基于GSM－HI的农村无线宽带覆盖方案研究*

王 旭，王加义

0 引言

2012年《国务院出台关于大力推进信息化发展和切实保障信息安全的若干意见》(国发〔2012〕23号)中提到“推进进农业农村信息化，实现信息强农惠农”，在《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中首次明确提出实施宽带中国工程，提出到2015年宽带接入能力显著提高，95%的行政村具备宽带接入能力［1－2］。

农村信息化已经成为宽带中国战略，农村无线宽带覆盖作为信息化的基础，显得尤为重要。然而，目前GSM仍为农村数据业务唯一承载网络，农村地区无线数据业务主要依靠EDGE方式进行接入，但难以满足农村用户高速数据业务的需求［1］。新建LTE网络因使用频率较高，覆盖范围较小，而且光缆施工难度大，投资高，不适合农村覆盖。因此，如何实现村通宽带接入建设，解决农村区域上网难的问题显得尤为重要［3］。

目前GSM 900M频谱资源在农村的覆盖优势已经成为中国移动重要的战略资源［4］，基于GSM－HI的农村无线宽带覆盖方案，通过采用GSM－HI技术，利用900M空闲频率及现网设备资源，在不影响原有GSM业务的情况下实现农村无线宽带网络的快速部署，对于充分挖掘潜在市场，提升移动在农村场景的高速数据业务服务能力和竞争力，进一步提高中国移动的精品网络品牌形象具有极其重要的意义。

1 农村覆盖影响因素

为保证信号成功建立连接并保持，农村覆盖必须同时考虑上下行的大功率覆盖及其链路信号质量［5］，影响农村覆盖的具体因素有以下几个方面:

(1)天线挂高

对于农村覆盖而言，基站及其天线的高度是非常重要的，海拔高度高的基站可以尽可能的减少地球曲率对无线信号传输的影响，射频信号可以传输得更远。因此，农村覆盖的基站一般选择高山站，并且在此基础上增加铁塔，进一步提升天线挂高，以增强无线信号的覆盖距离。

(2)发射功率

基站发射功率的提高可以有效提升下行信号质量以及覆盖范围。影响基站实际发射功率包括几个方面:基站射频放大器的初始功率，馈线损耗，以及天线增益。可以通过以下方面加强基站实际发射功率:

1)采用分布式拉远基站，减少馈线损耗;

2)采用高功率RRU;

3)采用MIMO的发射技术;

4)采用高增益天线。

(3)基站接受灵敏度

基站接受灵敏度同样是影响农村覆盖的重要因素，良好的接收灵敏度可以使基站能够远距离、高质量地接收手机终端的上行信号，在基站侧使用塔放TMA改善接收到的上行信号质量，从而可以有效提升基站灵敏度。

2 GSM-HI原理及特点

GSM－HI在原有GSM网络基础上进行宽带化演进升级，并采用 CPE终端将 LTE信号转换成WiFi信号，实现农村宽带接入。GSM－HI组网架构如下所示，主要对四个部分进行宽带化演进升级［6］。

图1 GSM－HI组网架构Fig．1 Networking architecture of GSM －HI

1)核心网升级:升级现有2G核心网(升级BSC软件)，支持2/3/4G核心网架构，使GSM－HI支持与现网TD－LTE网络共用EPC;

2)传输网升级:对原有传输设备进行升级，以满足PTN承载条件;PTN回传接口类型是GE光口，传输带宽需求视空口使用的带宽而定;一般10 MHz带宽的单站需要100 Mb/s的传输带宽;5 MHz带宽的单站需要50 Mb/s传输带宽。

3)无线网升级:BBU侧新增GSM－HI主控板及基带板，RRU重用或新增;

4)CPE终端:在用户侧安装CPE，实现WIFI信号接入。

GSM－HI具有以下特点:

1)GSM－HI空口采用宽带OFDM调制方式，相比于EGPRS的窄带多时隙+8PSK调制技术，在空口极限速率上有了质的飞跃(470 kbps提升至35 Mbps)。

2)采用广义多载波传输算法，利用7载波捆绑提供1．4 M频率带宽或25载波捆绑提供5 M频率带宽，提升频率利用率，减少保护带宽至0 M，可以实现和GSM900M传统业务共用频率。

3)完全共用基站侧设备，采用双极化调制方式，可完全利用现有基站的天线、馈线系统，无需硬件改造或铁塔改造。核心网架构完全不变，现网通过扩容部分板卡就能实现。由于接入速率大幅提高，对现有BSC和SGSN的大数据处理能力要求提高很多，需增加新的处理板卡。

3 GSM-HI农村覆盖方案

3． 1 频谱Refarming

Refarming是指运营商对自己的频率资源进行重复利用，通过引入新的无线通信技术提升频谱效率和数据吞吐量。在进行GSM宽带化演进之前，需要对现网基站进行频谱Refarming，空出5 M频谱带宽用于GSM－HI农村宽带化演进技术。本方案采用GSM900上行904 MHz～909 MHz，下行949 MHz～954 MHz作为GSM－HI的频谱带宽。后期根据业务发展需求，可增加899～904的5 M，形成10 M的GSM－HI带宽，以提升无线宽带业务能力。无论使用5 MHz还是10 MHz进行演进技术的翻频，建议使用的频谱尽量不要占用GSM现网的BCCH频率。频谱Refarming示意图如图2所示:

图2 频谱Refarming示意Fig．2 Schematic of spectrum refarming

3． 2 建设方案

对现网GSM基站进行宽带化演进升级，使其支持混模输出，具体升级方案如下:

基站选用分布式RRU，如果原有GSM无线主设备不支持升级，需要更换为同厂家支持升级为宽

图3 主设备升级示意Fig．3 Schematic of main equipment upgrade

带化技术的设备后再升级。如果原有GSM无线主设备支持升级为宽带化技术，则新增GSM－HI主控板及基带板，新增一对CPRI光纤，视GSM配置情况，如有需求可增加射频单元以支持MIMO。

利旧现网GSM天馈系统，选用高塔，增加基站天线挂高，适当调整天线俯仰角，以扩大天线的覆盖范围。

对于现网已有PTN光传输设备的站点，保证有剩余GE光接口资源，对于不满足需求的站点，进行GE光板或光模块扩容;对于现网为SDH的站点，将其改造为PTN传输;对于现网为微波传输站点，实施微波改光传输建设。传输带宽需求视空口使用的带宽而定，一般10 MHz带宽的单站需要100 Mb/s的传输带宽，5 MHz带宽的单站需要50 Mb/s传输带宽。

对核心网进行升级，实现GSM－HI与现网TD－LTE网络共用EPC。对核心网各网元的容量、硬件平台及软件平台的配置要求如表1所示:

4 测试分析

本次测试采用的测试终端及路测软件如下:

日本监管体系的独特性十分明显，相关的监管机构需要对一些进口食品的安全性进行监管，而其他的安全监管工作需要地方性的监管机构负责，这和日本食品的产业结构存在很大联系。日本农产品的自给率非常低，食品监管成为重点，所以中国在进行食品监管时，可以将日本的工作经验作为参考。对中日两国的企业进行比对分析发现，日本企业更重视自身职责，很多企业在生产与加工中都能达到严格规范，特别是在原料加工和出厂方面，整个过程都更严格。

测试终端:CPE、E392、Ascend P1;

路 测 软 件:华 为 GENEX Probe、HiStudio、GENEX Assistant;

E392为华为数据卡，Ascend P1为华为智能手机，配合Probe使用;CPE为华为GSM升级终端，配合HiStudio/Probe使用;GENEX Assistant为数据后处理软件，用于对Probe保存的LOG进行数据分析。

通过路测，对某地区GSM－HI农村覆盖站点的性能进行测试，其中小区带宽为5 M，开通MIMO。

表1 核心网配置表Table 1 Core network configuration table

(1)室外覆盖性能测试

室外覆盖吞吐量总体良好，加扰70%的情况下，仍能达到9．15 Mb/s的下行速率。另外，空扰时上下行峰值速率分别达到10．68 Mb/s、36．67 Mb/s。具体如下表所示:

表2 室外覆盖测试情况表Table 2 Outdoor－coverage test table

(2)室外覆盖室内性能测试

表3 室外覆盖室内测试情况表Table 3 Outdoor－coverage indoor test table

(3)多用户吞吐率测试

单扇区10个并发用户同点(分好点、中点、差点)分布，分别在空扰、下行50%加扰、下行70%加扰情况下，对小区下行吞吐率性能进行测试。在好点，可以提供18～20 Mb/s的下行速率，在差点，可以提供1．6～2．4 Mb/s的下行速率。具体如表4所示:

表4 多用户下行吞吐率测试表Table 4 Multi－user downlink throughput test table

(4)覆盖距离测试

在边缘用户速率定为2 Mb/s(空载)的情况下，GSM－HI农村基站可实现6 km的室外覆盖和3 km的室内覆盖，与GSM900的覆盖距离相当。

通过以上测试可以看出，宽带化演进技术具有较强的覆盖能力，即使在小区覆盖边缘，宽带化技术仍能提供很好的边缘速率，非常适合农村场景的覆盖。

5 结语

GSM－HI技术通过对原有GSM900网络的核心网、传输网及无线网进行升级，实现了900频段上的高速率数据传输。

GSM－HI建设方式是对农村无线宽带覆盖的一种应用上的创新，可以充分利用GSM网络资源及覆盖优势，实现快速低成本的农村信息化建设，为农村用户提供良好的宽带服务，是一种值得推广的农村无线宽带覆盖方式。

后期可以在如何实现超远距离的高速率覆盖做进一步深入研究，以实现对覆盖距离要求较高的场景(如海面)的无线宽带覆盖。

［1］ 王锦龙．农村宽带规划方法的研究［J］．通信技术，2012(11):71－73．

WANGJin－long．Study on Rural Broadband Planning Method［J］．Communications Technology，2012(11):71 － 73．

［2］ 陈静．宽带中国列入二十大工程［EB/OL］．［2012．7．21］．http://news．xinhuanet．com/fortune/2012 － 07/21/c_123449140．htm．

CHEN Jing．Broadband China Included Twenty Large Projects．［EB/OL］．［2012．7．21］．http://news．xinhuanet．com/fortune/2012 －07/21/c_123449140．htm．

［3］ 李栋 闫洪来．中国移动农村无线宽带建设方案［J］．电子世界，2012(04):154－155．

LI Dong．Building Programs Rural Wireless Broadband of China Mobile［J］．Electronics World，2012(4):154 － 155．

［4］ 王孝周唐浬．农村宽带接入模式及业务探讨［J］．通信与信息技术，2013(05):41－43．

WANG Xiao － zhou，Tang Li．Rural broadband access mode and Business Discussion［J］．Communication ＆ Information Technology，2013(5):41 －43．

［5］ 彭涛．农村宽带接入方式研究［J］．邮电设计技术，2013(02):66－70．

PENG Tao．Research On Rural Broadband Access Mode［J］．Designing Techniques of Posts and Telecommunications，2013(2):66 －70．

［6］ 杨成伟杨春德许光斌．基于GSM－HI技术的农村用户上网速率提升研究［J］．中国新通信，2014(05):96－98．

YANG Cheng－wei，Yang Chun－de，Xu Guang－bin．Enhance the Internet Rate of Users in Rural Areas based on GSM － HI Technology［J］．China New Telecommunications，2014(5):96 －98．