诺基亚:如何完善无线网络覆盖?

分享到:

      诺基亚的研究表明高质量的移动覆盖是决定运营商能否成功吸引新用户、吸引老用户的关键因素之一。覆盖质量对于成熟市场和新增长市场具有同等重要的意义。

      一个常见的错误观念是无线设备的输出功率是决定覆盖面积与质量的唯一因素。其实,考虑到终端性能的市场发展趋势,基站接收机的灵敏度在实现最大化覆盖方面所发挥的作用已经超出了输出功率。

      高质量的移动覆盖是通过均衡的无线性能实现的。因此,在发射机的输出功率与接收机的灵敏度之间达成平衡是提高无线覆盖能力的唯一有效手段。

      本文讨论了实现高质量的移动覆盖所要应对的挑战以及均衡的无线性能对于保障覆盖质量的重要意义。 同时也重点选择并介绍了一些传统的和高级的无线功能,这些功能能够在不同环境中实现经济高效的覆盖。

      无线覆盖对运营商至关重要

      移动运营商努力以一种经济有效的方式为用户提供广域的连接性以及高质量的业务移动性。

      增长型市场中的网络正在经历快速演进,因此,在用户获取(user acquisition)阶段,移动覆盖的范围与质量无疑是能够使运营商脱颖而出的重要性能。

      在新兴市场中,卓越的接收质量(覆盖)是用户选择一家运营商的最主要的理由。网络质量对于避免用户离网具有更加重要的意义。在所抽取的部分成熟与新兴市场中,我们发现网络质量被归功为能够挽留住老用户的首要原因。在市场拓展的各个阶段,卓越的覆盖质量都是用户心目中运营商所拥有的最主要的竞争优势。

      无线覆盖除了作为运营商吸引并挽留用户的主要方式,其覆盖范围与质量也能带来其它优势,从而对运营商的长期赢利性与竞争力都将产生显著的财务影响。运营商能够通过替换较为陈旧以及质量较差的网络设备改善某些地区差强人意的网络覆盖。虽然一般而言,引入新型用户业务是进行设备替换的主要目的,但也不应低估覆盖改善本身对收入起到的提升作用。

      一家欧洲运营商在采用诺基亚设备替换了其它基站设备后,话务量增长了四倍之多,掉话数量却不到原来的一半。话务量越大,网络所创造的收入就越多,于是,在成本恒定的情况下,运营商就能获得更高的利润。同样的因素也适用于单个站址的赢利性。通过对一个地区内移动话务量的精心规划和评估,并将这些评估与设备和软件的性能联系起来,网络运营商会努力在成本与预期收益之间达成一个理想的平衡。

      改进覆盖面临极大挑战

      大话务量地区(城市)和话务量较低的地区(郊区、小城镇和乡村)所采用的最佳覆盖改进方案是不同的。所面临的主要挑战包括:

      ●在城市环境中:降低干扰与掉话数量,确保对所有地方的覆盖,无论是室内还是室外。

      ●在乡村环境中(道路,人口稀少地区):实现小区覆盖面积的最大化,从而提高一个站址所服务的用户数量,实现能够赢利的运营模式。

      ●在郊区和较小规模的城镇:确保室内移动连接性以及跨越广阔区域的覆盖连续性。

      提供高质量的室内覆盖对于实现业务收入和用户满意度具有非常重要的意义。大量的话务量发生在室内,如家里、办公室、机场、大型购物中心以及公共建筑设施中。西欧市场上所做的一项终端用户调查证明,室内话务总量占到全部移动语音数据话务量的75%左右。

      在室内地点中,用户通常会注意到移动覆盖的不足,表现为欠佳的通话质量或者是频繁掉话。对于运营商而言,覆盖质量较差的地点所产生的话务量和收入也较少,用户满意度也会打折扣。这种累积的负面体验(尤其是在用户长时间驻留的地点中)是导致用户转网的主要原因之一。

      良好的室内覆盖并不象室外覆盖那样容易做到。一般而言,运营商有两种选择。

      第一种选择是采用专用的室内覆盖解决方案,如非常小的(pico)基站或者分布式天线解决方案。这些解决方案通常能确保最佳的楼宇覆盖。目前,出于成本与站址可达性的考虑,专用的解决方案主要用于超大流量的热点地区(如大型购物中心或机场)。

      第二种选择是由同样支持室外覆盖的宏蜂窝与微蜂窝基站提供覆盖。

      在更多的典型室外覆盖实例中,如位于城市与郊区的居住小区或者办公室,目前被广泛采用的解决方案只有一个,即由同一个基站同时提供室外与室内覆盖。但是,楼宇本身就会阻碍无线信号的通过并且会加剧信号的衰减与损耗。在越高的频段,这一现象越显著。

      精心的网络规划通过优化基站数量、精心选择基站地点与参数以及采用塔顶放大器(mast-head Amplifier)等附加设备,来解决信号损耗问题。在任何情况下,移动网络的无线性能都能够影响覆盖质量。无线性能还能够增强或限制对某些“困难”地点进行覆盖的可能性。

      在乡村地区,如道路和人口稀少地区,覆盖实施的重点在于优化网络投资。将每地区内基站站址的数量降至最少固然能够实现最高的成本效率,但是旨在提升覆盖的最佳解决方案也必须考虑当地环境与容量要求这两个因素。

      无线网络的性能直接影响无线覆盖。通常来讲,选择具备更高RF性能的设备意味着覆盖一个新区域时所需要的基站数量的减少。通过采用覆盖增强方法(将在下文中进行描述),运营商将能够进一步扩大每个小区的覆盖面积。这些措施能够为运营商带来显著的成本节约。

      同理,手机终端的灵敏度描述了“收听到”BTS发来的信号的能力,输出功率能够影响手机终端将信号与话务发送到BTS的能力。

      无线链路可被描述为基站与手机终端之间的对话。双向的信号传输中,无论从基站到手机终端的下行链路还是从手机终端到基站的上行链路,保证优良的信号质量都同等重要。

      因此,当发射机的输出功率与接收机的灵敏度之间实现均衡时,BTS的无线性能达到最佳水平。

      在评价RF性能时,一个常见的错误概念是过高地估计基站发射机输出功率的影响。事实上,对于BTS和手机终端而言,发射机的输出功率与接收机的灵敏度都是衡量RF性能的重要指标。

      由于是由信号较弱的链路,无论是上行还是下行,最终决定实际的小区覆盖面积,因此单方面提高下行链路信号并不能确保获得更大的覆盖区域。在进行乡村覆盖时,上行链路通常是较弱的链路,限制了小区的覆盖面积。一部距离BTS较远的手机能够接收到信号,但由于手机的信号射程通常较短,接收灵敏度不佳的BTS无法对它进行接收。在这种情况下,即使手机处于下行链路覆盖的射程内,它也无法打出或接听电话,即便能够进行通话,话质也会越来越差。另一方面,较强的BTS接收机灵敏度使运营商能够扩展实际的覆盖区域并确保更好的性能。

      城市环境中的干扰是限制因素,如果采用输出功率过高的基站发射机,不仅浪费电力而且可能由于产生更多的干扰而对网络的总体质量造成损害。基站接收机良好的灵敏度使得手机终端能够以一个较低的输出功率进行发射,从而降低网络干扰。

      无线网络的特性要求,基站需要形成一个均衡的无线链路,以与手机终端实现良好的配合。

      新型移动手机终端要求BTS接收机具备更强的灵敏度。GSM标准定义了手机的最低性能要求:所允许的最大输出功率以及最小的灵敏度。当今手机设计的趋势是提供低于最大标准的输出功率以及高于最低要求的灵敏度,出现在市场上的产品在性能方面存在较大差异。实现手机输出功率最小化从而延长电池寿命这一设计趋势对上行链路和BTS接收机的灵敏度提出了更高的要求。

      每位运营商都需要制订一个无线网络规划策略,就如何优化网络成本和网络质量进行规范。如果按照GSM标准中规定的最低手机性能值对网络进行规划,将会造成网络的过度配置( over-dimensioned),致使基站数量过多。相反,在网络规划中采用典型的手机性能值能够提供一个权衡了成本与质量的最佳的解决方案。典型的手机性能能够在运营商的网络中测量或者从已公布的测试结果中获取。

      由于新型手机终端趋向于以较低的输出功率工作,要求网络设备厂商进一步提高BTS接收机的灵敏度,从而维持均衡的无线链路。

      在诺基亚GSM/EDGE BTS中,处于行业领先水平的接收机灵敏度保证了上行链路的性能。这一灵敏度是通过最小化接收链路内的信号损耗、选择正确的无线部件的组合以及对诺基亚算法的应用实现的。另外,塔顶放大器(MHA)的安装能够对发生在天线电缆内的信号损耗做出补偿,从而保护信号的性能。

      厂商以保证值或者标称值表述BTS设备的RF 性能数据(发射机的输出功率以及接收机的灵敏度):

      ●保证性能:设备的最低性能

      ●标称性能:设备的平均性能

      标称值能够更好地代表一个产品的能力。以最坏情况下的保证值规划一个网络将会导致网络的过度配置(over-dimensioning),以至需要太多的BTS以及更高的投资。

      为了正确地评价不同产品或不同厂商设备的无线性能,需要在基站系统的同一个点对进行比较的值进行测量,从而消除由于产品设计以及电缆损耗所产生的差异。在基站机柜的上方或者在基站天线连接器处测得的数据可作为可靠的数据,用于对发射机的输出功率进行比较。系统的灵敏度最适合在基站天线端口处进行测量。

      如何增强覆盖?

      在一个新建的移动网络中, 无线网络投资大约占到全部成本的85%。典型情况下,通常基站设备占到站址总成本的20~35%,而其它的例如站址的获得和准备、天线塔、可靠的传输线路以及其它的站址单元等所占总投资的比例同样相当可观。因此,当运营商在乡村环境中或者在城市室内地点采用宏蜂窝BTS解决方案建设网络时,选用经济高效的小区覆盖增强方法对于运营商而言至关重要。

      经济高效的网络扩容的关键在于所采用的实施方案,这些方案应当满足在增加覆盖的同时保证所需新增站址的数量最小。在实现对人口稀少的乡村地区的覆盖时,与传统的站点方案相比,增大小区的覆盖面积就成为唯一可接受的方法。

      传统上,当运营商努力在一个特定区域实现最大覆盖时,BTS被配置工作在旁路模式下,每一个载频都被连接到天线上。不会把多个载频合并到一个天线上,这样运营商就能够避免每一合并步骤所导致的3dB的合路器损耗。

      在这些情况下,GSM网络一般会受到上行链路性能的限制。利用新的增强方法增强上行链路方向的性能能够确实地提高小区覆盖面积。

      一些传统的方法只对下行链路产生作用,而对实际的覆盖范围没有影响,或影响有限。随着自适应编码速率(AMR)手机在市场上的日益普及,AMR正在成为一种不仅效率最高而且也最经济的覆盖增强方法。然而,在一些覆盖难度较大的环境中,就必须使用更加复杂的方法。

      先进的增强覆盖的方法

      在考虑每个区域的独特性的基础之上,运营商能够从几种用于增强无线覆盖的先进方法中进行选择。

      在覆盖受限的环境中实现覆盖面积加倍并且提高覆盖质量,诺基亚于2002年推出了一项独特的覆盖增强方法,称为Nokia Smart Radio(SRC)。

      对于GSM/EDGE 网络,NOKIA SRC同时扩展下行与上行链路的RF 性能,从而使小区覆盖面积加倍。对比于传统上用于乡村地区的合路器旁路(combiner bypass)方法,在某一给定地区以及适合的条件下,NOKIA SRC所需BTS站址数量仅为前一种方法的50%。

      NOKIA SRC通过对智能下行链路分集与4路上行链路分集的合并增强了上行与下行链路信号。在基站上,通过合并两个收发机的性能实现这一特性,经由两个天线进行发射,4路天线进行接收(在两个交叉极化天线上)。

      智能下行链路分集(Intelligent Downlink Diversity)提供了无线信道分集,使信号的发射功率加倍,从而将BTS的下行链路性能提高了3~5dB。通过两个天线进行发射引入了空间分集,增加了2~3dB的分集增益。为了与性能增强后的下行链路相匹配,也需要提升上行链路的性能,4路上行链路分集特性提高了BTS接收机的灵敏度,这样它就能够接收到距离更远的手机所发射的信号。由于接收到的信号功率增强了一倍,4UD最大能够获得比2路接收高出3dB的接收机灵敏度增益。再加上额外的1~2dB分集增益,这一特性所实现的分集增益比传统的2路分集接收总体高出4~5dB。另外,MHA能够用于补偿上行链路的电缆损耗。

      与旁路合路器的配置相比,利用NOKIA SRC能够产生5dB的增益,或者增加最高50%的覆盖面积。在乡村地区适宜的条件下,增益可达到8~9 dB。如今,NOKIA SRC的卓越表现已经在全球各地众多的网络中得到了验证。

      干扰受限环境中的信号处理方法

      其它方法能够提升BTS上行链路的性能:分集式天线,最大比合并(MRC)以及抗干扰合并(IRC)。

      当使用分集式天线时,两个天线(或者一个交叉极化天线)同时接收无线信号,将较好的信号传送到BTS接收机单元。这一方法能带来2~2.5dB的分集增益。

      MRC在与分集式天线同时应用时,能够将接收到的信号加在一起,将分集式天线的性能提高3~4dBm。

      分集式天线和MRC面临的主要问题是BTS会接收到所有无用的干扰信号。当话务量与相关的干扰增加时,就需要采用更高级的方法,如IRC,消除干扰信号。

      IRC是一种分集合并方法,能够消除干扰。与能够对所有信号进行加总的采用了MRC的分集式天线相比,采用IRC的分集式天线能够消除干扰信号,只选择“好的”信号进行接收。在干扰受限的区域,与MRC相比,IRC能产生将近7dB的增益。这一增益能够带来网络质量的提高和更好的室内覆盖。

      诺基亚所有的基站采用IRC作为信号接收技术已经有很多年。

      在城市环境中增加室内覆盖

      SAIC(单天线干扰消除)是一种新的与容量相关的功能,已经在先进的手机型号中得到采用,能够提高手机的灵敏度。SAIC显著地降低了话务热点地区的干扰,提升了网络容量。要想在覆盖受限的条件下采用SAIC,必须增强上行链路的性能。目前,一部SAIC手机接收BTS信号的能力强于BTS接收手机信号的能力,结果导致下行链路的性能强于上行链路。

      空间时间抗干扰合并(STIRC)是一项BTS功能,在喧闹的环境中,STIRC能够实现高于IRC 5~15dBm的上行链路性能。STIRC,再加上手机的SAIC特性,能够增强网络对干扰的复原能力,并且为网络覆盖区域提供最佳的覆盖质量。

      STIRC的应用与具备SAIC特性的手机一起形成了一个均衡的链路,扩大了它们的覆盖区域。以类似的方式能够提高不具备SAIC特性的手机的上行链路性能。这些改进对于室内地点尤其重要,在室内地点中,性能增强的上行链路将补偿墙壁和其它障碍物所造成的信号损耗。

      IRC与STIRC之间的主要区别在于它们处理多个接收到的信号的方式。对于STIRC,接收到的两路信号的干扰能够在相同的地点和时间被消除。而对于IRC,两路天线的信号被分别处理。

      这里描述的所有增强上行链路性能的方法并不能够提高BTS接收机的灵敏度,但是针对干扰电平,它们能够提供更强的健壮性(robustness)。

      结论

      建立高质量的无线网络覆盖最有效的手段是实现均衡的无线网络性能。

      基站发射机的高输出功率只是决定覆盖区域的因素之一。手机的无线性能特点以及基站接收机的灵敏度才是实现链路平衡以及可持续的、高质量的网络覆盖的更关键的因素。

      要获得高质量的无线网络覆盖要考虑以下几个主要因素:

      终端用户体验

      a.好的覆盖,即下行与上行链路性能平衡的覆盖,能够使用户感受到良好的网络质量(上行与下行链路中良好的信号强度非常关键)。

      b.延长手机电池寿命,提升用户满意度。BTS中卓越的接收机灵敏度降低了手机的输出功率,延长了手机的电池寿命。

      成本效率

      a.针对多种不同的站址要求,选用最佳的BTS对整个网络的投资具有重要影响。在人口稠密的城市环境中需要高容量的室内与室外基站。相反,乡村环境需要能够最大化小区覆盖面积的BTS解决方案。另外,建立良好的室内覆盖可能需要专用的解决方案。

      b.对现有BTS的最大化利用确保了商业上的可持续性发展。用于增强无线网络覆盖的先进的软件与硬件方案在减少了用于建设昂贵的新站址投资的同时,确保了更好的网络质量。

      诺基亚是移动通信市场(包括手机、网络设备和服务)的领先者。同时诺基亚也是通用行业标准的积极的贡献者,我们的技术人员在规范、实施和测试工作方面具有强大的竞争力。

      诺基亚利用自身的优势,开发出了处于市场领先地位的基站产品系列,这些产品能够实现高输出功率、出色的接收机灵敏度以及各种先进的覆盖增强方案。诺基亚还提供一系列服务——包括网络规划和优化——帮助运营商为他们的用户提供最佳的网络覆盖和网络质量。