GSM网络优化设备应用.docx

1、GSM网络优化设备应用 GSM网络优化设备应用自从1995年GSM进入中国之后，以惊人的速度和规模发展目前网络已覆盖全国各个省份，网络逐渐进入维护期，手机用户也在不断成熟，因此，如何维护如此庞大的网络，提高网络服务质量，是中国通信市场打破垄断，引入竞争后每个运营企业正在认真考虑的课题。1GSM网络优化及其优化工具GSM网络维护是一个极为复杂的系统工程，包括无线部分和有线部分，其中无线部分的维护是蜂窝网络所特有的，一般分为基站维护和网络优化两个部分，基站维护是使用基站测试仪测量基站的关键RF指标，判断基站故障，调整基站参数；网络优化是使用网络优化测试系统通过路测（Drive Testing）来监

2、测网络服务质量，判断故障区域，再调整基站和网络参数排除故障。1.1、基站测试与网络优化测试的关系图 1上图所示，基站测试与网络优化测试是不同的。基站测试所考察的是基站自身的性能和质量，一般要在排除外界干扰的情况下采用基站测试仪直接连接基站进行；网络优化测试所考察的是网络中基站之间的关系，支持手机用户移动通信的性能和质量。因此，网络优化测试是建立在基站测试通过的前提之下的，只有先保证基站自身性能质量符合网络设计要求，对网络进行测试和优化才是有意义的。可见，这两者之间又是紧密相关的，是无线网络维护的两个重要步骤。本文将集中论述如何使用网络优化测试系统进行GSM网络的测试、故障诊断和优化。1.2、G

3、SM网络优化测试的基本概念GSM网络优化测试的对象是空中接口，主要有三种类型的应用：首先由于无线信道的随机特性和外部环境的变化，需要随时监测网络服务质量，对话音质量、掉话率和阻塞率进行统计，称为网络测试或网络评估（Benchmarking）；如果发现某个覆盖区域存在严重的服务质量问题，就需要针对服务该区域的小区进行具体的测试和分析，发现影响服务质量的原因，并采取措施排除故障，称为故障诊断（Troubleshooting）；由于网络和基站的参数需要不断适应环境和用户容量的变化，需要不断根据实际情况通过网优工具的测试对这些参数进行调整和优化，称为参数优化（Optimization）。随着网络优化测

4、试工具的不断完善，它也常常被利用来进行频段清理，站址选择以及竞争分析。虽然各种应用所针对的问题不同，但基本步骤是类似的，见下图所示：图 2第一步是进行路测，采用测量仪器和测试手机收集数据；第二步是路测结束后对收集到的数据进行后处理，主要有两种形式：数据地理信息化和数据回放，所谓数据地理信息化即数字地图化，将测试中每个采样点的数据依据其地理位置信息（经纬度）放置在数字地图上，并对不同类型的数据按照其大小、范围或特征以不同方式显示，使分析者可以直接由地理位置确定所关心的区域，并对数据作出判断，这种方式特别适用于一些典型和简单的问题，所谓数据回放是指将记录的数据按照路测过程重新按顺序显示，显示的数据

5、变化与路测过程中所观察到的完全一致，这种方式特别适用于一些较复杂和深入的问题，例如可以利用慢放和倒放功能对故障点数据进行细致地比较和分析；第三步是进行具体的统计和分析，评估网络质量，发现问题原因，确定解决方案；第四步是采取具体措施，调整基站和网络参数，解决问题或排除故障。其中后三步的统计和分析的过程目前主要通过软件完成。建立在Windows环境的应用软件发展极为成熟，良好的用户界面可以为数据提供各种非常直观的表示方式，强大的数据库软件可以提供迅速的数据查询和计算统计，模块化的软件平台可以方便地增加新功能和进行升级。相比较而言，第一步的网络路测就显得尤为关键，如果能够全面地测试网络信号，后分析软

6、件就可以从数据中分析影响服务质量的各种因素，而假如遗漏或甚至不能测量某一类数据，就无法分析与之相关的问题，此时即使后分析软件功能再强也无能为力。1.3、GSM网络优化测试工具的发展趋势由于网络规模不断扩大，复杂程度越来越高，从而导致网络优化工作所需要解决的问题、所需要的工具都在不断的发展变化a. 网络优化所面临问题的发展转化仅仅在几年前，移动通信还是只有少数人所享用的奢侈品，用户数量小，相应的网络规模不大，基站少，整个网络处于建设期。这个时期，网络优化的主要问题是无线覆盖的测试和优化。在大中城市里，需要用有限数量的基站覆盖尽量大范围的区域，一般采取两方面措施，一方面是架设较高的基站天线，功率较

7、大，一般是固定在较高的大厦顶部或修建铁塔，使其信号能覆盖到很远的地方；但是，由于无线信道条件复杂且变化很快，且基站天线具有一定的垂直角度，往往造成开阔空旷地带覆盖好，而较近的大楼底部和街道反而信号差，所以另一方面采用各种类型直放站增加覆盖。然而，仅仅几年的时间，中国的移动网络就发展为仅次于美国的世界第二大蜂窝网络，GSM占主要的比例。在大中城市里，大规模的建设造成基站的密度很大，覆盖问题越来越小，影响网络服务质量的主要矛盾逐渐转移到一个更为复杂的问题上，即干扰问题。见下图所示：图3干扰问题按其来源不同主要有两大类，一方面正是因为当初为了解决覆盖问题，不断地增加基站数量，提高基站密度，而测试手段

8、无法及时跟上，造成同频基站、邻频基站之间干扰增大，系统总干扰电平上升，载干比普遍下降，同时由于基站数量大，站址选择难度增加，并且很难适应环境的变化，往往发生多径传播引起的干扰；另一方面，随着国内经济建设飞速发展，无线越来越多地成为通信和传播的手段，因此GSM网所处的无线电环境也越来越复杂，有很多干扰来自于非GSM的无线电设备甚至非法站台，这种外部干扰问题不仅严重影响网络服务质量，而且使干扰的分析和解决难度增大。b. 网络优化工具的发展变化由于GSM网络优化所面临的问题已经由简单的信号覆盖转化为以干扰为主并由多种因素相互作用和相互影响，因此对网络优化所采用的测试手段和测试工具也提出了更高的要求。

9、图4从目前的市场统计来看，绝大多数网络优化工具还属于第一代系统，即基于测试手机的路测工具。见右图。第一代系统的主要特点是所需要的测试数据完全依靠使用一个或多个测试手机来完成。所谓测试手机并非特殊的测量设备，其射频工作和通信功能与一般商用手机没有任何区别，有一种认为测试手机应该采用某种射频增强措施的想法，例如更高的灵敏度或不同的解码算法，其实是不正确的，因为测试手机的通信测试应反映用户的实际使用情况以评估网络。那么，测试手机是如何成为网络优化的工具呢？从GSM标准05.08中可以发现，GSM系统与旧的模拟蜂窝系统的一个明显区别是采用移动台辅助的切换和功率控制，手机在工作时需要不断测量当前服务小区

10、和相邻小区的信号强度信息并传给基站以帮助基站控制手机的切换和功率。因此05.08标准详细规定了为维持移动台正常的通信操作和移动操作所需的测量报告内容，包括反映信号性能的参数如RxLev、RxQual等和反映网络的参数如邻小区控制信道测量等。第一代的网络优化系统就是利用从测试手机中提取出来的这些参数来分析网络的性能.由于测试手机可以测量下行链路接收信号电平，对于早期网络以提高基站信号覆盖为主的优化测试，测试手机是基本能够满足要求的，但现在的优化测试以解决干扰问题为主，而干扰问题涉及复杂的RF信号测试，与测量仪器相比，测试手机就显得远远不够，暴露出明显的缺陷，主要表现在以下三个方面：一是测量精度问

11、题。测试手机的信号测量精度比专业的RF测量仪器要低。更为关键的是，测试手机的测量精度随使用年限增长而逐渐下降，但测量仪器可以通过定期的校准恢复出厂时的测量精度，因此可以长期地保持高精度。(飘移等)二是测量速度问题。由于测试手机的基本工作原理与普通手机一致，以完成通信为主，信号测量电路简单，测量工作只能选择时隙间的空余时间进行，测量速度和报告周期都受到限制，而测量仪器采用专用的高速DSP芯片和复杂的数字算法，不仅测量速度远远高于手机，而且可以进行更为复杂的射频干扰分析。三是测量的独立性问题。为了解决影响网络质量的问题，网络测试必须全面地反映信号的特性，这就要求测试系统的测量与网络的控制无关，即测

12、量完全独立于网络。对于日趋复杂的GSM网络，测量的独立性也越来越重要。测量的独立性问题包含极为丰富的内容，影响网络测试的各个方面。测试手机是一种非独立的网络测试工具，其测量工作依赖于规范，依赖于网络。手机测量依赖于规范是指测量内容完全由规范规定，例如，根据规范要求，测试手机只提供下行链路即下行频段的测量报告，而对于手机到基站的上行频段不进行测量，但是，实际网络中有越来越多的外部干扰信号落入GSM上行频段，造成严重的接入阻塞和话音质量下降，而测试手机是无法发现和解决这个问题的，所以，由于规范的限制，用测试手机进行网络优化测试存在固有缺陷。手机测量依赖于网络是指手机的通信和测量受到网络的控制和限制

13、。例如，测试手机提供的当前和相邻小区信号电平和BSIC的测量报告是第一代网优系统所依据的重要参数，但是，手机所测量的相邻小区是根据服务小区基站提供的邻小区列表，而未在邻小区列表中设置的基站频点手机是不会测量的，因此，测试手机不能提供全面的网络基站信号的测量；为弥补这个缺陷，有的网优工具可以控制测试手机进入扫描模式，扫描测量所有GSM频点，但在扫描模式下，测试手机不能提供正常测量报告，也不能解码BSIC，且测量速度很慢，总之，由于受网络的控制，测试手机在这方面也存在固有的缺陷。测量仪器是独立于网络的测量工具，也不受规范的限制，可以同时的测量下行频段和上行频段，测量所有GSM频点，其扫描速度远高于

14、手机，所有测量内容都可以由用户控制。图5为了解决由于测试手机的固有缺陷而无法解决的网络优化问题，就出现了以测量仪器（一般称为数字接收机）为主，并结合测试手机辅助分析的网络优化系统，即第二代的网络优化工具，安捷伦科技公司推出的HP E7475A是最先推出的第二代便携网络优化工具，见图5。新一代网优工具的主要特点是主要由测量接收机进行复杂的射频测量和分析，特别是全面的网络参数的收集以及干扰信号的测量，并结合测试手机的测量报告进行比较和分析，从而彻底解决了测试手机在射频测量方面的固有缺陷。从GSM网络的发展和优化工作所面临的新问题来看，基于测试手机的第一代网优系统将很快被以测量仪器为主、综合测量仪器

15、和测试手机的第二代网优系统所取代，使GSM网络维护发生质的飞跃。2.2：网络优化关键测试和分析方法根据长期实测的经验，GSM网络中影响服务质量的主要因素有三方面，分别是信号覆盖、干扰和基站及网络参数设置问题，其中前两个因素是纯射频问题，最后一个因素与网络设计和维护中参数调整有关。绝大多数的网络测试和故障分析都是围绕这三个问题进行的。如果能解决好这三个问题，就能基本保证网络服务质量满足要求。2.2.1、信号覆盖问题的测试和分析当基站发射的信号经过无线信道传播到达手机的接收天线时，信号电平需要高于手机接收灵敏度（102dBm）才能保证手机的正常接收，覆盖测试主要是衡量路测中每个采样点的接收信号电平

16、是否高于移动台的接收灵敏度，并且统计高于门限的采样点数目在所有采样点中所占的百分比。1. 覆盖质量要求 接收信号电平门限：室外：100 102dBm室内：85 94dBm（室内比室外衰减增加约815dB） 覆盖要求：室外覆盖比例：95 100室内覆盖比例：60 952. 利用测试手机进行无线覆盖测量以测试手机为测量工具的第一代网络优化测试系统利用手机测量报告中的RxLev值来衡量信号覆盖。下图是在某城市的实测结果：一般用测试手机进行覆盖测量都是在通话状态（专用模式）下，如果网络未采用DTX方式，可以测量RxLev Full或RxLev Sub，如果网络采用DTX方式，则只能测量RxLev Su

17、b。但这种方法存在三个方面的问题：首先是应该在空闲模式还是在专用模式（Dedicated Mode即通话模式）下测量？对于测试手机，如果需要同时统计话音质量和信号覆盖，就必须在专用模式下测量，即主要测量对象为话音信道（TCH）。首先，对某一个小区测量时，在专用模式下所测量的对象常常不固定。在建立通信过程中，手机的工作信道从BCH切换到SDCCH，如果鉴权成功，再从SDCCH切换到TCH，SDCCH一般复用在BCH上，而BCH与TCH往往频点不同。即使，手机已经在TCH上工作，还存在后续切换（Subsequent Handover）的现象，即BTS控制下的站内切换，这样，手机工作的频点也会变化。

18、其次，TCH存在下行链路功率控制，对TCH的测量结果往往与BCH不同，使用不同频点TCH的测量结果也不一样。可见，在专用模式下测量TCH的RxLev一致性和可重复性都不高。在空闲模式下测量信号覆盖只是针对BCH，对同一个小区测量对象不变。更重要的是，信号覆盖主要影响手机的搜网和登记，BCH的覆盖基本代表所在基站的覆盖。因此，使用测试手机进行信号覆盖测量应在空闲模式下进行，但在空闲模式下不能同时作话音质量统计。其次是采样间隔问题。手机的测量报告是通过上行链路SACCH信道发送的。每一个TCH复帧有一帧SACCH，即每120ms一帧，要提供一个完整的测量报告需要四帧SACCH，因此正常的报告间隔为

19、480ms，如果车速为每小时40公里，则采样间隔为5米。但是，手机在空闲模式下使用DRX，仅在指定的寻呼组才工作以节省电池。因此，采样间隔还要根据基站参数中的寻呼分组情况，大致在5秒到10.5秒之间。如果车速为每小时40公里，则采样间隔为55米到116米之间。由于存在多径传播现象，深衰落区常常出现在5米到50米之间，测试手机有可能遗漏。第三是测量精度问题。手机的幅度测量精度较低，典型的在 2dB到 5dB之间，远远低于校准的测量仪器（ 0.5dB），且无法校准。3. 使用数字接收机进行无线覆盖测量使用数字接收机测量信号覆盖可以弥补测试手机的不足。首先，数字接收机可以直接测量小区的BCH，同时，

20、测试手机还可以工作在专用模式下统计话音质量；其次，数字接收机采样速率高，根据同时测量的BCH数量，采样间隔可在30ms到750ms之间；数字接收机测量精度高，可达 0.5dB。4. 使用数字接收机测量信号覆盖的方法一种方式是使用数字接收机中的广播信道分析仪（BCH Analyzer），设置只测量最强的BCH（TOP N功能，N1），另一种方式是使用数字接收机中的同频干扰测量（Co channel Interference Analysis）测量服务小区BCH，同时打开手机测量窗口，将接收机测量与手机测量链接，使接收机所调谐频点跟踪手机工作的BCH的变化，这样就可以得到路测过程中所有基站的信号覆

21、盖数据。如图7所示：图 7在后处理软件中，按照前面的门限要求，计算各段电平在总采样点中所占比例即可得到信号覆盖的统计结果。5. 信号覆盖问题分析测量信号覆盖是验证网络规划和维护网络的重要内容。基站发射功率和由无线环境所引起的多径效应均影响信号覆盖，但发射功率是最主要的因素。按照无线信号自由空间衰耗粗略计算，发射功率相差1dB，覆盖范围相差38。基站发射功率是网络规划设计的基础。根据规划所要求的小区容量确定小区的大小、小区之间距离以及区群的布局，并且实现小区之间的负荷平均分担，这些都依靠精确的基站发射功率才能实现。发射功率的偏差往往造成覆盖不足或覆盖过量。这两种问题都会破坏网络规划，造成服务质量

22、下降。 覆盖不足的影响：覆盖不足的主要原因是基站发射功率未达到设计要求，或由于楼群遮挡。覆盖不足常常引起两种问题。如图所示：图 8一是造成无覆盖区，由于小区A覆盖不足，当移动台处于A和B之间（靠近小区A）时，会发现无法找到可选择的基站，如果是在通话中就会引起掉话。二是造成小区负荷不均，由于小区A覆盖不足，当移动台处于A和B之间（靠近小区B）时，无法按照网络规划设计选择到小区A，而总是选择小区B，如果该区域话务量大，就会加重小区B的负荷。 覆盖过量的影响：覆盖过量的主要原因是基站发射功率超过设计要求，也可能由多径传播引起。覆盖过量会造成网络内的同频干扰问题。如图所示：图 9随着用户数量的增大，网

23、络不断扩容，频率资源重用，区群密度增加，结果同频基站之间距离减小。在GSM规范中，衡量同频干扰强度的指标是载干比C/I，如果低于9dB门限，会严重影响话音质量。网络规划设计基于同频基站之间距离确定基站发射功率，如果发射功率超过要求，就会引起同频干扰。2.2.2、干扰问题的测试和分析1. GSM网络干扰分析的基本概念和分类在GSM网络优化测试中，射频干扰信号的测量和分析是最复杂的，这是因为首先干扰信号与工作信号混和在一起，很难区分。在射频信号分析中，当两个相同频率的信号混和在一起的时候，如果两信号之间没有较强的正交性，要区分这两个信号是比较困难的。GSM信号中虽然用于训练均衡器的26比特训练序列

24、具有较强的正交性，但不包含数据，而用户数据部分没有内在的正交性，要分析这样的信号，须采用复杂的数学算法才能实现。按照GSM规范，手机接收机部分采用均衡器校正信道特性以抵抗多径效应和同频干扰，但无法分离主信号和干扰信号。其次干扰信号来源复杂，难以分析。按照被干扰的信号方向区分，干扰信号可分为上行链路干扰和下行链路干扰。下行链路干扰信号较强，多为系统内部干扰；上行链路干扰信号较弱，多为系统外部干扰。按照干扰信号的来源区分，可分为系统外部干扰和系统内部干扰。系统外部干扰有两种情况。一种是工作在非GSM频段的无线电设备性能下降甚至故障所产生的谐波和交调信号落入GSM频段内造成干扰。另一种情况是未经核准

25、的无线电设备非法占用GSM频段造成干扰。由于外部干扰信号不是由运营者控制的设备产生的，需要通过国家无线电管理机构依法解决。为了在解决问题时提供有力的证据并最终消除干扰，在测量时最关键的问题是判定干扰信号是否GSM信号，最好的分析方法是采用频谱分析仪。因为如果是外部干扰信号，由于不具备GSM信号特征，无法采取数学算法进行分析，而频谱分析方法可以方便地分析射频信号特别是调制信号，可以从信号的幅度、占用带宽、调制方式等特性来判定信号的属性。由于频谱分析是分析未知射频信号的基本方法，以往，网络维护人员在遇到外部干扰时往往需要使用频谱分析仪。但是，频谱分析仪与传统的第一代网优系统相互独立，频谱分析的结果

26、与网优工具的路测数据不能相互关联，无法综合分析；传统频谱分析仪的显示和数据存储也不利于进行后分析。将频谱分析仪内置在数字接收机中，并采用全数字计算的FFT频谱分析，大大缩小了频谱分析仪的体积重量，很好地解决了这个矛盾。系统内部干扰是指网络设备之间的干扰问题，原因一方面是由于规划的不合理，另一方面是由于无线信道传播特性。系统内部干扰主要有三种类型： 同频基站干扰：在GSM系统中，同频基站位于不同的区群（Cluster）内，并且需要相隔足够的距离，以保证同频载干比的要求。但目前大城市网络急剧扩容，造成同频基站距离不断缩小，同频基站相互干扰的可能性加大。由于GSM信号所包含的训练序列具有较好的正交性

27、（自相关函数尖锐），理论上是可以区分的，但是，同频基站之间是通过基站色码BSIC相区别的，每个基站可以用其BCH所固定分配的频点（ARFCN）和基站色码（BSIC）加以识别，因此，要识别同频干扰基站必须获得BSIC。但是，BSIC只是放置于BCH中的SCH信道上，如果干扰信号是BCH信号，就可以利用数学算法分离干扰信号并解出其中的BSIC；如果干扰信号是TCH信号，由于其中不包含BSIC，且突发脉冲中的训练序列（BCC）是在建立链路是临时分配的，因此，虽然可以利用数学算法分离出干扰信号，但没有BSIC也无法识别干扰基站。 邻频基站干扰：在GSM系统内，虽然邻频基站可以位于同一个区群内，但也需要

28、尽量隔开，这是由GSM信号的调制特性决定的。GSM规范定义的信道宽度为200KHz，但GSM信号是一种数字调制信号（0.3GMSK调制，调制速率270.833Kbps），占用的频带宽度一般为300到400KHz之间，远大于定义的信道带宽，因此，如果邻频基站距离很近，就会引起严重的邻频干扰。由于GSM规范定义信号载波幅度与相邻信道信号幅度之比小于9dB为邻频干扰，所以分析邻频干扰需要快速而精确地测量主信号与其两边相邻的两个邻频信号的电平。以往使用第一代网优工具只能采用测试手机的扫描模式进行测量，速度慢而且精度低。采用数字接收机进行邻频信号测量可以提供比测试手机快百倍的测量速度，而且可以同时测量两

29、个信道，即可以同时测量手机所工作的BCH和TCH。 多径效应所引起的码间串扰：较长（大于1比特时间长度）延时信号的多径叠加（又称为时延扩散）对数字时分信号有明显的影响，会造成码间串扰，引起严重的误码。手机的接收机部分采用了时域均衡器来纠正码间串扰。时域均衡器采用横向滤波器结构，通过调整延时抽头的加权来抵消信道的脉冲响应。横向滤波器的比特延时越长，所能纠正的信号延时也越长。虽然GSM规范没有定义均衡器的实现方法，各个厂家所使用的均衡器算法性能不一，但规范定义了对时域均衡器的基本要求，即最小的均衡延时长度为16微秒，相当于5个比特的时间长度。如果延迟信号的时延小于5个比特长，则手机的均衡器应该正确

30、解调；如果延迟信号的时延大于5个比特长，则不同型号手机可能性能有差别，不能保证达到要求的误码率和话音质量。2. 干扰分析的基本步骤由于干扰种类较多，当手机受干扰时，可能是一种干扰起主要作用，也可能多种干扰信号混和在一起，依据干扰信号的性质不同，干扰的测量和分析可以按以下顺序分步进行。第一步：测量同频载干比同频载干比测量反映信道内总干扰信号的强度，按照GSM规范，在非跳频状态下，要求同频载干比高于12dB，在跳频状态下，要求同频载干比高于9dB，否则无法保证所要求的话音质量，因此干扰分析的第一步是收集全网的载干比数据。通常要求载干比小于9dB的采样点应在0到10之间。当测量载干比时，需要同时打开

31、手机测量和数字接收机的干扰测量窗口，保持测试手机处于空闲状态，利用链接编辑器（Link Editor）设置同频干扰测量自动跟踪手机所工作的BCH信道，路测结束后将载干比数据输出到后处理软件，按照上述的门限值设置范围，根据不同范围采样点计数来计算所占比例。下图为测试结果实例：图 10第二步：区分上行链路和下行链路干扰确定主要矛盾是干扰问题后首先应区分上行链路和下行链路干扰，以便在干扰分析仪和频谱分析仪中选择测量的频带，这可以借助于实测中的试验和BTS的上行链路监测报告。在实测中可以拨打固定用户并检查两个方向的差别，另外，BTS报告可以用来监测上行链路的干扰。由于数字接收机是独立于网络的测量仪器，

32、设计频段覆盖上下行链路，因此数字接收机所提供的所有测量功能（包括广播信道分析仪、干扰分析仪、频谱分析仪和连续波场强分析）均可以自由选择测量上行或下行链路。第三步：排除外部干扰由于外部干扰信号不具有GSM信号特征，无法利用数学算法进行分析，因此，如果干扰信号中主要成分是外部干扰信号，或有一部分，则直接进行解码分析会有很大误差，应先排除外部干扰。首先使用HP E7475A内置的频谱分析仪对干扰信号进行测量，对于不连续发射的干扰信号可能需要监测较长的时间，直至记录下干扰信号的全部信息，通过射频调制信号特性分析频谱数据来判定信号性质，如果确认是外部干扰信号，可以申请无线电管理部门对该信号进行定位和追踪。下面两张图是在呼和浩特市内用数字接收机内置频谱分析仪测到的上行链路外部干扰的分析结果。图 11图11显示干扰信号来自上行频段，到达基站接收天线时信号电平为，由于数字接收机具有极好的灵敏度（噪声底达130dBm），所以能够很容易地分辨干扰信号。图12图12是缩小扫宽放大信号的结果，