GSM网位置区寻呼容量及其划分的研究

1、GSM网位置区寻呼容量及其划分的研究作者:龙伟博罗欣1 概述在移动通信系统中,位置区(LAC,location Area code管理是移动台移动性管理的一个重要组成部分本文首先介绍了位置区概念及其功能,通过对寻呼原理和寻呼过程的分析,讨论和研究了GSM移动通信网中位置区的容量及其划分问题,并分别对位置区寻呼容量话务容量和位置区划分等几个方面进行了计算和探讨,结合这些数据,以及影响位置区的诸多因素,提出了在位置区容量和划分上的一些观点和看法1.1几个概念a位置区:在GSM系统中,由于寻呼信道容量的限制,对移动台的寻呼消息不可能整网下发,就需要引入一个位置区的概念,在该位置区中包含许多小区,对移

2、动台的寻呼是通过对移动台所在位置区的所有小区的寻呼来实现的b位置更新:分为正常位置更新周期性位置更新IMSI附着位置更新正常位置更新,也即跨位置区的位置更新,是指当移动台发现其存储器内的LAI和接收到的小区的LAI(Location Area Identity号不一致时,通知网络来更改它所存储的移动台的位置信息;周期性位置更新,是为了保持移动台和网络之间密切联系,让网络及时掌握移动台状况的位置更新,网络要求移动台每隔一定时间向网络发起周期性位置更新请求,这种位置更新叫周期性位置更新;IMSI附着位置更新,是指移动台开机时,移动台会向网络发送消息,把自己的开机状态告知网络,网络收到此消息后,根据

3、其TMSI或IMSI号,将在系统数据库中注明该用户的当前位置等状态信息,并向移动台发送其当前小区的LAIc寻呼容量:是指网络系统正常情况下,一个位置区内,单位时间内能够进行的最大寻呼次数1.2问题的产生移动台的位置更新通过专用控制信道(SDCCH进行,位置更新次数过多,将使SDCCH的负荷加大,浪费系统的信道资源,同时也会增加MSCHLR的负荷;另外,移动台进行小区更新需要约10s的时间,在此期间不能打出或打进电话一般情况下,每个移动交换中心(MSC的控制区可分成若干个位置区从减少位置更新频率节约系统信道资源的角度来说,位置区设置得越大越好但是,如果位置区过大,超过系统的寻呼能力,将会造成系统

4、寻呼信令负荷过高,以至寻呼消息丢失,使寻呼成功率下降,并且低的寻呼成功率使得用户产生二次呼叫,会进一步增加系统寻呼负荷,以至进一步恶化寻呼成功率,严重情况下的恶性循环会导致系统瘫痪所以位置区也不能设得太大因此,在进行网络规划时,必须综合考虑位置区容量信道资源与系统寻呼能力之间的平衡随着GSM网络的不断发展,用户数和话务密度不断增大,每个位置区内的话务量也不断增加,这将会对位置区的设置和管理提出新的要求2 位置区寻呼容量2.1寻呼原理分析当一个LAC下的移动台被寻呼时,MSC就会通过基站控制器(BSC向对应LAC范围内的所有小区发出寻呼请求目前GSM网存在TMSI寻呼和IMSI寻呼两种寻呼方式在

5、GSM系统中,每个用户都分配了一个惟一的IMSI,IMSI写在移动台的SIM卡中,长8字节,用于用户身份识别;TMSI由VLR为来访的移动用户在鉴权成功后临时分配,仅在该VLR管辖范围内代替IMSI在空中接口中临时使用,且与IMSI相互对应,长4字节因此空中接口的寻呼信道在使用IMSI 方式寻呼时,寻呼请求消息中只能包含2个IMSI 号码,而使用TMSI 方式寻呼时,则可以包含4个TMSI号码因此,使用IMSI 方式寻呼带来的寻呼负荷会比使用TMSI 方式寻呼增加一倍2.4每位置区允许的话务量设置位置区话务容量时,一个重要原则就是位置区的大小不能超过其所能承担的最大寻呼容量对此,先讨论一下一个

6、位置区内寻呼容量和话务量的关系假设一个话务模型的平均通话时间为60s,短消息引起的寻呼比例为40%(河南移动郑州业务区统计数据,Abis接口LAPD链路按照16kbit/s考虑,则寻呼容量为102852次/h假设移动台第一次寻呼时响应的比例为70%,第二次寻呼时响应的比例为30%,其他情况可忽略不计(此数据一般是在Abis口寻呼受限时的情况下,在Abis口寻呼容量没有瓶颈时,寻呼尝试次数往往会设置到56次,一次成功呼叫所需的平均呼叫次数可达23次,则每小时产生的被叫话务量为102852×60%/(1+30%/60=791.17(Erl若假定主被叫比例为11(目前河南移动全网主被叫比例

7、约为4。55。5,郑州业务区比例约为11,则可计算出一个位置区最多可容纳的话务量为791.17×2=1582.34(Erl该数据是建立在给定的话务模型,一定的BCCH寻呼方式等几个条件下计算的结果,其中非组合BCCH方式,采用TMSI寻呼,可使一个位置区内可承载的话务量达到最大,位置区实际的话务容量还跟网络的实际情况和话务模型有关但从上面假定的情况和计算结果看,基本可以得到这样的结论,当Abis接口LAPD链路为16kbit/s时,为了保障网络的正常运行,建议其最大话务容量要控制在1580Erl以下2.5短消息对位置区寻呼容量的影响短消息可以通过SDCCH或SACCH发送,根据发送短

8、消息与接收短消息的不同,其流程可分为短消息主叫流程和短消息被叫流程短消息对位置区寻呼容量的影响主要体现在移动台接收短消息时的影响,移动台接收短消息时,同移动台作被叫一样,系统也要对移动台进行寻呼,因此基本可以认为,移动台每接收一条短消息和移动台做一次被叫对网络造成相同的影响下面将针对一定的短消息话务模型,来计算和分析短消息对系统造成的具体影响短消息业务为接收3条/用户/天;系统重发比例为30%;忙时集中系数为0。12以一个位置区内有10万用户为例(郑州业务区一个位置区大约有610万用户,位置区内忙时短信寻呼数为100000×3×0。12×(1+30%=46800(

9、次/h可以看出,短消息引起的寻呼也比较大,会对系统造成一定的影响另外短消息还有一个显著的特点,就是具有很大的突发性,节假日高峰期间,突发因子可达38,也即节假日的忙时短信量要达到平常忙时短信量的38倍,此时短信引起的寻呼将达到100000×3×0。12×8×(1+30%=374400(次/h这个数据是非常惊人的,并且这种短消息高峰往往是伴随着话务高峰发生的,这2个高峰将会造成一个很大的寻呼量,对系统造成极大的冲击此时就需要一定的流控保护,如采取短信不再设置重发高峰缓冲迟延处理降低最大寻呼次数等措施,以保证网络平稳度过节假日短信与话务高峰3 位置区边界的划

10、分GSM建网初期,一般可以将几个BSC之下的基站设置为一个位置区随着话务量和载频容量的增加,以及BTS和BSC的升级换代,每个BSC可承载的话务量大大增加,位置区的划分逐渐向BSC 的划分靠拢,也即一个BSC划分为一个位置区,个别情况下甚至可将一个BSC划分为多个位置区但位置区过小也会带来新的问题,诸如跨位置区的位置更新更加频繁,增大了交换机的负荷每复帧寻呼组可以传送4个TMSI寻呼或2个IMSI寻呼1个TMSI寻呼占1个寻呼组的1/4,1个IMSI寻呼占1个寻呼组的1/2网络系统中,若有约20%的寻呼次数采用IMSI寻呼方式,80%的寻呼次数采用TMSI寻呼方式,那么可以计算出:每100个寻

11、呼中包括80个TMSI寻呼方式和20个IMSI 寻呼方式,则每100个寻呼所需的寻呼组数目为80×1/4+20×1/2=30所以,每寻呼组的寻呼数为100÷30=3。33可以理解为,每寻呼组可以寻呼到3。33个手机在采用非组合BCCH情况下,转化为寻呼次数后,为34.04×3.33=113。35(寻呼/s则非组合BCCH情况下,每秒的最大寻呼为113。35次(即408060次/h在采用组合BCCH情况下,若AGB值设置为1,则每秒寻呼组数为2寻呼组/0。235s=8。51寻呼组/s采用TMSI和IMSI寻呼方式41情况下,每秒的寻呼次数为28。34次/s

12、(即102024次/h从上面的计算可以看出,采用组合BCCH时的寻呼能力约是非组合BCCH寻呼能力的1/4,因此当网络话务量较高网络配置比较大时,为了保证系统能够提供足够的寻呼能力,应当采用非组合BCCH的信道方式,以提高位置区内的寻呼能力2.3Abis接口寻呼容量由于位置区内的寻呼消息是以广播的形式发出的,也即寻呼消息将由BSC发给每一个小区,那么,BSC和BTS之间的Abis接口的信令负荷,也将关系到位置区的寻呼容量为了安全起见,LAPD链路的信令负荷要控制在50%以下,高于60%时将会存在较大的风险寻呼消息(包括帧校验序列FCS和标头flags字长为21个字节,一般情况下LAPD链路信令

13、负荷中60%为寻呼消息,那么,当LAPD信令为16kbit/s的链路时,每秒可传送的寻呼消息数为50%×16000×60%/8/21=28.57次/sBSC每小时可以传送的寻呼消息为28.57×3600102852次/h以河南移动GSM网络为例,在采用的诺基亚设备中,当Abis接口的LAPD链路为16kbit/s时,厂家给出的标称寻呼容量为29次/s当采用32kbit/s的LAPD信令链路时,BSC每小时可以传送的寻呼容量大约为50%×32000×60%/8/21=205704次/h2004年上半年开始,河南移动由于资费的优惠调整,使得2004

14、年9月28日相比2003年9月28话务量增长了一倍,尤其郑州业务区,由于各BSC话务量基数已经比较大,增长后就达到了更高的量值如2004年9月28日市区的BSC30峰值话务量达到1891。85Erl,忙时短信量也达5万多条,忙时寻呼次数达到近20万次,BSC和BTS之间的16kbit/s LAPD信令链路已超负荷运转,造成寻呼成功率下降,已不能够满足话务增长需求为了解决Abis接口寻呼容量的瓶颈,2004年国庆节以后,河南移动率先在郑州业务区分批次将全区LAPD信令链路从16 kbit/s升级到32 kbit/s,给以后话务增长和系统扩容提供了一定的保障2.4每位置区允许的话务量设置位置区话务

15、容量时,一个重要原则就是位置区的大小不能超过其所能承担的最大寻呼容量对此,先讨论一下一个位置区内寻呼容量和话务量的关系假设一个话务模型的平均通话时间为60s,短消息引起的寻呼比例为40%(河南移动郑州业务区统计数据,Abis接口LAPD链路按照16kbit/s考虑,则寻呼容量为102852次/h假设移动台第一次寻呼时响应的比例为70%,第二次寻呼时响应的比例为30%,其他情况可忽略不计(此数据一般是在Abis口寻呼受限时的情况下,在Abis口寻呼容量没有瓶颈时,寻呼尝试次数往往会设置到56次,一次成功呼叫所需的平均呼叫次数可达23次,则每小时产生的被叫话务量为102852×60%/(

16、1+30%/60=791.17(Erl若假定主被叫比例为11(目前河南移动全网主被叫比例约为4。55。5,郑州业务区比例约为11,则可计算出一个位置区最多可容纳的话务量为791.17×2=1582.34(Erl该数据是建立在给定的话务模型,一定的BCCH寻呼方式等几个条件下计算的结果,其中非组合BCCH方式,采用TMSI寻呼,可使一个位置区内可承载的话务量达到最大,位置区实际的话务容量还跟网络的实际情况和话务模型有关但从上面假定的情况和计算结果看,基本可以得到这样的结论,当Abis接口LAPD链路为16kbit/s时,为了保障网络的正常运行,建议其最大话务容量要控制在1580Erl以

17、下2.5短消息对位置区寻呼容量的影响2.5 短消息对位置区寻呼容量的影响 短消息可以通过 SDCCH 或 SACCH 发送，根据发送短消息与接收短消息的不同，其流程可分 为短消息主叫流程和短消息被叫流程短消息对位置区寻呼容量的影响主要体现在移动台接收短 消息时的影响，移动台接收短消息时，同移动台作被叫一样，系统也要对移动台进行寻呼，因此 基本可以认为， 移动台每接收一条短消息和移动台做一次被叫对网络造成相同的影响下面将针对 一定的短消息话务模型，来计算和分析短消息对系统造成的具体影响 短消息业务为接收 3 条/用户/天;系统重发比例为 30%;忙时集中系数为 0。12以一个位置区内 有 10

18、万用户为例(郑州业务区一个位置区大约有 610 万用户，位置区内忙时短信寻呼数为 100000×3×0。12×(1+30%=46800(次/h 可以看出，短消息引起的寻呼也比较大，会对系统造成一定的影响 另外短消息还有一个显著的特点， 就是具有很大的突发性， 节假日高峰期间， 突发因子可达 38， 也即节假日的忙时短信量要达到平常忙时短信量的 38 倍，此时短信引起的寻呼将达到 100000×3×0。12×8×(1+30%=374400(次/h 这个数据是非常惊人的，并且这种短消息高峰往往是伴随着话务高峰发生的，这 2 个高

19、峰将会 造成一个很大的寻呼量，对系统造成极大的冲击此时就需要一定的流控保护，如采取短信不再设 置重发高峰缓冲迟延处理降低最大寻呼次数等措施，以保证网络平稳度过节假日短信与话务高 峰 3 位置区边界的划分 GSM 建网初期，一般可以将几个 BSC 之下的基站设置为一个位置区随着话务量和载频容量的增 加，以及 BTS 和 BSC 的升级换代，每个 BSC 可承载的话务量大大增加，位置区的划分逐渐向 BSC 的划分靠拢，也即一个 BSC 划分为一个位置区，个别情况下甚至可将一个 BSC 划分为多个位置区 但位置区过小也会带来新的问题，诸如跨位置区的位置更新更加频繁，增大了交换机的负荷 位置区内移动台

20、进行的周期性位置更新，由于位置区内所有移动台都要参与进行的活动，这种 更新仅与周期时间和位置区内移动台用户数有关周期时间是由系统通过 BCCH 广播给各个移动台一 个周期位置更新定时器，强制移动台在定时器超时后自动向网络发送周期位置更新请求该周期时间 越短，网络与移动台的联系就越密切，网络性能就越好，但是带来的副作用就是一方面会使网络的信 令流量增加很大，无线资源的利用率随之降低，甚至影响 MSCBSCBTS 的处理能力;另一方面也使 得移动台的耗电量急剧增加，待机时间大大缩短因此周期性位置更新的间隔时间不宜过小，该参数 对位置区边界划分影响小，本文就不作详细的讨论 在不同位置区之间发生位置更

21、新期间，移动台将不能正常通话，而在高话务量的密集市区，移 动台在不同位置区重叠区域的活动也比较频繁，这就对不同的两个或数个位置区的边界设置提出 了较高的要求从减少正常位置更新次数出发，位置区设置得越大越好，然而位置区大小又受到寻 呼容量的限制，因此就不能通过增大位置区范围来减少正常位置更新，就需要在位置区的边界设 置上来考虑尽量减小位置更新次数以河南移动郑州业务区为例，在将 LAPD 信令链路升级以后， Abis 接口寻呼容量的瓶颈已基本得到了解决，位置区的问题日益表现在跨位置区边界的位置更新 上随着网络的发展，用户密度将进一步增大，跨位置区的位置更新对系统负荷的影响也将会越来 越大，所以位置

22、区的边界设置显得越发重要根据正常位置更新发生的特点，总结出位置区的边界 划分应该遵循以下几个原则: a尽量将位置区边界避开繁华市区等话务量很大的区域， 而将之设置在郊区工厂等话务量低或 者低端用户区域这些地方小区密度小，移动台位置变更范围小，跨位置区的位置更新对网络的负 荷相对较小当密集市区无法避开位置区边界时， 应尽量将位置区边界放置在居民小区等用户移动 性较低的区域 b将位置区边界设置成与道路垂直或斜交的状态，尽量避免位置区重叠区设置在用户高移动性 区域，这样可以避免跨位置区时大量的乒乓位置更新和乒乓切换若此时设置不当，将会对系统造 成极大的影响 c尽量避免几个位置区的交界处在同一个较小区域，这也将减少移动台在较小区域内在几个位 置区之间不断位置更新和切换 d划分位置区边界时， 还要考虑到话务量的增长趋