GSM网频率复用技术

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随着GSM900MHz数字移动通信网容量的迅速扩张，在许多地区，频率资源变得越来越紧张，某种程度上已制约了移动通信业务的发展。为了满足移动通信业务发展的需求，有些省、市已将GSM使用的频率扩展到12.2MHz带宽，即使这样，频率资源仍然紧张。在模拟网暂时不能退频的情况下，如何提高频率利用率，尽可能提高GSM网络的容量，已成为移动通信运营部门和众多厂家共同关心的热点问题。为此研究出了许多频率复用新技术。本文主要介绍有关这方面的技术。　

　

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   频率复用也称频率再用，就是重复使用 (reuse) 频率，在GSM网络中频率复用就是，使同一频率覆盖不同的区域（一个基站或该基站的一部分(扇形天线)所覆盖的区域），这些使用同一频率的区域彼此需要相隔一定的距离（称为同频复用距离），以满足将同频干扰抑制到允许的指标以内。

    原邮电部颁布的《900MHz TDMA数字公用陆地蜂窝移动通信网技术体制》要求，若采用定向天线，建议采用4×3复用方式，业务量较大的地区，根据设备的能力还可以采用其它的复用方式，如3×3复用方式，2×6复用方式等。无论采用哪种复用方式，基本原则是考虑了不同的传播条件，不同的复用方式及多个干扰等因素后，必须满足干扰保护比的要求，即：
   同频道干扰保护比： C/I （载波/干扰）≥9dB
   邻频道干扰保护比： C/I （载波/干扰）≥－9dB
   载波偏离400KHz时的干扰保护比： C/I（载波/干扰）≥－41dB
   注：工程设计中需对以上C/I 另加3dB余量。

　

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   根据GSM体制规范的建议，通常在无线网络规划中都采用4×3 频率复用方式，即4个基站区（每个基站分为3个120°扇形小区或60°三叶草形小区），12个扇形区为一小区群。这种频率复用方式由于同频复用距离大，能够比较可靠地满足GSM体制对 同频干扰保护比和邻频干扰保护比的指标要求，使GSM网络运行质量好，安全性好。

    但是，这种复用方式频率利用率低，满足不了业务量大的地区扩大网络容量的要求。我国城市人口密度很大，GSM网经过几次大规模扩容后，特大城市和部分大城市的市区宏蜂窝基站平均站距不到1000m，小区覆盖半径也就是几百米左右，有些“热点”地区站距只有300m左右。可见，再靠大规模小区分裂技术来增加网络容量已经不现实了。

    因此，对于许多经济发达的城市，为了满足移动用户迅猛增长的需求，一个措施是向DCS1800发展，建立双频网。另一个措施就是在900MHZ现有的频率资源情况下，采用密化的频率复用技术。

    各个厂家都根据自己设备的能力及软件功能采用了不同的密化的复用技术，但这是以减少同频复用距离，降低干扰保护比为代价的。由于在GSM系统中，采取了许多抗干扰技术，如跳频、功率控制、话音不连续传输（DTX）、分集接收等，将这些技术有效应用会进一步提高载波干扰比C/I，使C/I有一定的富余，因此，可通过采用密化的频率复用技术进一步增加网络容量，并使网络满足服务质量要求。比较典型的密化的频率复用技术主要有3×3，2×6，2× 3，1×3 技术。

    实际上大家都是将常规的4×3频率复用技术和密化的3×3，2×3，1×3频率复用技术混合采用。由于混合采用的方式不同，也就出现了几种不同的复用模式。

　

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（1）基本原理多重复用模式（MRP）技术就是把所有可用的载频有规律地分为几组，每一组中的载频作为独立的一层，在做频率规划时，每组的载频可根据网络容量的需要采用不同的复用方式。

    需要指出的是，由于广播控制信道（BCCH）不使用不连续发射（DTX）和跳频技术，发射功率较大，其干扰特性与业务信道（TCH）不同，因此，为了保证网络的服务质量和安全可靠，建议BCCH采用4×3复用方式，显然，用于BCCH的载频数应不少于12个。在实际应用中，一般分配12---15个。

    现以频率带宽为6MHz加以说明，国家无委会在900MHz 频段上，划分给中国电信的频段，当用于GSM网的频带为6MHz时，可用载频数为30对，频道号是 65---95（划分给中国联通的频段有29对载频，频道号是96---124），采用MRP技术时，将30对载频按12/9/6/3分为4 组，分组方式如表1所述。

表1 6MHz带宽MRP载频分组方式

逻辑信道	频 道 号
BCCH（12）	66	67	68	69	70	71	72	73	74	75	76	77
TCHI（9）													78	79	80	81	82	83	84	85	86
TCH2（6）																						87	88	89	90	91	92
微蜂窝(3)																												93	94	95

    广播控制信道（BCCH），业务信道TCH1， TCH2 及微蜂窝分别可有12，9，6，3 对载频可配置，那么，BCCH采用4×3复用方式，TCH1采用3×3复用方式，TCH2采用2×3复用方式，可配置成3/3/3结构的基站，比单纯使用 4×3模式提高了容量。
    同样，如果用于GSM网的频率带宽为7.2MHz，那么，可用载频数为36对，频道号60~95，按12/9/8/7分成4 组，分组方式如表2所示。

表2 7.2MHz带宽MRP载频分组方式

逻辑信道	频 道 号
BCCH(12)	60	61	62	63	64	65	66	67	68	69	70	71
TCH1(9)													72	73	74	75	76	77	78	79	80
TCH2(8)																						81	82	83	84	85	86	87	88
TCH3(7)																														89

　

    其中，广播控制信道（BCCH）组有12个载频可供复用，业务信道分TCH1、TCH2、TCH3三层，每层分别有9、8、7个载频可供复用，在作频率规划时，为了保证网络安全，要求先配置BCCH，12个载频按4×3复用方式，12个扇形小区，每个小区分配1个BCCH载频；接着按3×3方式配置TCH1，每个小区分配TCH1层中1个载频，再依次按2×3方式配置TCH2、TCH3。这样，每个基站3个扇形小区都可配置4个载频（4/4/4 站型）。配置载频时，应尽量避免相邻载频在同一小区或相邻小区使用，在TCH2和THC3层中分别有2个和1个载频可供调整。余下的3个载频可分配给微蜂窝或微微蜂窝用，载频配置示意图见图1。

    当可用频带为9.6MHz，频道号47---95，有49对载频，可按12/9/8/6/6/6/2规律分7组，基站载频可配置成 6/6/6 结构。

    如果可用频带较宽，有12MHZ以上。从理论上讲，基站载频可配置成8/8/8，甚至更多。由此可见，网络的容量会提高。这对设备的能力和软件的功能提出了更严格的要求。

    根据BCCH和TCH载频选取的方式不同，又分几种MRP，现介绍以下两种：

（2）固定型的MRP固定型的MRP就是划分给业务信道（TCH）各层的载频固定不变，互相独立，不重叠，如表1、表2 所示，做频率规划时，逐层配置载频，这样做的优点是TCH载频调整容易，如果某层TCH出现了干扰等问题，只要调整那一层即可，不必考虑其它层载频的影响。缺点是载频配置不灵活。

（3）改进型的MRP改进型的MRP就是划分给业务信道（TCH）各层的载频互相重叠，不独立，具体分组方式如表3 所示，TCH3层分配的载频不变，而在TCH2层中增加了TCH3层的载频，在TCH1层中增加了TCH2层的载频，在作频率规划时，可根据话务量密度分布情况，采用不同的复用方式，灵活配置载频。

表3 改进型的MRP分组方式（7.2MHz带宽）

逻辑信道	频 道 号
BCCH(12)	60	61	62	63	64	65	66	67	68	69	70	71
TCH1(24)													72	73	74	75	76	77	78	79	80	81	82	83	84	85	86	87	88	89
TCH2(15)																						81	82	83	84	85	86	87	88	89
TCH3(7)																														89

　
（4）MRP技术的主要特点MRP技术打破了传统的固定频率复用模式，使载频配置灵活，特别是使一个扇形小区分配的载频不可能与同频复用的扇形小区的载频完全相同，既改善了同频干扰保护比，也改善了跳频效果，这是MRP技术显著的特点。 MRP技术可根据容量需求及话务量分布情况灵活进行频率规划，可逐步提高网络容量，比单纯使用4×3复用方式网络容量高，与单纯采用3×3，2×3，1×3复用方式相比对网络质量影响小，采用的技术如跳频、功率控制，不连续发射（DTX）是GSM系统应具备的技术，在设备及软件上无其它特殊要求，只要进行精心的网络规划和优化，能满足网络安全可靠运行。富余的载频可用于微蜂窝。
　
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（1）同心园技术的概念同心园技术就是在GSM网中，将无线覆盖小区（一个基站或基站的一部分（扇形天线）所覆盖的区域），分为两层，外层和内层，又称顶层（Overlay）和底层（Underlay）。外层的覆盖范围就是通常的蜂窝小区，而内层的覆盖范围主要集中在基站附近，外层一般采用常规的 4×3 复用方式，而内层则采用密化的复用方式，如3×3，2×3或1×3。因而，把所有可用的载频分为两组，一组用于外层，一组用于内层。可根据网络容量的要求，采取不同的分组方式，见表4、表5。由于外层和内层是同基站同小区，共用同一套天线系统，共用同一个BCCH信道，故称之为同心小区。但规定公共控制信道（CCCH）必须设置在外层载频信道上，这就意味着通话必须先在外层信道上建立。

图2 同心园（Concentric Cell）无线覆盖示意图

表4 6MHZ带宽同心园技术载频分组方式（一）

逻辑信道	频 道 号
Overlay （12 ）	66	67	68	69	70	71	72	73	74	75	76	77
Underlay （18 ）													78	79	80	81	82	83	84	85	86	87	88	98	90	91	92	93	94	95

　

表5 6MHZ带宽同心园技术载频分组方式（二）

逻辑信道	频 道 号
Overlay （24 ）	66	67	68	69	70	71	72	73	74	75	76	77	78	79	80	81	82	83	84	85	86	87	88	89
Underlay （6 ）																									90	91	92	93	94	95

　
（2）普通同心园GUO（General Underlay Overlay）普通同心园就是，由于内层采用密化的复用技术，为了提高内层同频复用距离，抑制同频干扰，采取减少内层覆盖范围的措施，即内层的发射功率一般低于外层的发射功率。内层与外层的切换主要是根据监测功率和距离来进行。
    对普通同心园技术来讲，适用于话务量集中在基站附近，话务量越集中在基站附近，扩容效果越明显，但是，由于其内层发射功率低，电波穿透建筑物的能力弱，不易吸收基站附近室内话务量，当移动用户从室外移动到室内时，通话信道就会从内层切换到外层，使室内话务量都集中在外层，因而在话务量均匀分布的情况下，对网络容量的提高不大。
（3）智能双层网IUO（Intelligent Underlay Overlay）IUO 的内层（又称为超级层 Super Layer）与外层（又称为常规层 Regular Layer）的发射功率是完全相同的，内层和外层的切换是根据监测载波同频干扰保护比（C/I）进行，其切换流程如下：首先在常规层建立通话，然后BSC 不断监测下行链路超级层信道的同频干扰保护比（C/I），当超级层某信道的C/I 达到可用门限时（Good C/I Threshold），便将通话信道切换到此超级信道上，同时继续监测此信道的C/I，如果恶化到一定门限（Bad C/I Threshold），便切换到常规信道上。

（4）同心园技术的特点同心园技术不需改变网络结构，对系统硬件无特殊要求，对于普通同心园（GUO），适用于话务量高度集中在基站附近的地区。GUO不易吸收室内话务量。但可改善同频干扰保护比。对于智能双层网（IUO），由于内层与外层发射功率相同，对话务量的吸收比较灵活，IUO 的超级层能够吸收室内话务量，对网络实际容量提高相对较大。但系统必须增加新的功能，即下行信道同频干扰保护比（C/I）的测算，同时需要增加一些特殊的切换算法。
　
表6 列出了在不同的带宽条件下，采用4×3复用方式和采用其他复用方式容量的比较。从表中可以看出采用1×3复用方式，频率利用率最高，网络容量提高最大，但干扰严重，对网络运行质量影响大，一般都慎重采用。而MRP或IUO技术可使网络容量提高较大，网络调整优化容易，能保证网络的服务质量。

表6 GOS＝0.02 a＝0.025Erl

带宽	复用方式	基站载频配置	可负荷话务量	可容纳用户	容量比
6MHz	4×3	3/3/2	37.99	1519	1
	3×3	3/3/3	44.685	1788	1.18
	1×3	4/4/4	65.796	2631	1.73
	MRP(12,9,6)	3/3/3	44.685	1788	1.18
	2×6	2/2/2/2/2/2	49.20	1968	1.30
	IUO 4×3＋2×3	2/2/2+1/1/1	44.685	1788	1.18
7.2MHz	4×3	3/3/3	44.685