GSM小区扩展覆盖技术及解决方案

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一、 概述
　　GSM系统在全球范围内广泛应用，目前使用的频段主要有：GSM900MHz，GSM1800MHz和PCS1900MHz。在这些系统中，移动台最大接入半径为35公里，这个限制来源于GSM协议本身。
　　随着GSM系统应用场合的不同，对GSM系统的覆盖范围也有新的要求，对于海岸覆盖，近海岛屿覆盖、沙漠覆盖等情况，话务量较低，但覆盖半径要求很大，这些地方的地理特征决定了信号传播损耗比较小，因此可以达到大于35公里的覆盖。
　　对于近海岛屿地区和海岸地区，随着旅游业的发展，这些地区存在着一个潜在的用户群体， 也是有消费实力的用户群体，因此GSM大覆盖具有很好的市场前景。
　　在GSM 的后续协议版本中，GSM系统的频段有所扩展，其中GSM400系统的覆盖半径理论上可以达到120公里。然而GSM400目前还没有商用系统，并且用户需要更换移动台，所以从市场角度来看，利用GSM400系统实现上述地区覆盖不是很现实。
　　GSM900系统的传播损耗大于GSM400系统的传播损耗，损耗和传播距离成正比，如果我们不要求达到120公里而只要求达到70公里左右的覆盖，GSM900系统应该是可行的，并且现在GSM900系统已广泛应用。因此，以下讨论GSM广覆盖是基于GSM900系统。
　　二、 GSM系统覆盖范围限制
　　GSM系统在一个载频上，采用了TDMA方式，由8个时隙组成一帧，8个时隙对应于8条物理信道。
　　通话时，一个用户占用一个时隙，也就是一个时间窗口，在基站部分，每个时隙对应于一个用户，因此基站接收手机发送的数据只能落入自己信道的时间窗口，不能落入下一个时间窗口，否则会影响到下一个信道。
　　MS处于待机状态时，不知道离BTS的距离是多少，因此MS在发送第一个接入请求时，总是以自己的时间窗口为基准，由于空间传输有延时，因此MS信号到达BTS时，时间窗口有错位，即有一延时，如图1所示。BTS对时间窗口的要求十分严格，为了要求MS信号到达BTS时，落在BTS的接收时间窗口内，MS必须提前发送信号，提前发送信号的时间量，由BTS告诉MS，这就是时间提前量TA，它以比特为单位进行计量。

图1 接入脉冲时延
　　BTS根据接收信号计算TA，然后周期性传送给MS，传送TA值时，采用一个字节的长度。GSM协议规定，GSM900和GSM1800系统中，采用6比特传送TA值，还有两个比特保留，因此，能够通知MS最大的TA值是63，即63bit，每个bit相当于3.69微秒。
　　TA是为了补偿空中传输时延，手机申请信道时，发送接入脉冲AB，BTS接收到AB就可以确定TA。手机移动引起TA的变化，BTS是根据常规突发脉冲计算出TA的变化量，然后调整TA值发送给手机。
空中传输时延包括下行和上行时延，上行和下行距离相同，信号传输速度等于光速，因此，可以计算最大的覆盖半径为：
　　（63×3.69×10－6）×3×108 / 2 ＝ 35 （公里）
　　所以说GSM900和GSM1800系统协议最大覆盖半径是35公里。
　　如果MS 距离基站的距离超过35公里，随机突发脉冲AB的有效数据将会落入下一个时间窗口，这样基站就无法正确接收AB，也就是说在35公里之外的手机就不能接入该小区, 而且这个AB还破坏了下一个信道上的数据，造成下一个信道的数据不能正确接收。
　　三、 小区扩展覆盖技术
　　当覆盖半径超过35公里时，此时需要手机支持TA>63，但GSM900 MS识别的TA最大为63比特，对于MS，我们不可能对大量现有的MS进行升级，因此考虑现有的MS不变的情况下，对BSS进行升级， 来突破35公里的限制。
　　1. 双时隙技术
　　一种简单的实现方案是使用两个时隙来完成一个信道的功能，这样就可以在理论上保证覆盖范围从0到120公里均可以满足要求。
　　如果GSM900系统的覆盖半径大于35公里，手机发送信道请求时，在基站侧接收到的接入突发脉冲将跨越两个时隙，因此控制信道需要采用两条物理信道，即连续的两个时隙。
　　MS在无线接口上的时间提前量TA的最大取值为63，当空中延时大于63时，信号到达基站的时间会跨越两个时隙，如图2所示，因此专用控制信道和业务信道也要使用两条相邻的物理信道，另外，考虑到异步切换，一个用户的业务信道也需要两条相邻的物理信道。

图2 时延关系
　　考虑在BTS采用两个时隙处理一个用户的数据，我们把第二个时隙称为扩展信道，如图3所示。

图3 扩展信道
　　信道扩展后的载频如图4所示。原来一个TRX可以提供8条物理信道，信道扩展后，一个载频有4条物理信道，载频的容量减少一半。

图4 一个载频实际的物理信道数
　　采用扩展信道方式后，理论上BTS的覆盖范围可以达到120公里，TA的最大取值为219。由于GSM900的实际传播损耗比较大，还有上、下链路平衡问题等等，实际的覆盖半径无法达到120公里。
　　2. 接收时隙偏移技术
　　采用双时隙技术，理论上可以支持0～120公里的覆盖距离，然而，GSM系统接入半径大于35公里时，下行覆盖半径和上行覆盖半径相比，小区覆盖半径应该由上行覆盖半径确定。这是由于下行可以通过加大基站的发射功率、加高发射天线的高度等方法来增大覆盖，但是手机的功率是标准的， 天线高度受限。所以，实际的覆盖半径一般达不到120公里。
　　采用双时隙技术实现比较简单，但每个载频的用户数减少了很多。
　　我们把覆盖半径分成几类，如0～35公里、35～70公里等，根据覆盖半径把BTS的信道分成相应几类，各覆盖半径内的用户分别使用对应信道类里的信道。这种方法可以采用接收时隙偏移技术，如图5所示。正常情况下，BTS在T1时刻发送，MS1在T2时刻接收，MS1根据接收到的时间提前量延时3个时隙在T5时刻发送，BTS在T6时刻接收，T6和T1相差3个时隙，这是GSM协议规定的MS收发相差3个时隙。在接收时刻偏移情况下，BTS在T1时刻发送，MS2在T4时刻接收，根据时间提前量，在T7时刻开始发送，BTS在T8时刻开始接收，T8和T3相差3个时隙。

图5 BTS和MS接收、发送时间关系
　　正常情况下BTS发送数据的时刻是时隙的开始时刻，接收数据的时刻和发送数据的时刻对齐。时隙偏移情况下，BTS发送时刻是时隙的开始时刻，接收数据时刻和发送数据时刻偏移了△T＝T3－T1。△T实际使用可以取63比特，对应于35公里。因此BTS以T3时刻为接收基准，实际的接收覆盖范围为35～70公里。
　　四、 小区扩展覆盖解决方案
　　在扩展覆盖小区中，一般需要应用高功率功放，如80W以上的功放，同时还需要使用塔放，扩展覆盖小区的覆盖半径可以达到70公里左右。
　　1. 超大覆盖小区
　　超大覆盖小区中每个载频覆盖范围大于35公里，理论上可以达到120公里，每个载频上　可用信道共有4个，每条信道覆盖全部的小区区域，小区的覆盖为0～120公里。
　　小区的覆盖半径仅仅受限于下行的发射功率和手机上行的接收电平。
　　这种方法无需知道覆盖区域内用户的分布情况，适用于话务量较小，用户不多的区域，只解决覆盖问题。
　　2. 智能分层的超大覆盖小区
　　小区内的载频分成两类，一类载频负责35公里内的用户，称之为内区载频，另一类负责大于35公里的用户，称之为外区载频。小区覆盖分为两部分：半径小于35公里和半径大于35公里，如图6所示。

图6 智能分层超大覆盖小区
　　BCCH载频覆盖整个小区，对于在35公里之内的MS，自动分配到内区载频上；对于大于35公里的用户接入后，分配在外区载频上。
　　手机可以自动从内区载频切换到外区载频，也可以从外区载频切换到内区载频上，还可以和相邻小区进行自动切换。
　　这种方案比上一种方案提高了系统的信道容量，适用于内层覆盖区域的话务容量比较大、外层区域的话务量较少的情况，主要是解决覆盖问题。这种方案可以在提供广覆盖的同时，又尽量减少容量上的损失。
　　3. 智能双小区的超大覆盖小区

图7 智能双小区覆盖
　　对于需要扩展覆盖的区域实行双小区覆盖，一个小区的覆盖半径为35公里，另一个小区覆盖范围为35～70公里，如图7所示，两个小区分别有各自的BCCH载频。 手机可以在各小区之间进行自动切换。
　　这种方案既可满足容量要求，又可以提供广覆盖，以最小的投资，提供广覆盖和富有竞争力的容量。
　　五、 结束语
　　目前边际网发展迅速，引起人们的普遍关注。而对于海岸、近海岛屿和沙漠等地区覆盖应属于边际网的范畴，但它们的覆盖情况与一般地区边际网的覆盖又略有不同，其话务量一般较低，而覆盖半径要求很大，实际覆盖半径要求大于35公里，需要突破GSM900系统的限制。
　　本文介绍了解决GSM900系统覆盖半径大于35公里的技术。其中，中兴通讯在ZXG10产品上实现了覆盖半径大于35公里的技术，能够根据实际需求进行组网，实现优良的网络覆盖。