农村地区GSM基站宽带化改造浅析

    蔡世辉

    

    

    

    摘要：文章从GSM-HI技术原理入手，分析农村区域GSM基站进行宽带化改造的要求和演进升级工作，探讨GSM基站升级改造的难度和适用场景，并给出在速率提升、网络覆盖、现网影响等方面的测试对比情况。然后，分析了WLAN、TD-LTE（F频段）和GSM-HI等三种农村地区常用无线宽带接入方式的对比，最后，总结了GSM-HI技术方案的优势。

    关键词：农村；MCPA；GSM演进；多模基站；GSM-HI；TD-LTE；WLAN

    1 引言

    在移动通信蓬勃发展的今天，运营商比以往任何时期都更关注TCO的降低，以及如何经济、快速地进行移动网络的部署和扩容，以应对用户数的快速增长。

    目前，各运营商基本都同时运营2G、3G、4G网络，基于网络建设成本、运维成本与业务收益之间的平衡思路，运营商一般会考虑综合应用多种网络为各类用户提供合适的移动宽带业务体验。以中国移动为例，在城区可通过HSPA、TDLTE等先进的无线网络技术为用户提供无线宽带服务，而在乡镇、广大农村等非发达区域目前主要还是以已经实现普遍覆盖但速率较低的GSM网络作为数据业务的承载网络。

    随着移动数据业务的迅猛发展，HSPA、HSPA+、DORA、DORB、WiMAX、LTE一个接一个进入我们的视野，背后的原因是用户对于移动宽带的需求日盛，移动宽带也将和语音一样属于普遍服务的范畴，如何让乡镇、广大农村等非发达区域的用户也能享受到物美价廉的移动宽带业务体验是目前亟待解决的问题。

    用户的需求是GSM发展方向上考虑的关键要素，成本与收益之间的平衡则是GSM运营商做出最终战略抉择的铁律。

    对于GSM宽带化需求而言，将多载波和宽带功放技术（MCPA）引入GSM基站关键部件——射频模块的设计，无疑是提升系统带宽（吞吐量）以及网络平滑演进的理想解决方案，可实现单位机柜（机房）空间的更大系统容量和吞吐量，射频模块可实现硬件重用，通过软件升级方式（SDR）演进到EDGE+/HSPA/LTE，最终平滑升级为支持2G/3G/4G的多模基站。

    多模基站让运营商在同步建设GSM和133G网络时兼顾今天和未来的需求，实现2G/3G/4G演进过程中硬件的最大化重用，减少站址资源、网络部署成本及后期运维成本。

    本文将重点探讨在农村地区如何通过GSM-HI技术实现GSM基站宽带化改造，让运营商在农村地区快速提供移动宽带服务的同时保证可接受的投入产出。

    2 GSM基站宽带化技术原理

    GSM-HI技术本质上是GSM和FDD LTE混模技术。目前，全球移动通信市场双模或多模技术发展迅速，把多载波和MCPA技术引入到GSM之后，为实现载波模块共享形式的多模基站奠定了基础，通过SDR，可在一套硬件设备上同时支持不同的技术体制，真正做到只需软件配置就可以实现从GSM演进到GSM/LTE双模。为使用GSM-HI技术，需现有GSM基站硬件设备支持多载波、MCPA、SDR等新技术，对于早期老IHGSM基站则需先进行硬件设备替换。

    GSM-Hl技术方案架构主要分为四个部分：核心网、传输网、无线网和终端，如图1所示，其中，无线网部分可利用现有的900M或1800M的5M或10M资源形成GSM-Hi带宽，单用户下行最大理论速率70Mbps，将能有效提升农村宽带业务能力。如图1所示。

    GSM-HI的特点如下：

    （1）GSM-HI空中接口与LTE相一致，遵循3GPP TS36标准，采用了OFDM（Orthogonal Frequency Divisioniultiplexing，正交频分复用）、MIMO、64QAM、AMc（Adaptive Modulation and Coding，自适应调制编码）等技术，具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、频域和时域调度灵活等特点，空中接口峰值速率可以实现35Mbps（5MHz带宽）或者70Mbps（10MHz带宽），相比于EGPRS有了质的飞跃。

    （2）采用双极化调制方式，共用现有基站侧设备、天馈线系统及塔桅。现网通过扩容部分板卡及软件升级即可实现GSM-HI。

    3 宽带化改造技术方案

    GSM-HI是一种宽带化演进技术，通过对原有GSM网络进行升级实现远距离的宽带接入，演进升级主要包含以下几个部分。

    （1）核心网升级：对现有2G核心网进行升级，使其同时支持2G/36/4G，实现GSM-HI与TD-LTE共EPC。

    （2）BSC侧：开启同步功能和混模功能。

    （3）传输网升级：升级传输设备，增加PTN的GE接口用于LTE的回传。

    （4）无线网升级：对BBU侧进行升级，增加GSM-HI主控板及基带板；新增GPS天线；对RRU，若原有设备由于版本较低不支持升级，则可替换为高级版本后再进行宽带化技术升级；利用原有天馈线系统。

    （5）终端：数据卡，CPE，MiFi或手机。

    （6）频谱：从现有GSM频谱中划分出一部分用于承载LTE业务，LTE频段避免与其他运营商异系统相邻，可减少跨运营商协调难度。

    通过现网GSM基站的宽带化演进升级，可以实现GSM和FDD LTE的双模输出。

    对于基站侧来说，GSM-HI升级的主要工作是新增与LTE相关的板卡、线材等，具体如图2所示。

    总体上来说，从GSM到GSM-HI的工作量只相当于一次扩容，不同形态的基站有不同的特点，如表1所示。

    基于GSM共模升级的GSM-HI方案，基站工程实施快捷，可有效降低网络部署成本。不同频段的GSM基站升级改造可适用于不同的场景，如表2所示。

    以北方某地市的GSM-HI升级改造试验项目为例，GSM基站在进行宽带化升级改造后，无线网络情况如下：

    （1）改造后的速率提升情况：

    900M，5M单流极限下载速率达到18M，900M。5M双流极限下载速率达到32M；

    1800M，10M单流极限下载速率可以达到38M，1800M。10M双流极限下载速率可以达到75M；

    1800M，20M双流极限下载速率可以达到150M。

    （2）改造后的覆盖对比情况：

    测试方法：GSM锁定小区后拉远直到掉线的距离，LTE保证边缘速率为2M的最远距离；

    LTE掉线前的RSRP一般低于-120dbm，对应到GSM载波信号强度为-109dbm，此时已低于GSM接收灵敏度（-104dbm）；

    共模升级LTE后，FDD LTE覆盖距离略好于同频段GSM，即FDD LTE信号的覆盖范围优于同站同频GSM基站信号的覆盖范围。

    （3）对原有GSM网络的影响：

    对整体清频区进行重新频率规划后，2G网络质量整体保持稳定。

    FDD开启对2G网络质量基本无影响，进一步验证了共模升级方案可行性。

    （4）与同站址的TD-LET F频段基站的对比：

    现网共站测试表明，LTE 1800M覆盖性能优于TD-LTE F频段。

    现网共站测试标明，LTE 1800M室外覆盖室内能力好于TD-LTE F频段。

    通过一系列的测试表明，GSM-HI方案是一种能在不影响原有GSM网络的前提下快速部署4G网络的技术手段。

    4 农村宽带化技术方案对比

    农村无线宽带网络建设的主要手段主要有三种：WLAN、TD-LTE（F频段）、GSM-HI，重点分析各种技术在农村建设的可行性。具体如表3所示。

    通过上述对比分析可知，GSM-Hi方案在网络性能、建设成本、网络维护和承载用户等方面均优于WLAN方案和TDLTE（F频段）方案。实地测试数据也表明，速率可满足要求，且不影响原GSM网覆盖质量。GSM-Hi在农村区域进行宽带覆盖可行合理，可有效促进农村的信息化进程。

    5 结语

    尽物之性，这是中国移动对其已建设运营十多年的GSM网络的一个点睛之词。GSM-Hi方案通过利用农村地区空闲的900M或1800M频率资源，升级原有GSM设备，共享现有天馈系统，实现低成本快速部署4G无线网络，具有性能好、影响小、投资少、部署快等优势，在充分保护原有2G投资的前提下满足运营商在农村地区提供无线宽带服务的需求。