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关于GSM系统的小区覆盖问题 王 树 甲[1] 摘 要 介绍了GSM蜂窝移动通信的业务量模型、关于上、下行链路系统增益平衡和城区路径损耗的计算以及蜂窝网无线规划、优化的问题。 关键词 GSM 规划 增益 业务量 一、引 言 蜂窝移动通信网络的规划和优化过程一般分为两个相对独立、相辅相成的部分：一是无线网络的规划和优化，二是传输网络的规划和优化。前者又可分为确立业务量模型和小区规划(频率规划、小区布局等)；后者则是以前者为基础，与传统的PSTN、ISDN规划大体相同，但反过来又对无线网络的规划有一定影响。蜂窝无线网络的规划与优化的目标是：在统筹兼顾用户业务量负荷(含控制信令负荷)、频谱利用效率、功率利用效率、覆盖概率、业务质量(QoS)、服务等级(GoS)、掉话率等性能指标的前提下，尽可能地降低建设投资和运营成本。 鉴于蜂窝移动通信的质量和有效性主要取决于空中接口1至2个RF传输段的优劣，无线频道的时变特性及地域、传播环境。本文主要论及蜂窝网无线规划与优化的问题，由于我国当前蜂窝移动通信主要采用GSM制式，所以重点介绍GSM网的情况，顺便涉及ETACS和CDMA方式。 二、GSM蜂窝移动通信的业务量模型 1.设计目标 GSM系统参照ISDN定义了满足用户要求的性能、功能和通信能力，诸如业务质量(QoS)、服务等级(GoS)、网络性能(NP)等；同时还规定了蜂窝通信特有的设计目标，诸如保证移动性的位置更新、越区切换及其成功率、小区和/或服务区的覆盖概率、鉴权和/或提供业务的延迟等。 只有达到设计目标才能使用户满意，达到运营商对公众用户服务的最高责任。所以，应当将评价网络诸元的功能和性能是否达到目标要求作为网络规划、优化和开发新业务的出发点和落脚点。这也确立了网络规划和优化工作的重要性和运营商参与竞争的主要策略。 2.业务量模型概要 描述业务量负荷的起始点是移动用户通信的过程数目和处理数量，而过程可以用一系列功能、性能、操作性的要求来定量评估。这是一种动态特性，理论上可以利用排队论对业务抵达过程、服务过程和离去过程进行统计分析，实践上利用OMC的输出数据进行不断的统计分析，并据此调整和优化系统资源配置，这是网络运营企业永无休止、精益求精的长期工作。 按照ISDN的概念，MS用户通信过程可以分为两个层面：控制层面和用户层面。控制层面主要应当监测网络诸元的控制过程、发生频度和所需信令的作用范围。GSM系统中，控制信令不 仅包括与PSTN、ISDN相类似的部分，诸如呼叫建立和释放信令、用于执行非连接业务特点的信令、用户至用户之间的信令等；同时还应具有与移动性有关的信令，诸如位置更新信令、越区切换信令。前者定义为呼叫有关的信令，后者则是移动通信特有的信令；前者可以根据用户密度或用户业务量密度来确定，后者可以通过OMC统计结果进行计算。基础数据主要是一定基准周期(如忙时)的试呼数目或试呼率、分组交换的消息数目和电路交换的保持时间等，其中还包括分组方式的寻呼信令与电路方式的位置更新信令的折衷平衡问题，以期充分利用效率较高的分组信道、节省位置更新的电路方式信道、以便容纳短消息业务，提高SDCCH信令信道的利用率和效率。这与合理设置位置更新区的大小有关。 （1） 在一定假定条件下，以Um接口为基准点，平均占用小区用户业务信道的时长可以用下式估算： 式中，λHO-CALL为当位置更新区=小区时的通话期间的切换率，TCALL为平均通话时长。式(1)还告诉我们，当计算小区忙时话务量时，不能采用常规意义上的忙时用户平均话务量。这样才能建立小区信道数、阻塞率、业务容量之间的正确业务统计关系。 3.话务量密度的计算 在蜂窝网规划中已广泛采用无线网络服务区的计算机辅助计算(CAESAR)，这种方法通常由几个协同运作的模块组成，即网络定义→覆盖分析→业务量密度和分析→频率需要的确定→干扰分析→频率分配。然而由于移动通信工作环境的复杂性和电波传播的统计特性，送入计算机的基本数据不可能十分准确，因此模拟计算的结果难以符合实际，必须辅以人工分析、测量、计算、调整才能达到满意结果。 因为业务量密度是网络规划的最基本要素，现就业务量密度的计算和分析(TICA)作些说明，从中不难发现其复杂性和变动性。根据上述模型每个地区的业务量密度主要取决于： （1）要覆盖地区的各基站的业务量值，这可以通过OMC的统计结果取得。 （2）该地区的车辆平均数目，这可以通过汽车流量统计间接确定。 （3）该地区的人口密度、建筑物的平均层高和密度，是商业区、住宅区、工业区还是旅游区，以及各占多大比例。 （4）该地区的三维地理图数据。 显然，我们可以按照这些因素的加权组合来建立一个地区的话务密度模型。TICA按照使每基站的计算业务量与测量业务量的差值最小的原则求出各加权因子的值，计算误差便是测量值与模型估算值的差值。如果总的差值小于满意的业务量密度分布允许值，工作到此为止。 对于那些差值太大的基站，还应按误差大小分为几类，并从大到小重新分配加权因子，重新计算误差，直至误差小到符合要求为止。这样，便可确定不同地区的每平方公里(或其它单位面积的)话务量密度，作为站点布局和频率分配的依据，有的放矢的扩充网络。 一切事物都是变化的，业务量密度的变化是运营企业调整、优化网络的依据，它可使无线频谱资源得到充分利用，又可较好地提供QoS和GoS。 三、关于上、下行链路系统增益平衡问题 （2） 式中，PTmax为发射机最大输出功率(W或mW)，PRmin为接收机最小接收功率。D为其它因素引起的信号恶化的修正值(dB)。 在一定比特差错率前提下(质量要求)，可接受的最小接收功率又叫做门限功率，它主要取决于接收机噪声功率电平，即按质量要求解调消息数据信号和控制数据信号所要求的信号/噪声比。系统存在许多恶化因素，诸如超量的噪声带宽、信号的失真、互调、码间干扰、载波恢复的偏移、定时误差、抖动、干扰噪声等。而馈线、分/合路器以及滤波器的损耗也是衰减信号和/或增加噪声的因素。现以GSM 900MHz蜂窝移动通信系统总规范规定的标称基本参数为例分析空中接口上、下行链路的增益不平衡问题。 （3） 式中，K为波尔兹曼常数，其值为1.38×10-23J/°K；To为以绝对温度表示的环境噪声温度，常温取293°K；B为接收机带宽，GSM为200kHz。Fn为接收机噪声系数；S/N为保证规定差错率条件下的门限信噪比，它与Eb/No成正比关系，但不一定相等，取决于调制方式和传输速率，取S/N=9dB。通过式(3)可以计算出基站接收机的噪声系数Fnbr=8dB(线性值为6.3)。 根据FriiS公式： （4） 可以求出以天线下端接口为基准点的基站接收系统噪声系数Fnbs=12.6dB(线性值为18.2 )。在所论条件下，Fn1为馈线噪声系数，等于其损耗，即3dB(线性值为2)，Fn2为Fnbr 。而后按照式(3)，可以算出基站接收系统灵敏度为－99.7dBm。所以，在无衰落条件下，下行链路系统增益为40dBm—（－102dBm）=142dB，而上行为33dBm—(－99.7dBm)=132.7dB，相差9.3dB。在有衰落条件下，计及因受布局限制而不很理想的上行分集接收增益为2～3dB，下行链路系统增益仍比上行大6.3～7.3dB。 因为蜂窝移动通信是双工通信，不论在待机状态还是通话状态，上、下行链路都要传送信令数据和/或消息数据，所以覆盖范围受上行链路系统增益限制而减小，换句话说，基站发射机的功率没有充分利用。 从式（4）不难看出，用提高基站接收机灵敏度的方法解决上下行系统增益不平衡问题是事倍功半的，即成本高而效果差，增大手机功率的方法是不可取的；降低基站发射机功率，在非干扰和容量受限的广大地区则会导致基站增多、系统成本加大。当前国际上通用的方法是 在天线下端口和馈线上端口之间安装低噪声、高线性、宽频带放大器。这种放大器的噪声系数可以作到1.8dB(1.5)，25MHz带宽、互调失 真很低，增益达12dB(15.8倍)。利用式(4)可以算出安装放大器后的基站接收系统噪声系数为2.4(3.8dB)，由式(3)可以算出灵敏度为－108.2dBm。视基站馈线系统损耗大小不同，接收机灵敏度高低不同，塔顶低噪声放大器可使上行链路系统增益提高3～10dB。 此外，因上行功率受基站控制，所以基站灵敏度的提高，意味着不在小区边缘的手机发射功率可以降低，从而减小上行干扰、上行频率误差和相位误差，提高上行链路质量。当然，塔顶放大器既不改善也不恶化客观存在的下行干扰噪声，它主要是为了平衡上、下行系统增益。 四、城区路径损耗的计算 众所周知，城区路径传播损耗的计算和测量都是小区规划与优化的难题：所需小区覆盖的几何描述通常不可行；各小区之间没有确切的物理界线；建筑物的“三维分布”、时间变迁以及它们的形状、结构的多样性；作为移动障碍物的车辆的动态分布和变化；植被的分布与变化等，构成了十分复杂的边界条件，因此，要进行传播损耗的严格数学计算是不可能的，只能借助一定的模型，用统计方法予以估算。 1.修正的Hata路径损耗经验公式 Okumura曾对东京城区和郊区无线电信号强度进行过大量测量，涉及200、435、922、1320、1430和1920MHz等很宽的频段，采用几种基站天线高度和几种移动台天线高度，并包括各种不规则地形和环境条件。然而，测试数据多为各种曲线形式，使用起来很不方便。 1980年，Hata提出表示Okumura测量曲线的计算公式，其形式为，中值路径损耗=A+Blog(d)，式中A和B分别为频率和天线高度的函数，d为距离。该中值路径损耗基本公式于1986年由国际电联无线电咨询委员会采纳(CCIR Rep.567-3)，其形式为： Lccir=69.55+26.16log(f)－13.82log(Hb)+[44.9－6.55log(Hb)]log(d)+ax(Hm) （5） 式中，f为频率(MHz)，d为移动台至基站距离(km)，Hb为基站天线高度(m)，ax(Hm)为移动台天线高度校正函数。 在中等城市，ax(Hm)为： ax(Hm)=[0.7－1.1log(ｆ)]Hm+1.56log(ｆ)－0.8 （6）在大城市200MHz以下频段，ax(Hm)为： a2(Hm)=1.1－8.29log2[1.54 Hm] （7）在大城市400MHz以上频段，ax(Hm)为： a4(Hm)=4.97－3.2log2[11.75Hm] （8）在郊区，Hata公式给出的路径损耗为Lccir－LＰＳ ，式中： LPS=－2log2(F/28)－5.4 （9）在开阔地区，路径损耗为Lccir－Lpo ，式中： （11） （12） 并给出修正的Hata模型的各参数，如表1所示。 表1 修正的Hata模型的各参数
（13） 郊区/城区的校正，可以利用城市化参数Ur进行线性变换，即： So=(1－Ur) [(1－2 Ur) LPO +4 Ur LPS ] (14) （15） 根据地面建筑物密度参数Bl，可以得到另一校正函数Bo，即： （17） 应当指出，修正的Hata公式是对东京的大量实测结果和曲线的逼近得出的，在d=1～5km范围内，误差不大于1dB，当d=5～20km时，误差不大于3dB。Hata公式虽然十分繁杂，但编程计算则十分简便。只要我们在工作中不断积累各参数的数据，建立移动通信设计专用地图，便可利用该公式比较准确计算城区路径损耗，分析城区覆盖概率。 2.无线电信号的统计特性 在大中城市蜂窝小区的接收点附近，信号强度由中值信号电平和在其上不断变化的电平来表征，其变动部分只能以统计规律进行描述。一般认为，信号中值电平遭受二类随机变化的影响，一是由于多径信号向量叠加引起的小范围变化，即在接收点附近相距数十至数百个波长范围内，由于反射、绕射和散射引起的多径信号叠加后产生许多深衰落点，其空间间隔约为半波长，其衰落深度约为+5～20dB(+号表示增强，称上衰落)，衰落点持续时间约为数十微秒至十多毫秒。由于这种随机变化分布符合Ray leigh概率密度函数(PDF)和累积分布函数(CDF)，所以叫做Ray leigh衰落，人们也习惯地称之为快衰落。二是大范围的变化，如果在空间距 离数百个波长至数千个波长的许多个点上对小范围变化进行平均，便可揭示这种衰落特性，它沿距离相对中值电平缓慢变化，衰落深度较小、持续时间较长，故称慢衰落。由于当各点平均信号电平以分贝(dB)表示时，大范围信号电平变化的概率分布函数呈正态分布特性，所以这种变化又叫做对数正态变化。产生这种变化的原因是多方面的，主要有对流层变化、地势起伏、建筑物阴影效应和隔离损耗、屋顶绕射损耗、基站天线方向性图的变动和不均匀性以及接收点地物变化的影响等。 （18） 式中，бR 为瑞利分布的方差，其准确值为5.5dB，实际取值为7.5dB。бLN为慢衰落对数正态分布的方差，其取值范围为5～12dB，一般取8dB。 3.城市微小区的覆盖问题 一般来讲，蜂窝移动通信系统的功能、性能和质量是指它满足用户要求的能力。GSM系统评价这种能力的方法与ISDN大体相同，诸如业务质量(QoS)、服务等级(GoS)及网络性能(NP)，但也包括移动通信特定的评价参数，例如QoS包括的参数有业务质量、掉话率、越区切换的操作时间和成功率、开机到提供服务的响应时间、来话至振铃的延迟时间等；GoS包括忙时接通率(或阻塞率)、呼叫建立和释放的占用时间、一次始发呼叫和一次寻呼的成功率等。不难看出，所有这些都与小区覆盖的好坏有关。 一些研究表明，城市微小区的传播特性主要取决于基站和移动台的天线高度及其本地的环境条件。建筑物内、外的传播损耗曲线沿距离呈现断点，即在近距离内与距离的平方成正比，超过一定距离后，传播损耗迅速增大，与距离的4次方成正比。利用这种传播特性进行系统设计，有助于改善干扰受限的微小区的信号/干扰比性能。 （19） （20） 当d=4HbHm/λ时，出现分割断点，其后路径损耗随距离的4次方成正比增加(信号强度随距离的4次方成反比减小)。 对于900MHz频段，当Hb=25m ,Hm为1.6m时，分割断点距天线距离d约为480m，垂直极化和水平极化的分割断点大体相同。对于可视通直射波束的微小区而言，多射束传播模型研究表明，也具有类似的分割断点。这一现象告诉我们，在微小区设计时，合理选择基站天线高度是十分重要的，它可以使本区有用信号传播损耗降低，而使越站干扰信号的传播损耗加大，从而得到更高的信号/干扰比。 建筑物对无线电信号的隔离损耗(穿透损耗)与频率、建筑物的结构、类型、层数有关。由于穿透损耗随层数的增加而减小，每层约1.5dB，所以，通常根据建筑物—层的覆盖要求来进行设计。穿透损耗随频率增高而降低，对于大中城市中心的办公建筑和商业建筑来说，800～900MHz频段的穿透损耗约为20～18dB，每倍频程下降约3dB；对于工厂、中小办公室、商业、住宅建筑，800～900MHz频段的穿透损耗约为12～10dB，每倍频程下降约为1dB，其标准方差分别为7.5dB和6.5dB。 建筑物内的传播损耗计算起来十分复杂，从概念上讲它与室内净高、过道空间大小、“六壁”的反射，“六壁”上障碍物的绕射和散射等因素有关。经过多次反射和绕射的室内传播损 耗也呈现分割断点特性，对于900MHz频段，当过道宽度为1.5～2m时，分割点约为30m，即在30m范围内附加传播损耗很小，在30m外，其传播损耗远大于自由空间传播损耗，以每倍距离30dB～35dB斜率增大。 五、结束语 蜂窝网络的规划与优化的目标是：在满足QoS、GoS和NP要求的条件下，使网络基础设施建设成本和维护成本最低。就蜂窝小区的设施而言，成本包括两个方面，一是根据爱尔兰定律基站收发信机的数目或信道数目应满足该小区的忙时话务量(在一定阻塞率条件下)，这一部分的成本和话费收入都与该小区的话务量密度有关；二是与业务量没有直接关系的成本，诸如基站房地产成本，天馈线系统、电源、空调成本及它们的安装成本。所以，在低业务量密 度地区或话务量密度较低的运营商，应尽可能增大小区的覆盖范围，从而降低每单位忙时话 务量的建设成本和运营成本，但QoS受到系统增益的限制，不得不多建基站。因而，在话务量密度很低的地区或运营网络中，每单位话务量的成本较高。在话务量密度较高的地区，为保证GoS和QoS，可以采用适度的小区覆盖范围，既不受限于系统增益，也不受限于干扰，使每单位业务量的成本保持合理。在业务量密度很高的地区，可以通过小区分裂，在保证信号/干扰比的条件下，使小区覆盖范围减小来支持更大的业务量，但由于没能有效利用系统增益，每单位业务量的成本也会增大。在业务量密度极大的地区，受限于干扰和越区切换，GSM系统不能无限制地减小小区覆盖范围，即使运营商愿意付出成本代价也不能满足容量要求，只能通过增建DCS1800MHz系统和采用双频手机来解决，同样需要付出成本代价。 （收稿日期：2000-10-18） |
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