利用微蜂窝技术快速提高系统容量

王哲　中国联通广东分公司
　　摘要：移动通信的快速发展，移动用户的高速增长及单用户话务量的提高，给运营商带来增容的问题。而微蜂窝技术则是通过提高频谱利用率，在现有网络上增大容量的有效方法。本文介绍了利用微蜂窝技术快速提高系统容量的技术。

　　目前，移动电话的普及率高速增长，对此，移动运营商及设备供应商都想方设法提高系统的容量，以满足日益增长的移动电话市场的需求，其主要方法以下两类：

　　（1）开发新的频段、新的制式，如DCS1800、CDMA等。

　　（2）在现有网络的基础上应用新技术，如跳频、多层覆盖等。

　　而微蜂窝技术是形成多层覆盖的主要技术。由于微蜂窝具有工程建设周期短、使用方式灵活等特点，是快速提高系统容量的有效方法。下面以GSM900微蜂窝为例，介绍微蜂窝的建设及应用。

　　1 现时网络的概况

　　现时的GSM网络在城市区域，基站的密度已经很高，站距约在500米左右，在频率资源有限的情况下，通过小区的扩容或再分裂来提高网络的容量已经不可能，不能满足同频C/I>9dB的工程要求，只能通过新方式增容。
　　2　微蜂窝技术的含义及应用目的

　　微蜂窝技术是指通过降低基站发射功率，天线的挂高，并使用增益天线，以达到在小范围提供高密度话务量。

　　应用微蜂窝技术的主要目的是在小范围内提供大话务量，在用户密度大的地区提供足够的信道数，解决容量的问题；由宏蜂窝解决覆盖及快速移动用户的问题，形成重叠覆盖的两层。另一个目的也用于盲区覆盖（如室内），或加上放大器在边远地区解决覆盖。

　　3　微蜂窝的建设

　　3.1微蜂窝的选点

　　微蜂窝的选点工作在微蜂窝建设中占重要的位置，选点的正确与否，直接影响微蜂窝日后的运行及效益。一般选点前要先定出设点目的，确定是解决容量问题还是解决覆盖问题，然后要考虑所设微蜂窝是否连成层，一般可按照以下流程进行：

　　（1）解决容量问题。

　　注：实地勘察主要是在阻塞小区覆盖范围内寻找可能的热点，可以通过分析工具定出时间提前量值的集中范围来估计热点大概位置，一般热点会是商场、酒楼、娱乐场所等。确认热点后，还要考虑是否有适合的位置安装天线来实现热点覆盖。热点探测方法见“热点探测”节。

　　（2）解决盲区覆盖问题。

　　解决覆盖问题主要是根据工程人员对网络的了解，列出覆盖不理想区域，亦可以根据统计客户投拆来选取。

　　（3）热点探测

　　热点探测技术是利用在现有的蜂窝网络中设置测试设备，通过统计来分析测试点是否属热点。首先，准备一台GSM基站模拟发射机，它发射的信号包含基本的小区信息如频点等，能够作为现有小区的邻小区。然后把模拟发射机设置在候选点上，发射天线方向对覆盖目标区域，并在基站系统的数据库中输入模拟发射机的相关信息，把它列入覆盖目标区域原有小区的邻区列表中。当有用户在目标区域中通话时，手机会监听邻小区（模拟发射机）的信息（如场强比较）并报告给现服务小区，模拟发射机所模拟的基站也会被作为邻小区上报，在现服务小区中利用软件统计报告模拟发射机的次数及手机收到服务小区和模拟发射机的场强比较，在报告总数中得到模拟发射机的场强大于或等于服务小区的百分比，当模拟发射机的场强大于或等于现服务小区时，可认为日后微蜂窝成为主用小区，通过服务小区的话务量来估计日后微蜂窝的话务量，确定微蜂窝的选点是否正确。
　　通常如果模块场强≥服务场强的百分比在70％以上，并且考虑在探测时间内（一般20分钟）的报告次数，就可以确定这是否是一个热点。

　　3.2覆盖预测及模拟

　　确定微蜂窝站点后，就要根据覆盖目标，设计微蜂窝天线的挂高、方向、增益，并根据上下行平衡设计EIRP（等效辐射功率），预测微蜂窝的有效覆盖范围，确保目标在微蜂窝的有效覆盖区内，并有稳定良好的下行信号强度，使在目标区内的用户尽量保持在微蜂窝的覆盖区内。

　　对于覆盖的预测，可以采用奥村模型。奥村模型是研究无线电波在空间传播的模型，它对于不同的传播环境有不同的A值。对于微蜂窝，如果设置在繁华复杂街区，可以选用市区的A值。

　　得到预测数据后，最有效的证实方法就是做模拟测试。即在微蜂窝站点设置模拟发射机，选用具有与设计值一样的参数的天线，挂高、方向、倾角与设计一致，采用预测的EIRP，然后用场强接收机在目标区域测试模拟发射的下行信号的场强分布情况。直观了解日后微蜂窝运行后的覆盖效果，及在目标区域内微蜂窝信号场强与现有网络的信号场强的比较，为设计微蜂窝与其余小区的切换提供参考数值。

　　3.3切换的控制

　　微蜂窝投入使用时，要考虑切换的控制。一方面，要发挥微蜂窝的最大作用，吸收大部分的话务量，以降低宏蜂窝的拥塞；另一方面，也要考虑它与相邻的宏蜂窝小区或微蜂窝的邻小区关系，正确地设置切换参数，使移动用户在通话时，能保证正常的切换。

　　（1）切换边界的划定

　　切换边界的选择，不要选择在话务量高的地方，同时要在微蜂窝的有效范围以内，以保证切入、切出的正常进行。因为微蜂窝的发射功率小，天线的挂高低，其有效覆盖范围较小。为吸收更多话务量而盲目扩大微蜂窝的覆盖范围，会造成边缘地区微蜂窝接收手机的上行信号较弱，不能保证手机的切换及通话质量，引起掉话。切换边界划定最可行的办法是通过实际测试，在保证微蜂窝服务质量的前提下划定切换边界。

　　（2）邻小区的选择

　　微蜂窝的邻小区的选择，可以基于以下两个原则：

　　（a）所有与微蜂窝相邻的小区（包括宏蜂窝、其它微蜂窝），以及与微蜂窝在地理位置不相邻，但是可能覆盖到微蜂窝控制范围的宏蜂窝小区都应列入切入微蜂窝的邻小区表中，以免造成孤岛效应。

　　（b）设置切出微蜂窝的邻小区，一般可以选择在微蜂窝控制范围有良好覆盖的2-3个宏蜂窝小区，作为用户从微蜂窝切出的通路。

　　（3）切换参数的设置

　　以MOTOROLA的切换算法为例，MOTOROLA提供六种微蜂窝的切换算法，各有不同的用处。例如GSM900微蜂窝网络中，微蜂窝切入宏蜂窝选择算法三，宏蜂窝切入微蜂窝选择算法五。

　　可以根据微蜂窝覆盖区域（室内、室外道路等）分别制定不同的参数模板，供初开通时使用。以覆盖室外道路的微蜂窝为例，切换参数具体设置举例如下：

　　Power Budget Type（功率预算类型）3（微蜂窝--宏蜂窝）：

　　handover margin（切换门限）：4微蜂窝比宏蜂窝小4dB时才切出

　　ul_relev_1（上行场强）：30　在微蜂窝上行强度小于-80dBm时触发切出

　　dl_relev_serv_1（下行场强）：30　在微蜂窝下行强度小于-82dBm时触发切出

　　此设置主要目的是在微蜂窝的下行强度小于-80dBm（30-110＝-80）时，即微蜂窝信号强度变弱时，解发切换，使正在通话的用户切换到信号更强的小区，以保证用户的通话质量。

　　Power Budget Type 5（宏蜂窝--微蜂窝）：

　　hadover margin：-5　微蜂窝下行强度比宏蜂窝小5dB触发切入

　　Quality_delay（时延）：4　延时4X0.5＝2秒

　　Rxlev_ncell_1（邻区下行场强）：34　微蜂窝下行场强大于-76dBm时触发切入

　　此设置主要目的是即使手机接收微蜂窝场强比宏蜂窝小（-5），亦触发切换，使微蜂窝吸收更多的话务量，缓解宏蜂窝的拥塞，设置延时目的是阻止快速移动用户在通过微蜂窝覆盖区时，切入微蜂窝后快速离开，可能会发生微蜂窝不够时间发出切换出去的指令，用户已经离开微蜂窝的有效覆盖区，导致掉话的发生；设置在微蜂窝下行强度大于-76dBm时才允许切入，是为了确保微蜂窝有良好的信号质量。

　　微蜂窝开通后应该观察一段时间，并可灵活通过修改切换算法或参数，调整其发射功率、覆盖范围和切换边界，以达到最优效果。

　　3.4微蜂窝层

　　使用微蜂窝的主要目的是吸收话务量，但是微蜂窝的覆盖范围小，如果存在成片的话务热点，一个微蜂窝往往不能全部覆盖，这时，就需要多个微蜂窝组合，形成微蜂窝层。

　　几个微蜂窝层一定要在话务量热点形成连续的覆盖，否则，微蜂窝形成几个不连续的小区，当移动用户在这几个不连续的小区和包含它们的宏蜂窝小区通话时，就会在微蜂窝之间、微蜂窝与宏蜂窝之间频繁切换，增加系统的信令负担，话务量也不能留在微蜂窝层，不利于吸收热点的话务量。所以，要调整微蜂窝的发射功率及天线参数，使微蜂窝在话务量热点地区形成连续覆盖的微蜂窝层。

　　微蜂窝层的频率设置，如果频率资源充足，可以单独列出一组频率给微蜂窝专用，与宏蜂窝使用的频率错开，在微蜂窝层中相隔使用；但是如果频率资源不足，而且热点区域的话务量很高，需要多个频点（信道）解决，可以利用微蜂窝的覆盖范围小易于控制的特点，采用偷频的方式。偷频可以在频率规划小区图上，“偷”取与微蜂窝覆盖方向相反的宏蜂窝频率来实现，但要通过日后的统计结果跟踪，观察所“偷”用的频率是否可行。另一种方法是到现场进行扫频测试，确认哪些频率可以使用。偷频有一个缺点，就是在全网或部分区域做频率重新规划时，又要重新进行偷频工作，因为原有的微蜂窝频率可能已经不适用。相对而言，使用独立的一组微蜂窝频率对于频率规划比较方便。

　　3.5传输组网

　　微蜂窝的传输组网方式多种多样，可以根据不同的情况选择不同的方式实现快速组网，以体现微蜂窝的灵活性。由于微蜂窝发射功率要求不大，设备生产商有专门的小型设备，其传输方式可以支持E1/T1、HDSL等，并支持链状连接功能。实际应用中，小型微蜂窝设备一般和天线放置在建筑物约10-15米的高度，而微波天线一般安装在楼顶，使用微波传输不是太方便。采用以双绞线为传输媒质的HDSL方式与微蜂窝附近的基站连接组网较为简单快捷；如果有条件使用微波设备，采用一点对多点的微波设备较为经济快捷。在实际应用中通常采用混合方式。

　　为了安全起见，成层的微蜂窝最好在传输上连成自愈环，以防止传输设备出现故障时造成整个微蜂窝层中断。

　　3.6微蜂窝的优化

　　微蜂窝的主要目的是吸收话务量，解决宏蜂窝的拥塞，在微蜂窝投入使用后，如发现微蜂窝吸收不到话务量或虽然话务量较高，但掉话及切换频繁，这时就需要对微蜂窝进行优化。

　　（1）发射功率控制

　　微蜂窝的发射功率一般不高，以一般设备来说，接口输出为30dBm，如使用7dbi的定向天线，线损3dB，那么在离天线前方500米接收场强接近-85dBm。因此，要适当控制微蜂窝的发射功率，使微蜂窝覆盖其控制的热点区。在微蜂窝层中，调整功率可调整各微蜂窝吸收的话务量均衡，但在偷频的情况下，功率不能设得太大，否则会造成对其余邻小区的干扰。

　　（2）切换边界及参数调整

　　微蜂窝小区切换边界的划定，除与微蜂窝的发射功率有关外，还与切换门限的设定有关，为了使话务量尽可能留在微蜂窝中，与宏蜂窝的切换门限可以设成负数，即在宏蜂窝下行强度大于微蜂窝的下行场强时亦允许切换。但是根据实际情况设置，否则会造成切换失败。

　　另外，由于微蜂窝的覆盖范围小，对于快速移动的用户，如果通话时在微蜂窝中快速移动，会造成在微蜂窝间或微蜂窝与宏蜂窝间频繁切换，此时，要使用切换算法中的时间判断参数，把快速移动用户留在宏蜂窝层中，减少切换的次数，而将相对固定的用户留在微蜂窝层中。对于室内微蜂窝，更要注意其覆盖范围不要延伸到室外太大的面积，因为会造成频繁切换及干扰，但是要注意在入口的设置，以保证用户在通话时，从室外进入室内或从室内到室外的切换成功。

　　4　微蜂窝的应用

　　因为微蜂窝可以在小范围内提供大话务容量，它发射功率低，设备的体积较小，可以灵活使用。因此，微蜂窝可在以下几方面获得应用。

　　1）快速组成微蜂窝层，提高系统容量

　　可以在热点区域形成微蜂窝层，与宏蜂窝构成上下两层，将低速、固定的用户留在微蜂窝层中，将高速移动用户留在宏蜂窝层中。逐步在全网形成连续覆盖的微蜂窝层，解决容量的问题；宏蜂窝主要负责解决覆盖及快速移动用户的问题。

　　2）作为室内覆盖的信号源，消除室内盲区

　　在许多大型的建筑物中，由于有一定的话务量潜力及盲区的存在，可以使用微蜂窝加室内分布系统的方法解决，此种情况适用于一些商业大厦，对于话务量低的室内区域，可以先用直放站作为信号源，待有一定话务量时再用微蜂窝代替。

　　3）在边元区域提供覆盖

　　在边远地区，由于话务量低，设置宏蜂窝基站的成本高，可以采用微蜂窝设备（2载波）加上功率放大器进行低成本覆盖。

　　4）应急通讯

　　可以利用小型的微蜂窝设备安装在车上，配上简易的传输和动力设备，组成应急通讯车，对突发性大话务量地区或突发性故障地区进行覆盖及提供容量，充分利用微蜂窝设备的灵活性。

　　5　结束语

　　微蜂窝技术是一种提高蜂窝网络系统容量的快速有效方法，它作为一个现有蜂窝网络的延伸，在无线通信组网中扮演着重要的角色。灵活运行微蜂窝技术，建设一个高质的微蜂窝网络，无论是在提高系统利用率，还是在改善网络深度覆盖情况，都能取得很好的效果。

摘自《移动通信》2001.10