【資料名稱】：GSM飛地系統(tǒng)應(yīng)用研究

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【資料日期】：2008/12/12

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GSM飛地系統(tǒng)應(yīng)用研究
http://www.c114.net ( 2008/12/12 16:14 )
1研究背景
自信息產(chǎn)業(yè)部提出解決村村通工程以來，目前全國(guó)村通率達(dá)到89.2%，距“十五”規(guī)劃中村通的目標(biāo)還有近4萬(wàn)個(gè)行政村的任務(wù)。中國(guó)移動(dòng)作為重要的運(yùn)營(yíng)商，承擔(dān)了很多村村通覆蓋任務(wù)，其中相當(dāng)比例是地形復(fù)雜、配套設(shè)施落后的農(nóng)村地區(qū)。隨著社會(huì)信息化的加快，邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)對(duì)移動(dòng)通信的需求日益提高，是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的重要業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)。這些地方地域廣、地型復(fù)雜、話務(wù)量低，運(yùn)營(yíng)商建網(wǎng)初期面臨高投入、低回報(bào)的壓力。一些鄉(xiāng)村陸續(xù)開發(fā)風(fēng)景旅游區(qū)，節(jié)假日話務(wù)量較高。由于這些地區(qū)受地理、經(jīng)濟(jì)條件的制約，通信狀況較差，如果采用原有的直放站方式或一般的移頻方式進(jìn)行農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，存在著初期投資成本過高，造成投資收回時(shí)間較長(zhǎng)，甚至無(wú)法收回的情況。而偏遠(yuǎn)農(nóng)村距離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)，根本接收不到來自城鎮(zhèn)的基站信號(hào)，若采用原頻率 900MHz和1800MHz 的信號(hào)，則易受外界環(huán)境影響，無(wú)線傳播路徑損耗較大，并且在山區(qū)地型復(fù)雜，信號(hào)容易被阻擋。因此需采用一種受外界環(huán)境影響較小，繞射能力強(qiáng)的系統(tǒng)進(jìn)行傳輸和覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村的大區(qū)域的無(wú)線通信服務(wù)。
針對(duì)以上情況，已有廠家研發(fā)出GSM飛地系統(tǒng)，即利用200MHz頻段進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，在目標(biāo)區(qū)域仍采用移頻直放站進(jìn)行覆蓋，大大增加了可靠傳輸距離，減少了投資。飛地系統(tǒng)已在河南移動(dòng)的19個(gè)地市使用，規(guī)模為190套，較好地完成了對(duì)山區(qū)和偏遠(yuǎn)農(nóng)村的覆蓋。本文全面分析飛地系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，探討飛地系統(tǒng)在全國(guó)推廣的可能性，給出了相關(guān)的技術(shù)建議。
2飛地系統(tǒng)介紹
飛地系統(tǒng)是一種把GSM信號(hào)移頻到低頻頻段中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)南到y(tǒng)。它在近端把GSM頻段信號(hào)選頻并移頻至1～4M帶寬的200MHz頻段，在遠(yuǎn)端把信號(hào)還原于原頻段，進(jìn)行線性放大后覆蓋。飛地系統(tǒng)可以有效解決城市頻率資源較為緊張的覆蓋區(qū)和多丘陵、多山、森林等地區(qū)的信號(hào)問題。
2.1系統(tǒng)構(gòu)成
飛地覆蓋系統(tǒng)由近端機(jī)、中繼天線、遠(yuǎn)端機(jī)、重發(fā)天線和操作維護(hù)中心5部分組成：
2.1.1 近端機(jī)
近端機(jī)工作的主要作用是對(duì)GSM上行和下行信號(hào)進(jìn)行濾波、移頻和放大，經(jīng)過移頻近端機(jī)后，信號(hào)將在200MHz頻點(diǎn)上進(jìn)行中繼。
2.1.2 中繼天線
面向近端機(jī)（遠(yuǎn)端機(jī)）的定向天線，接收和發(fā)射移頻信號(hào)，一般采用圖1所示的八木天線。

圖1 八木天線
2.1.3 遠(yuǎn)端機(jī)
遠(yuǎn)端機(jī)工作的主要作用是對(duì)近端機(jī)放大的中繼頻率信號(hào)進(jìn)行濾波、再移頻到所需的頻率（900MHz或1800MHz），同時(shí)進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋區(qū)域的信號(hào)覆蓋。
2.1.4 重發(fā)天線
面向覆蓋盲區(qū)的定向天線，接收手機(jī)的上行信號(hào)，發(fā)射近端機(jī)的下行信號(hào)。
2.1.5 操作維護(hù)中心
對(duì)飛地系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
2.2系統(tǒng)原理

飛地系統(tǒng)通過近端機(jī)將基站900MHz信號(hào)變成150MHz或250MHz微波中繼信號(hào)傳輸給遠(yuǎn)端機(jī)，遠(yuǎn)端機(jī)再將該150MHz或250MHz微波信號(hào)變頻成基站900MHz下行信號(hào)發(fā)射給移動(dòng)臺(tái)。同時(shí)，遠(yuǎn)端機(jī)將移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的900MHz上行信號(hào)變頻成150MHz或250MHz微波中繼信號(hào)，發(fā)射傳輸給近端機(jī)，近端機(jī)再將該150MHz或250MHz微波信號(hào)變頻為移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的900MHz上行頻率，傳輸給基站，從而完成900MHz通過150MHz或250MHz信號(hào)來傳輸?shù)娜蝿?wù)，擴(kuò)大了基站的覆蓋范圍。以基站4載頻配置為例，圖2、3即為GSM飛地系統(tǒng)近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)的原理框圖。


圖2 近端機(jī)原理框圖

圖3 遠(yuǎn)端機(jī)原理框圖
考慮到實(shí)際需求及設(shè)備復(fù)雜度，目前設(shè)備最多支持4載波。對(duì)于4載波以上的需求不存在明顯的技術(shù)難點(diǎn)，僅會(huì)增加設(shè)備的成本。由于飛地系統(tǒng)設(shè)備由傳統(tǒng)移頻直放站發(fā)展而來，因此其監(jiān)控模塊可以從直放站設(shè)備移植過來，目前飛地系統(tǒng)監(jiān)控能力與直放站相同。
3飛地系統(tǒng)中繼和覆蓋能力分析
飛地系統(tǒng)使用150MHz至250MHz頻段，和GSM900或GSM1800頻段相比，飛地系統(tǒng)頻段電波繞射能力更強(qiáng)，傳播損耗更小，更適合特殊地形下GSM信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸和覆蓋。
3.1繞射能力分析
電磁波頻段越低，電波繞射能力越強(qiáng)，越容易繞過一定障礙物進(jìn)行傳輸。電磁波具有類似光波的特性，近距離傳輸時(shí)，由于功率余量大，即使中間有阻擋也能夠通過反射波或天線旁瓣進(jìn)行通信。但遠(yuǎn)距離時(shí)，一定要求收發(fā)天線之間實(shí)現(xiàn)“視線無(wú)阻擋”，其實(shí)際含義是在收發(fā)天線之間連一條線，以這條線為軸心，以R為半徑的一個(gè)類似于管道的區(qū)域內(nèi)，沒有障礙物的完全阻擋。這個(gè)管道稱為菲涅爾區(qū)，菲涅爾區(qū)是一個(gè)橢球體，收發(fā)天線位于橢球體的兩個(gè)焦點(diǎn)上。如圖4所示。

圖4 菲涅爾區(qū)
菲涅爾半徑的計(jì)算公式如下：
R=0.5(λD)0.5
其中λ為波長(zhǎng)，D為兩天線的距離，λ＝3×108 /f(m)。從公式可知：當(dāng)頻率f固定時(shí)，菲涅爾半徑隨著傳輸距離的增加而增大。同時(shí)，當(dāng)距離固定時(shí)，菲涅爾半徑隨著頻率的減小而增大。

表1
頻率f波長(zhǎng)λ菲涅爾橢球體半徑R
（D=10km）（D=20km）
900MHz0.333m28.866m40.823m
150MHz2m70.711m100m
250MHz1.2m55m77m
從表1可以看出，150～250MHz頻段電波比900MHz電波可以繞過更大的障礙物，可以克服超過天線70m高的障礙物，因此在山區(qū)等障礙物較多的非視距傳播環(huán)境下，飛地系統(tǒng)有較強(qiáng)的克服地形環(huán)境傳輸?shù)哪芰Α?
3.2空間傳輸損耗分析

信號(hào)在自由空間的傳播損耗與信號(hào)的頻率密切相關(guān)，信號(hào)頻率越高，單位距離的衰耗越大。信號(hào)在自由空間的衰耗損耗PL可由下式計(jì)算：
PL（dB） =32.45 + 20lgf + 20lgd
因此，假設(shè)傳播相同的距離，900MHz信號(hào)將比150MHz信號(hào)多衰減：20(lg900-lg150)= 15.56dB
比250MHz信號(hào)多衰減：20(lg900-lg250)= 11.85dB
因此，900MHz在自由空間的損耗是150MHz 信號(hào)的32倍，是250MHz信號(hào)的16倍。在其它條件不變的情況下，150MHz/250MHz可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。
3.3中繼和覆蓋能力
飛地系統(tǒng)的傳輸能力取決于近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)之間的信號(hào)拉遠(yuǎn)能力，即復(fù)雜地形下150～250MHz信號(hào)的傳輸能力。因此，飛地系統(tǒng)的拉遠(yuǎn)能力不僅與中繼的發(fā)射功率有關(guān)（目前設(shè)備多支持2W、5W、10W和20W），還要取決于環(huán)境的復(fù)雜度。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，多應(yīng)用中繼功率為10W的設(shè)備，其拉遠(yuǎn)距離如下：復(fù)雜的山區(qū)環(huán)境：拉遠(yuǎn)8～10km；較為簡(jiǎn)單的環(huán)境：拉遠(yuǎn)10～15km。
飛地系統(tǒng)的遠(yuǎn)端機(jī)一般采用20W進(jìn)行覆蓋，其覆蓋能力與一般移頻直放站的覆蓋能力相當(dāng)，此只要天線掛高合適，增益足夠大，即可實(shí)現(xiàn)直徑為3～5km區(qū)域的覆蓋。
4典型應(yīng)用場(chǎng)景
和其它GSM延伸覆蓋系統(tǒng)相比，飛地系統(tǒng)主要有以下優(yōu)勢(shì)。
（1）系統(tǒng)繞射能力強(qiáng)，10KM拉遠(yuǎn)距離條件下可以繞射過高于收發(fā)天線50~70m的障礙物；
（2）抗干擾能力強(qiáng)，覆蓋效果好；
（3）中繼頻率可以通過軟件設(shè)置，占用頻帶小，頻率設(shè)置靈活；
（4）工程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)便，成本低廉；
（5）一臺(tái)近端可帶多臺(tái)遠(yuǎn)端，覆蓋靈活；
（6）在低話務(wù)量的偏遠(yuǎn)地區(qū)，常使用太陽(yáng)能供電，系統(tǒng)能夠通過自身的檢測(cè)控制裝置，在發(fā)現(xiàn)覆蓋區(qū)無(wú)手機(jī)接入網(wǎng)時(shí)，會(huì)自動(dòng)使遠(yuǎn)端上行處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有用戶使用時(shí)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)工作，從而減除了不必要的能耗，大大降低了運(yùn)營(yíng)成本。
因此飛地系統(tǒng)可以適應(yīng)較為苛刻的自然環(huán)境，工程較為簡(jiǎn)單，成本較低，傳輸距離遠(yuǎn)，有一定的應(yīng)用場(chǎng)景。從目前的應(yīng)用情況來看，復(fù)雜地形下的孤島覆蓋（村村通工程）、應(yīng)急通信和遠(yuǎn)距離監(jiān)控是飛地系統(tǒng)較為典型的應(yīng)用場(chǎng)景。
4.1復(fù)雜地形下的孤島覆蓋（村村通覆蓋）
移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年努力，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了絕大大部分人員活動(dòng)場(chǎng)所，但仍然存在很多遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、被大山阻隔的山村、廠礦或臨時(shí)作業(yè)區(qū)，這些點(diǎn)由于距離遙遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣、投入巨大而一直處于通信的盲點(diǎn)，也是村村通工程需要解決的重點(diǎn)。這些地區(qū)具有以下特點(diǎn)。
（1） 地形復(fù)雜，傳輸環(huán)境惡劣；
（2） 目標(biāo)地區(qū)容量需求一般，覆蓋需求為主；
（3） 信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸路徑上無(wú)明顯覆蓋要求，即具有典型孤島特征。
飛地覆蓋系統(tǒng)可以較為容易地覆蓋遠(yuǎn)離移動(dòng)通信資源的孤島，使得移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可以飛躍曠野、山體來覆蓋這些孤島，同時(shí)加快工程進(jìn)度，節(jié)省投資。
4.2應(yīng)急通信
面對(duì)抗洪搶險(xiǎn)等復(fù)雜狀況，自然環(huán)境的阻隔往往無(wú)法快速有效地建立通信聯(lián)絡(luò)，從而影響救災(zāi)指揮決策的順利進(jìn)行。在突發(fā)災(zāi)害等特殊狀況下，應(yīng)急通信面臨以下問題。
（1） 地形復(fù)雜，傳輸環(huán)境惡劣，電力等配套設(shè)施欠缺；
（2） 目標(biāo)地區(qū)容量需求一般，覆蓋需求為主；
（3） 要求快速建立通信保障，機(jī)動(dòng)靈活改變通信覆蓋區(qū)。
由于飛地系統(tǒng)簡(jiǎn)單，工程實(shí)現(xiàn)容易，同時(shí)可以克服復(fù)雜地形的影響，因此適宜作為應(yīng)急通信的重要手段。2008年初我國(guó)南方災(zāi)害性天氣對(duì)移動(dòng)通信提出了新的要求，由于飛地系統(tǒng)可以快速實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，同時(shí)遠(yuǎn)端機(jī)可以依靠蓄電池工作2～3天，因此飛地系統(tǒng)也為未來GSM網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)方案提供了新的思路。
4.3遠(yuǎn)距離監(jiān)控
對(duì)于一些特定的行業(yè)性應(yīng)用，如水文、環(huán)保、森林防火等，需要在特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。這些地區(qū)往往條件苛刻，人煙稀少，分布較為零散。遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用環(huán)境有以下特點(diǎn)。

（1） 地形復(fù)雜，傳輸環(huán)境惡劣，電力等配套設(shè)施欠缺；
（2） 有明顯的1對(duì)多通信需求，即監(jiān)控中心要同時(shí)和多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行通信；
（3） 由于監(jiān)控需要，通信具有間歇性頻發(fā)特性，即并不需要持續(xù)性的通信，而僅是在每天特定的幾個(gè)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)上報(bào)。
由于飛地系統(tǒng)可利用1臺(tái)近端機(jī)和多臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)實(shí)現(xiàn)1對(duì)多的通信，可使用蓄電池提供電力需求，在無(wú)終端接入時(shí)，可自動(dòng)使設(shè)備休眠，減除了不必要的能耗，因此飛地系統(tǒng)是遠(yuǎn)距離監(jiān)控的有效解決方案。
5頻率資源需求分析
飛地系統(tǒng)將原有的占用離散頻點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行選頻，利用2～3MHz帶寬進(jìn)行中繼傳輸，在遠(yuǎn)端在將信號(hào)恢復(fù)到原有頻點(diǎn)上，以下行為例，其過程如圖5所示。

圖5
考慮到村村通地區(qū)容量需求有限，目前飛地系統(tǒng)設(shè)備一般支持4載波GSM信號(hào)的傳輸和覆蓋。為保證上下行之間及飛地系統(tǒng)與其它系統(tǒng)間的隔離度，飛地系統(tǒng)中繼信號(hào)頻率利用可采用兩種方式：
（1）占用150～250MHz間1個(gè)連續(xù)13MHz頻譜。為保證上下行足夠的隔離度，考慮到目前設(shè)備水平，上下行間需保證至少5MHz的保護(hù)頻帶，同時(shí)，與其他系統(tǒng)間要保證至少1MHz的保護(hù)間隔，此時(shí)頻譜占用情況如圖6所示；

圖6 頻譜占用情況
（2）占用150～250MHz間2個(gè)不連續(xù)的5MHz頻譜。考慮到可用頻譜的離散性，上下行中繼信號(hào)可分別占用一段頻譜，此時(shí)頻譜占用情況如圖7所示。

圖7頻譜占用情況
6河南飛地系統(tǒng)案例分析
河南地處黃土高原上升段，地形分布上即有平原，也有大面積的山區(qū)。河南人口眾多，其中農(nóng)民所占比例在全國(guó)位于前列。實(shí)行“村村通”工程，解決廣大農(nóng)村地區(qū)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，在河南移動(dòng)通信業(yè)務(wù)發(fā)展中占有很重要的比例。
但由于地理原因，河南很多村莊，以及礦區(qū)、景點(diǎn)都分布在山區(qū)。山區(qū)農(nóng)村在選址中基本都處于山坳低洼處，背風(fēng)順?biāo)�，適合居住。也形成了群山阻隔，道路不便的環(huán)境特點(diǎn)，給移動(dòng)基站覆蓋造成很大困難。稍微遠(yuǎn)離基站的村莊就會(huì)因?yàn)樯襟w阻擋等原因，形成信號(hào)盲區(qū)，景點(diǎn)和山中礦區(qū)也有類似情況。而在平原地區(qū)的村莊，通常在村莊內(nèi)外都種滿了樹木，在盛夏樹葉茂密的時(shí)候，也對(duì)信號(hào)形成阻擋，造成村內(nèi)信號(hào)盲區(qū)或者弱區(qū)。
為解決GSM系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離傳輸，河南移動(dòng)在17個(gè)分公司使用了190套飛地系統(tǒng)，主要使用在山區(qū)和偏遠(yuǎn)山區(qū)，并已和當(dāng)?shù)責(zé)o委部門申請(qǐng)了223.025~235.025MHz頻率，使用時(shí)間到2012年。

6.1自然和電磁環(huán)境
焦園村位于南陽(yáng)市南召縣北面山區(qū)，村周圍群山圍繞，該村就坐落在群山的山谷中（村子GPS為N33º40.60＂ E112º09.47＂海拔高度780m）。該村人口不多，且分布較密集，大約在50戶左右，但是手機(jī)的擁有率比較高，平均每一戶就擁有1~2部手機(jī)，在距離該村8km處有一基站（三關(guān)廟基站，GPS為N33º36.97＂ E112º12.49＂海拔高度500m），該基站屬于距離該村最近的一基站，并且該基站與村子之間的群山平均海拔都在850m左右，基站信號(hào)受阻擋嚴(yán)重，900M信號(hào)無(wú)法到達(dá)。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的勘測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于該村與其周圍基站之間存在高山的阻擋，并且與周圍的基站距離很遠(yuǎn)，最近的有距離8km，因此該村內(nèi)移動(dòng)手機(jī)信號(hào)為盲區(qū)，不能進(jìn)行通話，并且在村周圍的山頂也不能接受到好的移動(dòng)信號(hào)。
6.2測(cè)試和結(jié)果分析
設(shè)備開通后的RX指標(biāo)如圖8所示。

圖8 設(shè)備開通后的RX指標(biāo)
設(shè)備開通后的RQ指標(biāo)如圖9所示。

圖9 設(shè)備開通后的RQ指標(biāo)
設(shè)備開通后的TX如圖10所示。

圖10 設(shè)備開通后的TX
從以上的測(cè)試經(jīng)過可以看出，在安裝飛地系統(tǒng)之后，焦園村由原來的信號(hào)盲區(qū)變成了信號(hào)好的區(qū)域，信號(hào)強(qiáng)度普遍在-75dBm以上，同時(shí)在手機(jī)用戶撥打電話時(shí)，信號(hào)的通話質(zhì)量也始終維持在0，并且手機(jī)一直用小功率發(fā)射。同時(shí)對(duì)比測(cè)試路線可以發(fā)現(xiàn)，在離直放站2km的進(jìn)村公路上信號(hào)仍然在-80dBm左右，通話質(zhì)量也仍然維持在0，即使在覆蓋信號(hào)到達(dá)-95dBm時(shí)，直放站信號(hào)仍能夠滿足用戶的正常通話，因此飛地系統(tǒng)很好地解決了焦園村的信號(hào)覆蓋問題，具有一定推廣價(jià)值。
7結(jié)論和建議
（1） 飛地系統(tǒng)是一種把GSM信號(hào)選頻并在150MHz至250MHz頻段進(jìn)行中繼的系統(tǒng)，在復(fù)雜環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)8～10km的拉遠(yuǎn)距離，適合在村村通覆蓋、應(yīng)急通信和遠(yuǎn)距離監(jiān)控等場(chǎng)景下應(yīng)用；
（2） 飛地系統(tǒng)具有施工周期短、安裝容易和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，由于無(wú)需傳輸建設(shè)，因此投資成本大大低于傳統(tǒng)的光纖拉遠(yuǎn)系統(tǒng)，特殊情況下可依靠蓄電池進(jìn)行供電；
（3） 飛地系統(tǒng)需占用1個(gè)連續(xù)13MHz頻譜資源或2個(gè)分開的5MHz頻譜資源，前者有利于頻率資源的管理，后者對(duì)帶寬需求略低；
（4） 飛地系統(tǒng)是解決復(fù)雜地形下GSM網(wǎng)絡(luò)延伸覆蓋的有效方法，具有一定推廣價(jià)值，但各省150～250MHz頻段的頻譜資源將是制約飛地系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵性因素