基站数／km2）。采用本文建议的方法，可以知道，覆盖特定区域所需的基站数目总是能够达到规定要求的最小基站数目。在实际应用中，其他考虑因素也会影响需要设置的基站、扇区、FDMA频道、TDMA时隙或CDMA编码信道的数目。本文介绍的方法只是不同系统进行比较的一个例子。 2、门限要求

首先需要一个不受实际负载影响的门限要求。为便于讨论，本文将门限标准设定为某一个载波与噪声加干扰的功率比C／(N＋I)，或等效功率密度比EC／(N0+I0)常数。选用这个标准，是有足够的先例的。例如，全球移动通信系统（GSM）规定，在特定的测试环境中，C／(N＋I)应该是9dB，并且不受系统负载的影响。在以IS-95为基础的CDMA系统中，功率控制使得所有的信号处于同样的强度，而其在各种环境下的性能则以Ec／（No+Io)来表示，并且也是与特定的测试环境有关，但不受业务负载的影响。

若要解决诸如此类的问题，Ec需要与C关联，I需要与Io关联，N则需要与No关联。在所有的情况下，这些关系都是指保持性能所需的平均功率（或平均功率密度）。

从定义来讲，C是在接收机输入端测量的所需发射信号强度。如果有分集式接收机，这个强度是指任何一台分集式接收机输入端的功率。I是在接收机输入端测量的总干扰功率。凡是在接收机输入端测量的等效噪声密度，仅指热噪声。Ec等于C／Rc，其中Rc是用于数字系统特性描述的任何确定速率。Rc可以是CDMA扩频序列的时片速率，或者TDMA的空中接通符号速率，或者信息位速率。N等于NoW，其中W一般是3dB射频（RF）发射带宽，通常与接收机的RF预探测带相同。由于凡是接收机的噪声密度，N则是接收机输入端等效噪声功率的测量值，Io可以推算。Io等于I／W，可将干扰功率换算成干扰功率密度。如果W是一个未知数，但是C／I和Ec／Io是已知数，则可推算W。 3、计算方法

基站密度与拟提供的业务密度有关，基站密度可用八个步骤估算。我们在此简单介绍计算方法，然后举例说明详清。计算方法涉及的八个步骤是：①为特定的环境确定门限值C／（N+I）；②识别孤立小区有限覆盖的链路预算；③确认越区切换处理导致的小区网络链路容限增益或损失；④确定C／I（载波与干扰比）与业务负载的关系；⑤用尔朗B（Erlang B）公式计算与负载相应的呼叫阻塞概率；⑥探讨从无负载转向全负载时有限覆盖链路预算必须增加的容限；⑦找出与业务负载相应的小区半径；⑧确定与业务密度相应的基站密度。 --首先必须确定特定环境的门限值C（N+I）。几乎任何一种蜂窝系统的环境都是多变的，不同的条件有不同的门限值。这个计算步骤通常需要进行对系统信号处理单元详细模拟。 然后，需要确定孤立小区有限覆盖链路预算。预算包括在有对数正态分布阴影衰落的情况下保持特定可靠性所需的链路容限。对有限覆盖情况，需要确定小区网络因越区切换处理导致的链路容限增益或损失。推算用户与基站网络中最近的基站之间的最大路径损耗。这种切换增益取决于被考虑的特定系统所采用的切换程序。

之后，探讨C／I与业务负载之间的关系。确定全负载网络的C／I，包括对数正态分布阴影衰落、动态功率控制、频率快速变化以及变化的传输活动等项影响。然后，将C／I与业务负载做反比计算。因此，50％负载时的C／I比100％负载时的C／I要大3dB，而且在25％负载时还要再增大2dB。这项计算取决于系统选用的频率再用系数，而且不表示100％负载时的C／I将达到性能标准门限值。在CDMA系统中，频率再用系数是1，功率控制使得系统中所有的用户都处于门限运行点，如果基站是扇区化的，本计算步骤必须包括这个因素。因为扇区数目和天线方向图将影响C／I。

接着，用尔朗B公式计算与负载相应的呼叫阻塞概率。在负载增加时，最好先将所有可用的频道和时隙全部用完，然后再增加基站。因此，现在必须让系统使用全部频率分配带宽。 令C／（N+I）为常数，确定从无负载转向100％负载时所需的有限覆盖链路预算容限。容限必须包括由业务增长而导致的增量，因为当负载增长导致C／I降低时，C／N必须增大。从无负载链路预算的路径损耗中减除这个容限之后，则可确定与业务负载相应的可允许路径损耗。最后，假定网络的所有基站负载均匀一致，计算特定配置条件下与业务负载相应的小区半径。零负载的情况与有限覆盖条件相对应，规定了满足所需覆盖要求应有的最小基站数目。必须确定与业务密度相应的基站密度（基站数／km2）。这是一种简单的直接计算法。利用这两者的关系，如果知道具体的业务密度要求，即可确定在一个特定区域内满足这种负载要求所需的最小基站数目。

4、北美AMPS系统与IS-95CDMA系统的比较

我们用下面的例子来说明上述计算方法的实际使用，并且进一步了解对覆盖范围和容量有影响的各种参数。我们将上述方法用于AMPS系统和IS-95CDMA系统。AMPS用作比较基准，是因为一般总是用它与所有其他系统作对比。通常，讲到甲、乙、丙、丁几种系统的容量，总是说它们是AMPS系统容量的多少倍（从1到20）。选择IS-95标准所列的CDMA系统进行比较的原因是，它是所有新型数字系统中容量和覆盖范围增益最大的。这个例子只限于从手提式设备到基站的链路。

许多文献已经提供了AMPS的性能规范[1-3]。也有文献提供了有关蜂窝系统的其他资料[4]。AMPS的性能用恢复的音频信号对噪声和失真比（SINAD）来表示，其门限值是12dB。在一个理想的、无衰落、加性高斯白噪声环境中，如果接收机输入端的C／I（或C／N）是4dB左右，即可得到SINAD门限值。在有衰落的现实条件下，如果基站没有分集，则需要C／I值达到17dB或18dB。如果有分集式接收机，所需的C／I大约是12dB。本文的例子始终使用18dB，但指明了分集对AMPS系统的影响。

为了计算IS-95CDMA的覆盖范围，我们使用8dB的Eo／No最大值，这是一个高移动性用户的极端要求[6]。为了计算容量，我们假定100％的用户都是高移动性用户，因此使用Eo／No平均值7dB[6]。在有各种移动性用户的现实情况下，固定用户只要3dB的Eo／No就可以运行，因此Eo／No平均值将不到6dB，从而可使容量扩大。

附录A列出AMPS和CDMA反向链路在各种假定情况下的完整链路预算。所列的大多数资料是过去有人已经提到的对AMPS的要求以及已经测量到的CDMA数据。基站噪声系数和天线增益是过去别人没有提到的，这两个数值来自设置的系统。链路预算包括建筑物穿透容限（10dB）和人体损耗容限（3dB）。

传播衰减通常表示为距离μ次幂和阴影损耗对数正态分量的乘积。阴影损耗表明了与位置相应的路径损耗的缓慢变化。我们必须考虑到超过正常范围的路径损耗，在小区边缘提供容限。假定对数正态分量的标准偏差是人们通常接受的8dB，链路预算列出的10.3dB容限可使小区边缘的可靠性达到90％。

本文限于篇幅，无法全面探讨越区切换。AMPS采用\先断开再连接\的硬切换，其增益或损耗不在本计算方法涉及范围之内。但是，CDMA采用\先连接再断开\的软切换，在切换过程中有更多的分集，导致在两个基站覆盖边界处有4.1dB的容限缩减[5]。这个增益的假定条件是，两个基站的阴影衰落分别是50％相关，如果切换算法不好，很容易导致在基站覆盖边界处增加容限。

系统参数确定之后，任何系统的全负载C／I可以通过分析、模拟或直接测量进行模型推算或确定。这一步必须在系统实际设置之前完成。否则，覆盖范围和容量可能会与预期的大相径庭。此外，在设置之后再重新调整天线方向图、扇区数目或频率再用计划，显然既困难又费钱。AMB不能在每个扇区使用相同的频率，对其C／I有最直接影响的参数（此处采用的是假定值）是每个基站的扇区数目（3）、扇区频率再用系数（21）、对数正态阴影标准偏差（8dB）以及路径损失指数（4）。

在这些假定条件下，基站察觉的C／I（如果所有的频道都在使用中）大约是18dB[4]。这个数值是简化计算的结果，许多因素没有考虑，例如用户功率控制和天线向下倾斜等。但是，有了全负载C／I之后，即可从图1查到基站察觉的与缩减负载相关的C／I。选定的18dB是100％负载时的最小C／I值，即最大频道负载时的最小C／I值。在AMPS系统中，100％负载相当于18．8条频道，其计算方法是，以可用带宽（12．5MHz）除以频道频率间隔（3OkHz），减掉控制专用频道数目（21），然后再除以频率再用系数（21）。因此，与缩减负载相应的C／I只与负载成反比。包括所有参数在内的更复杂的算法会得出一个相似但不完全相同的结果。

对于TDMA系统，还应计算每个频率的时隙数目，因此可增加实际业务信道资源。

在同样的带宽（11.8MHz）内，IS-95系统允许CDMA有9条1.23MHz带宽的信道。在每一条信道中，由于有快速功率控制，基站接收机从所有的用户收到的C/（N+I）都是一个常数（而且是最小值），但是增加用户以后的结果同AMPS一样。随着用户不断增加，所有用户的C／N增大，小区覆盖范围缩小。但是，计算C／N增长与负载关系的方程式会有变化，其影响的大小可由下式表示：

其中：M=现有用户数目，

Mmax=限定容量。

Mmax的一个基本近似表达式是Mmax= 其中：W=扩频带宽（1.23MHz）， Va=话音激活系数（0.4）， Rb=数据率（9600bit/s）， Nch=CDMA频道数目，

=所有用户的平均Eb/No（位能量与噪声功率谱密度比）=全部移动用户是7dB。 尽管CDMA的实际频率再用系数是1，由于有来自其他小区用户的干扰，有效频率再用系数大于1。干扰影响导致嵌入式小区的容量与孤立小区的容量比为1/1.55。因数1.55在假定条件下是适当的[6]。

一个更复杂的容量计算模型将呼叫到达、话音激活和Eb/N。都作为统计变数，进而计算C/N增长与负载的关系。在负载小于Mmax的70％时，两种计算方法得到大致相同的结果。本文采用简单计算方法，因为它更容易说明覆盖范围与容量的消长关系。在这些假定条件下，Mmax是每个扇区371条通信信道，Mmax的65％是245条，这是阻塞发生的临界点。这是软性阻塞界限，仍可以增加用户，但其代价是所有用户必须增加功率。

蜂窝系统通常应该达到一定的服务水平，一般为2％的阻塞率[4]。这种要求意味着，唯一的问题是有限的资源。但是，服务质量也与C/I有关。其间的消长关系见之利用尔朗B公式计算与特定负载相应的阻塞概率的变化，如图2所示。该图显示负载与C/I和阻塞概率的关系。假定条件是乐观的，并基于对C/I的观察，C/I是时间和地点的依附量。它的平均值取决于平均（或尔朗）负载。在阻塞概率为2％的情况下，AMPS在每个扇区可支持11.8Erl负载，这和进行各种系统比较的更复杂的分析结果相一致[7]。对CDMA而言，可比较的物理资源是CDMA信道数目，在IS-95中具体规定为每一1.23MHz宽的载波有64条信道。在大多数实用情况下，在码信道资源用尽之前，C/I早就达到极限。在CDMA中，有效阻塞标准的确定基础是，负载不超过Mmax的65％。这个软性阻塞极限相当于245条信道，即AMPS的18.8条信道的硬性阻塞极限的13倍左右。当CDMA负载达到230Erl时，超过245条信道极限的可能性是2％。也就是说，CDMA的尔朗容量等于AMPS的11.8Erl容量的20倍左右。这与过去发表的计算结果是一致的，尽管去的计算方法不相同[6]。

对AMPS而言，考虑到N/C=（N+I）/C-I/C，确定从零负载变化到全负载时有限覆盖链路预算必须增加的容限是一个很简单的步骤。然后，将得到的C/N增量加到零负载链路预算上，以便确定基站必须接收的与负载相应的最小信号强度。对CDMA而言，既然来自每个用户的接收到的功率与1/（1-M/Mmax）成比例，当其与AMPS相比较时，会有明显的差别。AMPS的每个扇区每增加10个用户，会有3dB的增长。而CDMA的每个扇区每增加大约200个用户，才会有同样的增长。图3显示接收到的信号强度与AMPS的尔朗数以及CDMA的有效信道数目之间的关系。这种差别的直接原因是，CDMA的容量等于AMPS尔朗容量的大约20倍。 为了确定小区半径，必须选择配置模型和相关的传播损耗模型。在这一步的计算中，使用人们普遍采用的HATA损耗模型比较合适。HATA模型的输入数据和采用的数值是，频率为85OMHz，基站天线高度30km，移动站天线高度1．5m，郊区配置环境。根据这些输入数据，HATA模型的估计结果是，两个全向天线在相距1km时的路径损耗为116dB，距离每增加10倍，路径损耗增加35．2dB。

综合考虑HATA预测以及与负载相应的路径损耗容限，则可确定AMPS和CDMA的覆盖范围与负载的关系。随着负载的增加，AMPS和CDMA的覆盖范围都必将缩小，如图4所示。对AMPS而言，在前面的假定条件下，小区范围从零负载时的1．83km缩减到11．8Erl（2％阻塞极限）时的1．4km。对CDMA而言，小区范围从零负载时的5km缩减到245条信道（2％阻塞极限）时的3．8km。CDMA在设计负载下的小区半径远大于AMPS在零负载下的小区半径。 这项计算的最后一步，是必须算出扇区面积。在常见的六边形扇区设置中，扇区半径指基站到六边形顶点的距离。将扇区负载（每个扇区的尔朗数）除以扇区面积，可得出单位面积负载（Erl／km2）。为算出所需的结果，图5列出了基站密度和拟提供的业务密度的关系曲线。

上面清楚地表明了容量和覆盖范围之间的消长关系。请特别注意两个极端负载情况，一种是0．1Erl／km2的轻负载，另一种是6Erl／km2的重负载。实际负载取决于电话使用量（Erl／用户）、该地区的潜在用户数目以及市场普及率的乘积。如果覆盖范围是唯一的问题，在本文所举 的例子中，大约115个AMPS基站或15个CDMS基站可以覆盖1000km2的假设郊区区域。6Erl的负载，几乎是AMPS的2％阻塞极限。这时，需要185个AMPS基站或19个CDMA基站才能覆盖该区域。

如果所有的AMPS基站都加装分集式接收机，则会出现一种有趣的现象。图6显示增设分集的结果。分集是CDMA设计的内在功能，已经存在于该系统中。AMPS的这种变化使得AMPS基站所需的C／ I降低到12dB，但是并没有改变基站的有负载时的C／I。如果覆盖范围是唯一需要考虑的，可将基站数目减少到50个左右，但是系统在达到6Erl／m2的负载之前就会超载。即使基站增添分集功能（改进其灵敏度），但是如果系统不能充分利用这种改进，则仍然不会改变容量负载结果。利用分集功能可以改变频率再用系数。如果该系数增大，每个基站的频道数目将增加（即容量增加），但是有负载时的C／I会降低。这些关系说明，如果将频率再用系数降到12，假定有负载时的C／I从18dB降低到12dB，支持6Erl／km2负载所需的基站数目可从185减少到95个，即减少大约50％。可是，这种增益似乎不可能，因为即使有三个扇区，AMPS系统通常也需要再用系数为21[4]。在频率再用系数为12时，C／I值太低。 5、结 论

本文论述了计算方法的运作过程。CDMA利用一切可用的频谱，得到比AMPS优越的性能，但是，这未必是切实可行或经济实惠的方法。蜂窝通信业一般综合使用CDMA和AMPS，在需要扩充容量的某一个频段设置CDMA，而不是立即全部采用。CDMA的高容量使得通信业可以从容地从AMPS向CDMA过渡，这是很重要的。

本文在每个计算步骤只使用简单的关系。这些步骤可以按需要涉及更为复杂的关系，以便获得更精确的计算结果。按步就班的计算方法使得系统设计师可以在相同的条件下迅速比较不同的系统（在本文的例子中，比较AMPS和CDMA），也可以确定任何因素的改变对系统带来的影响。这正是蜂窝网络设计引人入胜之处。 附录：AMPS和CDMA系统反向链路参数

反向链路参数 用户参数 AMPSCDMAAMPSCDMA反向链路参数 （EIA/TIA-553） （IS-95） （EIA/TIA-553） （IS-95） 23 0 2.1 LAN输入端的最 小信号电平 最小信号,无干 扰, 无分集(dBm) -106.2 路径损耗,包括1 分集和干扰 对于小区边缘50％的Ps的最大1 各向同性路径 损耗(dB) 135.4 -121.2 1 功率放大器峰值28 功率（dBm） 电缆损耗（dB） 0 电缆损耗（dB） 2.1 峰值REIRP（dBm） 30.1 传播参数 25.1 3 1 145.4 天线/人体损耗3 容限（dB） 建筑物穿透容限10 （dB） 小区参数 10 对数正态阴影标准偏差(dB)小区8 边缘需要的Ps(％) 90 无越区切换增11 益,满足Ps 所要求的容限10.3 (dB) 越区切换增益0.0 (dB) 小区边缘的各向11 同性路径 损耗的最大容1 限,考虑 了衰落损耗,建1 筑物损 耗,人体损耗,分1 集增 益,越区切换增1 益,没 有干扰(dB) 125.2 8 14.1 2 11 5 -169 0 -169 11 9600 18 90 1 10.3 4.1 1 1 1 1 1 139.2 小区天线增益14.1 （12dBd）（dBi） 小区电缆损耗2 （dB） 噪声源 11 接收机噪声系统5 （dB） 接收机噪声密度-169 （dBm/Hz） 干扰（其他用户）0 衰减（dB） 总噪声和干扰密-169 度（dBm/HzD） 过程参数 11 带宽（或信道速30000 率）规范（Hz） C/N门限-衰落信18 道（dB）

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分层网——移动通信高层覆盖的又一解决之道

作为运营商往往有这样的体会：一方面网络建设力度不断加大，一方面用户满意度却

不见明显增长。出现这种情况固然有近年来业务发展迅猛，网络建设跟不上用户增长的因素，但很多时候运营商没有充分发挥现有网络潜力也是一个重要原因。在现有移动通信网络优化始终是解决总是的关键。

由于人口密集、经济发达，城市地区一直是移动通信业务发展的重点，因此在城市地区各运营商均投入大量精力进行网络建设。然而城市地区复杂的无线传播环境，对移动通信设台组网相当不利。特别是高层建筑的通信问题，一直是移动通信发展的难点。在传统的组网方式中，城市地区基站天线高度一般在30m左右，而高层建筑往往在60m以上，高层可接收到周围乃至较远地区的诸多小区信号，由此引起的频率干扰相当严重，可能导致乒乓效应甚至无法通话，同时在一些超高层地区也会出现无覆盖的情况。

目前解决高层通信问题主要采用的方法是建设室内分布系统。由于分布系统可提供良好的覆盖效果，在室内呆确保分布系统信号场强高于外来信号，同时分布系统信号源可为微蜂窝或宏蜂窝基站，可满足不同话务量地区通信需求，再考虑到高层几乎不存在分布系统与周围小区切换的可能性，因此室内分布系统处理高层通信问题有明显优势。但分布系统不菲的投资及须对高层建筑内部进行施工导致不可能全面采用分布系统，此时可考虑解决高层覆盖的另一实施方案，分层组网。

分层组网的实质是在普通宏蜂窝的物理上层再建设一层宏蜂（高层小区），通过设置相应参数确保高层良好通信效果。分层组网可以选用独立频段，也可与普通宏蜂窝合用频段。

Layer3即为高层网，Layer2及Layer1分别为中层宏蜂窝及低层微蜂窝、街道站等。

分层网主要控制参数有CBQ、CRO、LEVEL、LEVTHR、LEVHYST等几种。

CBQ定义空闲状态时小区优先级，在CB均为NO的情况下，对PHASE2及以后的手机CBQ为HIGH对应较高级别，为LOW对应较低级别，结合C1算法实现小区选择。

CRO为小区重选偏置值，可以提高或降低指定小区空闲状态时的重选排序，结合C2算法实现小区重选。

LEVEL是爱立信GSM系统HCS分层结构的主要参数，在最新R8软件版本下结合双频可提供多达8个BAND/LEVEL的设定，R8以前的软件版本可提供3个LEVEL的设定。LEVEL表明通话状态下小区的级别，LEVEL值越小，小区级别越高，通话时切换优选高级别小区。

LEVTHR为层间切换电平，通过LEVTHR的设置可以尽量确保分层网间话务均衡。

LEVHYST为层间切换偏置值，主要用途在于避免频繁层间切换。

此外在双频情况下，还有HCSBAND、HCSBANDTHR、HCSBANDHYST等参数，用于定义BAND（频段）间相应参数，与LEVEL、LEVTHR、LEVHYST等基本含义类似，在此不再赘述。

当系统无法提供额外频段及不增加高层基站的情况下，可以只通过相关参数设置实现分层网。此时需将部分天线最高的基站设置的LEVEL3小区，将天线高度在30m左右的基站设置为LEVEL2小区，将微蜂窝及天线较低的基站设置为LEVEL1小区。

此时LEVEL3不仅承担了保护小区（扇小区）的功能，也实现了空闲状态下高层小区的覆盖功能。由于LEVEL3基站功率较大，信号较强，高层用户在空闲状态下会比较稳定占用在LEVEL3小区上。在通话状态下，如果有LEVEL2小区的信号辐射到高层并足够强（在实际情况中很难避免），手机将会切换到更高级别的小区上（即LEVEL更小的小区）。此时为体现分层网覆盖及吸收话务的作用，可考虑加大LEVEL2及LEVEL1小区天线倾角，尽量避免中层及低层信号直射至高层。

不采用单独频段的分层网方案优点在于无需对频率规划及站址作调整，用户在待机状态下感觉尚可，在通话状态中如高层小区的覆盖得到良好控制则仍可得到不错通话质量。缺点在于未专门进行高层站址规划，高层网拓扑结构不尽合理，且高层小区覆盖控制不好会引起较多层间切换。 如果运营商拥有足够的频率资源，在确保中层及低层基站频率规划的前提下，合理选择高层基站并采用单独频段将能获得更佳效果。

由于GSM网发展迅猛并已成为国内移动通信绝对主网，现存的模拟TACS用户数锐减，为网络调整乃至合理压缩频段提供了可能。我省现有GSM900可用频率为14MHz，模拟A网

原分配频率为9.5MHz，随着模拟网调整力度的加大，GSM网可用频段将大为拓展，从而为分层网采用单独频段创造了有利条件。

由于高层网主要作用在于确保覆盖，高层话务量暂时不可能很大且受可用频率限制，因此高层网基站配置一般较小，通常采用2/2/2配置。对于高层网基站基本成片分布的城市，建议为高层网分配18个频点，12个用于BCCH，6个用于TCH。频率规划时由于BCCH比较重要故采用4x3复用方式，TCH可采用射频跳频。考虑到BCCH载频复用度低，信号质量相对较好，信道分配时优先分配BCCH上的TCH（调整参数为CHALLOC=1）。

在高层基站选点时，可首先考虑现有天线位置较高且难以下降的基站，直接利用其天馈线系统增加新的基站设备建设高层网，在较低的地方新建天馈线系统用于原有基站设备。高层基站分布密度应小于中层宏蜂窝基站分布密度，以达到扇小区覆盖目的。原则上高层基站天线挂高可定为60m左右，约为20层楼高，此时可以较好覆盖周围高层及超高层，并能较好避免高层信号辐射到中层乃至低层。

考虑到高层小区的针对性，其天线宜根据周围高层建筑的实际分布情况灵活调整，由于中层宏蜂窝基站在现有情况下已较好覆盖了城市低层空间，因此高层小区天线方向不必沿袭固定的0/120/240方式。由于天线在垂直面有约7度的半功率角，即使天线没有倾角，除主瓣方向外下方3-4度方向角内仍有较强信号辐射，为避免高层信号直接辐射至中下层小区，在实际组网时还可考虑高层天线略微上倾。

在具体参数设置上，主要考虑空闲状态及通话状态两种情况。

空闲状态下的要求是高层用户占用高层信号，中低层用户不占用高层信号，由于空闲状态下实际是小区重选状态，因此CRO的设置起关键作用。考虑到高层天线较高，信号不可避免人辐射到周围较广的地面区域，如果是直射信号可能强度会高于相应中低层基站信号，此时可将PT设置为31，使CRO为负值，降低高层小区在空闲状态下被地面用户占用的可能性，具体CRO的值须根据在高层建筑中实际接收的高层、中层信号强度而定，部分已开通分层网的地区一般将CRO设置为3-5。

通话状态下的要求基本与空闲状态类似，但考虑到高层基站无线配置较小，不能完全优选高层小区切换，因此必须考虑通话时如中层信号足够强时要切入中层小区的情况。此时中

层小区LEVEL2的LEVTHR可略微设低点，建议高层LEVEL3的LEVTHR设为70-80，中层LEVEL2的LEVTHR设为70-75，即中层宏蜂窝信号较低时才切入高层小区。同时为避免频繁层间切换，一般可将LEVHYST设为2-4。为确保预期效果，需全面定义高层小区的相邻小区，此时在高层建筑上的频点测量工作就显得尤为重要。

由于BCS1800系统在很多城市已投入使用，建设分层网时还须考虑双频因素，爱立信R8虽已提供HCS中最多8个BAND/LEVEL的功能，但考虑到我省双频同级设置的实际情况，R8以前HCS的3级LEVEL设定已足够分层网使用。由于BCS1800基站通常和GSM900中层网基站同址设置，且GSM900/1800两网的CBQ设为同级，因此BCS1800的LEVEL可与GSM900中层一样，设为LEVEL2。

虽然分层组网有投资相对较小、效果较好等优点，但高层无线环境的复杂性始终是困扰移动通信行业的难题，分层组网只能在现有普通组网方式的基础上提高高层网络服务质量，还不能完全满足高层用户更高通信需求，在目前情况下，室内分布系统结合分层组网是最为有效的方法：即室内分布系统覆盖重点热点高层建筑，分层组网解决一般性高层覆盖问题。

目前国内已有深圳等城市环境比较复杂的地区开通分层网，在试验网达到预期效果后，我公司将在全省各大城市（如南京、苏州等地）结合分布系统继续进行分层网建设，努力为中国移动的广大用户提供更优质的服务

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