基于校园网的GSM网络规划设计

1、*实践教学实践教学*兰州理工大学兰州理工大学计算机与通信学院2012 年秋季学期移动通信移动通信 课程设计课程设计题 目：基于校园环境的 GSM 网络规划设计专业班级： 姓 名： 摘要 本文针对 GSM 系统，根据我校西校区用户具体需求和建筑分布特点，提出了一种适合我校西校区校园环境的网络规划方案。本文重点讨论基站容量规划、小区覆盖设计和频率规划,它们是 GSM 无线网络规划的三个重要方面。关键词：关键词：GSMGSM；话务量；全向天线；覆盖；话务量；全向天线；覆盖; ;网络规划网络规划前言前言手机自问世至今，经历了第一代模拟制式手机(1G)和第二代 GSM 等数字手机(2G)，而当前全球通信

2、运营商和手机产品制造商倡导的 3G 是指将无线通信与互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。3G 技术能够处理图像、语音、视频等多媒体形式，带来更高的移动传输速率，提供包括可视电话、高速上网、手机电视等多种信息服务，给大众带来了丰富的数据业务体验。GSM 技术是我国自主创新研发的第二代移动通信技术，这项技术是中国提出的，以我国知识产权为主，被国际广泛接受和认可的无线通信国际标准。这是我国通信史上的重要里程碑，也是中国移动通信的一次创举，也是中国对第三代移动通信发展的贡献。目 录摘要.2前言.3第一章 概述.51.1 研究背景 .51.2 网络规划基本知识介绍 .51.3 网络规划主要包括以

3、下基本过程和内容： .6第二章 GSM 概述 .92.1 GSM 系统频谱划分.92.2 GSM 系统多址技术.102.3 GSM 空间接口.102.3.1 物理信道 .102.3.2 逻辑信道 .10第三章 西校区业务需求分析.123.1 话务量需求特点 .123.2 建筑分布特点 .133.3 设计指标 .14第四章 设计方案.154.1 采用全向天线对校园进行覆盖 .154.1.1 全向天线的概述 .154.1.2 基站方案 .164.1.3 基站天线输入功率 EIRP 的计算.174.2 容量方案 .17总结.19参考文献.20第一章 概述1.1 研究背景GSM 网络规划一般侧重两个问

4、题：第一个问题是针对一般性的电信系统，涉及到交换设备和传输链路的规划；第二个问题是无线网络规划，这是蜂窝无线通信系统的特殊问题，涉及到无线覆盖和频率规划等十分重要的问题。本文将着重介绍 GSM 系统的无线网络规划设计。1.2 网络规划基本知识介绍GSM 无线网络规划设计是移动通信网的建设中极其重要的环节，它对于网络的建设成本与网络建立后的运行质量有重要的影响。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

5、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。当然上面的目标有些是互相冲突的，所以实际的系统实现常常是上述目标折中的解决产物。GSM 无线网络规划与优化是一个阶梯式循环往复的过程。对于一个 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。无线网络规划与优化工作的总体流程可用下面的流程图表示出来。1.3 网络规划主要包括以下基本过程和内容：1、网络规划资料收集与调查分析为了使所设计的网络尽可能达到运营商要求，适应当地

6、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。调研工作包括以下几个部分：了解运营商对将要建设的网络的无线覆盖、服务质量和系统容量等要求 ；了解服务区内地形、地物和地貌特征，调查经济发展水平、人均收入和消费习惯；调查服务区内话务需求分布情况 ；了解服务区内运营商现有网络设备性能及运营情况；了解运营商通信业务发展计划，可用频率资源，并对规划期内的用户发展做出合理预测；收集服务区的街道图、地形高度图，如有必要，需购买电子地图。2、勘察、选址和传播模型校正基站的勘察、选址工作

7、由运营商与网络规划工程师共同完成，网络规划工程师提出选址建议，由运营商与业主协商房屋或地皮租用事宜，委托设计院进行工程可行性勘察，并完成机房、铁塔设计。网络规划工程师通过勘察、选址工作，了解每个站点周围电波传播环境和用户密度分布情况，并得到站点的具体经纬度。为了更准确地了解无线规划区内电波传播特性，规划工程师可将几类具有代表性的地形、地物、地貌特征区域内指定频段的测试数据或现有网络测试数据（已建网络）整理以后，输入网络规划软件进行传播模型的校正，供下一步规划计算中使用。 系统需求调查分析系统容量极限网络优化调整用户增长、话务分布改变、无线环境变化网络校验与工程型优化调整工程实施频率规划及干扰预

8、测覆盖预测与规划勘察与站点初始布局容量规划规划3、网络容量规划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、楼房和高塔的分布，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。容量规划得出：满足规划区内话务需求所需的基站数； 每个基站的站型及配置；每个扇区提供的业务信道数、话务量及用户数； 每个

9、基站提供的业务信道数、话务量及用户数； 整个网络提供的业务信道数，话务量及用户数； 此步骤的规划是初步规划，通过无线覆盖规划和分析，可能要增加或减少一些基站，经过反复的过程，最终确定下基站数目和站点位置。4、无线覆盖设计及覆盖预测 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

10、、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。5、频率规划及干扰分析 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。6、无线资源参数设计合理地设置基站子系统的无线资源参数，保证整个网络的运行质量。从无线资源参数所实现的功能上来分，需要设置的参数有如下几类：网络识别参数 系统控制参数 小区选择参数 网络功能参数 无线资源参数通过操作维护台

11、子系统配置。网络规划工程师根据运营商的具体情况和要求，并结合一般开局的经验来设置，其中有些参数要在网络优化阶段根据网络运行情况作适当调整。 无线网络规划工作由于技术性强，涉及的因素复杂且众多，所以它需要专业的网络规划软件来完成。规划工程师利用网络规划软件对网络进行系统的分析、预测及优化，从而初步得出最优的站点分布、基站高度、站型配置、频率规划和其它网络参数。第二章 GSM 概述2.1 GSM 系统频谱划分 GSM 作为当前世界上分布最广的蜂窝移动系统，也是目前国内移动系统的主干网络，承载了国内的大部分手机用户。我国陆地公用蜂窝数字移动通信网 GSM 通信系统目前采用了 900 MHz 和 18

12、00MHz 两个不同的频段。（1）GSM900 工作的无线频率分配为：GSM900：890915MHz 上行频率935960MHz 下行频率双工间隔为 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：fu(n)=890.200MHz+(n-1)0.200MHz上行频率fd(n)= fu(n)+45MHz下行频率n=1124 频道GSM900 频段共有 124 个载波频道。（2）由于 900MHz 频带有限，可容纳的用户数也受限，所以 GSM 系统又发展到1800MHz。GSM1800 工作的无线频率分配为：GSM1800： 1710-1785MH

13、z 上行频率1805-1880MHz 下行频率双工间隔为 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：fu(n)=1710.2MHz + (n-512)0.200MHz 上行频率 fd(n)= fu(n)+95MHz 下行频率 n=512885 频道目前只有中国移动公司的部分分公司开通了 GSM1800 网络，拥有 1800 网络的移动分公司大多申请了频道号为 512562 的 10M 带宽。（3）保护带宽 当一个地区 GSM900 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，通常是由模拟网

14、预留。中国移动公司与中国联通公司的 GSM 系统也应有 400KHz 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。2.2 GSM 系统多址技术GSM 系统采用时分和频分相结合的多址技术。上面已经提到，在 GSM900 频段上一共可有 124 个载频，GSM1800 频段上一共可有 374 个载频，在整个频段上是频分的，而每个载频又是时分复用的，即每个信道占用载频的八分之一的时间。一个载频共有 8 个物理信道，每个信道都能支持话音或信令信息。这样每个载频（收发信机单元）可同时支持 8 个用户同时通话，从而节省了基站硬件设备。2.3 GSM 空间接口2.3

15、.1 物理信道物理信道是支持信息传输的媒体，在 GSM 系统中它是由相应的载频及时隙所决定。前面已经提到 GSM 中单个载频可以支持 8 个移动用户同时通话。它是这样分配的：载频使用的时间被分成了多个时间段，每个时间段称为一个“时隙” ，时隙按顺序排列，并编号为 0 到7。每这样的 8 个时隙序列称为一个“GSM 帧” 。 每个载频在时间上周期出现的同一时隙就构成了一个物理信道，提供给每个移动台传输话音、信令或数据信息，直到传输结束或切换发生。与移动台之间收发信号的定时对于系统正常工作非常关键。移动台和基站都必须在适当的时间发射和接收信号，否则就会错过它应该所在的时隙，一个时隙里所传的信息也称

16、为一个突发脉冲序列（Burst） 。每个数据突发脉冲序列在 GSM 帧中对应一个分配给它的时隙。2.3.2 逻辑信道 逻辑信道由物理信道上传递的信息组成，用以完成特定的功能。GSM 的逻辑信道分为两大类：业务信道（TCH）和控制信道（CCH） 。1）业务信道业务信道用于传送话音和数据信息。共有以下两种业务信道： 全速率信道（Full rate TCH）TCH/FSTCH/FSTCH/FS:话音 ( 业务信息 13kbit/s , 全部信息 22.8kbit/s gross )TCH/EFR:话音 ( 业务信息 12.2kbit/s , 全部信息 22.8kbit/s gross )TCH/F9

17、.6:TCH/F9.6:TCH/F9.6:9.6kbit/s9.6kbit/s9.6kbit/s 数据数据数据TCH/F4.8:4.8kbit/s 数据TCH/F2.4:2.4kbit/s 数据 半速率信道（Half rate TCH）TCH/HSTCH/HSTCH/HS:话音（业务信息 6.5kbit/s，全部信息 11.4kbit/s）TCH/H4.8TCH/H4.8TCH/H4.84.8kbit/s4.8kbit/s4.8kbit/s 数据数据数据TCH/H2.4 2.4kbit/s 数据 第三章 西校区业务需求分析学校园一般存在多种功能性建筑物，比如教学科研楼、行政楼、图书馆、宿舍楼、

18、餐厅以及操场等。一般校园内的用户数目总量较为固定，但用户行为在不同的建筑内具有各不相同的特点。从区域上看，大学校园主要分为几大覆盖场景：宿舍，教学楼（包括图书馆等） ，以及校园区域。（1）校园室内区域校园室内区域按照建筑功能可以细分为：教学楼、行政楼、实验楼、食堂、图书馆、大学生活动中心、体育馆、宿舍楼。此区域一般是校园话务量最为集中的区域，同时由于校园内部的作息时间，话务忙时具有规律性变化特点。（2）校园室外区域校园室外区域面积较大，主要是道路、广场、室外运动区域和草地组成。覆盖区域较大，但是话务量相对较小。3.1 话务量需求特点西校区校园内人数较多且集中，学生总数较大，但总量变化不大。校园

19、内人员流动的规律性带来话务的规律性变化，总体来说人员变化普遍趋势如下：1）每年有新生入校和毕业生离校，人数基本持平；2）每天离开学校和进入学校的人员基本持平；3）周一至周五校内人员较多而周末较少；4）寒暑假校内人员较少；5）9 月因新生入校人数增多，漫游数目较大；6）5-7 月因毕业生陆续离校，人员总数减少。根据校园内内不同楼宇具有的不同功能，人流量、话务量、业务需求各不同。根据调查，楼宇类型和话务量分布特点如表 2 所示。表 2 楼宇类型与业务特点序号楼宇类型人流量话务量数据业务1教学区较大一般一般2行政楼一般一般较少3A 馆、B 馆较少较少较少4食堂较大较大一般5图书馆一般较少一般6体育馆

20、较大较少较少7宿舍区很大较大较大学校的主要用户包括学生、教师和其他人口，其中占最大数量比例的是学生这一群体，因此，主要以学生群体的业务行为来分析其话务特点。学生的主要活动区域可按白天和晚上划分为教学区、宿舍区和其他区域（包括校园内、餐厅、操场等） 。以上述分析为基础，得出高校区的业务需求。大学内基本所有学生都住宿，宿舍区夜间的话务量相当高。周一至周五白天，人员集中在教学楼和实验楼。早中晚饭时间，人员主要集中在食堂。由于图书馆内场馆限制，一般话务量较小。宿舍话务量基本可以作为整个校园话务容量的衡量标准。基于以上人员活动特点的分析，室外宏站的话务压力不大，可以适当减少载频规划数量，提高载频利用率并

21、且可以减少频率干扰；对于校园的室内分布小区，需要吸收更多的话务量，话务压力较大。3.2 建筑分布特点根据我校建筑物分布情况，主要分为三大区，分别为南村宿舍区、北村宿舍区、教学区及实验室。其中主要的区域有：南村宿舍楼有 9 栋，北村宿舍楼有 8 栋，教学楼有四栋，实验楼有 2 栋。除了上述以外，还有校医院和工程训练中心，及门口行政处。这几个个地点平时人数较少，对网络需求量较小，故在建筑物布局图未详细列出，现主要区域建筑分布如图 2所示。图 2 西校区各建筑分布图3.3 设计指标根据相关标准，本次的设计目标为：覆盖区内无线可通率：移动台在无线覆盖区内 90%的位置，99%的时间可接入网络无线信道呼

22、损：根据要求无线信道呼损市区不高于 2%块差错率目标值（BLER Target）：话音 1%，CS64K 0.1%1%，PS 数据 510%第四章 设计方案4.1 采用全向天线对校园进行覆盖4.1.1 全向天线的概述1.全向天线概念全向天线：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 。2. 天线性能参数的选定天线增益：一般天线的发射方向(垂直方向的或者是水平方向的)越集中，那么获得的天线增益也就越高。对于一个全向性天线，在所有方向上的增益都是相同的。定

23、向性天线则是主发射方向的增益最大。前后比：对于定向天线，有明显的最大增益方向，其最大主向增益与反方向增益之比，可以表示出天线的定向性情况。极化：天线对发射波束的极化方式。波束宽度：一般指天线发射的主方向与发射功率下降 3dB 点的一个夹角，并把这个区域称为天线的波瓣，如下图所示：天线波瓣主向B-3dB-3dB 波束宽度示意图波束宽度又可以用水平 3dB 宽度和垂直 3dB 宽度来表示。在天线说明书方向图上可以明确地查到。根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用

24、了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度 B 为 60的天线，在郊区可选择水平波束宽度 B 为 60或 90的天线，而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。3.天线高度与倾角天线有效高度：为了获得一个地区预计的场强，需要定义基站的天线的有效高度。根据Okumura 的定义，天线高度 hts为天线距海平面的高度，地形的平均高度 hga 一般为315000m 之间，通常我们可用天线的海拔高度减去地形的平均海拔高度得到实际天线有效高度：hte= hts-hga。天线倾角：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

25、制的蜂窝网络的天线一般有一个下倾角度。天线的下倾的方式可以分为机械下倾和电子下倾两种。天线的机械下倾角度超过 8 度时会导致天线方向图就会变形，其主瓣向内缩、旁瓣向外扩张，且角度越大，变形越严重，给网络的覆盖和干扰带来许多不确定因数，因此不主张天线机械下倾超过 12 度。4.1.2 基站方案 此次基于校园环境的 GSM 网络规划，将基站设置于南村食堂顶部，基站天线覆盖示意图如图 4-1。 图 4-1 基站天线覆盖示意图如图中所示，扇区 1 覆盖教学楼、实验楼、一部分树园以及大范围的室外环境。扇区 2覆盖北村宿舍楼运动场、体育馆以及道路等室外环境。扇区 3 覆盖南村宿舍楼运动场、田径场以及树园道

26、路等室外环境。4.1.3 基站天线输入功率 EIRP 的计算基站天线输入功率是指进入基站发射天线的功率。其考虑了发射机输出功率，合路器的损耗、馈缆损耗、接头损耗及其它器件的损耗。计算公式为（dB 值表示）：基站天线输入功率=发射机输出功率（合路器的损耗+馈缆损耗+接头损耗+其它器件的损耗）如果再考虑基站发射天线的增益，就为 EIRP（等效全向辐射功率） ，即有：基站天线输入功率+基站天线的增益=EIRP4.2 容量方案为了对现有校园分布系统小区进行容量规划，校园用户数目需要尽量准确。北村生活区共8 栋宿舍楼和图书馆以及大学生活动中心，住宿的总人数为 8640 人。南村生活区共 9 栋宿舍楼，住

27、宿的总人数为 9720 人。宿舍区总人数约为 19000 人，加上教职员工以及校内工作人员总共有 20000 人。由于学生上课流动性大，在食堂、图书馆、校园内不同时间段学生量完全不同，学生同时出现在这些地点时最多有 5000 人。1.语音业务忙时话务量根据采集的数据，用户语音忙时话务量的公式，其中 C 为每一用户每天36001 kTCa平均呼叫次数，T 为每次呼叫平均占用信道时间，k 为集中系数，可计算出校园不同地点的忙时话务量。经过实际调研，宿舍区话务量高峰期是中午 12:0014:30 和晚上 21:3024:00 这两个时间段，每一个用户每天平均呼叫次数为 6（次/天） ，每次呼叫的平均

28、占用信道时间为 120（秒/次） ，集中系数为 15%，所以宿舍区每用户的忙时话务量为 4-1用户/03. 03600115. 0*120*636001*erlkTCa校园其他区域话务量较少， 每一用户每天平均呼叫次数为 2（次/天） ，每次呼叫平均占用信道时间为 90（秒/次） ，集中系数为 10%，同理可得每用户的忙时话务量为 0.005erl/用户。根据不同点的用户数，计算出无呼损时的忙时话务量：在北村宿舍区大约有 9000 用户，所以北村总的忙时话务量为 4-2 erl2709000*03. 0在南村宿舍区用户约有 10000 人，同理，南村总的忙时话务量为 4-3erl3001000

29、0*03. 0在校园其他区域忙总的话务量为 4-4erl255000*005. 02.移动数据忙时话务量目前 GSM 手机使用的业务主要有语音（AMR12.2K） 、视频（CS64K） 、PS64/64K、PS64/128K等四种。现在设定兰州理工大学西校区 GSM 网络用户使用的语音业务是 AMR12.2K，移动数据业务是 64K, 预测语音业务全天的话务量为 0.03erl/用户，数据业务的话务量为0.01erl/用户。语音业务与移动数据业务承载比为 1:4。因此根据每种业务占用信道资源的比例，可以将 1Erl 移动数据业务等效为 4Erl 的语音业务。根据实际调查，在校园内任何时间任何地

30、方都使用手机 QQ，所以数据业务在全天 24 小时内使用是均匀的。则在北村宿舍区忙时话务量为 4-5erl909000*01. 0同理，在南村宿舍区忙时话务量为 0.01*1000=100erl；在校园其他区域忙时话务量为0.01*5000=50erl。用等效爱尔兰算法将数据业务等效为语音业务，可得到西校区校园不同地点的忙时话务量，在北村宿舍区忙时话务量为；在南村宿舍区忙时话erl6304*90270务量为爱尔兰；在校园其他区域忙时话务量为。7004*100300erl22545025由于无线电波在传播过程中，不可能 100%的传播，都存在一定的呼损，假设呼损率为 5%,则北村宿舍区忙时话务量为；同理在南村宿舍区忙时话务量为erl5 .598%)51 (*630；在校园其他区域忙时话务量为。erl665%)51 (*700erl8 .213%)51 (*225由于 1 个爱尔兰对应 1 个信道，则北村宿舍区需要 599 个信道；南村宿舍区需要 665 个信道；校园其他区域需要 214 个信道。本次设计 TD-SCDMA 系统采用 18801920 MHz 的频段，一共有 40MHz 的频带，载频间隔为 1.6 MHz,有 40MHz/1.6 MHz=25 个载频。由于