基于校园环境的GSM网络规划设计.doc

1、兰州理工大学计算机与通信学院2012 年秋季学期移动通信课程设计题 目：基于校园环境的 GSM网络规划设计 专业班级： 09 级通信(1)班 姓 名： 学 号： 指导教师： _ _ _ 成 绩： 摘 要数字蜂窝移动通信是在模拟蜂窝移动通信的基础上发展起来的，在网络组成，设备配置，网络功能和工作方式上，二者都有相同之处。但因数字蜂窝网采用全数字传输，因而在实现技术和管理控制等方面，均与模拟蜂窝网有较大的差异。简单来说，数字蜂窝网技术更先进，功能更完备且通信更可靠，并能适应方便的与其他数字通信网（如综合业务数字网 ISDN，公用数据网 PDN）的互联。GSM蜂窝系统的主要组成部分可分为移动台，基站

2、子系统和网络子系统。基站子系统（简称基站 BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统由移动交换中心(MSC)，操作维护中心（OMC）,原籍位置寄存器（HLR） ，访问位置寄存器（VLR）,鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）组成。一个 MSC可管理多达几十个基站控制器，一个基站控制器最多可控制 256个 BTS。由 MS,BS和网络子系统构成公用陆地移动通信网，该网络由MSC与公用交换电话网（PSTN）,综合业务数字网（ISDN）和公用数据网（PDN）进行互联。关键词：GSM,基站规划,小区容量规划,频率复用;目 录 前 言 .3第一章 GSM 网络规划设计

3、总体概述 .41.1 GSM无线网络设计与优化流程 .41.2 GSM网络的基本原理 .41.2.1 GSM网络组成 .41.2.2 GSM网络组成部分功能 .61.2.3 GSM网络接口 .7第二章 基站站址选取 102.1基站初始布局 102.2 建筑物情况 .102.3 设计指标及要求 .112.4 设计方案 .112.4.1实地勘测 112.4.2具体方案 12第三章 小区容量设计 143.1 话务量的计算原理 .143.2 话务量计算 .15第四章 频率规划 164.1 GSM系统频谱划分 164.1.1 GSM900工作的无线频率分配 .164.1.2 GSM1800工作的无线频率

4、分配 164.1.3 保护带宽 164.2 GSM系统多址技术 164.3 频分复用和时分复用 .17总 结 18参考文献 .19前 言 我国的 GSM用户量已达到 5亿之多，虽然国家在大力的普及 3G。但是在这个过渡期必然有大量的用户依然在使用 2G的 GSM网络，作为学通信的学生有必要掌握 GSM通信的网络规划与优化知识，GSM 作为到目前为止最为成熟的通信技术之一，有必要深入研究，为以后的其他技术学习奠定基础，而作为网络规划的三个重要的步骤基站的选取，小区的容量规划，以及频率复用技术都得到了广泛的应用，在研究 GSM网络的过程中，我们应该举一反三，深刻了解与掌握网络设计与规划中的框架以及

5、步骤，为以后的学习打下基础。 第一章 GSM 网络规划设计总体概述 1.1 GSM无线网络设计与优化流程图 1-1 设计与优化流程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。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。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。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

6、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。 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。合理地设置基站子系统的无线资源参数，保证整个网络的运行质量。1.2 GSM网络的基本原理1.2.1 GSM网络组成系统需求分析系统容量极限网络优化调整系统增长工程优化调整勘查与站点初始布局容量规划覆盖预测与规划频率规划与干扰预测工程实施非官方图 1-2 网络组成和功能GSM网络由网络交换子系统（SSS） 、基站子系统（BSS） 、移动台（MS）及操作维护系统NMCOMC网络交换系统VLR HLRAUCMSCEC IWFEIR

7、PSTN移动台基站子系统SIMXCDRBSCBTSME操作维护子系统（OMS）组成。 MS 是如手机、传真机等用户实际所使用的设备；BSS是为移动台 MS和陆地交换设备提供无线连接的部分；SSS 是由 MSC及一些相关的数据库组成，完成电话交换及提供 GSM系统与 PSTN的连接功能等；OMS使网络管理员能对网络进行集中操作与维护。主要包括以下网元（NE）： MSC： 移动交换中心 AUC： 鉴权中心 HLR： 归属位置寄存器 VLR： 拜访位置寄存器 EIR： 设备识别寄存器 BSC： 基站控制中心 XCDR： 压缩编码器 BTS： 收发信基站 ME： 移动设备 SIM： 用户身份识别卡 O

8、MC： 操作维护中心（包括 OMCR-基站子系统操作维护中心和 OMCS-交换子系统操作维护中心） NMC： 网络管理中心1.2.2 GSM网络组成部分功能（1）移动台（MS）移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡（SIM）。移动终端就是“机”，它可完成话音编码、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”，它类似于我们现在所用的 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路。SIM 卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入 SIM后移动终端才能接入

9、进网，但 SIM卡本身不是代金卡。（2）基站子系统（BSS）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）。 BSC：具有对一个或多个 BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。BTS：无线接口设备，它完全由 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。（3）网络子系统（NSS）交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安

10、全性管理所需的数据库功能。NSS 由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下： MSC：是 GSM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话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成 BSS、MSC 之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个 MS还应能完成入口 MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。VLR：是一个数据库，是存储 MSC为了处理所管辖区域中 MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户

11、提供的服务等参数。 HLR：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如 MSC、VLR 地址等。 AUC：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码 RAND，符合响应 SRES，密钥 Kc）的功能实体。 EIR：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。（4） 操作维护子系统（OSS）GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主

12、要是对整个 GSM网路进行管理和监控。通过它实现对 GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。OMC 与 MSC之间的接口目前还未开放，因为 CCITT对电信网路管理的功能。OMC与 MSC之间的接口目前还未开放，因为 CCITT对电信网路管理的 Q3接口标准化工作尚未完成。1.2.3 GSM网络接口图 1-3 网络接口（1）Um接口Um接口是空中无线接口，是MS和BTS之间的通信接口，用于MS与GSM系统的固定部分之间的互通，其物理连接通过无线链路来实现。Um接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。（2）Abis接口Abis接口是BSS部分的两个功能实体BSC和

13、BTS之间的通信接口，用于BTS和BSO之间的远端互连方式，物理连接通过标准的2Mbit/s或64Kbit/s的PCM数字传输链路来实现。Abis接口支持向移动台提供的所有服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。Abis接口是GSM系统的BSS的内部接口，是一个未开MSMSCBTSBSCMSCEIRHLRVLRVLR放的接口，可由各设备厂家自行定义。（3）A接口A接口是BSS部分与MSC之间的接口，它基于2Mbit/s的数字接口，采用14位七号信令方式，主要传递呼叫处理、移动性管理、基站管理、移动台管理等信息。（4）B接口B接口是MSC与VLR之间的接口，主要用于MSC向VLR询问

14、有关移动台的当前位置信息，或通知VLR有关移动台的位置更新信息等。B接口作为设备内部接口，一般不作规定，但应能完成GSM规范所规定的功能。（5）C接口C接口是MSC与VLR之间之间的接口，它基于2Mbit/s或64Kbit/s的数字接口，采用24位七号信令方式。它主要完成被叫移动用户信息的传递以及获取被叫用户被分配的漫游号码。（6）D接口D接口是HLR与VLR之间的接口，它基于2Mbit/s或64Kbit/s的数字接口，采用24位七号信令方式。它主要交换位置信息和用户信息，当移动台漫游到某VLR所辖区域后，VLR将通知Ms的HLR，HLR向VLR发送有关该用户的业务消息，以便VLR给漫游客户提

15、供合适的业务：同时HLR还要通知前一个为该移动用户服务的VLR删除该移动用户的信息。当移动用户要求进行补充业务的操作或修改某些用户参数时（如将呼叫转移功能激活），也是通过D接口交换信息。（7）E接口E接口是MSC与MSC之间的接口，它也是采用的24位七号信令方式，用于移动台在呼叫期间从一个MSC区域移动到另一个MSC区时，为了通话的连续性而进行的局间切换，以及两个MSC间建立用户呼叫接续时传递有关信息。（8）F接口MSC与EIP之间的接口为F接口，采用24位七号信令方式，用于MSC检验移动台的IMEI时使用。（9）G接口G接口是VLR之间的接口，当移动台以TMSI启动位置更新时，VLR使用G接

16、口向前一个VLR获取MS的IMSI和相应的信息。第 2章 基站站址选取2.1基站初始布局基站初始布局确定好以后要根据勘察、小区设计、覆盖预测、容量规划的结果作反复的调整，如下图:图 2-1 基站初始布局流程图2.2 建筑物情况兰州理工大学西校区位于七里河区龚家湾；整个校区东西长约 1800米，南北长约 2000米。主要楼层情况：建筑层高 6至 7层。根据对学校的勘察情况，目前已建校区主要分为 4个区域，即西侧的教学区和东侧南北方向的两个宿舍区。教学区域中已经建设完成的教学楼共有 7栋：含 3栋实验楼、4 栋教学楼、 。北村宿舍位于校园的东北方向，共 8栋宿舍楼，含 3栋女生生宿舍和 8栋男生宿

17、舍。南村宿舍位于校园的东南方向，共 9栋宿调整基站布局站点初始布局站点选择与勘查容量规划覆盖预测与小区规划频率规划及干扰预测方案确定舍楼，含 1栋女生生宿舍和 8栋男生宿舍。图书馆和大学生活动中心，食堂位于学校的中部位置。图 2-2 兰州理工大学西校区基站布局平面示意图2.3 设计指标及要求覆盖区内无线可通率：移动台在无线覆盖区内 90%的位置，99%的时间可接入网络。无线信道呼损：根据实际需求要求无线信道呼损市区不高于 2%。2.4 设计方案2.4.1实地勘测大学校园内人数较多且集中，但总量变化不大。校园内人员流动的规律性带来话务的规律性变化，总体来说人员变化普遍趋势如下：(1)根据调查我校

18、学生用户使用习惯：高峰为晚上 21:00-23:00点，而且拨入拨出基本平衡；(2)西区用户数量大概为 30000人，而且平时在相同时间段用户话务量较稳定；(3)西区地势平坦大体上属于中等起伏地形中的郊区和开阔地地形；基站(4)每年有新生入校和毕业生离校，人数基本持平；(5)每天离开学校和进入学校的人员基本持平；(6)周一至周五校内人员较多而周末较少；(7)寒暑假校内人员较少；(8)9月因新生入校人数增多，漫游数目较大；(9)5-7月因毕业生陆续离校，人员总数减少。根据校园内内不同楼宇具有的不同功能，人流量、话务量、业务需求各不同。表 1.1 楼宇类型与业务特点序号 楼宇类型 人流量 话务量1

19、 教学楼 较大 一般2 行政楼 一般 一般3 实验楼 较少 较少4 食堂 较大 较大5 图书馆 一般 较少6 体育馆 较大 较少7 宿舍楼 很大 较大2.4.2 具体方案根据校园内四大区域（东南部宿舍区、西部教学区、东北部宿舍区，中部图书馆和大学生活动中心食堂）主要建筑类型，主要设计建设方案为：学校的主要用户包括学生、教师和其他人口，其中占最大数量比例的是学生这一群体，因此，主要以学生群体的业务行为来分析其话务特点。学生的主要活动区域可按白天和晚上划分为教学区、宿舍区和其他区域（包括校园内、餐厅、操场等） 。以上述分析为基础，得出高校区的业务需求。大学内基本所有学生都住宿，宿舍区夜间的话务量相

20、当高。周一至周五白天，人员集中在教学楼和实验楼。早中晚饭时间，人员主要集中在食堂。由于图书馆内场馆限制，一般话务量较小。宿舍话务量基本可以作为整个校园话务容量的衡量标准。通过实地勘察并结合地图，一般来说，大学的楼群分界线明显，建筑物的高度大约在 20-30m，根据建筑物平均密度特征，可以认为其符合一般城区的特征。区域内存在大量教学楼、宿舍楼等建筑群；区域内话务量密集、用户移动速度不高、业务速率要求较高。可将基站站址选择在中心食堂，基站收发信天线采用全向天线,基站发射功率为每载波 500W，每时隙平均为 500/8=62.5W。移动台发射功率分为0.8W,2W,5W,8W和 20W五种，可供用户

21、选择。COST-231-Walfish-Ikegami模型可以适用于20m5km范围的传播损耗预测，既可用作宏蜂窝模型，也可用作微蜂窝模型。在作微蜂窝覆盖预测时，必须有详细的街道及建筑物的数据，不能采用统计近似值。适用条件:频率为GSM900/1800；基站天线有效高度 bh为 3-200米移动台天线高度 m为 1-10米通信距离为20米-5公里该模式分视距（LOS和非视距（NLOS）两种情况（1）视距情况基本传输损耗采用下式计算L42.6+26lgd+20lgf （公式1）(2)非视距情况基本传输损耗采用下式计算Lo=32.45+20lgd+20lg （公式2）其中d=2000m,f=900

22、MHz将其带入非视距情况基本传输损耗中得Lo=97.45db假设手机的发射功率为5W,则可计算出基站的发射功率为50W.第 3章 小区容量设计3.1 话务量的计算原理在网络规划中，最重要的是确定系统的容量。系统的容量一般指用户在某段时间内所产生的通话量。其单位通常以爱尔兰(Erlang)表示(一个爱尔兰是指一条通话电路被百分之百的连续占用 1小时的话务负荷，或者两条通话电路各被连续占用半小时的话务负荷)。每个用户的平均话务量 可以表示成：1（公式1）式中， 是平均每用户单位时间内发出呼叫的次数，又称为呼叫到达速率。为每用户平均通话时间。 为呼叫完成速率。每个小区的话务量 A可以表示为：ds（公

23、式2）式中， 是每用户平均话务量(Erlang/用户)， 为用户分布密度(用户数d/km2)， 为小区面积 (km2)。S在现实环境中，话务量会随着时间而变化。即使不考虑长期发展过程中可能出现的变化，话务量还会以每天和每周为周期作短期的周期性变化。通常将话务量最大的一小时称为忙时，相应此小时的呼叫次数为“忙时呼叫次数”或“忙时试呼次数” ，缩写为 BHCA。系统忙时话务量可以由下式给出：1BHCA（公式3）在网络规划中通常采用忙时话务量为设计指标，并认为 GSM网络能够支持忙时话务量也必然能够应付平时的话务量。在网络规划设计中通常采用每用户忙时话务量的指标。每用户忙时话务量可用下式表示： 36

24、0TaA（公式4）为每用户的忙时话务量a为每用户忙时呼叫次数为 T每用户每次通话占用信道的平均时长，单位：秒则系统忙时话务量又可表示为： ABH（公式5）为每用户的忙时话务量为系统用户总数这是我们做容量规划时一个很重要的公式。显然做系统规划时，系统预期容量应该大于预计的 BH。当前系统的平均每用户忙时话务量一般可从现网统计数据中得到，系统忙时总话务量除以忙时 VLR上的用户登记数就是当前系统的平均每用户忙时话务量。但一般在做网络规划时，应为当前系统的平均每用户忙时话务量留一定的余量。3.2 话务量计算忙时话务量 3601KTCa其中用户每天平均呼叫次数为 C=2 次/天，每次呼叫的平均占用信道

25、时间为)/(4次秒集中系数为 K=10%计算得 )/(047.用 户爱 尔 兰a根据调研一天中最忙时段为 21:00-23:00，每层楼大概有 5 个人同时通话，一栋楼共有七层，则每栋楼共有 357个用户同时通话，西区共有 16 栋楼，则有 56013个用户同时通话，同时假设校园内有 40 人同时通话，则共有560+40=600 用户同时通话可算出西区总的话务量 2.860Aa查看爱尔兰表，由呼损率 B=2%可得载频数为 n=37信道利用率 %74)1(nB假设西区全网用户数为 30000 人，则每个信道的容量 10nMm其中有一个控制信道，即总共有 37+1=38 个频分复用信道。第 4章

26、频率规划4.1 GSM系统频谱划分GSM作为当前世界上分布最广的蜂窝移动系统，也是目前国内移动系统的主干网络，承载了国内的大部分手机用户。我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统目前采用了 900 MHz和 1800MHz两个不同的频段。4.1.1 GSM900工作的无线频率分配GSM900： 890-915MHz 上行频率935-960MHz 下行频率双工间隔为 45MHz，工作带宽为 25MHz，载频间隔 200KHz。频道序号和频点标称中心频率的关系为：fu(n)=890.200MHz+(n-1)0.200MHz 上行频率fd(n)= fu(n)+45MHz 下行频率n=1-124频

27、道GSM900频段共有 124个载波频道。4.1.2 GSM1800工作的无线频率分配由于 900MHz频带有限，可容纳的用户数也受限，所以 GSM系统又发展到1800MHz。GSM1800 工作的无线频率分配为：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4.1.3 保护带宽当一个地区 GSM90

28、0系统与模拟移动通信系统共存时，两系统之间（频道中心频率之间）应有约 400KHz的保护带宽，通常是由模拟网预留。4.2 GSM系统多址技术GSM系统采用时分和频分相结合的多址技术。上面已经提到，在 GSM900频段上一共可有 124个载频，GSM1800 频段上一共可有 374个载频，在整个频段上是频分的，而每个载频又是时分复用的，即每个信道占用载频的八分之一的时间。一个载频共有 8个物理信道，每个信道都能支持话音或信令信息。这样每个载频（收发信机单元）可同时支持 8个用户同时通话，从而节省了基站硬件设备。0 1 2 3 4 5 6 7收发信机TDMA 技术，单载频，单收发机，8 个话路图

29、4-1 时隙分配图4.3 频分复用和时分复用由于载频间隔是 0.2MHz,其频道序号用 n表示，则上，下两频段中序号为 n的载频可用下式计算： MHznnf)2.089()1下频段 fh).35()其中载频 n=37，控制信道一个，共有 3048N个时分复用信道。可得上行：890.2897.4（MHz）下行：935.2942.6（MHz）总 结由于我们只有一个小区，所以把基站的位置选在了西区的中心位置，一个基站就可以覆盖，在基站容量的计算上，我们选择了晚上的话务高峰期的两个小时，假设用户数为 30000 人，然后算出信道容量，再根据一个载频 0.2M 的带宽，就可算出上行和下行频率，在话务量的

30、计算以及频率的分配上，我们遇到的问题是一个信道最多可以容纳多少个用户，在计算忙时话务量是全网用户数是同时通话的人数还是实际拥有手机的用户，我们产生了疑问，最后经过我们的讨论我们商定全网用户数为实际拥有手机的人数，也就是 30000人，一个信道最多可容纳 128位用户，我们算出的为 101位用户，最后把问题解决了，这次课设使我觉得合作的重要性，在此感谢老师的悉心指导和我们小组同学的热心帮助！参考文献1郭梯云、邬国扬、李建东. 移动通信系统（第三版）. 西安电子科技大学出版社2沈振元、聂志泉、赵雪符. 通信系统原理. 西安电子科技出版社3覃团发、姚海涛、覃远年、陈海强. 移动通信. 重庆大学出版社4邱玲、朱近康、孙葆根、张磊. 第三代移动通信系统. 人民邮电出版社5蒋昌茂、程小辉、刘洪林、张保忠.无线宽带 IP通信原理及应用.电子工业出版社6陈德容、刘永乾、蒋丽.移动通信网络规划与工程设计.北京邮电大学出版社7郭 莉、王 钢、等译.UMTS 无线网络规划与优化（第二版).电子工业出版社8陆健贤、叶银法、卢斌、林横华、蒋晓虞、邱涌泉.移动通信分布系统原理与工程设计.机械工业出版社9王 群.计算机网络安全技术.清华大学出版社10李建东、郭梯云、邬国扬.移动通信.西安电子科技大学出版社