GSM 网络位置区寻呼容量及其划分的研究1 概述 在移动通信系统中，位置区(LAC)管理是移动台移动性管理的一个重要组成部分本文首先介绍了位置区概念及其功能，通过对寻呼原理和寻呼过程的分析，讨论和研究了 GSM 移动通信网中位置区的容量及其划分问题，并分别对位置区寻呼容量话务容量和位置区划分等几个方面进行了计算和探讨，结合这些数据，以及影响位置区的诸多因素，提出了在位置区容量和划分上的一些观点和看法 1.1 几个概念 a)位置区:在 GSM 系统中，由于寻呼信道容量的限制，对移动台的寻呼消息不可能整网下发，就需要引入一个位置区的概念，在该位置区中包含许多小区，对移动台的寻呼是通过对移动台所在位置区的所有小区的寻呼来实现的 b)位置更新:分为正常位置更新周期性位置更新IMSI 附着位置更新正常位置更新，也即跨位置区的位置更新，是指当移动台发现其存储器内的 LAI 和接收到的小区的 LAI 号不一致时，通知网络来更改它所存储的移动台的位置信息;周期性位置更新，是为了保持移动台和网络之间密切联系，让网络及时掌握移动台状况的位置更新，网络要求移动台每隔一定时间向网络发起周期性位置更新请求，这种位置更新叫周期性位置更新;IMSI 附着位置更新，是指移动台开机时，移动台会向网络发送消息，把自己的开机状态告知网络，网络收到此消息后，根据其 TMSI 或 IMSI 号，将在系统数据库中注明该用户的当前位置等状态信息，并向移动台发送其当前小区的 LAI c)寻呼容量 :是指网络系统正常情况下，一个位置区内，单位时间内能够进行的最大寻呼次数 1.2 问题的产生 移动台的位置更新通过专用控制信道(SDCCH)进行，位置更新次数过多，将使 SDCCH 的负荷加大，浪费系统的信道资源，同时也会增加 MSCHLR 的负荷;另外，移动台进行小区更新需要约 10s 的时间，在此期间不能打出或打进电话 一般情况下，每个移动交换中心(MSC)的控制区可分成若干个位置区从减少位置更新频率节约系统信道资源的角度来说，位置区设置得越大越好但是，如果位置区过大，超过系统的寻呼能力，将会造成系统寻呼信令负荷过高，以至寻呼消息丢失，使寻呼成功率下降，并且低的寻呼成功率使得用户产生二次呼叫，会进一步增加系统寻呼负荷，以至进一步恶化寻呼成功率，严重情况下的恶性循环会导致系统瘫痪所以位置区也不能设得太大因此，在进行网络规划时，必须综合考虑位置区容量信道资源与系统寻呼能力之间的平衡 随着 GSM 网络的不断发展，用户数和话务密度不断增大，每个位置区内的话务量也不断增加，这将会对位置区的设置和管理提出新的要求 2.位置区寻呼容量 2.1 寻呼原理分析 当一个 LAC 下的移动台被寻呼时， MSC 就会通过基站控制器(BSC)向对应 LAC 范围内的所有小区发出寻呼请求目前 GSM 网存在 TMSI 寻呼和 IMSI 寻呼两种寻呼方式 在 GSM 系统中，每个用户都分配了一个惟一的 IMSI，IMSI 写在移动台的 SIM 卡中，长8 字节，用于用户身份识别;TMSI 由 VLR 为来访的移动用户在鉴权成功后临时分配，仅在该VLR 管辖范围内代替 IMSI 在空中接口中临时使用，且与 IMSI 相互对应，长 4 字节因此空中接口的寻呼信道在使用 IMSI 方式寻呼时，寻呼请求消息中只能包含 2 个 IMSI 号码，而使用 TMSI 方式寻呼时，则可以包含 4 个 TMSI 号码因此，使用 IMSI 方式寻呼带来的寻呼负荷会比使用 TMSI 方式寻呼增加一倍 从图 2 可知，当 MSC 从 VLR 中获得移动台当前所处的位置区号 (LAI)后，将向这一位置区内的所有 BSC 发出寻呼消息 BSC 收到寻呼消息后，向该 BSC 下属于此位置区的所有小区发出寻呼命令消息当基站收到寻呼命令后，将在该寻呼组所属的寻呼子信道上发出寻呼请求消息，该消息中携带有被寻呼用户的 IMSI 或者 TMSI 号码 移动台在收到寻呼请求消息后，通过随机接入信道(RACH)请求分配 SDCCHBSC 则在确认基站激活了所需的 SDCCH 信道后，在接入许可信道(AGCH)，通过立即指配命令消息，将该 SDCCH 指配给移动台移动台则使用该 SDCCH 发送寻呼响应(PagingResp)消息给 BSC，BSC 将 PagingResp 消息转发给 MSC，完成一次成功的无线寻呼 一般设置情况下，如果 MSC 在发出 TMSI 寻呼消息后， 46s 内没有收到 PagingResp 消息，则会再发送一次 IMSI 寻呼消息;如果 46s 内仍没有收到 PagingResp 消息，则此次无线寻呼失败，同时，MSC 将向主叫用户发送“ 用户暂时不能接通” 之类的录音通知 2.2 寻呼参数设置 根据 GSM 的规范，公共控制信道(CCCH) 的配置有两种方式: a)CCCH 和 SDCCH 共用，也叫组合 BCCH，每个复帧传送 3 个寻呼组 b)CCCH 和 SDCCH 不共用，也叫非组合 BCCH，每个复帧传送 9 个寻呼组 寻呼组可作为寻呼信道(PCH)用来广播寻呼请求，同时也可作为 AGCH 用来回应手机的接入请求，即分配 SDCCH操作上，可将数个复帧组合在一起，形成一个寻呼周期，增加小区内的寻呼组数量手机会周期性地监听所属的寻呼组，于是当手机作被叫时，会监测到基站发送的寻呼请求，并做出回应 寻呼组设置较多意味着手机在监测到正确的寻呼组之前需要等较长时间，这样会增加寻呼的时间寻呼组设置较少会由于手机较为频繁地接听寻呼组而缩短呼叫建立时长，缺点是手机会很费电一个小区寻呼组的数量可以通过以下 2 个参数来调整 : a)接入许可保留块数(AGB):这个参数定义了每个复帧内 AGCH 专用的寻呼组数量对于CCCH 和 SDCCH 共用的小区，AGB 取值为 02;对于 CCCH 和 SDCCH 不共用的小区，取值为07;若使用小区广播信道(CBCH)，则取值为 17它可以设成 AGB=0，此时表示没有专用的AGCH，所有的寻呼组由 PCH 和 AGCH 共享;若设为 AGB1，则表示保留寻呼组作为 AGCH 专用信道AGB 的取值取决于小区话务量 b)寻呼信道复帧数(MFR):这个参数定义了 BTS 的寻呼周期，即同一寻呼组传送寻呼请求的时间间隔，该参数的大小，直接关系到移动台对寻呼的响应时间如 MFR=9 的意思是每一寻呼组，以每 9 个复帧的周期重复一次，也就是说属于某一特定寻呼组的移动台，必须每9 个复帧监听一次，监听间隔时间大约是 9235ms=2.1s BTS 通过寻呼组广播寻呼请求时，有以下几种可能的配置情况: a)2IMSI; b)1IMSIand2TMSI; c)4TMSI 寻呼容量一般的瓶颈是 PCH 信道容量（在 A 接口信令、 TRH 及 CP 负荷较低情况下），最主要的四个因素是网络模型如语音话务和短信业务集中度（突发性）、寻呼编码方式、信道组合方式、二次寻呼开关设置。以下是其中一个例子，仅供参考。根据网络设置的不同，信道设置包含 mainBCCH 的，属于 CCCH 和 SDCCH 不共用的情况每个复帧(时长为 0.235s)有 9 个寻呼组，在 AGB 值设置为 1 的情况下，这 9 个寻呼组包括1 个 AGCH 和 8 个 PCH，因此，每秒寻呼组数量为 (9-AGB)寻呼组/0.235s=34.04 寻呼组/s。 每复帧寻呼组可以传送 4 个 TMSI 寻呼或 2 个 IMSI 寻呼,1 个 TMSI 寻呼占 1 个寻呼组的1/4， 1 个 IMSI 寻呼占 1 个寻呼组的 1/2网络系统中，若有约 20%的寻呼次数采用 IMSI 寻呼方式，80% 的寻呼次数采用 TMSI 寻呼方式，那么可以计算出:每 100 个寻呼中包括 80 个TMSI 寻呼方式和 20 个 IMSI 寻呼方式，则每 100 个寻呼所需的寻呼组数目为 801/4+201/2=30 所以，每寻呼组的寻呼数为 10030=3.33 可以理解为，每寻呼组可以寻呼到 3.33 个手机 在采用非组合 BCCH 情况下，转化为寻呼次数后，为 34.043.33=113.35(寻呼/s) 则非组合 BCCH 情况下，每秒的最大寻呼为 113.35 次(即 408060 次/h) 在采用组合 BCCH 情况下，若 AGB 值设置为 1，则每秒寻呼组数为 2 寻呼组/0.235s=8.51寻呼组/s采用 TMSI 和 IMSI 寻呼方式 41 情况下，每秒的寻呼次数为 28.34 次/s(即102024 次/h) 从上面的计算可以看出，采用组合 BCCH 时的寻呼能力约是非组合 BCCH 寻呼能力的1/4，因此当网络话务量较高网络配置比较大时，为了保证系统能够提供足够的寻呼能力，应当采用非组合 BCCH 的信道方式，以提高位置区内的寻呼能力 2.3 Abis 接口寻呼容量 由于位置区内的寻呼消息是以广播的形式发出的，也即寻呼消息将由 BSC 发给每一个小区，那么，BSC 和 BTS 之间的 Abis 接口的信令负荷，也将关系到位置区的寻呼容量 为了安全起见，LAPD 链路的信令负荷要控制在 50%以下，高于 60%时将会存在较大的风险寻呼消息(包括帧校验序列 FCS 和标头 flags)字长为 21 个字节，一般情况下 LAPD 链路信令负荷中 60%为寻呼消息，那么，当 LAPD 信令为 16kbit/s 的链路时，每秒可传送的寻呼消息数为 50%1600060%/8/21=28.57 次/s BSC 每小时可以传送的寻呼消息为 28.573600102852 次/h 以河南移动 GSM 网络为例，在采用的诺基亚设备中，当 Abis 接口的 LAPD 链路为16kbit/s 时，厂家给出的标称寻呼容量为 29 次/s当采用 32kbit/s 的 LAPD 信令链路时，BSC每小时可以传送的寻呼容量大约为 50%3200060%/8/21=205704 次/h 2004 年上半年开始，河南移动由于资费的优惠调整，使得 2004 年 9 月 28 日相比 2003年 9 月 28 话务量增长了一倍，尤其郑州业务区，由于各 BSC 话务量基数已经比较大，增长后就达到了更高的量值如 2004 年 9 月 28 日市区的 BSC30 峰值话务量达到1891。85Erl，忙时短信量也达 5 万多条，忙时寻呼次数达到近 20 万次，BSC 和 BTS 之间的16kbit/sLAPD 信令链路已超负荷运转，造成寻呼成功率下降，已不能够满足话务增长需求为了解决 Abis 接口寻呼容量的瓶颈，2004 年国庆节以后，河南移动率先在郑州业务区分批次将全区 LAPD 信令链路从 16kbit/s 升级到 32kbit/s，给以后话务增长和系统扩容提供了一定的保障 2.4 每位置区允许的话务量 设置位置区话务容量时，一个重要原则就是位置区的大小不能超过其所能承担的最大寻呼容量对此，先讨论一下一个位置区内寻呼容量和话务量的关系 假设一个话务模型的平均通话时间为 60s，短消息引起的寻呼比例为 40%(河南移动郑州业务区统计数据)，Abis 接口 LAPD 链路按照 16kbit/s 考虑，则寻呼容量为 102852 次/h 假设移动台第一次寻呼时响应的比例为 70%，第二次寻呼时响应的比例为 30%，其他情况可忽略不计(此数据一般是在 Abis 口寻呼受限时的情况下，在 Abis 口寻呼容量没有瓶颈时，寻呼尝试次数往往会设置到 56 次，一次成功呼叫所需的平均呼叫次数可达 23 次)，则每小时产生的被叫话务量为 10285260%/(1+30%)/60=791.17(Erl) 若假定主被叫比例为 11(目前河南移动全网主被叫比例约为