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第4章 GSM网络规划 [复制链接]

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懒

发表于 2012-11-24 19:53:16 |显示全部楼层
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从建网开始,我国的蜂窝移动通信建设一直处于飞速发展阶段。如果工程建设前 期没有经过很好的规划,设备投入运营后,随着系统的不断扩容及外界环境的变化,将会产 生许多管理和服务上的问题。如何在建网之前进行系统的网络规划,并在网络建成投入运行后对系统进行调整和优化,提高系统运行效率,改善移动通信系统的服务质量,是摆在系统运营部门面前的一个重要任务。

4.1 GSM网络规划概述

4.1.1 GSM网络规划的目的

网络规划的目的是利用业务预测、基站设置、覆盖区预测、天线设计、频率规划以及频率再用技术等手段,有效地解决容量、覆盖、干扰等问题,改善话音质量、提髙设备的利用效率、提高投资的收益率。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,从而为业务的发展提供强大的支撑。

4.1.2   GSM网络规划指导思想

移动通信工程设计包括交换网设计、无线网设计和中继线路设计.其中的无线网络规划 是移动网特有的,而且其规划的好坏,直接影响到日后的维护和优化,因此GSM网络规划需要按照下面的指导思想进行:

1)前瞻性,能够满足未来一段时期内的业务需求。

2)有效性,规划的结果能保证满足设计指标,提供预期的服务质量。

3)经济性,能够尽可能降低费用,尽量提高设备的利用率。

4)反复性,网络规划不是一劳永逸的,需要反复迸行调整和优化。

5)整体性,无线网络是一个连网的相互影响的系统。

在GSM网络建设上,如果规划不当,那么将产生下面两种情形:

一方面如果网络总容量滞后于客户的发展速度,被市场赶着跑,就会造成网络资源紧张, 影响通信质量;另一方面,如果网络容量远远超前于市场需求,势必造成网络资源的浪费。这就需要在两者间寻找一个最佳平衡点。

可以说,对网络使用情况开展细分研究和未来市场预测,进行合理规划,是网络优化工作的基本保证和前提。

当网络建成,系统投入运行后,网络运行维护的主要内容就是网络优化。它是一项重要且长期的工作。由于优化比规划更加复杂,而且网络优化与规划密切相关,与实际运行效益也直接有关,也是后续扩容阶段的一种准备,因此对于优化工作提出了很高的要求。网络规划与优化的关系如图4-1所示。

4.2  GSM无线网络规划

建设无线网络就是要根据业务密度的分析、可使用的频率、对覆盖的要求、所要求业务质量,以及当时的地形地物条件,正确地设置基站地址,设置基站参数,正确地设置基站的信道数量,正确地指配频率,使整个无线网络既能达到所要求的质量,同时建网最经济。站址要根据业务的分布而决定,信道的数量要能满足业务量,站址与每站信道数决定了容量,要与业务密度一致。频率的指配要考虑同频干扰和邻频干扰。參数的设置与无线电覆盖、干扰、切换成功率等都有密切关系。整个频率规划工作就是围绕站址、信道、频率、小区参数在作文章。无线电网络的好坏也就是看这几项工作是否做得正确。要想做好这几项工作,要有较好的基本理论作基础。

无线网络规划设计目标是指导工程以最低1成本建造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;在有限的带宽内通频率再用提供尽可能大的系统容量:尽可能能减少干扰,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。

根据话务模型、估计的用户数、频率资源、可能的站址、无线可通率、基站或手机设 性能指标、各种损耗、覆盖干扰要求等条件'先由规划人员初步选定规划期内需设的基站数; 站址及相应的小区参数,然后对其进行验证和分折,根据分折结果决定是否需要进行修改和如何修改。经过多次反复,最后得到一个优化的方案。该方案应该是以最小的投资、较髙的频率利用率达到系统容量和服务质量的要求。

规划效果通过场强分析、覆盖分析、同邻频干扰分析、话务分析等手段验证,网络规划过程是一个不断修改、试算的过程。

由于无线网络规划工作技术性强、涉及的因素复杂且众多,困此需要利用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、频率规划和其他网络参数。网络规划流程图4-2所示。

为了使所设计的网络尽可能达到运营商的要求,适应当地通信环境及用户发展需求,网络设计前的调研工作是及其重要的。调研工作要求做到尽可能的详细,充分了解运营商的需求,了解当地通信服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)了解运营商对将要迮设的网络的无线覆盖、服务质量和系统容量等要求;

2)了解服务区内地形、地物和地貌特征,调査经济发展水平、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)了解运营商通信业务发展计划、可用频率资源,并对规划期内的用户发展做出合理预测;

6)收集规划区的銜道图、地形高度图以及电子地图。

1.站点选择与勘测

首先是对规划区域的前期勘测,包括对地形、地貌、建筑物分布、交通和商业发展情况、居民的生活水平以及他们的生活习惯等各方面情况进行综合分析,从而预测目前及未来当地潜在的用户群数目。根据运营商的服务等级,从而确定整个区域内主要部分的话务量分布和布站策略、站型的配置、站点数目、投资规模等,充分考虑到当地髙层建筑物及塔的分布, 基本确定站点分布和数目。对于站点位置的选择及覆盖半径,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以及建站的综合成本等诸多因素。

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度分布情况,并得到站点的具体经纬度。

站点选择与勘察要点如下:

1)交通方便、市电可靠、环境安全及占地面积小。

2)在建网初期设站较少时,选择的站址应保证对重要用户和用户密度大的市区有良好的覆盖。

3)避免在髙山上设站。高山站干扰范围大,影响频率再用。在农村高山设站往往对处于小盆地的乡镇覆盖不好。

4)市区基站中,对于R=1〜3KM的小蜂窝区,基站宜选高于建筑物平均高度但低于 高建筑物的楼房作为站址,对于微蜂窝区基站则选低于建筑物平均髙度的楼房设站且四周建筑物屏蔽较好。

5)避免选择今后可能有新建筑物影响覆盖区或同频干扰的站址。

2. 容量规划

网络和市场部门经过市场调査和研究,较准确地预测了未来的客户发展规模和不同地域客户发展分布情况以及客户对新业务的需求情况,为网络规划、调整扩容的顺序和进度搓 了可靠的数据和信息支持。加强市场调査、分析研究,准确预测客户需求、市场潜力和发展方向,确保网络容量适度超前。

根据对规划区内的调研工作,综合所收到的信息,结合运营商的具体要求,在对规划区内用户发展正确预测的基础上,根据运营商确定的服务等级,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及塔的分布,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、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,对网络容量进行初步规划。

容量规划包括以下内容:

1)满足规划区内话务需求所需的基站数:

2)每个基站的站型及配置;

3)每个扇区提供的业务信道数、话务量及用户数;

4)每个基站提供的业务信道数、话务量及用户数:

5)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,容量规划是1个反复、完善的过程,最终确定基站数目和站点位置。

我国蜂窝移动业务的话务分布特点是:话务量主要集中在大中城市,在城市的市中心又形成一个较为集中的话务密集区,在这样的区域内,一般还存在局部的更高的话务热点,而郊县的话务量较低。建网时如果不考虑这些因素,均匀布点,不仅会造成低话务密度区设备资源的浪费,还会导致高话务密度区容量的不足,影响网络的投资效益和服务质量。要解决这个问题,必须进行话务密度分布预测。并且根据预测结果进行布站和信道配置。

决定GSM系统容量的关键因素是无线信道的数量以及呼损率。呼损是指一个移动通信系统的全部信道被占用后若再发生呼叫,则该呼叫将无法接通而被损失掉,或者称为被阻塞的呼叫。呼损率就是这个呼叫被阻塞的概率。如某系统的呼损率为10%,即说明该通信系统内的用户每呼叫100次,其中有10次因信道占用而打不诵电话,其余90次则能找到空闲信道而实现通话。呼损率是用来评价一个通信网的接续质量的重要参数。

根据所要求的呼损标准查ErlangB表(附录C),可得到不同信道数所承载的业务量;进而可得到用户数/信道利用率。

话务量的单位通常以爱尔兰表示,一个爱尔兰是指一条通话电路被百分之百连续占用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电话负荷。

3 覆盖预测

场强覆盖预测是整个网络规划工作的基础,其准确性直接影响网络的规划结果,并最终影响网络建成后的运行质量。在实际工程中,由于电波传播的复杂性,得到准确的预测结果是不可能的,因此一般都是采用传播模型进行有误差的场强预测。

传播模型实际上是一组公式(根据大量实际测试、分析得到),为了适用有别于测试环 境的环境,附加了各种各样的校正因子。传播模型有许多种,一般来说可分为基于实测数据的统计模型和基于数值计算的数值模型两大类,这在上一章已经有所讲述。

电波传播性能的测试是网络规划过程中一个不容忽视的重要方面。它将被用于电波传播模型的校正,从而预测站点覆盖半径。对站点覆盖半径的预测是否准确,将直接影响到网络建设的质量与成本,所以,国外的GSM运营商对网络传播性能测试都很重视。

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。无线覆盖规划工作有以下两个部分:

1)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)、天线高度、 馈线损耗等。进行上下行信号功率平衡分折、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。

2)将数字化地图、基站名称、站点位置以及工程参数,运用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。

为了更准确地了解规划区内电波传播特性,规划工程师在规划服务区内选择几类具有代表性的地形、地物、地貌特征的区域进行指定频段的电波传播测试。并整理测试数据,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。

蜂窝小区设计要考虑三个设计参数:覆盖场强、覆盖半径,边缘可通概率,这些参数又与下面各类参数有关:系统余量、快衰落及人为噪声引起的恶化量的储备、各类损耗、路损、 基站天线输入功率、天线参数、分集增益、塔放、移动台射频性能、上下行链路平衡的计算等。

恶化量储备的概念如下:

1)恶化量是由于人为噪声和移动中的多径传播的快衰落带来的。

2)恶化量的定义:指存在多径传播效应及人为噪声(主要是汽车点火干扰)的情况下,为了达到与只有接收机内部噪声条件下相同的话音质量所必需的接收电平的增加量。

3)高速公路的网络规划必须考虑恶化量储备。

4)一般恶化量储备为8~10dB。

根据覆盖区的地形地貌,选择合适的电波传播模型,在上下行链路平衡的基础上,考虑 接收机输入端最小可用功率电平,利用计算机软件,结合电子地图,计算在指定边缘无线可通率下的覆盖区域范围;覆盖区域的确定还与覆盖类型有关,是室内覆盖还是室外覆盖、车内覆盖。

覆盖预测分两条线:

1)从服务质量指标出发,考虑通信概率、接收机灵敏度、恶化量储备、覆盖类型的附加损耗后,计算出接收机最低可用信号电平;

2)从场强预测出发,计算规划区域内各点相对于各小区的信号电平的中值;

3)最后得到满足指定服务质量的覆盖区的范围以及信号电平分布、各小区的覆盖区域。

4. 小区规划

小区规划受多种因素影响,但最根本的是要解决地理位置上各基站区空间无线信道在各小区上的最大分配和由此产生的系统内和系统间的干扰之间的矛盾;以及一定的无线覆盖内的信道数和最大限度的放装用户数之间的矛盾。即在保证系统最大限度提供服务的同时仍能满足规定的干扰容限及通话质量的要求。

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子系统的配置。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。

5. 频率规划

在GSM移动通信系统中,为了保证信号覆盖、减少系统干扰(同频干扰、邻频干扰),必须对系统进行频率设计。

当不同用户密度分布的区界划定后,就可由该用户密度分布区界内的体积及基站的实际覆盖面积算出应设置的基站数。根据话务和覆盖分析结果进行理想的频率设计,在地图上理想性地配置站址和频率,利用计算机辅助方法产生覆盖和干扰预測,作为后续设计的基础。

频率规划决定了系统的最大用户容量,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、邻频干扰预测分折,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。

由于频率规划在GSM系统中非常重要,因此后面将详细介绍GSM系统中的频率规划问题。

6. 时间色散

时间色散的示意如图4-3所示。

作为对地理环境和所建议的基站位置的分析结果,有可能佔计出时间色散的危险性。下列因素必须被考虑:

- 服务小区和相邻小区的覆盖预测;

- 服务小区范围;

- 可能的干扰〈相邻〉小区范围:

- 时延。

如果怀疑有时间色散危险的话,则要改变所建议的站址或者进行关于时间色散的测试。 在上面情况中,只有当直射信号与从前提到的障碍物的反射信号之间的路径差大于均衡器窗口(4.5KM)时,才有可能出问题。

一般说来,时间色散的危险性是随基站和移动台之间的距离增加而增加。基站附近的移动台可能接收到路径差较大的强反射信号,但很难遇到时间色散问题,这是因为直射信号很强。

时间色散可能出现的典型环境有:

- 山区;

- 岸比较陡或较密集的湖泊:

- 丘陵城市;

- 高层金属建筑物。

根据所进行的测量表明:

- 植被和树木覆盖的山区反射比表面为岩石的山区少;

- 陡峭山区比绵延起伏的丘陵反射大;

- 孤立建筑已不被看作为问题。

为了了解一个反射是否会产生问题,下面两点必须要有所了解:

1)直射波和反射波之间的时间差。

2)相对于有用信号的反射功率。如果时间差小于15us,那么延迟的射线将不危害系统;

实际上这将是加一些分集信号给系统。例如考虑一个小区,小区内有一任意位置的移动台。画一个椭圆,它使得基站到移动台的距离与基站到椭圆边再到移动台的距离之差为15us(4.5km的距离)。对每个特定的移动台位置都有一个椭圆。如果障碍物在这个椭圆内,反射就 没有危害。任何从这个椭圆外障碍物来的反射,其延迟将超过可接受值,有潜在的危害性。 椭圆的大小和开头取决于和基站位置有关的移动台位置。因此时间色散问题只有在小区 的某些地方可能发生。在有些极不可能的情况中,前面的讨论必然不是真的,这发生在只有反射波的覆盖,而没有直射波出现的情况。

防止时间色散出现的对策从以下几方面考虑。

1)基站选址

将基站尽可能建在靠近反射障碍物处,是避免有害反射的可能办法,这将使路径差保持 在均衡器窗口内。

另一种办法是如果基站位于远离反射障碍物处,将天线指向背离反射物方向。该天线的前后比应该大,天线背离反射物反射指向以避免时间色散影响。

2)站型选择

尽量选择定向基站,而不要选择全向基站,同时天线要背靠反射物,避免反射波的产生。

3)测量

对估计会有时间色散问题的地区中,除了正常的信号强度测量外,还需要测量时间色散。进行这个测量的最简单方法是測试误码率BER或误帧率BFR。

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