西科大临潼校区多基站模拟建站设计.docx
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西科大临潼校区多基站模拟建站设计
摘要
随着移动通信技术的快速发展，移动通信市场的竞争也变得越来越激烈。
为了应对这种形势，快速提供业务、降低运营成本、提高通信质量就成了运营商在市场竞争中胜出的关键因素，而这些关键因素的焦点又在基础网络的构建上。
一个优秀的网络规划方案能大大提高网络的整体能力。
无线网络规划内容包括业务量估计、基站规划、频率规划、信道规划、系统仿真优化，以及针对不同业务的规划。
其中基站规划起着承上启下的重要作用，是网络规划的重要内容。
而且基站规划和运营商网络投资收益直接相关，约占网络总投资的三分之二，一直是无线网络规划研究中的热点。
因此基站规划问题研究具有很好的理论和现实意义。
本文是以GSM系统为主要研究对象，对GSM无线网络基站规划问题进行研究。
GSM无线网络基站规划的目标是在考虑所覆盖区域环境特点、业务分布特点的基础上，对基站的站址及相关参数进行规划，使无线网络在覆盖、容量、成本及质量方面达到平衡，并满足当前业务需要以及适应网络未来发展需要和扩容要求。
而其中备选基站不仅是基站规划的依据，也是无线网络生成后实际性能优劣的关键点，因此有必要对备选基站的确定方法及流程做专门的分析。
本论文在介绍了GSM无线网络规划流程的基础上选择了其中的几个关键技术进行了详细的介绍，对于网络规划中使用的相关原理进行了讲解，用到的工程参数进行了简单的探讨。
结合实际经验，提出了无线网络规划中应当关注的一些问题和网络规划技术发展的新趋势。
在具体规划实例中，以西安科技大学临潼校区移动用户和移动网络的现状，依据无线网络规划的流程和原则，对西安科技大学临潼校区GSM无线网络建设进行了规划。
重点分析了几个典型的规划环节及相关问题的解决方法，提出了该地区GSM无线网络建设方案。
针对一些实际中会遇到的问题和网络发展可能带来的问题，进行了简单地分析，并给出了可供选择的解决方案。
【关键词】GSM系统，无线网络规划，容量计算，链路计算，覆盖计算
目录
摘要I
目录II
1绪论1
1.1研究背景和意义1
1.2论文概述1
2GSM系统的基本原理3
2.1GSM系统介绍3
2.1.1GSM系统基本特点3
2.1.2GSM系统基本组成3
2.1.3GSM业务功能4
2.2GSM网络关键技术5
2.2.1工作频段5
2.2.2时分多址（TDMA）5
2.2.3信道编码技术6
2.2.4交织6
2.3无线传播原理7
2.3.1无线传播环境7
2.3.2无线传播模型8
3无线网络规划9
3.1无线网络规划概述9
3.1.1无线网络规划流程9
3.2容量规划11
3.2.1容量规划概述11
3.2.2网络容量的计算方法12
3.3链路规划13
3.3.1传输模型的选用13
3.3.2临潼校区实际计算15
3.3.3链路平衡16
3.4覆盖规划16
3.4.1覆盖规划概述16
3.4.2基站覆盖半径的计算16
3.5站址选择17
3.5.1站址选择的基本原理17
3.5.2站址确定17
4实际问题解决方案18
4.1话务量激增问题的分析18
4.1.1部分基站话务溢出18
4.1.2话务激增是BSCCPU符合的保障19
4.2提高网络容量的方法19
4.2.1容量验证19
4.2.2常用的提高网络容量的方法19
4.2.3频率复用20
总结22
参考文献23
1绪论
1.1研究背景和意义
GSM技术源自欧洲。
1982年，北欧国家建议欧洲邮电行政大会制定900MHz频段公共电信业务规范。
当时欧洲电信标准学会技术委员会下属的“移动特别小组”被称作“GSM”。
直到1987年，GSM才被定义为全球移动通信系统。
之后GSM不断发展，到2004年，全球有超过10亿的GSM用户，占到了移动电话市场的70%。
移动通信网络经历了快速的发展和变迁的转化，时至今日，虽然4G网络大行其道，但是GSM网络为什么依然存在？
究其原因，GSM网络虽然网速慢，但得宜于多年的基础设施建设，GSM的通话质量非常好，因此，在当下中国社会的发展大趋势下，GSM很适合那些对网络需求不多的老年人用户，由于在现阶段实现voLTE技术还有难度，所以产生了现行的2G/3G/4G网络并存的局面，并且大部分4G手机都是用CSFB技术，通过4G网络进行数据传输，通话时会退到2G网络进行话音业务。
2014年2G移动电话用户减少1.24亿户，占移动电话用户的比重由2013年的67.3%下降至54.7%，是2013年净减数的2.4倍。
4G用户发展速度超过3G用户，新增4G和3G移动电话用户分别为9728.4万户和8364.4万户，总数分别达到9728.4万户和48525.5万户，在移动电话用户中的渗透率达到7.6%和37.7%。
从资料中我们可以看出使用2G网络的用户已经不再增长，甚至还在减少，但绝对人数仍然非常可观。
全球诸多GSM运营商预计在2017年停止GSM服务，但碍于我国人文地理因素，在以后的一段时间之内，2G网络不会被淘汰，而是一种多网络共存的格局。
如今GSM移动电话的用户虽然逐年递减，但是对于GSM的新应用开发并没有停下脚步，GSM-R则是GSM横向向铁路方面的延伸，因此GSM现在仍展现出其蓬勃的生命力。
由于无线通信频谱资源的有限性，要求在建设前作出详尽的规划，而基站规划包含了链路规划、覆盖规划、基站选址规划等网线网络规划中的个重要内容，作为移动通信系统建设中非常重要的组成部分，可以充分考察我的基础知识掌握程度以及学习设计的能力。
1.2论文概述
基站建设是无线网络规划的重要组成部分，做好基站建设需要遵循移动的流程和方法，本文将对此进行深入的探讨。
以西安科技大学临潼校区为例，进行GSM无限通信的多基站模拟建设。
论文的安排如下：
第一章分析了GSM无线网络规划研究的背景和意义。
第二章介绍了GSM系统的基本组成，讲解了关键技术。
第三章介绍了无线网络规划的基本流程和方法，并重点对基站规划中的几个问题进行了分析，在解决一般问题的同时，还针对学校环境的实际情况，对可能发生的问题提出了解决方案。
最后对全文做出总结，再此基础上，对之后的工作作出一些展望。
2GSM系统的基本原理
2.1GSM系统介绍
由于模拟通信系统的业务扩展能力有限，欧洲通信标准化委员会研究发展了GSM技术，增加了无线通信的业务容量并取得了全球性的成功。
GSM成为当今被广泛认可的无线电通信标准。
GSM是一种开放式的结构，但是任何的GSM系统都必须符合GSM的基本技术规范。
2.1.1GSM系统基本特点
1）开放的接口。
GSM系统由几个分系统组成，各个分系统都有着详细的定义，系统之间有着明确的标准化接口方案，因此任何的GSM系统设备可以相互连接。
同时GSM与各种公用通信网之间也明确定义了标准化的接口规范，使得GSM系统可以与各种通信网互联互通。
2）高频谱效率。
由于采用了用FDMA/TDMA及跳频相结合方式以及高效调制器、信道编码、信道均衡、交织和话音编码技术，使系统具有较高的频谱利用率。
3）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）；加上自动话务分配以减少越区切换的次数和半速率话音编码的引入，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。
4）高话音质量。
由于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。
5）丰富的业务。
除了最基本的话音业务，GSM还可以开放各种承载业务、补充业务以及数据业务。
6）GSM系统具有较强的安全性。
通过加密、鉴权以及临时识别码的使用，可以保证用户和网络具有较强的安全性。
2.1.2GSM系统基本组成
GSM系统主要由MS（移动台）、NSS（网络子系统）、BSS（基站子系统）和OSS（操作支持系统）四部分构成（如图2-1）。
MS：
包括移动终端和SIM卡。
移动终端就是手机，它可以完成语音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。
SIM具有用户身份识别的功能。
图2-1GSM系统基本组成
BSS：
BSS包括基站控制器BSC和基站收发信台BTS两部分，作为网络子系统和移动台之间的媒介，主要完成无线信道管理和无线收发功能。
BSC位于移动交换中心MSC与BTS之间，主要对BTS进行控制和管理，完成无线信道的分配，功率控制，越区切换等功能。
BTS受BSC控制，主要负责无线传输功能，完成无线与有线的转换、分集接收、信道加密、跳频等功能。
NSS：
网络子系统主要完成交换功能、移动性管理、用户数据管理、安全性管理所需的数据库功能。
NSS可分为一下几个功能单元:
1）移动业务交换中心MSC
2）拜访位置寄存器VLR
3）归属位置寄存器HLR
4）鉴权中心AUC
5）设备寄存器EIR
OSS：
操作人员通过操作支持系统OSS完成移动用户管理、移动设备管理，实现系统的集中操作并完成网络操作维护。
2.1.3GSM业务功能
GSM具有丰富的业务系统，主要分为基本业务和补充业务两大类。
基本业务主要涉及传输媒体和建立呼叫的方式，基本业务又分为电信业务和承载业务。
电信业务：
1）语音业务。
语音业务是GSM移动通信网中最主要的电信业务。
经过GSM网和PSTN网，能为模拟蜂窝移动电话网客户、数字蜂窝移动电话网客户、数字移动客户之间、以及与固定网客户之间，提供实时双向通信。
2）短消息业务。
短消息业务是一种字母数字的双向的信息服务。
消息采用一种存储转交的形式传输，是一种点对点的传输方式，短信也用于小区广播，用于发送信息，如交通的日期或新闻更新。
消息也可以被存储在SIM卡中，供以后检索。
3）可视图接入。
用户可以使用可视图文接入业务通过网络完成文本、图形信息检索以及电子邮件功能。
承载业务：
因为GSM系统与多种不同的通信网之间定义了明确的接口，GSM系统可以与多种不同的通信网之间互通，满足了GSM移动客户对数据通信服务的需求。
补充业务：
补充业务包括提供呼叫识别类、呼叫提供类、呼叫完成类、呼叫限制类、多方通信类、集团类、计费类、附加信息传送类共8大类业务。
2.2GSM网络关键技术
2.2.1工作频段
根据所使用的频率不同，可以将蜂窝通信系统分为GSM900M个DCS1800M系统。
其上、下行频率划分如下:
GSM900M:
上行890MHz～915MHz
下行935MHz～960MHz
按照中国无委会规定，中国移动占用890～909MHz/935～954MHz，19MHz带宽。
中国联通占用909～915MHz/954～960MHz，共6MHz带宽。
DCS1800:
上行1710MHz～1785MHz
下行1805MHz～1880MHz
其中中国移动占用1710～1725MHz/1805～1820MHz。
中国联通占用1745～1755MHz/1840～1850MHz。
不论是GSM900M系统还是DCS1800M系统载频间隔均为200KHz。
2.2.2时分多址（TDMA）
GSM系统采用时分多址TDMA和频分多址FDMA相结合的多址方式。
将一个载频分成8个时隙，每个时隙对应一个物理信道。
信道又具有物理信道和逻辑信道的概念。
一个物理信道对应一个时隙，逻辑信道是指根据GSM网络的需要，TDMA的8个时隙分配给不同的业务信号或者控制信号，此时，这个被分配的信道就是逻辑信道。
根据所分配的信号不同，逻辑信道又可以分为业务信道和控制信道。
业务信道用于传送话音信号或者数据信号，又分为话音业务信道和数据业务信道。
控制信道用于携带信令信号或者同步信号，又分为广播控制信道、公共控制信道和专用控制信道。
2.2.3信道编码技术
信道编码用于改善信号传输质量，克服各种干扰对信号造成的影响。
信道编码属于冗余码，首先在发送端进行编码，在信号中按照一定规律插入一些特定的冗余位进行编码，在接收端，根据提前设定好的特定冗余位来查找信号中出现的可能的错误，并将其纠正恢复成厨师信号。
GSM系统使用卷积码和分组码混合使用的方式。
卷积码把k个信息比特编成n个比特，n，k都是很小的值，因此，卷积码时延小，特别适合串行传输，并且编码后的n个码元不但与本组的k个信息码元相关，也与前面的（N-1）组信息码元相关，N成为约束长度。
卷积码一般表示为（n,k,N）。
卷积码主要用于纠错，纠错能力随N的增大而增大，而差错率随N的增大成指数下降。
当解调器采用最大似然估计方法时，可产生十分有效的纠错结果。
分组码是一种截短循环码，通过对信息位进行异或运算产生冗余位，把k个信息位通过异或运算映射到n个输出的二进制码元（n>k），主要用于检测和纠正成组出现的错码。
2.2.4交织
陆地移动信道是一种变参信道，由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特，比特差错经常是成串发生的。
信道编码即使只有在差错单个出现或者连续不太长时才能产生效果，成串的比特差错导致了信道编码纠错水平的下降。
为了解决这一问题，就必须在发送端将连续的比特分散开。
这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个（或长度很短），这时便可以用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。
这种方法就是交织技术（如图2-2）。
图2-2交织
2.3无线传播原理
2.3.1无线传播环境
根据电波传播理论，不同的传播媒质对无线电波的影响不同，依不同的路径，无线电波的传播方式又有不同的分类。
视线内为反射区，视距外为绕射区。
在VHF和UHF陆地移动通信通常都是利用视距传播（GSM无线部分就是工作在UHF频段中的），到达接收天线的信号主要是直射波和反射波还有表面波的矢量合成。
至于地表面波因受地形环境的影响而传播衰减较大。
在刚好超过无线电水平线范围时，主要的模式是绕射波传播。
如果传播距离继续增大，绕射损耗将迅速增加，而无线信号在对流层散射传播的不稳定和电离层反射传播的路径遥远而产生的衰减大和稳定性差，使得绕射波对UHF这一频段信号传播的贡献很小，且在GSM无线小区的半径都限制在35km内，因此主要考虑视距内及近视距内传播方式，对于视距外绕射的研究则适用于固定无线电通信。
在规划工程设计中，根据对电波传播的研究选择适用环境的模型设计无线模型，进行传播计算和覆盖区预测。
蜂窝系统与其他无线通信系统相比，它具有以下的特点:
1）移动台的天线比较低。
2）移动台具有移动性。
3）信号电平随机变化。
4）在城市环境中存在波导效应。
5）人为噪声现象严重。
6）干扰现象严重。
2.3.2无线传播模型
传播模型是移动通信网进行无线规划的基础。
模型在保证了精度的同时，节省了人力、物力和时间。
在规划某一区域的蜂窝系统之前有一个重要的任务，就是选择信号覆盖区的蜂窝站址使其互不干扰，因此必须使用传播模型进行预测。
GSM网络规划较为通用的传播模型主要有，统计型模型如Okumura-Hata和决定型模型如Cost231Hata模型。
Okumura-Hata模型是根据测试数据统计分析得到的经验公式，其适用范围是150MHz到1500MHz，适用于小区半径大约1Km的宏蜂窝，基站有效天线高度在30m到200m之间，移动台有效天线高度在1m到10m之间，传播距离在1到20Km之间。
Okumura-Hata模型以城市传播损耗为基础，对其他地形进行了修正。
在市区，Okumura-Hata经验公式如下：
其中，f为工作频率（MHz），hb是基站天线高度（m），d是到基站的距离（m），a（hm）是移动台天线高度增益因子（dB）。
在不少城市的高密度地区，经过小区分裂站距以缩小到数百米。
而在基站密集的地域使用Okumura-Hata模型将出现预测值明显偏高的问题。
因此，EURO-COST（科学和技术研究欧洲协会）组成COST-231工作委员会，提出了Okumura-Hata的扩展模型，即Cost231Hata模型。
Cost231Hata模型的计算公式为：
CM为城市校正因子。
3无线网络规划
3.1无线网络规划概述
网络规划的目的就是在一定成本一定的情况下，满足运营商对服务质量的要求，并使得所建网络的容量和覆盖范围都尽可能的大以适应未来网络发展和扩容的需求。
系统所提供的服务质量是运营商最关心的问题，网络容量和覆盖范围又是服务质量最直接的体现。
同时，因为无线资源是一定的，因此，如何在仅有的无线资源下，增加网络容量并且满足网络未来发展的需求，都是需要在网络规划设计时考虑的问题。
一个合理完善的规划方案可以使网络在覆盖、容量、质量、成本等方面实现良好的平衡。
3.1.1无线网络规划流程
无线网络的规划和设计需要遵循一定的流程和方法，大体上可以分为无线网络估算和无线网络规划两部分（如图3-1）。
图3-1无线网络规划流程
1）信息收集
为了使设计的网络可以满足运营商的要求，并且又适应网络未来的发展和扩展，在网络设计之前必须进行调查分析工作。
调查分析工作要求做到尽可能的详细，除了充分了解运营商需求，还要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：
（1）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；
（2）了解服务区内地理特征，调查经济发展水平、人均收入和消费习惯；
（3）调查服务区内话务需求分布情况；
（4）了解服务区内运营商现有网络设备性能及运营情况；
（5）了解运营商业务发展计划，并对规划期内的用户发展作出合理预测；
（6）收集服务区的街道图、地形高度图；
2）传播模型的选择，站址的勘察选择
在收集了运营商的要求以及服务区的环境之后，根据话务量，传输频率，服务区周围建筑物高度等因素，选择合适的传播模型，传播模型有很多，传播模型的选用必须符合运营商的网络要求，之后根据服务区的环境特点，进行传播模型的校正。
基站的勘察、选址工作应该由运营商与网络规划工程师是共同完成，网络规划工程师经过勘察之后提出选址建议，运营商委托设计院进行可行性勘察，之后在确定的可行点，由网络规划工程师了解每个站点周围的产波环境和用户密度情况，得出站点集体的经纬度，再由运营商与业主协商房屋、地皮租用事宜，最后交由设计员进行机房铁塔设计。
3）网络容量规划
根据对规划区内的调研工作，综合收集到的信息对规划区内的用户发展进行预测，结合运营商的具体要求，确定整个规划区内的话务分部状况，并以此设计布站策略、站点数目，再结合具体的建筑分布情况，确定基本的站点分布，在结合话务量需求、传播环境、上下行信号平衡等对基站半径的限制，结合所能接受的成本因素。
对网络进行容量规划:
满足规划区内话务需求的建站数；
（1）每个基站的站型及配置；
（2）每个扇区提供最大话务量及用户数；
（3）每个基站提供最大话务量及用户数；
（4）每个网络提供最大话务量及用户数；
这只是一个初步的规划，通过具体的计算分析，可能会增加或减少些许基站。
不断的重复这一过程，直到最终确定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。
无线规划工作有以下几个部分：
（1）初步确定工程参数。
（2）进行上下行信号功率平衡分析、计算。
（3）根据上下行链路平衡计算出最大循序路径损耗，再根据所选用的模型，计算出基站的覆盖半径。
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。
在设计中，应充分考虑到同一基站下不同扇区的邻频干扰，相邻基站之间的同频、邻频干扰，做好频率复用时的频率规划工作。
3.2容量规划
3.2.1容量规划概述
容量规划是在网络设计的初期，正确的规划网络容量，分析话务分布，计算所需要的载频数，以及基站数，对以后的网络高质高效运行起到至关重要的作用。
为此，我们先来看几个概念。
爱尔兰（Erl）：
是衡量话务量负荷大小的单位，表示一个信道在考察时间内完全被占用的话务量强度，即单位小时的呼叫小时（呼叫小时/小时），1Erl是指一个信道一个小时内被完全占用。
话务量：
话务量指在一特定时间内呼叫次数与每次呼叫平均占用时间的乘积。
A是话务量，单位为Erl（爱尔兰）。
C是呼叫次数，单位是次。
T是每次呼叫平均占用时长，单位是小时。
每用户平均忙时话务量：
每用户平均最忙一个小时内产生的话务量。
GOS（呼损率/阻塞率）：
在移动电话系统中，话务量可分为流入话务量和完成话务量。
流入话务量取决于单位时间内发生的平均呼叫次数与每次呼叫平均占用无线波道的时间，在系统流入的话务量中，完成接续的那部分话务量称作完成话务量，未完成接续的那部分话务量称做损失话务量，损失话务量与流入话务量之比称为呼损率或阻塞率。
信道分类及分配：
信道分为业务信道和控制信道两大类；每个小区的控制信道配置数量根据不同的要求有不同的设置，业务信道等于每个小区总信道数减去控制信道数。
爱尔兰B表：
爱尔兰B表反映了GoS（呼损率）、用户话务量（Erl）和业务信道数三者之间的关系，因为计算复杂，因此，使用查表的方式可以快速获得所以要的数据。
3.2.2网络容量的计算方法
在网络规划的过程中，用以下方法在预估某地区的话务量的情况下计算所需载频数和基站数。
1）算出所需总业务信道数
2）根据载频与信道的关系计算出载频数
3）根据载频数及每个基站的载频配置计算出基站数
下面将要对临潼校区进行容量规划。
设临潼校区有用户20000人，每人忙时话务量为0.01Erl，呼损率为5%，无线利用率67%，K值取0.75，基站配置为S4/4/4。
首先计算出忙时话务总量：
再根据公式3-3，计算出总业务信道数为398。
根据业务信道数计算出载频数，设定2个载频配1个控制信道：
计算出所需载频数为54。
最后根据载频数计算基站数：
一个基站提供的载频数为
因此，共需基站
在计算出基站数目后，反向计算可容纳用户数，检测是否可行
一个基站扇区总信道数
其中控制信道数
业务信道数
查询爱尔兰B表，业务信道数30，呼损率为5%，得出小区最大可容纳话务量为24.8Erl。
算出一个扇区最多可容纳用户数
一个基站最多可容纳用户
所有基站最多可容纳用户
因为
因此，该网络容量设计满足临潼校区用户需求。
3.3链路规划
在确定基站的工程参数后,需要进行链路预算才能进一步估算其覆盖范围。
在移动通信系统中，无线链路分为上行和下行两个方向，一个优良的系统应在设计时就要做好功率预算，使覆盖区内的上行信号和下行信号达到平衡，上下行链路平衡是十分重要的，是保证在两个方向上具有同等的话务量和通信质量的主要因素，也关系到小区的实际覆盖范围。
如果上行信号覆盖大于下行信号覆盖，小区边缘下行信号较弱，容易被其他小区的强信号淹没；如果下行信号覆盖大于上行信号覆盖，移动台将被迫守候在该信号下，但上行信号太弱，话音质量不好。
确定了基站基本的工程参数之后，需要通络链路计算确定基站的覆盖范围。
无线链路分为上行链路和下行链路，基站的覆盖半径会受到这两条链路中，较小的那条链路限制。
设计时应保持上下行链路的平衡，下行链路功率过大会对其他小区的移动台造成不必要的干扰，而上
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