GSM與N-CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力對比研究

聶飛翔　陸錦榮
　　摘要：本文就GSM與N-CDMA兩種技術(shù)體制的覆蓋范圍、頻譜效率、接入能力等方面進(jìn)行了對比性研究，并簡述了兩種體制向第三代演進(jìn)的不同技術(shù)路線。


　　關(guān)鍵詞：GSM　CDM　覆蓋范圍　頻譜效率


　　1　概述


　　GSM與基于IS-95體制的N-CDMA作為目前全球商用化范圍最廣的第二代移動通信系統(tǒng)，分別被中國移動、中國聯(lián)通選型為當(dāng)前主要的建網(wǎng)體制。對這兩種通信系統(tǒng)覆蓋范圍、頻譜效率、接入容量等方面進(jìn)行對比性研究，將有利于兩個運營商充分認(rèn)識自身技術(shù)上的優(yōu)劣勢，進(jìn)而為今后技術(shù)發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供理論參考。
　　對一種移動通信網(wǎng)絡(luò)體制而言網(wǎng)絡(luò)的信號覆蓋與接入能力是需重點分析的兩個主要因素。一個好的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)既要求信號的良好覆蓋又要求高頻譜效率及高話務(wù)接入，具體規(guī)劃時由于地理上話務(wù)分布的極不均衡，往往考慮的側(cè)重點不同。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程可簡述為消除兩個“點”，即鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要考慮大范圍覆蓋，解決“盲點”，而城區(qū)主要考慮高話務(wù)吸收，解決“忙點”，當(dāng)然還有部分大樓、地道等區(qū)域的“盲點”，而且，目前各種新技術(shù)演進(jìn)大部分圍繞此兩個方面進(jìn)行。所以GSM與N-CDMA覆蓋能力的對比主要體現(xiàn)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)覆蓋范圍的對比，及城區(qū)高話務(wù)區(qū)頻譜率，接入能力的對比。


　　2　GSM與N-CDMA覆蓋范圍的對比


　　要對GSM與N-CDMA覆蓋范圍分析，首先要計算各自無線鏈路上容許的衰耗（dB）。由于GSM與N-CDMA的工作頻段接近，無線傳輸上的特性相近，計算各自無線鏈路上容許的衰耗（dB）后即可折算出覆蓋范圍的差別。


　　無線鏈路容許的衰耗為發(fā)射端EIRP與接收端Pmin之差。GSM與N-CDMA無線鏈路預(yù)算的差別主要在如下方面。


　　1）接收靈敏度差別


　　2）發(fā)射功率


　　顯然，無線鏈路預(yù)算上的寬余及自干擾系統(tǒng)特性，使得N-CDMA相對于GSM無論手機(jī)還是基站均為低功率發(fā)射。兩系統(tǒng)間的手機(jī)（或基站）發(fā)射功率相差可達(dá)10倍。


　　3）RAKE增益


　　GSM與N-CDMA相比由于采用了寬帶系統(tǒng)，因而獲得了頻率收集增益，表現(xiàn)之一即多徑RAKE增益。


　　4）N-CDMA的軟容量


　　N-CDMA軟容量特性是相對GSM、TACS等系統(tǒng)硬容量特性而言的，它表現(xiàn)在容量與覆蓋范圍、服務(wù)質(zhì)量、相鄰小區(qū)負(fù)荷間有靈活的彈性關(guān)系。要計算N-CDMA覆蓋范圍需假定小區(qū)負(fù)荷一定數(shù)值，無線鏈路預(yù)算即小區(qū)負(fù)荷取值為0時最理想值。


　　根據(jù)上述理論分析，N-CDMA在采用與GSM相同的天線、饋線等情況下無線鏈路的差別達(dá)10-11dB。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)平滑地HATA衰減模型（基站天線高50m、手機(jī)天線高1.5m計算），GSM無線覆蓋半徑為5.5km，N-CDMA無線覆蓋半徑達(dá)10.5km。理想情況下，N-CDMA無線覆蓋范圍是GSM覆蓋的1.9倍，覆蓋面積是GSM覆蓋范圍的3.6倍。


　　GSM與N-CDMA話音頻譜效率及接入能力對比


　　蜂窩系統(tǒng)的頻譜效率定義為單位面積單位頻譜效率定義單位面積單位頻帶所能容納的話務(wù)量或用戶數(shù)，單位分別為Erl/km2.MHZ或戶/km2.MHz。它是衡量通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)接入能力的重要指標(biāo)。GSM蜂窩系統(tǒng)的頻譜效率可表示為調(diào)制效率ηm及多址效率ηMA的乘積即η＝ηm×ηMA。


　　ηm=(B/Bc)H/BNA=H/BcNa


　　式中：B----系統(tǒng)可用的總帶寬（MHZ）


　　Bc----話音信道帶寬或信道間隔（MHz）


　　H----每信道的話務(wù)量（Erl）；


　　N----簇蜂窩內(nèi)的小區(qū)個數(shù)；


　　A----小區(qū)的面積（km2）;


　　ηMA接入效率主要取決于業(yè)務(wù)信道及公共控制信道的比例，GSM可達(dá)到0.9。


　　常規(guī)4×3頻率復(fù)用方式：


　　H統(tǒng)計話務(wù)量為0.7Erl/TCH,Bc為業(yè)務(wù)信道帶寬0.025MHz，常規(guī)4×3小區(qū)復(fù)用下N取值為12,A在正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)小區(qū)面積為2.6R2/3km2，目前，城區(qū)基站間間距一般可達(dá)500m，可計算小區(qū)半徑R=500/1.73=289m。
　　根據(jù)上述取值，可計算GSM蜂窩系統(tǒng)的話音頻譜效率η＝0.7×0.9/(0.025×12×2.6×0.5×0.5/3/3)=29.1Erl/km2.MHz，以平均每用戶忙時話務(wù)量取0.02Erl，則單位面積單位頻帶所能容納的用戶數(shù)為1454戶/km2.Mhz。


　　采用MRP、1×3、IUO等復(fù)用方式：


　　MRP緊密頻率復(fù)用的頻率復(fù)用度可達(dá)7-8，1×3頻率復(fù)用方式的復(fù)頻率復(fù)用度可達(dá)7，IUO智能同心圓技術(shù)的復(fù)頻率復(fù)用度可達(dá)8-10。


　　目前網(wǎng)上采用較多的是MRP緊密頻率復(fù)用后的頻譜效率，可取復(fù)用度為8，則η＝29.1×12/8=43.6Erl/km2.Mhz。以平均每用戶忙時話務(wù)量取0.02Erl，則單位面積單位頻帶所能容納的用戶數(shù)為2181戶/km2.Mhz。


　　N-CDMA蜂窩系統(tǒng)的話音頻譜效率η＝H/BcNA×ηMA，H統(tǒng)計話務(wù)量在20個信道時為13.5Erl/載復(fù)用，Bc為業(yè)務(wù)信道帶寬1.25MHz，N-CDMA采用1×3復(fù)用，N取值為1，A在正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)小區(qū)面積為可計算小區(qū)半徑R=500/1.73=289m。則η＝13.5×0.9/(1.25×1×2.6×0.5×0.5/3/3)=134.4Erl/km2.Mhz，以平均每用戶忙時話務(wù)量取0.02Erl，則單位面積單位頻帶所能容納用戶數(shù)為6720戶/km2.Mhz�？梢奛-CDMA頻譜效率是GSM常規(guī)4×3復(fù)用頻譜效率的4.6倍，即使相對于GSM采用頻率緊密復(fù)用技術(shù)，N-CDMA的頻譜效率也達(dá)3倍。


　　上述分析均是基于各自模型進(jìn)行的理論分析，實際應(yīng)用中GSM與N-CDMA網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力還與網(wǎng)絡(luò)的具體規(guī)劃設(shè)計及工程實施等方面有關(guān)，特別是對N-CDMA這種軟容量特性的網(wǎng)絡(luò)而言，良好的規(guī)劃對發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢尤其重要。


　　4　GSM與N-CDMA數(shù)據(jù)接入能力的對比


　　GSM網(wǎng)絡(luò)提供的電路交換類型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為高達(dá)9.6kbit/s時隙，N-CDMA網(wǎng)絡(luò)提供的電路交換類型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為高達(dá)9.6kbit/s碼道。為提高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，GSM標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)展了通用分組無線業(yè)務(wù)－－－－GPRS，它不僅能在無線信道上提供從9.05--171.2kbit/s的可變速率，更實現(xiàn)了無線信道上的數(shù)據(jù)分組傳送，在現(xiàn)有電路交換網(wǎng)絡(luò)中引入分組網(wǎng)。其空中接中提供了四種編碼方式：CS-1到CS-4，支持多時隙（最多8個時隙）合并傳輸方式。


　　目前，從投入運行的實網(wǎng)效果看，與理論相比表現(xiàn)了三個方面的差距：可采用編碼方式目前只能是CS-1、CS-2；每時隙實際速率達(dá)不到理論值；最多實現(xiàn)3-4個時隙的捆綁。


　　同樣，CDMA組織發(fā)展發(fā)cdma 1x技術(shù)，支持多碼道捆綁（最多10個碼道）傳輸方式，每碼道改造后可承載14.4kbit/s碼道的數(shù)據(jù)速率，也在現(xiàn)有電路交換網(wǎng)絡(luò)中引入分組網(wǎng)。目前，cdma 1x還沒投入運行，估計實際運行會與理論存在差距，從實現(xiàn)方式看效果可能會優(yōu)于GPRS。


　　5　GSM與N-CDMA向第三代演進(jìn)的技術(shù)路線


　　從目前技術(shù)發(fā)展來看，GSM與N-CDMA這兩種技術(shù)體制向第三代演進(jìn)的技術(shù)路線分別為：GSM網(wǎng)通過GPRS逐步向WCDMA演進(jìn)，IS-95 cdma通過cdma 1x逐步向cdma 2000演進(jìn)。演進(jìn)后第三代通信技術(shù)體制仍然有很大的區(qū)別如：擴(kuò)頻碼片速率、空中接口及信令不一致；核心網(wǎng)協(xié)議方面WCDMA采用GSM MAP協(xié)議作為上層核心網(wǎng)協(xié)議，而cdma 2000以ANSI-41為其核心網(wǎng)協(xié)議；基站同步方面cdma 2000沿襲了IS-95 CDMA各基站依靠GPS測量實現(xiàn)前向信道同步的要求而WCDMA沒有基站同步的要求。對用戶而言，仍需通過多模手機(jī)實現(xiàn)兩種技術(shù)體制間及第三代與第二代間的漫游。


　　6　結(jié)論


　　本文分析了GSM與N-CDMA在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的覆蓋范圍、城區(qū)話務(wù)頻譜效率及接入能力，通過對比使我們對第二代主要應(yīng)用的兩種技術(shù)的覆蓋能力及話務(wù)接入能力有了更深的了解。純粹的技術(shù)對比不能代表運營商最終的選擇，一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與認(rèn)可與許多非技術(shù)因素有關(guān)，GSM與N-CDMA體制對比仍將延續(xù)到2.5代及第三代。


節(jié)選自《電子工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化》2002.1