最新版GSM飞地系统可行性研究报告.docx

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最新版GSM飞地系统可行性研究报告

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GSM飞地系统可行性研究报告

       前言

       本研究报告对飞地系统的技术和原理进行分析，计算了飞地系统的绕射、传输及覆盖能力。

在此基础上，分析了飞地系统应用的典型场景，并针对频率资源、投资成本和目前产业化情况进行了分析。

结合河南移动的成功案例，明确了飞地系统的工程要点，提出了应用中可能遇到的问题，最终给出了结论和建议。

       目录

1项目背景 

2飞地系统介绍 

2.1系统构成 

2.2系统原理 

2.3飞地系统与其他直放站系统的比较 

3飞地系统中继和覆盖能力分析 

3.1绕射能力分析 

3.2空间传输损耗分析 

3.3中继和覆盖能力 

4典型应用场景 

4.1复杂地形下的孤岛覆盖（村村通覆盖） 

4.2应急通信 

4.3远距离监控 

5频率资源需求分析 

5.1飞地系统所需频率资源 

5.2各省频率资源分析 

6投资成本分析 

7产业情况分析 

8河南飞地系统案例分析 

8.1自然和电磁环境 

8.2主设备和辅助设备的选取 

8.3设备安装 

8.4测试和结果分析 

9结论和建议 

       1、项目背景

       自信息产业部提出解决村村通工程以来，目前全国村通率达到89.2%，距“十五”规划中村通的目标还有近4万个行政村的任务。

中国移动作为重要的运营商，承担了很多村村通覆盖任务，其中相当比例是地形复杂、配套设施落后的农村地区。

随着社会信息化的加快，边远乡镇对移动通信的需求日益提高，是移动运营商的重要业务增长点。

这些地方地域广、地型复杂、话务量低，运营商建网初期面临高投入、低回报的压力。

一些乡村陆续开发风景旅游区，节假日话务量较高。

由于这些地区受地理、经济条件的制约，通信状况较差，如果采用原有的直放站方式或一般的移频方式进行农村地区的网络建设，存在着初期投资成本过高，造成投资收回时间较长，甚至无法收回的情况。

而偏远农村距离城镇较远，根本接收不到来自城镇的基站信号，若采用原频率900MHz和1800MHz的信号，则易受外界环境影响，无线传播路径损耗较大，并且在山区地型复杂，信号容易被阻挡。

因此需采用一种受外界环境影响较小，绕射能力强的系统进行传输和覆盖，实现对农村的大区域的无线通信服务。

       针对以上情况，已有厂家研发出GSM飞地系统，即利用200MHz频段进行远距离传输，在目标区域仍采用移频直放站进行覆盖，大大增加了可靠传输距离，减少了投资。

飞地系统已在河南移动的19个地市使用，规模为190套，较好地完成了对山区和偏远农村的覆盖。

本报告全面分析飞地系统的技术特点，探讨飞地系统在全国推广的可能性，给出了相关的技术建议。

       2、飞地系统介绍

       飞地系统是一种把GSM信号移频到低频频段中进行远距离传输的系统。

它在近端把GSM频段信号选频并移频至1M～4M带宽的200MHz频段，在远端把信号还原于原频段，进行线性放大后覆盖。

飞地系统可以有效解决城市频率资源较为紧张的覆盖区和多丘陵、多山、森林等地区的信号问题。

       2.1、系统构成

       如上图所示，飞地覆盖系统由近端机、中继天线、远端机、重发天线和操作维护中心五部分组成：

       1）近端机

       近端机工作的主要作用是对GSM上行和下行信号进行滤波、移频和放大，经过移频近端机后，信号将在200MHz频点上进行中继。

       2）中继天线

       面向近端机（远端机）的定向天线，接收和发射移频信号，一般采用下图所示的八木天线。

       3）远端机

       远端机工作的主要作用是对近端机放大的中继频率信号进行滤波、再移频到所需的频率（900MHz或1800MHz），同时进行放大，实现对覆盖区域的信号覆盖。

       4）重发天线

       面向覆盖盲区的定向天线，接收手机的上行信号，发射近端机的下行信号。

       5）操作维护中心

       对飞地系统进行远程监控，保证系统的稳定运行。

       应用中一般称飞地覆盖系统所在的小区的基站为施主基站，近端机既可安装在施主基站机房内，通过射频电缆直接耦合基站的信号，也可以根据环境的需要将近端机安装在基站覆盖区内的其他地方，如下图所示，远端机机安装在盲区。

飞地系统近端机和远端机之间的无线链路为施主链路，链路占用150MHz～250MHz的频段。

       2.2、系统原理

       飞地系统通过近端机将基站900MHz信号变成150MHz或250MHz微波中继信号传输给远端机，远端机再将该150MHz或250MHz微波信号变频成基站900MHz下行信号发射给移动台。

同时，远端机将移动台发出的900MHz上行信号变频成150MHz或250MHz微波中继信号，发射传输给近端机，近端机再将该150MHz或250MHz微波信号变频为移动台发出的900MHz上行频率，传输给基站，从而完成900MHz通过150MHz或250MHz信号来传输的任务，扩大了基站的覆盖范围。

以基站4载频配置为例，下图即为GSM飞地系统近端机和远端机的原理框图。

近端机原理框图

远端机原理框图   

       考虑到实际需求及设备复杂度，目前设备最多支持4载波。

对于4载波以上的需求不存在明显的技术难点，仅会增加设备的成本。

由于飞地系统设备由传统移频直放站发展而来，因此其监控模块可以从直放站设备移植过来，目前飞地系统监控能力与直放站相同。

       2.3、飞地系统与其他直放站系统的比较

       飞地系统是由移频直放站发展而来，因此和其他直放站系统有一定的相似之处，但由于特殊的选频和中继能力，使其具备了一般直放站系统没有的特性，下表对宽带直放站、移频直放站、光纤直放站和飞地系统进行了比较分析。

       可以看出，和其他直放站系统相比，飞地系统具有中继距离长、抗干扰能力强、地形适应性强施工难度小的特点，而且成本相对低廉。

因此对于地形复杂的环境，飞地系统相比较的优势使其成为解决GSM信号远距离传输和覆盖的重要方案。

 3、飞地系统中继和覆盖能力分析

       飞地系统使用150MHz至250MHz频段，和GSM900或GSM1800频段相比，飞地系统频段电波绕射能力更强，传播损耗更小，更适合特殊地形下GSM信号的远距离传输和覆盖。

       3.1、绕射能力分析

       电磁波频段越低，电波绕射能力越强，越容易绕过一定障碍物进行传输。

电磁波具有类似光波的特性，近距离传输时，由于功率余量大，即使中间有阻挡也能够通过反射波或天线旁瓣进行通信。

但远距离时，一定要求收发天线之间实现“视线无阻挡”，其实际含义是在收发天线之间连一条线，以这条线为轴心，以R为半径的一个类似于管道的区域内，没有障碍物的完全阻挡。

这个管道称为菲涅尔区，菲涅尔区是一个椭球体，收发天线位于椭球体的两个焦点上。

       菲涅尔半径的计算公式如下：

R=0.5（λD）0.5其中λ为波长，D为两天线的距离，λ＝3×108/f（米）。

从公式可知：

当频率f固定时，菲涅尔半径随着传输距离的增加而增大。

同时，当距离固定时，菲涅尔半径随着频率的减小而增大。

       从上表可以看出，150MHz～250MHz频段电波比900MHz电波可以绕过更大的障碍物，可以克服超过天线70米高的障碍物，因此在山区等障碍物较多的非视距传播环境下，飞地系统有较强的克服地形环境传输的能力。

       3.2、空间传输损耗分析

       信号在自由空间的传播损耗与信号的频率密切相关，信号频率越高，单位距离的衰耗越大。

信号在自由空间的衰耗损耗PL可由下式计算：

PL（dB）=32.45+20lgf+20lgd

       因此，假设传播相同的距离，900MHz信号将比150MHz信号多衰减：

20（lg900-lg150）=15.56dB

       比250MHz信号多衰减：

20（lg900-lg250）=11.85dB

       因此，900MHz在自由空间的损耗是150MHz信号的32倍，是250MHz信号的16倍。

在其他条件不变的情况下，150MHz/250MHz可以传输更远的距离。

       3.3、中继和覆盖能力

       飞地系统的传输能力取决于近端机和远端机之间的信号拉远能力，即复杂地形下150～250MHz信号的传输能力。

因此，飞地系统的拉远能力不仅与中继的发射功率有关（目前设备多支持2W、5W、10W和20W），还要取决于环境的复杂度。

在实际应用时，多应用中继功率为10W的设备，其拉远距离如下：

       复杂的山区环境：

拉远8～10KM；

       较为简单的环境：

拉远10～15KM。

       飞地系统的远端机一般采用20W进行覆盖，其覆盖能力与一般移频直放站的覆盖能力相当，此只要天线挂高合适，增益足够大，即可实现直径为3～5KM区域的覆盖。

       4、典型应用场景

       和其他GSM延伸覆盖系统相比，飞地系统主要有以下优势：

（1）系统绕射能力强，10KM拉远距离条件下可以绕射过高于收发天线50~70米的障碍物；

（2）抗干扰能力强，覆盖效果好；

（3）中继频率可以通过软件设置，占用频带小，频率设置灵活；

（4）工程设计简单，安装简便，成本低廉；

（5）一台近端可带多台远端，覆盖灵活；

（6）在低话务量的偏远地区，常使用太阳能供电，系统能够通过自身的检测控制装置，在发现覆盖区无手机接入网时，会自动使远端上行处于休眠状态，当有用户使用时会自动恢复工作，从而减除了不必要的能耗，大大降低了运营成本。

       因此飞地系统可以适应较为苛刻的自然环境，工程较为简单，成本较低，传输距离远，有一定的应用场景。

从目前的应用情况来看，复杂地形下的孤岛覆盖（村村通工程）、应急通信和远距离监控是飞地系统较为典型的应用场景。

       4.1、复杂地形下的孤岛覆盖（村村通覆盖）

       移动通信网络经过多年努力，网络已经覆盖了绝大大部分人员活动场所，但仍然存在很多远离城镇、被大山阻隔的山村、厂矿或临时作业区，这些点由于距离遥远、环境恶劣、投入巨大而一直处于通信的盲点，也是村村通工程需要解决的重点。

这些地区具有以下特点：

（1）地形复杂，传输环境恶劣；

（2）目标地区容量需求一般，覆盖需求为主；

（3）信号远距离传输路径上无明显覆盖要求，即具有典型孤岛特征。

       飞地覆盖系统可以较为容易地覆盖远离移动通信资源的孤岛，使得移动通信网络可以飞跃旷野、山体来覆盖这些孤岛，同时加快工程进度，节省投资。

       4.2、应急通信

       面对抗洪抢险等复杂状况，自然环境的阻隔往往无法快速有效地建立通信联络，从而影响救灾指挥决策的顺利进行。

在突发灾害等特殊状况下，应急通信面临以下问题：

（1）地形复杂，传输环境恶劣，电力等配套设施欠缺；

（2）目标地区容量需求一般，覆盖需求为主；

（3）要求快速建立通信保障，机动灵活改变通信覆盖区；

       由于飞地系统简单，工程实现容易，同时可以克服复杂地形的影响，因此适宜作为应急通信的重要手段。

08年初我国南方灾害性天气对移动通信提出了新的要求，由于飞地系统可以快速实现远距离通信，同时远端机可以依靠蓄电池工作2～3天，因此飞地系统也为未来GSM网络容灾方案提供了新的思路。

       4.3、远距离监控

       对于一些特定的行业性应用，如水文、环保、森林防火等，需要在特殊环境下实现远距离监控。

这些地区往往条件苛刻，人烟稀少，分布较为零散。

远程监控应用环境有以下特点：

（1）地形复杂，传输环境恶劣，电力等配套设施欠缺；

（2）有明显的1对多通信需求，即监控中心要同时和多个监控点进行通信；

（3）由于监控需要，通信具有间歇性频发特性，即并不需要持续性的通信，而仅是在每天特定的几个时间进行监控和数据上报。

       由于飞地系统可利用1台近端机和多台远端机实现1对多的通信，可使用蓄电池提供电力需求，在无终端接入时，可自动使设备休眠，减除了不必要的能耗，因此飞地系统是远距离监控的有效解决方案。

       5、频率资源需求分析

       5.1、飞地系统所需频率资源

       飞地系统将原有的占用离散频点的信号进行选频，利用2～3MHz带宽进行中继传输，在远端在将信号恢复到原有频点上，以下行为例，其过程如下图所示：

       考虑到村村通地区容量需求有限，目前飞地系统设备一般支持4载波GSM信号的传输和覆盖。

为保证上下行之间及飞地系统与其他系统间的隔离度，飞地系统中继信号频率利用可采用2种方式：

（1）占用150MHz～250MHz间1个连续13MHz频谱

       为保证上下行足够的隔离度，考虑到目前设备水平，上下行间需保证至少5MHz的保护频带，同时，与其他系统间要保证至少1MHz的保护间隔，此时频谱占用情况如下图所示：

（2）占用150MHz～250MHz间2个不连续的5MHz频谱

       考虑到可用频谱的离散性，上下行中继信号可分别占用一段频谱，此时频谱占用情况如下图所示：

       5.2、各省频率资源分析

       为分析飞地系统可用频率资源，对全国主要省份150～250MHz频率资源进行了调研，各省所在移动分公司和各地区的无委会进行了沟通，主要省份的调研情况如上表所示。

通过调研，全国150～250MHz频段资源使用情况如下：

（1）该频段资源使用存在着政府审批（各地无委会审批并备案）、行业性应用（政府虽未审批，但某些行业一直占用）和私自占用（如个人对讲机）等多种复杂情况；

（2）从政府已审批资源来看，广播、航空、对讲系统和环保监测等无线系统主要占用了该频段的资源；

（3）多数地区无委会明确表示该频段监管存在难度，对讲系统和个人无线电系统经常占用该频段资源；

（4）多数省份在该频段无飞地系统可用的连续频率资源；

（5）由于郊区和农村等特殊情况，考虑到飞地系统传输路径多为地形复杂、人口密度低的地区，因此频率资源仍可灵活处理。

 6、投资成本分析

       由于村村通覆盖地区用户少、单位用户消费水平低，社会责任大于企业效益，而且由于边缘地区道路崎岖、环境复杂，网建费用也要大大高于其他地区，因此需要采取特殊的建设思路，以保证工程建设的高性价比。

为最大程度地节省投资，需选取建站速度快、地形适应性强、易维护的系统。

       由于村落（盲点区域）距周边基站较远，周边基站信号无法覆盖此区域的情况下引入村村通工程。

如果考虑以一体化基站来覆盖个别的村落盲点,那么存在一体化的基站设备成本高，需要单独开通传输,这样整个投资成本达到上百万，由于目标覆盖村落的话务需求一般较低，因此传统的一体化基站方案必将造成资源的极大浪费。

       为满足山区等复杂环境的覆盖需求，传统的做法是采用大功率光纤拉远直放站进行覆盖。

如下图所示，在乡镇的中心地带具有机房条件的地方架设拉远型宏基站，满足中心地带本地的覆盖和容量需求；同时通过射频拉远接口，在周边地区架设大功率光纤拉远设备，通过光纤直连到宏基站的射频拉远接口，共享本地单元的基带处理能力，实现乡镇和农村区域覆盖。

       采用光纤拉远的覆盖方式必然要克服复杂的地形环境建设传输线路，不仅建设成本高，而且维护难度大。

光纤拉远系统的成本主要分光纤近端和远端机设备费用、传输建设费用、配套费用和天线费用等，由于村通工程要克服较为苛刻的自然环境，因此传输费用占整个费用的50％以上，一般为2.3万元/公里。

以10KM为拉远距离，光纤系统的成本如下：

       如果采用下图所示的飞地系统，则无需考虑复杂的传输施工和维护，投资以飞地近端机和远端机为主。

仍然以10KM为拉远距离，飞地系统的成本如下：

       因此，在10KM拉远场景下，飞地系统的投资成本是传统光纤拉远系统的一半左右，拉远距离越远，飞地系统成本优势越明显。

由于无需传输施工，飞地系统的工程周期将比传统工程大大缩短。

       7、产业情况分析

       飞地系统的近端机和远端机，它的工作原理和普通GSM、CDMA移频直放站类似，但由于增加选频模块，因此技术指标有所区别。

同时考虑到设备体积和重量要求，比传统移频直放站实现难度更大。

目前，尽管飞地传输系统应用在新疆、甘肃、内蒙古等沙漠、丘陵、戈壁、草原等地区，解决长距离、低洼、山体阻挡地势地貌的通信，同时河南移动也采购了190套飞地系统进行特殊地区覆盖。

但由于目前飞地系统实际需求量不大，因此生产飞地系统设备的厂家不多，量产难以达到一定水平。

       在下行链路上，近端接收基站的下行信号，经滤波、低噪声放大、频带压缩转换、线性放大后由中继天线发射。

远端的接收近端发射的中继信号进行滤波、低噪声处理、频带扩展还原、经高线性放大后由服务天线覆盖。

在上行链路上，服务天线接收移动台发射的上行信号，经滤波、低噪声放大、频带压缩转换、线性放大后由中继天线发往近端。

近端接收远端发射的中继信号进行滤波、低噪声处理、频带扩展还原后发往基站。

因此从技术上分析，飞地系统设备的实现难度主要有以下几方面：

（1）150MHz腔体滤波器整体结构太大，体积结构压缩难度高；

（2）150MHz功率放大器，设计难度大，互调衰减、效率设计难度高，合适功率管较难寻找；

       （3）150MHz隔离器、滤波器设计难度大，频率越低体积越大，致使模块结构体积较难压缩。

       （4）对比传统GSM移频设备，飞地系统结构相对复杂，一个载频需有三次变频，杂散、本振、谐波较难抑制，载频之间互相干扰处理难度大。

       综合技术和需求的原因，目前飞地系统产业化程度低，OEM现象严重。

在和国内主要直放站和辅助设备厂商进行沟通的基础上，考虑到飞地系统在原理上和传统GSM移频直放站的诸多相似之处，因此较大的辅助设备厂商仅需1个月即可完成产品的研发，量产后单厂商可达到500套/月。

       8、河南飞地系统案例分析

       河南地处黄土高原上升段，地形分布上即有平原，也有大面积的山区。

河南人口众多，其中农民所占比例在全国位于前列。

实行“村村通”工程，解决广大农村地区的移动网络信号覆盖，在河南移动通信业务发展中占有很重要的比例。

但由于地理原因，河南很多村庄，以及矿区、景点都分布在山区。

山区农村在选址中基本都处于山坳低洼处，背风顺水，适合居住。

也形成了群山阻隔，道路不便的环境特点，给移动基站覆盖造成很大困难。

稍微远离基站的村庄就会因为山体阻挡等原因，形成信号盲区，景点和山中矿区也有类似情况。

而在平原地区的村庄，通常在村庄内外都种满了树木，在盛夏树叶茂密的时候，也对信号形成阻挡，造成村内信号盲区或者弱区。

       为解决GSM系统的远距离传输，河南移动在17个分公司使用了190套飞地系统，主要使用在山区和偏远山区，并已和当地无委部门申请了223.025MHz-235.025MHz频率，使用时间到2012年。

       8.1、自然和电磁环境

       焦园村位于南阳市南召县北面山区，村周围群山围绕，该村就坐落在群山的山谷中（村子GPS为N33º40.60＂E112º09.47＂海拔高度780m）。

该村人口不多，且分布较密集，大约在50户左右，但是手机的拥有率比较高，平均每一户就拥有1~2部手机，在距离该村8Km处有一基站（三关庙基站，GPS为N33º36.97＂E112º12.49＂海拔高度500m），该基站属于距离该村最近的一基站，并且该基站与村子之间的群山平均海拔都在850m左右，基站信号受阻挡严重，900M信号无法到达。

具体地理图如下：

       根据现场的勘测发现，由于该村与其周围基站之间存在高山的阻挡，并且与周围的基站距离很远，最近的有距离8Km，因此该村内移动手机信号为盲区，不能进行通话，并且在村周围的山顶也不能接受到好的移动信号。

       8.2、主设备和辅助设备的选取

       根据移动用户话务量的预算得：

话务量＝总人数×手机占有率×移动占有率×0.02Erl

＝60×80％×0.02

       该村内手机话务量大约在0.96Erl，因此信源选用1载频即可满足需要，南阳移动为了方便对该村信号进行控制决定采用在三关庙基站安装1个独立的载频来用于该村的覆盖，因此该站点采用三关庙基站的一个独立扇区（CID：

53447）作为信源。

       在站点进行安装前，对该站点进行了相关的模拟测试，测试情况如下：

       根据以上的测试结果分析得出：

信号从三关庙基站传输到焦园村时，通过频谱仪在焦园村内测到的最好信号强度为-65dBm，并且为了满足该村的良好覆盖，远端直放站的输出信号强度应在33dBm以上，因此该站点所选用的远端直放站为10W/150M移频远端；同理为了满足基站近端的信号到达远端时的场强需求故近端也要选用10W的设备。

       根据上面的测试情况发现，在上面测试时在焦园村收到的150M信号偏弱，为了使直放站更好地工作，决定对基站近端的发射天线和焦园远端的接收天线选用方向性好、增益大的天线，同时考虑到现场的施工情况，所选用的天线不能太大，因此最终选用的天线信号分别为：

近端发射天线TDJ-150C（三关庙基站第二层平台，架高41米）

远端接收天线TDJ-150E（焦园村远端10米接收抱杆顶部）

远端发射天线TDJ-9018AM-38CR（焦园村远端10米发射抱杆顶部）

       8.3、设备安装

       飞地系统的近端机外观如下所示：

       近端采取了基站直接耦合的方式，如下所示：

       远端天线的安装如下图所示：

       8.4、测试和结果分析

       设备开通后的RX指标如下图所示：

       设备开通后的RQ指标如下图所示：

       设备开通后的TX如下图所示：

       从以上的测试经过可以看出，在安装飞地系统之后，焦园村由原来的信号盲区变成了信号好的区域，信号强度普遍在-75dBm以上，同时在手机用户拨打电话时，信号的通话质量也始终维持在0，并且手机一直用小功率发射。

同时对比测试路线可以发现，在离直放站2KM的进村公路上信号仍然在-80dBm左右，通话质量也仍然维持在0，即使在覆盖信号到达-95dBm时，直放站信号仍能够满足用户的正常通话，因此飞地系统很好地解决了焦园村的信号覆盖问题，具有一定推广价值。

       9、结论和建议

（1）飞地系统是一种把GSM信号选频并在150MHz至250MHz频段进行中继的系统，在复杂环境下可实现8～10KM的拉远距离，适合在村村通覆盖、应急通信和远距离监控等场景下应用；

（2）飞地系统具有施工周期短、安装容易和抗干扰能力强的特点，由于无需传输建设，因此投资成本大大低于传统的光纤拉远系统，特殊情况下可依靠蓄电池进行供电；

       （3）飞地系统需占用1个连续13MHz频谱资源或2个分开的5MHz频谱资源，前者有利于频率资源的管理，后者对带宽需求略低；

       （4）飞地系统是解决复杂地形下GSM网络延伸覆盖的有效方法，具有一定推广价值，但各省150～250MHz频段的频谱资源将是制约飞地系统应用的关键性因素