GPRS无线网络最优化设计.docx
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GPRS无线网络最优化设计
硕士学位论文
题目GPRS无线网络最优化设计
姓名沈列洪
专业通信与电子系统
指导教师戴文琪教授
日期2001年12月
1概述
1.1移动通技术的发展
移动通信就是指通信双方，至少有一方是在移动中进行信息交换的通信方式。
从移动通信的具体表现形式来分，陆地移动通信（PLMN）占有绝对的地位，是整个移动通信领域中的主要内容。
从陆地移动通信的具体实现形式来分主要有模拟移动通信和数字移动通信这二种。
目前我国各地的移动通信系统中大多采用GSM数字蜂窝系统。
80年代初，一种以微型计算机和移动通信结合，以频率复用、多信道共用技术和全自动地接入公共电话网的小区制、大容量蜂窝式移动通信系统，在美国、日本和瑞典等国家先后投入使用。
1979年，美国在芝加哥开始进行AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem）蜂窝系统的汽车电话实验，并于1983正式开通业务。
这一系统的发展十分迅速，年增长率达到30%--40%。
这一代系统主要特征是使用频分多址（FDMA）接入技术，在移动信道中传输调频模拟电话信号。
模拟蜂窝系统就是通常所说的第一代移动通信系统
模拟蜂窝系统不能提供非话音业务，保密性差，难以和综合业务数字网（ISDN）接口，而且设备不能实现小型化，制式不统一，因此已逐渐被数字系统所取代。
与模拟系统相比，数字移动通信系统更能满足大容量、高质量、智能化和综合化等的要求。
1982年，欧洲电信标准委员会（ETSI）成立了移动通信特别小组（SMG），开发数字蜂窝式移动通信技术。
1987年，泛欧数字蜂窝系统GSM（GlobalSystemforMobilecommunications）规范达成一致意见。
1991年，GSM数字蜂窝移动通信系统在欧洲问世，从此，移动通信跨入了第二代。
1989年，Qualcomm公司等引入CDMA技术以革新蜂窝移动通信。
1993年7月，美国公布了由Qualcomm提出并获TIA/EIA通过的IS-95标准，称为“双模式宽带扩频蜂窝系统的移动台-基站兼容标准”。
IS-95标准定义的CDMA系统具有双模式（Q-CDMA/AMPS）运行能力的窄带码分多址（N-CDMA）数字蜂窝系统，QUALCOM的CDMA系统是第二个数字移动通信标准，1995年11月，世界上第一个CDMA系统在香港开通使用。
GSM和CDMA虽然采用不同的技术方式，完全不同的技术体制，但是它们的技术性能基本接近，提供的通信业务几乎一样，因此它们都属于第二代移动通信。
自从1992年在我国嘉兴建立和开通第一个GSM引示系统，并于1993年9月正式开放业务以来，经过几年的蓬勃发展，目前GSM系统已成为我国最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝系统。
从1987年我国开始提供移动业务以来的十几年里，年均增长率超过100％。
目前，我国移动电话用户数已超过12000万，用户规模居世界第一位。
我国的移动通信网络主要采用三种技术，模拟TACS系统、GSM900／1800双频系统和800MHzCDMA系统。
我国从1995年开始GSM的商用以来，发展速度非常迅猛，成为我国移动通信的主体网络，仅2000年就新增GSM用户4000多万。
现在中国移动通信集团公司和中国联通两大运营者的GSM网总用户数已超过12000万。
到2001年底，中国移动通信集团公司的GSM用户已
超过9000万，是世界上最大的GSM运营者。
从今年开始，我国又计划在全国范围内规模发展800MHzCDMA网络。
预计到2003年CDMA网络容量将达到4,000万，用户将达2,800万。
网络规模高速发展的同时大大促进了新技术和新业务的研究与开发，因此基于GSM网络的新技术层出不穷。
就GSM的ETSI规范本身而言，它也在不断地推出新的业务。
在当今的信息时代，GSM网络提供的基于电路交换的话音业务已经远远不能满足客观需要，话音业务已经变得越来越普通，它所带来的利润将每年递减。
寻找新的技术支撑点、开发新的诸如高速数据等多种业务一直是GSM技术和系统的一个热门课题。
当前，如何实现GSM网络向第三代移动通信系统在网络技术和业务方面的平滑过渡也是研究开发的前沿热点。
随着互联网技术的飞速发展，电信业务的中心正在逐渐从单一话音服务向数据与话音的结合演进，传统的电信运营商正逐渐成为话音、数据业务的综合运营商。
随着无线互联网应用如无线互联网应用协议（WAP）、移动办公、移动电子商务等业务的发展，用户对无线数据业务的需求与目前GSM系统仅通过电路交换或短信方式实现的移动数据功能之间的矛盾愈来愈突出。
目前数字移动通信网中GSM占有相当的市场份额，基于GSM系统的数据传输系统GPRS（GeneralPacketRadioService）应运而生。
GPRS系统允许移动用户使用分组方式发送和接收数据，提供一种比电路交换方式高效、低成本的无线分组数据业务。
GPRS系统特别适用于间断、突发性强的或频繁的、少量的数据传输，这正适合互联网的特点。
通用分组无线业务（GeneralPacketRadioService－GPRS）网络是叠加在数字公用陆地移动通信网GSM网络之上，为GSM网络用户提供高速的分组数据业务的一种新的网络。
它保持现有的GSM无线网络不变，仍旧利用现有GSM的BSC、BTS设备作为无线接入；有线网络在保持原有的MSC、HLR等设备不变的情况下，另外分支增加有线部分数据网络（PCU、SGSN、GGSN）、INTERNET网关等设备，来为GSM用户提供通话服务的同时，提供诸如Internet等数据通信网络无线接入。
它是GSM阶段2加（Phase2+）定义的新业务，属于GSM向第三代移动通信过渡的新产品，因此被人们称为2.5代移动通信系统。
Motorola公司、Ericsson公司、Nortel公司、Nokia公司、Siemens公司及Alcatel公司等纷纷进行GPRS技术的开发，与不同电信运营商在全球建立GPRS实验网。
2000年6月22日，英国电信公司BT的CellNet公司与Motorola公司开通全球第一个商用系统，为用户提供移动数据服务。
中国移动、中国联通公司分别与不同的移动设备提供商进行了GPRS的实验，并且中国移动将于2001年底开通全国性的GPRS商用网，为开拓新的移动数据业务市场创造有利的先机。
GPRS系统既可以承载WAP业务，也可以与其他终端如笔记本电脑或PDA一起支持HTTP业务。
第三代移动通信系统是指能够满足ITUIMT-2000系统要求的新一代移动通信系统。
IMT-2000是为满足无线个人通信（实现任何人Whoever在任何时间Whenever、任何地点Wherever向任何其他人Whomever传送任何信息Whatever的通信）近期目标进行设计的，包括地面和卫星移动通信的综合移动通信系统。
对IMT-2000系统无线接口的基本要求是：
Ø全球范围高度的兼容性。
Ø支持高质量、高速度的多种业务，与固定网业务兼容。
Ø手机具有全球漫游功能，可接入地面网和卫星移动网。
Ø全球统一的使用频谱。
概括的说，将各种移动通信系统结合在一起，把移动网与固定网互联互通，把无线接入和有线接入结合在一起，使快速移动通信和慢速移动相结合，将国内网与国际网结合互通，建立多功能的全球个人通信网，这是21世纪通信技术发展目标。
1.2本文内容及主要贡献
引入数据业务GPRS对传统的GSM无线规划会造成各种影响。
这些影响体现在对容量、覆盖的影响；对现有网络技术的影响，比如跳频技术、多层网技术；对无线参数的设置，使GPRS网络对传统的GSM话音业务不造成损害，提供高的数据吞吐量，低的数据延迟；对频率规划的影响；对逻辑信道配置的影响等等。
本报告首先描述传统GSM无线网络的规划设计方式方法，然后描述了GPRS提供的业务、GPRS的技术特点、基本网络体系结构、规划GPRS无限网络应当注意的一些关键问题，以此来使得承载GPRS业务的GSM网络规划达到最佳化。
2GPRS网络的体系结构
2.1GPRS网络的技术特点
GSM在90年代开始运营开始不久，就开始推出GSM数据业务。
众所周知，GSM的电路交换数据业务对于某些特定应用场合并不是十分合适的；相反，对于诸如突发性的数据业务，采用分组交换的形式就更显得合适。
电路交换业务接入时间长，业务是通过接入的时长进行计费；而GPRS系统接入时间短，呼叫收费主要是根据数据流量。
GPRS系统是为给现有的GSM系统提供分组交换的承载业务。
在GPRS系统中，当用户（MS）附着在GPRS网络并被激活后，用户就可以用标准的协议地址（IP，X.25）接入公共数据网。
如果GPRS手机类型允许的话，它的空中接口可以使用1~8个信道，而且当有分组数据需要收发时，这些信道就被动态地分配给MS。
GPRS网络的上下行信道是独立分别预留的，这样使得它有可能针对不同的上下行链路容量需求进行时隙分配。
GPRS网络的资源指配是动态的，它主要依赖于用户的需求和网络所能提供的资源。
当然，分组可以在话音的空闲时段内发送。
通过GPRS系统就有可能进行点对点（GPRSPhase1）或点对多点（GPRSPhase2）通信，GPRS系统同样可以支持短信（SMS）和网络的匿名接入。
GPRS系统的网络最大吞吐量是171.2kbps/MS，如果采用8个CS4（不带纠错编码）时隙。
2.2网络体系结构
图？
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示出了GPRS网络的基本网络体系结构框图。
正如前面所述，GPRS网络中新增两种重要的网元SGSN和GGSN。
在GPRS阶段2（GPRSPhase2）中又引入一个重要的网元点对多点服务中心（Point-To-MultipointServiceCenter－PTM-SC），它专门用于GPRS网络中的点对多点业务。
为了增加安全性以及便于在PLMN网际之间的互联，另外还定义一个网元称为边际网关（BorderGateway－BG）。
PLMN网内和PLMN网际间的骨干网都是基于IP网络的新网元。
除此以外，GPRS中还有一些新的网关，如计费网关（ChargingGateway）和法定监听网关（LegalInterceptionGateway－LIG）
图？
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GPRS网络基本体系结构框图
GSM系统设计的初衷主要是话音业务，而GPRS的主要目地是提供一种接入如TCP/IP和X.25等标准数据网络的方式。
站在标准数据网的角度，GPRS可以被认为是这些标准网络的一个一般子网，如图？
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所示。
GGSN只是连接GPRS网络到外部网络的一个网关，它是有线数据网的无线延伸。
图？
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外部数据网络角度的GPRS网络
移动用户既可以有静态地址，也可以有动态地址。
数据总是利用该地址指示的网关，如图？
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所示。
然而，为了诸如安全性等缘故，归属网络运营商可以强迫它的所有话务都使用归属GGSN。
图？
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GPRS数据传送实例
静态地址是分配给移动用户的永久性地址。
由于它的地址属于归属网络，因此分组数据包总是被路由回归属网络。
上图中就给出了用户处于归属网络和非归属网络的两种情形的例子。
每个网络总是拥有可以通过GGSN给用户动态分配地址的地址池。
这种方式可以减少运营者所需的地址空间。
动态地址只是在用户连接时段内给用户分配地址，这样对于诸如访问mail服务器的用户是十分有益的。
为了避免将分组路由回归属网络，也可以通过被访网络的GGSN分配动态地址（如图？
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中的情形3）。
当然也可以如情形2所示的由归属地GGSN分配，如，用于一些特殊的屏蔽场合。
点对点双向通信的计费可以基于传输的数据量，所应用的协议及连接的时长等等。
2.3与GPRS网络相关的网元要求
除了上面所示的网络元素和接口以外，为了支持GPRS业务，其它的网元也需要做一些相应的升级或改变。
2.3.1GPRS手机
GPRS业务需要有专门的手机支持。
通常GPRS手机分为三类：
GPRSA类手机：
A类手机具有同时提供GPRS和电路交换承载业务的能力。
即，在同一时间内既进行一般的GSM话音业务又可以接收GPRS数据包；
GPRSB类手机：
如果MS能同时侦听两个系统的寻呼信息（如：
通过GPRS寻呼信道），MS可以同时附着在GSM系统和GPRS系统，但是在某一时刻它只能要么使用电路交换业务，要么使用分组交换业务；
GPRSC类手机：
MS要么附着在GSM网络，要么附着在GPRS网络。
它只能通过人工的方式进行选择，没有办法同时进行两种操作。
在GSMPhase2，MS在上下行链路各用一个信道（图？
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，"1-slot"）。
在GPRS系统中，就有可能使用多个时隙，如图？
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所示的上行链路两个时隙，下行链路两个时隙。
GPRSMS还可能在上下行链路分别都使用1~8个时隙，且上下行链路可以不对称。
图？
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：
GPRS多时隙功能
2.3.2GPRS基站子系统BSS
对于BSS，BSS软件必须升级以便支持用于Gb接口的GPRS协议和用于空中接口的增强型RLC/MAC协议。
Gb接口是用于连接BSS和SGSN的接口，通过这个接口进行信令和用户信息交换。
空中接口和Gb接口都允许多个用户在同一物理资源上进行多路复用（multiplexed）。
A-bis接口同样需要升级更新以支持GPRS。
Gb接口的链路层基于帧中继，BSSGP在BSS和SGSN间提供与无线相关的、QoS、以及路由信息来传送用户数据。
2.3.3HLR
HLR中包括GPRS用户数据需要升级更新。
HLR中的信息可以从SGSN通过Gr接口或从GGSN通过可选的Gc接口获取。
对于漫游用户，当前的SGSN与用户的HLR分别属于不同的PLMN，所有的MS都使用归属PLMN中的HLR数据。
故HLR必须升级以加入GPRS用户信息。
2.3.4MSC
为了更好协调支持GPRS业务和非GPRS业务，MSC/VLR也必须进行相应的升级。
它的功能主要体现在Gs接口，它采用BSSAP过程的子集BSSAP+过程。
对电路交换的寻呼可以通过SGSN更加有效地实现，通过Gs接口可以进行联合GPRS和非GPRS业务位置更新。
SMS-GMSC和SMS-IWMSC也应进行相应的增强使得可以通过GPRS实施SMS业务。
另外，TMSI分配过程也必须更新。
2.3.5SGSN
SGSN是GPRS网络中的主要网络元素。
它的功能包括移动性管理、鉴权以及登记等。
SGSN与BSC相连，它是GPRS网络GPRSMS的业务接入点。
SGSN处理骨干网中IP协议到SGSN和MS之间使用的SNDCP和LLC协议的协议转换。
这些层处理压缩和加密功能。
SGSN还负责GPRS移动用户的鉴权，当鉴权成功时，SGSN解决MS到GPRS网络的注册和移动性管理。
当MS需要从外部网络收发数据时，SGSN在SGSN和相关的GGSN之间（反之亦然）起着中继转发作用。
2.3.6GGSN
GGSN是连接外部网络，如Internet和X.25的桥梁。
从外部网络的角度看GPRS网络，GGSN只是子网的路由器，这主要是由于GGSN起着对外部网络屏蔽（保护）GPRS的基本结构。
当GGSN接收到一特定用户地址的数据时，GGSN检查该地址是否处于激活状态。
如果是，GGSN将数据前转到该MS对应的SGSN，如果该地址处于不被激活状态，该数据就被丢弃。
通过GGSN，移动发起的分组被路由到相应的网络。
GGSN跟踪MS在SGSN所服务的范围精度之内。
2.3.7GPRS骨干网
骨干网是基于IP技术的网络，运营者通过它在GPRS之内和GPRS之间提供PLMN网内和PLMN网际之间的通信。
在GPRS网中存在着两种不同类型的骨干网络。
PLMN网内骨干网提供某一个运营者内SGSN和GGSN之间的通信，PLMN网际骨干网提供不同运营者间SGSN和GGSN之间的通信。
PLMN网内骨干网利用私有的IP网络确保安全性和GPRS系统的性能，PLMN网际骨干网是通过租赁线，基于公共Internet（通道）或一私有IP网络的IP网络。
PLMN运营者选择PLMN网际间的网络类型，并签订漫游协议。
图？
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表示出骨干网的位置关系。
图？
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PLMN网内和网际骨干网结构示意图
私有IP网络采用的是私有的IP地址，这样使得外部网络就无法接入。
所有的互联的GPRS骨干网包含一个大的私有网络，内部地址必须协调合理地分配。
2.4GPRS网络的逻辑信道
在支持GPRS的GSM系统中，GPRS业务专用的物理信道称为分组数据信道（PacketDataChannel-PDCH），GPRS的逻辑信道都分别映射在每个PDCH上。
其中，分组广播控制信道（PacketBroadcastControlChannel－PBCCH）是用于广播系统消息的下行信道。
分组公共控制信道（PacketCommonControlChannel－PCCCH）包括用于公共控制信令的逻辑信道。
分组随机接入信道（PacketRandomAccessChannel－PRACH）是一个上行信道，MS用于上行话务信道的申请。
分组寻呼信道（ThePacketPagingChannel－PPCH）是在下行分组传送之前的下行寻呼信道。
分组接入允许信道（PacketAccessGrantChannel－PAGCH）是用于资源分配的下行信道。
分组通知信道（PacketNotificationChannel－PNCH）是在传送PTM-M分组之前用于PTM-M业务通知的下行信道。
分组数据业务信道（PacketDataTrafficChannel－PDTCH）则是留做数据传输用的。
上行状态标志（UplinkStateFlag－USF）用于不同用户（MS）无线分组块的多路复用。
不同MS在下行信道多个无线分组块的多路复用可以通过一个识别号使能，比如，临时数据流识别（TemporaryFlowIdentity－TFI）就包含在每一无线分组当中。
利用GPRS多时隙的办法（它本身具备的能力）就有可能并行传输多个PDTCH。
分组随路控制信道（PacketAssociatedControlChannel－PACCH）用于某MS的信令信息传送。
GPRS系统中的信道映射关系如图？
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所示。
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:
GPRS信道逻辑映射
2.5GPRS无线网络工作频段
我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz和1800MHz频段。
GSM1800：
1710-1785MHz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=512~885频道
2.6无线蜂窝网络规划设计流程及内容
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。
GSM无线网络规划与优化是一个阶梯式循环往复的过程。
对与一个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。
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、选址和电测
基站的勘察、选址工作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。
为了更准确地了解规划内电波传播特性，规划工程师在规划服务区内选择几类具有代表性的地形、地物、地貌特征的区域进行指定频段的电波传播测试。
并整理测试数据，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。
（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及塔的分布，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。
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、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。
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。
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。
网络规划软件在整个网络规划过程中起着至关重要的作用，它在很大程度上决定了网络规划与优化的质量。
当网络建成，系统投入运行后，网络运行维护的主要内容就是网络优化。
它是一项重要且长期的工作。
由于优化比规划更加复杂，而且网络优化与规划密切相关，与实际运行效益直接有关，也是后续扩容阶段的一种准备，因此对于优化工作提出了
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