GSM扩容的方法研究及系统设计.docx
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GSM扩容的方法研究及系统设计
题目GSM扩容的方法研究及系统设计
目录
摘要1
1绪论2
1.1GSM通信系统简介2
1.2GSM网络扩容意义及方法概括6
2小区分裂技术7
2.1小区分裂原理及应用7
2.2小区分裂技术应注意的问题7
3微蜂窝与微微蜂窝技术8
3.1蜂窝移动通信技术简介及微蜂窝技术的利用8
3.2微蜂窝和微微蜂窝技术应用9
4频率复用技术11
4.1频率复用的概念11
4.2频段扩张和紧密频率复用技术11
4.3采用更紧密的频率复用技术11
5GSM900／1800双频系统15
5.1双频网概念及特点、组网方式15
5.2双频网络运行原理16
5.3双频网的实施以及需要注意的问题17
6定期进行网络优化18
7总结18
参考文献19
Abstract20
摘要
随着GSM移动业务的迅猛发展，在保证通信质量的前提下最大限度地提高GSM网络容量始终是网络运营商们孜孜以求的目标。
本文首先系统的阐述了GSM系统组成、调制方式、通信原理及GSM扩容的意义。
然后对小区分裂、频段扩展、频率紧密复用、采用微蜂窝与微微蜂窝、采用GSM900/1800双频系统、定期进行网络优化等提高GSM网络容量的方法作了详略得当的介绍，从各项技术的原理到实际应用再到注意事项，层次分明，重点突出，最后从实际出发对提高GSM网络容量采用的方法提出建议。
关键词 GSM，小区分裂，频率复用，GSM900/1800双频网络，网络优化
1绪论
1.1GSM通信系统简介
GSM（全球移动通信系统）是一种广泛应用于欧洲及世界其他地方的数字移动话系统。
GSM使用的是时分多址的变体，并且它是目前三种数字无线电话技术（TDMA、GSM和CDMA）中使用最为广泛的一种。
GSM将资料数字化，并将数据进行压缩，然后与其它的两个用户数据流一起从信道发送出去，另外的两个用户数据流都有各自的时隙。
1.1.1网络组成
1.BTS基站：
basetransceiverstation基站首要是收发器，收发器的多少决定小区的容量，一个收发器能支持8个用户.一个小区由3个天线，一个发射，两个接收（分级接收）。
a）每个BTS都会有一套收发器.
b）一个BTS覆盖一个小区，BTS发送BCH信号在RF信道的0时隙.BCH帮助Mobile识别/寻找网络.
c）小区的手机用户容量依靠信道数
d）GSM空中接口的数据传输速率是13Kbps，即BTS收发语音数据速率是13KB/S.
e）有BTS命令手机设置其发射功率、迁时、切换.
2.BSC基站控制器basestationcontroller
a）几个BTS基站连接一个BSC，基站安排信道配置、切换、和BTS连接BSC，所有的BSC连接至MSC。
b）每个BTS连结BSC用abis接口，是2Mbps的连接.使用microwavelink、opticalfiber、co-axialline等方式连接。
c）Microwavelink经常是最好的连接方式选择。
d）BSC连结MSC使用的是A口。
e）在BSC可提供小区广播等服务。
3.MSCmobileswitchingcenter是网络的核心，呼叫建立、保持、和释放；链接BSC和PSTN、认证、呼叫转接、短信息、收费等.当用户增加到一定数量时，可增加MSC；MSC与MSC之间使用GMSC连结（GATEWAY）。
a）当呼叫建立时，MSC起到保持通话和断开通话的功能。
b）存储所有的用户数据和它们的相关特征。
c）介于MS和PSTN之间，交换通信数据。
d）MSC是GSM网络的心脏.是与别的GSM网络、非GSM网络的连接口。
e）MSC主要功能：
认证、位置更新、连接、收费、呼叫转接、SMS。
f）当用户增加时，超过一个MSC的容量，就需要多一个MSC，就增加一倍的用户。
4.TRAN------Transcoding/rateadapterunit速率适配器
a）TRAN转换13KB/S的GSM速率为标准的64KB/S；TRAN作为一MSC的一部分。
b）Transcoding也使用在下行时，将64kbps转换成16kbps。
c）Transcoding在MSC\BSC\BTS中。
5.HLRHomelocationregister归属位置寄存器
a）在MSC中有所有的用户数据库存在于HLR.HLR中有永久用户数据库。
b）用户发出呼叫时，MSC从HLR之中获得用户数据.是用户核心数据库，大部分在SIM卡中的数据都可以在HLR中获得。
6.VLRvisitinglocationregister访问位置寄存器
a）在VLR中有被激活的所有的用户号码。
b）当别的MSC中的用户漫游到新的MSC时，MSC和HLR之间通信，新的MSC就将漫游的用户注册到它的VLR中。
c）当手机漫游时，用户访问区被别的网络覆盖，而且归属位置网络批准它使用被访问的网络，它的用户信息将从HLR被拷贝到VLR（访问位置寄存器）中暂存。
7.鉴权中心AUC----Authenticationcenter
a）是SIM卡的验证过程。
b）每个SIM卡有一个IMSI，在IMSI有加密码。
c）在HLR中有IMSI和密码。
d）手机通信时，首先验证SIM卡的合法性，由AUC进行验证。
8.装备身份注册：
EIR----Equipmentidentifyregister
a）包含了IMEI信息.所有的手机IMEI都存储在EIR中，是手机的数据库。
b）在GSM中有助于验证当手机遗失时，运营商可以禁止已经报失手机的使用。
c）EIR分类：
Permittedlist\evaluationlist\stolenlist\unknown。
9.收费中心BC---Billingcenter
a）BC产生每一个用户的费用状况。
b）直接连到MSC，由MSC发送收费信息给BC（通话时）。
c）BC处理按单位计费。
10.操作运营中心：
OMC----operationandmaintenancecenter
a）每个GSM网络超过100个BTS组成，每一个实体需要操作和维护。
b）一些远程操纵是必要的，检测和远程进入。
c）有时有两种OMC（不同的供应商），OMC-S：
Dealwithswitch；OMC-R：
dealwithradionetwork。
11.短信中心：
SMSC信息通过短信息中心发到指定的手机
a）信息通过SMSC传输。
b）信息可通过人工终端（连到SMSC）发送。
c）短信中心SMSCENTER---MSC/VLR----BSC----BTS.----MS。
12.语音服务中心
a）它拥有所有语音用户的数据库。
b）它也存储了语音信息。
13.设备报警
a）BTS，BSC，Transcoderfailure.
b）Linkfailure
c）Modulefailure（transceiver，processor）
1.1.2GSM调制方式
GSM采用的是0.3GMSK调制（高斯最小频移键控），0.3是描述滤波器带宽和比特率的关系，不是相位调制，是一种典型的数字调频调制.0和1代表的是载波加减不同的频率+67.708KHZ和-67.708KHZ，语音编码速率时13kbps.数据速率（调制速率）BIT传送速率是270.833Kbps.刚好是四倍于射频频移.这样一来就有效的减少调制频谱和提高了通道利用率.
1.1.3GSM特点
GSM系统有几项重要特点：
防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。
技术特点：
◆频谱效率：
由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。
◆容量：
由于每个信道传输带宽增加，使同频复用载干比要求降低至9dB，故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小（模拟系统为7/21）。
加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比TACS系统高3～5倍。
◆话音质量：
鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。
◆开放的接口：
GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且报刊网络直接以及网络中各设备实体之间，例如A接口和Abis接口。
◆安全性：
通过鉴权、加密和TMSI号码的使用，达到安全的目的.鉴权用来验证用户的入网权利.加密用于空中接口，由SIM卡和网络AUC的密钥决定.TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。
◆与ISDN、PSTN等的互连。
与其他网络的互连通常利用现有的接口，如ISUP或TUP等。
◆在SIM卡基础上实现漫游。
漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络.GSM系统可以提供全球漫游，当然也需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。
1.1.4基本通信原理
GSM分GSM900、DCS1800和PCS1900三个频段，一般的所谓的双频手机就是在GSM900和DCS1800频段切换的手机。
PCS1900则是别的一些国家使用的频段（如美国）。
GSM900/1800分别是工作在890~960mhz/1710~1880mhz频段的。
GSM900的手机最大功率是8W（实际中移动台没这么大的功率，一般的手机最大功率是2W，车载台功能大），而DCS1800的手机的最大功率是1W。
GSM900/DCS1800/PCS1900的区别：
GSM900是初始的GSM系统，MOBILE的功率从输出1W-8W，GSM900的通道从1~124，DCS1800的通道从512~885；DCS1800是低功率的，最高是1W。
GSM的频段：
GSM900小区半径35km.上行890~915MHZ，下行935~960MHZ。
PHASE2：
890~915MHZ和935~960MHZ，通道号1---124。
GSM1800小区半径2km（由于1800mhz手机的低功率）。
上行1710~1785MHZ下行1805~1880MHZ。
PHASE2：
SAME；通道号：
512—885.为高密度的用户。
GSM1900：
1850~1910MHZ1930~1990MHZ。
上行和下行组成一频率对，上行就是手机发射、基站接收；下行就是基站到手机。
例如935-960和890-915相差45MHZ，第二个通道上，上行落后下行三个时隙。
1.2GSM网络扩容意义及方法概括
现代无线通信技术的飞速发展和丰富的业务运营模式给移动通信网络注入新鲜活力。
在全球无线网络亟待变革的今天，对占据83％移动用户的GSM网络而言，移动通信网络的升级换代的讨论焦点最终归结到GSM网络的升级换代问题。
到目前为止没有任何一种通信技术能像GSM技术这样深入人们生活,并且对全球经济和社会产生了深刻影响。
伴随着产业技术的进步和应用业务的体验浪潮,GSM网络内涵也已经不再停留在传统2G网络概念。
对绝大多数GSM运营商而言，未来他们会获得哪种技术的运营牌照、在哪个频段、以多少带宽以及采取什么业务经营模式，也许还难以确定。
与此同时，现有GSM网络由于用户的快速发展急需扩容和升级；即便新技术出现后，原有GSM网络设备该如何升级和演进也是运营商在建设GSM网络时面临的难题。
根据世界GSM协会的统计，截至2006年6月，中国GSM手机用户已经超过3.7亿。
也就是说，当时，中国手机用户中至少有80%的人使用GSM手机。
用户量的激增和个性化服务要求的不断提升，使运营商面临巨大挑战，网络扩容也就变得势在必行了。
GSM用户数和话务量的激增使GSM扩容成为大势所趋，百纳电信咨询高级顾问孔宪鹏认为：
“除话务量的稳步上升，用户对无缝覆盖的要求，运营商的竞争加剧，包括服务资费的下调，都是GSM扩容的原因。
”
GSM扩容的传统方法是小区分裂与频段扩展，但目前得到新的频谱资源的可能性已经不大，在话务密集地区因受到干扰的限制，小区分裂亦举步维艰，因而采用更加紧密的频率复用技术、建立微蜂窝/微微蜂窝、建设GSM900/1800双频网络以及进行网络优化等已经成为解决GSM网络容量的重要手段。
2小区分裂技术
2.1小区分裂原理及应用
GSM网络建网初期，用户数不多，频道一般都有富余。
随着用户的不断增加，原来分配给每个基站区的频道出现阻塞现象，这时可在原有基站内增加分配新的频道。
如果用户继续增加，可用频道又已分配完时，只有进行小区分裂，增加基站，增加同频道复用，才能满足用户需要。
通常分裂出新的小区半径只有原小区的一半。
半径缩小一半，容量增加四倍，若半径无限的小，容量可以无限的大。
通过小区分裂或新增载频，全网基站数增加，全网载频数、信道数、话务量、用户数等均大幅度增加。
小区分裂提高频谱利用率的关键在于减小了单位小区的面积。
但实际上在近距离时传播规律发生变化，需具体计算同频邻频干扰。
通常一个城市的业务密度是不均匀的，在业务密度高的地方小区半径要小，业务密度低的地方，半径可大。
小区半径在500米以内，即不采用分裂方法。
在广大的农村地区，业务分布比较稀疏、均衡，没什么热点地区，原有的覆盖方式及传统的小区分裂方式仍然可行。
按照1：
4方法分裂，每分裂一次，基站的覆盖半径小一半，基站的发射功率应降低12dB，基站的数量增加到原来的四倍，不仅建设投资增加，且越区频道切换频繁。
最多容许分裂次数n将取决于站址及系统处理越区切换的能力。
主要分类方式有：
全向小区分裂为全向小区的方法主要有：
1∶3分裂法；
全向小区分裂为全向及定向小区的方法有：
1∶7分裂法；
全向小区分裂为定向小区的方法有：
1×3×4分裂法及1×6×3分裂法；
定向小区分裂为定向小区的方法有：
六角形边中心分裂法及六角形顶点分裂法。
2.2小区分裂技术应注意的问题
选择小区分裂扩容法应遵循以下原则：
◆确保已建基站可继续使用；
◆应保持频率复用方式的规则性与重复性；
◆尽量减少或避免过渡区；
◆确保今后可继续进行小区分裂。
3微蜂窝与微微蜂窝技术
3.1蜂窝移动通信技术简介及微蜂窝技术的利用
3.1.1蜂窝移动通信技术简介
目前的GSM系统一般采用小区制即将整个网络服务区域划分为若干小区，每个小区分别设有一个（或多个）基站，用以负责本小区移动通信的联络和控制等功能。
因此，移动网络的覆盖区可以看成是由若干正六边形的无线小区相互邻接而构成的面状服务区。
由于这种服务区的形状很像蜂窝，我们便将这种网络称之为蜂窝式网络。
传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区构成，每小区的覆盖半径大多为1km一25km。
由于覆盖半径较大所以基站的发射功率较强，一般在10w以上，天线也做得较高。
如图1所示，每个小区分别设有一个基站，它与处于其服务区内的移动台建立无线通信链路。
若干个小区组成一个区群（蜂窝），区群内各个小区的基站可通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心（MSC）相连。
移动交换中心通过PCM电路与市话交换局相连接。
3.1.2微蜂窝产生的原因
在实际的宏蜂窝内，由于地形的不同及环境的不同，通常存在着两种特殊的微小区域：
◆“盲点”，由于网络漏覆盖或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因使得该区域的信号强度极弱，通信质量严重低劣。
◆“热点”，由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域，造成空间业务负荷的不均匀分布。
以上两“点”问题往往通过设置直放站、分裂小区等办法来加以解决。
但从原理上讲，这两种方法也不能无限制地使用：
直放站实质是一个宽带放大器，设置不合理（包括选址及安装等）或设置得过多，都极易造成对周围信号的干扰，小区分裂实质就是采用使宏基站变密的办法来增加系统的容量。
但当基站小至一定程度时，由于干扰和基站接入等问题，这种办法将难以再进行。
特别是近几年来，随着移动通信的迅速发展和业务需求的剧增，这些方法更是难奏其效，这样便产生了微蜂窝小区技术。
3.1.3微蜂窝在GSM网络中的应用
微蜂窝小区是在宏蜂窝小区的的基础上发展起来的一门技术。
它的覆盖半径大约为30-300m，发射功率较小，一般在1w以下，基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方。
高于地面5-10m，传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。
因此，微蜂窝最初被用来加大无线电覆盖消除宏蜂窝中的“盲点”。
同时由于低发射功率的微蜂窝基站允许较小的频率复用距离，每个单元区域的信道数量较多因此业务密度得到了巨大的增长且干扰很低，将它安置在宏蜂窝的“热点”上可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。
3.2微蜂窝和微微蜂窝技术应用
在实际设计中，微蜂窝作为无线覆盖的补充，一般用于宏蜂窝覆盖不到又有较大话务量的地点如地下会议室、娱乐室、地铁、隧道等。
作为热点应用的场合一般是话务量比较集中的地区，如购物中心、娱乐中心、会议中心、商务楼、停车场等地。
而在话务量很高的商业街道等地则可采用多层网形式进行连续覆盖，即分级蜂窝结构。
不同尺寸的小区重叠起来不同发射功率的基站紧密相邻并同时存在，使得整个通信网络皇现出多层次的结构。
相邻微蜂窝的切换都回到所在的宏蜂窝上，宏蜂窝的广域大功率覆盖可看成是宏蜂窝上层网络，并作为移动用户在两个微蜂窝区间移动时的“安全网”。
而大量的微蜂窝则构成微蜂窝下层网络。
随着容量需求的进一步增长运营者可按同一规则安装第三或第四层网络，即微微蜂窝小区。
微微蜂窝实质就是微蜂窝的一种，只是它的覆盖半径更小一般只有10一30，基站发射功率更小，大约在几十毫瓦左右其天线一般装于建筑物内业务集中地点。
微微蜂窝也是作为网络覆盖的一种补充形式而存在的，它主要用来解决商业中心、会议中心等室内“热点”的通信问题。
微蜂窝具有以下优点：
◆设备体积小，安装简单灵活，可快速解热点地区的容量与覆盖问题；
◆无需改变网络结构，无需特殊手机；
◆采用后容量可明显提高。
微蜂窝也具有以下一些缺点：
◆为解决大城市的连续覆盖，需要大量的微蜂窝，投资十分庞大；
◆采用分层结构时，网络结构复杂，增加了频率规划的难度。
在目前的蜂窝式移动通信系统中，我们主要通过在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更多的“内含蜂窝”形成分级蜂窝结构，从而解决网络内的“盲点”和“热点”，提高网络容量的。
因此，一个多层次网络往往是由一个上层宏蜂窝网络和数个下层微蜂窝网络组成的多元蜂窝系统。
如图2所示
图2三层分级蜂窝结构
建议按如下思路发展微蜂窝：
（1）在宏蜂窝覆盖不到而话务量又很大的地点，应使用微蜂窝作为覆盖补充，而话务量很高的商业街道等地则可采用多层网形式进行连续覆盖。
（2）为解决整个大型建筑物的覆盖，可考虑采用室内覆盖系统。
4频率复用技术
4.1频率复用的概念
频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。
这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频率及邻频率干扰的影响可忽略不计。
4.2频段扩张和紧密频率复用技术
频段扩展当然是扩容的理想手段，但在现有情况下，得到新的频谱的可能性不大。
不过，由于GSM采用了诸如GMSK、均衡调制、交织编码等手段，特别是还提供了其它一些旨在提高频谱效率的技术，如跳频、非连续发射（DTX）、功率控制、半速率信道、分集接收以及移动辅助切换等，从而降低了网络对同频与邻频干扰指标的要求，使得频率的紧密复用成为可能。
（1）跳频。
跳频就是载频按某种频率序列进行跳变，它包括基带跳频与射频跳频两种。
跳频的作用是提供了频率分集，提高了系统的抗干扰、抗衰落能力。
（2）非连续发射（DTX）。
采用DTX技术，可降低系统总的干扰水平。
（3）功率控制。
这也是降低干扰从而提高容量的有效手段。
（4）半速率信道。
这可使系统容量增加一倍。
（5）分集。
分集有多种形式，利用分集技术，可以改善系统抗衰落的能力。
4.3采用更紧密的频率复用技术
在频段受到限制的情况下，采用更紧密的频率复用方式无疑是提高系统容量最直接的方法之一。
GSM中可以使用的频率复用方法主要有：
7小区复用方式、4×3复用方式、3×3复用方式，4×3与3×3的混合复用方式、2×6复用方式、1×3复用方式以及同心圆技术与多重复用MRP（MultiplefrequencyReusePattern）方式等等。
（1）7个基站区的复用方式
这种7个基站区为一个复用组的复用方式适用于话务量较低或用户密度较小的地区，一般为全向基站，其D/R=4。
58，同频复用距离较远。
（2）4×3复用方式
这是“900MHzTDMA数字公用陆地蜂窝移动通信网络技术体制”建议采用的复用方式，也是GSM系统中最常用和最典型的复用方式。
对于三叶草60°天线，其D/R=6；
对于120°天线，其D/R=3.46。
采用三叶草60°天线时同频干扰性能更好。
（3）3×3复用方式
这也是“900MHzTDMA数字公用陆地蜂窝移动通信网络技术体制”建议采用的复用方式。
3×3复用方式与跳频、DTX、功率控制一起使用，可达到同频干扰要求。
但带宽在6MHz以下时，不能提供足够的跳频增益，因此性能不佳。
（4）2×6复用方式
这是Motorola提出的用以解决高话务地区频率复用的方法。
该方法在不同天线方向上有着不同的频率复用程度，其D/R小于3×3复用方式。
（5）1×3复用方式
这一方式是目前最紧密的复用方式，其主要特点为：
◆适用于频带较窄，容量比较集中，不需很多基站的地区；
◆可在较小的基站数下提供较大容量；
◆需要采用部分加载方法，即载频不能用满，收发信机数目为载频的一半左右；
◆需要采用射频跳频、功率控制、不连续发射、天线分集等技术，以降低干扰；
◆不需改变现有网络结构。
不过，虽然这一方式频率利用率很高，但系统干扰增加很大如采用的抗干扰措施不够有效，可能对网络质量产生较大影响，因此应谨慎使用。
（6）同心圆技术
同心圆技术其基本原理就是将普通的蜂窝小区分为内层和外层（又称底层和顶层）。
内、外两层共站址，共用一套天线系统，共用同一BCCH信道，外层的覆盖范围与普通的蜂窝小区相同。
内层采用较低的发射功率，覆盖范围较小内、外层频率复用系数不同，外层一般采用4*3复用，内层采用更为紧密的3*3、2*3等复用方式。
由于内、外层覆盖区域的中心点相同而范围大小不同，因此我们将这种技术称之为同心圆技术。
同心圆按其实现方式分类，一般可分为普通同心圆和智能双层网（IUO）。
它们的基本原理是完全相同，主要区别就在于内层的发射功率和内外层间的切换算法。
普通同心圆内层的发射功率一般要低于外层功率，从而减小覆盖范围，提高了距离比，避免了同频干扰，其内层与外层间的切换一般是基于功率和
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