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毕业设计GPRS网络分析
摘要
近年来我国移动通信事业高速发展,目前中国移动等移动运营商已建成覆盖全国31个省市的世界上规模最大、用户数量最多GSM蜂窝移动通信网络。
同时中国移动在全国138个城市正式开通了建立在GSM网络之上的GPRS网络,为用户提供分组数据业务服务。
GPRS无线网络初期的用户量小、业务少、网络规模小等特点,已经转换为用户群庞大、业务种类繁多、网络规模超大等特征。
GPRS无线网络的维护、优化任务的重要性日益突显。
本文主要介绍日常GPRS无线网络维护、优化的主要工作内容,同时结合GPRS无线网络测试中发现的问题进行优化分析,即时调整网络参数,提升GPRS无线网络的性能指标。
关键词:
GPRS、无线网络带宽、GPRS网络优化、网络覆盖。
Abstract
InrecentyearsChina'srapiddevelopmentofmobiletelecommunicationsindustry,ChinaMobileandothermobileoperatorshavebeencompletedandcoversChina's31provincesandcitiesoftheworld'slargestandthelargestnumberofusersGSMcellularmobilecommunicationsnetwork.Atthesametime,ChinaMobileofthe138citiesintheformalopeningoftheestablishmentoftheGSMnetworkontheGPRSnetwork,toprovideuserswithdataservicesdivision.
GPRSwirelessnetworkintheearlyusersofsmall,smallbusiness,small-scalenetworks,andothercharacteristics,hasbeenconvertedintoahugeuserbase,businesswiderangeoffeaturessuchaslarge-scalenetwork.GPRSwirelessnetworkmaintenance,andoptimizetheincreasinglyhighlightedtheimportanceofthetask.Inthispaper,thedailyGPRSwirelessnetworkmaintenance,andoptimizethemajorwork,combinedwithGPRSwirelessnetworktesttheproblemsidentifiedintheoptimizationanalysis,instantadjustmentofnetworkparameterstoenhanceGPRSwirelessnetworkperformanceindicators.
Keyword:
GPRS,GPRSnetworkoptimize,Wirelessnetworkbandwidth,NetworkCoverage
引言
移动通信所赖依生存的无线电频率是一种宝贵的资源,频谱资源是有限的,随着移动通信的飞速发展,移动用户则急剧增加,有限的资源被“无限”的利用,矛盾越来越尖锐。
解决这一对矛盾的过程就是移动通信技术的发展史,也就是说移动通信技术的发展过程就是不断采用频谱利用率更高、业务能力更强的技术的过程。
目前在无线环境中,Internet网应用性能很差,是由于带宽使用效率低、连接设置时间较长和无线链路容量低等原因所致。
因此,GPRS的标准化工作主要是改进上述这些缺点,其具体改进的是:
减少连接建立时间、支持X.25和IP协议、提供资源的优化使用。
中国移动GPRS网络以其独有的特点受到广大用户的关注,越来越多的GSM用户开始尝试使用无线数据业务。
但是由于GPRS技术在数据传输速率方面的劣势,需要每一位负责GPRS维护、优化工程师辛勤工作,将GPRS网络维护好,尽可能满足用户的需求,积极为我国的3G做准备,培养宽带无线数据业务市场。
本文主要介绍GPRS无线网络日常维护与优化的工作内容,并通过DT/CQT测试进一步优化GPRS网络。
第一章:
GPRS的概述
1.1GPRS的概念
GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)的简称,是作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术,是由英国BTCellnet公司早在1993年提出的,是GSMPhase2+(1997年)规范实现的内容之一,是一种基于GSM的移动分组数据业务,面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。
其数据速率是现有GSM的十倍以上,巨大的吞吐量改变了单一面向文本的无线应用,使得包括图片、话音和视频的多媒体业务得以实现。
目前在无线环境中,Internet网应用性能很差,是由于带宽使用效率低、连接设置时间较长和无线链路容量低等原因所致。
因此,GPRS的标准化工作主要是改进上述这些缺点,其具体改进的是:
减少连接建立时间、支持X.25和IP协议、提供资源的优化使用。
GPRS在现有的GSM网络基础上叠加的一个新的网络,同时在网络设备上增加一些硬件设备,并对原软件升级,形成了一个新的网络逻辑实体。
能给用户提供端到端的、广域的无线IP连接。
通俗地讲,GPRS是一项无线高速数据传输技术,它以分组交换技术为基础,用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务,包括收发E-mail、进行Internet浏览、即时聊天等。
1.2构成GPRS系统的方法
(1)在GSM系统中引入3个主要组件
A.GPRS服务支持结点(SGSN,ServingGPRSSupportingNode)
B.GPRS网关支持结点(GGSN,GatewayGPRSSupportNode)
C.分组控制单元(PCU)
(2)对GSM的相关部件进行软件升级
GPRS系统原理如图1.1所示图。
图1.1GPRS系统原理图
ETSI指定了GSM900、1800和1900三个工作频段用于GSM,其中GSM900频段还有G1(E-GSM)频段和P频段。
相应地,GPRS也工作于这三个频段,包括GSM900的G1频段和P频段,当然,GPRS可以限制每个小区只工作于P频段。
现有的GSM移动台(MS),不能直接在GPRS中使用,需要按GPRS标准进行改造(包括硬件和软件)才可以用于GPRS系统。
GPRS定义了3类MS:
A类可同时工作于GPRS和GSM;
B类可在GPRS和GSM之间自动切换工作;
C类可在GPRS和GSM之间人工切换工作。
GPRS被认为是2G向3G演进的重要一步,不仅被GSM支持,同时也被北美的IS-136支持。
1.3GPRS的主要特点
1.GPRS采用分组交换技术,高效传输高速或低速数据和信令,优化了对网络资源和无线资源的利用。
2.定义了新的GPRS无线信道,且分配方式十分灵活:
每个TDMA帧可分配1到8个无线接口时隙。
时隙能为活动用户所共享,且向上链路和向下链路的分配是独立的。
3.支持中、高速率数据传输,可提供9.05---171.2kbit/s的数据传输速率(每用户)。
GPRS采用了与GSM不同的信道编码方案,定义了CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种编码方案。
4.GPRS网络接入速度快,提供了与现有数据网的无缝连接。
5.GPRS支持基于标准数据通信协议的应用,可以和IP网、X.25网互联互通。
支持特定的点到点和点到多点服务,以实现一些特殊应用如远程信息处理。
GPRS也允许短消息业务(SMS)经GPRS无线信道传输。
6.GPRS的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输,又能支持偶尔的大量数据的传输。
它支持四种不同的QoS级别。
GPRS能在0.5---1秒之内恢复数据的重新传输。
GPRS的计费一般以数据传输量为依据。
7.在GSMPLMN中,GPRS引入两个新的网络节点:
一个是GPRS服务支持节点(SGSN),它和MSC在同一等级水平,并跟踪单个MS的存储单元,实现安全功能和接入控制。
节点SGSN通过帧中继连接到基站系统。
另一个是GPRS网关支持节点GGSN,GGSN支持与外部分组交换网的互通,并经由基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通。
8.GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样。
身份认证和加密功能由SGSN来执行。
其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前GSM中的一样,不过GPRS使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。
GPRS移动设备(ME)可通过SIM访问GPRS业务,不管这个SIM是否具备GPRS功能。
9.蜂窝选择可由一个MS自动进行,或者基站系统指示MS选择某一特定的蜂窝。
MS在重选择另一个蜂窝或蜂窝组(即一个路由区)时会通知网络。
10.为了访问GPRS业务,MS会首先执行GPRS接入过程,以将它的存在告知网络。
在MS和SGSN之间建立一个逻辑链路,使得MS可进行如下操作:
接收基于GPRS的的SMS服务、经由SGSN的寻呼、GPRS数据到来通知。
11.为了收发GPRS数据,MS会激活它所想用的分组数据地址。
这个操作使MS可被相应的GGGSN所识别,从而能开始与外部数据网络的互通。
12.用户数据在MS和外部数据网络之间透明地传输,它使用的方法是封装和隧道技术:
数据包用特定的GPRS协议信息打包并在MS和GGSN之间传输。
这种透明的传输方法缩减了GPRSPLMN对外部数据协议解释的需求,而且易于在将来引入新的互通协议。
用户数据能够压缩,并有重传协议保护,因此数据传输高效且可靠。
13.GPRS可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级(QoS)的计费功能,计费方式更加合理,用户使用更加方便。
14.GPRS的核心网络层采用IP技术,底层款可使用多种传输技术,很方便地实现与高速发展的IP网无缝连接。
1.4GPRS的应用
GPRS是在现有GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输业务,在有GPRS承载业务支持的标准化网络协议的基础上,GPRS可以提供以下一系列交互式业务:
(1)点对点无连接型网络业务(PTP-CLNS)。
该业务中的各个数据分组彼此互相独立,用户之间的信息传输不需要端到端的呼叫建立程序,分组的传送没有逻辑连接,分组的交付没有确认保护,是由IP协议支持的业务。
(2)点对点面向连接的数据业务(PTP-CONS)。
该业务是为两个用户或者多个用户之间发送多分组的业务,该业务要求有建立连接、数据传送以及连接释放等工作程序。
(3)点对多点业务(PTM)。
该业务可以根据某个业务请求者的要求,把单一信息传送给多个用户。
该业务又可以分为点对多点多信道广播业务、点对多点群呼业务和IP多点传播业务。
(4)还能支持用户终端业务、补充业务、GSM短消息业务和各种GPRS电信业务。
总之,GPRS可提供Internet、多媒体、电子商务,无线监控等业务,可应用于运输业、金融、证券、商业和公共安全业,支持股市动态、天气预报、交通信息等实时发布业务。
另外,还能提供种类繁多、功能强大的以GPRS承载业务为基础的网络应用业务和基于WAP的各种应用。
1.5GPRS的发展动向
GPRS是GSM向3G迈进的一个重要步骤,根据ETSI对GPRS发展的建议,GPRS从试验到投入商用后,分为两个发展阶段,第一阶段可以向用户提供电子邮件、因特网浏览等数据业务;第二阶段是EDGE的GPRS,简称E-GPRS。
从移动通信市场的走势来看,国外移动通信运营商已开始涉及多媒体服务的领域,使用户可以用手机在股票市场上进行交易,办理银行转账业务等。
目前全世界已有近百个运营商开通了GPRS商用系统、试商用系统或实验系统。
较为著名的有英国的BTCellNET、德国的T-Mobile等地的运营商。
2000年12月21日,中国移动通信集团公司在京宣布:
正式启动称为"移动梦网"的GPRS网络建设。
2001年6月,中国移动GPRS一期工程已完成,2001年10月正式投入商用。
第二章:
GPRS网络结构
2.1GPRS网络总体结构
GPRS网络是在现有GSM网络中增加GGSN和SGSN来实现的,使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。
其系统结构如图2-1所示。
图2-1GPRS系统结构
图中,笔记本电脑通过串行或无线方式连接到GPRS蜂窝电话上;GPRS蜂窝电话与GSM基站通信,但与电路交换式数据呼叫不同,GPRS分组是从基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN),而不是通过移动交换中心(MSC)连接到语音网络上。
SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信;GGSN对分组数据进行相应的处理,再发送到目的网络,如因特网或X.25网络。
来自因特网标识有移动台地址的IP包,由GGSN接收,再转发到SGSN,继而传送到移动台上。
SGSN是GSM网络结构中的一个节点,它与MSC处于网络体系的同一层。
SGSN通过帧中继与BTS相连,是GSM网络结构与移动台之间的接口。
SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息,并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。
GGSN通过基于IP协议的GPRS骨干网连接到SGSN,是连接GSM网络和外部分组交换网(如因特网和局域网)的网关。
GGSN主要是起网关作用,也有将GGSN称为GPRS路由器。
GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换,从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。
SGSN和GGSN利用GPRS隧道协议(GTP)对IP或X.25分组进行封装,实现二者之间的数据传输。
图2-2给出了GPRS网络结构的接入与参考点的简图。
图2-2GPRS总体结构及接入接口和参考点
GGSN到外部分组网络是通过Gi参考点连通的,而其他GPRS网络是通过Gp接口连通的。
另外,从MS端到GPRS网络有两个接入点,Um接口用于无线通信接入而R参考点用于信息的产生或接收。
移动终端MT(例如手机)通过Um接口接入GPRSPLMN,R则是MT和TE(如笔记本电脑)之间的参考点。
这里的MS由TE和MT两部分组成,它们通过R参考点组成一个整体,另外,MS也可单独由一个移动终端(MT)组成。
对于一个支持GPRS的公共陆地移动网络(PLMN),当它运行GPRS业务时可能涉及到任何其他网络,这时就产生了网络互通的需求。
GPRS网络通过Gi参考点和Gp接口实现同其他网络的互通。
对于具有GPRS业务功能的移动终端,它本身具有GSM和GPRS业务运营商提供的地址,这样,分组公共数据网的终端利用数据网识别码即可向GPRS终端直接发送数据。
另外GPRS支持与基于IP的网络互通,当在TCP连接中使用数据报时,GPRS提供TCP/IP报头的压缩功能。
由于GPRS是GSM系统中提供分组业务的一种方式,所以它能广泛应用于IP域。
其移动终端通过GSM网络提供的寻址方案和运营商的具体网间互通协议实现全球网间通信。
2.2GPRS逻辑体系结构
从逻辑上来说,GPRS通过在GSM网络结构中增添SGSN和GGSN两个新的网络节点来实现。
由于增加了这两个网络节点,需要命名新的接口。
图2-3说明了GPRS逻辑体系结构。
表2-1给出了GPRS体系结构中的接口及参考点。
图2-3GPRS逻辑体系结构一览
表2-1GPRS体系结构中的接口及参考点
接口或参考点
说明
R
非ISDN终端与移动终端之间的参考点
Gb
SGSN与BSS之间的接口
Gc
GGSN与HLR之间的接口
Gd
SMS-GMSC之间的接口,SMS-IWMSC与SGSN之间的接口
Gi
GPRS与外部分组数据之间的参考点
Gn
同一GSM网络中两个GSN之间的接口
Gp
不同GSM网络中两个GSN之间的接口
Gr
SGSN与HLR之间的接口
Gs
SGSN与MSC/VLR之间的接口
Gf
SGSN与EIR之间的接口
Um
MS与GPRS固定网部分之间的无线接口
除了这些接口和参考点之外,GPRS还新增加了分组控制单元(PCU,PacketControlUnit)和Gb接口单元(GBIU,GbInterfaceUnit)。
其中PCU使BSS提供数据功能、控制无线接口、使多个用户使用相同的无线资源。
GBIU提供从BSS到SGSN的标准接口。
可以和PCU合并在同一个物理实体中。
由于GPRS在GSM网络中引入了两个GPRS支持节点和新的接口及单元,会对GSM网络设备产生以下的影响:
1.HLR现有软件需更新,以支持Gc、Gr接口;
2.MSC现有软件需更新,以支持Gs接口;
3.在BSC中引入PCU,并且软件需要升级;
4.BTS配合BCF进行相应的软件升级。
2.3GPRS网络主要实体
GPRS网络主要实体包括GPRS支持节点、GPRS骨干网、本地位置寄存器HLR、短消息业务网关移动交换中心(SMS-GMSC)和短消息业务互通移动交换中心(SMS-IWMSC)、移动台、移动交换中心(MSC)/拜访位置寄存器(VLR)、分组数据网络(PDN)等。
2.3.1 GPRS支持节点(GSN)
GPRS的支持节点GSN是GPRS网络中最重要的网络节点,包含了支持GPRS所需的功能。
GSN具有移动路由管理功能,可以连接各种类型的数据网络,并可以连到GPRS寄存器。
GSN可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。
GSN是一种类似于路由器的独立设备,也与GSM中的MSC集成在一起。
在一个GSM网络中允许存在多个GSN。
GSN有两种类型:
SGSN和GGSN。
SGSN是为移动终端(MS)提供业务的节点(即Gb接口由SGSN支持)。
在激活GPRS业务时,SGSN建立起一个移动性管理环境,包含关于这个移动终端(MS)的移动性和安全性方面的信息。
SGSN的主要作用就是记录移动台的当前位置信息,并且在移动台和SGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。
GGSN通过配置一个PDP地址被分组数据网接入。
它存储属于这个节点的GPRS业务用户的路由信息,并根据该信息将PDU利用隧道技术发送到MS的当前的业务接入点,即SGSN。
GGSN可以经Gc接口从HLR查询该移动用户当前的地址信息。
GGSN主要是起网关作用,它可以和多种不同的数据网络连接,如ISDN和LAN等。
另外,GGSN也又被称作GPRS路由器。
GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换,从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。
SGSN与GGSN的功能既可以由一个物理节点全部实现,也可以在不同的物理节点上分别实现。
它们都应有IP路由功能,并能与IP路由器相连。
当SGSN与GGSN位于不同的PLMN时,通过Gp接口互联。
SGSN可以通过任意Gs接口向MSC/VLR发送定位信息,并可以经Gs接口接收来自MSC/VLR的寻呼请求。
2.3.2GPRS骨干网
GPRS中有内部PLMN骨干网和外部PLMN骨干网两种。
内部门PLMN骨干网是指位于同一个PLMN上的并与多个GSN互联的IP网。
外部PLMN骨干网是指位于不同的PLMN上的并与GSN和内部PLMN骨干网互联的IP网,如图2-4所示。
图2-4内部PLMN骨干网和外部PLMN骨干网
每一个内部PLMN骨干网都是一个IP专网,且仅用于传送GPRS数据和GPRS信令。
IP专网是采用一定访问控制机制以达到所需安全级别的IP网。
两个内部PIMN骨干网是使用边界网关(BG,BorderGateways)和一个外部PLMN骨干网并经Gp接口相连的,外部PLMN骨干网的选择取决于包含有BG安全功能的漫游协定,BG不在GPRS的规范之列。
外部PLMN可以是一个分组数据网。
在同一个PLMN骨干网内,骨干网是图2-5中虚线方框内的部分。
在GPRS骨干网内部,各GSN实体之间通过Gn接口相连,它们之间的信令和数据传输都是在同一传输平台中进行的,所利用的传输平台可以在ATM、以太网、DDN、ISDN、帧中继等现有传输网中选择。
第三章:
GPRS网络的规划
GPRS网络规划的一般流程如下图所示,其最终结果是输出满足语音和GPRS业务的BTS和TRX的数量。
规划过程可以分成两大部分:
覆盖规划和容量规划。
下面仅探讨其中的覆盖规划部分。
3.1GPRS覆盖规划
覆盖规划步骤:
1)计算出语音和GPRS业务(某一编码速率)在一定的假设条件下的最大允许路径损耗(即链路预算);2)根据最大允许路径损耗分别计算出语音和GPRS业务的小区覆盖面积;3)选择其中最小的面积累计基站覆盖面积,以同时满足语音和GPRS业务的覆盖要求。
覆盖规划时的无线环境、传播模型等假设均与语音业务相同。
下图为GPRS网络规划的流程图:
3.1.1覆盖目标
根据对覆盖的要求:
1)BLER(10%)
2)CS1的覆盖和话音面积一样
3)CS2的覆盖是话音面积的80%
暂时没有对CS3、CS4速率下的覆盖提出要求。
3.1.2链路预算
假设某商用基站的灵敏度如下表:
表1.基站灵敏度
注:
1、数值单位为dBm;
2、仿真噪声底为-115dBm/200KHz;
3、“*”表示对应的信道环境下,信道编码速率不能满足要求。
实际计算语音和GPRS数据业务的覆盖范围时,应根据实际基站在各种环境下的接收灵敏度分别计算上下行语音/GPRS数据业务允许的最大路径损耗,然后根据相应的传播模型计算出每个小区的覆盖范围和覆盖面积,最后计算出满足覆盖所需要的最少基站数量。
3.1.3覆盖半径计算
计算覆盖时需要选择合适的传播模型,对于市区环境,以往通常选择Okumura-Hata或COST231-Hata模型,但这两个模型在小于1km范围内预测误差较大,当天线高度低于周围建筑物高度时误差更大。
如果进行模型校正也受地图精度的影响,难以获得良好的预测精度。
而COST231-Walfish-Ikegami模型则适用于1km以内的预测,并且考虑了建筑物的影响,因此对于目前基站间距较小的网络采用该模型来进行覆盖预测更加合适。
假设市区环境,采用COST231-Walfish-Ikegami模型,中心频率为925MHz,街道宽度25m,建筑物高度25m,建筑物间距50m,基站天线高度30m,手机高度1.5米,入射角35度,则传播损耗简化为:
Ploss=130.81+38log(d)
在上述假设条件下,各种业务下的覆盖范围如下表(建筑物穿透损耗按18dB计):
表4.市区GPRS覆盖半径
不同数据速率下相对语音业务的覆盖半径之比如下表:
表5.相对覆盖半径之比
综上所述,在CS1编码方式下GPRS覆盖范围与GSM语音业务基本相当;在CS2编码方式下,其覆盖范围约为GSM语音业务的86%左右,满足要求。
而CS4编码方式下的覆盖范围只有GSM语音业务的44%。
3.1.4结论
在CS1/CS2
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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