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最新GSM网络优化论文
摘要
1993年，GSM网络在我国开始进入商业用途，距今有14年，目前我国GSM网络用户已超过3.7亿，网络规模和容量都居世界第一，我国通信网络面临着严峻挑战。
一方面由于移动用户数目的惊人发展，网络规模不断扩大，但频率资源匮乏，无线网络的频率复用系数越来越小，网络规模庞大导致出现的问题也越来越多样化和复杂化，此时单靠日常的维护已经无法切实地为广大移动用于提供高质量的移动通信服务。
另一方面随着竞争的激烈和用户的高要求，如何使网络达到最佳的运行状态，如何提高通信质量，提高网络的平均服务水平以及提高系统设备利用率，已经成为网络运营商的首要任务。
特别是我国GSM网络在扩容时普遍存在周期短，速度快的情况，导致工程中留下很多质量问题，需要在后期的网络优化中解决。
关键词：
GSM频率复用通信质量网络优化
Abstract
InChina,GSMnetworkhasahistoryofabout14years,eversinceitbeganitscommercialusefrom1993.ItspresentamountofChineseuserismorethan350million,eitherofthescaleandcapacityranksfirstintheworld.
Ourdomesticmobile-communicationsareconfrontedwithsevereandrigorouschallenges.Ontheonehand,inpacewiththeastonishinggrowthoftelecommunicationusers,thenetworkkeepsexpandinginscale.However,problemslikewantoffrequencyresources,thesmallercoefficientoffrequencyreuseandmoreunwieldynetwork,bringaboutmoreandmoretroublesofincreasinglydiversifiedandcomplicated.Thusmereroutinemaintenanceisnotenoughtoprovidehigh-qualifiedserviceforthebroadmobile-communicationusers.
Ontheotherhand,asthecompetitionsarekeener,andtomeetthehigherdemandofcustomers,thenetworkoperatorsarefacedwithsomeurgentandcriticaltasksanddifficulties:
howtorunthenetworktoitsoptimum,howtoheightenthequalityoftelecommunications,howtoimprovetheaverageserviceandutilizationrateofsysteminstallations,etc..EspeciallyinChina,“shortcycle”and“speediness”aretwopeculiaritiescommonlyexistingintheGSMexpandingcapacityduration.Itleftoversomequalityproblems,whichshouldberesolvedduringthelatenetwork-optimizations.
Keywords:
GSM;FrequencyReuse;QualityofMobileCommunications;Network-Optimizations
引言
我国的GSM网络正在迅速的发展，最大的问题是城市通信热点的增多，以及农村的全面覆盖，为实现GSM网络无缝隙覆盖，保持高的通话质量，GSM网络优化工作任重道远。
移动通信网络的维护与固定电话网络的维护之间的差别是很大的，最大的区别是移动通信网络的不可以预知性，比如周围环境，话务量等。
另外，网络规划中有大量的小区设计参数，这在固定电话网中是没有的，这些小区设计参数大多数是可以调整的，比如接入电平门限，切换电平门限，相邻小区定义，频率配制等，他们会直接影响网络的服务质量，所以为了保证整个移动网络的服务质量，就必须不停的观察和检测整个移动网，找出并排除故障，提高网络质量（如提高接通率，提高话音质量，降低掉话率等），这是网络优化的基本任务，一个完善的网络往往需要经历从最初的网络规划，工程建设，投入使用，到日常维护，网络优化的历程，并进入循环，对相对稳定的GSM网络加强优化工作，搞好运行维护，提高通信网络质量。
本文分五个部分进行讨论，首先介绍GSM系统的构造，网络接口等基本知识。
然后在第二部分中对优化工作目标和流程进行介绍，第三部分介绍室内网络覆盖的优化。
天线的优化在第四部分中介绍，第五章对掉话的原因进行分析和解决。
所以本文从理论技术方面对GSM网络优化进行探讨，在实际应用中，要根据不同的情况选择不同的优化方案。
1GSM系统简介
1.1GSM系统结构
GSM（GlobalSystemforMobileCommunications；全球移动通信系统）主要分交换部分和无线部分。
其中交换部分和PSTN网很类似，而无线部分是GSM网络特有的由于无线特有的移动行，复杂性，以及传播条件恶劣所带来的衰落等原因，直接影响了无线通信的质量，所以无线部分是优化的重点对象。
一套完整的GSM蜂窝系统主要由：
MS（移动台），BSS（基站子系统），NSS（交换网络子系统），OSS（操作支持子系统），这四大部分组成，GSM系统结构如图1所示。
图1：
GSM系统结构
1.1.1MS（移动台）
移动台就是常说的“手机”，它是GSM系统的移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。
MS可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。
SIM卡就是“身份卡”，它类似于现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网络。
SIM卡还存储与网络和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入网络进行正常通信。
1.1.2BSS（基站子系统）
BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。
功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。
BSS在GSM网络的固定部分和无线部分之间提供中继，一方面BSS通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面BSS又连接到网络端的移动交换机。
1．BSC基站控制器
基站控制器（BSC）是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台和操作维护中心之间交换信息提供接口。
一个基站控制器通常控制多个基站收发台，其主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制，控制完成移动台的定位、切换及寻呼等，是个很强的业务控制点。
2．BTS基站收发台
基站收发台（BTS）包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种上小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线，连接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。
BTS完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。
BTS包括无线收发信机和天线，此外还有与无线接口相关的信号处理电路。
信号处理电路将实现多址复用所需的帧和时隙的形成和管理，以及为改善无线传输所需的信道编、解码和加密、解密，速率适配等功能。
1.1.3NSS（网络子系统）
网络子系统主要完成GSM系统的交换功能和用于拥护数据与移动性管理，安全性管理所需的数据库功能。
（1）移动业务交换中心（MSC）
是GSM网络系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成会话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其他公用通信网之间的接口。
（2）访问用户位置寄存器（VLR）
VLR是一种用于存储来访问用户位置信息的数据库，用于寄存所有进出本交换机服务区域用户的信息。
VLR也存储两类信息：
一是本交换区用户参数，该参数从HLR中获得的。
二是本交换区MS的LAI。
（3）归属用户位置寄存器（HLR）
归属用户位置寄存器（HLR）是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。
一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。
HLR还存储且为MSC提供关于移动用户实际漫游所在的MSC区域相关动态信息数据。
这样，任何入局呼叫可以即刻按选择路径送到被叫的用户。
（4）鉴权中心（AUC）
GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行保密等。
因此，鉴权中心（AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。
AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。
（5）移动设备识别寄存器（EIR）
移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码，
1.1.4操作支持子系统（OSS）
操作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。
移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。
用户数据管理一般由归属用户位置寄存器（HLR）来完成这方面的任务，HLR是NSS功能实体之一。
用户识别卡SIM的管理也可认为是用户数据管理的一部分，但是，作为相对独立的用户识别卡SIM的管理，还必须根据运营部门对SIM的管理要求和模式采用专门的SIM个人化设备来完成。
呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动业务交换中心MSC和GMSC分别处理，也可以采用通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据的方式。
移动设备管理是由移动设备识别寄存器（EIR）来完成的，EIR与NSS的功能实体之间是通过SS7信令网路的接口互连，为此，EIR也归入NSS的组成部分之一。
网路操作与维护是完成对GSM系统的BSS和NSS进行操作与维护管理任务的，完成网路操作与维护管理的设施称为操作与维护中心（OMC）。
1.2GSM网络接口
在实际的GSM通信网络中，由于网络规模不同，运营环境不同和设备生产厂家的不同，上述的各个部分可以有不同的配置方法。
为了各个厂家所生产的设备可以通用，各部分的连接必须严格符合规定的接口标准以及相应的协议。
1.2.1主要接口
GSM系统的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。
这三种主要接口的定义和标准化可保证不同厂家生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能够纳入同一个GSM移动通信网运行和使用，主要接口示意图如图2所示。
图2：
主要接口示意图
1.2.2网络子系统内部接口
网络子系统内部接口包括B、C、D、E、F、G接口，NSS内部接口如图3所示。
1.2.3GSM系统与其它公用电信网接口。
GSM系统通过MSC与公共电信网互连。
一般采用7号信令系统接口。
其物理链接方式是MSC与PSTN或ISDN交换机之间采用2.048Mb/s的PCM数字传输链路实现的。
图3：
NSS内部接口
1.3频率配置
1.3.1工作频段
GSM900M频段：
上行890～915MHz（移动台发，基站收）；
下行935～960MHz（基站发，移动台收）；
收、发频率间隔为45MHz。
移动台采用较低频段发射，传播损耗较低，有利于补偿上、下行功率不平衡的问题。
由于载频间隔是0.2MHz，因此GSM系统整个工作频段分为124对载频，其频道序号用n表示，则上、下两频段中序号为n的载频可用公式（1-1）和（1-2）计算：
上频段：
MHz（1-1）
下频段：
MHz（1-2）
式中：
n＝1～124。
例如n＝1，
MHz，
MHz，其它序号的载频依次类推。
每个载频有8个时隙，因此GSM系统共有124×8＝992个物理信道。
1.3.2干扰保护比
同频干扰保护比：
C/I（载频/干扰）≥9dB；
邻频干扰保护比：
C/I（载频/干扰）≥－9dB；
载频偏离400kHz时的干扰保护比：
C/I（载频/干扰）≥－41dB；
工程设计时需对以上的C/I值另加3dB余量。
1.4信道分类
无线子系统的物理信道支撑着逻辑信道。
逻辑信道可分为业务信道（TCH）和控制信道（CCH）两大类，其中后者也称信令信道，GSM系统信道如图4所示。
1.4.1业务信道
业务信道TCH主要传输数字话音或数据，其次还有少量的随路控制信令。
（1）话音业务信道。
载有编码话音的业务信道分为全速率话音业务信道（TCH/FS）和半速率话音业务信道（TCH/HS）两者的总速率分别为22.8kb/s和11.4kb/s。
（2）数据业务信道。
在全速率或半速率信道上，通过不同的速率适配和信道编码，可使用不同的速率业务。
图4：
GSM信道系统
1.4.2控制信道
控制信道（CCH）用于传送信令和同步信号。
它主要有三种：
广播信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）。
（1）广播信道（BCH）：
广播信道是单方向控制信道，用于基站向移动台广播公用的信息。
传输内容主要是移动台入网和呼叫建立所需要的有关信息。
其中又可分为：
频率校正信道（FCCH）、同步信道（SCH）、广播控制信道（BCCH）。
（2）公共控制信道（CCCH）：
CCCH是一种双向控制信道，用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。
其中又可分为：
寻呼信道（PCH）、随机接入信道（RACH）、准许接入信道（AGCH）。
（3）专用控制信道（DCCH）：
DCCH是双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必须的控制信息。
其中又可分为：
独立专用控制信道（SDCCH）、慢速辅助控制信道（SACCH）、快速辅助控制信道（FACCH）。
2GSM网络优化目标和流程
网络优化是高层次的维护工作，是通过采用新技术手段以及优化工具对网络参数及网络资源进行合理的调整，从而提高网络质量的维护工作。
可采用室内分布、跳频、同心圆技术、DTX、功率控制等手段减少干扰，增大网络容量，改善无线环境；通过调整天线角度，增益，方位角，俯仰角以及功率大小，选择最佳站址，调整载频配置，均衡话务分布，改善网络质量，获得最佳覆盖效果等等。
2.1GSM无线网络优化的目标
2.1.1满足所需的容量
站在用户的角度上，用户希望在任何地方一打电话就通，话音质量很好，并且不掉话。
要做到这些，直接面以用户的无线网络必须能提供足够的业务容量，有线通信中每个用户有自己的用户线，但移动则是用户共用无线电信道，业务容量与每个用户的业务量有关，也与无线信道的呼损有关，国外运营者呼损一般取2%，我国由于经济原因在大区时呼损可用5%市区则要取2%。
2.1.2覆盖所需覆盖的地区
移动网应提供尽可能大的覆盖范围。
许多国家电信主管部门在开始蜂窝业务时，对运营者在地理的覆盖与人中的覆盖均限定在某个时间内要达到一定目标。
首先应覆盖用户最多的地方，同时要考虑有一定的面，面越大越吸引用户。
今年我们提出了要覆盖的重点地区，同时还要求在全国铺开，扩大覆盖面。
覆盖与无线电传播有密切关系，所用频段、地面移动状态决定了其传播的特点。
2.1.3好的质量
覆盖率90%；话音质量4分
无线信道阻塞率2-5%掉话率2%
移动通信的传播决定了在覆盖区内不可能是100%覆盖，期望在覆盖区内死角越少越好，关键是衰落储备是否足够。
话音质量取决于信号电平和干扰的电平。
有时信号很强，但质量不好，就是由于干扰问题。
掉话的原因很多，与信号的电平、干扰的电平、切换电平等都有关。
要达到这些目标，花很多钱能办到，但一个优秀的网络应是在能满足上述要求的同时，花钱最少，这就需要精心地规划和设计。
经济性依赖可用频率的多少和设备的价格，使用频率要经济，建网要经济。
2.2GSM无线网络优化的流程
网络优化的过程实际上是一个循环过程，首先要对网络进行普查，数据采集，然后对数据进行分析，最后制定和实施方案。
如果该套方案的实施不能满足优化的要求，则从新从网络普查开始循环优化的流程，GSM网络优化工作流程图如图5所示。
图5：
GSM优化工作流程图
2.2.1网络普查
网络优化是一个系统工程。
网络普查是进行网络优化的准备阶段，它主要包括：
（1）资料调查
调查本次优化前的最新技术文件（如已有设计、测试结果，上一次优化的技术总结报告，用户申告等），包括全网MSC、HLR、BSC，BTS的容量和所在的物理位置，网络结构，中继电路数量及质量，同步方式和信令方式，当前网上本地用户、漫游用户数及密度分布，用户投诉的热点地区等内容。
（2）系统检查
利用操作维护中心（OMC）检查网管上显示的告警点；检查BTS和BSC数据库，核实频点分配、LAC划分、载频数量、邻近小区关系，切换条件等；检查交换机数据库，核实有关HLR、VLR无线网络参数。
有时在网络普查之后，就可发现明显不合理、需要优化的方面，就可以制定和实施优化。
2.2.2数据采集
网络优化是在充分了解网络运行状态的前提下进行的。
因此，数据采集是一个非常重要的环节。
数据采集包括：
（1）通过交换操作维护中心进行数据采集
通过交换操作维护中心（OMC-S）可以获得MSC话务统计，包括网内MSC、VLR、HLR、CCS6、小区，中继群、录音通知等，及网外侧呼叫其他业务网（含固定网，130网，90网，长城网等）各方向的来去话务量。
对于交换机可统计到各信令点的信令负荷、忙时鉴权次数、忙时TMSI分配次数、VLR用户数、关机或脱网用户数、业务类型使用频率、忙时位置更新次数等。
利用这些数据，结合GSM的当时运行情况，可修改MSC和BSC参数，减轻其工作负荷。
（2）通过基站操作维护中心进行数据采集
通过基站操作维护中心（OMC-R）可以获得BSC话务统计（MOC话务量、MTC话务量、位置更新、切换、小区话务量、话务信道和信令信道等）。
可统计小区内主被叫应答率、TCH分配成功率、ICH分配失败原因占有率、掉话率、忙时话务量、TCH平均占用时长、忙时占用冗H信道数、切换（来／去）邻近小区及成功率，切换失败原因占有率等。
利用这些指标可分析该小区基站工作状况及优化方向。
（3）使用仪表在有线部分进行测量采集
使用仪表在有线部分进行测量采集。
将MPA7300信令测试仪跨接在A接口和A接口。
MPA7300信令测试仪可启动计数器记录特定时段内事件的发生次数，并实时跟踪记录CCS7信令。
结合GSM规范，就可知道话音信道分配失败过程中，各种原因所占比例；切换失败过程中，各种原因所占比例；掉话率等指标。
（4）通过某些工具对无线接口进行测试采集
借助测试仪表。
测试手机及测试车等工具结合地理信息图和网络资源配置对无线接口（Um）部分进行测试采集。
需要测试的主要内容有：
呼叫通话测试、扫频测试、场强测试、干扰测试、切换测试、锁频测试、位置更新测试、双频网评估测试等。
需要采集的主要参数有：
主邻小区场强、载干比、越区切换位置、越区切换电平、掉话数、误码率、失帧率、小区归属参数、全部第三层上下行信令采集和解码等。
2.2.3数据分析
综合所获得的数据，进行数据分析。
从交换机的操作维护中心（OMC-S）和基站系统的操作维护中心（OMC-R）获得话务统计报表，然后用后台软件加以处理。
包括针对无线网络而言的全网接通率。
话音信道掉话率，信令信道掉话率。
切换成功率和切换失败原因占有率等。
对无线部分测试采集到的数据进行分析得到场强覆盖分布图、比特误码率分布图、帧丢失率分布图、有效相邻小区分布图。
同邻频干扰分布图等，以及双频网评估，呼叫过程事件和发生的频度统计报告，从而得到网络覆盖盲区定位。
网络干扰（上／下行）区定位、切换分析报告等。
2.2.4制定和实施优化方案
根据网络普查发现的明显不合理之处制定和实施优化方案。
一般这时是进行初级层次的优化，进一步提高网络运行质量就要进行较高层次的优化，它需要周期性地、渐进地进行，根据数据分析结果制定和实施优化方案。
（1）初级层次的优化
“清网排障”很见效，特别是在工程割接后直到系统终验前这段时间进行，如数据库中数据垃圾的清理。
根据话务量报表及销售计划，调整每个小区所需载频数目和各局向中继电路数，及时修改配置。
应用频率规划软件和手工补偿，获得新增载频频点。
针对从OMC获得的告警点和Um测量时发现的问题，利用SITEMASTER测试仪表检查天馈线系统，如：
无线输出功率、馈线回损及大线角度、类型、高度与设计是否一致。
利用HP8594E测试仪表检查基站硬件，如：
设备模块输出功率、放大增益、测试点工作电平、滤波器输出波形等。
这样可对不良基站进行处理，故障盘替换，调整天线，甚至基站搬迁等。
（2）常规的调整方法
根据数据分析得到的用户分布及话务分布提高交换机处理效率，增加容量，调整信道数，变更基站位置、切换参数、频率、小区参数等。
对盲区、高速公路、室内区域、偏远地区，高话务量地区可考虑增加信道或增建基站、设置微蜂窝、宏蜂窝、直放站及（智能）同心圆、频率复用等技术。
直放站选型时，应重视天线前后向比和非线性失真。
根据测试到的盲点和话音质量较差地区数据，调整天线的角度、高度、倾角、类型、连接及BTS发射功率。
必要时，可更换基站位置。
首先，利用规划与优化软件模拟计算调整后的效果，若满意，调整天线参数，然后进行无线测试工作，反复进行模拟、调整、测试、比较工作，直到实现良好的服务状态。
根据有线部分的测试得到的统计数据，分析网络服务质量（QoS）差的原因。
修改MSC或BSC数据库（诸如位置区域LAC、切换条件、鉴权条件、邻近小区、TMSI再分配条件，BSC和RTS归属关系等）后，再进行统计。
每次尽量只修改一个参数，通过反复修改、统计、比较以得到较佳的指标。
另外，通过MSC和BSC软件版本升级、打补丁等可获得新的统计功能、网络业务和更加良好的工作状态。
采用完善的录音通知系统、短信息、语音信箱等新业务，有利于减少无效呼叫，提高接通率。
3室内覆盖的优化
3.1室内覆盖优化的意义
随着市区基站密度加大，优化工作的深入，城市的室外覆盖已基本做到了无缝连接，话音质量也进一步得到改善。
由于用户在大型建筑物（尤其是酒店、商务和商业中
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