（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊神经网络的gsm掉放故障诊断系统设计与实现.pdf

j1li1i。-。、 j，jlrifr：，彤讯 曩l，jilll0ij，il111 p j 0 童二 at h e s i si nc o n t l l d lt h e o qa n dc o n t r o l t h e d e s i g na n d r e a l i z a t i o no nv 0 i c ed r o pf a u l t d i a 2 n o s i so fg s mu l a 2 n 0 s l s0 lb 3 m n e t w o r kb a s e do n f u z z yn e u r a ln e t w o r k b ys u n y u f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gj i a n h u i n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 0irry 柏 【 l，一蓍 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 d 蝴 !作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：蜀胄弗 签字日期： 沙。g 7 9 导师签名： 签字日期： ，、 淳li，一 幺可 穿甜 。 名 澎 躲 凇 者作 ： 文 期 沦位学 日 璐 l l c z t j | 萎 f 一 0 i 1 东北大学硕士学位论文摘要 基于模糊神经网络的g s m 掉话故障诊断系统设计与实现 摘要 在g s m 故障诊断中，故障现象和故障原因之间的关系是复杂的、非线性的，它们 之间难以建立精确的数学模型，给g s m 网络故障诊断人员分析问题、处理问题和解决 问题带来很大的难度。 针对上述问题，本文采用模糊神经网络技术，在对g s m 网络故障诊断分析的基础 上，建立了关于g s m 的模糊神经网络故障诊断系统模型，较好地解决了常规诊断算法 难以对g s m 网络故障类型建模的难题。用m 棚。a b 语言对此模型进行了训练，确定了 网络的连接权值和模糊隶属度函数，并对模型做了仿真，实验验证了所建故障诊断模型 的正确性。在所建基于模糊神经网络的g s m 网络故障测试和分析模型的基础上，设计 出对g s m 网络进行数据采集和故障诊断的硬件结构和软件系统。 结合实际工作中的应用需求，本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对论文课题的提出、国内外的发展动态进行了简要概述，并简要介绍了对本 课题研究的目的和意义。 ( 2 ) 对g s m 移动通信网络系统的主要特点和技术参数进行了总结，并总结出g s m 网络掉话的故障类型和故障原因。以上内容为下一步进行g s m 网络故障诊断分析和方 法研究提供必要的理论基础。 ( 3 ) 主要对故障诊断方法进行了比较和论证，最终确定了本系统的故障诊断方法 为将模糊理论与神经网络理论相结合的模糊神经网络故障诊断方法。 ( 4 ) 根据前面总结出的g s m 网络的故障类型和故障原因，归纳出能准确反映g s m 网络工作状态的数据和信号，使之作为诊断系统的输入量。建立了具体的g s m 网络故 障诊断系统的模糊神经网络故障诊断系统的模型。根据所归纳整理的故障类型和故障诊 断所需的输入量，确定整个模糊神经网络系统模型的输入层神经元个数、输出层神经元 个数、网络的层数以及隐层的神经元个数。采用m 矧a b 软件作为模型的仿真软件， 通过该软件训练网络，从而确定输入数据模糊化的隶属度函数和网络的连接权系数( 或 模糊关系矩阵) 。通过一定的仿真、性能测试试验，以及比较和研究，验证所设计系统 的实用性，模糊神经网络故障诊断专家系统理论的正确性，从而完成本课题的理论研究。 ( 5 ) 系统的硬件和软件设计。在前四章工作的基础上，设计可进行g s m 掉话故障 诊断系统的硬件组成和软件系统。 一i i 摘要 对全文进行了总结，并且对今后进一步的研究方向进行了分析和展 故障诊断；模糊神经网络；m a t l a b 辜 蠢r l 寺 l 士 童 叠 y d l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e s i g na n d r e a l i z a t i o no n1 1 i 厂0 i c ed r o pf a u l t d i a g n o s i so fg s m n e t w o r kba s e do n f u z z y n e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t h lg s mn e t w o r kf a u l td i a g n o s i s ，i ti se x t r e m e l yh a r dt 00 b t a i nap r e c i s em a t h e m a t i c a l m o d e l ，b e c a u s et h er c l a t i o n s h i pb e t w e e nf a u ns y m p t o m s 卸df a u l tc 刹略ei sc o m p l i c a t e d 柚d n l i n e a l ( b n s e q u e n t l y ，i ti sv e 巧d i f i c u l tt 0 觚a l y z e ，d i a 印o s e ，锄ds o l v et h o s ep r o b l e m sf o f ag s mn e 铆o r kf a u l td i a g n o s i se n 酉n e e r 觚o r d i n gt 0m ea b 0 v e - m e n t i o n e dq u e s t i 伽，b ym e 柚s0 ft h es t u d y 咖c a l c l i l a t i o n p r i i l c i p l eo ff u z z y - n e u r a ln e 觚o r k ( f 如m 柚d0 nt h eb 筋eo ft h eu s eo ff n ni nd i a 印o s i s t e c h o l o g y t h ef u z z y - n e u r a ln e 觚o r km o d e lf o rg s m n e t 、) l ，o f kf a u l td i a g l l o s i ss y s t e mi ss e tu p ， i nt h et h e s i s t 1 l em e t h o dp r e f e m b l ys o l v e st h ed i 笳c u l tp r o b l e mw h i c hg e n e r a ld i a g n o s i s a r i t h m e t i cc 觚h a r d l yb u i l dm o d e lf o rg s mn e t w o r kf a u l td i a g n o s i ss y s t e m t l l l em o d e li s t r a i n e db ym 加_ 】l a bs o f t 、) l ，a f e 觚dt h es ) ，i l a p t i cw e i g l l tv a l u e 觚df u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o n o ft h cn e t w o r ka r ed e t e 彻i n e d t l l em o d e li ss i l l l u l a t e du s i n g 地蚴s o 脚a r e ，锄dt h e c o r r e c t n e 鼹o ft h em o d e li sv a l i d a t e d b a s e do nt h em o d e l 蛐dt h r o u 曲u 1 eu s e0 fg s m n e t w o r kf a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，t h es y s t e m sh a r d w a r et h a tc a na c c o m p l i s hd a t ac o l l e c t i n g 弛d f a u l td i a 印0 s i sf u n c t i o n ，t h eh a r d w a r ec o n f i g i l r e sa n dt h es o 胁a r ep l 锄sa r ew o r k e d0 u t f r o mt h en e c e s s a 巧o fe n 百n e e r i n gr e a l i z a t i o n ，t l l em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e f i n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ，n l ea i mo ft h e s i si s p u tf b 刑a r d ， f i r s t l y n e n ， t h ed 啪e s t i c觚d0 v e r s e a s d e v e l o p m e n t so fg s mv o i c cd f o pd i a g n o s i sa r es u m m 撕z e d a tl a s t ，t h ep u 叩o s e s 柚d m e 觚i n g s0 ft l l i st h e s i sa r e i n t r o d u c e d 2 t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fg s mm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e 觚0 r ks y s t e ma r e s u m m a r i z e d ，a i l dt h em a i nf 1 0 w s 觚dc o n t e n t sa r ea l s oi n t r o d u c e d l t h e w o r ka b o v ei st h eb a s i so ff a u l td i a 萨o s i s 彻d 锄a l y s i sf o rg s mn e 俩o r k 3 b ya n a l y z i n gt h ef a l l l td i a 印o s i sm e t h o d so ft h es y s t e mf o rg s mn e t w o r k ，t h ef u z z y n e u r a ln e t w o r km e t h o df o rf a u l td i a g n o s i si ss e l e c t e d ，w h i c hc 0 m b i n e st h ef u z z yn e u f a l n e 呐o r kw i t ht h eg s md a t a b 硒eo fn e t 、) l ，o r ko p t i m i z a t i o ne x p e r i e n c c 4 t h ef a u l tt y p e s 趾df a u l tc a u s e s0 fg s mn e 研o r ka r e0 b t a i n e df 硒ms o m es e n i o r e n 舀n e e r s a c c o r d i n gt ot h a ti n f o 姗a t i o n ，t h ei n p u tv a r i a b l e so fd i a g n o s i ss y s t e ma f ei n d u c e d ， w h i c hc 卸d e n o t et h es t a t e s0 fa w o r k i n gg s m n e t w o r k a ne x p e r td a t a b a s eo ff a u l td i a g n o s i s t v 气 ? 东北大学硕士学位论文目录 ” j 坤 目录 独创性声明。i 摘要ii a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 课题的提出。1 1 2 故障诊断技术的发展与研究现状1 1 3 课题研究的目的和意义。4 1 3 1 课题研究的目的4 1 3 2 课题的理论意义和实际应用价值4 1 4 论文的主要工作5 第2 章g s m 移动通信基础及掉话问题分析。7 2 1g s m 数字移动通信系统7 2 1 1g s m 系统的基本特点7 2 1 2g s m 系统的组成7 2 1 3g s m 系统的业务功能9 2 2g s m 无线网络通信基础1 0 2 2 1g s m 网络的性能指标1 0 2 2 2g s m 系统的呼叫处理1 0 2 2 3 导频集1 0 2 2 4 移动台的搜索窗口1 1 2 3g s m 无线网络掉话问题分析1 1 2 3 1g s m 网络特性的分析1 1 2 3 2g s m 网络掉话故障分类1 2 2 4 本章小结1 6 第3 章智能故障诊断方法1 7 3 1 专家系统故障诊断方法1 7 3 1 1 专家系统的基本结构1 7 3 1 2 采用专家系统进行故障诊断的优缺点1 9 一v l 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 模糊逻辑故障诊断方法1 9 3 2 1 模糊规则库2 0 3 2 2 模糊推理机2 l 3 2 3 模糊化和反模糊化2 3 3 2 4 采用模糊逻辑进行故障诊断的优缺点。2 5 3 3 神经网络故障诊断方法2 5 3 3 1 神经元模型2 6 3 3 2 神经网络模型。2 7 3 3 3 采用神经网络进行故障诊断系统的优缺点3 0 3 4 模糊神经网络故障诊断方法3 1 3 4 1 模糊神经网络模型3 1 3 4 2 模糊神经网络的剪裁3 2 3 5g s m 掉话故障诊断方法的确定3 3 3 6 本章小结3 4 第4 章模糊神经网络g s m 掉话故障诊断模型的建立3 5 4 1 模糊神经网络故障诊断模型的构造基础3 5 4 1 1 模糊神经网络故障诊断系统的诊断原则3 5 4 1 2 信号选择及信号预处理3 5 4 2 模糊神经网络模型的构造：3 6 4 2 1 输入层节点的确定。3 6 4 2 2 量化层的确定3 6 4 2 3 隐含层神经元个数的确定3 7 4 2 4 输出层节点的确定3 8 4 3 模型的建立及仿真3 8 4 4 本章小结4 3 第5 章g s m 掉话故障诊断系统的设计与实现4 5 5 1 硬件结构组成4 5 5 2 软件系统设计。4 7 5 2 1 s u a lc + + 集成开发环境介绍。4 7 5 2 2 软件系统结构设计4 8 5 2 3 网络参数采集子系统4 8 5 2 4g p s 定位子系统5 0 5 2 5 神经网络故障诊断子系统5 2 5 3 本章小结5 4 一v i i 一 j ， 东北大学硕士学位论文目录 第6 章总结与展望唧- 5 5 6 1 工作总结。5 5 6 2 研究展望5 5 参考文献5 7 致谢6 1 一v i i i 目录 一i x 一 曩 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出 在移动通信网络中，无线传播环境的变化以及频繁的网络扩容和升级，导致无线网 络的性能不断变化。而随着网络运营竞争的加剧，给用户提供越来越完善的网络服务和 完美的网络质量己经成为各个运营商相互竞争的焦点。而网络的持续优化是保障网络质 量的关键，已经成为移动通信运营商的重要日常工作。在日常的网络故障分析当中，网 络工程师迫切需要有一整套辅助测试工具对网络进行测试、分析和诊断，以快速而有效 的排除网络故障，提高网络性能，更好的服务于用户的网络需求及使用质量。 但是在实际的网络故障诊断过程中，会遇到多种多样的问题和现象，这种问题和现 象的产生是复杂的，且与无线网络环境息息相关，仅仅通过测试软件的测试和分析是远 远不够的，还需要网络工程师大量的工作经验的支持。利用前馈神经网络自身非线性， 通过直接把无线网络专家数据库数据作为神经网络的训练数据，对应预定的输出数据， 利用改进的b p 算法使其误差函数达到最小，从而归纳出隐含在系统输入、输出数据中 的关系【圳。这个关系隐含在神经网络内部，它不需要知道对象的精确数学模型，只需 用神经网络逼近动态系统输入和输出之间的非线性关系，这样经过训练的神经网络就可 以成为描述系统的模型，以此来建立适合不同区域要求的智能化网络故障诊断软件。该 软件能有效减轻网络工程师的工作强度，提高工作效率，加快故障诊断的定位和解决的 速度。 优秀的网络故障诊断系统有助于网络工程师准确定位或预测网络中存在的问题，以 便及时对这些问题进行处理。但是网络的测试数据是繁杂的、交互的，不同的测试数据 所代表的网络状况不同，相同的测试数据不同的无线环境也会产生不同的网络状况或故 障，两者之间无法用特定的数学模型来精确描述，大多数情况下只能是凭借工程师的经 验来综合判断【5 一。 1 2 故障诊断技术的发展与研究现状 所谓故障诊断就是根据故障时所呈现的各种现象，应用一定的诊断规则得出故障原 因的过程。可以用图1 1 表示故障诊断过程川。 匪匹圃圣 j 叵 l 一，一【一一 。，。j l ，。、一 图1 1 故障诊断过程 f i g 1 1t h ep r o c e s so ff a u l td i a g n o s i s 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 信息采集 当某种故障发生时或发生后，必然会伴随着各种运行参数的变化和一些故障信号的 出现，这些量包括模拟量和开关量，通称为信息。这些信息是进行故障诊断的前提和依 据。信息采集系统的任务就是尽可能地收集伴随故障而出现的各种信息。 根据信息采集方式的差异，故障诊断可以分为在线诊断和离线诊断【引。在线诊断是 指对故障进行同步的诊断和分析，在线诊断实时性强，能够连续地处理实时传送的大量 信息，特别是随着电子计算机和微电子技术的发展，其功能愈来愈强大。但是实时系统 投资大，现场施工繁杂，其投资随着所获得信息量的增加而增大，并且传送的各种数据 容易受到现场环境的干扰，如电磁干扰、机械震动、粉尘污染等。离线诊断是指事后对 故障进行诊断和分析，离线诊断相对在线诊断而言，其实时性较差，但其投资小，且处 理结果不受各种环境因素的影响。所以，选用哪种诊断方式，需要根据各方面的条件综 合考虑，也可以采用两种方式相结合的方法。 ( 2 ) 信息处理 信息采集系统采集的各种信息并不能直接作为整个诊断系统的输入，这是因为采用 不同诊断规则和诊断方法，其对输入量的要求也有所不同。因此，对所采集的信息要根 据所采用的诊断规则进行相应的处理，使之符合要求，这就是信息处理系统的任务。 ( 3 ) 故障诊断 故障诊断的任务就是根据输入的信息，按照一定的诊断规则和诊断方法给出诊断结 果。目前，常用的故障诊断方法有：专家系统、模糊理论、神经网络以及这三种方法相 互结合而衍生的一些其它方法。故障诊断系统可以根据不同的诊断对象所具有的特点而 采用不同的诊断方法1 9 】。 ( 4 ) 结果输出 由于诊断输出的结果并不直观，故需要进行一定的处理使之具有良好的人机界面， 以便于观察比较得出结论。有时还需要对输出结果进行分析比较、打印或存盘，这些都 是输出系统的任务。 故障诊断技术在过去几十年里得到了飞速的发展，一些新的理论与方法如：主元分 析、遗传算法、小波变换、神经网络、模糊推理、模式识别、非线性理论等都已经得到 成功的应用【1 0 】。基于解析模型的方法是最早发展起来的，此方法需要建立被诊断对象的 较为精确的数学模型。进一步，它又可以分为参数估计方法、状态估计方法和等价空间 方法。非线性系统的故障诊断的难点在于数学模型很难建立，相比之下参数估计法比状 态估计法更适合非线性系统，因为非线性系统的状态观测器的设计有很大的困难。目前， 只有对某些特殊的非线性系统有研究，而通常的等价空间方法仅适用于线性系统。 当难以建立诊断对象的解析数学模型时，基于信号处理的方法是非常有用的，因为 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 这种方法回避了抽取对象的数学模型的难点，而直接利用信号模型，如相关函数、高阶 统计量、频谱和自回归滑动平均过程，以及现在热门的小波分析技术，这种方法对线性 系统和非线性系统都是适用的。 基于知识的方法与基于信号处理的方法类似，也不需要系统的定量数学模型，但它 克服了后者无法利用专家知识的缺点，引入了诊断对象的许多信息，特别是可以充分利 用专家诊断知识等，所以是一种很有前途的方法，尤其是在非线性系统领域。基于知识 的方法还可分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。 基于症状的方法包括专家系统方法、模糊推理方法、模式识别方法、神经网络方法 和模糊神经网络方法等；专家系统擅长逻辑推理和符号信息处理，但是其知识获得能力 和容错能力较差，系统脆弱，一旦问题超出了系统所拥有的专业领域经验知识，出现系 统未预计到的情况，即使问题所涉及到的知识与现有专业领域知识有细微偏差，系统也 得不出正确结论。其次，其推理能力较弱，对于复杂的问题及任务，其求解时间较长， 甚至可能产生组合爆炸问题，并且其自学能力也较差，现在已经出现了将专家系统与神 经网络相结合的第二代专家系统。模糊理论克服了专家系统的一些弊病，但是其模糊关 系矩阵的确定需要凭借专家的经验知识，复杂而不可靠，且没有自学习能力，不能记忆 以前的故障诊断经验。人工神经网络具有高度的容错性、联想性和自学习能力，因此在 故障诊断领域得到广泛的应用，但它的知识表达能力差，对知识的解释困难，初始权值 设置任意性强，这是其本身难以克服的缺点【1 1 】。 基于定性模型的方法包括定性观测器、定性仿真和知识观测器等。神经网络是模仿 人脑的神经元的功能，具有强大的自学习和能拟合任意连续非线性函数的能力，以及其 并行处理、全局作用的能力使得它在处理非线性问题和在线估计方面有着很强的优势。 另外，模糊推理、定性观测器等具有较强的结构性知识表达能力，善于处理不确定、不 准确的知识，符合人的自然推理过程，与神经网络结合，有着巨大的应用前景。 目前，关于非线性系统的故障诊断技术的研究正方兴未艾，尤其是控制理论、信号 处理、人工智能、模式识别等学科的发展，为非线性系统的故障诊断技术提供了丰富的 理论基础。基于解析模型的故障诊断方法的主要成果仍然集中在线性系统，深入研究非 线性系统的通用故障诊断技术具有重要的意义，同时，鲁棒性问题是也具有很高的研究 价值。基于信号处理的故障诊断方法虽然发展得比较完善，但对非线性系统的故障诊断 的应用还不多。小波变换技术是这种方法中的热点。基于知识的方法无需系统的定量数 学模型，因此对于复杂的工业过程具有实际应用价值。其中基于定性模型的方法近年来 得到很大的发展。另外，随着人工智能的发展，基于神经网络和模糊技术的故障诊断方 法也研究得越来越深入1 1 2 1 4 】。 在实际的工程应用领域，许多用于故障诊断的系统已经研制成功，如西屋电力公司 一3 一 第1 章绪论 的汽轮发电机组故障诊断专家系统、b a t t l el a b s 研制的电厂腐蚀监测系统、美国电力科 学院研制的电厂热耗率专家系统、预测性维修指导专家系统等。 1 3 课题研究的目的和意义 一 1 3 1 课题研究的目的 肇 传统的g s m 故障诊断是网络工程师依据经验和手册来确定故障原因，任务繁重， 而且对于新从事网络故障诊断的工程师来说还很容易误判，网络的维护和优化的效率不 高。移动通信的用户的日益增多，使得无线网络容量不断扩大，导致无线网络的性能不 断变化。无线网络的故障诊断已成为移动通信运营商的重要日常工作，网络工程师迫切 需要有一整套辅助工具对网络进行数据采集、分析和故障诊断。一套完善和高效的网络 故障诊断工具是保持和提高网络质量的前提。但是移动通信网络的故障具有特殊性，很 多故障的产生是和具体的无线网络环境分不开的，大多数情况下需要网络工程师的经验 来判断和排除。 。 在实际的网络诊断中，应用最广的一般的测试方法是驱车路测，所有的测试仪器放 置于车内。特别是在城区，由于无线网络环境的复杂性导致了网络问题的复杂性，对网 络故障的判断往往需要反复测试，由于城市交通的不便性导致了处理网络故障效率的低 下，并且实际运营商的测试人员往往工作经验较少，大多棘手的问题还要有资深工程师 在后台处理，但后台处理缺少现实的网络环境，往往也不能很快的发现并解决问题。 针对以上的问题，本课题研究的目的在于设计种操作简单的g s m 掉话故障诊断 系统，对g s m 网络的数据参数、地理参数等进行测试和分析，并通过结合网络优化专 家的经验，应用模糊技术、神经网络技术到g s m 网络的故障诊断系统中去，以有效的 提高g s m 网络故障诊断的及时性、有效性和智能化。 1 3 2 课题的理论意义和实际应用价值一 在理论上，本课题应用前馈神经网络特殊的非线性特性，解决繁杂的网络测试数据、 网络测试环境与网络故障难以用特定的数学模型来精确描述的不确定性。并结合网络优 化工程师的经验和测试数据，应用模糊技术进行智能化的输入和输出，及时而有效的发 现并分析、解决g s m 网络问题。 期在实际应用方面，由于中国移动的g s m 移动通信网络正处于大规模的建设，在 网络形成规模后，测试、维护和故障诊断将成为日常工作。对于复杂的网络故障问题， 通过神经网络技术得以简化，部分代替工程师的分析来实现智能化，以此来提高网络故 障处理的及时性和有效性，有着广泛的应用前景。 一4 一 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 论文的主要工作 伊。，：磷 本课题将现有的模糊技术和神经网络技术应用到g s m 无线网络的智能故障诊断 中，融合资深网络工程师的经验，结合实际工作中的应用需求，开展了如下的研究工作： ( 1 ) 对g s m 移动通信网络系统的主要特点和技术参数进行了总结，根据资深网络 工程师的经验总结出g s m 网络的故障类型和故障原因，归纳出能准确反映g s m 网络 工作状态的数据和信号，使之作为诊断系统的输入量。 ( 2 ) 建立了g s m 网络故障诊断系统的模型。根据所归纳整理的故障类型和故障诊 断所需的输入量，确定整个模糊神经网络系统的模型的输入层神经元个数、输出层神经 元个数、网络的层数以及隐层的神经元个数。 ( 3 ) 输入输出量的处理。为了使输入量符合神经网络的要求，对不同的输入量进 行相应的处理。同时，为了使输出结果更加直观，对输出量也进行相应的处理。 ( 4 ) 训练模糊神经网络系统。采用m a na b 软件作为模型的仿真软件，通过该软 件训练网络，从而确定输入数据模糊化的隶属度函数和网络的连接权系数( 或模糊关系 矩阵) 。 ，。 ( 5 ) 通过一定量的仿真、性能测试试验，以及比较和研究，验证所设计系统的实 用性，模糊神经网络故障诊断系统理论的正确性。 ( 6 ) 设计了g s m 网络的故障诊断的硬件结构，开发了相应的软件系统。 一5 一 第1 章绪论 一6 一 东北大学硕士学位论文第2 章g s m 移动通信基础及掉话问题分析 第2 章g s m 移动通信基础及掉话问题分析 2 1g s m 数字移动通信系统 2 1 1g s m 系统的基本特点 g s m 数字蜂窝移动通信系纠1 5 】( 简称g s m 系统) 是完全依照欧洲通信标准化委员 会( e t s i ) 制定的g s m 规范研制而成的，任何g s m 数字蜂窝移动通信系统都必须符 合g s m 技术规范。g s m 系统是一种典型的开放式结构，作为一种面向未来的通信系统， 它具有下列主要特点： ( 1 ) g s m 系统由几个分系统组成，各分系统之间都有定义明确且详细的标准化 接口方案，保证任何厂商提供的g s m 系统设备可以互连同时，g s m 系统与各种公用通 信网之间也都详细定义了标准接口规范，使g s m 系统可以与各种公用通信网实现互连 互通。 ( 2 ) g s m 系统除了可以开放基本的话音业务外，还可以开放各种承载业务、补 充业务以及与i s d n 相关的各种业务。 ( 3 ) g s m 系统采用f d m a t d m a 及跳频的复用方式，频率重复利用率较高，同 时它具有灵活方便的组网结构，可满足用户的不同容量需求。 ( 4 ) g s m 系统具有较强的鉴权和加密功能，能确保用户和网络的安全需求。 ( 5 ) g s m 系统抗干扰能力较强，系统的通信质量较高。 2 1 2g s m 系统的组成 g s m 系统由一系列功能单元组成，其具体组成如图2 1 所示，分为m s ( 移动台) 、 n s s ( 网络子系统) 、b s s ( 基站子系统) 、o s s ( 操作维护子系统) 等几个主要部分。 移动台是整个系统中直接由用户使用的设备，可分为车载型、便携型和手持型三种。 应当指出的是，在g s m 系统中，物理设备与移动用户是相互独立的。也就是说，用户 的所有信息都存储在s i m 卡( 用户识别卡) 上，系统中的任何一个移动台都可以利用 s i m 卡来识别移动用户。由网络来进行相关的认证，保证使用移动网的是合法用户。移 动台有自己的识别码i m e i ，称为国际移动台设备识别号。每个移动台的i m e i 都是唯一 的，网络对i m e i 进行检查，可以保证移动台的合法性。s i m 卡中存储着用户的所有信 息，包括国际移动用户识别码i m s i 等。 一7 一 第2 章g s m 移动通信基础及掉话问题分析 j 匿：竺竺i 强 篆l i s s n )7 墨 0 # 4 “勰 a 接口 黔0 隧彭。：i 麓 甏：蕊i ：? ：i ：。妊蠢滋 l s d n p l m n p s t n p s p d n 图2 1g s m 系统的组成 f 延2 1t h ec o m p o s i t i o n o fg s ms y s t e m 广义来说，基站子系统包含了g s m 数字移动通信系统中无线通信部分的所有基础 设施，它通过无线接口直接与移动台实现通信连接，同时又连到网络端的交换机，为移 动台和交换子系统提供传输通路，因此，b s s 可以看作移动台与交换机之间的桥梁。按 g s m 规范提出的基本结构，b s s 由两个基本部分组成，通过无线接口与移动台一侧相 连的基站收、发信机( b t s ) 和与交换机一侧相连的基站控制器( b s c ) 。从功能上看， b t s 主要负责无线传输b s c 主要负责控制和管理。值得指出的是，在g s m 规范中，一 个基站子系统是指一个b s c 以及由它所管辖的所有b t s ，而不是一个交换机所带的无 线系统。 b t s 在网络的固定部分和无线部分之间提供中继，移动用户通过空中接口与b t s 相连b t s 包括收发信机和天线，以及与无线接口有关的信号处理电路等，它也可以看 作是一个复杂的无线解调器。在g s m 系统中，为了保持两陷尽可能的简单，b t s 往往 只包含那些靠近无线接口所必须的功能。b s c 通过b t s 和移动台的远端命令管理所有 的无线接口，主要是进行无线信道的分配、释放以及越区信道切换的管理等，起着b s s 系统中交换设备的作用。b s c 由b t s 控制部分、交换部分和公共处理器部分等组成。 根据b t s 的业务能力，一台b s c 可以管理多达几十个b t s 。 网络与交换子系统包括实现g s m 的主要交换功能的交换中心以及管理用户数据和 移动性的所需的数据库，有时也称之为交换子系统。它由一系列功能实体构成，各功能 实体间以及n s s 与b s s 之间通过符合c c 册信令系统7 协议规范的7 号信令网络 互相通信。它的主要作用是管理g s m 用户和其它网络用户之间的通信。 o s s 是操作人员与系统设备之间的中介，它实现了系统的集中操作与维护，完成 包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作维护等功能。它的一侧与设备相连，( 但 一8 一 ， 东北大学硕士学位论文第2 章g s m 移动通信基础及掉话问题分析 并不包括b 码，因为在g s m 技术规范中明确提出，对b t s 的操作维护是经过b s c 进 行管理) ，另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维护的设备被称 为操作维护中心o m c 。 g s m 系统的每个组成部分都可以以通过特有的网络连接至o m c ，从而实现集中维 护。0 m c 由两个功能单元构成。o m c s ( 操作维护中心系统部分) 用于m s c 、h u t 、 v u l i 等交换子系统各功能单元的维护与操作。o m c r ( 操作维护中心无线部分) 用于 实现整个b s s 系统的操作与维护，它一般是通过s u n 工作站在b s s 上的应用来实现。 0 m c 也可以作为进入更高一层管理网络的关口设备。 2 1 3g s m 系统的业务功能 g s m 是一种多业务系统，可以依照用户的需要为用户提供各种形式的通信。习惯 上，人们把话音业务与数据业务( 或称为非话音业务) 区别开来：话音业务中，信息是 话音，而数据业务传送包括电文、图像、传真及计算机文件等在内的其它信息。除了这 些传统业务以外，g s m 还提供一些非传统的业务，如短消息业务，它区别于目前固定 网提供的各种业务，而更像无线寻呼业务。 通信网络提供的基本业务主要涉及传输媒介和建立呼叫的方式。补充业务则使用户 能够更好的接受基本业务或是简化电信的日常使用，为用户提供方便，如呼叫前转、来 电显示等等。基本业务与补充业务的区别在于，一项补充业务可以适用于几个基本业务 在已存在的网络中，这些补充业务被要求附加在基本业务之上，而未来它们很有可能从 补充业务转化为基本业务。 g s m 所提供的基本业务可分为承载业务和电信业务，这两种业务是独立的通信业 务，其差别在于用户接入点的不同。电信业务主要包括话音业务、数据业务及短消息业 务等。下面将分别进行介绍。 承载业务提供接入点( i s d n 协议中称为用户一网络间接口) 之间传输信号的能力。 g s m 系统一开始便考虑到了兼容多种在l s d n 中定义的承载业务，以满足g s m 移动用 户对数据通信服务的需要。g s m 系统设计的承载业务不仅使移动用户之间能完成数据 通信，更重要的是能为移动用户与p s t n 或i s d n 用户之间提供数据通信服务，同时还 能使g s m 移动通信网与其它公用数据网( 如公用分组数据网和公用电路数据网) 实现 互通。 在传输数据业务时，m s c 需启用互通功能单元州f 。互通功能单元是为完成数据 连通而规定的全部功能。用户总是需要不同种类的承载业务，要支持各种承载业务也就 要经过不同类型的m s 或1 w f 接入接口和终端网络。 话音业务是g s m 提供的最重要的业务，它为g s m 用户和其它所有与之连网的用 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章g s m 移动通信基础及掉话问题分析 户之间提供双向通话。随着i s d n 的发展，数据业务将在电信业务中占据越来越大的比 例，但对于移动通信系统而言，话音业务仍然是最重要的服务。固定电话线路并非随处 可得，而能随身携带的移动电话正使蜂窝移动电话成为人与人之间一种重要的通信手 段。 2 2g s m 无线网络通信基础 乎 2 2 1g s m 网络的性能指标 根据移动通信技术标准和经验，总结所得g s m 无线网络参数指标主要有以下6 个 性能指标： ( 1 ) 掉话率：成功起呼后掉话的次数除以所有起呼成功的个数。 ( 2 ) 呼叫成功率：成功的呼叫次数除以总的呼叫尝试次数。 ( 3 ) 空间( 地理) 平均的误帧率( f e r ) ：覆盖区内所有子块h r 的平均值。 ( 4 ) 移动台平均发射功率：所有子块移动台发射功率的平均值。 ( 5 ) 移动台平均接收功率：所有子块移动台接收功率的平均值。 ( 6 ) 网络信噪比：信号与噪声的比值。 2 2 2g s m 系统的呼叫处理 移动台的呼叫处理包含下列状态： ( 1 ) 移动台初始化状态：在该状态移动台选择并捕获系统。 ( 2 ) 移动台空闲状态：在该状态中，移动台监视寻呼信道上的消息。 ( 3 ) 系统接入状态：在该状态时，移动台在接入信道上向基站发送消息。 ( 4 ) 移动台控制在业务信道状态：在该状态时，移动台通过前向和反向信道与基 站通信。 + d 2 2 3 导频集 g s m 的导频集主要有以下四种： 簟 ( 1 ) 激活集：移动台的激活集最多支持6 个导频。当移动台第一次被分配了一个 前向业务信道时，它的激活集中仅包含与该业务信道相对应的导频。当移动台处理切换 指示消息时，它会将激活集替换为消息中所列举的导频偏置。 ( 2 ) 候选集：移动台在候选集中最多支持6 个导频。当移动台第一次被分配了一 个前向业务信道时，会将候选导频集初始化为空。 ( 3 ) 相邻导频集：移动台的相邻导频集最少能支持2 0 个导频。当移动台第一次被 分配前向业务信道时，移动台会将相邻导频集初始化为最后一次接收到的邻集列表消息 一1 0 东北大学硕士学位论文第2 章g s m 移动通信基础及掉话问题分析 中的导频。 ( 4 ) 剩余导频集：移动台为相邻导频集中的每一个导频维持一种老化机制，主要 是为了保持最新