（通信与信息系统专业论文）基于预警机制的移动通信系统无线容量管理研究.pdf

重庆邮电学院硕士论文 摘要 随着g s m 移动通信系统在中国移动市场的快速发展，用户大量的增加，现 有移动通信网络需要提升用户承载能力，移动通信系统无线容量的管理必将变得 越来越重要。特别是我国面临着第三代移动通信系统大规模的建设，如何提高现 有移动通信系统无线网络的有效容量，已经成为国内运营商平衡网络服务质量与 运营投资成本的有效措旌，也是当今移动通信系统应用领域的一个重要课题。而 传统的容量管理方法缺乏前瞻性，依据小区的拥塞指标和用户投诉的手段产生对 “后果效应”的依赖性，无法针对规模较大的无线容量进行系统管理，也不利于 节省投资和提前满足市场需求。 本文基于无线网络的覆盖区预测和话务容量预测基本应用理论，从系统的 角度出发，采用先进的规划软件，提出了“基于预警机制的移动通信系统无线容 量管理研究”，为提升移动通信系统无线网络的有效容量提供了一个全面完整的 解决方案。 “基于预警机制的移动通信系统无线容量管理研究”是一种对无线网络进 行容量预警及有效容量提升的解决研究，主要针对规模较大的无线网络，依据小 区容量量化预警机制，对整个无线网络进行定量分析，并结合多种手段，采用最 优的办法鳃决高话务量地区的容量问题，从整体上提升无线网络的有效容量。该 方法在全国移动运营界中实属首创，并在四川移动通信有限责任公司成都地区率 先应用，取得了良好的应用效果。 【关键词】无线网络规划、覆盖区预测、无线容量、预警机制 重庆邮电学院硕士论文 a l o n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r ym o b i l en e t w o r k sa n da n e v e ri n c r e a s i n gn u m b e r so fc u s t o m e r s ，i tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t om a n a g et h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sn e t w o r k ，e s p e c i a l l ya tt h et i m eo fl a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o no f3 r dg e n e r a t i o nm o b i l es y s t e m 。h o wt om a n a g ee f f e c t u a l l y t h e c a p a c i t y o fw i r e l e s sn e t w o r kh a sb e e na t la v a i l a b l em e a s u r ef o r n e t - o f f e r e r st ob a l a n c eq u a l i t ya n dc o s t i th a sa l s ob e e na ni m p o r t a n tt o p i cf o r a p p l i c a t i o no fa c t u a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s w h i l ec o n v e n t i o n a lm e a s u r ei s l i m i t e db e c a u s ei tb a s e so ns h o r t a g eg u i d e l i n ea n du s e r s c o m p l a i n ，w h i c h c a n n o tm a n a g eal a r g es c a l en e t w o r ka n dm a k e sa g a i n s to fc o s ts a v i n ga n d b e i n ga h e a d o fm a r k e td e m a n d e s t a b l i s h e di nt h et h e o r yt of o r e c a s to fc o v e r a g ea r e aa n do p e r a t i o n v a l u e 。w eb a s eu p o nt h ew h o l ew i r e l e s sn e t w o r k ，b r i n gf o r w a r d ”m a n a g e m e n t o ft h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sn e t w o r kb a s e do nt h ew a r n i n gs y s t e m ”，p r o v i d i n g af u l la n di n t e g r i t ys o l u t i o nt ou s e 。m a n a g e m e n to ft h ec a p a c i t y o fw i r e l e s sn e t w o r kb a s e do nt h e w a r n i n gs y s t e m ”c a n w a t c hi ft h en e t w o r kc a na f f o r dt h em a r k e td e m a n d ，a n d i m p r o v et h ev a l i dc a p a c i t yo fal a r g es c a l ew i r e l e s s n e t w o r k i tf o u n d so n w a r n i n gs y s t e m f o rc e l l u s a b l e c a p a c i t y a n du s i n go n e a n a l y s e s q u a n t i f i c a t i o n a l l yt h ew h o l ew i r l e s sn e t w o r k ，c o m b i n e ss o r t so fm e a n s ，a d o p t s b e s to n et oi m p r o v ev a l i dc a p a c i t y t h em a n a g e m n e ti sa no r i g i n a t ei n n e t w o r k - o f f e r e r sa n dh a sb e e na p l l i c a t e ds u c c e s s f u l l yi ns i c h u a nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nc 0 l 1 - d k e y w o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n g c o v e r a g ea r e af o r e c a s t w i r e l e s sn e t w o r kc a p a c i t y w a r n i n gs y s t e m i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特, n d h 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得重废整电堂隧或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 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。 学位论文作者签名：善哥韵 签字日期：土叻髟年期2 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重鏖整电堂医有关保留、使 用学位论文的规定，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。本人授权重废邮电堂院 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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储虢誊，哥勺跏虢夕 签字日期：山以f 广月2 口日签字日期五形岳 重庆邮电学院硕士论文 1 1 选题背景 第一章绪论 随着g s m 移动通信系统在中国通信市场的飞速发展，中国拥有了全球最大 数量的移动用户群体。根据最新发布的消息，中国移动和中国联通两大国内移动 通信运营公司已经分布拥有1 ，9 亿和l t2 亿用户，成为世界第一和第三大移动通 信公司。用户的急剧增加，必然要求有更大容量的移动通信网络来支撑市场。由 于移动通信网络对话务的吸收能力主要体现为无线网络的容量，所以提高无线网 络的容量成为目前移动通信系统应用领域的一个重要课题。 由于我国经济发展极不均匀，移动用户市场也呈现不均匀的局面。城市、 工业区、住宅区、交通沿线和旅游胜地等区域面积小，却集中了移动市场主要的 话务流量，产生较大的经济效益；而郊区、农村、偏远山区等地分布广，话务流 量却相当有限，过多的投入只会引起亏损。因此，移动运营商将工程建设大体分 为两种建设思路：针对话务流量密集的地区，采用解决容量的思路进行建设，即 投入密度较大、分层复杂的网络，尽量多的吸收话务量；对于话务流量稀疏的地 区，建设主要用于解决覆盖，即有限投入，力求达到一定的覆盖要求。因此，提 高无线网络的吸收能力实际是提高话务密集地区的无线容量。 传统的容量提升办法是对现网运行的小区进行拥塞指标的考核，对于拥塞 严重的小区全部进行扩容。这种解决方法在应用中主要存在几个问题： l 、对系统容量无法进行全局控制 无线网络的局部话务流量变化较大，但系统容量的变化却相对稳定。如果 在基站密集的地区只是对个别小区进行扩容的话，周边小区将连锁的受到影响， 话务流量可能会转移到其他小区上去，导致其他小区的拥塞指标恶化。如果将话 务量模型相近的区域视作一个小环境进行专题分析，则能防止这种“治根不治本” 的方法。 2 、对系统容量不能长期有效控制 重庆邮电学院硕士论文 无线网络的话务模型往往会随着时间变化而变化。短时间的指标观察和扩 容手段并不熊长期满足系统容量的需求，特别是某些季节性影响较大的话务热点 地区，如风景区等。对这类基站如果不能提前预测并增大其容量的话，就会影响 话务量的吸收，如果增大了容量就置之不理的话，又会造成资源的闲置。这时候 就需要长期对其话务模型进行跟踪总结，并通过资源的忙闲调整来增大系统的有 效容量。 3 、“后果效应”影响网络质量 对拥塞小区的扩容依据来自于网络运行指标的取得和用户的反馈，即已经 产生的后果作为警示的标志。这种依赖于“后果效应”的方法可以适用于规模较 小的个别基站，但如果广泛应用于全网的话，必将影响网络质量，也不利于话务 量的吸收。如果能为无线网络提供系统的预测和警示的方法，就能较好的解决这 个问题。 4 、难以节约投资成本 大多数情况下，拥塞的发生并非整个网络的资源不足，而是没有充分合理 的利用网络资源，即网络中的一部分资源被过度利用而另一部分资源却没有被充 分剥用。如果味的对过度利用的资源进行增加的话，需要投入较多成本；但如 果能进行网络内部资源的忙闲调整，将会大大的节省投资。而且采用了多种手段 也会比单单扩容更节省成本。 5 、不能长期稳定的提供市场保障 市场的激烈竞争促使移动运营商在进行投入的同时不得不考虑产出，为获 得最大的投资利润，无线容量的提升不能再使用传统的拥塞小区扩容手段。要平 衡资金投入与网络容量的关系必要需要从无线网路整体上考虑扩充容量，即提升 无线网络整体的有效容量。 1 2 本文研究内容 在传统的无线容量提升方法已经不能满足运营市场对运营网络的要求的情 况下，基于预警机制的移动通信系统无线容量管理研究应运而生。 重庆邮电学院硕士论文 基于预警机制的移动通信系统无线容量管理研究是一种对无线网络进行容 量预警及有效容量提升的解决办法，主要针对规模较大的无线网络，依据小区容 量量化预警机制，对整个无线网络先进行定量分析，在量化的基础上得到定性分 析结果，然后综合多种手段，采用最优的办法解决高话务量地区的容量问题，提 高较闲小区的利用率从整体上提升无线网络的有效容量。 与过去依靠单一手段解决高话务量问题的方法不同的是，基于预警机制的 移动通信系统无线容量管理研究是一个多途径的闭环的作业流程。它一方面通过 话务量调查、小区容量量化预警机制、制定和实旋最优调整方案、评估结果并总 结归档形成了个闭环的工作流程，另方面，该研究提供了多种解决办法，遵 从“解决有效、投资较少、工程简单”的原则。既吸收了话务量，又节省了投资， 提升了无线网络的有效容量。 1 3 主要工作和社会效益 本文起源于四川移动通信有限责任公司2 0 0 3 年规划实施的“成都地区2 0 0 3 年g 网补点工程”。作者在工程的前期完成了项目的总体规划，率先提出了基于 预警机制的无线容量管理研究，并将其贯穿于整个工程前期方案的制订工作中， 对该方法的推广应用起到了较大的作用。 基于预警机制的移动通信系统无线容量管理研究在对于运营商管理自己的 无线容量方面是全国的一个首创，率先应用于四川省成都地区( 含市区和郊县) 2 0 0 3 年g 网补点工程中，组织完成 2 0 0 3 年成都地区无线网络扩容补点工程刹 旧方案和 2 0 0 3 年成都地区无线网络扩容补点工程新建部分两个方案。( ( 2 0 0 3 年成都地区无线网络扩容补点工程新建方案新建基站3 1 个，扩容基站2 2 8 个， 并按紧急程度分批施工，解决了g 网话务量容量问题和g p r s 容量问题。 2 0 0 3 年成都地区无线网络扩容补点工程利旧方案利旧基站1 3 3 个，利旧载频3 0 4 个，计划投资1 2 1 8 万元，通过资源内部调整为公司节省投资6 0 0 0 万元，取得了 较好的经济效益和社会效益。该方法还参加了四川移动通信有限责任公司2 0 0 3 年度“四川移动管理创新”评比，获得了全省三等奖的优异成绩，具有较强的实 重庆邮电学院硕士论文 践性和推广性。该方法在成都地区2 0 0 4 年的“高话务量区覆盖一期工程”中继 续使用，并正在准备向四川省其他市州公司进行推广。 1 4 全文的组织安排 本论文的组织工作大致如下： 第一章为绪论，简单介绍了论文的研究背景，着重是引出论文是以研究应 用预警机制来提高移动通信系统无线有效容量为主要目标，并简单介绍了本文的 结构。 第二章介绍了移动通信系统无线网络覆盖区预测的基本原理，着重介绍覆 盖区预测的模型和参数修正，以及规划软件的应用。 第三章介绍了无线网络话务容量预测的基本原理，着重介绍话务容量预测 的模型和方法，为后面的建立无线话务容量的预警机制打下理论基础。 第四章详细描述了基于预警机制的移动通信无线容量管理研究，并就各个 关键环节一一进行了阐述，并列举了该研究的先进性。 第五章则是基于预警机制的移动通信无线容量管理研究在四川移动通信有 限责任公司的实际应用情况，并且给出了成都市区无线覆盖区话务利用率分布在 管理机制应用前后的仿真对比。 第六章介绍了w c d m a 系统下的无线容量规划的方法。展望了容量规划技 术的发展方向。 重庆邮电学院硕士论文 2 1 引言 第二章无线网络覆盖区预测 无线网络覆盖区预测是基于特定的传播模型，根据己选的站址和设计的工 程参数，借助规划软件预测小区覆盖的方法。将各个小区预测覆盖区组合起来， 就形成了无线网络的预测覆盖区。 预警机制就是建立在无线网络覆盖区预测的基础上的。通过分析和模拟各 个基站的覆盖区域，模拟出整个无线网络的覆盖情况，再结合基站的话务指标， 就可以利用先进的规划软件在电子地图上模拟出全网话务分布情况，进而实现从 全网角度分析整网话务与网络规模的关系，为确定赢话务量地区分析方法和解决 手段打下基础。 小区的覆盖区主要取决于以下几个因素：服务质量指标、发射机输出功率、 接收机的最低可用灵敏度、天线的方向性和增益、频段、传播环境、分集接收的 应用等。本章从认识移动通信系统的无线环境和电波传播特性出发，介绍约束基 站覆盖范围的因素，探讨在不同环境下运用不同的传播模型并修改棍关因子。最 后介绍了在规划软件中如何实现基站覆盖区预测。 2 2 移动通信电波传播 2 2 ，1 移动通信无线环境 移动通信中的电波传播环境就是移动无线环境。这里仅涉及陆地移动无线 环境的范畴。 由于移动通信系统受环境影响较大：移动台的天线比较低，所以传播路径 总是受到地形及人为环境的影响，各种地形环境和复杂的人为建筑物、树林等使 得接收信号为大量的散射、反射信号的迭加；穆动台总是在移动，即使移动台相 同，周围环境也一直在变化，这种移动性使得基站与移动台之间的传播路径不断 发生变化。还有是移动台相对与基站的移动方向、移动速度的不同，都会导致信 重庆邮电学院硕士论文 号电平的变化：信号电平随时间和位置的交化而变化，需要用随机过程的概率分 布来描述；在城市环境中，由于街道两旁有高大的建筑物，使得沿传播方向的街 道上信号增强，垂壹于传播方向的街道上信号减弱，导致波导效应；人为噪声现 象严重，特别是机动车的点火噪声、电力线噪声和工业噪声：干扰现象严重，比 较常见的有同频干扰、邻频干扰；还有互调干扰、近端对远端比干扰等，随着频 率复用系数的提高，同邻频干扰将成为主要因素。 频段本身的特点和无线环境的特殊性，决定了移动通信系统在电波传播过 程中具有自己独特的电波传播模式。 2 2 2 无线电电波传播模式 在移动通信系统中，主要的传播模式是视距内的直射波和反射波传播。由 于接收机与发射机之间的直射波往往被建筑物或其他物体阻碍，所以大部分情况 是由移动台附近散射体产生的多个反射波组成多径传播【卜3 1 。多径信号的构成主 要由两类：一类是从远地散射体产生的回波，这种回波的时延较长且较稳定；另 一类是从移动台附近半径为5 0 1 0 0 波长的建筑物和树林反射和散射的回波，这 类回波数量大，时延短，它们是构成多径信号的主要部分。所有的信号分量合成 一个复驻波，它的信号强度根据各分量的相对变化而增加或减少。信号强度有两 种不同的表示方法，分别用于不同的场合：设卅f 纠为长期衰落；r o 似为短期衰 落，以时间函数表示的信号用于研究信号的衰落现象( 见2 1 式) ； r = 脚g o 俐，( 2 1 ) 而以距离函数表示的信号则用于研究传播损耗曲线( 见2 2 式) ： r 仰= 渐彻xr o ( d ) ( 2 2 ) 长期衰落又称为本地均值，或慢衰落 4 1 ，是指由于传播路径上的地形和人为 环境结构的变化而造成的衰落信号的平均值，即在一个特定的长度三内平均得到 的信号电平值( 或场强值、或损耗值) 。l 的取值为4 0 个波长内取3 6 5 0 个测 试信号。一种典型的慢衰落就是阴影衰落，这时由于电波在传播路径上遇到障碍 物就会产生电磁场的银阴影区，当用户通过不同的阴影区时，就会引起中值变化。 6 重庆邮电学院硕士论文 在相同的收发距离情况下，不同位置的周围环境差别非常大，由于阴影效应，导 致路径损耗为随机的对数正态分布。长期衰落的概率密度函数分布服从对数正态 概率密度函数，其累积概率分布函数分布服从对数正态累积分布。 短期衰落又称为瑞利衰落【5 ，或快衰落，是指接收的衰落信号的瞬时值。由 于传播受到移动台周围( 5 0 1 0 0 个波长内) 的散射体( 主要指人为建筑物) 或 自然障碍( 主要指树林) 的反射在地面上造成多径波干涉，结果形成驻波场。当 移动台通过这个驻波场时，接收信号的振幅和相位呈现短期衰落，场强会起伏。 这种信号很不稳定，并随时间急剧变化。短期衰落的概率密度函数分布服从瑞利 概率密度函数，其累积概率分布函数分布服从瑞利累积分布。 2 2 3 传播损耗 在移动通信系统中，从发射天线输出端的信号经过一定的传播路径，到达 接收天线的输入端时，功率电平的损耗( 或衰减) 值，叫做传播损耗，一般用 d b 表示。随着传播距离的增加，传播损耗将相应增加【6 】a 根据测试统计，在l 2 0 公里范围内，传播损耗大致为4 0 d b d e c ( d e c 为1 0 倍距离) 。当距离在增大 时，将增大至5 0 6 0 d b d e c 。在移动通信中，最常见的传播损耗是的常见类型 有自由空间的传播损耗。 自由空间是指具有各向同性、无吸收、电导率为均匀空间，自由空间的传 播损耗是进行系统无线电路设计的一个重要参数。在自由空间中，如果其它参数 保持不变，仅使工作频率( 或传播距离) 提高一倍，则其自由空间的路径损耗就 增加6 d b 。同时，当减小波长 ( 提高频率d ，路径损耗增大。 此外，常见的类型还有绕射损耗【7 删、反射损耗、建筑物贯穿损耗。绕射损 耗分单刃绕射、多刃绕射、圆球形绕射；绕射损耗一般比较大，其中圆球形绕射 损耗最大。反射损耗与反射面的反射系数和反射角的大小有关。建筑物的贯穿损 耗是指电波通过建筑物的外层结构时所受到的衰减。在工程设计中，对于9 0 0 m h z ， 一般中等城市取1 3 1 8 d b ，大城市取2 0 d b ；1 8 0 0 m h z 加5 d b 。 7 重庆邮电学院硕士论文 2 3 覆盖区预测及相关因素 2 3 1 影响小区覆盖范围的因素 移动通信系统的无线子系统( b s s ) 由基站控制器( b s c ) 和基站( b t s ) 构 成【1 0 】。基站分为全向基站和定向基站，全向基站指的是采用全向天线的基站，只 有一个小区；定向基站采用定向天线，一般有多个小区组成，我国常用的定向基 站由三个小区组成。我们要预测一个移动通信系统的无线覆盖范围，可以通过预 测每个小区的覆盖范围来实现。 影响小区覆盖范围的因素主要有： 服务质量指标： 发射机输出功率； 接收机的可用灵敏度； 天线的方向性及增益； 天线高度； 工作频率( 9 0 0 m h z 或1 8 0 0 m h z ) ； 传播环境( 地形以及人为环境) ； 分集接收的应用。 基站系统都有自己的理论最大覆盖范围，但这个覆盖范围是在良好的工作 环境下测出来的，实际情况是，基站的覆盖受限一般体现在两个方面：噪声和干 扰。噪声受限是指覆盖区的范围受信噪比控制( s n ) ，决定于传播条件及人为噪 声。当覆盖区的范围主要受载干比控制( c i ) ，在用户密度高的市区，频率复用 系数高，基站区成为干扰受限。由于干扰受限是用户密度增长的结果，又称容量 受限。干扰受限包括同频干扰和邻频干扰。所谓同频干扰( c i ) ，是指当不同小 区使用相同频率时，另一小区对服务小区产生的干扰，它们的比值即c i 。g s m 规范中一般要求c i 9 d b ；工程中一般加3 d b 余量，即要求c i 1 2 d b 。邻频干 扰( c a ) 是指在频率复用模式下，邻近频道会对服务小区使用的频道进行干扰， 重庆邮电学院硕士论文 这两个信号间的比值即c a 。g s m 规范中一般要求c a - - 9 d b ，工程中一般加 3 d b 余量，即要求c a - - 6 d b 。 干扰受限一般在市区出现，噪声受限一般在郊区、农村出现，是由信号衰 减产生。噪声受限的小区覆盖范围一般来说要比干扰受限的覆盖范围要大。从下 图中可以看出噪声受限和干扰受限的关系。 j 二二二嘏限一、，、 ( ( t 龄趟照0 、j( ( 虹一 趟0 ； 主服信号，j ?干扰信号 、：二二二：! ! ! j 、干扰受限 、。一，7 + 图2 1 干扰受限和噪声受限 下面将介绍在小区覆盖中常常用到的概念：服务质量指标，系统余量，恶 化量，接收机输入端最低可用电平和分集增益。 2 3 2 服务质量指标 移动通信系统的服务质量可由话音质量和服务区边缘可通率两个指标 体现。 为了保证通信双方进行准确无误的交谈，提高通信的可靠性，故对通信过 程中的语音清晰度、可懂度等话音质量制定了理论合格标准。移动通信系统一般 要求三级话音。由于主观因素太强，般用其它指标来体现。实际规划中使用接 收机灵敏度可接收的接收机输入端最低可用信号电平和干扰指标来代替，合格的 话音质量要求两个指标都要满足。每个具体的语音质量级澍与其对应的信噪比关 系是用主观评定方法来确定的。即由视听专家们根据话音标准或按不连续字和不 连续句的可懂度进行通话质量评分，并对评分进行统计处理后将其每级结果与 其相应的信噪比测试结果绘成对应曲线关系，从而确定了各个不同话音级别所需 的信噪比。 离基站一定距离上的接收信号电平不是一个常数，是随时间、位置不断变 化的随机量。覆盖区边缘无线可通率是指在覆盖区边缘进行满意通话( 话音质量 g 重庆邮电学院硕士论文 达到规定指标) 的成功概率，它与服务范围、话音质量等一起是表征一个移动通 信系统性能优劣的最重要指标。又称为通信概率。通信概率与位置和时间有关， 随时间的变化远小于随位置的变化，因此，在实际工程中主要考虑位置因素。当 通信概率为5 0 时，表示中值电平保证5 0 时间位置的信号电平满足通信要求， 显然这时的服务质量难以令人满意。因此，覆盖区边缘无线可通率一般要求比 5 0 高。我国移动通信技术体制对公众网通信概率明确规定：覆盖区边缘界面处 的无线信道通信概率不低于9 0 ，边远郊区的边缘可通率可根据实际情况适当降 低到不小于5 0 9 6 ( 信噪比， 3 0 d b ) 。一般采用的覆盖区边缘通信概率指标为郊区 为8 0 ，城市为9 5 。 2 3 3 系统余量和恶化量 系统余量是由覆盖区边缘的无线可通率指标带来的。由于提高了通信概率， 意味着接收到的信号电平比中值还要高出一定的值，以保证达到指定的通信概 率。这个值称为系统余量。恶化余量为标准偏差，城市取9 d b ，郊区取8 d b ，不 规则地形取l o d b 。有关系统余量的计算公式如下。其中现为系统余量，为覆 盖区边缘可通率的百分数值，如9 0 的可通率，为9 0 。联) 为参数， 万为标 准偏差。 现= 以d 占( 2 3 ) 恶化量是指存在多径传播效应及人为噪声( 主要是汽车火花干扰) 的情况 下，为了达到只有接收机内部噪声条件下的同样的话音质量所必需的接收电平的 增加量。它是由快衰落带来的。当用户高速运动，信号恶化比较明显，而在用户 缓慢移动或静止时则恶化量几乎可以忽略。所以在进行高速公路的网络规划必须 考虑恶化量储备。一般恶化量储备为8 l o d b 。此时服务质量好了，但投资很大， 所以在运用中常常将服务质量和投资情况结合起来考虑。实际上一般取3 6 d b 。 2 3 4 接收机输入端最低可用信号电平 接收机的可用灵敏度是指为达到一定信号质量指标所必需的接收机输入端 重庆邮电学院硕士论文 信号电平的最低值，在g s m 系统中，要求基站的可用灵敏度达到一1 0 8 d b ，手机为 一1 0 2 d b 。灵敏度在设备出厂时已经设定好。 考虑到服务质量，为使信号电平达到接收机的可用灵敏度，需要设定接收 机输入端最低可用信号电平( r ：。) 。有公式： ，k 。= p o o o ，。+ 毋+ 历+ 肛( 2 4 ) 式中只。为接收机灵敏度，a 为恶化量储备，境为系统余量，眈表示相应于某种 覆盖类型的附加损耗。 不同覆盖类型对最低可用信号电平的要求不同。在室外，最低可用信号电 平需要考虑人体损耗，室内需要考虑人体损耗和建筑物贯穿损耗，车内需要考虑 车内损耗和人体损耗。对于手持机，当位于使用者的腰部和肩部时，接收的信号 场强比天线离开人体几个波长时将分剐降低4 7 d b 和1 2 d b ，一般取人体损耗 为3 d b 。 2 3 5 分集增益 采用分集技术，可以抑制衰落的影响，在信号传播中提供一个分集增益。分 集有很多种：空间分集、频率分集、极化分集、场量分集、多径分集f m ”】等等。 宏观分集用于抑制慢衰落，微观分集用于抑制快衰落。在g s m 移动通信系统中， 主要采用空间分集接收方式。分集增益与通信概率( 覆盖区边缘无线可通率) 有 关，概率越大。分集增益越大。水平分集增益一般为3 5 d b 。下面就移动通信 系统无线部分常用的空问分集和极化分集。 空间分集的具体实施就是在同一基站或小区，采用两副水平间隔数十个波长 的天线接收同一信号，在通过分集组合技术选出最强信号或组合成衰落较小的信 号。可以用分集增益来表示空间分集的改善情况，其大小与采用组合技术有关， 但主要改善取决于分集天线的有效高度( h e ) 与水平间距( d ) 之比值及接收信 号到达角( 来波角) q 。为了获得较好的分集增益并在工程实旌可以实现，通常 取分集接收天线上的信号其相关系数p o 7 来决定天线间距。对于9 0 0 m h z 频 段，天线愈高要求分集间距愈大，但当间距超过6 米时，在铁塔上安装就很困难 了。一般来讲基站天线高度为3 0 6 0 米，天线间距为4 6 米为宜。但当天线安 重庆邮电学院硕士论文 装在屋顶时，应尽量拉开天线间距，使d = o 1 l h e 。 极化分集是指把两副接收天线的极化角度互成9 0 。，这样就可以获得较好的 分集增益，并且可以把这种分集天线集成于副天线内实现，这样对于一个扇区 只需一副发射天线和一副接收天线即可，若采用双工器，则只需一副收发合一的 天线，但天线要求较高。 2 4 传播模型算法和参数修正 传播模型是一定地形、地貌、人为环境下的无线电传播路径的损耗的计算 公式。传播模型分为统计型模型和决定性模型。统计型模型是利用测试数据，进 行统计分析得到的传播模型，一般计算量要小，对电子地图的数据要求也较低， 统计型模型一般可以利用测试数据加以修正。决定性模型是根据传播路径上的地 物、建筑物的几何信息，利用波的绕射、反射的理论的模型。一般计算量大，对 电子地图的数据要求也较高，需要建筑物的信息，一般不能利用测试数据加以修 正。 由于本文提出的预警机制针对的是宏蜂窝基站，因此这里只讨论宏蜂窝传 播模型。近年来，科研工作者提出了许多预测宏蜂窝基站的传播模型，如 o k u m u r a h a t a 模型【1 4 】、c o s t 一2 3 1 模型、通用模型、l e e 模型1 1 5 1 叼等。下面给出 o k u m u r a h a t a 模型的计算公式。 2 4 1 o k u m u r a h a t a 模型 o k u m u r a h a t a 模型以准平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作参考。 对其它传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。由于提供的 数据比较齐全，所以应用较为广泛。但一般只适用于u h f 频段。o k u m u r a h a t a 模型适用于1 5 0 1 5 0 0 m h z ，适合g s m 9 0 0 。基站天线有效高度适合3 0 2 0 0 米， 手机天线高度为1 1 0 米，通信距离为l 2 0 k 米。适用于准平滑地区、城区、 郊区、开阔地、丘陵、山地、水域等，其中城市有特别的修正因子：街道走向、 建筑物密度： 重庆邮电学院硕士论文 这种计算模型的特点是，首先建立一个基站天线高度为2 0 0 米、移动台天 线高度为3 米的准平坦大城市区自由空间标准传播环境，然后，对基站天线高度 不为2 0 0 米或移动台天线高度不为3 米或非平坦地形时情况以校正因子形式分 别修正。 设厶。为自由空间路径损耗，a ( f ，d ) 为准平坦地形大城市区基本中值场强 ( 相对于自由空间) ，后者可以直接查得。据此，可求得准平坦地形大城市区中 值路径损耗为： 厶= 厶。+ 丘( f ，d ) ( 2 5 ) 如果考虑到不同天线高度、不同地形状况加以校正因子形式代表的传播损 耗，则不难求得利用o k u m u r a h a t a 模型计算中值路径损耗的表达式为： 厶= 厶。+ a ( f ，d ) 一( 屈，功一赶( 丘，力一层一瓜一五一冗。( 2 6 ) 式中，属( a ，口) 和成( 九，力分别为基站天线高度增益因子和移动台天线高度 增益因子，可分别根据已知条件查表直接得到。盥为郊区校正因子。由于郊区或 开阔区传播条件显然优于市区，故其校正因子表现为增益。般来说。开阔区的 接收信号要比市区商2 0 d b 以上。丘为丘陵地形校正因子，显然，处于丘陵高处 的接收功率大，而处于山谷的接收功率小。面为斜坡地形校正因子，其大小取决 于斜坡的平均角度l 和两天线间的距离。冗；为水陆混合路径校正因子，其大小 与水面和移动台或基站的相对位置有关。由于传播路径遇到有水面时要比全陆地 好，故该值表现为增益。 此外，在传播路径中还可能遇到开阔地区、城市道路走向及宽度、孤立山 峰和地面植被等不同情况产生的损耗，可视具体情况分剐以各自的校正因子形式 计入( 2 5 ) 和( 2 6 ) 式。 2 4 ，2 传播模型的校正 基于大量测试数据的统计型模型最大的缺点在于模型的提出与当时当地的 无线测试环境分不开，这就决定了在其他地方使用统计型传播模型时，需要对模 型的参数进行校j i l l l 7 1 ，以便为网络规划、容量管理等提供有力的依据。 校正工作的流程大致为： 重庆邮电学院硕士论文 图2 2传播模型校正流程 由于不同地区在地形地貌、城市密度等方面存在或多或少的差别，如直接 使用经验传播模型进行预测，可能会有较大的偏差，导致预测的可用性降低为了 准确了解服务区电波传播特点，得到适合当迨地理环境的预测模型，要对服务区 内不同地形、地物进行详细的勘察和电测，得到了现场测试数据，利用网络规划 软件进行相应的数据分析和传播模型的参数矫正，获得了适合服务区内环境特征 的电波传播模型。测试时需要注意以下几个方面： 1 ) 选择站点：尽可能选择服务区内具有代表性的传播环境，对不同的人为 环境如密集城区、一般城区、郊区等等，能分剐设测试站点：站址的选择原则是 要使它能覆盖足够多的地物类型( 电子地图提供) ；测试站点的天线比周围( 1 5 0 2 0 0 m ) 内的障碍物高出5 米以上；对每一种人为环境，最好有三个或三个以上的 测试站点，以尽可能消除位置因素。 2 ) 确定测试站点及天馈相关参数，采用全向天线，基站天线有效高度为 4 3 0 米，手机天线高度为1 2 米。测试时记录天线挂高、增益以及发射功率。 3 ) 确定测试路线：测试前要预先设置好路线，测试路线直接关系到测试数 据的准确性。设定测试路线必须考虑以下几个方面；一、能够得到不同距离不同 l4 重庆邮电学院硕士论文 方向的测试数据：二、在某一距离上至少有4 5 个测试数据，以消除位置影响； 三、尽可能经过各种地物；四、尽量避免选择高速公路或较宽的公路，最好选择 宽度不超过3 米的狭窄公路。般的测试路线是沿基站走“8 ”字路线，既可以 保证距离基站的不同距离都有数据，又能测试到距离基站l l o k 米的区域。 用某地区的扫描测试数据对已存在的模型进行校正可以得到适用于该地区 的特殊模型，并且随着测试工作的进行，该模型的准确度可以得到进一步的提高； 可以将比较成熟的本系统内的传播模型升级为系统经验模型或将网上发布的经 验模型导入，以用于其它工程的相似地区。 2 5 规划软件的覆盖预测 覆盖预测一般分两条线：第一，从服务质量指标出发，考虑通信概率、接 收机灵敏度、恶化量储备、覆盖类型的附加损耗后，计算出接收机最低可用信号 电平；第二，从场强预测出发，计算规划区域内各点相对于各小区的信号电平的 中值。最后得到满足指定服务质量的覆盖区的范围以及信号电平分布、各小区的 覆盖区域。 用规划软件进行无线网络的覆盖区预测，其准确性主要依赖于几个方面： 传播模型的准确性，电子地图的准确性和基站参数的准确性。 传播模型的计算量大，一般不直接加以使用，而是在规划软件上对所给的 模型加以校正，然后预测无线网络覆盖区。在规划软件上进行覆盖预测之前，就 需要对规划区内的典型区域进行电波传播测试，并利用测试得到的数据对传播模 型进行校正，以适应当地特有的电波传播环境。 目前市场上有不少公司专门从事电子地图的制作，可以根据需要进行订购。 一般来说市区的电子地图要求误差不超过5 0 米，密集市区可以做到2 5 米，偏远 山区的误差在1 0 0 以内都可以接受。 基站参数的准确性只能靠运营商内部资料的积累。前几年这部分工作比较 困难，很少公司具备了齐备而准确的基站参数。近年通过改进工作管理方式，对 网络资源进行了彻底调查和专门记录，情况有所好转。 15 重庆邮电学院硕士论文 2 6 小结 本章从移动通信系统的无线环境出发，介绍了无线电波的传播模式和常见 的无线网络指标，并根据其传播特性阐述了如何建立和校正常用的覆盖模型，最 后引出了利用专业的规划软件进行无线网络覆盖区预测的方法，为后文的预警机 制的建立打下基础。 重庆邮电学院硕士论文 3 1引言 第三章话务容量预测和规划 要建立移动通信系统话务容量预警机制，必须先了解移动通信系统的话务 预铡和容量规划。业务预测与容量规划的目标是不但满足当前移动用户的话务、 数据业务需求，还应满足未来某段时间内预测用户的业务需求，使基站容量分布 规划到合理的程度，以满足预测用户的不平衡的话务需求。并根据不同的业务增 长速率和增长潜力，预留一定的余量使网络规模满足市场发展的需要。本章将 从介绍话务容量规划的相关概念开始，探讨对移动通信系统的话务预测和容量规 划问题。 3 2 话务容量相关概念 移动通信系统话务容量依赖于系统中各基站所包含的无线信道数。而系统的 信道数主要取决于系统的无线用户数、每个用户的话务量( 包括来、去话务量) 及无线系统允许的呼损率。 3 2 1 话务量 所谓话务量是指一组路线或中继线上电话呼叫的总和，或者说电话用户在某 段时间内所进行的电话交换量，又称为话务负荷 1 8 1 。话务量的单位是爱尔兰 ( e r l a n g ) ，一个“爱尔兰”是指一条通话电路被百分之百的连续占用1 小时的 话务负荷，或者两条通话电路各被连续占用半小时时的话务负荷。按照一般的定 义，话务量彳指用户在单位时间内占用交换设备的平均次数每用户平均占用 时长，与用户数矧约乘积，即： 彳= ，d 5 ，这是移动网技术体制所容许的。应该指出，由于计 算话音信道数是按照忙时话务量计算的，实际上每天中忙时只占一个较短时间， 所以大部分时间将明显小于5 的呼损率。对移动通信系统来说，确定一个合适 的呼损率是非常重要的，既要保证满足一定的通信质量要求，又要尽量降低系统 的投资费用。 在具有n 个信道且任何呼叫选不到信道即发生呼损的全利用度信道组中， 可以采用丹麦数学家爱尔兰导出的呼损概率公式，计算出来的结果组成了爱尔兰 呼损公式表f ( 彳，而表，以便于工程查询。 19 重庆邮电学院硕士论文 和呼损率等效的概念是网络的服务等级( g o s ) ，指的是网络的拥塞程度。 若g o s = 2 ，也就是指网络中有9 8 的用户可进行正常呼叫，而有2 的用户呼叫 将失败。运营商一般根据网络质量和投资定位来确定自己的网络服务等级。 3 2 4 信遒利用量计算 在基站的话务量计算中，通常用到的是信道利用率、基站设计利用率、设 计无线信道利用率、信道利用率和无线网络实装率。 在移动通信工程设计中，由于频率资源受限，信道利用率是评价设计质量 的一项重要指标。信道利用率是指每个信道在单位时间内被占用的时间，亦即每 个信道完成的话务量。可以用以下公式计算信道利用率n n ，：冬：殳笋 ( 3 7 ) n 产i2 - 7 ) 式中，7 是话音信道数；彳是7 个话音信道完成的话务量。 基站设计利用率是基站设计承载话务量和基站理论可承载话务量之间的比 率。通过引入基站设计利用率指标可以将无线接通率、无线覆盖等影响信道利用 率的因素通过设计的形式指标化，能够比较客观地反映出无线网络的实际话务承 载能力。 设计无线信道利用率是无线网络设计承载话务量和无线网络理论可承载话 务量之间的比率，如果a 表示基站理论承载话务量，b 为基站设计利用率，6 为 忙时基站话务不均衡系数，t i l 为基站总数，可用以下公式计算设计无线信道乖j 用 率 ： m 研觑 入旦彳( 3 j 8 ) ( 1 + x 矾 i = l 无线网络实装率v 来源子固定电话的相关概念，是指移动通信系统中，忙 时a 接口统计话务量之和以。，与无线网络设计承载话务量c 之间的比率，用以 重庆邮电学院硕士论文 表达系统的无线利用率大小。 v = 争= b 。， 3 3 话务量预测 话务量预测是移动通信系统设计的基础。网路设计、设各配置、建设规模及 分期扩建方案都是取决于话务量预测结果。实际上工程建设的可行性也是由用户 预测所决定的，如果用户太少，工程建设为不可行或本期设局不可行。所以作好 话务量预测是做好工程设计的前提。 3 。3 ，1 预测期的确定 由于移动通信目前处于平稳发展的时期，但国内经济日新月异，市场变数 较大，所以预测期不宜太长，一般可取为： 本期3 年( 包括建设期1 年) 远期6 年( 包括建设期1 年) 3 3 2 本期话务量预测 话务量预测包括用户数预测和话务量估算。用户预测按用户总数、分类用 户数分射统计并作出用户密度分布及进出局的漫游用户数预测，其中用户分类 统计用于计算话务量和确定各种移动台的配置数量，用户密度分布的预测用于计 算基站应配置的信道数。话务量的预测则是建立在用户预测基础上的各类用户的 忙时话务量。在取定综合平均用户忙时话务量之后即可根据用户预测值计算全局 总话务量c ( 3 1 3 ) ，预测用户规模v 包括净增来局漫游用户数( 他局来漫游用户 一本局出局漫游用户数) 式中，po b u s y 为平均每用户忙时话务量，n 为服务用 户率： c = v p0 鼬 n ( 3 1 0 ) 重庆邮电学院硕士论文 目前话务量的预测方法有以下几种： 1 、话机类比法 由话机总数直接反映社会对通信的需求，并设定移动用户在其中的比例，得 到移动用户预测数。预测模型为： k = m ； ( 3 1 1 ) 式中，k 是第3 年的用户预测值；蔗是第3 年的话机总数；，是移动台占话机总 数的百分比。 当预测郊县( 包括县城及其所属农村范围) 用户时，话机总数应等予城镇 话机及农话话机数之和。，的取值是一个比较困难的问题，它与城市性质、电话 普及率、人均国民生产总值