飞地系统应用.docx

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飞地系统应用

1 研究背景

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。

本文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1～4M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

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5部分组成：

2.1.1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。

2.1.2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，一般采用图1所示的八木天线。

图1八木天线

2.1.3 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。

2.1.4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。

2.1.5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。

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，图2、3即为GSM飞地系统近端机和远端机的原理框图。

图2近端机原理框图

图3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。

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。

如图4所示。

图4菲涅尔区

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（m）。

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。

表1

频率f

波长λ

菲涅尔椭球体半径R

（D=10km）

（D=20km）

900MHz

0.333m

28.866m

40.823m

150MHz

2m

70.711m

100m

250MHz

1.2m

55m

77m

从表1可以看出，150～250MHz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70m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。

在其它条件不变的情况下，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

和其它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50~70m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。

2008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

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，其过程如图5所示。

图5

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它系统间的隔离度，飞地系统中继信号频率利用可采用两种方式：

（1）占用150～250MHz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图6所示；

图6频谱占用情况

（2）占用150～250MHz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图7所示。

图7频谱占用情况

6 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223.025~235.025MHz频率，使用时间到2012年。

6.1 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。

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。

6.2 测试和结果分析

设备开通后的RX指标如图8所示。

图8设备开通后的RX指标

设备开通后的RQ指标如图9所示。

图9设备开通后的RQ指标

设备开通后的TX如图10所示。

图10设备开通后的TX

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。

7 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。