广西北部湾CDMA海面覆盖研究

1 海面覆盖的特点与难点

1.1 海面覆盖的特点
    海面覆盖的特点是容量低但覆盖距离远，从表面上看，该特点带来的社会价值大于经济价值，但最终社会价值又推动了经济价值的发展。海面覆盖距离主要受地球球面曲率、无线传播衰减限制。考虑到地球球面曲率的影响，因此对海面进行覆盖的基站天线一般架设得相对较高。由于无线信号在海面上的传播衰耗慢、距离远，使得在海面上实现超远距离覆盖成为可能，但CDMA网络属于自干扰系统，超远覆盖给控制小区间的干扰也带来一定的难度。

    因此，在进行广西北部湾CDMA网络海面覆盖的建设时，需要基于这一特性给予足够的考虑：既要实现无缝覆盖，又要将干扰控制在可以接受的水平内。另外，覆盖要求、干扰控制、天线类型、天线高度、站间距、周边基站的规划、基站配置、天线下倾角等因素均需要做重点考虑[1]。

1.2 海面覆盖的难点
    一般情况下，普通基站的海面覆盖距离仅为30 km左右，所以距海30～70 km的大部分区域都没有信号覆盖。由于海洋工作本身存在很大的风险性，所以通信的畅通显得尤其重要。然而海洋自身的特点限制了它不能像在陆地上那样建设更多的基站，海域覆盖相对较为困难。

    传播距离远对海面覆盖来说是一种优势，但随着网络规模的扩大，沿海基站的不断增多，天线挂高基本设置在50～60 m，这样可以使信号极易传播到海面上。经过计算和测试某些泄漏出来的基站信号可以在海面上传播30 km以上，仍能保证足够的信号强度。即使调整天线的俯仰角方位角，在确保基站有效覆盖情况下，也很难控制天线的旁瓣不进入海面。这种原因导致海面上的信号越来越乱，海面导频污染现象严重，并最终造成了通信质量恶化。

    根据海洋覆盖模型并通过链路预算可得到前反覆盖受限情况。当系统运行频率为800 MHz时，在广覆盖、用户边缘分布的场景下，具体前反向覆盖受限情况如表1所示。其中基站发射功率为50 W，终端发射功率为200 mW。

    在广覆盖的情况下，由于用户数较少、话务量较低，此时小区一般是反向覆盖受限。随着用户数的增加，小区从反向受限逐步变成前向功率受限。对海面广覆盖尤其应注意前反向链路平衡。

2 广西北部湾海面CDMA网络覆盖现状及问题

2.1 海面覆盖目标
    目前正在实施的海洋安全生产救助项目中，用户总量达到8 050个，用户使用范围在北部湾海域，使用业务有普通语音、定位、短信等。该工程覆盖目标为渔业作业区，因此需要尽可能地提升海面覆盖基站的覆盖范围。

2.2 海面覆盖现状
    广西北部湾航道、渔业作业区和油田作业区的CDMA覆盖如图1所示。CDMA覆盖已经涵盖了主要渔业作业区和油田作业区，从涠洲岛到防城港白龙方向都能连续覆盖，北海到涠洲岛航线也有很好的覆盖。

    覆盖的仿真，基本与路测相符，满足电信集团距海岸50 km覆盖的要求，但部分区域还存在弱覆盖区和覆盖空洞。从图2可以看出在涠洲岛基站南面及西面仍有覆盖弱区。

2.3 海面覆盖存在的问题
    (1) 北部湾海面前向覆盖
    一方面，由于设备性能限制，尤其是基站设备前向发射功率的限制，仍有一部分海域覆盖空洞区存在，且部分海域覆盖面未达到50 km。前向覆盖功率受限可以通过增加功放或更换更高功率、更大增益的天线等方法来解决。

    另一方面，在无功率限制因素下，基站可能覆盖到的最大距离受限于天线挂高。广西北部湾沿岸平坦，海拔高度低，无法找到合适高度的站点用于海面广覆盖成为是前向覆盖不足的一个原因。

    (2) 北部湾海面反向覆盖
    图3中是目前北部湾海面反向覆盖的现状。手机发射功率(Tx_power)小于20 dBm的采样点占比为88.7%，而前向接收功率(Rx_power)只有67.6%，这说明当前海面覆盖前向覆盖仍有不足。

3 CDMA海面系统容量分析

3.1 前向功率及容量分析
    从理论计算结果看，在小区激活用户为30个的情况下，所需发射功率为10.2 W；当小区用户达到35个时，所需基站发射功率将大幅提高到69.42 W。因此建议单小区内的激活用户数不要超过32个，对应话务量为26.75 Erl（5%呼损）。

    根据前向功率计算可知：如果需要基站覆盖更大的范围，必须提高前向发射功率。根据经验，提高30%的覆盖需要增加1倍的发射功率，同时系统下用户数的增加也会对基站的发射功率有影响。当用户到达一定程度时，再增加1个用户，所需功率会大幅提高，因此需要合理控制基站所带的用户规模。

    此外，基站的前向发射功率还与基站所提供的业务类型相关，不同的业务类型、业务信道解调门限要求以及链路净损耗，都会对基站的发射功率有一定影响。

3.2 反向容量分析
    CDMA是反向受限系统。前向链路是一对多的通信，而反向链路是多对一的通信。同时，前向链路的各个信道是同步的，而且还有公共导频信道，所以前向链路的容量要大于反向链路的容量。

    当系统负荷为50%时，反向容量是24个信道；在阻塞率为5％时，对应的系统容量为19.03 Erl；在负荷75%时，反向容量为35个信道；在阻塞率为5％时，对应的系统容量为29.67 Erl。

3.3 业务需求
    北部湾主要海面覆盖基站的1X载扇的话务量及渔信e通放号后的预测话务量如表2所示。

4 广西海面覆盖CDMA网络优化措施
    广西网络优化中心针对北部湾海面弱覆盖及导频污染现象，进行了专项优化。对于弱覆盖，通过优化现网基站远距离覆盖能力的方法来解决；对于导频污染现象，通过加强网络优化、减少导频污染、设立海面覆盖专用频点等措施来解决。

4.1 优化调整主海面覆盖基站
    在现网海面覆盖基站已经形成规模布局的情况下，如果新增基站覆盖，尤其是针对海面的超远覆盖基站，极易破坏现网的网络平衡，引起海面覆盖基站大规模的调整。另一方面，广西海岸线海拔高度低，无法找到合适高度的站点用于海面的广覆盖。

    根据目标区域分布，结合广西沿海基站现状，选取北海冠头岭、北海涠洲岛、防城港白龙3个站点作为海面广覆盖主要基站，对这些基站进行优化调整，具体有7个主要措施。

    (1) 更换高增益天线
    根据覆盖目标区域分布，将北海冠头岭、北海涠洲岛、防城港白龙3个站点，更换为高增益、窄水平、半功率角的定向天线。其中北海涠洲岛基站将原3面65°定向天线更换为5面65°定向天线。

    (2) 改为分布式基站及RRU上塔
    北海涠洲岛基站为了保证天线挂高，采用较高的天线塔，导致馈线长度较长，馈线损耗大：该站点塔高80 m，此前采用7/8馈线，馈线长近100 m，馈线损耗约为5.4 dB。工程优化中将该站点主设备替换为室内基带处理单元+射频拉远模块(BBU+RRU)室外塔平台方式安装，馈线损耗减少4.4 dB，基站海面覆盖半径增大约40%。

    工程实施中应注意的是RRU的直流供电线缆长度应控制在110 m以内，超过这一长度应就近设置开关电源或采用交流供电。

    目前北海涠洲岛海军基站铁塔上的RRU采用直流供电方式，直流电缆长度达到90 m左右，仍能较好地保持设备性能稳定。

    (3) 调整基站发射功率改善前向覆盖
    改善基站前向覆盖能力，最简单有效的方法即是加大基站发射功率。由于覆盖的需要，因此要调整上述3个主海面覆盖基站的发射功率以改善前向覆盖。

    建议单载波基站仍采用60 W的RRU，双载波、三载波基站可根据话务情况更换为80 W。

    (4) 增加基站、塔顶放大器以分别改善前反向覆盖
    根据网络优化需要，在北海涠洲岛基站、北海冠头岭、防城港白龙等基站天线端增加基站放大器、塔顶放大器以改善前反向覆盖。

    目前基站放大器、塔顶放大器可合设，亦可以分别独立设置，供电方式可在交直流之间选用（北海涠洲岛海军基地基站的基塔放采用直流供电，塔顶安装）。

    (5) 并接RRU射频
    目前ZXSDR可以通过RRU并接方式扩展射频资源，即一个扇区配置两个RRU，从而提高单载波的前向容量和功率。通过配合大功率软件，单载波输出功率可以提高20～60 W。

    (6) 试点超导链路技术
    2009年3月，中国电信广西公司对超导链路技术在海面覆盖的应用开展试验。试验证明采用超导链路可以明显地改善反向链路的覆盖范围和通信质量。相比较塔顶放大器而言，超导滤波器能更好地改善海面覆盖反向链路质量。

    不同的是，塔放是通过放大所有接收到的信号来提高基站接收灵敏度，因而更适用于无线环境比较好、干扰少的地区；而超导滤波技术通过高性能的滤波器来分辨有用信号，更易于前反向链路平衡，且适用于无线环境复杂的地区。

    因此，可以根据网络覆盖需要，如果成本压力不大，可以优先使用超导系统；但是如果话务量不高，且成本有限，可以使用性能好、价钱便宜的塔放。

    (7) 采用2T4R多天线技术
    多天线系统其实就是收发双方都采用多根天线进行收发。通过适当的发射信号形式和接收机设计，多天线技术可以在不显著增加无线通信系统成本的同时，提高系统容量和覆盖距离。从技术上讲，采用多天线技术后，可获得以下一些增益。

• 功率增益。采用多天线发射时，由于有n个发射通道，发射的总功率相当于单天线发射的n倍，因此可以获得10 log n dB的功率增益。虽然在单天线发射时也可以增加发射功率，但对功放的要求会大大将提高，实现难度也会增大，从而成本也会相应增加。
• 阵列增益。阵列增益是指在发射总功率相同的前提下，对接收端平均信噪比的改善量。通过对信号的相干合并，各种多天线系统都可以获得阵列增益。也就是说，采用多天线技术后，可提高接收信噪比。
• 空间分集增益。由于无线信道的衰落特性，单天线系统的信号可能存在深衰落。采用多天线技术后，通常各天线间隔足够远，可保证不同天线的信号衰落相对独立。因此，合并后的接收信号的信噪比波动将变得平稳，从而改善了接收信号质量，这就是空间分集增益。
• 干扰抑制增益。在蜂窝移动通信系统中，由于存在频率复用，因此小区间干扰不可忽视。与白噪声不同，干扰信号为有色噪声，可在接收端通过适当的多天线空域加权，并可在合并期望信号的同时，抑制干扰信号，从而获得对接收端平均信干噪比的改善。
• 空间复用增益。空间复用增益是指在相同发射功率和相同带宽的前提下，对数据吞吐量/传输速率的改善。空间复用增益可通过在相同的时频资源上传送多个并行的数据流，而这些复用的数据流通过不同的天线来区分。

4.2 控制越区覆盖，减少导频污染
    对广西北部湾海域，CDMA海面覆盖无线通信发展还存在另一个制约因素，即越区覆盖导致的导频污染。可以通过以下4个措施减少导频污染。

    (1) 全向天线改成定向天线，控制越区覆盖
    广西北部湾沿海部分全向基站用于覆盖海岸。由于海岸边地势平坦，基站又是采用全向天线，信号覆盖范围难以控制。

    (2) 调整天馈系统参数设置，减少越区覆盖
    对沿海87面天线下倾角、方位角进行了调整优化。通过压制干扰信号，控制干扰信号在海面传播范围，减少干扰。

    (3) 设置海面覆盖专用频点
    通过以上优化方法，确实能从一定程度上改善海面覆盖导频污染现象，但要从根本上解决问题比较困难。既然导频污染主要发生于同频信号之间，那么，为海面覆盖设立专用的频点，就能从根本上避免导频污染的出现。

    目前CDMA总共有7个频点可用，目前钦防北海面覆盖1X网络均启用283频点，另外预留37号频点用于1X增强型网络，那么便完全可以找出一个干净的频点覆盖海面，其余的4个频点则用于保证充足的网络容量。
在优化工程中，广西北部湾海域采用异频覆盖的方式来辅助解决导频污染现象，共设置海面覆盖242频点共载扇51个，引入近海辅助切换伪导频94个。

    改造后，当沿海陆地起呼用户占用283频点向涠洲岛移动发生切换时，异频切换到涠洲岛基站242频点上；当海面覆盖用户起呼时，因为待机在242频点，业务也占用在242频点；当向陆地移动发生切换时，通过陆地站点增加的242伪导频可以切换到陆地基站的信号。

    (4) 优化参数
    除以上无线网络的优化外，还需要对系统参数进行优化，使其适应海面覆盖的环境要求。

    无线参数主要调整载频设计功率、导频信道增益、寻呼信道增益、同步信道增益、有效集/相邻集/剩余集的搜索窗大小、PN_INC、init_power、nom_power、功率增量、接入试探数、覆盖半径等，其中又分近海和远海覆盖，参数有所不同。

    广西北部湾覆盖主设备是中兴通讯的设备，参照中兴通讯对于超远覆盖的无线参数建议，即按照覆盖100 km来考虑，1X参数建议采用如表3中的配置值。表4是DO数据业务参数的具体信息。

5 结束语
    文章对广西北部湾CDMA系统海面覆盖存在的问题，提出了若干解决方法。各种方案的积极探索和有效结合，必将使海面无线通信得到更好的发展。

    海洋覆盖工程是个艰巨的工程，也是为出海作业人员解决海上通信的一个大工程，这是沿海用户十分迫切的一个需求，潜在的市场前景非常广阔。

    经过中国电信广西公司对海面覆盖CDMA基站的优化和调整，目前北部湾海面CDMA网络覆盖已经得到了明显的改善。随着CDMA网络规模的日益扩大，广西北部湾海面覆盖将为提高天翼品牌价值，增加CDMA市场份额发挥重要的作用。

6 参考文献
[1] 孙英杰,董涛,高强. CDMA海面覆盖优化[C]// 2006移动通信网络规划与优化研讨会论文集,2006年9月7日-8日,广州.2006.

收稿日期：2011-07-08

[摘要] 随着北部湾经济区的快速发展，渔民及海洋作业人员的活动区域的不断扩大，人们对北部湾海面的通信要求也在不断提高。根据CDMA技术特点，通过异频组网、RRU设备上塔、级联技术并试点引入超导技术等措施，运营商对现有北部湾海面覆盖进行优化，不仅大大提升基站覆盖范围和覆盖质量，还为游客、渔民及海洋作业人员等提供满意的通信服务。因此，该区域的CDMA海面覆盖研究对运营商而言是一项具有重大战略意义的工作。

[关键词] CDMA 海面覆盖；信号传播；优化措施

[Abstract] With rapid development of the North Bay economic zone in Guangxi, and the expansion of fishing and other marine operations in the area, communications requirements in the Beibu Gulf are increasing. CDMA coverage in the Beibu Gulf can be optimized using different frequency networking, radio remote units (RRUs) on towers in the sea, and concatenation and superconducting technologies. These technologies improve the coverage range and quality for tourists and fishermen. CDMA coverage in the Beibu Gulf is of great strategic significance for operators.

[Keywords] CDMA sea coverage; signal propagation; network optimization