无线网络优化研究

无线网络优化第一章绪论1.1 引言移动用户数量的剧增，业务种类复杂多样和灵活多变以及各运营商网络之间互连互通，使得移动通信网络在规模上、结构上不断地向多协议功能、多层面平台演进，随着通信市场竞争加剧，广大用户对网络质量的要求和业务需求越来越高，如何改善网络运行性能，提高网络服务质量，已成为移动通信市场企业掌握主动权和增强核心竞争力的基本前提。若能充分利用好现有网络的设备资源和频率资源，获取企业最佳效益，可降低网络运营成本，提高设备利用率。同时，多变的外界因素（如业务发展、网络扩容增建、城市基础设施的建设等）也时刻影响着移动网络的无线环境，而使得GSM这个动态的网络处在不平衡状态。因此，深化网络优化工作不容忽视，势在必行，它的地位和作用对网络的运行维护、网络规划及工程建设日趋重要，并具有积极的指导意义。1.2 研究背景全球的移动通信产业目前将关注的焦点由第二代（2G）移向第三代（3G）技术。随着3G技术的出现，运营商们也在研究网络优化问策略。在2G和3G过度时期，运营商首先考虑到了是如何节省成本，如何充分利用当前的GSM网络，如何优化GSM网络，使之慢慢趋进3G技术。因此，无线网络优化更显得至关重要！1.3 研究内容网络优化作业的主要过程有：网络普查、数据采集、数据分析、制定和实施优化方案、检查优化效果并总结留档。总之，通过一系列优化手段来达到通信质量指标。1.3.1 网络普查网络优化是一个系统工程。它要求优化人员对全网了解，优化的对象是网络，不是单点。切切不可在不了解全网的情况下，就开始优化。网络普查主要包括：(1)资料调查：调查本次优化前的最新技术文件（如已有设计、测试结果、上一次代化的技术总结报告和用户申告等），包括全网MSC、HLR、BSC、BTS的容量和所在的物理位置，网络结构，中继电路数量及质量，同步方式和信今方式，当前网上本地用户、漫游用户数及密度分布，用户投诉的热点地区等内容。(2）系统检查：利用S113测试仪表检查无馈线系统，如：天馈线接地、无线输出功率、馈线回损及天线角度、类型、高度与设计是否一致。同一小区的天线是否保持同一高度、角度、倾角。利用HP8595A测试仪表检查基站硬件，如：设备模块输出功率，放大增益，测试点工作电平，滤波器输出波形等。利用操作维护中心（OMC）检查网管上显示的告警点；检查BTS和BSC数据库，核实频点分配、LAC划分、载频数量、临近小区关系、切换条件等；检查交换机数据库，核实有关HLR、VLR无线网络参数。有时在网络普查之后，就可发现明显不合理、需要优化的方面，就可以制定和实施优化1.3.2 数据采集网络优化是在充分了解网络运行状态的前提下进行的。因此，数据采集是一个非常重要的环节。数据采集包括：(1)通过交换操作维护中心（OMCS）可以获得MSC话务量统计，包括网内MSC、VLR、HLR、CCS7、小区、中继群、录音通知等。对于交换机可统计到各信令点的信令负荷、忙时鉴权次数、忙时TMSI分配次数、VLR用户数、关机或脱网用户数、业务类型使用频率、忙时位置更新次数等。利用这些数据，结合GSM的当时运行情况，可修改MSC和BSC参数，减轻其工作负荷。(2）通过基站操作维护中心（OMC-B）可以获得BSC话务量统计（MOC话务量、MTC话务量、位置更新、切换、小区话务量、话务信道和信今信道等）。可统计小区内主被叫应答率、TCH分配成功率、TCH分配失败原因占有率、掉话率、忙时话务量、TCH平均占用时长、忙时占用TCH信道数、切换（来去）邻近小区及成功率、切换失败原因占有率等。结合GSM规范，就可知道话音信道分配失败过程中，各种原因所占比例；切换失败过程中，各种原因所占比例；掉话率等指标。借助测试仪表、测试手机及测试车等工具结合地理信息图和网络资源配置对无线接口（Um）部分进行测试采集。需要测试的主要内容有：呼叫通话测试、扫频测试、杨强测试、干扰测试、切换测试、位置更新测试、双频网评估测试等。需要采集的主要参数有：主邻小区场强、载于比、越区切换位置、越区切换电平、掉话数、误码率、失帧率、小区归属参数、全部第三层上下行信令采集和解码等。1.3.3 数据分析综合从交换机、基站和有线及无线部分的电测所获得的数据，进行数据分析。从交换机的操作维护终端OMCS和基站系统的操作维护中心OMCR获得话务统计报表。然后用后台软件加以处理。包括针对无线网络而言的全网接通率、话音信道掉话率、信令信道掉话率、切换成功率和切换失败原因占有率等。对无线部分测试采集到的数据进行分析得到场强覆盖分布图、比特误码率分布图、帧丢失率分布图、有效相邻小区分布图、同邻频干扰分布图等；以及双频网评估，呼叫过程事件和发生的频度统计报告。（掉话率、切换成功率、拥塞率、CQT拨打测试结果分布等），从而得到网络覆盖盲区定位、网络干扰（上下行）区定位、切换分析报告等。1.3.4 制定和实施优化方案根据网络普查时就发现的明显不合理之处制定和实施优化方案。一般这时是进行初级层次的优化。进一步提高门组运行质量就要进行较高层次的优化，它需要周期性地、渐进地进行。根据数据分析结果制定和实施优化方案。(1)初级层次的优化：“清网排障”很见效，如：数据库中数据垃圾的清理，故障盘替换等。根据话务量报表及销售计划，调整每个小区所需载频数目和各局向中继电路数，及时修改配置。应用频率规划软件和手工补偿，获得新增载频频点。另外，可以看到良好的初期越址选择可减轻大量的网络优化工作量。(2）常规的调整方法：根据数据分析得到的用户分布及话务分布提高交换机处理效率，增加容量，调整信道数。变更基站位置、切换参数、频率、小区参数等。对盲区覆盖、高速公路、室内区域、偏远地区，高话务量地区可考虑增加信道或增建基站、设置微蜂窝、宏蜂窝、直放站及（智能）同心圆、频率复用等技术。直放站选型时，应重视天线前后向比和非线性失真根据测试到的盲点和话音质量较差地区数据，调整天线的角度、高度、倾角、类型、连接及BTS发射功率。必要时，可更换基站位置。首先，利用频率规划软件模拟计算调整后的效果。满意时，调整天线多数。然后进行无线测试工作，反复进行模拟、调整、测试、比较工作，直到获得良好的服务状态。根据有线部分的测试得到统计数据，分析网络服务质量（QOS）差的原因。修改MSC或BSC数据库（诸如位置区域LAC、切换条件、鉴权条件、邻近小区、TMSI再分配条件，BSC和BTS归属关系等）后，再进行统计。每次尽量只修改一个参数，通过反复修改、统计、比较以得到较佳的指标。第二章移动无线环境的传播特性移动信道与其他通信信道相比，是稳定性最差的一种。由于受到地形，温度，湿度等环境因素的影响，无线电波在空中传播时将受到多方面的衰落。与在固定传输链路（如同轴电缆或光缆）中电波传输的可控性和预见性相反，由于电波在移动信道中传输时在空间上或空间上都有较大的起伏，因此要对移动信道进行控制和预测是非常困难的。本章主要介绍几个表征移动信道特性的参量,分为两部分，第一部分介绍有关天线的基本概念，第二部分介绍移动通信受到的主要影响。2.1 基本天线单元无线电波是电磁频谱中的一个组成部分。无线电信号可以表示为行进中的电磁波，其中包含电场分量和磁场分量，电场分量可以用来对发射电磁波的功率密度进行测量。电波可以沿给定的方向传播，所谓的天线指向这一概念就是以这一特点为基础的。简而言之，天线就是一种用导电良好的材料制造，用于连接发射（接收）信号与发射（接收）机的一种结构件。天线的形状和尺寸要经过设计以便天线更能有效辐射和接收电磁能量。天线的基本功能就是完成空间与传输线，同轴电缆或波导之间的电磁能量的连接。2.1.1 天线的主要特性2.1.1.1 点天线所谓点天线指的是理论上的点发射源，它向各个方向均匀地发射信号功率。点天线在实际中是不可实现的，但常作为实际天线的参考天线或基准天线1。2.1.1.2 定向天线定向天线是指在某些确定的方向上具有比其他方向上更高的发射和接受率的天线。定向天线具有水平或垂直等多种辐射方式，可以用在扇形小区中。定向天线可以用来在无线通信系统中实现覆盖区域的扩展和频率复用等目的。定向天线增益的典型值在916dB之间。参见图2-1图2-1定向天线方向图2.1.1.3 全向天线全向天线的方向图在方位角上是无方向性的，（参考图2-2）但在垂直高度上是有方向性的2。可以在同一个垂直轴上安装多副偶极子来增大水平方向的辐射功率。全向天线的典型增益为6-9dB，偶极子的数量每增加一倍，天线的增益增加3dB。当然由于天线阵尺寸的限制，天线增益的增大是有限的。全向天线常用做移动台的发射和接收天线，所以用户在使用移动台时就不必要天线对准特定的方向。 图2-2全向天线方向图2.1.2 常用天线常用的天线只占无线家族中的一小部分，在一些特定场合，如高性能通信链路、雷达系统、以及某些科学实验中，往往需要设计非常复杂的天线。无线的形状是多种多样的，常用的天线一般是结构简单、造价经济的天线。本文主要介绍4种类型的天线：线天线、口径天线、阵列天线和反射天线。2.1.2.1 线天线线天线是用途最广的天线，在汽车、楼房、轮船、飞机等场合都采用线状天线作为通信天线。线天线有多种形状，常用的有偶极子天线、环状天线、螺旋天线（广泛用于手机，可以减小物理尺寸），也可以是上述天线的混合型。偶极子天线结构最简单，在移动通信系统中常被用做参考天线。环状天线可以是圆形，也可以做成其他形状，如方形、三角形、椭圆形等。折叠（环状）的偶极天线特性阻抗很容易与馈线的特性阻抗匹配，因而常用做基站的发射天线。基站用的全向天线一般由数个偶极子天线组成，而移动台常用做1/4波长的单极天线。2.1.2.2 口径天线常见的口径天线由两大类：抛物面反射器天线和喇叭天线。为了提高增益，天线口径的长度和宽度必须为几个信号波长。口径天线一般用于微波传输，这种类型的天线主要用于卫星通信和雷达。2.1.1.3 阵列天线把多个偶极子（或其他单元天线）排成一个天线阵列，可以产生一个方向性很强的辐射波束，在单个阵子无法满足所需的天线性能时，往往采用阵列天线。 把一组阵子按一定的几何形状和电气方法排列起来，就可能得到特殊的、可调整的辐射特性，每个阵子的辐射场强相互叠加后，可以在一个或几个方向上形成很大的辐射功率，而其他方向上的辐射功率会很小。 八木天线是最常用的阵列天线之一，多用于电视接收天线，有时也用在PMR系统中作为站点之间的传输天线。在蜂窝系统中，常采用扇区化的天线，基站的每副天线覆盖120度的范围。这些天线一般是在一个反射面板前安装一组定向的偶极子阵列，通过精心设置阵子的间距，可以使天线的方向图向下倾斜，这样可以限制最大的传输距离，有利于蜂窝系统的规划，同时也还可以增加中距离范围内地面场强的强度。2.1.1.4 反射天线反射天线的辐射源位于一个反射面上，这种类型的天线主要用于空间通信（通信范围从几千公里到几百万公里）3。抛物面反射天线是这类天线中最常用的天线。2.1.3 天线间的互偶当几副天线安装在同一副塔架上时，不同用途的天线之间，发射天线和接收天线之间的互相耦合会带来新的问题。两副天线之间的去耦衰耗（以dB表示）定义为一副天线的输入功率于另一副天线输出端的比值。去耦衰耗（消除耦合引起的衰耗）越大说明天线之间的互相影响越小。在相距很近的情况下，两副固定天线间的去耦衰耗是一个常量。发射天线与接收天线之间的互耦会给接收一方带来宽带发射噪声和接收阻塞，从而导致接收灵敏度的下降。不同信道间的互耦可以导致互调产物，其结果可能产生虚假信号，并降低接收灵敏度。天线间的互耦一般可以归纳为以下三类。（1） 垂直互耦当两副垂直极化的天线一上一下安装在同一垂直轴上时，就产生垂直互耦。垂直互耦与天线间距有关。例如两副间距30cm的天线工作在900MHZ时，去耦衰耗为30dB。（2）水平互耦两副天线安装在同一水平面上时，要产生同样的去耦衰耗需要更大的天线间距。如工作频率为900MHZ，去耦衰耗为30dB时，天线间距需1.5m。（3）交叉互耦当两副天线以一定的相对角度放置时，会产生交叉去耦衰耗，当两副天线的夹角等与90度时，交叉去耦衰耗最大4。2.1.4 设计和选择天线时需要考虑的参数电性能参数；天线相对与点天线的增益或相对于半波长偶极子的增益；电压驻波比（VSWR）；方向图，特别是垂直面和水平面的波瓣宽度；定向天线的前后比；输入功率；互调性能；带宽；机械性能参数；天线及支撑体的结构设计；特殊环境的适应能力；2.2 移动信道中电波的传输电波传输受到下列因素的影响：（1）发射；（2）绕射；（3）散射，当电波传输过程中存在物理尺寸小于电波波长的物体，且这些物体的分布较密集时，就会发生散射现象。信号在移动无线环境中传输时受到的损害可以归结为如下三种：（1）由传输距离引起的损耗；（2）由阴影效应（发射与接受间的障碍物引起的）引起的损耗；（3）由多径传播引起的信号衰落。以下几种也会对信号传输构成不利的影响：（1）由其他发射机引起的干扰信号（同道干扰或邻道干扰），在设计频率复用系统时，避免这种干扰是非常必要的。（2）由外部环境中的噪声引起的干扰，如汽车马达的点火噪声。信号的传播还因地理环境的不同而有所变化。一般根据下面所列的不同参数来确定地理环境类型：（1）地形形态（2）植物稠密程度（3）建筑群及其密度和高度（4）空旷区（5）水面2.2.1传输路径损耗2.2.1.1 自由空间中的传输路径损耗灾自由空间中，假设存在一个无方向性的点辐射源，其发射功率为Pt，则在距离发射天线d处，信号功率均匀地分布在一个半径为d的球面上。其功率密度为： Sr= （21）如果接收天线离发射天线的距离为d，则天线接收到的信号功率与接收天线的有效面积Ae成正比。接收天线接收到的功率可表示为： Pr= (22)又天线的增益 Gr= （23）把2.3代入2.2得 Pr= （24）最后用一增益为Gt的发射天线代替点天线，并用一增益为Gt的接收天线接收信号，则有：Pr= （25）传输路径损耗PL(dB)=-10=-10 （26）可见路径损耗与频率有关，路径损耗（可通过测量发射机的输出功率和接收机的接收功率而得到）在频率低时小，随着频率的增高而增大。传输损耗也随着信号的极化特性的变化而变化。2.2.1.2 阴影效应电波传播过程中受到的最大损耗源自自然或人造的阻挡物，这种阻挡叫做阴影效应或阻挡效应5。发射天线与接受天线之间的阻挡物越高，信号遭受的损耗越大。 阴影效应引起的信号电平的衰落叫阴影衰落。阴影衰落的信号电平比较缓慢，阴影衰落为慢衰落。阴影衰落的速率取决于地形地物的分布，高度和移动体的速度。2.2.2 植被引起的损耗在市区，树木的总量不是很大，因而其影响可以忽略不计，而在农村，又树木引起的衰耗占了很重要的一部分。树木引起的损耗取决于树木的高度，树冠起伏，茂密程度，树龄，季节以及周围环境的湿度等。2.2.3 大气层引起的损耗电波在大气层中传播时的损耗主要是大气分子吸收衰耗和降雨，云，雾等衰减。在大气中，氧分子，水分子，对电波的吸收衰减起主要作用，氧分子的吸收频率在60-118GHZ之间，水汽的吸收峰为22GHZ，183GHZ，325GHZ。降雨对电波传输的影响也是很明显的。一方面，雨滴吸收电波能量引起吸收衰落；另一方面，雨滴对电波又具有散射作用。大气分子吸收引起的损耗一般是不变的。2.2.4 绕射和菲涅尔区在多径环境中，当电波遇到一个契形表面时就会发生绕射现象。绕射后的第二次波会绕过障碍物而达到阴影区，这个区叫菲涅尔区6。2.2.5 多径当无线电波在传输过程中遇到障碍物时，会受到反射和吸收。在市区环境中，由于反射物（障碍物）比农村大得多，因而反射波的数量要大得多。电波可以被多种物体反射，如高山，建筑物，运输车辆，飞机，甚至大气层中的不连续性（管道效应），都可以使电波发生反射。建筑物的高度、宽度、建筑材料、走向以及电波传输方向等，都是影响反射现象的因素。当建筑物的表面所形成的通道类似于“波导”时，由于反射作用，在信号传输的阴影区会收到很强的信号。在这些情况下，反射信号可能会被很大的衰减，而其他情况下，可能大部分信号能量都被反射，被吸收的很少。多径反射会造成在发射点和接收点之间存在多条传播路径。多径传输会带来两方面的影响：正面影响和负面影响。（1） 多径传输的正面影响多径传输主要的有利之处是它可以发射点与接收点在非视距的情况下也能实现通信。多径传输可以使电波有效绕过障碍物从而或多或少有助于电波覆盖连续区域。（2） 多径传输的不利影响多径也可以使信号受到负面影响。三个主要的不利影响是时延扩散；多径信号的相互干扰而造成接收信号的快衰落（瑞利衰落）；不同路径的多普勒频移引起的随机频率调制。强烈的信号反射会带来无法容忍的信号延时。见图2-3图2-3传输多径示意图2.2.6 时延扩散反射传输的路径通常比直射传输的路径长，即经反射路径传输的信号到接收机要比经直射路径传输的信号晚。这样从同一发射天线发出的信号会经不同时延而在不同时刻到达接收机。时延扩散或多径扩散可以由下面的简化公式来计算；多径扩散=（最长路径最短路径）/C，其中C为光速。信道脉冲响应的时延扩散取决于方向，反射系数以及反射物（建筑群，山峦，墙壁，交通工具，等）之间的距离等物理因素。时延扩散的取值范围一般从几十纳秒（室内环境）到几微妙（室外环境）。2.2.7 瑞利衰落信号经不同的路径传输具有不同的传输时间，并在接收端造成相互干扰。如果两条路径具有相同的损耗，且其传输时延刚好是信号波长的奇数倍时，这两个信号到达接收天线时会完全抵消。如果是偶数倍时，则两个信号相叠加得到一个幅度增加一倍的信号7。在实际环境中，到达接收端的信号往往是多个多径信号的合成信号，这些信号一般是相互独立的，并具有随机幅度，随机相位，其结果造成信号在幅度上产生波动，这种波动叫做小尺度衰落。且这种衰落服从瑞利、莱斯分布。见图2-4所示。图2-4信号衰落波形图2.2.8 多普勒频移多普勒效应是由于发射机和接收机之间相对运动引起的一种现象。这种现象会引起接收信号频率的变化，既多普勒频移或多普勒扩散。 这种频移主要由两个因素确定，接收机相对于发射机的运动方向和运动速度。如 多普勒频移Fs= （27）为信号载频，c为光速，为发射机与接受机之间的相对速度。多普勒频移导致信号产生随机频率调制，并影响多径信号，使一些多径信号具有正的频移，其他的多径