某运营商农村数据业务承载方案建议

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【摘 要】针对某运营商EGRPS网络在农村面对的困境和该运营商GSM900技术向UMTS900技术或LTE技术演进的必要性，分析了GSM900技术向UMTS900技术或LTE技术演进的频率规划，最后从覆盖、容量和网络改造三个方面分析了该运营商GSM900技术向UMTS900技术或LTE技术演进对现有GSM900网络影响。UMTS900和LTE允许的下行最大路径损耗比GSM900语音业务允许的最大路径损耗大3～4dB，部署UMTS900或者LTE系统后，可以提供的下行数据吞吐量是原有GSM900系统的4.38～20.18倍。

【关键词】GSM900 UMTS900 LTE 农村

1 某运营商EGPRS网络在农村面对的困境

随着智能手机在农村的大规模普及和无线上网增加，某运营商农村数据流量快速增长。该运营商GSM网络在某省的高无线利用率（利用率大于90%）小区占比达到37.7%，其中城区高无线利用率小区占城区所有小区比例为24.2%，农村为46.5%；农村高无线利用率小区比例明显高于城区。

为了满足农村快速增长的数据流量需求，该运营商目前可以采取的措施包括增加GSM载频或者提高EGPRS网络的PDCH承载速率，建设WLAN网络或者TD-SCDMA网络。但受技术体制、频点资源、站址资源、投资等因素限制，通过增加GSM载频已无法满足农村地区快速增长的数据业务需求。

研究表明，PDCH承载速率提升到6kbps以上对大颗粒数据业务用户影响较大；当PDCH提高到10kbps以上时，对中颗粒用户的影响就开始比较明显，用户下载或浏览网页感知变差；提升到14kbps以上时，中小颗粒的用户感知均劣化得较为明显。目前该运营商在某省农村的PDCH承载速率已经达到10.3kbps，进一步提高PDCH承载速率会严重影响用户感知。

WLAN网络需要大量的传输资源且覆盖距离从几十米到几百米不等，并不适合承载农村数据业务；TD-SCDMA覆盖半径小、缺乏性能稳定的中低价终端，也不适合承载农村数据业务。面对该运营商EGRPS网络在农村面临的困境，更根本的解决方案则是利用现有的GSM900频率资源部署UMTS900系统或者LTE系统，以进一步提高频谱效率。

2 GSM900向UMTS900或LTE演进的

频率规划

GSM技术向UMTS或者LTE技术演进有共址部署和共存部署两种策略：共址部署假定UMTS基站（LTE基站）和GSM基站使用相同的物理站点；共存部署假定UMTS基站（LTE基站）和GSM基站使用不同的物理站点。

GSM基站和UMTS基站共址部署，制约GSM系统和UMTS系统之间载波间隔最小的因素是GSM的UE对UMTS基站接收的干扰。UMTS基站阻塞测试表明，当基站滤波器经过优化后，2.2MHz的载波间隔可以耐受-70dBm的GSM干扰。因此，GSM基站和UMTS基站共址部署可以使用2.2MHz的载波间隔，而共存部署所需要的载波间隔是2.4MHz[1]。

GSM基站和LTE基站共址部署，制约GSM系统和LTE系统之间载波间隔最小因素是GSM UE功率电平和LTE上行链路允许的干扰电平，限制因素是PUCCH RB的最大干扰电平容限。5MHz LTE基站和GSM基站共址部署需要4.8MHz的带宽资源，而共存部署则需要5.2MHz的带宽资源[2]。

建议该运营商共址部署以节约宝贵的频谱资源，同时可以共用GSM900原有天馈系统以节约投资和降低建设难度。

另外，建议该运营商利用GSM900频段部署UMTS900系统或者LTE系统，GSM900频段相对于DCS1800频段路径损耗小10dB[3]，覆盖范围更大，数据吞吐量更高，尤其是深度以及室内覆盖性能会更好。该运营商在GSM900频段有19MHz×2的频率资源，部署2个频点的UMTS系统或者10MHz的LTE系统后，仍然有48个或者46个频点资源供GSM900使用，可以满足该运营商GSM语音业务需求。

GSM900技术向UMTS900技术或者LTE技术演进的频率规划如图1所示：

图1 GSM900向UMTS900或者LTE演进的频率规划

农村地区部署UMTS900系统或者LTE系统后，GSM900系统的可用频点会相应减少。需要通过多种技术手段来保证原有GSM用户的业务体验，主要技术手段有启用半速率功能、将GSM900话务往DCS1800上转移、采用频率紧密复用技术等。

3 GSM900向UMTS900或LTE演进的覆

盖分析

链路预算是覆盖分析的基础。针对数据业务，链路预算有两种用途：一是已知小区边缘速率，计算移动用户和基站之间的最大路径损耗，采用合适的传播模型，估算出小区覆盖半径；二是已知小区覆盖半径，根据链路预算和合适的传播模型，计算小区边缘用户的SNR，估算出小区边缘速率。

GSM网络以满足语音业务为设计目标，因此，本文对GSM900网络的覆盖分析以GSM语音业务作为参考。

UMTS的基站功率假设为40W，80%的功率分配给HS-DSCH，HS-DSCH的输出功率达到45dBm[1]。

对于LTE系统，假定包含50个RB、基站2天线发射分集、终端2天线接收分集[2]。

GSM语音、UMTS900、LTE下行链路预算对比如表1所示：

UMTS900和LTE允许的下行最大路径损耗比GSM900语音业务允许的最大路径损耗大3～4dB。因此，利用现有的站址资源，小区边缘用户完全可以实现下行1Mbps的宽带业务。

现有的UMTS设备或者LTE设备普遍采用RRU上塔安装，可以较GSM设备降低馈线损耗2dB左右，小区边缘用户速率可以进一步提高。

随着用户接近基站，用户速率会进一步提高。现有的EGPRS网络用户峰值速率是236.8kbps，测试速率只有峰值速率的1/2左右，因此部署UMTS系统或者LTE系统后，能极大地改善用户体验，迅速缩小与竞争对手在农村地区的差距。

4 GSM900向UMTS900或LTE演进的容

量分析

各种制式通信系统的频谱效率研究可以参考文献[4]。由于农村地区基站站间距较大，终端接收电平和SNR较低，导致农村用户平均速率较低，本文以低端用户作为基准来估算UMTS系统或者LTE系统的频谱效率。

GSM网络的频率方案和可用的TCH数参见笔者的研究[5]。为了保证良好的用户体验，本文假定下行链路每PDCH可实现的速率是8kbit/s。

对于UMTS900网络，本文假定部署的是R7版本，UMTS900系统的下行链路频谱效率的典型值为0.41bit/s/Hz/cell，则1个UMTS频点的下行吞吐量是每扇区2.05Mbit/s。

对于LTE网络，本文假定部署的是R8版本，下行链路频谱效率的典型值是1.12bit/s/Hz/cell，则5MHz带宽的下行吞吐量是每扇区5.6Mbit/s，10MHz带宽的下行吞吐量是每扇区11.2Mbit/s。

根据上述条件，该运营商19MHz×2的频率资源每基站（通常为三扇区）可实现的的下行链路吞吐量如表2所示。

从表2可以看出，该运营商19MHz×2的频率资源，部署1个UMTS900频点，可以提供的下行数据吞吐量是原有GSM900系统的4.38倍；部署2个UMTS900频点，可以提供的下行数据吞吐量是原有GSM900系统的7.71倍。

部署5MHz带宽的LTE系统后，可以提供的下行数据吞吐量是原有GSM900系统的10.6倍；部署10MHz带宽的LTE系统后，可提供的下行数据吞吐量是原有GSM900系统的20.18倍。

5 GSM900向UMTS900或LTE演进的网

络改造分析

该运营商部署的GSM基站可以分为两种：第一种是单密度基站或者双密度基站；第二种是多密度基站。对于第一种基站设备，由于采用的是窄带功放，只能放大窄带的GSM信号，并不能放大宽带的UMTS900或者LTE信号；对于第二种基站设备，由于基带部分和功放分离且采用宽带功放，该功放理论上可以放大宽带的UMTS900或者LTE信号，部分厂家通过增加部分板卡或者通过软件升级方式即可实现UMTS900或者LTE功能。

该运营商GSM设备向UMTS900或者LTE升级方式有两种。对于单密度基站或者双密度基站，需要在GSM机房内安装一套UMTS900或者LTE设备，通过合路方式共用原有的GSM天馈。对于多密度基站，通过增加基带板、主控板卡或者仅仅通过软件升级方式即可实现UMTS900或者LTE功能。

由于UMTS900或者LTE使用GSM900的频段能共用原有的GSM天馈，可以极大地节约投资成本和施工时间，并避免由于天馈施工纠纷造成的工期延误等问题。

6 结束语

通过上文的分析，可以发现UMTS900和LTE较GSM900在覆盖及小区吞吐量方面有明显优势。UMTS在设备、网络规划和优化等方面相对成熟，在产业链上具有优势；LTE的频谱效率是UMTS频谱效率的2.73倍，在容量方面具有优势。

因此，建议该运营商在农村地区通过在GSM900频段部署UMTS900系统或者LTE系统来解决农村区域的数据业务需求。该运营商最终是部署UMTS900系统还是LTE系统则由国家产业政策、产业链成熟度、市场策略等多个因素综合决定。

参考文献：

[1] Harri Holma， Antti Toskala. UMTS中的WCDMA—HSPA演进及LTE[M]. 杨大成，译. 5版.北京： 机械工业出版社， 2011.

[2] Harri Holma， Antti Toskala. LTE for UMTS： OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access[M]. United Kingdom： John Wiley & Sons Ltd.， 2009.

[3] 吴志忠. 移动通信无线电波传播[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2002.

[4] Real Wireless. Report for Ofcom 4G Capacity Gains Final Report-Main Body[EB/OL]. （2011-01-27）. http：//.uk.

[5] 徐恩，张建国. GSM技术向LTE技术演进分析[A]. 第九届中国通信学会学术年会论文集[C]. 北京： 北京邮电大学出版社， 2012.