（通信与信息系统专业论文）gsm移动通信小区拥塞问题解决方案研究.pdf

摘要 由于g s m 移动通信系统中用户数的不断增长、g s m 无线网络建设投资的 日益减少、以及用户对服务质量要求的进一步提高，无线信道的拥塞问题成为 制约移动通信运营商发展的重要问题。在现行的移动通信系统的运营环境下， 采用单一的网络优化调整手段来解决小区无线信道的拥塞，其效果已越来越不 显著。综合采用各种优化技术和手段来提高网络的性能，并对它们的作用进行 系统评估，已成为各运营商和设备提供商共同探讨的课题。 本文首先简单介绍了g s m 蜂窝网络体制和组网技术，包括g s m 系统组成 及特点，工作频段的分配以及g s m 蜂窝网络结构。 其次分析了无线业务信道( t c h ) 和专用控制信道( s d c c h ) 产生拥塞的原 因。着重从无线电波传播和网络规划的原理着手，系统地归纳了利用设备调整 和软件参数配置相结合的网络优化手段来缓解网络中的无线信道拥塞问题的工 程方法，介绍了双频网调整网络结构、小区分裂、微蜂窝和更紧密的频率复用 等技术措施对无线网络性能的改善和对g s m 网络容量的提高。 最后重点介绍了两种拥塞的解决方案，1 ) 通过对一些参数的调整来均衡话 务量从而解决一些差小区的拥塞现象2 ) 半速率解决方案，通过对半速率方案能 大幅度提高网络容量的优势以及其影响通话质量的弊端两方面进行分析，同时 对一些利用半速率方案试运行小区进行了测试以及对测试所得到性能指标进行 评估，证明了其在实际工程中应用的可行性，为解决网络拥塞问题提供必要的 补充。2 0 0 6 年在中国联通湖北分公司网络优化部门实习期间，参与了公司对武 汉市进行的为期一年的g s m 无线网络优化工程测试工作。在这个工程中，为 了解决制约武汉无线网络的无线信道拥塞问题，进行了多个小区测试以及系统 设备优化工作，得到了宝贵的测试数据，获得了关于g s m 通信网络系统优化 方面的实践经验，并在同事的协助和指导下对测试结果的分析。 关键词：g s m ，空中接口信道拥塞，小区参数，双频网，半速率，话务均衡 a b s t r a c t t h eb l o c k i n gp r o b l e m so fr a d i oc h a n n e l si ng l o b a l s y s t e m f o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ( g s m ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v eb a d l yr e s t r i c t e ds e r v i c e e x p a n s i o nf o rm o b i l es e r v i c ep r o v i d e rd u et ot h ei n c r e a s i n gs u b s c r i b e rn u m b e r , t h e r e d u c i n g n e t w o r kc o n s t r u c t i o n i n v e s t m e n t s ，a n d t h e a d v a n c i n g c u s t o m e r s r e q u i r e m e n t sf o rq u a l i t yo fs e r v i c e ( o o s ) t h ee f f e c tb yu s eo fs i n g l em e a n st o h a n d l eb l o c k i n gp r o b l e m so fr a d i oc h a n n e l si ng s mm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i sn o ti ne v i d e n c eu n d e rt h ea c t u a lc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t i ti st h ec o m m o n r e s p o n s i b i l i t y f o r m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s o p e r a t o r a n d t e l e c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t sp r o v i d e rt oi m p r o v et h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sb ym e a n so fa d o p t i n gt h ec o m b i n i n gt e c h n o l o g i c a ls t r a t e g i e s ，a n dt o e v a l u a t et h ea d v a n t a g eo fs u c hc o m b i n i n gt e c h n o l o g i c a ls t r a t e g i e s f i r s t l y , t h es y s t e mo fg s mb e e h i v e n e t w o r ka n dt h et e c h n i q u eo fn e t w o r k c o n s t u c t i o na r ei n t r o d u c e ds i m p l yi nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d e st h ec o n s t u c t i o no f g s m s y s t e m ，t h e d i s t r i b u t i o no f f r e q u e n c y a n dt h es t r u c t u r eo fg s m b e e h i v e n e t w o r k a n dt h e n ，t h er e a s o n so fb r i n g i n gt h eb l o c ki ns o m er a d i oc h a n n e l s ，s u c ha s t r a f f i cc h a n n e ( t c h ) a n ds t a n d a l o n ed e d i c a t e dc o n t r o lc h a n n e i ( s d c c h ) ，a r e a n a l y z e di nd e t a i l s t a r t i n gw i t ht h er a d i ow a v e st r a n s m i s s i o na n dt h ep r i n c p l eo ft h e m o b i l en e t w o r k sp l a n n i n g ，t h ee n g i n e e r i n go p t i m i z i n gm e t h o d sw i t ht h ec o m b i n a t i o n o fa d j u s t i n ga n t e n n aa n dc o n f i g u r i n gt h ec e l lp a r a m e t e rf o rh a n d l i n gt h eb l o c k i n g p r o b l e m si nr a d i oc h a n n e l sa r ei n d u c e ds y s t e m a t i c a l l y t h et e c h n i q u e ss u c ha sd u a l f r e q u e n c yn e t w o r k ，s u b d i s t r i c ts p l i t ，t i n y - b e e h i v ea n dm o r et i g h tf r e q u e n c y m u l t i p l e x i n g ，w h i c hi m p r o v et h ew i r e l e s sn e t w o r kc a p a b i l i t ya n dt h ec a p a b i l i t yo f g s mn e tw o r k ，a r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , t h et w ok i n d so ft h es o l u t i o nm e a s u r e so fc o n g e s t i o na r ep r e s e n t e d m a i n l y 1 ) t h ev o i c et r a f f i cc a nb eb a l a n c e db ya d j u s t i n gs o m ep a r a m e t e r s ，t h u st h e c o n g e s tp h e n o m e n o ni ns o m ew e a ks i g n a l e ds u b d i s t r i c ta r es l o v e d 2 ) t h eh a l fr a t e s p e e c hp r o j e c t t h ea n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e so fh a l fr a t es p e e c hw h i c hc a ni n c r e a s e t h ec a p a b i l i t yo fn e t w o r ka n di t sd i s a d v a n t a g e so nt h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o ni s g i v e n ，a n dt h r o u g ht e s t i n go ns o m es u b d i s t r i c t sb yt h eh a l fr a t es p e e c hp r o j e ta n d e v a l u a t i n go nt h ec a p a b i l i t yp a r a m e t e r sw h i c hg a i ni nt h et e s t ，t h ef e a s i b i l i t yo fh a l f r a t es p e e c h ，w h i c hp r e s e n ts o m ee s s e n t i a la d d i t i o n sf os l o v et h en e t w o r kc o n g e s t i o n ， i sp r o v e d i n2 0 0 6 ，a no p t i m a le n g i n e e r i n gw a sp u ti np r a c t i c ei nt h eg s mm o b i l e n e t w o r ko fw u h a n c i t yw h i l et h ea u t h o rw a sj u s tat r a i n e ei nh u b e iu n i c o r n d u r i n g t h ep e r i o d ，m a n yp r o j e c t s f o r o p t i m i z i n gt h er a d i oc h a n n e l s ，s u c h a sa n t e n n a a d j u s t i n g ，c e l ls e l e c t i n g ，e t c ，w e r eb r o u g h ti ne f f e c t a f t e rs od o i n g ，t h ep e r f o r m a n c e s o fr a d i oc h a n n e l sa r eg r e a t l yi m p r o v e d a n dw i t ht h eh e l po fc o l l e a g u e s ，t h ea u t h o r h a sg a i n e dp r e c i o u st e s t - d a t aa n dp r a c t i c ee x p e r i e n c e k e y w o r d s ：g s m ，a i ri n t e r f a c e ，c h a n n e lb l o c k i n g ，c e l lp a r a m e t e r d u a lf r e q u e n c y n e t w o r k ，h a l fr a t es p e e c h ，p r o p o t i o no fv o i c et r a f f i c i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特j l i j j n 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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：主选导师签名：益毗z 日期：型阳 武汉理_ 大学硕十学位论文 1 1 研究的背景 第1 章绪论 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球移动通信) 数字移动 通信系统源于欧洲。早在8 0 年代初，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营， 例如北欧的n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n y 北欧移动电话1 和英国的t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 全接入通信系统) ，西欧其他各国也提供移动业 务。但是模拟系统有一些限制：第一，尽管在8 0 年代初的过低估计下，移动业 务的潜在需求也远远超过当时模拟蜂窝网的预计容量；第二，运营中的不同系 统不能向用户提供兼容性：一个t a c s 终端不能进入n m t 网，一个n m t 终端 也不能进入t a c s 网。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系 统【。 1 9 8 2 年在欧洲邮电行政大会( c o n f e r e n c eo fe u r o p e a n p o s t sa n d t e l e c o m m u n i c a t i o n sc e p t ) 上成立“移动特别小组”( g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) 简称 “g s m ”，开始制定使用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。1 9 9 0 年完成了g s m 9 0 0 的规范，产生一套1 2 章规范系列。随着设备的开发和数字 蜂窝移动通信网的建立，g s m 逐渐演变为“全球移动通信系统”( g l o b a ls y s t e m f o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 的简称【2 j 。 对于移动通信运营商来说，随着中国加入w t o ( w o r l dt r a d eo r g a n i z a t i o n 世界贸易组织) 以及运营商之间竞争的加剧，网络的质量己经成了决定其命运的 根本要素。移动通信网络是一个动态的网络，网络的负载随时都在变化，网络 上的业务会不断更新，网络对资源的需求电会动态变化，所有这些都要求运营 商应不断地准备对网络进行调整，以便优化资源配置，合理地调整网络的参数， 使网络达到最佳的运行状态，这就是移动通信网络优化要达到的目标。 1 2 问题的提出 在网络建设之初，常采用普及率法、类比法、数学模型法、专家预测法等 武汉理工大学硕士学位论文 多种预测方法，最后进行综合加权得出移动用户数。用话务模型计算系统话务 量，根据p l m n ( p u l i cl a n dm o b i l en e t w o r k 公众陆地移动通信网) 的不同结构获 得各接口的话务量。话务模型受各地的社会、经济环境，主力用户群的组成情 况等因素影响较大，且将随着用户的增长不断发生变化。因此，网络建设中容 量规划和网络的实际话务模型可能会产生较大误差。 常用的粗略估计用户密度分布的方法有：1 ) 百分比分配法，2 ) 话机类比法。 由于目前现在还没有经典的方法来预测移动通信业务，可以说，迄今为止，所 有的预测都是保守的。虽然通过o m c ( o p e r a t i o n m a i n t e n a n c e c e n t e r 操作维护中 心) 的话务统计报告可以得到移动业务区较全面的话务量分布，作为优化和扩容 的参考；但是，期望能准确的估算话务分布是不可能的。因此，在国内的大中型 城市g s m 无线网络优化中，都会面临着无线网络拥塞的情况。一方面，移动 通信处于大发展阶段，用户数量高速增长：另一方面，城区某些区域信道严重不 足，用户忙时根本无法拨出电话，而在该区域建设新基站相当困难。在网络实 际运行过程中，话务量的大小直接关系到移动公司的经济效益，但是话务量的 大小主要是和本地区的经济发展程度密切相关，对于内地欠发达城市想在短期 内大幅增加话务收入是不现实的。 无线网络的拥塞大致分为两类：一类是话音信道的拥塞即t c h 的拥塞，另 一类是信令信道的拥塞即s d c c h ( s t a n d a l o n ed e d i c a t e dc o n t r o lc h a n n e l 独立专 用控制信道) 的拥塞。t c h ( t r a 伍cc h a n n e l 业务信道) 拥塞会造成话音信道的难 以占用，同时用户切换时也会因为切入小区的信道堵塞，在进行切换时无法占 用相邻小区的空闲话音信道而失败；s d c c h 拥塞会造成本业务区用户接收信号 时断时续，一些切换请求也会因为日标小区无空闲s d c c h 分配而无法进行位 置登记。在话务模型的分布上，也出现了一些新的特征：1 1 城市不同区域内分布 不均日益明显；2 ) 话务分布的时段性越来越显著；3 ) 不同的用户需求和高质量v i p 级服务要求：在目前的情况下，全国各地对g s m 网络建设的投入曰益减少，这 迫使我们在现有设备上挖掘潜力，合理配置资源，适当调整参数，寻求覆盖、 容量、质量三者之间的平衡，使设备发挥最大效益。1 3 】1 4 j 1 3 本文的主要工作 本文围绕着g s m 移动通信系统中无线接口无线信道存在的拥塞问题主要 2 武汉理工大学硕士学位论文 做了以下工作： 1 ) 了解g s m 移动通信系统结构及工作原理 2 ) 研究了无线电波的传播途径和传播中的种种损耗以及这些损耗给g s m 系统无线传播造成的影响 3 ) 研究了g s m 移动通信系统中无线接口无线信道拥塞产生的原因，讨论 了提高网络容量的各种方法的特点及效果 4 ) 提出了通过调整参数来均衡话务量和利用半速率这两种方式来解决拥塞 问题。通过一些测试数据的比较分别验证了这两种方法的可行性。 论文的大体内容结构： 第一章简要的介绍了g s m 移动通信系统的发展状况，指出g s m 移动通 信系统发展的热点及方向； 第二章介绍了g s m 系统组成及特点，g s m 蜂窝网络结构和现今我国g s m 频段的分配。 第三章研究g s m 系统无线传播途径，介绍传播中一些常见情况的传播损 耗算法，在这章里还分析了g s m 无线网络信道拥塞产生原因及处理流程。 第四章介绍了几种提高g s m 网络容量的方法，并比较各种方法的优缺点。 重点介绍了采用g s m 9 0 0 1 8 0 0 双频网来提高容量的重要性 第五章提出了通过调整参数来均衡话务量和利用半速率这两种方式来解 决拥塞问题。通过一些测试数据的比较分别验证了这两种方法的可行性。 最后总结全文并展望。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章g s m 蜂窝网络体制与组网技术 2 1g s m 系统组成及特点 g s m 系统可以归纳为三个子系统：m s s ( 交换子系统) 、b s s ( 基站子系统) 及操作维护子系统。其中基站子系统与移动终端又可以归并称为无线子系统1 5 1 。 移动终端移动电话单元包括控制单元、收发信机和天线系统。 基站子系统基站子系统b s s 在g s m 网络的固定部分和无线部分之间提 供中继，一方面b s s 通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面b s s 又连接到网络端的移动交换机。b s s 可分为通过无线接口与移动台相连的基站 收发信台( b t s ) 和另一侧与交换机相连的基站控制器( b s c ) 两部分，b t s 负责无线传输、b s c 负责控制与管理。b s s 是由一个b s c 与一个或多个b t s 组成的，一个基站控制器根据话务量需要可以控制数十个b t s 。b t s 可以直接 与b s c 相连，也可通过基站接口设备b i e 与远端的b s c 相连。基站子系统还 应包括码型变换器( t c ) 和子复用设备( s m ) 。 网络子系统主要包含有g s m 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g s m 移动用户之间的通信和 g s m 移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。 本书主要是针对基站子系统的建设、布局来进行研究的。当然，也包括对 网络子系统的连接，容量等。见图2 1 。 图2 1g s m 移动通信网结构 4 武汉理工大学硕士学位论文 g s m 系列主要有g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 两部分，二者之间的主要区别是工作频 段的差异。g s m 系统的特点可归结为： 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( g s m 信道带宽为2 0 0 k h z ，模拟 制约为2 5 z ) ，使得同频复用载干比降低至9 d b ，故g s m 系统同频复 用模式可以缩小至4 1 2 或3 9 ，甚至更小( 模拟为7 2 1 ) 。加上半速率话 音编码技术的引入和话务分配使g s m 系统的容量效率( 每兆赫每小区 的信道数) 比t a c s 高- - - 5 倍。 3 1 话音质量高：g s m 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a b i s 接口。 5 ) 安全性：通过鉴权，加密和t m s i 号码的使用达到安全的目的。 6 1 与i s d n ，p s t n 等的互连。 刀在s i m 卡基础上实现漫游1 6 1 。 2 2g s m 工作频段的分配 我国陆地公用蜂窝数字移动通信网g s m 通信系统采用9 0 0m h z 和 1 8 0 0 m h z 频段。 ( 1 ) g s m 9 0 0 工作的无线频率分配为： g s m 9 0 0 ：8 9 0 9 1 5 m h z上行频率 9 3 5 9 6 0 m h z下行频率 双工间隔为4 5 m h z ，工作带宽为2 5 m h z ，载频问隔2 0 0 k h z 。 频道序号和频点标称中心频率的关系为： f u ( n ) = 8 9 0 2 0 0 m h z + ( n 一1 ) x 0 2 0 0 m h z 上行频率 f d ( n ) = f u ( n ) + 4 5 m h z下行频率 n = 1 1 2 4 频道 g s m 9 0 0 频段共有1 2 4 个载波频道。 在我国g s m 9 0 0 使用的频段为： 9 0 5 曲1 5 m h z上行频率 5 武汉理工大学硕士学位论文 9 5 0 9 6 0 m h z 下行频率 频道号为7 6 1 2 4 ，共1 0 m 带宽。 目前，在我国这1 0 m 带宽分别由两家g s m 运营商使用： 中国移动公司：9 0 5 9 0 9 m h ( 上行) ，9 5 0 9 5 4 m h z ( 下行) ，共4 m 带宽， 2 0 个频道，频道号为7 6 ，9 5 。 中国联通公司：9 0 9 9 1 5 m h ( 上行) ，9 5 4 9 6 0 m h z ( 下行) ，共6 m 带宽， 2 9 个频道，频道号为9 6 1 2 4 。 另外，由于中国移动公司拥有模拟a 和b 网的频段，各地移动分公司都不 同程度的挪用部分模拟网的频段用作g s m 9 0 0 网络，因此，实际上中国移动公 司g s m 系统占用不止4 m 带宽。具体见表2 1 表2 1 我国9 0 0 m 频段频道分配表 频道号 1 - 3 73 8 - 7 57 6 9 59 6 - 1 2 4 用途 中国移动中国移动中国移动中国联通 ( 模拟a 网)( 模拟b 网)( g s m 9 0 0 )( g s m 9 0 0 ) ( 2 ) g s m l 8 0 0 工作的无线频率分配为： g s m l 8 0 0 ： 1 7 1 0 1 7 8 5 m h 2 上行频率 1 8 0 5 1 8 8 0 m h z 下行频率 双工间隔为9 5 m h z ，工作带宽为7 5 m h z ， 频道序号和频点标称中心频率的关系为： f - u ( ，1 ) = 1 7 1 0 2 m h z + 0 5 1 2 ) x0 2 0 0 m h z 载频间隔为2 0 0 k h z 。 上行频率 k r a n k nzm i n ( k d o w n n ，k u p n ) - k o f f s e t s 声( ，1 ) = f u ( 以) + 9 5 m h z u p s ；s s u s b s r x s u f f s 下行频率 n = 5 1 2 8 8 5 频道 目前只有中国移动公司拥有g s m l 8 0 0 网络，拥有1 8 0 0 网络的移动分公司 大多申请1 0 m 的带宽，频道号为5 1 2 5 6 2 。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 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4 0 0 k h z 的保护带宽，通常是由模拟b 网预留。中国 移动公司与中国联通公司的数字移动通信系统也应有4 0 0 k h z 的保护带宽，即 它们之间必须有一个网络少用一个频道，或由中国移动预留，或由中国联通预 留。1 7 1 8 1 2 3g s m 蜂窝网络结构 一个g s m 网络是由若干个基站提供覆盖和服务的，对于一个大容量的移动 电话网往往需要几十个甚至几百个基站才能覆盖整个服务区，并要能满足高话 务密度的要求( 即要求基站容量要足够大) ，而g s m 网络能利用的频率资源又 是非常有限的，这就构成了一对矛盾。早在6 0 年代，美国贝尔实验室提出了使 用蜂窝结构来解决用户量大与移动通信系统频率资源有限的矛盾。经过几十年 的实践作为公用陆地移动系统，采用蜂窝小区技术的模拟通信系统中已经发展 的较为成熟了，该结构的有效性已经为工程、规划人员所接受。 这里更简明地描述蜂窝网络结构，不妨假设基站设置在平原地区，地面无 障碍物阻挡，并采用全向天线的理想条件下，它的覆盖区是一个圆。而七个圆 按照一定的交叠深度相邻接，中心一个圆的交接边界( 在蜂窝网中就形成了切 换边界) 就拟合成一个正六边形。对应的同频干扰也就较规则地分布于六边形 的边缘。如图2 2 所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 蜂窝结构的拟合 因此，在一个服务区内，以全向区来看，相互邻接的小区其正常切换边界 形成了多个两两相邻正六边形，形同蜂窝状，称为蜂窝结构。但是，为了在无 线网络规划设计中应用蜂窝结构实现同频复用和覆盖区不断扩大的要求，还需 要将各蜂窝( c e l l ) 分成复用区族，由复用区簇两两相邻接来不断扩大覆盖区和 实现频率复用【9 】【1 0 1 。 复用区簇是若干个相邻接在一起的基站区群。在一个复用区簇内将全部可 用频道平均分配给每个基站区或扇形小区， 两个相同的无线区簇彼此相邻接，簇内处于相应位置的两个基站区就是同 频复用区，而相邻的无线区簇为同频复用区簇。如图2 3 ： d 3ia llc 2ic 3ib 1id 2 c 1 i a 2 l a 3 l d 1 i b 2 ib 3i c 1 1 2 3 l b 1 l d 2 i d 3 ia 1l c 2 l c 3 a 1 i b 2 l b 3 i c 1 l a 2 i a 3ld 1 d 2ia 1ic 2ic 3ib 1id 2ld 3 图2 3 由1 2 个小区组成的频率复用区族 8 武汉理工大学硕士学位论文 显然，六边形只是无线覆盖方式的简化模型，实际上不可能有上面所讲到 的各个方向完全一致的传播情况，也就没有完全规则的正六边形相接的小区， 覆盖和干扰分布也就随地理环境发生偏差，这就要求在蜂窝结构思想的指导下， 合理规划和配置各个小区，使得覆盖和干扰保护达到要求。 另外，应用蜂窝分裂技术不断将基站覆盖区划小，提高频率复用次数，满 足用户密度不断增大的需要。该技术主要包括将一个全向大基站分裂为若干个 扇形小区基站，或将一个扇形小区基站分裂为多个覆盖半径更小的扇形小区基 站。有关小区分裂的技术在第四章中有详细的论述。 就小区规划而言，蜂窝小区无论对模拟系统或数字系统在组网技术和工程 设计上都是相通的。数字系统在对载干比要求、传播损耗计算的模型等方面有 不同于模拟系统的特点。 综合可知，蜂窝小区体制主要特点有： ( 1 )无线频率资源复用； ( 2 ) 越区自动切换； ( 3 ) 信道分配和小区分裂。 其中频率复用主要由系统所选用的调制方式、信道带宽确定载干比，在满 足这个载干比要求的前提下，考虑到多径衰落等因素的影响，确定同频复用保 护距离和邻频干扰等。 为了满足用户从一个小区移动到另一个小区，使得通话不被中断，需要进 行自动切换信道。g s m 系统提供了软、硬件手段，是网络实体所必备的功能。 而如何配置与设计，使网络和终端能够成功地完成越区切换，并尽可能地减少 系统中切换的次数，将是小区系统设计的重要课题之一。 组网的最终目的是满足用户话务需求，而由于移动网自身的特点，话务分 配极不平衡，在闹市区中央和郊区的话务量可以相差上百倍。因此小区的覆盖 半径，各个小区分配到的信道是不同的，对应于小区的容量也就不同，并且随 着话务量的增加，还可能将原有小区进一步分裂为更小的新小区。要求在规划 设计阶段不仅要考虑满足覆盖、干扰以及系统容量，另外也要是要考虑系统的 成本和经济效益，以及将来系统扩容的灵活性。 g s m 系统中还有一个重要的功能，就是功率控制。由于小区覆盖半径的不 同和终端的移动性，需要在移动台和基站双向按照连接双方无线路径的远近控 制其平均功率，使保持传输质量在给定的门限上，而又尽可能处于最小的发射 9 武汉理工大学硕士学位论文 功率。这样就可以减少对其它通话的干扰电平。 同样为了提高无线信号的传输质量，减少系统的干扰电平以及提高频谱效 率，还要在规划中配置功率控制方案，采用分集和跳频及不连续发信等技术， 对规划设计提出了较高的要求。【1 1 】【1 2 】 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 第3 章g s m 系统无线传播和无线信道拥塞 3 1 无线电波的传播途径 无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：直射波或地面反射 波、绕射波、对流层反射波、电离层反射波。就电波传播而言，发射机同接收 机间最简单的方式是自由空间传播，自由空间指该区域是各向同性( 沿各个轴特 性一样) 且同类( 均匀结构) 。另一种方式是地面反射波。直射波和反射波叠加的 结果可能使信号加强，也可能使信号减弱，即所谓的多径效应。绕射波是建筑 物内部等阴影区域信号的主要来源。绕射波的强度受传播环境影响很大，且频 率越高，绕射信号越弱。第三种方式即对流层反射波，产生于对流层。对流层 是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。 这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层方式应用于波长小于i o 米( 即频率 大于3 0 m i - i z ) 的无线通信中。第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小 于1 米( 频率大于3 0 0 m h z ) 时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一 个或多个跳跃，因此这种传播用于长距离通信。同对流层一样，电离层也具有 连续波动的特性。 在一个典型的蜂窝移动通信环境中，移动台天线总是比基站天线低很多， 接收机与发射机传播模式是散射，即从建筑物平面反射或从人工、自然物体折 射。1 1 3 1 1 4 1 3 2 无线电波的传播 3 2 1 无线电波的传播环境 电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播环境直接决定传播模型 的选取。影响环境的主要因素：1 ) 自然地形( 高山、丘陵、平原、水域) ；2 ) 人工建 筑的数量、分布、材料特性；3 ) 该区域植被特征；4 ) 天气状况；5 ) 自然和人为的电磁 噪声状况。另外，地形结构是我们比较重视的建模条件，分为：1 ) 开阔区；2 ) 平滑 地形；3 ) 丘陵地形；4 ) 山区。 武汉理j r 大学硕十学位论文 3 2 2 传播损耗 传播损耗分为4 类： 自由空间传播损耗 p l o s s = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 月w z + 2 0 1 9 d k m ( 3 1 ) 设f = 9 0 0 m h z ，该传播损耗可描述为： p l o s s = 9 1 5 2 + 2 0 l g d + l 0 + 1 0 c l g d0 2 ) l 0 = 9 1 5 2 c = 2 路径损耗斜率 在实际通信环境中，c 一般在3 至5 之间在研究传播时，特定收信机功率 接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号减小。 这种信号强度减小称为传播损耗。上式中，f 为频率，d 为距离( 公里) 。上式与 距离d 成正比，当d 增加一倍，自由空间路径损耗增加6 分贝。同时，当减小 波长( 提高频率0 ，路径损耗增大。工程中，我们可以通过增大辐射和接收天线 增益来补偿这些损耗。 ( 2 ) 平坦地形传播损耗为： f l o s s = 1 0 cl g d 一2 0 1 9 h b 一2 0 l g h m ( 3 3 ) c = 4 路径损耗斜率 h b ：基站天线高度 h m ：移动台高度 若基站天线高度增加一倍，则可补偿6 d b 的路径损耗 ( 3 ) 准平滑地形及不规则地形传播损耗 准平滑地形指表面起伏平缓，起伏高度小于等于2 0 米的地形，平均表面高 度差别不大。o k u m u r a 传播模型将起伏高度定义为距离移动台天线前方1 0 公里 内地形起伏1 0 与9 0 的差。c c i r 定义为收信机前方1 0 5 0 公里处地形高度超 过9 0 与超过1 0 的差。除此以外的其它地形统称为“不规则地形” ( 4 ) 其它传播损耗 包括绕射损耗，穿透损耗，地物损耗。 绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的一种测量。障碍物高度必须同传播 波长比较。同一障碍物高度对长波长产生的绕射损耗小于短波长。其特点是电 磁波在绕射点四处扩散，绕射波覆盖除障碍物外的所有方向，扩散损耗最为严 重，计算公式复杂，随不同绕射常数变化。 穿透损耗代表信号穿透建筑物的能力，不同结构的建筑物对信号的影响非 常大。同一建筑物对长波长产生的穿透损耗大于短波长。一般室内的电波分量 是穿透分量和绕射分量的叠加，而绕射分量占绝大部分，所以总的看来高频信 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 号( 如1 8 0 0 m ) 室内外电平差比低频信号( 如9 0 0 m ) 室内外电平差要大。并且，低 频信号进入室内后，由于穿透能力差一些，在室内进行各种反射后场强分布更 均匀；高频信号进入室内后部分穿透出去了，室内信号分布就不太均匀，所以显 得不同位置的信号电平差异大，也就使用户感觉信号波动大。一般来说，室内 窗口处与室内中部信号差别较大，建筑物材质和电磁波的入射角对穿透损耗影 响较大。以下表3 1 是武汉工程中穿透损耗的经验值。1 1 5 】【1 6 】 表3 1 穿透损耗的经验值 楼层阻挡 2 0 d b 室内损耗值是楼层高度的函数 1 9d bf 层 家具和其它障碍物的阻挡 2 1 5d b 厚玻璃 6 1 0 d b 火车车厢的穿透损耗 1 5 3 0d b 电梯的穿透损耗 3 0d b 茂密树叶损耗1 0d b 物体阻挡穿透损耗为：隔墙阻挡5 2 0 d b 3 2 3 无线传播模型 目前，对无线的传播模式分析最常用的是o k u m u r a ( 奥：村) h a t a 模型 由于使用o k u m u r a 模型，需要查找其给出的各种曲线，不利于计算机预测。 h a t a 根据o k u m u r a 的基本中值场强预测曲线，通过曲线拟合，提出了传播损 耗的经验公式，即o k u m u r a h a t a 模型。 h a t a 在提出这个模型时作了下列三点假设，以求简化： 1 ) 作为两个全向天线之间的传播损耗处理； 2 ) 作为准平滑地形而不是不规则地形处理； 3 ) 以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校正公式进行修正。 适用条件： f 为1 5 0 1 5 0 0 m h z ； 基站天线有效高度h 。为3 0 2 0 0 米； 移动台天线高度h 。为1 1 0 米； 1 3 武汉理工大学硕十学位论文 通信距离为1 3 5 k m ； 传播损耗公式如下 l 6 城，6 9 5 5 + 2 6 1 6 l g 厂一1 3 8 2 l g h 6 一a ( h 。) + ( 4 4 9 6 5 5 1 9 h 6 ) ( 1 9 d ) 7 ( 3 4 ) 公式说明 d 的单位为k m ，f 的单位为m h z ； 工。城为城市市区的基本传播损耗中值； h b 、h m _ - 基站、移动台天线有效高度，单位为米； 基站天线有效高度计算：设基站天线离地面的高度为h 。，基站地面的海拔 高度为 。，移动台天线离地面的高度为h 。，移动台所在位置的地面海拔高度为 h 愕。则基站天线的有效高度h b = h ，+ j i l 譬一h 懈，移动台天线的有效高度为 。 ( 注：基站天线有效高度计算有多种方法，如：基站周围5 1 0 公里的范围 内的地面海拔高度的平均；基站周围5 1 0 公里的范围内的地面海拔高度的地形 拟合线；等等；不同的计算方法一方面与所使用的传播模型有关，另外也与计 算精度要求有关。) 移动台天线高度修正因子为： a ( h 。) 一 ( 1 1 l g f 一0 7 ) h 。一( 1 5 6 1 9 f o 8 ) 中j 、城市 8 2 9 ( 1 9 1 5 4 忍m ) 2 1 11 5 0 ， 2 0 毗大城市( 3 5 ) 3 2 ( 1 9 1 1 7 5 h 。2 4 9 74 0 0 厂 d l 时， 负斜坡都有可能产生第二次地面反射。 近似归纳斜坡地修正因子 k = o 0 0 蹦吒一o 0 0 2 d o m + 0 4 4 0 , 口。以毫弧度为单位，d 的单位为k m 上面图中正 ( 3 1 3 ) 以为移动台与基站连线的剖面上，移动台前后一公里内地形高度的平 均倾角( 用最小二乘法) h ) k j m 孤立山峰校正因子； 这里使用刀刃绕射损耗来计算，虽然计算量稍大，但要准确一些； 如图3 3 所示： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 h l 图3 3 刀刃绕射图 先求出单个刀刃的4 个参数，即，l ，厂2 ，h p ，工作波长a ； 用此4 个参数计算新参数v ，= h ， 计算绕射损耗 k 拥= 6 9 + 2 0 l g ( y 一吕1 2 + 1 + ，一。1 y v 。- 一0 。7 7 ( 3 1 5 ) i )k 。海( 湖) 混合路径校正因子 传播路径遇上水域时分两种情况考虑，如图3 4 ： 厶 口 厶 口 ( 3 1 4 ) ( a ) 陆地靠近基站( b ) 水域靠近基站 图3 4 传播路径遇水域 定义修正因子 磁；雌一o q + o ：6 妒 ) (32 j 、一、， 4 l ( 6 ) ：一( 一