移动通信课程设计--GSM无线网络规划与设计.doc

摘要本次设计重点阐述基于兰州理工大学西校区的GSM无线网络规划与设计。无线网络规划移动通信网络建设的重要环节，处于无线移动网络建设的前期阶段，也是最重要的阶段，需要在综合分析已有网络运行状况（非新建网络）的基础上，合理规划无线网络的工程参数（如站址布局、基站数量、基站站型等），在建设成本允许的前提下，满足运营商对网络覆盖、容量和质量的要求体现了网络规划的系统设计水平。无线网络规划决定了今后网络的格局，网络质量和发展空间。 关键词：GSM，数字移动通信，网络规划目录前言1第1章GSM基础知识简介21.1 GSM系统组成21.2 GSM系统接口说明31.3 GSM系统的特点4第2章 GSM无线网规划流程及步骤62.1 GSM无线网规划技术62.1.1无线网络规划思想62.1.2指导思想62.1.3 规划要点72.2 GSM无线网规划步骤72.2.1 GSM网络规划流程图72.2.2网络规划的基本内容8第3章 GSM网络规划与设计103.1话务量及其计算103.1.1 话务量的概念103.1.2话务的统计及对用户的调查103.1.3话务量的计算113.2 呼损率123.3信道分配123.4基站站址选择143.5基站天线设置153.6 基站发射功率163.6.1 传播损耗163.6.2 基站最小发射功率17设计总结18致谢19参考文献20II前言 移动通信就是指通信双方，至少有一方是在移动中进行信息交换的通信方式。从移动通信的具体表现形式来分，陆地移动通信（PLMN）占有绝对的地位，是整个移动通信领域中的主要内容。从陆地移动通信的具体实现形式来分主要有模拟移动通信和数字移动通信这二种。目前我国各地的移动通信系统中大多采用GSM数字蜂窝系统。GSM 是一个蜂窝网络，也就是说移动电话要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单元区域。它技术更先进，功能更完备且通信更可靠，并能适应方便地与其他数字通信网的互连。自从1992年在我国嘉兴建立和开通第一个GSM引示系统，并于1993年9月正式开放业务以来，经过几年的蓬勃发展，目前GSM 系统已成为我国最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝系统。 第1章GSM基础知识简介1.1 GSM系统组成 蜂窝移动通信系统主要由网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、移动台（MS）组成。基站子系统（BSS）由基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)组成；网络子系统由由移动交换中心（MSC）、操作维护中心(OMC)、原籍位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)和移动设备识别寄存器(EIR)组成；移动台是GSM移动通信网用户使用的设备，包括移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)组成。基站子系统 基站子系统BSS在GSM网络的固定部分和无线部分之间提供中继，一方面BSS通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面BSS又连接到网络端的移动交换机。BSS可分为通过无线接口与移动台相连的基站收发信台（BTS）和另一侧与交换机相连的基站控制器（BSC）两部分，BTS负责无线传输、BSC负责控制与管理。BSS是由一个BSC与一个或多个BTS组成的，一个基站控制器根据话务量需要可以控制数十个BTS。BTS可以直接与BSC相连，也可通过基站接口设备BIE与远端的BSC相连。基站子系统还应包括码型变换器（TC）和子复用设备（SM）。网络子系统 主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需要的数据库功能，它对GSM移动用户之间的通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。MSC：移动交换中心，是GSM系统的核心，对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。VLR：拜访位置寄存器，是一个数据库，存储MSC处理所管辖区域中MS的来话、去话呼叫所需检索的信息。例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。HLR：归属位置寄存器，也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数：二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如：MSC、VLR地址等等。AUC：鉴权中心，用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（RAND、SRES、KC）的功能实体。图 1.1 GSM系统组成图EIR：设备识别寄存器，也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。BSC：基站控制器，具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等。BTS：基站收发信台，无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。移动台：就是移动客户设备部分，分为移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。1.2 GSM系统接口说明Um接口：是移动台（MS）与BTS之间的接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通。Abit接口：是BTS与BSC之间的接口，此接口支持所有向用户提供的业务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。A接口：是NSS和BSS之间的接口。该接口传送有关移动呼叫处理、基站管理、移动台管理、信道管理等信息，并与Um接口互通，在MSC和移动台之间互传信息。B接口：是VLR与MSC之间的接口。MSC通过该接口向VLR传送漫游用户位置信息，并在呼叫建立时向VLR查询漫游用户的有关数据。C接口：是HLR与MSC之间的接口。MSC通过该接口向HLR查询被叫移动台的选路信息，以获取被叫移动用户的漫游号码，确定呼叫路由。如以HLR作为计费中心，则在呼叫结束时向HLR发送计费信息。D接口：是HLR与VLR之间的接口。该接口主要用于在HLR与VLR之间传送移动台的用户数据、位置信息和选路信息。E接口：是相邻域的不同MSC之间的接口。该接口主要用于越局切换。F接口：是MSC与EIR之间的接口。该接口主要用于交换相关的国际移动通信设备识别码管理信息。G接口：是VLR之间的接口。当出现VLR切换时，新VLR通过该接口向原VLR索取IMSI和鉴权参数信息，以对该用户进行位置更新。1.3 GSM系统的特点1 频谱效率高：由于采用了高效调制器，信道编码，交织，均衡和话音编码技术，使系统有高频谱效率。 2 容量大：由于每个信道传输带宽增加（GSM信道带宽为200KHz，模拟制约为25KHz），使得同频复用载干比降低至9dB，故GSM系统同频复用模式可以缩小至4/12或3/9，甚至更小（模拟为7/21）。加上半速率话音编码技术的引入和话务分配使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比TACS高3-5倍。 3 话音质量高：GSM系统中只要在门限值以上，话音质量总是达到相同的水平而与传输质量无关。 4 开放的接口：A接口和Abis接口。 5 安全性：通过鉴权，加密和TMSI号码的使用达到安全的目的。 6 与ISDN，PSTN等的互连。 7 在SIM卡基础上实现漫游。 1.4 GSM工作频段的分配 我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900 MHz和1800MHz频段。（1）GSM900工作的无线频率分配为：GSM900：上行频率 890915MHz 下行频率935960MHz 双工间隔为45MHz，工作带宽为25MHz，载频间隔200KHz。 频道序号和频点标称中心频率的关系为：上行频率 下行频率 n=1124频道GSM900频段共有124个载波频道。 在我国GSM900使用的频段为：上行频率 905915MHz 下行频率 950960MHz 频道号为76124, 共10M带宽。（2） GSM1800工作的无线频率分配为：GSM1800：上行频率 1710-1785MHz 下行频率 1805-1880MHz（3） 双工间隔为95MHz，工作带宽为75MHz，载频间隔为200KHz。频道序号和频点标称中心频率的关系为：上行频率 下行频率 n=512885频道（3）保护带宽 当一个地区数字移动通信系统与模拟移动通信系统共存时，两系统之间（频道中心频率之间）应有约400KHz的保护带宽，通常是由模拟B网预留。第2章 GSM无线网规划流程及步骤2.1 GSM无线网规划技术2.1.1无线网络规划思想 无线网络规划移动通信网络建设的重要环节，处于无线移动网络建设的前期阶段，也是最重要的阶段，需要在综合分析已有网络运行状况（非新建网络）的基础上，合理规划无线网络的工程参数（如站址布局、基站数量、基站站型等），在建设成本允许的前提下，满足运营商对网络覆盖、容量和质量的要求体现了网络规划的系统设计水平。无线网络规划决定了今后网络的格局，网络质量和发展空间。 根据网络的容量需求来设置基站解决容量问题; 为解决覆盖需求设置基站改善覆盖; 为解决网络存在的问题设置基站改善网络服务质量; 为实现网络建设目标设置实现目标需要的基站。综合考虑地形/地貌、人口、经济和人文活动情况对覆盖区域进行分类，不同类型的地区有不同的需求，在规划分析的过程中应采用横向类比和纵向对比的分析手段提出不同的建设策略。由于移动用户具有移动性，用户分布是随着时间变化的，不同时间段会呈现出不同的话务分布，所以在规划过程中应充分考虑忙时与忙区的变化。工 程 与 设 计2.1.2指导思想 前瞻性：能攻满足未来一段时期内的业务需求 有效性：规划的结果能保证满足设计指标，提供预期的设计质量 经济性：能够尽可能地降低费用，尽量提高设备的利用率 反复性：网络规划不是一劳永逸的，需要反复进行调整和优化 整体性：无线网络是一个相互影响的系统规划不当后果：如果网络容量滞后于客户发展速度，会造成网络资源紧张，影响通话质量；如果网络容量远远超前于市场需求，势必造成网络资源的浪费。2.1.3 规划要点 GSM网络规划要点包括：覆盖规划、容量规划、无线参数规划（包括：频点规划、码资源规划、邻小区规划等等）。1. 覆盖规划 考虑不同无线环境的传播模型，考虑不同的覆盖率要求等来综合训练基站类型，使得达到无线网络规划初期对网络各种业务的覆盖要求。由于TD-SCDMA 系统各种业务覆盖半径近似相同，因此，各种业务的连续覆盖可以得到很好的平衡。进行覆盖规划时，要充分考虑无线传播环境。由于无线电波在空间衰减存在较多的不可控因素，相对比较复杂。应对不同的无线环境进行合理区分，通过模型测试和校正，滤除无线传播环境对无线信号快衰落的影响，得到合理的站间距。2. 容量规划 考虑不同用户业务类型来进行网络容量规划。一般在城区的业务量比在郊区业务量大，同时各种地区的业务渗透率也有很大不同，应对规划区域进行合理区分，并进行业务量预测，来进行容量规划。3. 无线参数规划 无线网络规划阶段，主要包括邻接关系规划、频点规划和码资源规划。首先根据覆盖仿真和小区拓扑结构进行邻小区规划，同时邻接关系规划结果也作为扰码规划的输入。其次考虑用户数和用户构成，考虑可用频点资源多少，考虑业务类型和业务量，考虑选择的站型，综合训练频点的分配。2.2 GSM无线网规划步骤2.2.1 GSM网络规划流程图 GSM无线网络规划设计目标是指导工程以最低的成本建造成符合近期和远期话务需求，具有一定服务等级的移动通信网络。具体地讲就是要达到服务区内最大程度的时间、地点的无线覆盖，满足所要求的通信概率；在有限的带宽内通过频率复用，提供尽可能大的系统容量；尽可能减少干扰，达到所要求的服务质量；在满足容量要求的前提下，尽量减少系统设备单元，降低成本等几个方面目标。 GSM无线网络规划与优化是一个阶梯式循环往复的过程。对与一个GSM网络来说，移动用户在不断地增长，无线环境在不断的变化，话务分布情况也在变化之中，因此，GSM网络是在循环反复的网络规划与优化的过程中不断发展壮大起来的。无线网络规划工作的总体流程可用下面的流程图表示出来。开始资料收集与调查分析容量/规模估算勘察与站点初始布局频率规划与损耗否是否满足设计目 标是规划结束 图2.1 规划流程图2.2.2网络规划的基本内容 为了使所设计的网络尽可能达到运营商要求，适应当地通信环境及用户发展需求，必须进行网络设计前的调查分析工作。调查分析工作要求做到尽可能的详细，充分了解运营商需求，了解当地通信业务发展情况以及地形、地物、地貌和经济发展等信息。 根据对规划区内的调研工作，综合所收集到的信息，结合运营商的具体要求，在对规划区内用户发展的正确预测基础上，根据营运商确定的服务等级，从而确定整个区域内重要部分的话务分布和布站策略、站点数目和投资规模等，充分考虑当地高层建筑及塔的分布，基本确定站点分布及数目。对于站点的位置及覆盖半径，必须考虑到话务需求量、传播环境、上下行信号平衡等对基站覆盖半径的限制，建站的综合成本等诸方面的因素。 对网络进行初步容量规划。 无线覆盖规划最终目标是在满足网络容量及服务质量的的前提下,以最少的造价对指定的服务区提供所要求的无线覆盖。无线覆盖规划工作有以下几个部分：初步确定工程参数如基站发射功率、天线选型（增益、方向图等）、天线挂高、馈线损耗等。进行上下行信号功率平衡分析、计算。通过功率平衡计算得出最大允许路径损耗，初步估算出规划区内在典型传播环境中，不同高度基站的覆盖半径。 将数字化地图、基站名称、站点位置以及工程参数网络规划软件进行覆盖预测分析，并反复调整有关工程参数、站点位置，必要时要增加或减少一些基站，直至达到运营商提出的无线覆盖要求为止。 频率规划决定了系统最大用户容量，也是减少系统干扰的主要手段。网络规划工程师运用规划软件进行频率规划，并通过同频、邻频干扰预测分析，反复调整相关工程参数和频点，直至达到所要求的同、邻频干扰指标。第3章 GSM网络规划与设计3.1话务量及其计算 在语音通信中，业务的大小用话务量来度量。3.1.1 话务量的概念 话务量又称为话务负荷和电话负荷，是反映系统话务负荷大小的量，它指从主叫用户出发，经网络到达被叫用户的话务流量。显然，呼叫次数越多，每次呼叫占用的时间越长，交换机的负荷就越重。所以影响话务量的基本因素是：呼叫次数和占用时长。话务量的计算公式为： （2.1）式中 A话务量； 单位时间内发生的平均呼叫次数； t每次呼叫平均占用信道时长。话务量的单位叫“爱尔兰”,或叫“小时呼”，简写为Erl。3.1.2话务的统计及对用户的调查本次课程设计为兰州理工大学西校区校园GSM无线移动网规划，在我们做出调查的基础上，进行分析和计算，然后整体规划布局。调查结果如下：北村：宿舍有A.B.C.D.E.F.G.H.共8栋，每栋有七层，每栋楼有182个宿舍，每个宿舍6个人，大约有8740部移动电话。南村，宿舍有A.B.C.D.E.F.G.H和南苑9号楼，前8栋的分配和北村相同。南苑9号共有245个宿舍，每个宿舍大约6部电话，总共有1470部电话。因此南村总共有10211部移动电话。 经过调查，西校区现有移动电话数约为19152部，西校区还有教职工、后勤人员和其他流动人员1000人，可考虑到未来的扩建增加学生和办公人员人数，初步设计用户电话容量为25000部，能够满足较长一段时间的需求。 在学生的调查中，一般打电话最忙的时间为中午11:00到13:00，下午17:00到19:00，晚上21：00到23：00之间，时长大概在5min左右。对办公人员的调查，一般打电话最忙时间为上午工作时间9：00到12:00，下午14:30到17:30左右，办公通话次数较为频繁，一般为5次，每次通话时长大概为2min，即在1h内共通话10min。由于学校存在寒暑假，这个时候信道几乎是闲置的。通过以上调查，我们可以算出忙时话务量。在网络规划中通常采用忙时话务量为设计指标，并认为GSM网络能够支持忙时话务量也必然能够应付平时的话务量。3.1.3话务量的计算 忙时话务调查发现，学生的最忙时为晚上21：00到23：00，而其他办公人员为早上9：00到11:30，因为忙时话务量的抽样调查时按人为单位的，所以忙时话务量BHCA分学生和办公人员分别计算，忙时话务量调查及计算： 表1忙时话务量调查忙时 平均时长/次 次数 学生11: 3013: 0017: 3019：0021：0023：00 4min 3次办公人员9：0012：00 14：3017：30 2min 5次 每个用户在24小时内的话务量分部是不均匀的，网络设计应按最忙时话务量来进行计算。最忙一小时内的话务量与全天话务量之比称为集中系数，用k表示，一般k=10%至15%之间。现在，我们取k=0.1，则每用户的忙时话务量： 学生 Erl （3.1）办公人员 Erl （3.2）因学生和办公人员的忙时不同，而且学生数远大于办公人员数，所以最忙时应为晚上21：00到23：00，所以可以选取这个时间的话务量为忙时话务量。由于每个小区的话务量可以表示为： （3.3）式中，a是每用户平均话务量(Erlang/用户)，d为用户分布密度(用户数/)，S为小区面积()。由上式可知，话务量的计算应该是每用户平均忙时话务量与一小时内同时通话人数的乘积，已知a=0.025(爱尔兰/每用户)，平均一小时同时通话人数为650人，则 Erl (3.4)3.2 呼损率由于交换系统的话源数远远大于话路数M，发生“k个用户同时呼叫”这一事件又是纯随机事件，因此可能出现用户呼叫时，交换系统的M条话路已全部被占用（kM）,在网络中找不到一条空闲出线，致使接续不能建立，从而使这次呼叫损失掉的情况出现，这是不能避免的事件。这时，系统的流入话务量要大于系统的完成话务量。我们将流入话务量与完成话务量之差称为损失话务量。损失话务量与流入话务量之比，就是呼叫损失率，简称呼损。呼损应称为呼损概率，它是一种偶然事件。呼损数值的大小与出线占用的概率分布有关。在相同的出线数和相同的话务量时，占用的概率不同，呼损值也就不同。在一定概率分布下，呼损值与出线数和话务量有关，出线数相同时话务量越大，呼损越大；话务量相同时出线数越多，呼损越小。一般市区的呼损率为2%左右，郊区为5%左右，由于兰州理工大学西校区处在市区，我们取呼损率为2%。3.3信道分配ErlangB模型公式是移动蜂窝网络话务设计时最常用的公式。ErlangB是假定所有未能找到空闲频道的用户即放弃呼叫要求，也就是说用户发出呼叫后没有空闲频道就不再试呼而算阻塞。在公用移动电话网中，虽然系统设计时设定一个蜂窝（或扇区）的用户第一次呼叫得不到空闲频道时将继续试呼，但由于有“扇区共享”或“定向重试”功能将该用户受阻塞的呼叫引导到另一个扇区去寻找空闲频道而离开它最初要求接入的扇区，所以对每个扇区的用户来说，用户的呼叫都是“没有空闲频道就放弃呼叫”，结果使总的阻塞特性比较接近于ErlangB呼叫规律的要求。ErlangB模型公式描述了业务信道（中继信道）数量、服务等级（呼损率）和能提供话务量三者之间的关系。利用爱尔兰呼损公式和呼损计算表，呼叫必须具备如下性质：每次呼叫互相独立，互不相关（呼叫具有随机性）；每次呼叫在时间上都有相同的概率；当呼叫得不到空闲频道即作为呼损，而不是等待某个时间以便得到空闲信道。ErlangB公式为： （3.5）其中B为呼损率（服务等级GOS），A为可提供的话务量，N为信道数。一般做规划时，GOS是确定下来的，我们可直接通过查找用此公式得到的Erlang-B表来得到要达到提供话务量所需的信道数或已知信道数能提供的话务量。下表是常用到的Erlang-B表Erlang-B表：表3.1GOSN1%2%5%10.010.020.05320.1530.2230.38130.4550.6020.8992213.6514.917.132314.4715.7618.082415.316.6319.032516.1217.519.992616.9618.3820.942717.0819.2621.9由表3.1可以查出，信道数N为24，每个信道为8个载频，所以全网共有个载频。由于扩容后的总人数为25000，根据公式3.6，可以算出每个信道能容纳的用户数m为 (个) （3.6）3.4基站站址选择图3.1 基站站址示意图本次规划把兰州理工发大学西校区看作一个小区，设置一个基站进行校园GSM网络覆盖。根据比例尺可以得到兰州理工大学西校区的周长c约为3300m，根据公式 （3.7）根据公式3.6可以算出校园半径大约为525.47m，根据兰州理工大学西校区的人员分布和校园几何分布，基站的天线架设到西校区南村东侧食堂楼顶,如图3.1所示。3.5基站天线设置天线是移动通信系统的重要组成部分，直接关系到移动通信网络的覆盖范围和服务质量。例如呼损率、掉话率、切换成功率等。网络营运的指标均与无线覆盖密切相关，而天线的选择和设置作为控制无线网络覆盖的基本手段，对于改善网络性能至关重要。天线的性能指标分电气性能指标和机械性能指标，其中电气性能指标包括增益、波瓣宽度、极化方向、电压驻波比、端口隔离度、上旁瓣抑制、前后比、功率容量、三阶交调、频率范围等；机械指标包括天线的尺寸、重量、调整范围、温度、最大风速、接头型式、天线抱杆、安装和下倾辅件、防雷等，决定了天线的工作环境和安装要求。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。根据方向性的不同，天线有全向和定向两种。1定向天线：在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，是指在某一个或 某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其它的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率，增加保密性；采用定向接收天线的主要目的是增加抗干扰能力。2全向天线：即在水平方向图上表现为360都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性。一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在通信系统中一般应用距离近，覆盖范围大，价格便宜。增益一般在9dB以下 。综合考虑兰州理工大学的校园人员密集度和人员流动性等综合情况，在本次课设中我们采用全向天线。当天线以垂直方向安装以后，它的发射方向是水平的，由于要考虑到同频干扰，时间色散等问题，小区制的蜂窝网络的天线一般有一个下倾角度。天线高度指面天线离地面的距离即为天线高度，本次设计基站天线高度为H=12m(楼高)+2m（天线高）=14m。已知条件天线高度H，所希望得到的覆盖半径R，天线垂直平面的半功率角A。需确定天线倾角B。小区半径与天线高度之间的关系如下图3.2所示：图3.2 小区半径与天线高度关系图天线与小区半径的夹角为，则下倾角为 （3.8）3.6 基站发射功率3.6.1 传播损耗Cost-231模型的适用范围：频率f：8002000MHz；距离d：0.025km；基站天线高度：450m；移动台天线高度：13m。因为小区半径R为525.47m,符合微蜂窝的覆盖半径范围，所以采用微蜂窝的COST-231传播模型。则可视传播损耗的计算公式为 （3.9）式中损耗以dB计算，距离d以km计算，频率f以MHz计算。非可视传播路径损耗公式为 （3.10） 式中是自由空间传播损耗，是屋顶至街道的绕射及散射损耗，是多重屏障的绕射损耗。自由空间传播损耗的计算公式为 (3.11)屋顶至街道的绕射及散射损耗的计算公式为 （3.12）其中为街道宽度为5m,距离d为0.6km,频率为900MHz, 基站天线高度为14m,是建筑物高度与移动台天线高度之差，=14m， =1.5m, ,是考虑到街道方向的实验修正值，由于本设计中不考虑其值为零。则将这些数据代入公式中，得出可视传播损耗为96dB，非可视传播路径损耗为114.6dB。3.6.