1、GSM 无 线 网 络 规 划网络规划序言网络规划基本知识介绍基站容量规划小区覆盖设计频率规划和干扰预测GSM 网络规划一般侧重两个问题：第一个问题是针对一般性的电信系统，涉及到交换设备和传输链路的规划；第二个问题是无线网络规划，这是蜂窝无线通信系统的特殊问题，涉及到无线覆盖和频率规划等十分重要的问题。本文将着重介绍 GSM 系统的无线网络规划设计。由于基站容量规划、小区覆盖设计和频率规划是 GSM 无线网络规划的三个重要方面，所以本文重点讨论这三方面。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
2、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。当然上面的目标有些是互相冲突的，所以实际的系统实现常常是上述目标折中的解决产物。GSM 无线网络规划与优化是一个阶梯式循环往复的过程。对于一个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
3、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
4、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系统需求调查分析系统容量极限网络优化调整用户增长、话务分布改变、无线环境变化网络校验与工程型优化调整 工程实施频率规划及干扰预测覆盖预测与规划勘察与站点初始布局容量规划规划发展做出合理预测；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、选址和传播模型校正基站的勘察、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
5、度分布情况，并得到站点的具体经纬度。为了更准确地了解无线规划区内电波传播特性，规划工程师可将几类具有代表性的地形、地物、地貌特征区域内指定频段的测试数据或现有网络测试数据（已建网络）整理以后，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、楼房和高塔的分布，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
6、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。（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
7、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。（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。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。（6）无线
8、资源参数设计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。从无线资源参数所实现的功能上来分，需要设置的参数有如下几类：网络识别参数 系统控制参数 小区选择参数 网络功能参数 无线资源参数通过操作维护台子系统配置。网络规划工程师根据运营商的具体情况和要求，并结合一般开局的经验来设置，其中有些参数要在网络优化阶段根据网络运行情况作适当调整。 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
9、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。在介绍网络规划前，我们先来回顾一下 GSM 网络的基础知识和无线传播的知识。一、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。（1）GSM900 工作的无线频率分配为：GSM900： 890915MHz 上行频率935960MHz 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
10、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=1124 频道GSM900 频段共有 124 个载波频道。在我国 GSM900 频段分别由中国移动公司和中国联通公司两家 GSM运营商使用：中国移动公司：903909MH（上行） ，948954MHz （下行） ，共 6M带宽，30 个频道，频道号为 6695。由于中国移动公司拥有模拟网的频段，各地移动分公司都将模拟网退频，让出一些频段给 GSM900 使用，因此中国移动公司 GSM 系统实际占用不止 6M 带宽。中国联通公司：909915MH（上行） ，954960
11、MHz （下行） ，共 6M带宽，29 个频道，频道号为 96124。（2）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=512885 频道目前只有中国移动公司的部分分公司开通了 GSM
12、1800 网络，拥有1800 网络的移动分公司大多申请了频道号为 512562 的 10M 带宽。（3）保护带宽当一个地区 GSM900 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。中国移动公司与中国联通公司的 GSM 系统也应有 400KHz 的保护带宽，即它们之间必须有一个网络少用一个频道，或由中国移动预留，或由中国联通预留。GSM 在 900MHz 和 1800MHz 的频率分配如下图所示：GSM900960频率(MHz)935917915890872频道号124101023925 975880124101023975
13、45MHz隔离使用基站发射(移动台接收)基站接收(移动台发射)2MHz防护频带GSM18001880频率(MHz)频道号885885 95MHz隔离使用基站发射(移动台接收)基站接收(移动台发射)20MHz防护频带180517851710 512512GSM900/EGSM900/GSM1800 频率分配PGSMEGSMPGSMEGSM二、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。
14、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。TDMA 技术单载频，单收发信机，8 个话路收发信机0 1 2 3 4 5 6 7三、GSM 空间接口1物理信道物理信道是支持信息传输的媒体，在 GSM 系统中它是由相应的载频及时隙所决定。前面已经提到 GSM 中单个载频可以支持 8 个移动用户同时通话。它是这样分配的：载频使用的时间被分成了多个时间段，每个时间段称为一个“时隙”，时隙按顺序排列，并编号为 0 到 7。每这样的 8 个时隙序列称为一个“TDMA 帧” 。 每个载频在时间上周期出现的同一
15、时隙就构成了一个物理信道，提供给每个移动台传输话音、信令或数据信息，直到传输结束或切换发生。与移动台之间收发信号的定时对于系统正常工作非常关键。移动台和基站都必须在适当的时间发射和接收信号，否则就会错过它应该所在的时隙，一个时隙里所传的信息也称为一个突发脉冲序列（Burst） 。每个数据突发脉冲序列在 TDMA 帧中对应一个分配给它的时隙。2逻辑信道逻辑信道由物理信道上传递的信息组成，用以完成特定的功能。GSM 的逻辑信道分为两大类：业务信道（TCH）和控制信道（CCH） 。1）业务信道业务信道用于传送话音和数据信息。共有以下两种业务信道：中 全速率信道（Full rate TCH）TCH/F
16、S: 话音 ( 业务信息 13kbit/s , 全部信息22.8kbit/s gross )TCH/EFR: 话音 ( 业务信息 12.2kbit/s , 全部信息22.8kbit/s gross )TCH/F9.6: 9.6kbit/s 数据TCH/F4.8: 4.8kbit/s 数据TCH/F2.4: 2.4kbit/s 数据中 半速率信道（Half rate TCH）TCH/HS: 话音（业务信息 6.5kbit/s，全部信息11.4kbit/s）TCH/H4.8 4.8kbit/s 数据TCH/H2.4 2.4kbit/s 数据业务信道分类注：NB（Normal Burst ）=常规突
17、发脉冲序列TCHTraffic Channels(业务信道)Speech(话音)TCH/FS TCH/HSTCH/EFRNBData(数据)TCH/9.6 TCH/2.4TCH/4.8NBTCHSACCHFACCH2）控制信道GSM 控制信道主要分成三类：广播控制信道（BCCH）;公共控制信道（CCCH）;专用控制信道（DCCH ） 。广播控制信道是下行信道(从基站到移动台),它包括:广播控制信道（BCCH）用于发送有关网络、服务小区和相邻小区的信息。为移动太提供进入网络所必要的信息。BCCH 载频作为小区频标连续等功率发射。移动台通过测量 BCCH 载频获取有关小区的射频信号强度。同步信道（
18、SCH）用来移动台的帧同步和基站识别。频率校正信道（FCCH）用于移动台载频校正同步。公共控制信道类包括上行和下行两个方向的信道：随机接入信道（RACH）上行信道，移动台用于请求接入系统。寻呼信道（PCH）下行信道，用于系统寻呼移动台。接入允许信道（AGCH）下行信道，用于为移动台指配信令信道。小区广播信道（CBCH）下行信道，用于向小区内所有的移动台广播信息。专用控制信道(DCCH)，它被指配给单一移动台，用于建立呼叫和确认用户。DCCH 包括：独立专用控制信道（SDCCH）用于传递建立呼叫和确认信息。随路控制信道（ACCH）包括慢速随路控制信道（SACCH）和快速随路控制信道（FACCH）
19、 。SACCH用于无线链路测量及功率控制消息传递。FACCH 用于传送“事件”信息息，如切换消息等。FACCH 和 SACCH 都是双向信道。控制信道分类注： NB=常规突发脉冲序列FB=频率校正突发脉冲序列SB=同步突发脉冲序列AB=接入突发脉冲序列DB=填充突发脉冲序列BCCH-仅为下行BCCH同步信道 FCHSCH CCH控制信道NB/DBRACH-上行CCCH-或为下行或为上行PCH/AGCH-下行CBCH下行NB/ABDCCH-上行下行双向SDCCHACCHSACCHFACCHNBAB NB NBFBSB四、GSM 网络组成和功能GSM 网络由网络交换子系统（SSS） 、基站子系统（
20、BSS） 、移动台（MS）及操作维护子系统（ 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 OMC： 操作维
21、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GSM 网络组成NMC操作维护系统OMC网络交换系统VLR HLRAUCMSC EIREC IWFPSTNXCDR基站子系统BSCBTS移动台SIMME五、移动环境中的电波传播在规划和建设城市蜂窝数字移动网时，从选择频段、分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可用度、以及系统内和系统间的干扰，到最终确定无线设备的参数，都有赖于对信道及电波特性的了解。了解移动环境中电波传播的特性是蜂窝无线网络设计与优化的基础。移动通信中电波传播特性主要受到以下因素的影响：频率，距离，极化方式，天线高度，地形
22、，地物，地面及各种散射与反射物体的电特性参数，时间，季节等多种因素的影响。在特定的环境中，主要取决于频率、距离和天线高度。由于 GSM 无线信号工作在 UHF 频段中，且 GSM无线小区的半径一般限制在 35 公里内，到达接收天线的信号主要是直射波和反射波的矢量合成，所以 GSM 的无线传播主要考虑视距内和近视距内的传播方式。随着移动体种类的不同、传播环境的变化以及使用频段的差异，移动通信的传播方式各不相同，其传播特性也自然不一样。这样，在不同地区、不同城市中的移动信道特性究竟如何，目前只能在这些环境中用场强实测所获取的数据来确定。对移动通信进行研究的基本方法有三种：1.理论分析，即用电磁场理
23、论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性。并用各种数学模型来描述移动信道。往往要提出一些假设条件使信道数学模型化，所以数学模型对信道的描述都是近似的。即使这样，信道的理论模型对人们认识和研究移动通信仍可起指导作用。2.现场电波传播测试，即在不同的传播环境中，做电波传播实测试验。测试参数包括接受信号幅度、延时以及其他反映信道特征的参数。对实测数据进行统计分析，可以得出一些有用的结果。由于移动环境的多样性，现场实测一直被作为研究移动通信的重要方法。3.计算机模拟，这是近年来随着计算机技术的发展而出现的研究方法。计算机在硬件支持下，具有很强的计算能力，能灵活快速的模拟各种移动环境。移动环境中电波传
24、播特性研究的结果往往用下述两种方式给出：第一：对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。例如，理论分析和实测试验结果表明，在移动环境中接受信号的幅度在大多数的情况下符合瑞利分布。在有些情况，则更符合莱斯分布。电波衰落特性的统计规律，为研究移动信道抗衰落技术提供了基本依据。第二：建立电波传播模型。模型可包括图表，近似计算公式等。应用电波传播模型可对无线电波在传播过程中的损耗进行预测，直接为系统工程设计服务。无线信号的理论分析移动通信的传播如图11中的曲线所示，总体平均值随距离减弱，但信号电平经历快慢衰落的影响。慢衰落是由接受点周围地形地物对信号反射，使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化，若移
25、动台在没有任何障碍物的环境下移动，则信号电平只与发射机的距离有关。所以通常某点信号电平是指几十米范围内的平均信号电平。这个信号的变化呈正态分布。标准偏差对不同地形地物是不一样的，通常在68dB左右。快衰落是叠加在慢衰落信号上的。这个衰落的速度很快，每秒可达几十次。除与地形地物有关，还与移动台的速度和信号的波长有关，并且幅度很大，可几十个dB，信号的变化呈瑞利分布。快衰落往往会降低话音质量，所以要留快衰落的储备。 distanceVariation due to shadowingGlobal meansSS at Rx-antennaVariations due to Rayleigh fad
26、ing无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。自由空间是满足下述条件的一种理想空间：1. 均匀无损耗的无限大空间，2. 各项同性，3. 电导率为零。应用电磁场理论可以推出，在自由空间传播条件下，传输损耗 Ls 的表达式为：Ls32.45+20lgf+20lgdf-工作频率，MHz d-移动台到基站的距离， km自由空间基本传输损耗 Ls 仅与频率 f 和距离 d 有关。当 f 和 d 扩大一倍时，Ls 均增加 6dB，由此我们可知 GSM1800 基站传播损耗在自由空间就比 GSM900 基站大 6 个 dB，如图所示。TxpwrTxpwrDistance覆盖距离覆盖距离
27、Signal Strength信号功率信号功率DCS Signal Acceptance LevelDCS信号干扰水平信号干扰水平GSM Signal Acceptance LevelGSM信号干扰水平信号干扰水平GSM900GSM1800 (DCS)6dB陆地移动信道的主要特征是多径传播，实际多径传播环境是十分复杂的，在研究传播问题时往往将其简化，并且是从最简单的情况入手。仅考虑从基站至移动台的直射波以及地面反射波的两径模型是最简单的传播模型。两径模型在图 3 中示意给出，应用电磁场理论可以推出，传输损耗 Lp 的表达式为：Lp=20lg(d/(h1*h2)Mobileh1h2Based由于
28、移动环境的复杂性和多变性，要对接受信号中值进行准确计算是相当困难的。无线通信工程上的做法是，在大量场强测试的基础上，经过对数据的分析与统计处理，找出各种地形地物下的传播损耗（或接受信号场强）与距离、频率以及天线高度的关系，给出传播特性的各种图表和计算公式，建立传播预测模型，从而能用较简单的方法预测接受信号的中值。在移动通信领域，已建立了许多场强预测模型，它们是根据在各种地形地物环境中实测数据总结出来的，各有特点，能用于不同的场合，以下就是移动通信中常见的两种：Okumura-Hata 模型和 COST-231-Walfisch-lkegami 模型。Okumura-Hata模型适用条件频率为1
29、501500MHz；基站天线有效高度 为30200米；移动台天线高度 为110米；通信距离为135km ；市区，郊区，乡村公路，开阔区和林区等准平坦地形上的基本传输损耗按下列公式分别预测。L(市区）69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a)L(郊区=64.15+26.16lgf-2lg(f/28)-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd- a(h2)L(乡村公路)=46.38+35.33lgf-lg(f/28)-2.39(lgf)-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)L(开阔区)
30、=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)L(林区)=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)f-工作频率，MHzh1-基站天线高度，mh2-移动台天线高度，md-到基站的距离， kma(h2)-移动台天线高度增益因子，dBa(h2)=(1.1lgf-0.7)h2-1.56lgf+0.8(中，小城市 )=3.2lg(11.75h2)-4.97(大城市 )s(a)-市区建筑物密度修正因子， dB;s(a)= 30-25lga (5%a50%)=20+0.19lg
31、a-15.6(lga) (1%a5%)=20 (a1%)a-建筑物密度COST-231-Walfisch-lkegami模型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 3200 米移动台天线高度 m为 110 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(2)非视距情况
32、基本传输损耗由三项组成LLo+Lmsd+Lrtsa)Lo代表自由空间损耗Lo=32.45+20lgd+20lgfb)Lmsd是多重屏蔽的绕射损耗c)Lrts 是屋顶至街道的绕射及散射损耗。)0(0lg2l1lg9.16rts MobilerforiMbilerts Lif hLhfLooooriL905)(14.0375203. )(lgllgmsdfabshmsdLifbKrofBaseBaebsh hL01l8公式说明： rofBaseseMobilerfMobile 街道宽度（m） ；f 计算频率（MHz）单位为 m；Mobileh单位为度； hMobilehMobilebd hBase
33、hrofhBase 基 站入 射 波 建 筑 物 （ a） 环 境 参 数（ b） 街 道 参 数MS rofBaseBase frofBasea hkmdhhK&5.05.08.54rofBaserofasefd hh1用 于 大 城 市 中 心1925.7.04fKf上面表达式中，K a表示基站天线低于相邻房屋屋顶时增加的路径损耗，K d及 Kf分别控制 Lmsd与距离 d 及频率 f 的关系。基站容量规划做基站容量规划，需要三个方面的数据：（1）话务模型和容量计算，包括所需服务区域内的业务信息（每小区或基站能提供的话务量） 、当前每基站的实际业务量、每次呼叫的时长、每次呼叫过程中的切换次
34、数、位置更新与呼叫次数的比例、每秒送出的寻呼次数、BSC 内部切换占所有切换的比例、TCH 的数量、SDCCH 与 TCH 的比值、链路的利用率、SMS 的利用率等；（2）服务方面的情况，包括服务区域的类型（小区的配置类型：全向、定向；满足业务和 C/I 需求的频率复用模式、每小区所支持业务量的载频数目） 、中继的服务等级、业务信道的服务等级；小区网状规划（需要的服务等级和可接受的阻塞率、小区无线链路预算、现场测试结果）等；（3）基站规划方面的问题，包括 BSC/BTS 放置在什么位置、当地对天线高度的影响、所需基站的数量、全向或定向复用规划（频谱利用率高、可用频率带宽、天线类型和增益） 、天线的分集接收、基站各器件的备用情况、电源要求等。话务模型和容量计算在网络规划中，最重要的是确定系统的容量。我们需要知道象同时有多少用户需要系统来提供服务之类的信息。这就需要我们具备话务工程的一些知识。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
