四网协同背景下GSM网络发展策略研究

摘要：未来相当长一段时间内，中国移动将同时运营GSM／TD-SCDMA／TD-LTE／WLAN四张网络。根据未来业务需求与网络能力，中国移动提出了四网协调发展的策略，通过四网协同，发挥各自网络的优势，以实现语音、数据业务双领先。为此，介绍了中国移动四网协同发展策略，分析了GSM网络发展现状及问题，从挖掘容量潜力、提升网络质量、面向未来演进三方面提出了应对的措施。
关键词：四网协同；GSM；发展策略

    移动数据业务的迅猛发展，给中国移动的网络建设和规划带来了巨大的挑战。目前忙时数据业务占用的信道资源在30％以上，在语音和数据总资源消耗中的占比已达到50％以上，并已开始造成GSM网络质量的下降，影响到语音业务的体验。如何继续保持GSM网络语音优势，协同TD-SCDMA、WLAN及未来TD-LTE等网络的数据承载能力，是目前中国移动网络建设和规划必须面对的问题。

1 四网协同
    未来相当长一段时间内，中国移动将同时运营GSM／TD-SCDMA／TD-LTE／WLAN四张网络。一方面考虑到国内经济发展水平差异导致中国移动客户需求多样化因素，另一方面，四张网络制式的差异性明显，与业界传统2G／3G／4G之间的网络生命周期更替规律不同，如何制定网络长期共存协调均衡发展策略，这是现阶段很主要的一个问题。
    根据业务需求与网络能力，中国移动提出了GSM、TD-SCDMA、WLAN、TD-LTE四网协调发展的策略，通过四网协同，发挥各自网络的优势，以实现语音、数据业务双领先。即基于业务对于速率、时延、连续性等的不同需求，以及网络在承载能力、覆盖、成本等方面的不同，将不同业务放在最适合的网络上承载。GSM适合承载话音、小流量高价值数据业务，如消息类业务等。TD-SCDMA适合承载手机类数据业务，如网页浏览、社交网络等。WLAN适合承载手机、PC及第三方WiFi终端的互联网数据业务，尤其是高速数据业务：如下载类业务等。LTE承载话音及高带宽、高质量数据业务，如在线视频等。
    下文将分析GSM网络发展现状与问题，并根据GSM网络在四网协同中的定位，提出相应的措施。
1．1 GSM网络发展现状及问题
    业界普遍认可GSM是最好的语音承载方式，其生命周期将会延长至2020年以后。对于中国移动，GSM承载全网99％语音计费时长和95％手机数据流量。
    随着移动互联网业务和智能终端的不断普及，数据业务流量上升、种类增加，占用GSM大量网络资源、管道化趋势明显。近5年内中国移动数据业务流量增长近60倍。即时通信类业务的大量涌现，占用50％以上网络数据业务信道资源，实际产生的流量不足全网的20％。增量不增收现象严重，近5年中国移动数据业务收入增长仅1倍左右。如图1所示，2011年4季度GSM语音和数据等效话务量比例达到47：53，GSM无线利用率达69％，而TD利用率仅为9％，2G数据流量引起的高负荷，使网络底噪抬升明显，对语音业务的质量产生了影响。

    容量激增、结构问题、设备老化等导致网络干扰严重，造成网络性能、业务质量下降，全网高干扰小区占比达4．36％。“三高”问题严重，省会城市高配置小区占比达8．85％，高站比例达5％，全网直放站数量多达31万台(含干放)，其中无线直放站总数多达6万台。
    由于容量极限和技术本身限制，进一步扩容G网难度大，成本高，长期维持超大规模将是沉重的负担。整网利用率水平虽有所下降，但仍维持70％以上的高位。部分密集区域站间距已达200米，基站密度超大；G网每Bit成本是3G的2倍以上，LTE的10倍以上。目前GSM国内外主流运营商和厂家已经计划缩减或者停止2G网络投资(NTT Docomo2G投资降至2％，中国联通2012年将停止2G投资)。只有中国移动还在对GSM网络进行持续扩容、升级，长远来看产业链很难持续、有效支持。中国移动当前正处于2G向TD-SCDMA／TD-LTE、语音向数据网络升级转型时期，后续GSM网络将定位为“主要承载语音(占比不低于55％)，适度承载数据”。

2 三方面应对措施
    下面将从挖掘容量潜力、提升网络质量、面向未来演进三方面介绍GSM网络的发展策略，以解决当前面临的问题及配合四网协同战略。
2．1 挖掘容量潜力
2．1．1 提高PDCH承载效率，减缓对语音资源的挤占
    随着移动互联网业务和智能终端的普及，数据业务种类逐渐丰富，且运营商管道化严重，网络中承载低传输效率、低收益业务(如QQ)占比不断提升。相同无线资源上，同数据业务传输效率不同。不同数据业务的包大小、包间时间间隔不同，导致占用同样无线资源前提下实际传输的流量不同；不同传输效率的业务平等分配无线资源，低传输效率业务占比高，拉低PDCH信道整体承载效率。PDCH信道承载效率全国平均为4 kbps／PDCH，部分低于3．5 kbps／PDCH(理论峰值为59．2 kbps／PDCH)。
    无线资源分配与收益脱节，不同用户／业务平等分配资源。由此导致，增量不增收，不同用户、业务单位流量产生的收益差距较大(如QQ0．18元／MB，歌曲下载1．4元／MB)，有限网络资源被低收益业务大量占用，如QQ占用50％以上网络资源。
    针对具有不同传输效率的业务进行差异化无线资源配置，高效业务多占资源，提升数据业务信道整体承载效率。具体参考如下指标：提升PDCH信道占用数量；提升PDCH信道承载效率；在以上两指标完善的同时，保证TBF复用度不提升(通常网络中建议小于4)，即不以降低用户体验为代价。
    针对不同优先级的用户、业务提供差异化的无线资源配置，高优先级用户、业务多占资源。
2．1．2 增强型双频网
    增强型双频网是双频小区组网的一种方式，网络建设相当于由900 M和1 800 M频段组成的同心圆技术，其具有如下特点：900 M为外圆小区，1 800 M为内圆小区，内外圆共站址，共BSC；900 M和1 800 M频段为两个独立小区，分别配置BCCH和SDCCH信道，组成一个小区组；通过BSC内的增强算法，小区组中的两个小区实现业务信道资源共享，小区负载均衡。
2．2 提升网络质量
2．2．1 优先保证语音资源
    采用语音优化的网络资源配置和优化策略。语音优先策略：当话音业务忙时，话音优先抢占动态信道，而不是优先开启半速率；网络资源的配置必需首先确保语音资源，语音数据双忙小区要通过限制数据业务静态信道的比例来保证语音业务的质量。静态数据业务信道配置策略：对于1-2载频小区，配置1个；对于3-4载频小区，配置2个；对于5载频以上小区，配置3-4个。
2．2．2 干扰问题凸显的原因分析及解决思路
   目前GSM网络面临的干扰主要来自网内干扰，主要引发原因包括：网络配置，近年来话务量激增，网络扩容频繁，导致站间距小、高载频配置小区提高，同频干扰日益严重；网络结构，由于站址条件限制，部分高站、天线倾角较小的基站存在，导致交叉覆盖、重叠覆盖现象较多，产生强干扰源小区；设备使用，直放站应用比例较高，尤其是对质量影响较大的无线直放站被大量应用。
    在日常的网络建设和优化中，客观条件限制无法完全规避网内干扰的产生，需要考虑基站设备本身的性能提升降低干扰、提高C／I水平。通过两个方面达到提高小区C／I的目标：提高有用信号C，但会受基站最大功率等因素限制，且增大其他小区同频干扰，给网络带来负面影响降低干扰是目前技术上考虑较多的方案，有引入干扰消除算法和抑制干扰产生两个思路。
    GSM上行干扰消除技术分析。降低上行同频干扰，可利用信号空间相关、时间相关以及空口同步等特性进行干扰消除。现网已部署的有最大比合并(MRC)技术和干扰抵消合并(IRC)技术。最大比合并技术，是将两根天线上接收的有用信号进行最大比合并，最大化有用信号强度，提高上行C／I，从而提升上行链路质量。干扰抵消合并技术，是利用干扰信号空域相关性，将两根天线接收的干扰信号进行反向抵消，降低干扰信号强度，提升上行C／I，从而提高上行链路质量。增强型干扰消除(EIRC)技术是正在现网推行的新技术。EIRC在IRC技术基础之上，增加了对干扰信号的时域相关性的收集，获得更多的干扰信息，使得同频干扰更接近白噪声特性从而更有效地消除干扰提升上行链路质量。
    GSM空口同步，可以更好地提升干扰消除算法的性能。将有用信号和干扰对齐，使估计出的干扰特征适用于整个时隙，能更准确地估计信道和干扰特征。其可以用两种方法实现同步。同步方式一：GPS硬同步。与TD-S共站：从NodeB引入同步信号，BTS增加时钟接口；与TD-S不共站：直接接收GPS信号，BTS增加GPS模块。同步方式二：空口软同步。软件实现：选取同步目标小区，通过测量并校准相邻小区的帧偏移，实现同一BSC内所有小区的空口同步；选取同步目标BSC，实现BSC间的空口同步。
    GSM下行干扰消除技术分析：降低基站不必要的功率发射，抑制干扰源。可以采取的解决方案有，数据业务下行功率控制。数据业务下行功率控制技术原理：BSC侧设置功控参数，无线链路质量达到功控门限后，依据终端上报下行链路测量信息，基站自适应调整下行发射功率，形成闭环功控。基站采用低功率发射，减少了不必要的功率发射，使终端获得稳定接收信号强度，从而在保证数据业务质量的同时降低相邻信道间的干扰。对此，可以分为两种策略：功控优先策略，在数据业务未达到最大MCS等级时进行功率控制；速率优先策略，是在达到最大MCS等级后再进行功率控制，如图2所示。其技术方案价值及意义在于，(E)GPRS无下行功控，随着数据业务占比不断提升，GSM网络底噪水平提升明显。引入数据业务下行功率控制，可以有效降低数据业务发射功率水平，降低网络底噪和干扰。

2．2．3 GSM网络语音增强技术
    GSM在降低干扰的同时，也可考虑引入语音承载增强的手段，如AMR信令优化、多用户同时隙复用(VAMOS)。
    在已部署AMR的区域，引入AMR信令优化技术，改善控制信道覆盖受限问题，主要包括：重复FACCH／SACCH。仿真分析，重复FACCH使R6终端的FACCH性能提升4 dB(支持合并接收)，R5终端的FACCH性能提升2 dB左右。现网试点，开启重复FACCH功能后，掉话率由0．29％左右降为0．25％，降低幅度约为0．04％。
    多用户同时隙复用(VAMOS)，即在下行GMSK基础上引入QPSK，通过将用户配对在I、Q两调制支路，提高语音用户复用度；上行保留原GMSK调制，通过多用户MIMIO将用户配对在同一时隙上，基站通过双天线联合检测区分不同用户，如图3所示。可基于AMR-FR或AMR-HR实现复用度的提升，达到同一个时隙复用2个AMR-FR或4个AMR-HR用户，并可在VAMOS，AMR-HR和AMR-FR之间动态转换。

    当现网SAIC终端渗透率较高时，在AMR-HR基础上使用VAMOS的容量增益约20％；VAMOS终端引入后，容量增益随着VAMOS终端渗透率的增大而进一步提高。
2．3 面向未来演进
2．3．1 采用BBU集中部署+光纤拉远方式减少工程投资、降低能耗(C-RAN)
    C-RAN，如图4所示，是在分布式基站基础上的进一步创新，整体发展思路借助光传输及IT领域的技术进步，具备三大技术特征：基站基带处理或控制的集中化，减少基站配套，降低站址要求；利用宽带、多频段的RRU或有源一体化天线，结合集中化信号处理，实现基站间协作化和多标准系统的灵活支持；借鉴技术实现处理资源的云计算化，提高资源利用率；清洁、绿色的无线接入网络，低成本、低能耗、高容量。

    C-RAN在GSM网络的应用目前主要实现集中化部署，即将原有分散部署的基站基带处理或控制实现集中化，依靠光纤拉远连接各远端RRU，减少基站配套，降低站址要求。
    分布式基站设备在GSM网络中的部署比例逐年提高，为C-RAN集中化部署提供了先决条件；GSM基站设备目前主要支持C-RAN的集中化部署功能，可以简化远端站局址要求，降低选址难度，实现精确灵活覆盖，节约建设和运维成本；后续需推动GSM基站设备支持协作化和云计算化，完善GSM网络C-RAN组网能力。
2．3．2 基站支持同频段GSM和LTE FDD双模，未来实现平滑演进
    通过一套硬件平台支持同频段GSM和LTE FDD，两种制式网络可以同时或者单独工作，且带宽功率动态分配。GSM和LTE FDD采用独立基带处理板，共用一个机框，GSM单模向GSM／LTE双模升级时，在基带框内分别插入GSM和LTE基带板即可。RRU和天线无需改动，只需升级RRU软件版本。这样既可以保护GSM投资，也可以降低LTE投资，确保GSM至LTE平滑演进。

3 总结
    文中主要介绍了四网协同背景下GSM网络发展现状及问题，并从三方面提出了应对措施。GSM是中国移动的根基，其地位只能加固，不可撼动，主要用来承载语音业务，在保证这一前提之下，可以分担小部分数据流量压力。