小灵通无线网络优化

小灵通无线网络优化封面

版权说明

本书为作者精校开源版，版权归作者所有。

作者允许读者在注明来源后引用内容，并通知作者。

前 言

随着小灵通无线网络不断地投入使用，小灵通业务在祖国的大江南北得到了广泛普及，小灵通用户也越来越多。小灵通系统的运营商和设备厂商渐渐发现，他们的任务已经从系统建设转到了如何利用小灵通系统更好地满足用户的需求，提供让用户满意的服务上来。

在小灵通系统中，无线网络承担着业务覆盖的重任，无线网络的覆盖质量与用户的使用效果息息相关，加上无线网络设备众多，运行环境复杂，无线网络的建设和维护自然成为运营商关注的焦点。在这种情形下，小灵通无线网络的规划和优化越来越体现出其的重要性，如何进行小灵通无线网络的规划和优化已经成为实践中迫切需要解答的课题。要想作好无线网络的优化工作，从事小灵通系统相关工作的人员迫切需要从理论和实践两方面得到指导。

本书针对以上课题，包含两部分的内容。前一部分介绍了小灵通无线网络的基本原理，后一部分讨论了小灵通无线网络的优化。

本书的第一章概括性地介绍了小灵通系统结构和特点，第二章详细介绍了PHS空中接口的基础知识，第三、四和五章深入介绍了PHS空中接口的结构、机制和流程。

在理论知识的基础上，第六章对无线设备RP、RPC、CS、CSC的结构和功能做了详细介绍，第七章介绍了小灵通无线网络规划的主要内容，第八章介绍了小灵通无线网络的优化流程、主要性能指标和优化方法，并列举了无线网络优化的典型案例，供读者参考。

通过以上内容的安排，相信读者可以从理论到实践两方面对小灵通无线网络的优化工作有深入的了解。

在本书写作过程中，孙宇彤负责主编本书并统稿全书，叶远藩和周智承担了本书的第六章到第八章和附录初稿的编写，并审阅了全书。

Dr. Mike Mandell、许威、蒋亮、马志强、许自强、田应持、Ben Bong、Paul Hui以及许钢为本书的编写提供了资料和宝贵意见，在此一并表示感谢。

读者有任何问题，可以与笔者联系（Email:phsbook@tom.com），也可以访问以下网站：http://rfbook.yeah.net。

孙宇彤

于2003年暮春

第一章  小灵通系统概述

1.1 小灵通系统

1.1.1 移动通信

一提到通信，人们的第一反应就是电话。的确，利用电话这种即时的通信工具，两个人无论相隔千山万水，都可以相互交流。电话不仅将一个地区、一个国家的人民联系在一起，而且还将地球上各个国家和地区的人民联系在一起，地球名副其实地成为了地球村。

自从1876年贝尔发明电话以来，电话的主要功能就是传递语音。传统的电话满足了人们远距离交流的需要，却满足不了人们的另外一种渴望——随时随地、自由自在地交流。一直以来，人们都期望摆脱电话线的束缚，实现无处不在地沟通。

这个愿望直到100年后移动通信系统的出现才得以实现。移动通信系统中的手机（下文中又称手持终端或用户终端）可以帮助人们摆脱电话线束缚，因为手机是利用无线电波来传递信息的，不需要累赘的线路。用户可以行动自如，甚至到另外一个城市或国家使用，大大拓展了活动空间。

为了让手机终端能自由地活动，在移动通信系统中利用基站这种设备专门负责与手机终端打交道。基站相当于通信网络的用户接入部分，终端通过基站与移动通信网络相连。基站与终端之间没有线路，而是利用无线电波来完成信息的交流，基站和终端之间的接口即空中接口。每个基站都有其业务覆盖范围，为了保证充分的业务覆盖，移动通信系统中往往需要安装很多基站。

1979年美国开通了模拟移动通信系统，开创了移动通信的先河。模拟移动通信系统是第一代的移动通信技术，简称1G。模拟移动通信系统基本实现了移动用户之间的通信，具有划时代的意义。但模拟移动通信系统在功能上有明显的缺点，比如安全保密性差、系统容量小、终端功能弱等等。

于是人们开始研究下一代的移动通信系统——数字移动通信系统。欧洲行动最为迅速，在20世纪90年代初完成了GSM的标准，并成功实施，从此，移动通信进入了第二代，简称2G。同属于第二代移动通信系统还有由日本发展的PHS和美国发展的窄带CDMA （空中接口IS-95A，以下CDMA不加说明，都指IS-95A）等移动通信系统。GSM、PHS和窄带CDMA系统互不兼容，因此彼此的终端不能在对方系统中使用。

第二代移动通信系统是非常成功的通信系统，比较完美地解决了移动中的语音通信。除了语音通信外，第二代移动通信系统还提供了一些数据业务，如短消息和WAP等业务。2G是目前主流的移动通信技术，带动了移动通信的普及。

第二代移动通信系统的手持终端也有了极大的进步，从“大哥大”的笨重发展到了如今手机的小巧轻便，至于录音、电话号码簿、游戏和短消息等附加功能就更不在话下了。目前，大屏幕、彩色、PDA已经成为新一代手持终端的理想配置，而利用手持终端购物也许会引发下一个应用热潮。

从图1.1中可以看出，全球移动通信用户一直呈现快速的增长， 2002年用户数已经突破10亿大关，在不少国家移动通信用户数目甚至超过了固定电话用户的数目。中国也不例外，移动通信用户数量从2001年5月的8240万增至2002年底的2亿户以上。中国已经成为世界移动通信用户数量最多的国家。

21世纪人们对移动通信的期待更高，宽带化成为移动通信系统发展的下一个方向，这就是第三代移动通信系统，简称3G。目前3G还在试验阶段，离大规模的商用还有一段时间，其市场价值还需要验证。3G已经发展出五大流派，其中WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大流派采用了CDMA技术，是3G的主流；SC-TDMA和MC-TDMA采用了TDMA技术，与中国没有什么关系。

 


图1.1   全球移动通信用户数量示意图

现有的第二代移动通信系统都会发展到第三代移动通信系统：GSM未来将发展为WCDMA，窄带CDMA未来将发展为CDMA2000。在系统演化的过程中，会经历一些中间阶段，即所谓的 2.5G。例如，GPRS就是GSM的2.5G系统。

本来人们开发3G还有一大期望，就是统一目前不兼容的第二代移动通信系统，从而实现全球漫游的愿望。但是从目前的发展情况看，WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA还是互不兼容，统一移动通信系统的理想只能留给未来的4G来实现了。

1.1.2 小灵通

中国移动通信起步较晚，但发展非常迅猛。前面已经提到，目前中国已经成为世界移动通信用户数量最多的国家。在中国移动通信市场中，GSM无疑是龙头老大，但一匹黑马也悄然出现，这就是小灵通。

小灵通，学名为无线市话，是由UTStarcom公司的无线接入产品PAS率先在国内引入的。由于小灵通朗朗上口，因此小灵通很快成为了无线接入产品的代名词。小灵通自从1998年在浙江余杭首先开通以来，虽然由于种种原因，发展不是特别顺利，但其强大的生命力还是令人刮目相看，根据统计，2002年底全国的小灵通用户已经突破了1000万大关，预计2003年小灵通用户还能翻一番；开通小灵通的城市已经超过了300余座，大江南北，处处可见小灵通。此外，小灵通在台北和越南的河内和胡志明市也落地生根，提供了相应的业务。

小灵通的强大生命力来源于其对用户需求的把握和对运营商业务拓展的匹配上。在国内，大部分用户是在城市内部移动，他们需要一种能提供城市内部移动的通信方式，而不太在意是否能够在不同城市之间漫游使用。对这些用户而言，通信的成本也是一个关键因素。

小灵通正好满足了这些用户的需要：由于是无线市话，因此小灵通首先是一种移动通信业务，可以为用户带来使用的方便；其次小灵通是市话，主要考虑的是城市内部的移动使用，因此收费向市话看齐，对大部分用户来说，买得起用得起。当然，小灵通系统能提供高质量的无线数据通信业务也是一个重要因素。

目前小灵通不但能提供传统的语音业务，还可以提供很多增值业务。其中最常见的是数据业务，利用小灵通终端可以提供14.4k、32k或64kbps的数据通信速率，超过了GSM，与GPRS相比也毫不逊色。此外，小灵通的增值业务还包括短消息、丢话通知、C-mode等等。

对运营商来说，目前在城市内传统的语音业务已经接近饱和，新的用户主要来源于移动用户。小灵通是无线接入系统，系统安装方便，建设周期短；成本低（目前每用户平均成本已经低于有线用户了）、收效快，能为系统投资者带来巨大的经济收益。加上能提供与其他移动通信方式类似的业务，因此，小灵通系统在国内得到了广泛的应用。

1.1.3 PHS

小灵通系统与PHS系统有密切的关系，小灵通的空中接口使用了PHS的空中接口。PHS是个人便携电话系统（Personal Handy phone System）的缩写，是由日本发展的一种移动通信系统，与目前广为使用的GSM、窄带CDMA等移动通信系统同属于第二代移动通信系统。

PHS来源于数字无绳电话系统，因此终端发射功率很小，终端小巧、轻便、环保。基站覆盖半径小，用户可在慢速移动中使用。PHS系统的设计哲学是尽量使用成熟的技术，系统接口基本上采用了已经标准化的ISDN和IN（智能网）接口，与GSM系统形成了鲜明的对比。这样，PHS系统部署起来相对简单得多。

 


图1.2   PHS系统的结构

图1.2是PHS系统结构图，图中PS定义为用户终端（Personal Station），以下简称为终端，相当于手机；CS(Cell Station) 是PHS系统基站； RS（Relay Station）是PHS系统中继站。PHS交换中心具有呼叫、交换、切换等功能；业务控制点具有位置登记、鉴权等功能。

PHS系统可以与PSTN、ISDN等其他通信网络相连，PHS系统定义了如表1.1的4种标准化的接口：

表1.1   PHS系统接口一览表

名称位置特点
接口1PS 与 CS之间空中接口
接口2CS 与PHS交换中心之间ISDN协议
接口3PHS交换中心与其他网络之间ISUP协议
接口4业务控制点与其他网络之间INAP协议

与PHS空中接口相关的主要设备有CS（基站）和PS（终端）。PHS空中接口的规范称为RCR STD-28标准。该标准经历了三个版本发展的过程，以版本2（V2）及版本3（V3）比较常见。

PHS空中接口支持如下业务：

RCR STD-28标准面向以下两大应用：

两大应用之间的主要区别是使用的频段和频点数目不同，公用系统频点相对较多，频段相对较宽，如表1.2：

表1.2   公用系统和私用系统区别一览表

版本应用频段频点
 V2公用1895 MHz~1918.1 MHz77
私用1895 MHz~1906.1 MHz37
 V3公用1893.5 MHz~1919.6 MHz87
私用1893.5 MHz~1906.1 MHz42

注意：

本书以下有关PHS空中接口的内容以RCR STD-28 V3.2为蓝本，如版本间有不同，将会特别注明。而且本书内容如不做特殊注明，PHS系统指的都是公用系统。

1.1.4 PHS的发展

在3G成为下一代移动通信系统主角的背景下，PHS的发展也没有止步。根据日本下一代PHS研究工作组的报告，下一代PHS的目标与3G类似，也是一个提供个人无线多媒体服务的信息系统，同样是与IP技术相结合，数据通信速率要在384kbps以上。

为此，下一代PHS空中接口的参数将做如表 1.3调整。

表1.3  下一代PHS空中接口主要参数表

项目下一代 PHS目前 PHS
调制方式BPSK ，π／4 QPSK，QPSK ， 8PSK， 12QA M，16QA M，24QA M，32QA M （自适应选择调制方式 ）π／4 QPSK
项目下一代 PHS目前 PHS
频点宽度288kHz ，884kHz288kHz
roll off系数0.38 ，0.50.5
时隙构成时隙构成的高效化-
数据包通信引入纠错编码-
最多捆绑时隙数42
空分多址引入空分多址-

目前PHS的最高数据通信速度为64 kbps，这是靠捆绑2个信道实现的，下一代PHS的最高数据通信速度可达1Mbps。以目前数据通信64 kbps为基准速度，下一代PHS数据通信速度的提高主要体现在如下方面：

采用16QAM的调制方式提高3倍
频段加宽3倍以及roll off系数改善提高3.3倍
时隙构成的高效化提高1.2倍
每帧分配的时隙数：4提高2倍
合　计提高16倍

下一代PHS的标准化工作也在进行，相关的标准RCR STD-28 V4.0计划在2002年推出。

1.2 小灵通的无线特性

小灵通由于采用了PHS空中接口，因此PHS空中接口的技术参数决定了小灵通系统的无线特性，包括频点、功率和灵敏度等关键参数。

1.2.1 PHS空中接口的主要参数

PHS空中接口的主要参数如表1.4：

表1.4  PHS空中接口主要参数表

项目参数
使用频段1893.5 MHz~1919.6 MHz
波长16 cm
载波间隔300 kHz
频点数87
频点宽度288 kHz
多址方式TDMA
工作方式TDD
调制方式π/4-QPSK
语音编码32k bit/s ADPCM
每载波信道数4
传输速率384k bit/s
比特时长2.6 μs

1.2.2 载波频率

表1.5是PHS空中接口频率分配表，表中每个频率即频点，这些频点的使用分成控制载频和通信载频两类。控制载频承载信令，通信载频上主要承载业务。日本PHS系统分配了71、73、75和77号频点作为公用系统的控制载频，而国内小灵通系统以26、28号频点为控制载频。控制载频周围的频点留作保护之用。

表1.5   V3 PHS系统频率分配表

频点载波频率(MHz)用途备注
2511893.650公、私用V3使用
252950公、私用V3使用
2531894.250公、私用V3使用
254550公、私用V3使用
255850公、私用V3使用
11895.150公、私用 
2450公、私用 
3750公、私用 
41896.050公、私用 
5350公、私用 
6650公、私用 
7950公、私用 
81897.250公、私用 
9550公、私用 
10850公、私用 
111898.150公、私用 
12450私用控制载频日本
13750公、私用 
141899.050公、私用 
15350公、私用 
16650公、私用 
17950公、私用 
181900.250私用控制载频日本
19550公、私用 
20850公、私用 
211901.150公、私用 
22450公、私用 
23750公、私用 
241902.050公、私用 
25350公、私用小灵通保护信道
26650公、私用小灵通控制载频1
27950公、私用小灵通保护信道
281903.250公、私用小灵通控制载频2
29550公、私用小灵通保护信道
30850私用控制载频其它国家
311904.150公、私用 
32450公、私用 
33750公、私用 
341905.050公、私用 
35350公、私用 
36650私用控制载频其它国家
37950公、私用 
381906.250公用 
39550公用 
40850公用 
411907.150公用 
42450公用 
43750公用 
441908.050公用 
45350公用 
46650公用 
47950公用 
481909.250公用 
49550公用 
50850公用 
511910.150公用 
52450公用 
53750公用 
541911.050公用 
55350公用 
56650公用 
57950公用 
581912.250公用 
59550公用 
60850公用 
611913.150公用 
62450公用 
63750公用 
641914.050公用 
65350公用 
66650公用 
67950公用 
681915.250公用 
69550公用 
70850公用日本保护信道
711916.150公用日本备用控制载频
72450公用日本保护信道
73750公用日本控制载频1
741917.050公用日本保护信道
75350公用日本控制载频2
76650公用日本保护信道
77950公用日本控制载频3
781918.250公用V3使用
79550公用V3使用
80850公用V3使用
811919.150公用V3使用
82450公用V3使用

1.2.3 发射功率

RCR STD-28规定了基站和终端的最大射频发射功率，如表1.6。最大射频发射功率允许有 +20%，-50%的误差。

表1.6   PHS的发射功率表

类型频率范围频点范围最大功率
CS1893.65 MHz~1905.95 MHzNo.1 ~ 37，No.251 ~ 25520 mW以下
1906.25 MHz~1915.55 MHzNo.38 ~ 69500 mW以下
1915.85 MHz~1918.25 MHzNo.70 ~ 782 W以下
1918.55 MHz~1919.45 MHzNo.79 ~ 82500 mW以下
PS1893.65 MHz~1919.45 MHzNo.1 ~ 82，No.251 ~ 25510 mW以下

1.2.4 灵敏度

指标：低于16 dBμV，相当于-91 dBm。

方法：在TCH中传输至少2556位数据，保证比特误码率（BER）＜0.01时的接收电平。

说明：灵敏度指标与比特误码率有关。显然，信号电平强度越低，比特误码率越高。灵敏度指标表示设备在可容忍的最大比特误码率下，至少需要的信号电平强度。

1.2.5 手机显示场强精度

范围：16 dBμV～60 dBμV。

精度：±6 dB。

说明：手机可以显示接收信号电平强度，即场强。手机显示的场强有一定的范围和精度。

1.2.6 误码率门限

指标：低于25 dBμV。

方法：在TCH中传输511位的伪随机噪声，保证比特误码率（BER）＜1×10-5时的接收电平。

说明：误码率门限指标代表设备正常工作的比特误码率情况下，至少需要的信号电平强度。

1.3 小灵通的特点

1.3.1 基本特点

小灵通采用了PHS空中接口，因此小灵通也具有PHS空中接口的典型特点：低辐射、微蜂窝和优音质。 

从表1.6可以看出小灵通基站的发射功率最高为500mW，甚至低于普通GSM手机的最大发射功率，更不用说小灵通手机的平均发射功率只有10mW，这些构成了小灵通的最大特色：“环保”。在日本，GSM手机是不允许在医院使用的，但PHS手机却可以畅行无阻。如果非要选择一种颜色来形容小灵通手机的话，“深绿”也许是最恰当的。

由于小灵通基站的发射功率低，自然覆盖半径小，因此每个基站的蜂窝半径只有百米级，与GSM基站的公里级的蜂窝半径无法相比，因此，小灵通基站的覆盖是采用微蜂窝甚至微微蜂窝的方式完成的。微蜂窝与蜂窝相比，有其利也有其弊。其利在于同样的面积，由于微蜂窝的基站数量多，相对容易吸收业务；缺点是增加了终端的切换频率。针对微蜂窝的这一特点，有两种解决思路：其一，强调小灵通适合慢速移动如步行时使用，这时的切换频率还是可以接受的；其二，在终端上加以改进，有一种H’型的终端切换时间只有0.2s，这种终端即使快速移动也可以自如切换。

小灵通语音编码采用了32k bit/s ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）技术，该技术是传统64k bit/s PCM技术的改进，数据量降低了一倍，效果却不相上下。因此，小灵通的音质与固定电话没有多大的差别，比GSM系统效果要好。

1.3.2 空中接口对比

经常看到一种说法，认为PHS与其他移动通信系统相比较，是一种落后的技术。事实上，如果对比常见的移动通信系统的空中接口，这种说法是没有什么根据的。

表1.7列举了常见的空中接口的参数，从表1.7可以看出，PHS空中接口在主要参数上与其他移动通信系统的空中接口并没有太大的差异。比如，在多址方式上，与GSM相同；在双工方式上，与TD-SCDMA相同；在调制方式上，与CDMA相同。

实际上PHS空中接口与其他移动通信系统的空中接口的最大差别在于发射功率，典型的基站功率差别在40~50倍。由于发射功率不同，必然导致基站覆盖范围不同，因此也影响了空中接口的特性和处理方式。


表1.7  常见空中接口参数一览表

项目PHSGSMCDMA
（IS-95A）		CDMA2000
（1RTT）		WCDMA
频率范围(Hz)1.9G900M，1800M800M1.9G1.9G
多址方式TDMATDMACDMACDMACDMA
双工方式TDDFDDFDDFDDFDD
频点间隔(Hz)300k200k1.25M1.25M5 M
传输速率(bit/s)384k270.8k1.23 M1.23 M3.84 M
比特时长2.6 μs3.7 μs0.8 μs0.8 μs0.2 μs
调制（下行）π/4-QPSK0.3 GMSKQPSKQPSKQPSK
调制（上行）π/4-QPSK0.3 GMSKOQPSKHPSKHPSK
语音编码方式ADPCMRPE-LTPCELPCELPAMR
语音码率(bit/s)32k13k8k8k12.2k
滤波方式平方根升余弦滚降0.3高斯FIRFIR平方根升余弦滚降
数据码率(bit/s)64 k14.4 k14.4 k307.2 k384 k
终端最大功率10mW0.8W或2W1W  

基站覆盖范围不同，对应系统性能中不同的延迟时间。延迟时间是空中接口的关键指标，可以分成两种：下行链路的信号延迟和上行链路的信号延迟。

无线电波的传播速度是每秒30万千米，由于多径效应的缘故（见第二章），反射波路径要长于直射波路径，从基站到终端传输同样的信号，反射波化费的时间要多一些。如果反射波路径长300米，传输时间要多化1 μs，因此PHS空中接口下行链路的信号最大延迟在0.1μs到1μs之间。而GSM和CDMA的下行链路的信号的最大延迟远超过1μs，最大延迟时间可以达到3μs以上。

上行链路的信号延迟是由于终端到基站的距离不一样，这样即使终端与基站严格同步，不同终端的信号到达基站的时间也会有差异。此外，如果再考虑多径效应，延迟时间更加可观。因此PHS空中接口上行链路的信号最大延迟在0.3μs到1μs之间。而GSM和CDMA的上行链路的信号的最大延迟远超过1μs，典型的城市环境，GSM和CDMA的延迟时间约3~5 μs。

信号的延迟时间会造成码间干扰，从而限制了空中接口的传输速率。一般空中接口的传输速率要低于延迟时间的倒数。为了对抗码间干扰，空中接口需要做很多额外的处理，例如GSM采用了卷积、交织技术，CDMA采用了卷积、交织、循环冗余校验和扰码技术。这也可以看成面向较大区域覆盖的系统的一个负担。

PHS空中接口的一个比特时长是2.6μs，相对最大延迟时间1μs而言，延迟时间对PHS空中接口影响不大。由于延迟时间不是PHS系统的考虑重点，因此PHS空中接口在大大简化了信号处理过程，只使用了循环冗余校验和扰码，没有使用卷积、交织技术，这与PHS系统的设计哲学是一脉相承的。而且由于最大延迟时间短，因此信号的传输速率可以提高，为提供高速率的数据业务打下了一个很好的基础。

除了空中接口的特性差别外，PHS空中接口的处理机制与其他移动通信系统的处理机制也有较大差别。例如与同样采用TDMA技术的GSM空中接口相比较，在无线资源分配机制上双方差异极大。我们知道，GSM空中接口需要做频率规划，因此GSM空中接口的频率分配是事先已经规定好的，基站只要遵照执行就行了。而PHS空中接口恰恰相反，其频率资源采用动态分配机制，不必做频率规划，实际运行中给了基站动态调整的空间。

因此，PHS系统可以理解为一个自治型的系统，靠基站的自觉来实现系统的功能，基站发挥的余地很大。如果基站能充分利用自治系统的优点，就可能产生出人意料的结果，提供超出固定分配机制的效果。这同样也会产生一个问题，就是如果基站不能利用自治系统的优点，那么反而会被动态分配机制所累，效果不及固定分配机制。

不管怎么说，从自治型系统转换为规划型系统是可能的，而从规划型系统转换为自治型系统是不可能的。因此，PHS空中接口为系统的实施提供了非常大的弹性，研究它并理解它，对我们的工作将会带来莫大的好处。这也提示我们，针对不同的场合，PHS空中接口的参数也应该做针对性地调整。如果采用PHS空中接口没有达到良好的效果，其根本原因不是PHS空中接口的本身问题，而是具体设备实现的问题。经是好经，但让和尚念歪了。

总之，PHS空中接口考虑到覆盖范围有限，对空中接口设计做了针对性的处理，非常有特色。

1.4 小灵通系统结构

小灵通系统从结构上可以分成两大部分：核心网络和无线网络。核心网络负责与上层网络或其他业务网络联系，无线网络负责业务覆盖，其结构如图1.3所示：

 


图1.3  小灵通系统结构

以UTStarcom公司的小灵通产品PAS/iPAS为例，其系统结构的发展经历了核心网络的两个发展阶段和无线网络的两个发展阶段。

1.4.1 核心网络的发展

早期小灵通产品称为PAS（Personal Access System，个人接入系统），从其名称上可以看出，这是定位为无线接入的系统，其核心网络利用V5接口与PSTN网络中的交换机对接。PAS核心网络的结构如图1.4所示。

从图1.4中可以看出，PAS核心网络中的主要设备是RT（Remote Terminal，远端）。RT一方面利用V5接口与交换机LE相连，另一方面又通过Q.931协议与无线网络相连，承担将交换机的资源传递到无线网络的中间人的角色，相当于接入网的功能。

ATC(Air Traffic Control，空中话务控制器)通过E1链路与RT连接，为用户提供RT之间的漫游服务，用来解决同一城市内的用户漫游。

图1.4  PAS系统核心网络结构

随着系统容量的扩大和新技术的不断成熟，新一代的小灵通产品iPAS诞生了。iPAS顾名思义，是IP+PAS，因此是在PAS系统的基础上，对核心网络做了显著的改进，将基于IP的软交换技术引入了小灵通的核心网络，iPAS核心网络的结构如图1.5所示。

在iPAS核心网络中，服务器群起着系统控制和业务管理的作用，相当于人的头脑。服务器群由许多服务器组成，这些服务器以数据库为核心，各个服务器和子系统通过局域网(100 Base-T 以太网)与数据库相连。典型的服务器包括OSS（运行支持系统）、NMS（网络管理系统）和TS（软交换子系统）。

GW（网关）是iPAS核心网络中非常重要的设备，从图1.5中也可以看出GW处于iPAS核心网络的中枢，是PSTN、服务器群和无线网络联系的桥梁。与PAS系统中的RT不同，GW本身具有强大的本地交换能力，根据版本不同，一台GW可以支持2~5万无线用户。

GW通过SS7信令与PSTN网络连接，通过IP协议与服务器群通信，利用Q.931协议与无线网络相连。值得一提的是，GW、TS采用了软交换等先进技术，保证了iPAS核心网络能支持百万级的用户容量。

 


图1.5  iPAS系统核心网络结构

1.4.2 无线网络的发展

无线网络使用基站与用户终端联系。早期小灵通无线网络中的基站发射功率为10mW，称为RP（Radio Port），因此其上层控制设备称为RPC，即基站控制器。RP 负责业务覆盖，RPC负责管理RP，并担当与核心网络的接口。RP和RPC构成了无线网络的主体，其结构如图1.6所示。

基于RP的无线网络固然有其特有的一些优点，如布设简单、对安装环境要求低、可以远程供电等，但在使用中也发现由于RP发射功率低，覆盖效果不够理想。因此，后期的无线网络引入了CS（Cell Station）。


 


图1.6  基于RP的无线网络结构

CS也是基站，其发射功率提高到500mW。CS的上级设备为CSC，即基站控制器。CS 负责业务覆盖，CSC负责管理CS，并担当与核心网络的接口。CS和CSC构成了无线网络的主体，其结构如图1.7所示。

 


图1.7 基于CS的无线网络结构

由于CS的发射功率比RP高，因此利用CS做大范围的覆盖效果远远超过RP覆盖的效果，而且CS加强了信号的穿透能力，对室内的覆盖效果也有了很大改进。当然，CS相对于RP，对安装环境要求高、布设相对复杂、需要本地供电，在某些环境下如室内、无本地供电的情况下，RP还是有其用武之地的。

因此，现在的无线网络是RP和CS结合的网络，CS是无线网络的业务覆盖的主干，RP作为无线网络的业务覆盖的补充。

1.4.3 无线网络优化

相对于核心网络而言，由于无线网络承担业务覆盖的重任，与用户关系密切，其覆盖情况直接影响了用户的使用效果。此外，无线网络设备众多，加上使用环境纷繁复杂，在这种情况下，如何无线网络发挥出最大的业务覆盖效益，是小灵通网络运营商关注的焦点，也是吸引用户的关键。

随着小灵通系统的广泛使用，小灵通无线网络的规划和优化已经成为实践中迫切需要解答的课题。要想作好无线网络的优化工作，首先需要了解无线网络的基本原理，因此本书的第二章详细介绍了PHS空中接口的基础知识，本书的第三、四和五章深入介绍了PHS空中接口的结构、机制和流程。

在理论知识的基础上，本书的第六章对无线设备RP、RPC、CS、CSC的结构和功能做了详细介绍，本书的第七章介绍了小灵通无线网络规划的主要内容，第八章介绍了小灵通无线网络的优化流程、主要性能指标和优化方法，并列举了无线网络优化的典型案例，供读者参考。

通过以上内容的安排，相信读者可以从理论到实践两方面对小灵通无线网络的优化有深入的了解。

1.5 小结

小灵通是目前国内广泛使用的一种移动通信系统，其空中接口使用PHS的空中接口。

PHS空中接口使用1.9GHz的频段，工作方式为TDMA/TDD。

PHS空中接口是一种非常有特色的空中接口，低辐射、微蜂窝和优音质是其典型的特点。 

小灵通系统的发展经历多个阶段，无线网络的优化越来越体现出其重要性。

第二章  无线基础

2.1 无线电波的传输

为了研究通信特点的方便，人们引入了如图2.1所示的抽象模型。根据该模型，通信就是信源和信宿之间通过信道传递信息的过程，而信息在传递过程中会受到噪声的干扰。信道上传递的信息为信号，分为模拟信号和数字信号两种。对于移动通信系统的空中接口而言，由于利用无线电波传递信号，因此信源就是发射机，信宿就是接收机，信道是无线电波。当然，由于移动通信系统是双向通信的，因此无论基站还是终端，都是发射机和接收机的结合。

 


图2.1   通信模型

空中接口的信道是开放的，很容易引入干扰。这一点我们收听过中波和短波广播，就深有体会了。由于干扰的存在，会影响我们接收有用信号，妨碍通信的进行。

无线电波的传播与无线电波的频率和强度密切相关。下面将探讨如何在有干扰的情况下，利用无线电波的传播特性，有效地传递信息。

2.1.1 频率

无线电波是电磁波，真空中传播速度是每秒钟300000千米，大气中传播速度与真空中传播速度大体相仿，一般不做区别。无线电波的频率有一定的范围，从低频的长波、中波、短波（10 MHz以下）到高频的微波（300 MHz以上）等。根据我们熟悉的公式：

    无线电波的波长 = 无线电波的速率 ÷ 无线电波的频率

1.9 GHz的电磁波，其波长约16厘米。不同频率的无线电波对应的波长不一样，如中波、短波的波长单位是米，微波的波长单位是分米或厘米。

电磁波的传播特性与波长密切相关。不同波长的无线电波，其传播方式和特点是不相同的，尤其是在遇到障碍物的时候。当障碍物的尺寸与波长相近或小于波长时，电磁波可以绕过障碍物，即绕射；当障碍物的尺寸远大于波长时，电磁波要么透过障碍物，即透射；要么被障碍物阻挡，即反射，这时障碍物相当于一面镜子。

PHS空中接口利用1.9G Hz的电磁波工作，频率较高，波长远远小于一般障碍物，而且功率也不强，因此传播的方式主要是直射波、反射波以及它们的合成波。

2.1.2 强度

接收机都有一定的灵敏度范围，也就是最小接收信号的强度。接收信号的强度必须高于此灵敏度，接收机才能正常工作。发射机的发射功率一般是固定的，这样信号在传输过程中衰耗的大小就影响了信号的接收。对于无线电波的传播，人们关心的是在给定发射机的发射功率和接收机的接收位置后，影响接收机接收信号强度的主要因素。计算接收机接收信号强度有如下公式：

接收机接收信号强度 =  发射机的发射功率 ÷ 信号在传播过程中衰耗

由于信号的衰耗很大，实际应用时为了方便，将上式取对数后使用。

衡量信号强度有两种物理量：电平（电压）和功率。

接收信号强度一般用电平测量，dBμV是衡量信号电平的单位，计算公式为：

DμV = 20 lg 电平值   （电平值以μV为单位， 16 dBμV = 6.4 μV）

发射信号强度一般用功率测量，衡量单位是dBm，计算公式为：

Dm  = 10 lg 功率值   （功率值以mW为单位，27 dBm =500 mW ）

dBm与dBμV之间有换算关系， 在阻抗为50Ω的情况下，dBm = dBμV –107，因此16 dBμV相当于–91 dBm。

dBm与dBμV都是衡量物理量绝对值大小的单位，dB则是衡量物理量相对值大小的单位。dB也是一个对数量纲，可以看作两个物理量之间的比值。根据物理量不同而计算公式不同：

DV = 20 lg （电平值1 ÷ 电平值2）

或  Dr = 10 lg （功率值1 ÷ 功率值2）

例如一个信号的电平比另外一个信号高46 dB，相当于前者的电平比后者强200倍；又如一个信号的功率比另外一个信号高46 dB，相当于前者的功率比后者强40000倍。

信号的衰耗使用dB为单位。链路预算是发射机的发射功率和接收机灵敏度的差值，很明显，若接收机能正常工作，传输过程中的衰耗应该小于链路预算。

另外一方面，有用信号和干扰信号之间强度的差别也会影响接收机的接收效果。在通信模型中，通常用信噪比S/N来表示有用信号和干扰信号之间强度的比值，其单位也是dB。显然S/N越大，接收效果越好。在移动通信系统中，由于载干比C/I（载波与干扰强度比值）比较容易测量，加上C/I与S/N关系密切，因此常用载干比C/I来表示有用信号和干扰信号之间强度的比值。

2.1.3 空间效应

无线电波在自由空间（真空）中传播，接收信号的强度与发射机和接收机间距离的平方成反比，其衰耗有如下的计算公式：

L0 = 32.45 + 20lgd + 20lgf    （L0单位为dB，d为km，f为MHz）

公式中L0代表衰耗，d代表发射机和接收机之间的距离，f代表信号的频率。从上面的公式可以看出，频率越高，相对衰耗越大。L0有时又称为视距（Line-Of-Sight, 简称LOS）路径衰耗Llos。

假设d = 0.1（100 m），f = 1900（1.9GHz），衰耗L0= 78 dB。当发射机功率为500mW，接收机灵敏度为16 dBμV时，可以算出链路预算为118 dB，以上情况的衰耗在允许范围内。

当然，无线电波是在大气中传播，大气会吸收一些无线电波的能量，因此接收信号的强度与距离的立方甚至更高次幂成反比，这样信号的衰耗将更多。因此，实际应用中要求更多的链路预算。

2.1.4 阴影效应

由于高频的无线电波以直射波为主，高大建筑和山峰自然会成为无线电波传播的障碍，这就象阳光被高大建筑遮挡，会产生阴影一样。在高大建筑背后，接收信号的强度大幅度下降，这种效应称为阴影衰减。丛林会吸收一些无线电波的能量，因此丛林是无线电波传播的一种障碍，也属于阴影衰减。

阴影衰减是慢衰落的一种，也就是接收信号的强度主要随空间变化而变化，随时间变化不大。阴影衰减服从对数正态分布。

2.1.5 多径效应

由于直射波、反射波的传播路径不同，而且移动通信系统中的发射机和接收机都可以移动，这就构成了发射机到接收机的不同传播路径，称为多径效应。图2.2是信号多径传播的示意图。多径效应是影响接收效果的主要因素，包括三个方面：接收信号的延迟分布、信号强度的快速衰落——瑞利衰落和多普勒效应。

 


图2.2   多径传播的示意图

信号的反射路径肯定比直射路径长，因此接收到的反射信号必然延迟于直射信号，形成接收信号的延迟分布。而信号总会延续一段时间，在这段时间内，后到的信号就对先到的信号形成了干扰。

如果反射信号的相位与直射信号的相位不同，当相位相差180°时，就造成信号的抵消，引起接收信号强度的大幅度下降，即衰落。移动信道常遇到有瑞利衰落和莱斯衰落两种衰落，这两种衰落是快速衰落，快速衰落的变化与时间有密切关系。瑞利衰落是多条反射路径叠加的结果，可以用瑞利分布来描述；莱斯衰落是一条主导传播路径（如视距路径）和多条反射路径叠加的结果，可以用莱斯分布来描述。相对而言，莱斯衰落可以看成是瑞利衰落的一种特例，而瑞利衰落是移动信道最常遇到的问题。

多普勒效应是频率的移动。当终端移向基站时，频率变高；远离基站时，频率变低。多普勒效应在高速移动时比较明显，一般情况下不必考虑。

2.1.6 大尺度和小尺度衰减

通常移动设备接收信号的强度是空间、阴影和多径效应的综合体现，例如当接收机不断改变与发射机之间距离的时候，我们可以测量出接收机接收到发射机信号强度的变化，如图2.3所示。图中反映了即时的信号强度变化和平均信号强度的变化。

图2.3   信号强度的变化图

从图2.3中可以看出，信号强度的变化表现出两种趋势：

一种趋势是图2.3中平均信号强度所表示的，是由于接收机的大范围的移动产生，主要与发射机和接收机之间的地形影响有关，称为大尺度衰减。因此，大尺度衰减与阴影效应关系密切。所谓大尺度，是指尺度是载波的波长几十或几百倍。

还有一种趋势是接收机做短距离移动甚至不动都会发生，即图2.3中即时的信号强度变化部分。这种趋势也就是前面提到的快速衰落，主要由瑞利衰落产生的，称为小尺度衰减。

大尺度衰减和小尺度衰减主要用于信号的传播模型研究。小尺度衰减是描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内接收场强快速波动的传播模型。因此，总的路径衰耗Lg主要由视距路径衰耗Llos、大尺度衰减Ls和小尺度衰减Lf组成。

2.1.7 菲涅耳区

惠更斯是十七世纪著名的物理学家，他认为光是波动的，预测了光的衍射现象。菲涅耳在惠更斯的研究基础上加以发展，解释了光的衍射现象，这就是惠更斯—菲涅耳原理。惠更斯认为波在传播过程中，行进中的波前面上的每一点，都是一个进行二次辐射的球面波波源，而下个波面就是前一个波面上无数个二次辐射波波面的包络面。其后，菲涅耳发展了这个原理，认为波在传播过程中，空间中任一点的辐射场是包围波源的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点上互相干涉叠加的结果。

现在我们知道光也是一种无线电波，因此惠更斯—菲涅耳原理也可以用来解释无线电波的绕射。利用惠更斯—菲涅耳原理可以计算出无线电波的菲涅耳区，菲涅耳区是一个直接环绕在可见视距传播路径周围的椭球区域，其半径会因信号传播路径长度和信号频率的不同而有所变化。例如，当信号频率为1.9GHz，信号传播路径长度为100米时，传播路径中点对应菲涅耳区的半径大约为2米。

当发射机和接收机处于视距时，可以建立直达的传播路径。如果路径中有突出障碍物进入了菲涅耳区，尽管其高度不足以阻挡信号的传播，但无线电波的衍射就会使部分信号偏转，致使其到达接收机的时间略微晚于直达信号。由于这些绕射的信号与直达信号有相位差，就产生了多径效应，干扰了直达信号。如果有树木或其他物体突入菲涅耳区，它们也会削弱通过的信号。简而言之，尽管发射机能够看到接收机，但这并不意味着发射机就能够建立到接收机良好的信号传播路径。

2.1.8 移动信道特点

移动通信系统的特殊性在于利用无线电波在移动中传递信息，移动通信系统使用的是移动信道。与其它通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种信道，其特点如下：

(1) 易衰减

信号在信道中传递时，由于信道的衰耗，造成与信号源越远，信号的强度就越弱，信号的强度与传输的距离有直接关系。有线信道可以看做线传播，移动信道可以看做面传播，距离效应在移动信道上表现得更为明显。根据前文提到的无线电波空间效应，移动信道中信号的强度与距离的高次幂成反比；而有线信道中，信号的强度与距离成反比。相同的信号传输同样的距离，移动信道与有线信道相比，信道上的衰耗较大，信号的强度会显著降低。

(2) 干扰强

移动信道是面传播，相对于线传播的有线信道，自然就更加容易引入干扰。例如在有线信道中，可以保证信号电平远远高于噪声电平，典型的信噪比约为46dB，也就是说，信号电平要比噪声电平高200倍。而在移动信道中，由于自然环境中的干扰和工业干扰，会引入背景噪声，这种干扰的频率范围往往很广；而且系统中其他设备的存在，也会引入系统内干扰，这种干扰通常是同频干扰。由于以上的众多干扰，移动信道中信号电平与噪声电平往往处于同一量级，有时甚至更低。

(3) 不稳定

由于用户在移动中通信，环境不断发生变化，信号传输路径不断发生变化，因此信号传输质量非常不稳定，随时间不断波动。例如对有线信道来说，传输线路的物理特性相当稳定，可以确保信噪比的波动通常不超过2dB，也就是信号强度基本稳定。与此相对照，移动信道中信号强度的迅速波动即所谓的衰落是经常发生的，衰落深度可达30dB。在城市环境中，一辆行驶车辆上的终端的接收信号在一秒钟之内可能发生多次的显著衰落。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信可靠性。

在移动通信中，由于易衰减、干扰强、信号不稳定，有时有用信号的电平比噪声电平还要弱。当发生衰落时，接收机就会锁定在错误信号上。对于数字传输来说，衰落将使信号的比特误码率（BER）大大增加。

移动信道的传输特性还取决于无线电波传播环境。例如，一个有许多高层建筑的城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的移动信道传输特性也大相径庭。而传播环境的复杂性，也使得移动信道的传输特性十分复杂。复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是移动通信这一通信方式本身所决定的。对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。要在这样的传播条件下保持可以接受的业务质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。这就需要使用各种抗衰落技术，包括分集、扩频／跳频、均衡、交织和纠错编码等。另外，信号的调制方式对信道的衰落也要有一定的适应能力。

2.2 天线

天线是发射机发射无线电波和接收机接收无线电波的装置，实现了无线电波的发射和接收。因此，天线性能将直接影响到移动通信系统的特性。

2.2.1 天线原理

无线电波本质上是电磁波，因此电磁场理论是研究天线的重要工具。

根据电磁场理论，当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场。电磁场根据距离不同有不同的空间分布特性。当距离远大于波长时，称为远场，电磁场特性表现为辐射；相对的区域就是近场了，电磁场特性表现为感应。

天线是由传输线演变而来的。传输线可以看作两个平行的导体，通有方向相反的电流。为了使平行的传输线上只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离远小于波长。这样两个平行的导体产生的电磁场会互相抵消。

而要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如把两个导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉，都能使导体对称性破坏而产生辐射。当导体的长度增大到可与波长相比拟时，就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导体称为振子。

如图2.4将传输线的导体分开，导体的长度为四分之一波长，此时终端导体上的电流已不是反相而是同相了，从而使该段导体在空间点的辐射场同相迭加，构成一个有效的辐射系统。这就是最基本的天线，称为半波对称振子天线，其特性阻抗为73.1Ω，一般称75Ω。

电磁波从发射天线辐射出来以后，向四面传播出去，形成了电磁场。如果在电磁场中放一对称振子，在电磁波的作用下，对称振子上就会产生感应电动势。如果对称振子与接收设备相连，在接收设备输入端就会产生高频电流，这样对称振子就将电磁波转化为高频电流，也就是说此时对称振子起着接收天线的作用。接收效果的好坏除了电磁波的强弱外，还取决于天线的方向性和对称振子与接收设备的匹配，即天线的参数。

2.2.2 天线参数

天线性能主要看其辐射电磁波的能力，如覆盖的范围和强度等。这些指标受很多因素的影响，有些因素与天线无关，比如天线的架设高度，显然天线越高，其覆盖的范围越大；有些因素与天线相关，不同的天线效果不一样，这些因素称为天线参数，包括天线的方向性、增益、频带、极化和阻抗等关键参数。

1.天线的方向性

通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值。天线的方向性常用“D”来表示，即D =  PF/ PF0。

显然定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。其中方向系数最大的地方，即辐射最强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线在各个方向上的方向系数大小，如图2.5所示。

图2.5   天线的方向图

一副方向性良好的天线，要求主射方向（主叶）尽量尖锐，后叶瓣和副叶瓣尽可能小。必须指出，天线性能指标中给出的天线方向性以及通常人们所说的天线方向性，都是指辐射场强为最大时主射方向的天线方向性。D越大的天线其主射方向越尖锐。

2.天线的增益

所谓天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向发射的能力。天线增益定义为：取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此时用无方向性天线发射时天线所需的输入功率Pi0，与采用定向天线时所需的输入功率Pi之比称为天线增益，常用“Ｇ” 表示。即Ｇ =  Pi0/ Pi。

根据天线增益的定义，天线增益可以理解为：为了使在观察点获得相等的电磁波功率密度，具有方向性天线所需的发射功率要比无方向性天线所需的发射功率小G倍。

衡量天线增益采用dBi为单位，计算公式为：

dBi  = 10 lg（Pi0÷Pi）    （Pi0 是均匀辐射体）

均匀辐射体的电磁场相当于球体，各个方向上都是一致的。半波对称振子天线的天线增益为2.15 dBi。

另外天线具有互易性，即同样一副天线既可以作为发射天线，也可以作为接收天线，因此从天线接收的角度看，天线增益也可以用定向天线的有效接收面积Ae与各向同性（无方向性）天线的有效接收面积A0之比来表示，即Ｇ =  Ae / A0。

必须指出，天线性能指标中给出的天线增益以及通常人们所说的天线增益，都是指辐射场强为最大主射方向时的天线增益。然而当天线的主射方向偏离接收方向时，其实际的增益将随偏离程度的不同而变化。总之天线的增益反映了定向天线对某一方向辐射电磁波或接收电磁波的能力。

2.3 调制与解调

基站和终端之间传递的是数字信号，为了在移动信道上传递，还需要被转换为适合用无线电波传递的信号，通过调制可以把基带数字信号变为适合传输的高频带通信号（高频信号称为载波）。调制将把数字信号转换为高频模拟信号，之所以要如此周折，主要由于一方面直接传输基带信号效率太低，经过调制成高频带通信号后可以多路复用，从而提高了传输效率；另外一方面基带信号频率较低（如PHS为384 kbit/s），需要天线的尺寸太大，不经济。

调制的逆过程称解调。解调将高频带通信号还原为基带信号，从模拟信号转换为数字信号。

2.3.1 调制

调制用的载波是正弦波，我们知道利用幅度、频率和相位三个参数可以定义一个正弦波，而任何一个参数的改变，都会改变正弦波的特性。因此信号调制到载频上方法有三种：调幅、调频和调相。数字信号只有‘0’和‘1’，调制方法比较简单，称为键控。调幅方式称为移幅键控（ASK），调频方式称为移频键控（FSK），调相方式称为移相键控（PSK）。

移幅键控用不同幅度的载波代表‘0’和‘1’。

移频键控用不同频偏的载波代表‘0’和‘1’。

移相键控用不同相位的载波代表‘0’和‘1’。

选择调制方法主要衡量调制的效率（频带利用率）和抗噪声性能（或功率利用率）。一般希望在最小的带宽范围，传送最高的数据量。移相键控是相对较好的调制方法，信号能量基本集中在载频附近，频带利用率高。

QPSK是正交移相键控，又称四相键控，它是用载频的四种相位对应二进制的00、01、10和11，提高了频带利用率。CDMA下行通道采用QPSK。

π/4-QPSK是在QPSK基础上相位旋转π/4，缓和了相位的突变，频谱特性较好，支持高功率的功放。PHS采用了π/4-QPSK。其原理如图2.6。

   


图2.6  π/4-QPSK调制原理图

图2.6中an代表输入二进制信号流，经过串并转换后，变成XK和YK信号，分别是二进制信号流中连续的两位。

XK和YK信号按照以下公式转换为IK（代表同相信号）和QK（代表正交信号）。

IK = IK-1 cos（Δθ） - QK-1 sin（Δθ）

QK = IK-1 sin（Δθ） +  QK-1 cos（Δθ）

其中：

XKYKΔθ
11-3π/4
01 3π/4
00π/4
10-π/4

IK和QK信号经过平方根升余弦滚降滤波（低通滤波）后再被调制。平方根升余弦滚降滤波（低通滤波）可使传输信号具有较大的功率且收敛快，减小了码间干扰，在数字通信领域得到了广泛的应用。滚降系数（roll-off rate）a表示滤波特性，PHS取0. 5。

ωc是载波，最终信号为S(t)，输出到射频功放，转换为射频信号发射出去。

可以看出：

1） 信号调制的实质是信号相乘，当图2.6中的XK和YK输入为1或0时，合成器有4种相位不同的调相信号输出，因此称为π/4-QPSK为四相位移相键控调制。

2） π/4-QPSK输出为幅度固定的单频信号。由于输入信号被调制在该信号的确定相位上，只要噪声对该相位相移不超过±45°，就不会影响解调结果，所以π/4-QPSK调制方式抗幅度干扰性能极佳，因此π/4-QPSK对通道信噪比要求较低，抗多径干扰能力强。

2.3.2 解调

解调一般可以分成相干解调和非相干解调解调两种方式。所谓相干，指利用乘法器，输入一路与载频相干（同频同相）的参考信号与载频相乘，其原理如图2.7。

 


图2.7   相干解调的原理图

     原始信号A与载频cos(ωt+θ) 调制的结果得到Acos(ωt+θ)。

解调时候引入参考信号cos(ωt+θ)与接收信号相乘：

Acos(ωt+θ) × cos(ωt+θ)

得到：，也就是A倍的

利用低通滤波器将高频信号滤除，就得到了原始信号A。

π/4-QPSK的相干解调原理如图2.8所示。从天线接收到的信号经过解调后得到同相信号IK和正交相信号QK。同相信号IK和正交相信号QK再经过运算、解码，就可以得到原始的数据流了。

相干解调需要接收机与载波同步，接收器前端的功放要有线性特性，以求信号在相位上的稳定性；非相干解调不使用乘法器，不需要接收机与载波同步。显然，采用相干解调的系统硬件上比采用非相干解调的系统复杂。

非相干解调方式只解析出了相位差，而非绝对相位值。每解析一个比特，非相干解调方式必须参照前后两个符号的信息，也就是说接收到了大概两倍的噪音。这样就造成了在同样的误码率下，非相干解调器需要比相干解调器多2~3个dB左右的信噪比。显然，相干解调的灵敏度更高。

 


图2.8  π/4-QPSK解调原理图

所以，PHS终端及一些小功率10mW基站上基本上都采用了非相干解调器；500mW大功率基站在功率提高的同时也需要更强的灵敏度来检测远处手机发出的信号，所以，500mW大功率基站通常会使用相干解调器，以避免上下行链路不平衡的状况。

非相干解调器其实还有一个优势，就是非相干解调没有一个相位标准，因而在对抗多普勒效应中有其优势。但是相干解调器也可以在硬件上用其它方式实现抗多普勒效应。

2.3.3 QPSK解调性能

图2.9展示了一个典型QPSK解调器的特性。图中纵坐标是误码率，横坐标是Eb/No，也就是比特能量与白噪声之比。横坐标之所以采用Eb/No，而非载干比C/I，主要是实验室的环境中通常没有干扰制造器，而是靠白噪声来提供干扰源。所以，如果干扰源在这个频段具有类似于白噪声的分布特性的话（大部分状况下是的），横坐标基本上也可以由载干比为单位。图2.9中提供了相干解调理论线、非相干解调理论线及非相干解调实际测量曲线，以白噪声环境测量数据为准。

从图2.9中看到，为了达到1x10-3的误码率，完全理想的相干解调器理论上只需要9dB的Eb/No，完全理想的非相干解调器理论上只需要12dB的Eb/No，但是实际上则需要14dB的Eb/No才能实现。虽然图2.9中没有显示，但实际的相干解调性能线与理论性能线大概也会相差2~3dB左右。要达到1x10-3的误码率，实际的相干解调器大概需要11到12dB的Eb/No。

当QPSK解调器的输入信号与多径效应下的衰落相关时，解调器的性能会显著下降。在一般市区内非视距的环境下（non Line-Of-Sight），这种衰落的特性通常符合瑞利分布。图2.10是QPSK接收器在收到符合瑞利分布特性的干扰源后的误码率实测特性。为了使这个试验符合瑞利分布干扰源的特性，图2.10的横向坐标采用了载干比。从图2.10看到，为了达到1x10-3的误码率，不论是相干还是非相干解调器都需要近30dB的载干比！


 


图2.9  π/4 -QPSK解调器的性能

 


图2.10 在瑞利衰落干扰源下的QPSK解调器特性

在接收天线上采用分集接收是对抗瑞利衰落的主要手段，MRC（Maximum Ratio Combining，最大比例合成）技术是分集接收技术之一。图2.11显示了采用MRC后DQPSK接收器性能的改善情况。在没有分集接收的状况下（D=1），要想达到1x10-3的误码率需要27dB的C/I；在二分集接收时，此性能在同样的误码率时改善了近11dB；使用四分集接收，性能再改善大概3~4dB；使用8分集接收，性能再改善1~2dB。如果我们在图2.10的接收器上使用了理想的8分集MRC接收，在1x10-3的误码率下的性能改善可以高达16dB左右。

 


图2.11 在QPSK解调器上，1到8分集MRC接收的性能差别（模拟结果）

2.3.4 QPSK解调性能的应用

前面已经描述了解调器的性能，从中我们可以看到在无多径衰落与有多径衰落状况下，解调器的性能有显著差别。无线网络里的用户是在各种各样的环境下操作的，从基站接收信号的角度出发，依照终端用户所处的环境，假设不考虑分集接收技术，收到用户终端信号后具体误码率性能可能倾向于图2.9或是图2.10。

如果用户处于下列环境，误码率性能可能倾向于图2.9的性能线：

如果用户处于下列环境，误码率可能倾向于图2.10的性能线：

如果用户是处于上述两类环境之间的话，则解调器的性能应该介于图2.9与图2.10之间。

2.4 工作方式

人们在进行通信时往往是双向的，不光有发送，还需要接收。

移动通信系统根据解决收、发问题的方式，分为单工、半双工和双工三种工作方式。单工指信息单向传递，只收或发，如广播；半双工指信息双向传递，双方交替进行收、发，如对讲机；双工即信息双向传递，收、发可以同时进行。显然，采用双工的工作方式时，为了避免收、发之间的相互影响和干扰，需要收、发各行其道，在传输路径上予以分离。

移动通信系统都采用双工方式，移动信道一般按发送路径分成下行通道（基站到终端，又称前向链路）和上行通道（终端到基站，又称反向链路）两种。通道的一方为发送方，对方自然就是接收方。根据收、发分离的方法，双工方式可以分成FDD（频分双工）和TDD（时分双工）两类。如图2.12所示，FDD的下行通道和上行通道频率上是分离的，TDD的下行通道和上行通道时间上是分离的。

FDD要求移动通信设备同时具有两个无线通道（即物理通道），一个通道发射，另外一个通道接收。FDD的优点是处理简单，主要的缺点是需要占用成对的频率，而且两个无线通道提高了设备的成本。

TDD是通信设备由一个无线通道分时进行发射和接收。TDD最简单的结构就是利用两个时隙，一个发一个收，交替进行。TDD主要的优点是可以在单一载频上实现发射和接收，不需要上行和下行两个通道。由于只有一个无线通道，因此降低了设备的成本。TDD的主要缺点是只有一个无线通道，与具有两个无线通道FDD相比，容量上受到了限制。

 


图2.12   FDD和TDD的示意图

PHS空中接口采用的是TDD（时分双工）的工作方式。


2.5 多址方式

在移动通信系统中，一个基站只与一个终端连接既不经济也无必要，因此一个基站可以支持多个终端。多个终端共用一个物理通道与一个基站通信，必然需要有区分的方法，就象收、发利用双工方式来区分，不同的终端利用多址方式来区分。

常见的多址方式有FDMA（频分多址）、TDMA（时分多址）和CDMA（码分多址）。FDMA利用不同的频率来区分终端，TDMA利用不同的时间来区分终端，CDMA利用不同的码元来区分终端，如图2.13所示。

 


（a）FDMA

 


（b）TDMA

 


（c）CDMA

图2.13   FDMA、TDMA和CDMA的示意图

模拟移动通信系统采用的是FDMA（频分多址）的方式。每个用户使用不同的频点（频率），互不影响。

TDMA是将载频（某一频点）划分成许多等长的时间片段——时隙，每个时隙传输一路突发式信息。TDMA在用户端表现得更加明显，每个用户分配一个时隙，用户只能在特定的时间与基站通信。

TDMA系统的特点如下：

与FDMA系统相比，TDMA具有以下优点：

(1)  TDMA系统的容量大大高于FDMA系统容量。由于TDMA系统一个频点可以支持多个用户，相对于FDMA系统而言，频率利用率得到了成倍的提高。

(2)  TDMA系统资源动态分配简单。与对频率的管理与分配相比，对时隙的管理和分配通常要简单而经济。因此，TDMA系统更容易进行时隙的动态分配。如果采用话音检测技术，实现有话音时分配时隙，无话音时不分配时隙，还有利于提高系统容量。

(3)  因为终端只在指定的时隙中接收基站发给它的信息，因而在一帧的其它时隙中，可以测量其它基站发送的信号强度，或检测系统发送的广播信息和控制信息，这对于加强通信系统的控制功能和保证终端的越区切换都是有利的。

(4)  当需要使用高速率的业务时，终端可以占用连续的几个时隙，使通信速率成倍增长。

(5) TDMA系统必须有精确的定时和同步，保证各终端发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。

TDMA是移动通信系统常用的多址方式，PHS空中接口采用了TDMA。

2.6 小结

PHS空中接口利用1900 MHz的电磁波做载波，频率较高，传播的方式主要是直射波、反射波以及它们的合成波。影响接收信号强度的主要因素有：空间效应、阴影衰减和瑞利衰落。对抗瑞利衰落是移动通信系统的主要课题。复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。

天线性能直接影响到移动通信系统的特性，天线的方向性、增益等是天线的关键参数。

PHS空中接口采用π/4-QPSK的信号调制技术。

PHS空中接口采用TDMA/TDD的工作方式。


第三章  PHS空中接口的结构

3.1 PHS空中接口的物理结构

3.1.1 帧结构

PHS空中接口采用TDD的工作方式，物理通道分成下行通道（基站到终端，又称前向链路）和上行通道（终端到基站，又称反向链路）两种。

PHS空中接口采用TDMA的多址接入方式，空中接口的物理通道以帧为单位，一帧的长度为5 ms，包含8个时隙（每个时隙625 μs），下行通道占用其中连续的4个时隙，其余4个时隙保留给上行通道。帧结构如图3.1所示。

 


图3.1   PHS的帧结构

PHS帧的每个时隙都有编号，下行和上行对应时隙（间隔2.5 ms）编号相同。0代表第一号时隙，1代表第二号时隙，2代表第三号时隙，3代表第四号时隙。

PHS帧的每个时隙包含240 bit的数据，因为每秒钟有200×8=1600个时隙，传输1600×240 bit=384k bit的数据，因此PHS空中接口传输速率为384k bit/s。

每个PHS帧的时隙可以看作一个物理通道，根据所使用的载频分成两种：使用控制载频的称为控制时隙，用于信令的传输；使用通信载频称为通信时隙，主要用于业务。PHS帧中必须有一对控制时隙，其余三对为通信时隙。

控制时隙下行采用广播方式，由一个基站向其覆盖范围内所有的终端广播，即一对多的模式；控制时隙上行采用时间片ALOHA算法，由多个终端分时占用，即多对一的模式。

通信时隙由基站和指定的终端进行点对点的通信，即一对一的模式。

3.1.2 时隙的结构

PHS系统空中接口的控制时隙和通信时隙在结构上有明显区别，其结构见图3.2

 

图3.2   PHS的时隙结构

时隙的各个组成部分如表3.1：

表3.1   时隙各个组成部分列表

缩写名称长度用             途
R上升/下降4相邻时隙缓冲间隔，供终端和基站打开发射机所需的时间，可取任何值
SS初始码元2帧同步码字，供远端解调器建立相位，用于同步，为‘10’
PR前导码62或6用于位时钟同步，控制时隙前导码长62比特，通信时隙前导码长6比特
UW识别字32或16特定的码元，控制时隙识别字长32比特，通信时隙识别字长16比特，上下行也不同
CAC公共接入信道108控制时隙内容
I信息180通信时隙内容
CRC循环冗余校验16为检错编码产生的监督位
GT保护时间16用于防止同步较差情况下，相邻时隙数据重叠，取16个‘0’ ，延续时间为41.7 μs

3.2 PHS的逻辑信道

在控制时隙和通信时隙两种物理通道上可以承载多种逻辑信道，换句话说，就是不同的逻辑信道复用同一物理通道。逻辑信道是指具有某种功能的数据组合，如用于传递用户信息的信道和呼叫控制的信道。为了完成通信任务，需要多个逻辑信道的相互配合。

3.2.1 逻辑信道的种类

PHS系统空中接口的逻辑信道可以根据其功能分为如表3.2所示的类型：

表3.2   PHS的逻辑信道

时隙逻辑信道方向功  能
控制时隙广播控制（BCCH）CS→PS广播系统信息
寻呼（PCH）CS→PS广播终端寻呼消息
信号控制（SCCH）CS←→PS用于呼叫建立过程中双向传送系统信令，如信道分配等
用户分组控制（USCCH）CS←→PS用于控制信号和分组数据的双向传送
通信时隙业务（TCH）CS←→PS双向传输用户话音和数据
同步突发脉冲（Synchronization burst）CS←→PS在呼叫建立过程和切换时建立通信时隙的频率和时间同步
慢速随路控制（SACCH）CS←→PS双向传输信息
快速随路控制（FACCH）CS←→PS全部占用通信时隙，传输信令
用户特定分组（USPCH）CS←→PS全部占用通信时隙，传输信令和分组数据

3.2.2 协议分段与逻辑信道

在通信任务中，逻辑信道是按照特定的顺序使用的，为了处理方便，PHS空中接口将一个通信过程划分成链路信道建立、业务信道建立和通信三个阶段，每个阶段所使用的逻辑信道各不相同。通信过程三个阶段之间的关系如图3.3所示。

链路信道建立阶段负责在基站和终端之间建立联系，是整个通信过程的起始阶段。链路信道建立阶段是实现业务的第一步。链路信道建立阶段着重解决基站和终端之间要不要联系的问题。

业务信道建立阶段负责根据业务要求，选择合适的业务通道和系统参数。在这个阶段，基站和终端需要利用前一阶段建立的链路信道来联系。业务信道建立阶段着重解决基站和终端之间怎样联系的问题。

通信阶段负责基站和终端之间通信内容的传送，基站和终端之间通过业务信道传送信息。通信阶段着重解决基站和终端之间联系什么的问题。

 


图3.3   PHS的业务和协议分段

我们可以把每个阶段所使用的逻辑信道集合成一类：在链路信道建立阶段使用的称为逻辑控制信道（LCCH），在业务信道建立阶段使用的信道称为链路信道（LCH），在通信阶段使用的称为业务信道（SCH）。它们具体使用的逻辑信道见图3.4。

 


图3.4   逻辑信道与协议分段的关系

3.3 PHS的逻辑信道结构

3.3.1 BCCH的结构

 


图3.5   BCCH的结构

 

图3.5中CI是逻辑信道标识，BCCH为‘0100’。由于BCCH是基站向终端广播的，所以其主叫设备号就是基站设备号。信息是BCCH传递的内容，包括消息类型和消息内容。

3.3.2 PCH的结构

 


图3.6   PCH的结构

图3.6中CI是逻辑信道标识，PCH为‘1011’。由于PCH是基站向终端广播，所以其主叫设备号就是基站设备号。信息是逻辑信道传递的内容，只有消息内容。

3.3.3 SCCH的结构

 


图3.7   SCCH的结构

图3.7中CI是逻辑信道标识，SCCH为‘1010’；SCCH是双向的，因此从基站向终端的下行方向，设备号1是主叫设备号（基站设备号CS-ID），设备号2是被叫设备号（终端设备号PS-ID）；从终端向基站的上行方向，设备号1是被叫设备号（基站设备号CS-ID），设备号2是主叫设备号（终端设备号PS-ID）。信息是逻辑信道传递的内容，包括消息类型和消息内容。

3.3.4 同步突发脉冲的结构

 


图3.8   同步突发脉冲的结构

图3.8中CI是逻辑信道标识，同步突发脉冲为‘1001’；同步突发脉冲是双向的，因此从基站向终端的下行方向，设备号1是主叫设备号（基站设备号CS-ID），设备号2是被叫设备号（终端设备号PS-ID）；从终端向基站的上行方向，设备号1是被叫设备号（基站设备号CS-ID），设备号2是主叫设备号（终端设备号PS-ID）。同步突发脉冲不携带信息，因此信息部分全是‘0’。

3.3.5 TCH的结构

 


图3.9   TCH的结构

图3.9中CI是逻辑信道标识，TCH为‘0000’；TCH由于是点对点通信，不需要设备号。I 是TCH的内容， SA代表SACCH的信息，附加在TCH中一起传递。

3.3.6 FACCH的结构

 


图3.10   FACCH的结构

图3.10中CI是逻辑信道标识，FACCH为‘0001’；FACCH由于是点对点通信，不需要设备号，I 是FACCH的内容。SA代表SACCH的信息，附加在FACCH中一起传递。

3.4 超帧结构

建立逻辑控制信道是终端与基站联系的第一步，也是后续的建立链路信道和业务信道的前提。为了建立终端与基站的联系，关键就是终端与基站的同步，同步又分频率同步和时间同步。

PHS系统全网统一控制载频，终端只要守候在控制载频上，就可以方便地实现与基站的频率同步。

时间同步相对复杂，显然基站是时间同步的主导者，考虑到时间同步的需要，基站将逻辑控制信道组合成复帧（LCCH frame）和超帧（superframe）。复帧在公用系统中，由20个帧组成，相当于100 ms；超帧在公用系统中，由12个复帧组成，相当于240个帧，1200 ms。

基站在每个复帧中，只选取一个时隙发射，也就是说对一个基站而言，每个复帧只有一个下行控制时隙，这样做目的是为了减少基站之间的干扰。前面提到，下行控制时隙是广播控制信道（BCCH）、寻呼信道（PCH）和信号控制信道（SCCH）等逻辑信道复用的。因此，每个复帧的下行逻辑控制信道可能是上述三种逻辑信道中的一种。图3.11是复帧下行逻辑控制信道的结构示意图。

 


图3.11   复帧的下行逻辑控制信道

从图3.11可以看出，首先下行逻辑控制信道在控制时隙上，由于控制时隙的时间选择机制，控制时隙在帧中的位置不固定，第一到第四号时隙都可以，如图3.11中的基站1和基站2就使用不同的时隙；其次复帧有20个帧，并不是20个帧中每个帧都有下行逻辑控制信道，而是其中的任意一个帧，如图3.11中的基站2和基站3就使用不同的帧。

复帧的下行逻辑控制信道的位置有80种可能，因此复帧的下行逻辑控制信道的位置是可选的，也是可变的。基站选择下行逻辑控制信道位置的方法是：相邻基站之间，逻辑控制信道的位置应该互不相同，以避免干扰。

复帧的上行逻辑控制信道只能是信号控制信道（SCCH），而且终端也不能随便占用上行逻辑控制信道，要接受基站的管理。复帧的上行逻辑控制信道的结构如图3.12。

 


图3.12   复帧的上行逻辑控制信道

从图3.12可以看出，基站有两种接收终端上行逻辑控制信道的方式。一种只是在当前下行逻辑控制信道2.5 ms后，基站接收上行逻辑控制信道，基站一个复帧内只接收一次上行逻辑控制信道；另外一种是在当前下行逻辑控制信道2.5 ms后，基站每隔5 ms接收一次上行逻辑控制信道，基站一个复帧内可以接收20次上行逻辑控制信道。上行逻辑控制信道的方式由上行逻辑控制信道定时参数决定（一种全局参数）。

下行和上行逻辑控制信道的对比见表3.3。

表3.3   下行和上行逻辑控制信道的对比表

项目下行逻辑控制信道上行逻辑控制信道
复帧内占用时隙数11或20
逻辑信道种类BCCH、PCH和SCCHSCCH
位置可选跟随下行逻辑控制信道
来源基站终端

十二个复帧组成一个超帧，其中第一个复帧的下行逻辑信道必须为BCCH，其余十一个复帧的下行逻辑控制信道有规律地出现，十二个复帧构成一个周期，如此循环。因此终端只要收到BCCH，就找到了超帧的起始点，实现时间同步，这就是所谓的超帧同步。

寻呼信道是超帧的主要组成。寻呼信道分成若干组，每组的寻呼信道依次称为P1，P2，P3，……在BCCH或SCCH后连续出现。BCCH或SCCH与连续的寻呼信道构成一个超帧的基本单位。

图3.13是超帧结构的例子，图中以复帧为单位，BC代表BCCH，SC代表SCCH，Pi（i  =1，2，3，……）代表第i 个PCH。

1）nPCH = 4 ，nSUB = 6，nSG =1 ， nGROUP =2

 


2）nPCH = 2 ，nSUB = 3， nSG = 1 ， nGROUP = 4

 


图3.13   超帧的典型结构

图中有如下一些参数决定了超帧结构：

nPCH ：超帧的基本单位中PCH的个数，公用系统nPCH≤7。

nSUB：超帧的基本单位的复帧个数，nSUB ≥nPCH＋1。

nSG  ：寻呼组的重复次数，公用系统为1。

nGROUP：寻呼组的因子，nPCH × nGROUP  = 超帧中的寻呼信道的数量，必然小于12。

nSG  × nGROUP   = 超帧中基本单位的数量 = 12 ÷ nSUB。

公用系统中nSUB × nGROUP = 12。

根据以上关系可以得到公用系统超帧参数取值范围，如表3.4。

表3.4   公用系统的超帧参数取值范围表

序号nPCHnSUBnSGnGROUPPCH数量
112166
213144
314133
416122
523148
624136
726124
834139
936126
1046128
11561210

3.5 链路层结构

链路信道是终端和基站为建立业务通道而进行通信的信道。链路信道与逻辑控制信道结构不同：逻辑控制信道在控制时隙上，没有明显的OSI分层结构；链路信道在通信时隙上，有如图3.14明显的OSI分层结构。

 


图3.14 链路信道的三层结构

PHS空中接口链路信道的链路层（也就是第二层）采用LAPDC协议，网络层（也就是第三层）包括RT、MM和CC三个协议实体。从图3.14也可以看到，链路信道的物理层有两种：FACCH和SACCH。

3.5.1 SACCH的结构

每个通信时隙中，都包含16比特的SACCH信息，这就是SACCH物理层，其结构如图3.15。SACCH物理层第一字节的标志位代表时隙顺序。‘0’代表第一时隙，‘1’代表第二时隙。

87654321字节
时隙内容标志1
时隙内容2

图3.15   SACCH物理层结构

两个通信时隙的SACCH内容合成一个SACCH上的链路帧，层次结构如图3.16所示。

 


图3.16   SACCH三层结构（单位为比特）

SACCH的链路帧共30比特，结构如图3.17所示。

87654321字节
控制域1
信息SAPIC/R长度标志2
信息3
 信息4

图3.17   SACCH二层帧结构

SAPI（Service Access Point Identifier，业务接入点识别码）为001（Connection control，连接控制）。SAPI用来识别用户—网络接口的网络侧或用户侧的服务接入点，相当于第二层数据链路的地址。由于基站与终端点对点连接，因此SAPI是不变的。

C/R（Command/Response，命令/响应）表明链路帧的特性，可根据表3.6确定消息的来源和类型。

表3.6   C/R取值表

C/R方向状态
1CS －＞ PS命令
0PS －＞ CS命令
0CS －＞ PS响应
1PS －＞ CS响应

控制域代表链路层协议的命令和参数，由LAPDC协议决定。LAPDC协议是HDLC协议的子集，面向点对点通信，只使用异步平衡方式（ABM），因此基站和终端是对等的，都可以发起通信。LAPDC协议定义了三种帧：信息帧、管理帧和无编号帧。

LAPDC帧结构与HDLC帧结构的差别如下：

LAPDC帧结构如表3.5：

表3.5   LAPDC帧结构一览表

格式命令响应87654321
信息帧IN(R)PN(S)0
管理帧RRRRN(R)P/F0001
RNRRNRN(R)P/F0101
无编号帧SABM001P1111
UI000P0011
DISC010P0011
DM000F1111
UA011F0011
FRMR100F0111

表中帧结构的有关参数含义如下：

P/F(Poll/Final)：命令帧表示P（询问），响应帧表示为F（终止）。

命令帧P设为‘1’， 表示要求对方响应；P设为‘0’，不要求对方响应。

响应帧的应答有多帧时，最后一帧的F设为‘1’，其它帧的F设为‘0’。

接受序号NR：下一个期待接受的I帧的发送序号。无编号帧没有NR。

发送序号NS：所发送的I帧序号。只有信息帧有NS。

NR和NS的具体应用将在5.2节中介绍。

信息代表链路层承载的网络层（第三层）消息，每帧中有16比特的信息。而网络层的消息往往会超过16比特，就需要多帧传送。第2字节的第1比特就指示当前帧是否是多帧中的一帧，是中间帧还是最后帧。‘0’代表起始帧或中间帧，‘1’代表最后帧。例如，如果网络层的消息的长度为104比特，就需要七个SACCH链路帧传递。前六个链路帧的第2字节的第1比特为‘0’，最后一个链路帧为‘1’。第2比特代表帧中三层信息的长度（以字节为单位）。‘0’代表三层信息的长度为1个字节，‘1’代表三层信息的长度为2个字节。还是上面104比特的例子，前六个链路帧的第2字节的第1比特为‘2’，最后一个链路帧为‘0’。

图3.18给出了SACCH物理层与链路层数据关系的实例。

图中原码‘7E 12 01 00’，经过去标志位和组合后，得到其包含的链路帧内容为‘3F 09 00 00’。以下是获取过程，请注意二进制表达和组合时字节的顺序。

 


图3.18   SACCH数据获取示例

又如原码‘E6 12 01 00’，包含二层帧内容为‘73 09 00 00’。

3.5.2 FACCH的结构

FACCH与TCH分时占用通信时隙。一个FACCH链路帧占用一个通信时隙，长度为160比特，即20字节。

FACCH的层次结构如图3.19所示。

 


图3.19  FACCH三层结构（单位为字节）

FACCH的帧结构如图3.20所示。

87654321字节
控制域1
SAPIC/R信息长度标志2
保留SAPI3
信息4
………
信息19
信息20

图3.20  FACCH帧结构

可见FACCH结构与SACCH类似，只是信息长度字段位数增加，增加了一帧中承载的网络层消息的长度，最多可达17个字节。当然，有些三层消息内容会超过17个字节，第2字节的第1比特依旧指示当前帧是否是多帧中的一帧，是中间帧或最后帧。‘0’代表起始帧或中间帧，‘1’代表最后帧。

SACCH的效率很低，刚超过50%，大量的比特被控制参数占用；FACCH的效率较高，达到了85%。例如，传递长度为104比特的网络层的消息，SACCH需要传递14次，而FACCH只需要一次。SACCH的最大优点是不会占用业务通道。根据SACCH和FACCH的不同特点，一般数据量大的消息往往利用FACCH传送，这样速度快，效率高；数据量小的消息利用SACCH传送，不影响业务。

3.6 网络层结构

PHS空中接口网络层承载三种协议：RT（Radio frequency Transmission  Management）、MM（Mobility  Management）和CC（Call  Control ）。协议的内容通常以消息为单位，在不同设备之间传递。前一节我们已经知道，消息是依靠链路帧来传递的。RT消息和MM消息结构相同，CC消息结构比较特别，它们利用协议鉴别语来区别，协议鉴别语如表3.7。

表3.7   协议鉴别语一览表

协议协议鉴别语
RT01000011
MM01000100
CC01000101

3.6.1 RT、MM结构

图3.21是RT、MM消息的结构。可见一条消息由协议鉴别语、消息类型、信息单元三个部分组成。一条消息往往有多个信息单元，这些信息单元在同一种消息内顺序是固定的。

87654321字节
协议鉴别语1
0消息类型2
信息单元类型·
信息单元长度·
信息单元内容·
信息单元2·

图3.21   RT、MM消息结构

信息单元相当于消息的参数，一般由信息单元类型、信息单元长度和信息单元内容三个部分组成，也有一些信息单元没有信息单元长度。

信息单元有两种格式：单字节和多字节信息单元。单字节信息单元的高4位代表信息单元类型，低四位代表信息单元内容。多字节信息单元的信息单元类型用一个字节表示，长度与信息单元有关。

Radio-channel Disconnect消息是常见的RT消息，在呼叫释放时用来传递信息。表3.8给出了一条典型的Radio-channel Disconnect消息的结构和内容，从这条消息内容可以看出：

  •     这是正常挂机
  •     相关的基站的CS-ID为9E0001100502
  •     相关的终端的PS-ID为81


    表3.8   RT消息示例

    原码说明
    43RT协议
    22Radio-channel Disconnect消息类型
    06Cause信息单元
    80PS：正常挂机
    08CS-ID信息单元
    9ECS-ID=9E0001100502
    00
    01
    10
    05
    02
    0EPS-ID信息单元
    00PS-ID=81（129）
    00
    08
    01

    3.6.2 CC结构

    图3.22是CC消息的结构图，从图中可以看出，CC与RT、MM消息结构不同，增加了呼叫参考值。呼叫参考值是系统处理呼叫的唯一标识，在整个呼叫和通信过程中有效。由于呼叫参考值的存在，系统才可以同时处理多个不同的呼叫。

    87654321字节
    协议鉴别语1
    保留呼叫参考值长度2
    标志呼叫参考值3
    0消息类型4
    信息单元类型·
    信息单元长度·
    信息单元内容·
    信息单元2·

    图3.22   CC消息结构

    在RCR STD－28规范中，呼叫参考值为一个字节，因此呼叫参考值长度为1。

    呼叫参考值的标志为‘0’，表示消息来自主叫；为‘1’，表示消息来自被叫。

    CC的结构是Q.931协议消息结构的翻版。例如CC的消息类型和信息单元基本上是Q.931协议消息的子集，增加了一条Q.932的Facility（设施）消息。

    SETUP消息是最常见的CC消息，在通话建立阶段用来传递相关信息。表3.9给出了一条典型的SETUP消息的结构和内容。从这条消息内容可以看出：

  •     这是PHS语音呼叫
  •     被叫号码是8126

    表3.9   CC消息示例

    原码说明
    45CC协议
    01呼叫参考值长度=1
    01呼叫参考值=1，主叫
    05Setup消息类型
    04Bearer capability信息单元（承载能力）
    03信息单元长度 = 3
    80RCR 标准，语音
    8C电路交换模式，32 kbit/s
    A4语音编码ADPCM
    70Called party number信息单元（被叫号码）
    05信息单元长度 = 5
    80不指定号码类型和号码计划
    38号码=8126
    31
    32
    36

     

    3.7 小结

    PHS空中接口的帧结构包括帧、复帧和超帧。每个帧5 ms，包含8个时隙。20个帧构成一个复帧，12个复帧构成一个超帧。

    时隙分控制时隙和通信时隙两种，结构和功能不同。

    控制时隙和通信时隙两种物理通道上可以承载多种逻辑信道，这些逻辑信道可以根据其功能分为广播控制信道（BCCH）、公用控制信道（CCCH）、用户分组数据信道（UPCH）、语音信道（TCH）、随路控制信道（ACCH）和同步突发脉冲等。

    PHS空中接口的链路信道符合OSI七层结构。物理层包括SACCH和FACCH两种，链路层采用了基于HDLC的LAPDC协议，网络层有RT、MM和CC三种协议。


    第四章   PHS空中接口的机制

    4.1 系统参数收发机制

    前文提到，基站和终端建立链路信道是实现通信的第一阶段。为了建立链路信道，终端必须获得系统参数，这就好比为了看《新闻联播》，我们必须首先知道中央台的频道和播出时间等信息。这些参数由基站利用BCCH逻辑信道，通过BCCH的各种消息，向所有在此基站区内的终端广播。在介绍PHS空中接口的系统参数前，必须先解释区域、设备等标识。

    4.1.1 标识

    1 区域定义

    在小灵通无线网络中由基站实现业务覆盖。由于基站功率有限，每个基站都有其业务覆盖范围。基站的业务覆盖范围可以分成基站区（radio zone）和寻呼区(paging area)，如图4.1所示。

     


    图4.1   寻呼区与基站区示意图

    基站区是单个基站的覆盖范围，空中接口使用本地信息。本地信息是在本基站区内有效的空中接口参数。

    寻呼区是若干相邻基站的组合，空中接口使用全局信息。全局信息是在寻呼区内所有基站区有效的空中接口参数。

    基站利用信息的广播机制向区域内的终端广播本地信息和全局信息。终端收到这些信息后，会检查寻呼区的状态。如果发现寻呼区发生了改变，就会触发终端重新在系统中登记位置信息。

    另外一方面，如果系统呼叫终端的话，也会在终端登记的寻呼区内所有基站中广播，以确保终端能尽可能地响应。

    2 设备号

    设备号是设备的唯一标识，用来在系统中识别设备，有些类似于网卡的MAC地址，与GSM的IMEI很接近。

    PHS系统中，基站和终端都具有设备号，分别称为CS-ID和PS-ID。

    CS-ID是42位的二进制数，有特定的结构，其前9位代表运营商编号，后33位由寻呼区编码和附加编码组成。公用系统运营商编号的最高位必须为‘1’，寻呼区编码的位数由参数np决定。值得注意的是，终端要实现不同寻呼区切换，寻呼区的np必须相同。如果终端发现自己的运营商编号与基站不同，终端就不会与基站通信，包括位置登记和呼入、呼出。

    CS-ID和np的关系非常类似IP地址和子网掩码的关系。寻呼区编码可以看作网络码，而附加编码可以看作主机号。

    以下是np = 19 的例子：

     


    实际运用中，CS-ID往往用11位十六进制数表示。例如，基站的CS-ID为9E011160B08，其运营商编号为‘100111100’， 寻呼区编码为‘0000001000100010110’， 附加编码为‘00001011000010’，注意最后两个比特是要被忽略的。因此，CS-ID为9E011160B08与CS-ID为9E01116087C的基站同一寻呼区，与CS-ID为9E011220504的基站寻呼区不同。

    终端的设备号PS-ID是28位的二进制数，由制造厂商设置，不可修改，俗称机身码。实际运用中，PS-ID往往用9位十进制数表示。例如，‘000000129’相当于PS-ID为‘0000000000000000000010000001’。

    与PS-ID这种物理标识对应，终端还使用了逻辑标识——终端号码（PS Number），类似于IP地址，通过烧号写到终端里，可以修改。公用系统终端号码一般就是用户的电话号码。PS Number一般用BCD码表示，也可以用十六进制数表示，最多十三位。例如，PS Number为‘05715914861’。

    PS-ID与终端号码之间没有关系，双方是独立的，就象每个人的姓名和身份证号码没有关系一样。

    基站和终端还有一个关键的标识——国家代码。国家代码是16位的二进制数。如果终端发现自己的国家代码与基站不同，终端就不会与基站通信，包括位置登记和呼入、呼出。

    4.1.2 系统参数类型

    系统参数是终端和基站之间建立连接的基础，由BCCH广播。

    BCCH广播的消息根据参数不同而分成如表4.1的四种消息，消息类型编码对应BCCH结构中的消息类型。所有广播消息都包含了本消息当前的时隙号，为终端同步提供指南。

    表4.1   BCCH消息一览表

    消息名称消息类型编码缩写
    无线信道信息广播00001001CH
    系统信息广播00001010SYS
    第二系统信息广播00001011SYS2
    第三系统信息广播00001111SYS3

    这些消息广播如表4.2的几类系统参数，表中全局指参数在寻呼区内有效，本地指参数在基站区内有效：

    表4.2   系统参数一览表

    内容属性BCCH消息类型
    无线信道结构全局CH
    控制载频结构本地CH
    系统运行信息本地SYS
    业务管制信息本地SYS
    国家代码和系统类型全局SYS2
    第二系统运行信息本地SYS2
    第三系统运行信息本地SYS3

    4.1.3 系统主要参数

    系统主要参数的说明如表4.3，表中全局指参数在寻呼区内有效，本地指参数在基站区内有效。这些参数反映了PHS系统的运行特点，如空中接口的物理结构、系统的状态和系统的控制信息等等，非常重要。

    表4.3   系统参数说明

    属性BCCH类型内容项目
    全局CH 超帧结构超帧中的复帧数、寻呼组的因子nGROUP、寻呼组的重复次数nSG、寻呼组的PCH的个数nPCH、基本单位的复帧个数nSUB等
    寻呼区结构寻呼区编码的位数np
    上行LCCH定时上行LCCH定时
    SYS2国家代码和系统类型国家代码和系统类型
    本地SYS 广播状态广播状态
    LCHLCH类型、协议类型、其它协议类型
    流量管制信息流量管制组、管制状态和接入超帧周期
    SYSI消息状态mi
    广播接收指引广播接收指引

    表4.4、表4.5和表4.6分别给出了典型的BCCH消息的内容。

    表4.4   典型的无线信道信息广播

    字节内容说明
    100001001无线信道信息广播
    200010100公用系统超帧中的复帧数 = 20
    30100----
    ----1010    		寻呼组的因子 = 4
    Np=19
    400------
    --001---
    -----001    		保留
    寻呼组的重复次数 = 1
    省电周期 = 1
    500------
    --010---
    -----011    		偏移时隙 = 0
    寻呼组的PCH的个数 = 2
    基本单位的复帧个数 = 3
    600000110偏移帧
    711------
    --011---
    -----1--
    ------00    		当前时隙的绝对时隙号= 3
    广播系统信息和第二系统信息
    基站接收LCCH方式1
    一个LCCH
    8--00----
    ----0000    		保留
    全局定义花样=0000

    表4.5   典型的系统信息广播消息

    字节内容说明
    100001010系统信息广播
    2000-----
    ---00---
    -----011    		32kbit/s
    标准LCH
    RT/MM 功能请求允许
    300------
    --000000    		通过setup消息传递号码信息
    标准基站
    400000111支持RCR STD-28版本1、2、3
    500000000无流量管制组
    60000----
    ----0000    		不流量管制
    不流量管制
    710------
    --000---
    -----0--
    ------00    		当前时隙的绝对时隙号= 2
    m1=000
    保留
    第4、5字节代表RT-MM协议版本和流量管制组
    8--000000广播接收指引=000000

    表4.6   典型的第二系统信息广播消息

    字节内容说明
    100001011第二系统信息广播
    2~301010101国家代码 = 5555
    01010101
    400000001公用系统
    500000111支持RCR STD-28版本1、2、3
    6000000--
    ------00    		保留
    呼叫使用1个时隙
    701------
    --001---
    -----000    		当前时隙的绝对时隙号= 1
    m2=001
    保留
    8--000000广播接收指引=000000

    4.1.4 系统参数广播机制

    系统参数包括全局信息和本地信息两类。无线信道信息和第二系统信息主要广播全局信息；系统信息、第三系统信息主要广播本地信息。因此无线信道信息和第二系统信息是必须广播的，系统信息可广播也可不广播，第三系统信息广播一般不用广播。系统信息、第二系统信息、第三系统信息由广播状态参数决定是否广播。

    无线信道信息和第二系统信息每4个超帧至少广播一次。一般信息广播的顺序为CH→SYS→CH→SYS2→ CH→SYS→CH……如此循环。

    PHS系统有系统参数的标识——全局信息花样和本地信息状态mi（i=1~3，对应系统信息、第二系统信息、第三系统信息）。一旦全局信息发生改变，全局信息花样随即改变。一旦相应的系统信息发生改变，mi随即改变。

    全局信息花样和本地信息状态mi可以有从0~7八种取值，每改变一次状态，数值自动加一，超过7后回复到0，如此循环。

    系统在BCCH和PCH广播消息中提供了一些附加信息——广播接收指引，供终端判断是否要接收相应的广播信息。广播接收指引包括全局信息指引和本地信息指引两类，一次只能传送全局信息指引或本地信息指引中一种。

    全局信息指引用来告诉终端下一个BCCH将要广播的信息的全局信息花样。

    本地信息指引用来告诉终端下一个BCCH将要广播的信息类型和此信息的状态mi，供终端接收准备。

    图4.2是一次系统参数的广播过程的示例。

    终端都会监听PCH的消息，因此PCH中也有广播接收指引。这里广播接收指引为本地信息指引，类型是系统信息。

    接着在系统信息广播中，也发送了广播接收指引。这里广播接收指引为本地信息指引，类型是第二系统信息。

    第二系统信息广播中，广播接收指引为全局信息指引，并发送了全局信息花样。

    最后是无线信道信息广播。

     

    4.1.5 系统参数接收机制

    终端开机后，首先是超帧同步，找到超帧后，就开始系统参数接收过程。

    由于系统参数不会频繁变动，为了提高终端的工作效率，PHS系统不要求终端接收每次系统参数广播的内容，而是接收需要的内容。前提是终端内部有一些寄存器，可以保存系统参数。

    终端利用了系统参数的标识——全局信息花样和本地信息状态mi的有效性来判断是否需要接收系统参数。

    在基站广播的消息中（BCCH或PCH）的广播接收指引，包含了下一个BCCH将要广播的信息类型和标识。终端收到广播接收指引后，会比较寄存器内保存的相关标识，如果无效，就需要重新接收，如果有效就可以不必接收相应的广播信息。

    对本地信息状态mi而言，其参数与基站区相关，因此mi与CS-ID联合决定了mi的有效性。在mi相同，CS-ID不同的情况下（终端移动到另外一个基站区），mi也是无效的。此外，mi有时效性，如果60s内没有收到BCCH或PCH，mi也会失效。

    同一寻呼区内全局信息一致，因此同一寻呼区内全局信息花样应该一致。全局信息花样与CS-ID中的寻呼区编码联合决定了全局信息花样的有效性。

    4.2 时隙的时间和频率选择机制

    时隙是PHS空中接口实现通信任务的最基本的单位，是系统运作的关键资源。PHS时隙有时间和频率两个关键参数，时间参数就是时隙在帧中的位置——编号，频率参数就是载频。这一点可以借助收听广播来说明，收听一个节目前，我们必须要知道节目开始的时间和节目所使用的波段，这就是时间和频率参数。

    时隙的时间和频率参数由基站统一选择，因此对终端而言，也可以说由基站分配。

    4.2.1 时间选择机制

    在PHS空中接口中，由基站设定控制时隙和通信时隙在每帧中的位置。控制时隙并不要求位于第一号时隙，事实上第一到第四号时隙都可以，剩下的三个时隙就作为通信时隙。结合第三章提到的复帧结构，我们注意到基站并不是每一帧都会发射下行控制时隙，而是每个复帧只发射一次下行控制时隙，每次间隔的时间都是100ms，这就避免了相邻基站使用同一个下行控制时隙而发生干扰。

    终端可以通过接收到的不同UW来区别控制时隙和通信时隙。下行和上行时隙是对应的，间隔2.5 ms。

    控制时隙和通信时隙的时间选择机制可参考图4.3。

     

    图4.3 信道的时隙选择示意图

    4.2.2 频率选择机制

    PHS空中接口的控制时隙和通信时隙在频率选择方法上是有区别的。

    控制时隙使用控制载频，因此是固定的。例如，小灵通系统使用第26号或28号频点做控制载频。

    通信时隙的载频可以不固定，由基站根据信号的强度和干扰等情况在频点范围内灵活选择，当然控制载频和其保护载频是不能选择的，此外由于PHS系统空中接口采用TDD，因此其上下行对应时隙还是使用同一频点。

    图4.4 是通信时隙的载频选择示意图。

    时隙

    图4.4   通信时隙频点的选择示意图

    在基站选择频点之前，基站通过监测每个频点的信号强度，产生一个可用频点的列表。如果某个频点的信号电平低于26 dBμV，基站就认为该频点是空闲的，可以使用。如果实在找不到电平低于26 dBμV的频点，那么电平低于44 dBμV的频点也是可用的。

    由于基站是根据自身的环境选择频点，因此不能保证其选择的频点终端就能使用。终端也会监测周围的无线环境，如果发现基站分配的频点由于干扰而无法使用，可以拒绝基站分配的频点，要求基站重新分配，具体的分配过程在下一章中将详细介绍。

    PHS空中接口与GSM空中接口频率分配机制上有明显的差别：在建立通话前，GSM空中接口已经知道了可使用频点的范围，而PHS空中接口是要根据具体情况来确定使用频点。因此，PHS空中接口有时也用DCA机制（Dynamic Channel Allocation，动态时隙分配）来描述，这是PHS空中接口的一大特色。

    通信时隙载频的不固定可以提高减少瑞利衰落的影响，避免信号的过度集中。

    4.3 切换机制

    切换是移动通信系统特有的现象，所谓切换就是由于环境变化，使得终端变换与基站连接的物理通道的过程，以通话中的切换最为常见。切换的作用是保证通信的质量，维持通信的持续进行。

    由于移动通信系统的终端是移动的，而每个基站都有其覆盖范围，因此终端就不可避免地发生切换，从一个基站覆盖的范围变换到另外一个基站覆盖的范围，即从一个基站区切换到另外一个基站区，这种切换发生在不同基站之间。

    此外，移动通信系统还存在干扰问题。为了抗干扰，终端也需要切换，从有干扰的信道切换到无干扰的信道，这种切换往往发生在同一基站的不同时隙。

    4.3.1 终端状态

    PHS空中接口的切换与终端密切相关，根据终端状态的不同而有不同的切换机制。

    常见的固定电话终端有两种状态：挂机态（on-hook）和摘机态（off-hook）。平时处于挂机态，通话时处于摘机态。

    PHS空中接口的终端有三种状态：关机状态（power-off）、待机状态（standby）和通信状态（in use），状态之间会互相转换。关机状态终端不工作；待机状态是终端开机但不通信，是最常见的状态；通信状态终端利用TCH进行业务通信。

    关机状态下终端不存在切换。

    待机状态下终端也会切换。

    通信状态下终端有两类切换方式：TCH切换型和重新呼叫型。TCH切换型比较简单。重新呼叫型等于是重新发起呼叫，过程复杂。通信状态下终端的切换是受到基站控制的。

    PHS空中接口终端的状态以及状态迁移参看图4.5。

     

    图4.5 终端状态图

    4.3.2 切换模式

    基站可以通过TCH switching 信息单元通知终端切换模式。此消息参数一个字节，每位代表的含义如表4.7 ：

    表4. 7   切换模式一览表

    位项目
    1本CS内通信时隙的时隙切换
    2本CS内通信时隙的载频切换
    3重新呼叫型连接同一寻呼区内其它CS
    4TCH切换型连接同一寻呼区内其它CS
    5重新呼叫型连接不同寻呼区CS
    6TCH切换型连接不同寻呼区CS

    如果对应位设为‘1’，表示允许此模式切换；如果设为‘0’，表示不允许此模式切换。切换模式决定了此基站区下终端的切换方式。

    TCH switching 信息单元可以通过Function request（RT）和Function request response（RT）消息获得。

    4.3.3 区域信息

    由于切换发生在不同基站之间，因此切换与寻呼区也有密切的关系。基站会通过区域信息（Area information）设定终端切换的参数。区域信息属于全局系统参数，因此必须在寻呼区内保持一致。终端保存了区域信息的索引，在链路信道建立请求消息中向基站报告保存的区域信息的索引。基站如果发现索引不一致，就会在链路信道指配消息中的LCH扩展协议类型项目中设置接收指示。

    终端收到接收指示后，在链路信道建立后，会发送Definition information request（RT）消息，向基站申请接收区域信息。基站通过Definition information response（RT）消息，向终端通告区域信息。区域信息结构如下：

    信息单元（00000001）字节1
    Standby zone selection level字节2
    Standby zone hold level字节3
    Recalling-type Handover process level字节4
    Recalling-type Handover destination zone selection level字节5
    TCH switching-type handover process level字节6
    Channel switching FER threshold value字节7
    ReservedArea information report status number字节8

    图4.6 区域信息结构

    区域信息信息单元中的参数及其含义如下：

    Standby zone selection level:

    待机区域选择电平。这是控制时隙上的电平，以dBμV为单位，10 dBμV用44（二进制00101100）表示，80 dBμV用114（二进制01110010）表示，如此类推。缺省值为10 dBμV，以下同。

    Standby zone hold level：

    待机区域保持电平。这是控制时隙上的电平，表示方法同上。

    Recalling-type Handover process level：

    重新呼叫型切换电平。这是通信时隙上的电平，表示方法同上。

    Recalling-type Handover destination zone selection level：

    重新呼叫型切换目标基站区选择电平。这是控制时隙上的电平，表示方法同上。

    TCH switching-type handover process level：

    TCH切换型切换电平。这是通信时隙上的电平，表示方法同上。

    Channel switching FER threshold value：

    240帧内的误帧数的门限值。这是通信时隙上的门限值。如果误帧率为10%，此值应该设为24。

    Area information report status number：

    区域信息的索引。

    4.3.4 待机切换

    终端开机后，一般情况下，在控制载频上应该可以收到多个基站的信号，终端会在其中选择合适的基站。如果终端和基站能够同步，且接收到的基站的控制信道的电平高于待机区域选择电平（Standby zone selection level），终端就选定了基站，进入待机状态。否则，终端还要继续寻找合适的基站。

    终端在待机状态主要完成如下工作：

    (1) 接收基站广播的系统参数；

    (2) 呼入或呼出，这样就转入了通信状态。

    (3) 发送位置登记信息，位置登记信息主要包含终端的PS number。位置登记成功后，基站会回应确认消息。

    在待机状态，终端还会监测控制信道的电平，一旦发现电平低于待机区域保持电平（Standby zone hold level），就会退出待机状态，重新选择一个基站区，试图与另外的基站同步。这就是待机切换，类似于GSM中的小区重选。

    4.3.5 通信切换

    1 切换原因

    基站和终端通过检测TCH的误帧率来发现通信质量的下降，误帧率FER用1.2s（相当于一个超帧的时间，240帧）内错误帧的比率来定义，所谓错误帧是帧中UW不正确或CRC错误。误帧率是决定切换的关键因素。

    在通信系统中，常见的衡量信号优劣的指标是误码率BER，误帧率与误码率之间有一个换算关系。对于通信时隙TCH，我们只考虑其中180比特有用信号以及16比特的UW，因此误帧率与误码率之间的对应关系如表4. 8：

    表4. 8   误帧率与误码率对应表

    BER通信时隙的FER
    0.010.861
    0.0010.178
    0.00010.0194
    0.000010.00196

    从第二章提到的通信模型中可以看到，对接收方来说，不光是有用信号的强度很重要，干扰信号的强度也很重要。在移动通信系统中往往使用C/I，也就是载干比来表示有用信号和干扰信号之间的比值。显然，C/I与误码率BER之间有密切的联系，C/I越小，误码率越高。一旦C/I过低，就有可能发生切换。

    C/I降低的常见原因有两种：有用信号强度的降低，或者是干扰信号的强度提高。前一种情况在基站的覆盖边缘比较常见，第二种情况在干扰多的情况下出现。

    一旦误帧率超过门限，系统认为质量下降，将执行如下动作：

        (1) 更换时隙。

        (2) 更换频点。

        (3) 切换到其他基站。

        (4) 重新呼叫。

        (5) 如果 4秒钟内连续出现误帧，终端将停止发射，直到误帧率低于门限。如果 60秒内持续误帧，通话自然中断，通道被释放。

    2 切换方式

    基站和终端都可以发起切换，但终端首先需要知道基站的区域信息和切换模式。切换有一个处理过程，触发切换处理过程的原因是接收质量下降（误帧率高于门限值）或接收电平下降（接收电平低于门限值）。

    前文提到，通信切换分TCH切换型切换和重新呼叫型切换两类。基站或终端选择切换类型的过程是，首先检查FER，如果FER低于门限值，不必切换；如果FER高于门限值，再比较通信信道的电平。如果通信信道的电平低于重新呼叫型切换电平，执行重新呼叫型切换；如果通信信道的电平高于TCH切换型切换电平，执行TCH切换型切换。选择切换类型的过程见图4.7。

     

    图4.7  选择切换类型

    切换方式包括两种：同一基站下和不同基站下。如果是不同的基站之间切换，目标基站接收电平应该要高于重新呼叫型切换目标基站区选择电平，而且要实现终端在不同寻呼区之间切换，不同寻呼区的np和上行LCCH定时必须相同。同一基站下切换显然比较简单，因此基站处理切换时优先考虑本基站内切换。

    图4.8是基站切换处理的具体流程。

     


    图4.8  基站切换处理流程

    3 切换过程

    切换过程使用TCH switching request/indication（RT）消息，TCH switching indication（RT）消息由基站发出，终端收到后，立刻实施切换。

    终端也可以发出TCH switching request（RT）消息请求切换，基站收到后，回应TCH switching indication（RT）消息进行切换；当然基站也可以回应TCH switching request reject（RT）消息拒绝。

    只有当TCH switching indication（RT）消息的信息单元（CS-ID、Carrier number、Slot number）都提供了，且CS-ID 不是原来的基站，终端才执行TCH切换型切换，否则终端执行重新呼叫型切换。

    图4.9是终端切换处理的具体流程，详细过程见第五章相关章节。

     


    图4.9  终端切换处理流程

    4 切换特点

    PHS空中接口重新呼叫型切换与GSM空中接口的类似切换有较大的差别。

    图4.10显示小灵通用户在A点在与基站1进行正常通讯。当用户走到B点时，终端离基站2比离基站1近了许多。但是，从基站1角度来看，按照前面提到的切换处理流程，误帧率正常，接收到的终端信号也足够强，基站1处在不切换的状态，所以不做任何调整。同时，在终端侧，按照前面提到的切换处理流程，误帧率正常，接收到的基站信号也够强，终端也处在不切换的状态，所以也不申请做任何调整。这样就造成了终端都已经经过然后又离开基站2的有效覆盖范围都不做任何切换。等终端到了C点，基站发现终端信号已经低于重新呼叫型切换电平，则要求进行重新呼叫型切换。当终端在此申请切换时，发现基站3的信号最强，也有空闲的信道，原来基站1与终端的通讯就顺利地切换到基站3上了，完全跳过了基站 2。

     


    图4.10 典型的重新呼叫型切换范例

    其实，在整个上述的通信过程中，终端及基站1根本不知道基站2的存在，也根本不在乎基站2是否存在；而基站2可以有效地服务在B点提出呼叫或是切换申请的用户。这点与宏蜂窝网络大为不同。宏蜂窝基站的重叠覆盖性较小，切换基本控制在一定的重叠覆盖区域进行，优化切换特性需要调整各种切换电平值、切换时间以及邻小区列表。PHS空中接口的切换却完全没有邻小区列表的概念。所以，小灵通网络有一定的调整空间：在初期网络建设好之后，可以再增加基站来优化无线网络，而不影响原有基站的运行。但是，危险的是，如果工程师以为这样就可以哪里要增加基站就增加基站的话，则很可能造成网络无线资源及逻辑信道资源的失控，从而形成网络容量的瓶颈。

    至此，有经验的宏蜂窝网络工程师可能会想到为什么不调整重新呼叫型切换电平和TCH切换型切换电平，使得切换能更容易控制？图4.11显示了做这种调整会产生的影响。在图4.11中，我们将图4.10中的切换电平值作适当调试，使移动用户在B点时能切换到基站2上，然后又能在C点切换到基站3上。但是，此时在室内D点的一个用户，因为其所有接收到的信号都低于为室外环境所设的切换电平值，所以根本无法利用基站1、基站2或是基站3去进行正常通话。

    上述的范例也体现了小灵通网络与宏蜂窝网络在优化时的一个不同的思路。当网络初期刚建设完毕时，设计人员不会轻易调整各种切换电平。网络优化人员必需考虑实际终端用户的特性，根据地形来决定如何或是否去调各个切换电平。另外，合理的切换电平调整在小灵通无线网络里也可以成为一个平衡话务的手段。

     


    图4.11    在图4.9的案例上调整切换电平值

    4.4 小结

    在PHS空中接口的建立链路信道阶段，终端首先需要接收建立链路信道所需的参数，而这些系统参数分全局和本地参数两种，有其特有的收发机制。

    PHS空中接口的通信时隙的时间和频率都是动态分配的。

    PHS空中接口的终端由于通信环境的变化会发生切换，根据终端的状态不同和终端所处的基站区域的不同，切换分为待机切换和通信切换。通信切换又可以分为TCH切换型和重新呼叫型两种。TCH切换型比较简单。重新呼叫型等于是重新发起呼叫，过程复杂。


    第五章  PHS空中接口的流程

    5.1 链路信道建立流程

    5.1.1 建立链路信道的相关消息

    链路信道都是终端发起建立的，在建立过程中，需要SCCH和PCH逻辑信道的配合。当然，终端发起建立链路信道的前提是终端与基站的运营商编号和国家代码相同。

    PCH信道是基站用来寻呼终端，广播终端被叫消息的信道，可以触发终端被动建立链路信道。终端当然也可能主动建立链路信道，这就是主叫的情形。

    PCH消息包括3 bit寻呼业务类型、52bit被叫终端的终端号码（PS number）和6 bit广播接收指示。每4bit的终端号码构成一位BCD或十六进制数码，共十三位终端号码。如果PS number不足十三位，需要填充到十三位。

    终端建立链路信道时，需要和基站通过SCCH信道交换信息，这些信息即SCCH消息。SCCH消息有5种，如表5.1。下行表示从基站到终端的消息，上行表示从终端到基站的消息。这些消息都是点对点的，因此需要保证可靠性。SCCH消息保证可靠性的办法比较简单，通过等待和重发来保证可靠性。终端发出SCCH消息后的等待时间为1200 ms，超过等待时间判定超时，终端会重发SCCH消息。SCCH消息最多重发3次。

    表5.1   SCCH消息一览表

    消息名称消息类型编码方向
    空闲00000000下行
    链路信道指配00000001下行
    链路信道拒绝00000010下行
    链路信道建立请求00000001上行
    链路信道重新建立请求00000010上行

    从表5.1中可以看到，链路信道指配与链路信道建立请求消息的消息类型编码是一样的，依靠不同的方向（下行或上行）来区分。同样的情况还有链路信道拒绝与链路信道重新建立请求消息。

    链路信道建立请求消息和链路信道指配消息是非常重要的消息，其消息参数如表5.2和表5.3。

    表5.2   链路信道建立请求消息参数表

    名称说明取值
    LCH 类型LCH支持的速率000（32 kbit/s）
    LCH协议类型LCH的协议类型00（标准）
    LCH扩展协议类型RT/MM功能请求处理方式011
    名称说明取值
    CC 协议类型号码信息的传递方式00（通过setup消息）
    系统类型区分公用/私用系统000
    RT-MM协议版本PS的RT/MMV1/V2/V3
    使用频点范围标准或扩展00（标准）/ 01（扩展）
    区域信息索引终端保存的区域信息的索引0~7八种

    表5.3   链路信道指配消息参数表

    名称说明取值
    LCH 类型LCH支持的速率000（32 kbit/s）
    LCH协议类型LCH的协议类型00
    LCH扩展协议类型接收指示/RT/MM011
    CC 协议类型号码信息的传递方式00（通过setup消息）
    相对时隙号指配时隙1~32
    使用频点指配频点见表5.4
    绝对时隙号本消息所在的时隙号0~3对应第1~4个时隙

    5.1.2 主叫

    终端做主叫时首先在SCCH信道上发送链路信道建立请求消息。基站收到后，先检查可用的信道情况。有可用的信道，基站回应链路信道指配消息，包括指配的信道的频点和时隙的位置；无可用信道，基站回应链路信道拒绝消息，附加拒绝原因。

    当终端收到基站的链路信道指配消息后，如果发现信道不可用，还可以发链路信道重新建立请求消息，请求重新建立信道。正常情况下，终端会在基站指配的信道上发送同步突发脉冲，同时基站会守候在此信道上，等待终端的同步突发脉冲。而基站收到终端的同步突发脉冲后，回应同步突发脉冲。经过这样的流程后，转入建立业务信道阶段。

    如果终端收不到基站的链路信道指配消息，则要根据前文所述的等待、重发机制处理，直到成功收到基站的链路信道指配消息或放弃呼叫。

    此外，终端做主叫时，还会受到基站流量管制的影响，包括位置登记和/或呼出的限制。

    公用系统有八个流量管制组，每个终端根据其终端号码（PS number），属于其中一个流量管制组。终端所属流量管制组可以利用以下的计算公式得到。为了简化计算，PS number如果是BCD方式，只取最后4位（填充位不算）；如果是16进制表示，只取最后16 bit。

        终端所属流量管制组 =  (PS number)  mod  8  + 1

    例如，PS number为5715914861，则流量管制组为 （4861 mod 8 + 1） = 6。

    在过载的情况下，基站会在系统信息广播（SYS）中，通告限制类型（位置登记和/或呼出的限制）和受到流量管制的组号。每限制一个流量管制组，基站的负荷平均会下降12.5%。因此基站可以根据过载的程度，灵活控制受限流量管制组的数目。为了公平起见，在流量管制的时候，基站要轮流对八个流量管制组进行流量管制，做到八个流量管制组一视同仁。

    终端如果发现属于受流量管制的组，就无法发起位置登记和/或呼出了。当然，等管制时间过去，又可以正常工作了。

    5.1.3 被叫

    第三章中提到，PCH信道分成了若干寻呼组，寻呼组数量由超帧的参数nPCH ×nGROUP决定。

    每个终端属于一个寻呼组，终端所属寻呼组与终端号码（PS number）有关，有以下的计算公式。为了简化计算，PS number如果是BCD方式，只取最后4位；如果是16进制表示，只取 最后16 bit。

        终端所属寻呼组 =  (PS number)  mod   (超帧中PCH的数目) + 1

    例如，PS number为5715914861，超帧中PCH的数目为8，则寻呼组为 （4861 mod 8 + 1） = 6。

    现在考虑超帧结构为nPCH = 2 ，nSUB = 3， nSG = 1 ， nGROUP = 4的情况，如果基站从网络侧依次收到如下终端的被叫消息：

    序号PS number末四位寻呼组
    10571590783378332
    20571595289328936
    30571593143614365
    40571596846184616

    基站的下行LCCH上将会按图5.1的规律发送PCH消息。

    由图5.1可见，不同寻呼组的PCH消息互不影响，相同寻呼组的PCH消息按顺序发送。因此终端只需要在所属寻呼组的广播时间打开接收机，其余时间可以关闭接收机，这样就节省了电力。

    一旦终端发现被寻呼，就会在SCCH信道上发送链路信道建立请求消息。基站收到后，先检查可用的信道情况。有可用的信道，基站回应链路信道指配消息，包括指配的信道的频点和时隙的位置；无可用信道，基站回应链路信道拒绝消息，附加拒绝原因。

    当终端收到基站的链路信道指配消息后，如果发现信道不可用，还可以发链路信道重新建立请求消息，请求重新建立信道。正常情况下，终端会在基站指配的信道上发送同步突发脉冲，同时基站会守候在此信道上，等待终端的同步突发脉冲。而基站收到终端的同步突发脉冲后，回应同步突发脉冲。经过这样的流程后，转入建立业务信道阶段。


     


    图5.1   PCH消息发送示例

    5.1.4 链路信道建立流程

    图5.2是链路信道建立流程，主叫和被叫都需要经过这些流程。在链路信道建立流程中有如下几个关键的地方：

    (1) 超时处理

    基站和终端接收等待都有定时器，除了终端的链路信道建立等待外，时间都是100 ms，一旦超时，链路就会释放。链路信道建立等待比较特殊，时间是1200 ms，而且超时后还有两次重发的机会。

    (2) 干扰检测

    基站收到终端的链路信道建立请求后，会找一个可用的信道（频点/时隙）。

    终端收到基站指配的信道（频点/时隙）后，会检测此时隙的信号强度，如果发现高于44 dBμV，认为此时隙有干扰不可用，将会向基站发送链路信道重新建立请求消息，要求重新分配链路信道。

    (3) 对传

    为了保证通信质量，在正式通信前，基站和终端之间对传同步突发脉冲和空闲突发脉冲，以实现接收同步和定位。


     


    图5.2   链路信道建立流程

    5.1.5 超帧结构与链路信道建立

    超帧中PCH和SCCH的数量与链路信道建立过程密切相关，表5.4给出了超帧中PCH和SCCH比例关系，表中的序号参考表3.4。小灵通系统使用第5组超帧结构。

    表5.4  超帧中PCH和SCCH比例表

    序号PCH数量PCH％SCCH数量SCCH％
    4216.7975
    3325866.6
    2433.3758.3
    7433.3758.3
    1650541.7
    6650541.7
    9650541.7
    5866.6325
    10866.6325
    8975216.7
    111083.318.34

    每个PCH和SCCH只能携带一条消息，对于PCH而言，就是一个被叫号码；对于SCCH而言，就是一个信道的建立。采用第5种超帧结构时，每1.2秒钟可以支持8个电话被叫，3个电话建立接续。

    值得注意的是同一寻呼区的基站的超帧结构应该相同。

    5.1.6 PCH的动态特性

    1 呼叫的统计分析

    电话呼叫次数的分布符合泊松分布，因此在一段时间内，发生n次呼叫的概率f可以根据下式计算：

    f(n)= （λne-λ）/n!                                        （式5-1）

    式中   λ：平均呼叫次数，n：呼叫次数

    当呼叫次数大于系统的处理能力p的时候，显然会发生呼叫阻塞，只有p个呼叫成功；当呼叫次数小于或等于系统的处理能力p的时候，则不会发生呼叫阻塞，每个呼叫都能成功。因此呼叫次数i小于或等于系统的处理能力p的时候，100%的呼叫会呼叫成功；当呼叫次数i大于系统的处理能力p的时候，只有（p/ i）%的呼叫会呼叫成功。

    根据式5-1可以求出发生n次呼叫的概率，因此一个呼叫的呼叫成功概率g可以用下式描述：

    式中   λ：平均呼叫次数，p：系统的处理能力

    即g等于呼叫次数小于或等于p的呼叫发生概率，再加上呼叫次数大于p的呼叫成功概率。λ和p是影响呼叫成功概率g的两大参数，我们可以确定其中两个参数，求出第三个参数。三个参数之间的关系如表5.5：

    表5.5  g、λ和p关系表

    g%λ(p=1)λ(p=3)λ(p=8)
    950．512.076．76
    920．682.477．59
    900．782.78．08
    880．872.928．52
    851．013.239．12

    根据表5.5可以查出，当有3条线路时，如果平均为3.23个呼叫时，其建立呼叫的可能性不高于85%，而如果呼叫成功率提高到95%，平均呼叫数为2.07。

    2 缓冲区与呼叫的处理

    目前电信网络采用TDM技术为主，其业务处理特点为：每个单位时间提供一个通道；每个通道对应一个用户。

    一般认为在一个时间段内，用户的呼叫发生是按时间平均分布的，呼叫次数是按泊松分布的，因此以下分析均基于以上假定。

    系统处理呼叫请求有两种方式：

    1）无缓冲区

    单位时间内系统只能处理一个呼叫，如果发生更多的呼叫，多余的呼叫就被自动拒绝。

    2）有缓冲区

    单位时间内系统还是只能处理一个呼叫，但发生的多余呼叫将放在缓冲区内，在下一个时间段内被处理。当呼叫次数高于缓冲区容量后，有两种处理方法：“先进先出”（多余的呼叫被自动拒绝）或“后进先出”（ 缓冲区内容被清空）。一般情况下采用“先进先出”。

    有缓冲区后，大大提高了呼叫成功率，同时也提高了系统的处理能力。表5.6是有无缓冲区的对比。

    表5.6  缓冲区的对比表

    项目无缓冲缓冲区=3
    95%的呼叫成功率0．512．07
    平均呼叫量1．01次85%99%

    可以看出缓冲区的容量显然是影响系统特性的关键参数，缓冲区的容量越大，系统的处理能力越高，呼叫成功率越高。然而缓冲区的容量也不是越大越好，这是因为一方面过大的缓冲区要消耗设备的资源，增加设备的成本；另外一方面也会带来处理延时，影响通话效果。

    探讨呼叫处理能力和呼叫延时之间的关系，也就是分析系统的动态特性，对于系统设计和实施，具有相当重要的意义。

    系统处理发生的多余呼叫处理时，一般会给用户提示音加以拦截，平均处理延时为0。

    如果单位时间为1.2s，则对于缓冲区内第一个呼叫，如图5.3所示，其可能出现在1.2s区间内任意时刻，容易看出平均处理延时为0.6s，因此第二个呼叫平均处理延时为1.2s，第三个呼叫平均处理延时为2.4s，如此类推。

     


    图5.3   呼叫处理延时的示意图

    单位时间内如果发生两个呼叫，则呼叫的平均处理延时Td为0.8s，主要是考虑呼叫延时最小值的平均值；如果发生三个呼叫，则呼叫的平均处理延时Td为1.3s，如表5.7：

    表5.7   平均处理延时表

    iTd
    10.6
    20.8
    31.3
    41.86
    52.44

    由于不同呼叫次数的发生概率不同，因此缓冲区为n的系统，其平均处理延时t为:

               n
    t     =  Σ Tdi*（λi）/i!                                                           （式5-3）
              i=1

    式5-3中Tdi的取值参见表5.7。

    3 PCH动态特性分析

    根据式5-3可以求出当缓冲区为3，平均呼叫量与平均处理延时t的关系，如表5.8：

    表5.8   平均处理延时与平均呼叫量关系表

    g%λt
    991.010．45
    952.070．62
    922.470．61
    902.70．59
    882.920．57
    853.230．53

    值得指出的是，对于采用PHS空中接口的系统的一次被叫来说，其处理延时主要包括两个部分：寻呼延时（PCH）和响应延时（SCCH）。寻呼延时（PCH）是基站收到呼叫请求后到通过PCH下发寻呼消息的时间，响应延时（SCCH）是用户从SCCH发出建立请求到系统响应指配消息的时间。这里讨论的重点是寻呼延时（PCH），表5.8中的平均处理延时指的是寻呼延时（PCH）。

    同样的方法可以求出不同大小缓冲区下，平均呼叫量与平均处理延时t的关系。图5.4、图5.5和图5.6是不同大小缓冲区的动态特性，非常有意思的是，平均处理延时最大的并不是平均呼叫量最高的情形，这是由于我们假定当系统超负荷时，多余呼叫会被拦截，对平均处理延时不会产生什么影响。

     


    图5.4   无缓冲区时呼叫动态特性图

     


    图5.5   缓冲区=3时呼叫动态特性图

     


    图5.6   缓冲区=5时呼叫动态特性图

    4 PCH的过载特性

    实际系统运行时，呼叫的发生是很不均匀的，不光是每天会出现话务的高峰，而且特定时段也会出现一些突发的话务热点。在话务的热点，平均呼叫量会远远超过正常的平均呼叫量，也就是出现过载的情况。下面来分析平均呼叫次数的改变对系统动态特性的影响。

    我们知道，在没有呼叫缓冲区的区域的平均呼叫次数为0．51，则呼叫成功指数为95%。如果平均呼叫次数放大，对应关系将如表5.9：

    表5.9   无缓冲区呼叫增量与动态特性关系表

    呼叫增量单位时间平均寻呼量平均寻呼延时寻呼成功率
    00.510.1895.0%
    25%0.640.2092.7%
    50%0.770.2190.2%
    75%0.890.2287.6%
    100%1.020.2284.8%
    125%1.150.2281.9%
    150%1.280.2179.0%
    175%1.400.2176.3%
    200%1.530.2073.4%

    在呼叫缓冲区为3的区域的平均呼叫次数为2．07，则呼叫成功指数为95%。如果平均呼叫次数放大，对应关系将如表5.10：

    表5.10   缓冲区=3的呼叫增量与动态特性关系表

    呼叫增量单位时间平均寻呼量平均寻呼延时寻呼成功率
    02.070.6295.0%
    25%2.590.6091.0%
    50%3.110.5586.2%
    75%3.620.4780.9%
    100%4.140.3975.4%
    125%4.660.3269.9%
    150%5.180.2564.6%
    175%5.690.1959.6%
    200%6.210.1454.9%

    对比表5.9和5.10可以看出，有呼叫缓冲区的区域对呼叫增量（过载）更加敏感，不同大小缓冲区的寻呼区以95%呼叫成功率为基准的过载特性如图5.7所示。


     


    图5.7   呼叫增量与呼叫成功率关系图

    5.2 链路层通信流程

    PHS空中接口链路层采用LAPDC协议，其帧结构参见3.5.1。链路层上的通信流程分为三个阶段：

    1）建链过程

    为了多帧传输I帧，需要建链过程，也就是在收发双方建立多帧传输模式。

    2）信息传递过程

    多帧传输I帧的过程。

    3）释放过程

    释放数据链路的过程。

    图5.8是一个多帧传输的实例。首先由节点A发出SABM命令，表示选择异步平衡方式通信。对方接受后回UA，表示认可，于是多帧通信建立，建链过程结束，接下去双方可以交换信息帧。如果对方不接受，回DM，表示拒绝，多帧通信建立失败。

    节点每次发送信息帧时，信息帧都附带有编号NS。接收方会根据接收情况（接收成功、接收错误、缓冲区满）回应RR或RNR帧。因此在多帧通信过程中，NR是由管理帧处理的，信息帧中的NR与多帧通信过程无关。

    链路释放过程是节点发出DISC命令，对方回应UA后，链路释放完毕，通信过程就此结束。


     


    图5.8   二层多帧传输流程

    SABM、UA和DISC都属于无编号帧，传递无须建链。

    值得注意的是UI帧也可以承载信息，与I帧不同，UI帧不需要建链路过程，可高速传递第三层信息，但链路层无流量和差错控制，差错控制只能由上层协议来解决。比如通信阶段FACCH信道已经释放，如果要在此时利用FACCH信道，就只能使用UI帧。

    5.3协议流程

    5.3.1 网络层消息类型

    在通信系统中，通信设备的主要功能是处理相应的协议。为了设计方便，往往把通信设备的协议处理实体抽象为一个黑箱，只考虑实体的输入和输出，而屏蔽了实现这些功能的物理细节。这是一种面向对象的描述方法。

    黑箱即通信设备会处于不同的状态，这些状态是有限的，称为有限状态。RT、 MM和CC协议都有各自的状态，例如，RT有17种状态。实体在任意给定的时刻，必然有惟一确定的状态。实体的当前状态和输入决定了实体的下一个状态（输出），当然也应该是确定的。因此实体又可称为有限状态机。

    有限状态机会发生状态的改变，在一种状态下必须依赖于外部输入的特定消息触发，才能引起状态转移或执行某种任务。因此，有限状态机是以消息驱动的。

    协议处理实体利用有限状态机原理，可以方便地实现通信协议的逻辑表达。因此，协议处理实体也是以消息驱动的。为了实现状态转移，协议处理实体内部会使用定时器，借助定时器和输入的消息，来决定转移的状态。

    PHS空中接口网络层上传递的信息以消息为单位，RT、MM和CC协议的消息类型如表5.11、5.12和5.13。

    表5.11   RT消息类型

    类别消息消息类型码方向
    激活通信Definition information request00000001上行
    Definition information response00000010下行
    Encryption key set00000011上行
    Function request00000100上行
    Function request response00000101下行
    Paging response00000110上行
    Zone information indication00000111下行
    信道释放Radio-channel Disconnect00100010下行
    Radio-channel Disconnect Complete00100011上行
    信道建立TCH Switching Indication01000110下行
    TCH Switching Request Reject01000111下行
    TCH Switching Request01001000上行
    TCH Switching Re-Request01001011上行
    Additional channel Assign01001100下行
    Additional channel Assign Reject01001101下行
    Additional channel Request01001110上行
    Additional channel Request Indicate01001111下行
    Additional channel Request Indicate Reject01010000上行
    Additional channel Re-Request01010001上行

    表5.12   MM消息类型

    类别消息消息类型码方向
    认证Authentication Request00000001下行
    Authentication Response00000010上行
    位置登记Location Registration Request00100001上行
    Location Registration Acknowledge00100010下行
    Location Registration Reject00100011下行
    功能Function Request01000001上行
    Function Request Response01000010下行

    表5.13   CC消息类型

    类别消息消息类型码方向
    呼叫建立ALERTing00000001双向
    CALL PROCeeding00000010双向
    PROGress00000011双向
    SETUP00000101双向
    CONNect00000111双向
    CONNect ACKnowledge00001111双向
    呼叫清除DISConnect01000101双向
    RELease01001101双向
    RELease COMPlete01011010双向
    其它FACility01100010双向
    NOTIFY01101110下行
    STATus ENQuiry01110101双向
    INFOrmation01111011双向
    STATus01111101双向

    5.3.2 主叫

    PHS空中接口上的一个完整的通信流程分链路信道建立阶段、业务信道建立阶段和通信阶段三个阶段，链路信道建立阶段发生在控制时隙上，业务信道建立阶段和通信阶段发生在通信时隙上。

    主叫流程也是如此，图5.9提供了一个简化的主叫协议流程。

    在链路信道建立阶段，终端首先在SCCH信道上发送链路信道建立请求消息，链路建立请求消息中LCH协议类型设置为‘00’（标准）。基站收到后，检查可用的信道情况。有可用的信道，基站回应链路信道指配消息，包括指配的信道的频点和时隙的位置；无可用信道，基站回应链路信道拒绝消息，附加拒绝原因。

    当终端收到基站的链路信道指配消息后，如果发现信道不可用，还可以发链路信道重新建立请求消息，请求重新建立信道。正常情况下，终端会在指配的信道上发送同步突发脉冲，同时基站会守候在此信道上，等待终端的同步突发脉冲。而基站收到终端的同步突发脉冲后，回应同步突发脉冲。

    同步突发脉冲互通后，表明终端和基站在通信时隙上物理层已经建立联系。接着，链路层也进行了建链过程：通过发送SABM和UA，终端和基站在通信时隙上多帧传输模式也建立了。注意，两种物理层SACCH和FACCH上都要有建链过程。

     


    图5.9   简化的主叫协议流程

    在链路层上，三种网络层协议RT、MM、CC的消息可以方便地传递。

    接下来是网络层协议的处理过程，注意这里使用的是通信时隙。

    终端首先发送SETUP（CC）消息，主要包含了Bearer capability、Facility、Calling party number、Called party number（承载能力、设施、主叫号码和被叫号码）等信息单元。SETUP消息是建立呼叫的初始信息，也是建立呼叫最关键的信息。

     


    图5.10   复杂的主叫协议流程

    网络侧（相当于基站的上级）收到基站转发的SETUP消息并开始处理后，会通过基站回应终端一个CALL PROCeeding（CC）消息，让终端知道网络侧已经开始处理SETUP消息。

    终端一旦收到CALL PROCeeding（CC）消息，就会触发鉴权过程。

    鉴权过程的第一步是终端将自己的密钥通过Encryption key set（RT）消息传给网络侧。

    网络侧收到此密钥后，就会产生一个随机花样（随机数），通过Authentication request（MM）消息下发到终端。终端利用自己的密钥和特定的加密算法对随机花样加密，并将加密结果通过Authentication response（MM）消息由基站返回给网络侧。

    网络侧利用终端的密钥、随机花样和加密算法，可以得到标准的加密结果。网络侧比较终端的加密结果和标准的加密结果，如果两者不吻合，鉴权不通过，终端无权呼叫，呼叫过程结束；如果两者吻合，鉴权通过，终端有权呼叫，呼叫过程继续进行。

    由上面过程可以看出，鉴权过程成功的关键是网络侧和终端使用相同的鉴权算法、密钥和随机花样。

    鉴权过程结束后，FACCH上已经不再需要传递消息了，因此基站和终端在FACCH的链路层上发DISC和UA，释放了FACCH。

    呼叫过程继续，当网络侧检测到对方振铃后，通过基站向终端发送Alerting（CC）消息，告知终端对方已经振铃，于是终端听到回铃音。

    当网络侧检测到对方摘机后，发送Connect（CC）消息，双方通话就可以进行了。这时，进入了通信阶段。

    当然，实际主叫流程可以复杂一些，包括一些附加的信息的传递，如图5.10所示，增加了RT和MM的Function request及Function request response消息，RT的 Definition information request和Definition information acknowledge消息。

    5.3.3 被叫

    被叫协议流程与主叫协议流程相似，其流程如图5.11。

    首先是终端收到来自寻呼信道的寻呼消息，发起LCH的建立过程，链路建立请求消息中LCH协议类型设置为‘00’（标准）。链路建立后，终端首先向基站发送应答信息——Paging response（RT）消息，以后的协议流程与主叫协议流程基本类似。

    值得注意的是，Setup（CC）消息和CALL PROCeeding（CC）消息发送方向与主叫流程不同，这也是主叫与被叫的必然差别。

    此外，被叫还增加了Connect acknowledge（CC）消息，作为Connect（CC）消息的响应。


     


    图5.11   复杂的被叫协议流程


    5.3.4 挂机

    挂机分PS发起和CS发起两种情况，协议流程如图5.12和5.13。两种协议流程非常接近，只是方向不一样。注意Radio channel disconnect （RT）和Radio channel disconnect complete （RT）消息都使用UI帧，因为此时FACCH链路已经释放。

     


    图5.12  PS侧挂机协议流程

     


    图5.13  CS侧挂机协议流程


    5.3.5 位置登记

    由于移动通信系统的终端是移动的，因此系统需要利用终端通过登记的位置找到终端。位置登记可以看作一个完整的呼叫建立和释放的过程，其流程如图5.14。位置登记时，链路建立请求消息中LCH协议类型设置为‘01’（位置登记）。

     


    图5.14  位置登记协议流程

    5.3.6 异常呼叫

    异常呼叫是呼叫不成功的情况，原因多种多样，例如流量管制、鉴权失败和呼叫拒绝等情形。

    图5.15是呼叫拒绝的协议流程，拒绝原因在CC Disconnect（RT）消息中。

     


    图5.15  呼叫拒绝协议流程


    5.3.7 切换流程

    1 TCH切换:同一CS

    此种切换分CS发起和PS发起两类，图5.16是CS发起的流程。

     


    图5.16  CS发起的同一CS下TCH切换型切换流程

    图5.17是PS发起切换的流程，与CS发起的流程相比，多了TCH switching request（RT）消息。

    图5.17  PS发起的同一CS下TCH切换型切换流程

    2 TCH切换:不同CS

    此种切换分CS发起和PS发起两类，图5.18是CS发起的流程。

    图5.18  CS发起的不同CS下TCH切换型切换流程

    图5.19是PS发起的流程，与CS发起的流程相比，多了TCH switching request（RT）消息。

     


    图5.19  PS发起的不同CS下TCH切换型切换流程

    3 重新呼叫：PS发起

    重新呼叫与主叫的协议流程基本接近，区别是在 Setup（CC）消息中必须要有Facility参数，参数设为Recalling-type channel switching。网络侧收到Setup（CC）消息后，会比较保存的加密结果，如果一致，就鉴权通过，切换流程继续，如图5.20所示。

     


    图5.20  PS发起的不同CS下重新呼叫型切换流程


    4 重新呼叫：PS申请

    此种切换分CS发起和PS发起两类，图5.21是CS发起的流程。

     


    图5.21  CS发起的不同CS下重新呼叫型切换流程


    图5.22是PS发起的切换流程，与CS发起的切换流程相比，多了TCH switching request（RT）消息。

     


    图5.22  PS发起的不同CS下重新呼叫型切换流程

    5.4 小结

    PHS空中接口上的一个完整的通信流程分链路信道建立阶段、业务信道建立阶段和通信阶段三阶段，链路信道建立阶段发生在控制时隙上，业务信道建立阶段和通信阶段发生在通信时隙上。

    主叫协议流程还包括鉴权过程。

    被叫、呼叫释放、位置登记、异常呼叫和切换等协议流程可以参考主叫协议流程。

    第六章  无线设备

    6.1 概述

    在本书的第一章中提到，小灵通系统的无线网络是由基站、基站控制器等设备组成的，当然还包括了用户终端。无线网络的结构图参见第一章图1.6及图1.7。

    基站是小灵通无线网络的重要组成部分，负责与用户终端的联系。常见的基站按输出功率分为三种类型：500mW基站CS、200mW基站RP、10mW基站RP，当然还有一些其他类型的基站，如20mW和40mW的基站。目前最为广泛使用的是500mW基站CS和10mW基站RP，本章就以这两种基站为例做重点介绍。

    基站还可以根据使用的地点分为室内型和室外型两种。500mW基站全是室外型的，10mW基站有室内型和室外型两种。

    基站控制器是基站的上级设备，负责无线网络和核心网络的接口工作，顾名思义还负责控制和管理基站。不同类型的基站需要连接到不同的基站控制器。

    基站利用空中接口与用户终端PS联系，因此需要无线电波的收发部分——天线。天线种类很多，分别针对不同的环境和基站。

    小灵通系统的用户终端PS种类繁多，功能各异，其共同的特点是利用PHS空中接口与基站联系，发射功率不超过10mW。

    6.2 基站

    6.2.1 10mW 基站

    10mW基站分为室内型和室外型两种，统称为RP（Radio Port）。RP利用一对双绞线与上级设备基站控制器RPC连接。RP由于发射功率低，因此可以由线路馈电，不需要本地的电源，称为远端供电。因此RP安装地点非常灵活，基本没有什么限制。

    室内型RP通常安装在用户量比较大的公共场所（如车站、饭店等）的墙上和天花板上，对建筑物内的用户终端进行业务覆盖。室内型RP的天线已经固定在机体上。

    室外型RP安装在室外，它的天线安装较高，覆盖范围较大。室外型RP内部结构与室内型RP基本相同，只是天线独立，基站与天线间用50 W同轴电缆连接。室外型RP具有防水框架，可靠性较高。

    1．RP性能指标

    RP的主要性能指标见表6.1，从表中可以看到，10 mW室内型和室外型基站在性能指标上没有什么差别。

    表6.1  10mW基站主要性能指标

    指标10mW室内型RP10mW室外型RP
    发射功率<= 10mW<= 10mW
    动态灵敏度<=97dBm<=97dBm
    指标10mW室内型RP10mW室外型RP
    频点带宽288kHz288kHz
    载波精度±3PPm±3PPm
    空中接口RCR STD-28 V2/3.3RCR STD-28  V2/3.3
    无线接入方式TDMA－TDDTDMA－TDD
    无线信道组成1C3T1C3T
    组控最大信道数1C31T1C31T
    与RPC接口4B’+D’+K4B’+D’+K
      邻频功率<=800nW（偏移600kHz）<=800nW（偏移600kHz）
    <=250nW（偏移900kHz）<=250nW（偏移900kHz）
    天线端口22
    天线（分集式）室内天线（2个分支）2.14dBi室外天线（2个分支）7dBi/4.5dBi
    接收分集开关合成开关合成
    功耗3W3W
    供电方式RPC远端供电RPC远端供电
    供电电压DC ＋116VDC ＋116V

       

        2．RP功能和结构

     RP主要由RPC接口单元、基带处理单元、射频处理单元和主控单元几部分组成，如图6.1所示。如果是室内型RP，还带有天线单元。

     

    图6.1 基站（RP）功能结构图

    RPC接口单元提供与上级设备RPC之间的接口，该单元通过一对双绞线接收从RPC传来的信号及电源馈电，信号的格式为4B’+D’+K，其中每个B’代表一个32K ADPCM的话路，D’代表信令，因此一个RP最多可以支持4个不同的用户终端。根据前面介绍的PHS空中接口的帧结构，一个RP提供的4个信道中有一个是控制信道，另外3个为业务信道，可以表示为1C3T。当然RPC接口单元也负责将从用户终端PS接收到的信号传送到RPC。

    基带处理单元负责处理基带信号，包括信号的调制和解调。射频处理单元将基带信号转换为射频信号，并进行射频信号的功率放大，再通过天线发射出去，完成对PS的业务覆盖。射频处理单元也负责处理从天线接收到的来自PS的射频信号，将其转换为基带信号。主控单元负责整个RP的控制和管理。

    3．基站控制器RPC

    基站控制器（RPC）是小灵通无线网络的控制设备，RPC接收从小灵通核心网络传来的最多4个E1信号，上层采用Q.931协议。

    RPC的主要功能是向各个基站（RP）馈电、话路集线控制、完成协议转换。RPC从小灵通核心网络侧接收64K PCM信号，将其转换为32K ADPCM的信号并发送给相应的RP ，RPC与RP的接口上传递的是4B’+D’+K信号，与ISDN的U接口上的2B+D信号很类似。ISDN U接口又称2BIQ BRI（基本速率接口）接口，接口上传送2B+D的信号，其中B代表64K PCM信号，D代表16K的信令。另外，RPC还向小灵通核心网络发送DTMF信号。

    RPC从与小灵通核心网络连接的E1接口中提取时钟，然后把时钟传送给所有与之相连的RP，从而使所有RP同步工作。

    RPC采用模块化结构，1个RPC机框有14个功能模板插槽，包括1个ECNT模板插槽，4个E1-IF模板插槽和8个RP-IF模板插槽。RPC的功能结构如图6.2所示。

     


    图6.2  基站控制器（RPC）功能结构图

    ECNT模板是RPC的控制模块，它主要承担RPC的操作、管理和维护功能。此外，ECNT模板还为E1-IF模板和RP-IF模板之间的通信提供时隙交叉连接。

    E1-IF模板提供RPC与小灵通核心网络之间 的E1接口，该接口上传递所有的控制和话音信道信息。每块E1-IF模板可以提供1个E1接口，因此一个RPC最多可处理4个E1。

    RP-IF模板提供RPC与RP之间的线路接口。每块RP-IF模板可以提供4个RP接口，因此一个RPC最多可控制和支持32个RP。RPC通过一对双绞线与各RP相连，并且向各个RP提供116V DC电源，也就是远端供电。

    6.2.2 500mW 基站

    500mW基站和10mW基站相比，发射功率增加了17dB，相应的信号覆盖范围要远大于10mW基站，比较适合大面积的业务覆盖。由于用户终端发射功率只有10mW，上下行链路出现了不平衡。为此，500mW基站采用了天线分集技术，接收灵敏度有很大提高，实现了上下行链路的平衡。由于500mW基站的发射功率较高，因此需要提供本地供电，在500mW基站布设和安装时需要更加周密和认真的计划。

    500mW基站的种类很多，以UTStarcom公司的无线设备为例，常见的500mW基站有CS-M（Melco基站）及CS-S（Sanyo基站）两个系列，各有特点，其中的CS-S基站还采用了智能天线技术。此外，CS-S基站还根据支持信道的数量不同，又可分为两种型号：

    • CS-S3：提供1C3T（一个控制信道、3个业务信道），不带GPS接口
    • CS-S7：提供1C7T（一个控制信道、7个业务信道），又分带GPS接口和不带GPS接口两种

    1. 主要性能指标

    500mW基站的主要性能指标如表6.2所示。

    表6.2  500mW基站主要性能指标

    指标CS-MCS-S3CS-S7
    发射功率500mW(MAX)500mW(MAX)500mW(MAX)
    动态灵敏度<=－112dBm<=－113dBm<=－113dBm
    频点带宽288kHz288kHz288kHz
    载波精度±3PPm±3PPm±3PPm
    空中接口基于RCR STD－28版本3.3基于RCR STD－28版本3.3基于RCR STD－28版本3.3
    无线接入方式TDMA－TDDTDMA－TDDTDMA－TDD
    无线信道组成1C7T1C3T1C7T
    组控最大信道数1C15T1C7T1C15T
    与CSC接口标准U接口(ISDN线路)标准U接口(ISDN线路)标准U接口(ISDN线路)
      邻频功率<=800nW（偏移600kHz）<=800nW（偏移600kHz）<=800nW（偏移600kHz）
    <=250nW（偏移900kHz）<=250nW（偏移900kHz）<=250nW（偏移900kHz）
    天线端口848
    发射8天线选择性发送自适应阵列（4－array）自适应阵列（4－array X 2）
    接收分集8天线分集接收自适应阵列（4－array）自适应阵列（4－array X 2）
    功耗大约100W80W140W(不带GPS)
    150W（带GPS）
    电源AC220VAC220VAC220V

    2. CS-M基站功能和结构

    CS-M的功能结构如图6.3所示。从图中可以看到CS-M主要由线路接口单元、控制单元和射频单元几部分组成。

    图6.3  CS-M基站功能结构图

    线路接口单元负责与上级设备基站控制器CSC接口。该单元通过4对双绞线接收从CSC传来的64K PCM信号，每对双绞线都是标准的ISDN U接口。因此，线路接口单元总共接收8路64K PCM信号。当然线路接口单元也负责将从用户终端PS接收到的信号传送到CSC。

    控制单元负责CS-M的控制和管理，同时也承担基带处理的工作。

    射频单元负责将基带信号进行射频功率放大，再通过天线发射，实现对PS的业务覆盖。射频单元也负责处理从天线接收到的来自PS的射频信号，将其转换为基带信号。值得注意的是，CS-M一共有8个天线接口，需要接8根天线。实际工作中射频单元采用8天线选择发送、8天线分集接收的工作机制。射频单元在接收信号时采用了最大比例合成MRC技术，根据各路天线的信号质量赋予不同的权值，相乘后相加，具体说明如图6.4。射频单元在发射信号时，选择上一帧8根天线中接收效果最好的一根作为下一帧的发送天线。

     

    图6.4   最大比例合成技术

    另外CS-M还有供电单元，负责将本地的220V交流电源转换为CS-M正常工作所需要的电压；GPS单元，负责接收来自GPS的信号，以实现CS-M之间的同步。基站同步的机制在下一部分将详细讨论。

    3. CS-S基站功能和结构

    CS-S的功能结构如图6.5所示。从图中我们可以看到，CS-S由不同的功能模块组成，各个模块的功能如下：

    (1) 无线接口：

    对于CS-S3基站，该接口模块包括4个125mW的发射机和4个接收机。

    对于CS-S7基站，该接口模块包括8个125mW的发射机和8个接收机。

    无线接口模块基于PHS空中接口的规范。CS-S采用的是自适应天线，这属于智能天线的一种。采用智能天线技术后，天线可以主动朝着用户通话的方向去覆盖，与普通天线相比，主要优点在于：

    • 提高基站的接收灵敏度；
    • 提高基站的等效发射功率；
    • 降低系统干扰，提高信噪比；
    • 增加系统容量，提高频谱利用率；
    • 扩大基站覆盖范围。

    关于智能天线的原理以及与普通天线的比较，将在下一节中介绍。

    (2) 无线信号处理和无线控制：

    该模块实现无线侧的呼叫控制协议以及执行基带的TDMA/TDD处理。另外该模块还实现了QPSK调制/解调和自适应天线的阵列处理。

    (3) 中心控制：

    中心控制模块负责对整个基站的控制和对业务信道的切换控制。

    (4) 线路接口：

    线路控制模块与ISDN线路连接，也就是通过ISDN线路与上级设备CSC连接，线路规范符合ISDN 的U接口。

    (5) 电源接口：

    电源模块从外部输入220V交流电源，产生稳定的直流电源供基站本身的工作。

    (6) 维护接口：

    当需要对基站进行本地维护时，可以通过网管电脑的RS232接口与基站的维护接口连接，执行一些本地维护的任务。

    图6.5    CS-S功能结构图

    4. 基站控制器CSC

    基站控制器(CSC)是小灵通无线网络的控制设备，使用Q.931协议，通过PRI接口与小灵通核心网络连接。每个CSC可以处理从小灵通核心网络提供过来的8个（最多达16个）E1信号，实现话路集线控制以及向小灵通核心网络发送DTMF信号等功能。CSC可以与小灵通核心网络安装在同一地点，也可利用E1传输网络延伸安装在远端。

    CSC作为基站控制器，通过ISDN U接口与CS相连。CSC可支持CS-S和CS-M这两种类型的500mW基站，目前每个CSC最多可控制28个CS。CSC采用模块化结构，一个CSC有16个通用插槽、2个专用插槽和2个电源插槽。

    图6.6    CSC功能结构图

    CSC的功能结构如图6.6所示，图中各部分的功能如下：

    (1) 控制模板（CCM）

    CCM板是CSC的控制模块，它的主要功能有：控制时隙分配和交换，控制整个CSC系统的工作状态（包括系统配置、系统诊断）等，收集告警功能信息，并传递给网络管理系统，终接E1MW、CSIF接口模板的控制通路。

    (2) E1中继接口板（E1MW）

    CSC通过E1接口与小灵通核心网络连接，在E1接口上传递所有的控制和话音信道信息。每块E1中继接口板上可提供8个E1接口。

    (3) CS线路接口板（CSIF）

    CSC通过CSIF板上的U接口与CS连接，一个CSC最多可支持14块CSIF板。

    (4) 电源模板（PSM）

    电源模板将外部输入的-48V电压转换成CSC的正常工作所需的+5V、-5V电压。

    6.2.3 基站关键技术

    1．距离延伸

    在小灵通无线网络中基站控制器CSC和基站CS之间通过双绞线连接。由于传输介质双绞线的限制，CS的接入距离有限（根据ISDN的线路标准，当线径为0.4mm时，传输距离约为4.5公里）。然而在有些情况下，基站控制器CSC和基站CS之间的距离超过了4.5公里，如果增加CSC的数量，固然可以解决接入问题，但将会增加系统的成本。这时，我们可以考虑采用CSM（CS线路复用器）、CSR（CS线路再生器）等设备来简单、有效地解决传输距离延伸的问题。这样做不但简化了网络结构，而且降低了成本。

    图6.7给出了CSM、CSR的使用示意图。CSM通过E1接口与CSC连接，通过ISDN U接口与CS连接。因此，借助传输网络，CSM 可以成十倍地扩展CSC 的覆盖范围，非常适合为远距离的独立区域提供业务覆盖。CSR还是利用双绞线传输，非常廉价，可以扩充一倍的传输距离，非常适合城市或乡镇长距离的业务覆盖。

    图6.7  CSM、CSR在无线网络中的使用

    2．空中帧同步技术

    小灵通无线网络中的500mW基站CS采用空中帧同步的方式进行同步。空中帧同步方式下，每个主基站利用GPS（卫星定位系统）信号和其他的主基站保持同步，从基站通过接收来自主基站的空中同步信号，并在约定的时间调整相位和主基站保持同步。这样，主基站和与之同步的从基站构成了一个同步系统，其结构如图6.8所示。一般一个同步系统内包含40个CS。

    采用空中帧同步的基站分为5种同步类型，它们分别是：

    • Master（主基站）
    • Slave-1（第1级从基站)
    • Slave-2（第2级从基站）
    • Slave-3（第3级从基站）
    • Free-running（独自运行基站）

    系统只在Master CS处安装有GPS。Slave-1 CS是直接与Master CS同步的基站；Slave-2 CS与Slave-1 CS进行直接同步；Slave-3 CS与Slave-1或Slave-2 CS进行直接同步，且无其他CS与之直接同步；而Free-running CS无论是直接还是间接都不与Master CS同步。

     


                  

    图6.8  CS的空中同步方式示意图

    3．组控技术

    对于话务量大、用户分布密度高的区域，如城市中心、公共场所、集贸市场等人口聚集地，可采用基站的分组控制模式（组控）。组控技术就是将几个基站设为一组，共用一个控制信道。组控的目的是为了提高某一区域的话务量，而不是扩大覆盖面积，因此组控基站必须要放置在一起。具体某个区域是否需要使用组控技术以及需要多少基站作组控，可以根据当地话务量来设计。

     以500mW CS-M为例，一个单独的CS-M可提供8个信道，其中一个是信令控制信道，另外7个是业务信道，即1C7T。根据爱尔兰理论，单个基站覆盖区内可容纳的用户数如下：

    每区爱尔兰数（1C7T，GOS＝5％）＝3.738爱尔兰（查爱尔兰表，GOS表示呼损率）

    该地区所支持的用户数＝ 3.738/0.03＝124个（一般将一个用户的平均话务量设为0.03爱尔兰）

    单个基站支持的用户数＝ 124个

    CS-M可支持两个基站作组控，在组控模式下，提供的信道数为1C15T，根据爱尔兰理论计算，在组控基站覆盖区内可容纳的用户数如下：

    每区爱尔兰数（1C15T，GOS＝5％）＝10.633爱尔兰

    该地区所支持的用户数 ＝ 10.633/0.03＝354个

    单个基站支持的用户数 ＝ 177个

    由以上计算我们可以看到，采用组控技术后，覆盖区内采用组控的基站所支持的用户数几乎是单独基站的1.5倍。所以，在高话务区我们可以采用组控基站来支持高话务量。

    6.2.4 基站参数

    为了保证基站的正常工作，基站需要配置一些相关的运行参数。其中最重要的就是基站的设备号CS-ID（10mW基站设备号又称为RP-ID），此外还有基站广播的参数和切换需要的区域参数等参数。

    第四章中详细介绍了CS-ID的结构：CS-ID分为运营商编号、寻呼区编码和附加编码三部分。其中运营商编号是固定的，寻呼区编码与各个寻呼区一一对应，附加编码与寻呼区内各个基站一一对应。为了方便管理和维护基站，附加编码有特定的编制规则，其中包括了上级设备编号、基站顺序号和同步等级。

    基站广播的参数在第四章中也有详细介绍，也就是基站利用无线信道信息广播、系统信息广播、第二系统信息广播和第三系统信息广播这4种消息向用户终端广播的内容。这些信息包括基站的国家代码和系统类型、无线信道结构、控制载频结构、系统运行信息和业务管制信息。

    为了方便用户终端的切换，基站还需要告知用户终端切换模式和区域信息，这些参数的详细说明请参考第四章的相关内容。

    6.3 天线

    基站的信号需要通过天线发送到用户终端，来自用户终端的信号也是通过天线接收的。为了实现基站信号的良好覆盖，正确选择基站天线类型和参数十分重要，天线类型和参数的选择是网络优化成败的关键因素。

    天线主要分为全向天线和定向天线两大类。全向天线信号覆盖范围大，定向天线信号覆盖范围集中，因此，定向天线的增益往往比全向天线高。天线的增益越高，发射波的方向角越小，波瓣越窄，能量也就越为集中，可以覆盖的距离越远。但是同时也应该注意波瓣窄带来的一些负面效应，如天线覆盖的纵面会缩小，对其他基站的干扰会增大等等。倾角也会影响信号覆盖的范围，同样高度的天线，倾角越大，信号覆盖的范围就越集中；倾角越小，信号覆盖的范围就越广泛。

    6.3.1 天线类型

    10mW室内型基站采用2.14dBi全向天线，10mW室外型基站主要采用4.5dBi/7dBi全向天线。500mW 基站常用的天线类型有9dBi全向天线，其下倾角分别为5°、10°、20°，10dBi 定向天线，12dBi双极化天线以及自适应天线。

    以下给出了几种500mW 基站常用天线的方向图。

    (1) 9dBi全向天线（下倾10°）的方向图

    水平瓣宽：360°；垂直瓣宽：11°

    图6.9  9dBi全向天线的方向图

    (2) 12dBi（2单元）定向天线

    水平瓣宽：67°； 垂直瓣宽：28°

      

    图6.10  12dBi定向天线的方向图 　

    6.3.2 天线参数

    表6.3中列出了几种常用的500mW基站天线参数表。

    表6.3  500mW基站常用天线参数表

    项目1.9GHz 9.5dBi电下倾5度1.9GHz 9dBi电下倾10度1.9GHz 8.5dBi电下倾20度1.9GHz 10dBi定向
    频率范围(MHz) 1880~19301880~19301880~19301880~1930
    带宽(MHz) 140140140140
    增益(dBi)9.598.510
    驻波比 <1.5:1<1.5:1<1.5:1<1.5:1
    垂直瓣宽 9度11度12.5度63度
    水平瓣宽360度360度360度65度
    极化 垂直 垂直垂直垂直
    功率容量 100W100W100W500W
    主瓣下倾 5度10度20度0度
    重量(kg) 0.550.550.550.4
    支架重量(kg) 0.20.20.20.2
    天线罩材ABSABSABSABS
    抗风速241(kmph)241(kmph)241(kmph)241(kmph)
    温度-20~50摄氏度-20~50摄氏度-20~50摄氏度-20~50摄氏度
    湿度20~95%20~95%20~95%20~95%

    6.3.3 智能天线

     近年来，智能天线逐步得到了人们的关注。智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域，后来被引入移动通信系统。对于智能天线技术，概括来说包括以下几个方面：波束成形（Beam Forming）、自适应波束控制、空间分集（Space Diversity）和空分多址接入技术（SDMA- Space Division Multiple Access）。自适应天线技术是智能天线技术中的主要类型。目前，自适应天线技术已经成功应用在小灵通无线网络中，它在很大程度上提高了小灵通无线网络的性能，弥补了网络先前的不足之处，如基站信号覆盖范围小、信号不稳等，为提高小灵通无线网络在现有移动通信网中的竞争力提供了很好的保障。

    用于小灵通无线网络的自适应天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线，每个天线单元之间间隔一定的波长。阵列天线是自适应天线技术实现的基础，它实际上采用了空域和时域的二维信号处理技术，而不只是以前的一维时域信号处理，因此它比起先前提到的普通天线无论在性能上、功能上，还是在资源利用率等方面都有了极大的提高。

    虽然天线阵列是自适应天线中很重要的设备，但自适应天线技术最重要的部分还在于基带处理部分。基带部分将天线阵列接收到的用户终端信号进行加权和合并，基带处理部分采用复杂的自适应算法，从而使信噪比最大。自适应天线将各天线接收的用户终端信号进行处理后，计算出用户终端的位置（利用各天线信号的相位关系），就可以高速跟踪用户终端的位置及移动。发送信号时自适应天线通过对用户终端所在位置的检索，天线阵列就能以N倍于普通天线的（N为天线的根数）发送能力进行发送。这样，如果要达到与普通天线同样的覆盖效果，自适应天线发送信号强度就可以降低到原来的1/N。

    图6.11  全向天线的信号覆盖 　

    图 6.12 自适应天线的信号覆盖

    采用自适应天线技术的基站能够根据接收到的用户终端（PS）的方向，自适应地生成接收和发射波束方向图，用以抑制外来的干扰信号，其抑制干扰的效果可以比较图6.11和图6.12。图6.11为采用全向天线的基站的信号覆盖情况，图6.12为采用了自适应天线技术的基站的信号覆盖情况。可以看出自适应天线的发射波束能指向通话中的PS的方向，降低了对其他方向的干扰。

    6.4 小结

    构成小灵通无线网络的主要设备有用户终端、基站和基站控制器。

    基站主要分为500mW CS和10mW RP两种类型。500mW基站主要是完成大面积业务覆盖，而10mW基站主要用于补盲和室内覆盖。

    距离延伸、空中帧同步和组控技术是基站在实际运行时需要采用的技术。距离延伸扩展了基站与基站控制器之间的距离；CS采用空中帧同步技术，从而实现全网同步；组控技术用来提高话务量。

    天线的种类很多，根据基站和具体环境有不同的搭配。

    智能天线在小灵通无线网络中的应用可以改善系统容量，增大覆盖范围，并且还可以降低系统干扰，降低系统成本。


    第七章  无线网络规划

    7.1  概述

    在小灵通系统中，无线网络承担着业务覆盖的重任，无线网络的覆盖质量与用户的使用效果息息相关，加上无线网络设备多，运行环境复杂，无线网络的建设和维护成为运营商关注的焦点。

    以运营商的角度分析，与小灵通无线网络相关的工作从时间上可以分为如图7.1所示的三个阶段，其中前两个阶段属于小灵通系统运营前，后一个阶段属于小灵通系统运营后。

     


    图7.1 小灵通无线网络的工作分段

    运营商最关心系统的投资回报率，希望得到的是最佳投入产出比，也就是以较低的成本获得相对较高的系统性能。因此在不同的阶段，运营商关注的问题是不同的，例如在运营前运营商主要关注以下四个问题：

    (1) 覆盖效果（覆盖范围和覆盖率）

    (2) 基站的数量

    (3) 基站的位置

    (4) 基站的参数

    这些问题进一步的说明如表7.1所示，而设备厂商就需要针对运营商关注的以上问题在各个工作阶段中给予一一解答。当然，以上问题是互相影响的，比如基站的数量与覆盖效果之间关系就很密切。在经过设备厂商和运营商的互动后，最终双方将达成共识。

    表7.1   运营商关注的问题

    问题阶段部门直接影响间接影响
    覆盖效果网络规划设计、规划成本及性能 
    基站数量网络规划设计、规划成本性能
    基站位置网络建设工程建设性能成本
    基站参数网络建设运行维护性能 

    无线网络规划是构筑小灵通无线网络的第一步。小灵通系统无线网络规划基于PHS空中接口特性，结合无线环境的特点，主要考虑如何实现业务覆盖和话务覆盖。小灵通无线网络建设是根据网络规划实施的，无线网络规划的好坏，直接影响了小灵通系统的成本和运行效果，关系到运营商的投入产出比，自然非常关键。无线网络规划的好坏也会影响日后的扩容和网络优化，良好的无线网络规划可以大大降低网络优化的工作量，因此，从某种程度上网络规划也可以认为是一种设计优化。

    小灵通无线网络规划实际上是一个迭代过程。在这个过程中，规划人员必须注意平衡网络的覆盖需求、话务量需求以及在频率复用上要规避的同频及邻频干扰，此三大要素构成一个环状的流程图，如图7.2所示。

     


    图7.2 小灵通无线网络的规划流程

    值得注意的是在无线网络规划流程中，第一步现场勘测只是对地形、地貌、话务和边界定义等做分区规划，并非寻找实际的站址。在小灵通无线网络规划完成后，接下来进行无线网络的建设。在无线网络的建设过程中，需要确定基站的具体位置和相关参数。

    无线网络扩容和优化工作是无线网络建设的后续过程。随着小灵通用户的增加，无线网络的扩容和优化工作将会持续进行，使得小灵通系统一直保持在最高的整体经济效益及整体用户满意程度上运行。

    7.2  小灵通无线网络规划

    众所周知，小灵通系统与日本的PHS系统有密切的联系，因此日本PHS 网络规划的方法可供小灵通无线网络规划借鉴。在阐述目前小灵通无线网络采用的网络规划技巧前，我们需要先了解一下日本PHS网络的规划思路。

    PHS技术基于微蜂窝，而微蜂窝规划思路与宏蜂窝规划思路是不同的，所以对微蜂窝无线网络特性的介绍将是理解规划思路的切入点。大容量、高话务密度的微蜂窝组网技术关键在于配合实际地貌的无线环境处理手段。有GSM或CDMA微蜂窝组网技术经验的读者会发现PHS和GSM与CDMA在此有许多相通之处。

    7.2.1 传统PHS网络规划

    PHS系统的设计宗旨之一即是简化无线网络的规划。正如本书第二章所述，PHS系统不但频率资源处理采用动态时隙分布机制，而且信道编码的纠正机制及语音编码的压缩方式上与其它第2代移动通信系统有较大不同。在移动信号的切换处理上，PHS系统更没有采用其它移动通信系统所使用的邻小区列表，而是采用无线信号重叠覆盖及多次重复呼叫的方式来确保通信质量。

    由于PHS系统的以上特点，传统的PHS无线网络采用微微蜂窝机制（10mW小功率基站）构筑，期望网络覆盖可以像搭积木一般灵活，基站布置能随意挪动并且实现重叠覆盖，达到实际覆盖与话务需求相匹配，相应的网络规划流程如图7.3所示。

     


    图7.3 传统PHS网络规划流程

    这个规划流程最大的特点就是简单，简化了组网的复杂性。这个规划流程与GSM及CDMA等宏蜂窝的网络规划相比，差别很大。

    例如在做宏蜂窝组网时，因为各个基站站址高度较高，覆盖范围较大，因此在基站建设前就可以依据一些常用的无线传播模型加上电子地图，在规划软件上预计网络的性能效果。相反微蜂窝基站的站址高度通常较低，所以其覆盖范围深受到周围复杂建筑环境的影响，很难做有效的建设前估计。如果要相对准确地估计网络覆盖性能，微蜂窝网络需要有地貌信息的高精度地图的配合。

    此外，宏蜂窝网络里的频率（CDMA的PN）规划及优化、切换电平优化、切换时钟的优化和邻小区列表等运营前工作皆不在PHS网络上进行。PHS网络运营前唯一要做的优化工作是“覆盖测试”。因此在覆盖效果上，PHS网络也靠实际测试来做站址调整。

    传统的PHS网络规划采用这样的方法估算基站数量和覆盖效果：规划时首先做大致的地形和地貌区域分类，利用统计值估算出基站数量。在这个估计值上在加上一定的冗余，产生最后的基站需求数。然后不同的区域再应用不同大小的“规划尺”来“拼”起来，代表覆盖效果。规划尺大小与区域地形和地貌有直接关系，基本上是根据平均站点密度及平均站点高度两个假定参数确定的。做分区式的初步规划时候，不需要准确地划分出各个基站的覆盖范围。

    例如，我们可以把区域分成高、中与低密度三种类型：建筑物大的密度高，植被多的密度高；相反建筑物小的密度低，植被少的密度低。不同的区域在不同的天线下，覆盖效果是不同的，对应不同大小的规划尺，如表7.2所示。

    表7.2   区域规划尺

    密度4.5dBi 全向天线7 dBi全向天线10 dBi定向天线
    高A 尺C尺F尺
    中B 尺D尺G尺
    低-E尺-

    利用规划尺和区域面积可以估计出基站数量，如表7.3所示。估计基站数量是表中基站总数的1.2到1.5倍。

    表7.3   估计基站数量

    地区密度区域面积规划尺面积数量
     室外高XHA XH/A
    中XM B XM/B
    低XLC XL/C
    点状 Y
    室内 Z
    基站总数X+Y+Z

    规划时使用不同大小的规划尺来代表不同的区域和覆盖效果，在地图上拼接，如图7.4所示。

     


    图7.4 用规划尺把覆盖区“拼”起来

    经过以上网络规划流程后，将进行网络建设：先安装基站，再在实际覆盖测量的基础上做挪动、加站补盲等工作。也就是说，完成覆盖设计后，话务量的设计在系统运行后再加以调整。网络建设完成后经过系统集成和排障，系统即可投入运营。

    这个简单的规划流程存在显著的缺陷。例如，基站的挪动是网络建设的一个重要步骤，可是，当基站站址协商出现问题时，或是原定的安装点因供电、接地或其它工程及商务因素而不能得到时，网络质量将受到直接的影响。另外，由于没有类似宏蜂窝系统的仿真计算手段，此种网络规划很难在初期就能给出一个科学的网络覆盖效果估算，而没有估算在网络建设投资评估上就很难有量化比较的空间。

    从大量的应用经验来看，这种规划流程并不能达到预期的效果，主要原因是无线信号传播的环境太复杂。举例来说，难道全中国的地貌只分为三种区域：高、中及低密度区吗？那么重庆市的山坡地形上的高层建筑覆盖如何规划？上海市南京路步行街又算什么密度等级？日本的高密度区与中国的高密度区在地形和地貌上的特性一样吗？特别是现在大量使用500mW基站组网后，传统的PHS无线网络规划的前提已经发生了变化，需要新的网络规划手段来适应这种变化，相对的也让网络规划及优化的手段变得复杂了许多。

    7.2.2 无线网络规划的主要步骤

    科学、高效的小灵通无线网络规划必需吸取传统PHS无线网络规划中的精髓，同时解决其弊端。在借鉴了宏蜂窝系统的规划设计后，最新的小灵通无线网络软件已经可以根据复杂的地形、地貌和站点特性等来估计覆盖率，还可以估计出用户量上升后会产生的干扰水平。结合系统性的勘点原则以及精密地图，规划与站址选择可以很科学地“预勘”出来。在站址协商出现困难时，规划及勘点原则提供了挪点及覆盖效果的具体指导。


     


    图7.5 小灵通无线网络规划的规划流程

    图7.5所示的是一个平衡话务与覆盖的具体规划流程。在这个规划流程里，许多关键的步骤需要借助于设计软件进行，从而弥补了传统PHS网络规划上的缺陷。例如，利用设计软件可以通过量化的手段计算出覆盖效果，覆盖计算软件在计算时考虑了地形、地貌、天线类型、站址相对高度和覆盖信心值等参数。有了量化的覆盖指标，我们就可以将此数据与实际覆盖测试挂钩。久而久之，设计人员在规划期间即可有效地估计其覆盖效果，做为网络投资的参考。

    图7.5对应的规划流程也继承了传统PHS网络规划的优势。此规划流程不求在复杂地形上对个别的基站做绝对的覆盖计算，而是以区域内的基站密度统计作为衡量的指标。基站密度与传统规划上“规划尺”的意义相等。有了基站密度目标，又有了分区后的区域大小，具体的基站数即可以类似于表7.3的方式计算出来。

    要想准确地预算基站投资规模，规划区的大小也是一个关键因素。图7.5 对应的规划流程是用GPS定位仪在一般的地图上测量区域大小的。如果有精确的电子地图，此工作可以在电子地图上描绘出来，然后用市面上现有的地图处理软件把面积计算出来。设计人员要注意规划区不能做得太小，不然会失去此规划手段在统计上的正确性。例如在500mW基站的规划上，适合操作的区域大小建议控制在1到4平方公里。

    图7.5中的阴影部分对应的是规划时要设定的关键信息，也是最不容易预测正确的部分，对设计人员的经验和判断力是一大考验。一个有效的解决方案是举行设计审核会，集中各方面的经验及知识做最佳的平衡。

    经过上述规划流程后的得到结果是计算出在某个区域内具体的站点数多少，站点高度多少，天线种类等，作为后期工程实施的基础。这个步骤所产生的基站密度、高度、天线种类和环境模型等可以直接作为下一步干扰分析的基础。

    话务与覆盖在小灵通无线网络上是相辅相成的。完善的无线组网的最终目的是在一定的投资额限制下达到最高的终端用户满意度，从而实现最佳的投入产出比。在网络建设初期，运营商常常会面临全网覆盖上的不足，因而必须对无线网络所要覆盖的区域做效果上的取舍。例如，在城市用户最密集的地方，覆盖要最好，使终端用户对网络的投诉降至最低。在用户稀少的区域，可以运用站点高度及天线来扩大其覆盖范围，这个观念已经在图7.5的流程上得到体现。

    完成一个平衡覆盖及话务需求的规划设计，并经过运营商各个角度的认可之后，工程人员就可按照规划来做具体点位的勘测与施工。勘测与施工的流程与传统规划手段的“安装及勘点”步骤一样。每个点位将以规划信息做为网络设计基础，项目负责人也用此规划信息来控制勘点质量。在工程实施期间许多基站站点会因为无法控制的原因而作设计上的修改，这时设计人员能够按照现场的修改需求，运用规划资料来做宏观上的质量把关。

    7.2.3 建立有效覆盖模型

    无线信号覆盖的效果是无线网络规划的重要一环。市面上有许多宏蜂窝网络的规划软件可以计算出无线信号覆盖的效果。在提供充分地理信息的前提下，宏蜂窝规划软件一般利用Hata等常用的传播模型来模拟基站覆盖的效果。但是，这些常用的传播模型大多适用于宏蜂窝的覆盖范围，也就是在离基站一公里以外的区域。

    针对微蜂窝传播特性也有许多以实测为基础的模型，例如Akeyema 及Kaji等就是以类似的概念做了以日本实测数据为基础的传播模型。但是，微蜂窝信号传播与其所在的环境关系紧密，以上针对日本的传播模型在中国基本上不能直接应用。

    由于微蜂窝的信号覆盖与其所处复杂的地貌息息相关，覆盖设计软件的计算策略就必须有所不同。针对中国的环境特点，图7.6展示了一个可以用于计算微蜂窝覆盖效果的计算模型结构。计算基础仍然是基于链路预算，与宏蜂窝计算策略不同的是，它把复杂地貌的影响以类似于计算快衰落特性的统计方式处理。整个链路计算的统计特性囊括了所有变量的统计特性，包括快衰落、地貌和穿墙渗透特性等。

    在宏蜂窝网络覆盖的计算上，网络特性可以用包含多个确定参数的多项式来描述，再选择一个无线传播模型，加上若干修正因子，就可计算出一个与实际测试结果有一定均方差的模拟结果。图7.6所指的计算模型的计算策略是宏蜂窝统计算法的延伸。例如，如果在设计时只是简单地提到无线信号穿过一堵墙会耗损几个dB，而墙的描述、窗户大小的描述、墙的类型和建筑的类型等参数都不与这个耗损值做统计上的连接的话，那么此模型在计算微蜂窝室内覆盖效果时自然误差非常大。更恰当的做法应该是对这个建筑物的墙做统计描述：根据对这个建筑的具体描述，信号通过这堵墙平均耗损可能是XdB；耗损值在YdB和ZdB之间的几率是90%。

     

    图7.6 一个适合微蜂窝覆盖效果计算的计算模型结构

    当所有的变量都依照大量实际测量的数据做出统计模型后，整个链路耗损计算将不是一个单纯的平均值，而是一个组合的总概率分布密度函数及累计分布函数。在这个基础上，只要有边缘信心指标，整个链路耗损的冗余即可计算出来。用积分的方式，整个覆盖面积内的总覆盖信心值也可以计算出来。这里的信心值即是通常所说的覆盖率的概念，可以经过大量的实测来验证。

    在计算模型中考虑了无线信号的传播模型，也就是第二章提到的大尺度衰减和小尺度衰减。大尺度衰减对应高斯分布，主要区域类型有：密市区、市区、市郊、乡村、公路、高山、丘陵、河/湖边、特殊土壤；小尺度衰减对应非高斯分布，如瑞利衰减，主要考虑室内传播因素：墙厚、植物、雨衰。

    图7.6计算模型的覆盖计算准确性主要在于其使用的统计模型。由于微蜂窝的传播特性与周围复杂环境有密切的联系，因此工程师可以针对周围环境做统计分类。在详细分门别类后，每类影响因素皆可针对性地以实际测量数据（也常被称为电测）做其相对的概率分布密度函数及累计分布函数模型。例如，在许多与地貌及地形相关的变量上，其统计模型特性接近于高斯分布，而其它一些变量的统计特性可能更接近瑞利分布。

    7.2.4 确定基站覆盖范围

     

    图7.7 典型PHS微蜂窝全向基站下行信号强度

    前文中已经提到，微蜂窝的覆盖范围与其环境有着极其密切的关系。除了环境之外，基站类型、天线类型、站点位置乃至基站及手机内部的设置等都会影响到到它的覆盖特性。另外，大多数市区的微蜂窝的实际覆盖形状根本不像“蜂窝”。我们会看到许多时候小灵通系统最佳的市区站点布设是配合地形地貌的覆盖形状。

    图7.7是一个典型微蜂窝基站的下行信号覆盖状况。此基站为500mW基站，采用的是9dBi、全向、10度角电下倾的天线，安装位置在离路面高度大概有25米，具体站址位置可参照图7.8。

    1  室外覆盖效果

    图7.8中可以看到室外街道至少有四条机动车道，还有自行车道及人行道。建筑密度在中国城市来说只能算中等偏稀。街面人流量虽然看起来很多，在中国城市来说只能算中等的室外话务密度。在这个基础上，图7.7显示在基站附近采到的场强数据。

    图7.7中“视距内街道”对应是一个最典型的视距内街道的信号覆盖曲线。图7.7是在图7.8及其它类似城市的街面采集到测试数据后，再加以统计分析，各个不同来源的数据已经在天线高度及种类上做了必要的统计上修正。从图7.7可看出信号在140米左右出现了一个转折：当距离在转折点以内时，信号衰耗基本上与距离的负 2次方成正比；而在转折点距离以外，信号衰耗基本上与距离的负3次方成正比。从第二章我们知道，无线电波在自由空间中传播时，其衰耗与距离的负2 次方成正比。因此，转折点具体的意义是当手机与基站天线两者之间的第一菲涅耳区没有受到阻挡时，信号的传播特性接近于自由空间传播；而在转折点以外，就算手机与基站天线有视距关系，但由于手机已经超出第一菲涅耳区的范围，所以耗损特性显著增大。通过以上的说明，读者不难想像这个转折点会因为天线的高度而改变：基站天线高度离地面越近，转折点离基站的距离越近。

     


    图7.8典型市区测试环境

    基站的高度与街面所测到的信号强度成正比。宏蜂窝工程师在典型中国市区使用的基站高度与信号强弱的关系式如下：

    ΔP =  23 * log(Δh(%))

    ΔP是信号强度的变化，Δh(%)是以 %为单位的基站高度的变化。这个公式在经过大量的测试后发现也适合在安装在市区的屋顶式微蜂窝基站（如图7.8的站点）。但是，话又说回来，整个小灵通无线网络不能千篇一律地用一种站点勘测模式（简称勘点模式），所以站点与高度的关系会因其使用的天线及安装环境有所区别，这种变化在网络设计人员掌握其背后道理后可以灵活应用在自己所需要的环境里。本书网络优化案例章节会提及许多必须控制信号传播距离的应用范例，灵活及合适地控制站点高度将是设计人员的一个重要手段之一。

    2     室内覆盖效果

    小灵通系统通常定位为本地固话环路的无线延伸。因为这个市场定位，使得终端用户对小灵通系统的室内覆盖效果有一定的期望值，再加上小灵通系统的1900MHz信号本身与宏蜂窝900MHz的信号在折射、绕射效果上有一定差距，所以小灵通系统的网络设计者在设计室内覆盖效果，尤其是以室外基站提供室内覆盖上，更要花些心思。

    室内信号覆盖的计算策略主要是对各种建筑物的窗、墙、门等做分门别类，然后对各种窗、墙、门的组合，采集大量的实测数据后，做统计分析，建立概率分布密度函数及累计分布函数模型，这也就是在图7.6中“建立统计模型”的步骤。有了这些模型，量化的信号强度就可以根据链路预算及选择的覆盖信心值计算出来。

    表7.4   典型室内覆盖测试结果

    覆盖目标平均标准差覆盖信心值
    商户一楼室内离墙5米内41.8dBμV10.4dBμV90.6%
    商户一楼室内离墙10米内36.8dBμV11.4dBμV76.5%
    住宅区一楼室内离墙3米内36.2dBμV9.3dBμV73.9%
    住宅区一楼室内离墙5米内36.2dBμV9.3dBμV72.0%
    住宅区一楼与二楼差别6.3dBμV1.1dBμV-
    住宅区二楼室内离墙5米内42.5dBμV9.4dBμV92.5%
    住宅区二楼室内离墙10米内37.5dBμV10.3dBμV79.5%

    区域总覆盖信心值：83%

    表7.4是在中国某个城市在网络建设初期（放号前）进行室内覆盖测试后测量得到的结果。这个区域的基站都是架设在建筑屋顶，类似图7.8中的基站。测试人员在这个区域内的各种建筑物的室内做了大量的覆盖测试。覆盖测试时不只对盲区测试，也不只测窗边，而是采取随机选点的方式（具体测试方式参考本书附录），测试点基本上是均匀分布的。在这个案例，我们是以PHS测试仪读数为29dBμV以上才认为有覆盖（其实这个29dBμV值本身是非常保守的）。在这个区域测试得到的总室内覆盖率为83%，对这个测试数据的正确解释参考本书附录，在此我们以一个简单的数字示意。今天这个网络已通过后来的优化及扩容达到高于90%的室内覆盖率。

    表7.4首先显示了信号的标准差。在组合多个概率函数密度分布之后（包括移动时的瑞利分布），无线信号最终的强度分布基本上是接近于正态分布。这个分布特性在大量测试及统计分析后也得到验证。有宏蜂窝组网经验的工程师会发现信号强度分布的标准差值与室外设计时所用的指标不同。在室外，我们通常是在一个移动环境做测试，而室内测试缺少移动环境，但是室内信号的小尺度多径效应以及建筑物的特性等会造成在静态时信号就有显著的变化。

    表7.4显示，在基站都是布置在屋顶的状况下，室内信号必须从室外渗透至室内。1900MHz信号在进入室内后，距离窗户5米及距离窗户10米的信号可以差别将近 5dB。这就造成了住宅区内一楼室内通常是覆盖比较差的地方。

    通常，无线工程人员常会被问到“这信号穿透那一堵墙要衰耗几个dB？”面对这个问题，在现场的RF工程师可能回答：“按照这种这种建筑的特征，信号从室外到室内平均的衰耗值为15dB。”但是这种简单的回答不能够做为网络设计的一个原则，设计人员必需考虑耗损值分布的标准差，进而决定在链路预算要保留多少冗余。冗余里面的每一个dB都会引起覆盖率的显著变化，而这个覆盖率又直接与终端用户对这个网络的质量感受息息相关。因此，网络设计人员针对每一个dB都要珍惜，不能用“一个dB算不了什么，穿透一堵墙都得要15dB”的观点来处理无线信号。由于统计的效应，个别一、两个信号存在1dB的差别也许终端用户感受不到，但是整个无线网络上千个基站统计下来，一个dB的变化对整个网络所造成的质量影响就很可观了。这点最容易在覆盖信心值，也就是通常所说的覆盖率这个概念上得到体现。

    图7.9展示了建筑特征分类时可能遇到的几大类典型地貌。每种地貌都可以用大量的实测数据来校正其概率分布密度函数模型。建筑类型分得越细，统计模型种类越充分，工程师就越有手段完善覆盖上的规划，这也需要设计人员针对各种地貌的选择能力上有一定的水准及经验。比较起一些依赖经验完成网络规划的做法，这种素质的培养还是值得投资的。新手能够在短时间内上任，不犯大错误；有经验的工程师则会做得越多，做得越好，还可以把经验与他人分享。

     

    a）市区商业街

     

    c）政府大楼建筑群

     

    e）自建民楼

    图7.9 各种典型的地貌

    7.2.5 干扰分析

    前面提到小灵通系统的干扰主要是来自其他基站和终端的同频干扰。从基站角度分析，同频干扰分为CCH上干扰和TCH上干扰：

    CCH上的干扰有两种情况，一种是下行链路，不同基站同一时间发送LCCH而产生的干扰；另外一种情况是基站下行信号与其他基站下终端的上行信号产生干扰。

    TCH上的干扰是不同的终端使用了同一频点，这种干扰由于PHS空中接口的DCA机制而较少发生。

    CCH上干扰和TCH上干扰的产生原因和相应的对策在第八章中将有详尽的说明，也就是说通常是在网络优化阶段加以解决。解决CCH上干扰的主要方法是实现系统同步，第六章介绍的基站空中帧同步就是实现系统同步的典型方法。在网络规划阶段主要考虑避免TCH干扰，设计重点如下：

    (1) 传播模型的选择（地形、地貌、天线高度）

    (2) 天线种类

    (3) 整个网络的基站分布状况（基站密度）

    (4) 手机及基站性能

    (5) 有效覆盖范围

    (6) 可能发生TCH干扰的位置

    (7) 终端用户的使用特性（移动、静止、室外、室内等等）

    设计人员可以在勘测地形、地貌，估计出有效覆盖范围及可能发生TCH干扰的位置后，按照上述思路给出当地基站密度、高度和天线种类的上限，列出各个区域的地形、地貌、区域大小、天线高度、天线种类、基站种类（1C3T，1C7T等）及基站密度。统计了这些信息之后，设计人员可以分析网络设计是否符合抗干扰的需求，或是进一步到现场做评估分析，最后给出一个安全上限（例如此区域基站密度不要超过每平方公里22个…）。

    有过GSM或CDMA组网经验的工程师可能会认为，从TCH干扰的角度看，布置基站是否有密度上的限制呢？通过利用附录中的无线网络仿真工具，我们发现平均传播系数为3.5（信号衰耗与距离的负3.5次方成正比）的无线网络明显比系数为3.0的网络有更多的空中资源复用。但是，图7.7所示的微蜂窝传播特性曲线表明传播系数在基站150米以外接近3.5，但是在基站120米以内传播系数大约是2.0。如果我们一味地提高网络内的基站密度，会使大部分干扰信号在传播系数为2.0的区域传播，带来网络内严重的TCH干扰。这个问题也是可以解决的，如果我们把基站的高度降低，图7.7的整条曲线会下降，而且转折点也会往基站靠拢，有效地避免信号过多地在传播系数为2.0的区域传播。总而言之，如果设计人员能用RF网络设计的手段有效地把干扰信号封锁住的话，无线网络的基站密度是可以做得很高的。

    7.2.6 小灵通无线网络规划范例

    下面我们介绍一个小灵通无线网络规划报告范例。在这个范例里，无线网络规划的第一步是要根据地形、地貌、话务特性等对这个城市做分区的工作，每个区域的大小尽量控制在1平方公里至4平方公里之间。分区的结果如图7.10所示。

     

    图7.10 某城市的规划分区

    表7.5的内容是图7.10中各个区规划后的结果。表中列出了每个区域的话务等级（在此表中分为A+、A、 A2、 B、 B2 及C区）、地貌（市区、稀疏市区、市郊及乡村）、地形（这里只有平原）、墙的模型、区域大小、基站密度和基站高度，这些资料是工程实施时所参考的标准。

    表7.5   区域规划表

    序号区域编号区域类别高斯变量一高斯变量二莱利变量一面积（平方公里）基站平均高度基站密度
    N02三眼桥A市区平原中墙4.40 18 20
    N03中百车站路商场A市区平原中墙1.85 16 22
    N08市八区院A市区平原特殊墙2.27 20 22
    N11自治街、顺道街A市区平原特殊墙1.47 20 26
    N14亚洲大酒店A市区平原中墙3.99 20 21
    N15营房南北村小区A市区平原中墙3.68 20 14
    N05市青少年宫水上世界A+市区平原中墙4.72 14 17
    N06宝岛公园、西湖、北湖A+市区平原中墙1.38 1014
    N10武广、庄胜崇光百货(解放大道以南)A+市区平原中墙1.17 16 24
    N12武汉王府井百货、江汉路A+市区平原中墙1.94 16 31
    N13汉正街A+市区平原特殊墙2.18 16 22
    N01罗家庄、古德寺A2市区平原特殊墙2.15 18 19
    N04中百古田二路购物广场A2市区平原特殊墙5.62 20 12

    在表7.5数据的基础上，可以计算出每个区域的覆盖率（利用7.2.3节中提到的覆盖模型），在规划报告中以下列方式做总结：

    • 以市区环路内300km2为重点
    • 室内/室外测试指标参照（参见附录）
    • 覆盖规划策略
      • 话务量越高，覆盖指标越好
      • 室外规划：> 95%
      • A+话务区室内规划：> 90%
      • A话务区室内规划：总平均 > 90%
      • A2话务区室内覆盖规划：总平均 > 88%

    话务也是一个决定基站密度的重要环节。在这个范例中，我们分了六个话务等级（A+、A、 A2、 B、 B2 及C），每个话务等级对应一定的话务密度目标值（以忙时每平方公里Erlang为指标），这个工作基本上就是图7.5里“定义话务类型，话务参数”那一项。对任何一个新规划的城市来说，这个步骤存在了最大的不确定性。图7.11展示了话务规划时预测与实际情况的可能差别。

     

    图7.11的“PHS原规划”是按照六个话务等级所区分的结果。图7.11横向坐标“相对密度”为1时是一个典型住宅区的忙时话务密度。按照原规划，在市区最繁忙的区域，A+区，其话务密度是典型住宅区的2.75倍。但是，当我们做了更详细、更准确的PHS实际用户估计后，发现此城市某商务区在忙时其话务密度可能高于典型住宅区的6.7倍之多！当然，在实际话务没有凸现之前，任何运营商都不会贸然地投资能支撑6.7倍于典型话务密度的设备。针对图7.11所显示的可能潜在话务，我们做了相应的调整：

    图7.11 规划与实际话务分布的潜在差别

    • 武广附近比初次规划增加32%站点数
    • 汉正街附近比初次规划增加35%站点数
    • 江汉路附近比初次规划增加24%站点数
    • 增加站点都是吸收话务的采用定向天线的基站

    具体增加基站的百分比需要到现场勘测。勘测考虑的因素包括基站可安装位置、室内基站的话务吸收量以及是否会造成频率使用上或上层通讯协议上的瓶颈等。

    如图7.2所显示，除了覆盖及话务的考量，还有一个要考虑的因素是频率复用问题，也就是小灵通无线网络的干扰因素。在网络规划时主要是以地形、地貌、天线种类、基站高度和基站密度等因素来实施干扰控制。通过这些因素的组合，再配合测试案例或是仿真软件的模拟分析（参见附录二），网络规划人员能从表7.5上分析出可能出现话音载频干扰的区域，进而进行相对的站点高度、站点密度和天线类型的调整。表7.5的基站密度、高度和天线种类等已经依照这个方式做了适当的调整。

    其实，在表7.5定案之前我们遇到一个挑战。此城市的马路特别宽，但是在这些马路两旁又往往是繁忙的商铺，每天忙时的步行人流量非常可观，基站密度需求高。宽大的马路造成信号在马路上漂离过远，非常不利于频率复用。为了克服此问题，我们在这类高话务的路段采用低高度的定向天线，使优化期间可以以天线倾角及波瓣来选择平衡覆盖、话务、频率需求及切换效果等。定向天线在小灵通无线网络里的使用与宏蜂窝有些不同，这点会在本书后面的章节里有详细的介绍。图7.12显示了在这个规划范例里主干道与规划区的地理关系，不同深浅的干道颜色代表不同的话务密度。工程人员在干道两旁以定向天线覆盖为主。

    图7.12主干道与规划区的地理关系

    在覆盖、话务及干扰因素都得到平衡之后，此网络初步规划已经完成。运营商认可此方案后即可进入图上预勘点或及详细现场勘点的工作。

    7.3 基站参数规划

    基站参数规划主要是确定基站的CS-ID。在本书的第四章中已经提到，CS-ID中包含寻呼区编号和基站的同步类型。因此，基站参数规划主要是确定基站所属的寻呼区和基站的同步类型。

    基站的同步类型与第六章介绍的基站空中帧同步机制有关，这里就不再详述。

    7.3.1 寻呼区性能

    寻呼区是若干相邻基站的组合，这些基站的覆盖范围构成的区域就是寻呼区。寻呼区在PHS空中接口中是非常重要的区域，基站向区域内的终端广播的信息中包括寻呼区编号。终端收到基站广播的信息后，会检查寻呼区的状态。如果发现寻呼区发生了改变，就会触发终端重新在系统中登记位置信息。另外一方面，如果系统呼叫终端的话，也会在终端登记的寻呼区内所有基站中广播寻呼消息，以确保终端能尽可能地响应。

    位置登记消息和寻呼消息是在基站和终端之间传输的，存在一对多的关系，也就是说一个基站的SCCH和PCH要为多个终端服务，这样就涉及到SCCH和PCH共享资源的分配问题。因此，基站的处理能力决定了寻呼区的大小。

    如果寻呼区内基站数量较少，这样的寻呼区称为小寻呼区，这时寻呼消息能及时的下发到相关的终端，对被叫处理有利；但终端位置登记的次数会明显的增加，占用了相关的SCCH信道，引发网络拥塞的现象。反之，若寻呼区内基站数量较多，称为大寻呼区，终端位置登记的次数会将会降低，但PCH消息的数量将成倍的增加，同样会出现的网络拥塞现象。

    因此，合理规划寻呼区的大小，需要综合考虑以上两个方面的因素，做一个平衡。

    除了不合理寻呼区的大小会降低系统性能外，不合理的寻呼区域的边界也会影响系统的正常工作。假如寻呼区边界设置在步行街上，每当人们在马路两边的商店往返时，终端就要做位置登记，每次位置登记都需要占用SCCH的信道。当节假日人流密集时，就会引发网络拥塞。

    第五章分析了与寻呼消息有密切关系的PCH的动态特性，从上述分析结果出发，我们可以做以下推广：

    目前小灵通系统的寻呼区采用第5组超帧结构，寻呼区每1.2秒内的PCH数为8个，这8个PCH分别对应8个寻呼组，根据终端的号码来区别，每个终端属于一个寻呼组。每个寻呼组的处理都是独立的，互不影响。因此，一个寻呼组一分钟可发出50个寻呼消息，一个小时可发出3000个寻呼消息。

    考虑到系统中用户数众多，一般情况下认为用户是平均分布的，也就是从统计的角度看每个寻呼组没有区别：用户处理一样大，待处理的呼叫一样多。因此寻呼区的处理能力是8个PCH处理能力的总和。一个寻呼区一分钟可发出400个寻呼消息，一个小时可发出24000个寻呼消息。

    1  最坏估计

    根据寻呼区的平均呼叫量和用户的平均通话时长，可以计算出寻呼区的平均激活用户数。考虑最坏的情况，每个激活用户进行不间断通话，即一次通话结束后马上开始下一次通话，则：

    平均呼叫量 = 激活用户呼叫总量÷时间

                 = 平均激活用户数×单个激活用户呼叫总量÷时间

                 = 平均激活用户数×（时间÷激活用户的平均通话时长）÷时间

                 = 平均激活用户数÷用户的平均通话时长

    因此：

    寻呼区平均激活用户数 = （平均呼叫量×平均通话时长）÷ 时间单位×寻呼组数量

                              = （平均呼叫量×平均通话时长）÷1.2×8

    考虑无缓冲区的情况，如果呼叫成功指数为95%，则查表5.5得平均呼叫次数为0.51。

    寻呼区平均激活用户数 =   0.51×106÷1.2 ×8 =  360

    寻呼区PCH最小平均负荷为360，也就是至少可以支持360个具有平均通话时长的用户的寻呼。

    以UTStacom的无线网络设备RPC、RP、CSC和CS为例，有如下结果：

    一个RP平均有3.2个信道，可支持3.2个激活用户（考虑组控20%），其中一半为被叫，因此寻呼区最多可以有360×2÷3.2=225个RP。一般每个RPC的标准配置是带28个RP，每个RPC可以有90个信道，一个寻呼区至少可以有8个RPC。

    CS的缓冲区的容量为3，如果呼叫成功指数为95%，则平均呼叫次数为2.07，同样可以求出一个寻呼区的平均激活用户数为1463。

    一个CS平均有7.1个信道，可支持7.1个激活用户（考虑组控20%），其中一半为被叫，因此寻呼区最多可以有1463×2÷7.1=412个CS，一般每个CSC的标准配置是带28个CS，每个CSC可以有199个信道，一个寻呼区至少可以有14个CSC。

    再考虑到小灵通系统通话时间比较短（现场统计为60~70s），因此根据不同的平均通话时长t，可以计算出一个寻呼区内基站控制器的数量，如表7.6所示：

    表7.6   不同条件下基站控制器数量表

    t60s75s90s106s
    RP数127159191225
    RPC数5678
    CS数233292350412
    CSC数8101214

    另外，平均通话时长是全天的平均值，在特定的时间内会有较大的变化，而PCH性能是一种动态特性，因此还需要提供一定的裕量。分析RPC话务统计资料（该话务统计资料以1小时为单位），得到以下两个结论：

    1）单个RPC最高的1小时话务量是此RPC全天平均1小时话务量的2倍左右；

    2）RPC中最高的全天平均话务量是所有RPC全天平均话务量的2倍左右；

    CSC的情况与RPC基本一致，因此，假定平均通话时长与话务量的关系一致，也就是说最短的平均通话时长是平均通话时长的一半。为此上表的数据至少需要100%的裕量。

    2 最好估计

    从用户总量的角度分析：

    平均呼叫量 = 用户呼叫总量÷时间

                 = 平均用户数×单个用户呼叫总量÷时间

                 = 平均用户数×单个用户平均呼叫量

    这里时间的单位是天，因此：

    寻呼区平均用户数 = （平均呼叫量÷单个用户平均呼叫量）×寻呼组数量

                         = （平均呼叫量÷单个用户平均呼叫量）×8

    以一个用户每天5个通话，其中2.5个被叫计算，则单个用户单位时间（1.2s）平均呼叫量为5/144000。

    如果寻呼区是由RP组成，则寻呼区平均用户数为117500；如果寻呼区是由CS组成，则寻呼区平均用户数为477000。

    实际上，我们都知道全天的通话往往发生在几个高峰时段，例如17:00~18:00，而凌晨是不会有什么通话的，因此，我们以一小时为单位估计PCH的性能更加合理。

    假定一个用户每天的通话有50%是在高峰的一小时，则高峰的一小时平均被叫为1.25个，单个用户单位时间（1.2s）平均呼叫量为1/2400。

    可以计算出，如果寻呼区是由RP组成，则寻呼区平均用户数为9800；如果寻呼区是由CS组成，则寻呼区平均用户数为39800。

    同样的，为了保证一定的适应性，以上数据需要100%的裕量。按一个RPC支持1000个用户，一个CSC支持2500个用户计算，由RP组成的寻呼区RPC数为5，由CS组成的寻呼区CSC数为8。

    7.3.2 寻呼区规划

    综合以上因素，建议一个寻呼区包含4个RPC，不超过5个RPC；或包含5个CSC，不超过6个CSC。如果是其他类型基站，可以做类似的推导。

    寻呼区规划时候应该注意以下的一些原则：

    • 尽量保证寻呼区结构的完整和边界的平滑，杜绝寻呼区嵌套现象。
    • 注意寻呼区的边界不要在落在移动密集区，例如尽量避免以繁华的道路作为不同寻呼区的边界。
    • 有规律的人员流动最好划在一个寻呼区内，例如单位和相应家属区。
    • 留有一定的余量，考虑寻呼区内设备的扩展以及日后的调整。

    7.4  小结

    在小灵通系统中，无线网络承担着业务覆盖的重任，无线网络的覆盖质量与用户的使用效果息息相关，加上无线网络设备多，运行环境复杂，无线网络的建设和维护成为运营商关注的焦点。

    PHS技术基于微蜂窝，而微蜂窝规划思路与宏蜂窝规划思路是不同的。传统的PHS无线网络规划比较简单，现在小灵通无线网络规划借鉴了宏蜂窝网络的规划方法，已经可以根据复杂的地形、地貌和站点特性等来估计覆盖率，还可以估计出用户量上升后会产生的干扰水平。结合系统性的勘点原则以及精密地图，规划与站址选择可以很科学地预勘出来。在站址协商出现困难时，规划及勘点原则提供了挪点及覆盖效果的具体指导。

    第八章  无线网络优化

    8.1  概述

    无线网络优化是对投入运行的小灵通无线网络进行参数采集和数据分析，从中找出影响无线网络质量的因素，通过技术手段或参数调整使得无线网络达到最佳运行状态。无线网络优化在使网络资源获得最佳效益的同时，还可以帮助工作人员了解网络的增长趋势，为系统扩容提供依据。

    第一章中提到，小灵通系统主要包括核心网络和无线网络两部分，其中无线网络部分的性能优劣常常成为决定系统运行质量好坏的决定性因素。第七章中提到，无线网络规划是无线网络优化的前导阶段，良好的无线网络规划可以大大降低网络优化的工作量。但是，无线网络规划阶段不可能面面俱到，考虑不到的一些问题如无线电波传播的不确定性（如障碍物的阻碍等）、基础设施（新商业区、街道和城区的重新布局）的变化、话务负荷的变化、话务要求和用户对服务质量的要求的变化等因素，都需要依靠网络优化来解决。

    另外一方面，当网络运营商发现网络中存在诸如覆盖不好、话音质量差、掉话、网络拥塞、切换成功率低或未开通某些新功能等问题时，也需要对无线网络进行优化。通过不断的网络优化工作，可以缩短呼叫建立时间、提高通话语音质量、使得网络拥有较高可用性及可靠性、改善覆盖率、降低掉话率及拥塞率、提高接通率及切换成功率和减少用户投诉，最终让小灵通系统成为运营商和客户满意的系统。

    8.2 无线网络优化流程

    无线网络优化是一个长期的过程，它贯穿于无线网络运行的全过程。只有不断提高无线网络的质量，才能获得用户的满意，吸引和发展更多的用户。在日常无线网络优化过程中，工作人员可以通过话务统计（以下简称话统）数据和路测发现问题，当然最普遍的还是用户的反映和投诉。在网络性能经常性的跟踪检查中一旦发现话统指标达不到要求、无线网络质量明显下降或接到来自用户的反映以及网络扩容时，都应及时对无线网络进行优化。

    无线网络优化的流程如图8.1所示。从图8.1可以看到，无线网络优化需经过若干步骤，其中的关键步骤是进行网络性能分析与问题定位，而进行网络性能分析的前提是做好数据的采集工作。一般而言，数据采集包括话统数据采集、路测数据采集和设备运行数据采集三部分。

    话统数据采集可以得到无线网络的整体性能以及各个设备的性能指标，这些主要指标包括网络性能数据、信道可用率、掉话率、接通率、拥塞率、话务量和切换成功率以及话统报告图表等。话统数据采集相当于无线网络优化的初选工作，从话统数据中可以找出性能指标异常的设备，为进一步的网络优化确定工作目标。

    图8.1  网络优化流程

    路测类似于客观性测试，由无线网络优化人员根据话务统计分析的结果和用户投诉情况，利用测试仪器记录一定区域内的无线环境。路测采集的数据包括：测试路线区域内各个基站的位置、基站间的距离、各频点的场强分布、接收信号电平及质量、覆盖及切换情况和测试路线的地理位置信息等。通过路测数据可以判断基站的实际覆盖范围及干扰区域，分析干扰源；观察信令接续过程，检查切换参数；验证天线和馈线系统实际安装情况等。这样，就能正确定位掉话、切换等事件发生的主要原因和场所。

    设备运行数据采集类似于主观性测试，主要采集基站和基站控制器的运行数据。利用这些数据可以协助优化人员判断设备的运行状态和运行环境，结合话统数据和路测数据，方便对各种现象的分析和判断。

    由此可见，通过分析话务统计数据，不仅能获得各基站的参数配置和网络各项质量指标，还可以找出网络大致存在的问题。在进行有计划的路测和检查设备运行数据后，就可以得出各种问题的解决方法，提出相应的优化方案。

    在实施网络优化方案后，肯定会改变相关设备和整个无线网络的性能指标。因此需要对比网络优化前后的话务统计数据，一方面验证网络优化方案的有效性，另外一方面也可以为调整网络优化方案提供指导。

    8.3 网络性能分析

    好的网络性能（质量）是运营商业务成功的关键因素。本节将从系统的角度来阐述在运营期间如何有效地监控网络质量。这个网络系统可以分为两个层次：设备厂商所能掌握的技术子系统以及运营商所运营的更宏观的大系统。在不同的层次，由于各自负责系统不同的侧重面，所以对网络质量的监控手段有差别，采用的网络优化手段也不尽相同。基于这两个不同的层次，我们来分别分析性能监控的侧重点。

    8.3.1 宏观系统性能监控

    在经济竞争的大环境下，运营商建设网络及实施网络优化的出发点都是为客户提供更好的服务，进而提高其市场上的竞争力。提高网络性能是改善客户服务的重要手段之一，但是改善的最终目的是增加经济效益。因此，在宏观的系统层次，网络质量的评估必须结合两方面：终端用户可以直接感觉得到的网络性能指标以及与运营商经济效益相关的技术指标，也就是取得性价比的平衡，这与网络规划的思路是一脉相承的。

    为了平衡上述宏观系统的需求，运营商通常会考虑下列指标来评估网络是否已达到（或是将要达到）预计的商务目标。

    (1) 用户增长率

    用户增长率是反映小灵通网络用户发展状况的指标，同时也是反映网络运行效率的指标。用户增长率的衡量公式为：用户增长率＝网络发展用户/网络设计用户数。对运营商来说，用户增长率是最关心的指标之一，它直接体现了网络的发展潜力。

    (2) 话务量

    话务量的大小体现了网络的繁忙程度，相关指标包括网络的话务分布状况和忙时每用户话务量。话务的多少与运营商的收入有直接的联系，自然也是运营商最关心的指标之一。因此作为网络最基本的衡量指标，话务量是网络优化人员在网络优化时最关注的焦点之一。

    (3) 用户退网率

    用户退网率体现了用户对网络的满意程度，与网络的质量息息相关。当该指标较大时，反映出用户不满意网络的运行性能，运营商就必须考虑通过一定的手段来提高网络的性能。运营商不光要加强对网络的日常维护，即时解决用户投诉以提高服务质量，还要进行网络优化来进一步提高网络的性能。

    (4) 掉话率

    掉话是无线网络经常遇到的问题，也是用户投诉的热点，降低掉话率是提高网络通信质量的重中之重。掉话是指在给终端用户分配了业务信道（TCH）后，由于种种原因致使呼叫丢失或中断，无法进行正常通话的现象。掉话率是衡量网络运营水平的重要指标，直接影响着网络系统形象，必须予以重视。

    (5) 接通率

    接通率是综合反映网络质量的重要指标，也是运营商最关心的指标之一。该项指标与许多因素有关，如网络中的覆盖受限问题、容量受限问题以及各种干扰问题等都会对该指标造成严重的影响，因而接通率就象是整体网络性能的晴雨表，如果接通率正常，网络中即使存在问题，基本上也是些局部问题。对于终端用户来说，直接能感受到网络性能的好坏，也是通过该指标来衡量的，因而接通率与运营商所关心的经济效益密切相关，它的好坏直接影响了用户对网络的信任度和满意度。 

    要提高网络的接通率，就必须考虑上面提到的几种因素，即如何解决网络的容量受限、覆盖受限和降低无线干扰等，这是网络优化中需要重点考虑的几个因素。

    (6) 信号覆盖率

    覆盖可以从两个方面来考虑，一是面积覆盖，二是话务覆盖。面积覆盖是指在低话务密集区所作的覆盖，它的目的是为了消除覆盖盲区。话务覆盖是指在中高话务密集区域所做的覆盖，它的主要目的是吸收正常的话务，减少呼叫损失率。在开展业务的范围内，我们应尽可能地减少盲区，扩大网络服务范围，提高网络运营效率。

    运营商需要及时倾听用户的反映情况，加强信号覆盖率测试，结合业务发展的总体需要，提高网络的覆盖率。关于信号覆盖率的测试方法，请参见附录一。

    (7) 切换率

    切换率即切换成功率，是指基站在越区切换时成功切换的次数与发起切换请求总数的比值。切换的成功与否关系到网络的掉话率，所以说，切换成功率也是网络优化中重点考虑的指标。

    切换不成功的原因很多，常见的原因是越区切换参数设置不合理会导致切换困难而掉话；另外，由于基站布点不合理，也会在用户较多的地方发生频繁切换而导致切换不成功。网络优化就是要根据导致切换失败的各种原因采取相应的对策，以提高切换成功率。

    (8) 设备利用度

    设备利用度是一个反映投资回报情况的指标。运营商最关心的是投资回报率，希望得到最佳的投入产出比。对于运营商来说，设备利用度是否良好可以体现在几个方面：

    一是实际话务量是否与网络规划时设计的话务量一致。我们知道，在网络建设初期和网络扩容阶段，我们都必须根据预估话务量来设计基站的数量，网络建成后，运营商就会根据话务量指标来判断网络是否达到预期的目的，与投入是否成正比。

    二是故障基站数量。毫无疑问，故障基站将影响网络的质量，降低投资回报率。由于小灵通网络属于微蜂窝系统，基站发射功率较低，最大发射功率也只有500mW，所以全网中基站数目较多，且分布的地域较广，担负为用户提供业务覆盖的重任。所以作为网络运营商，应该加强基站的维护工作。 

    总之，通过综合以上指标，运营商可以在指标中做一些均衡，选取最关键和重要的指标作为优化目标，开展网络优化工作。

    8.3.2 设备厂商层次的性能监控

    设备厂商对网络系统和设备有最深的技术理解。设备厂商在无线网络质量方面的主要目标就是保证每一件设备都能发挥其最大潜能。因此，在网络性能监控上，设备厂商将更多的注意力放在给定的系统限制下网络的性能上。这些限制可能包括CS数量、用户数、网络用户分布和子系统的设备配置等等。在网络优化方面，设备厂商着重于从如何使运营商更有效地提高或改善网络性能入手，从达到经济目标的角度提供技术建议。

    为了最大程度地发挥系统设备的潜能，设备厂商将帮助运营商实施排障和网络优化。因此，设备厂商的工程师将主要精力放在收集可以反映设备是否在发挥其最大潜能的参数指标以及如何改善设备性能上，对网络性能的监控工作主要包含话务统计指标和网络性能评估指标两个方面。

    1、 话务统计指标

    表8.1列出了小灵通无线网络中500mW基站典型的话务统计指标。

    表8.1  话务统计指标

    性能统计项说明
    F1表明CCH上CRC错误帧的个数
    F2表明TCH上UW错误帧的个数
    F3表明TCH上CRC错误帧的个数
    F4表明基站在每个B-Channel上线路中断的次数
    F5表明基站在每个B-Channel上线路中断的时间
    F6表明终端发起的请求分配链路信道的次数（上行SCCH）
    F7表明终端发起的再次请求分配链路信道的次数（上行SCCH）
    F8表明基站由于无空闲时隙而拒绝终端建链请求的次数（下行SCCH）
    F9表明基站由于无可用频点而拒绝终端建链请求的次数（下行SCCH）
    F10表明基站成功给终端分配链路信道的次数（下行SCCH）
    F11表明基站向终端发起寻呼消息的次数（PCH）
    F12表明占用上行SCCH的次数（F6＋F7）
    F13表明占用下行SCCH的次数（F8＋F9＋F10）
    F14表明终端发起位置登记请求的次数
    F15表明终端位置登记请求被拒绝的次数
    F16表明终端进行位置登记时鉴权失败的次数
    F17表明终端作主叫的次数
    F18表明终端作主叫成功的次数
    F19表明终端作被叫的次数
    F20表明终端作被叫成功的次数
    F21表明一小时内终端通话的总时间
    F22表明一小时内TCH占用的时间
    F23表明终端切回成功的次数
    F24表明终端切回失败的次数
    F25表明终端向基站发起TCH切换请求的次数
    F26表明基站向终端发起的TCH切换应答的次数
    F27表明TCH切换完成的次数
    F28表明从其他基站到本基站（即目标基站）的切入请求次数
    F29表明从其他基站到本基站（即目标基站）的切入成功次数
    F30表明由终端发起的重新呼叫型切换次数
    F31表明由基站发起的重新呼叫型切换次数
    F32表明包信息超时的个数

    通过分析基站的性能统计指标，我们可以比较直观地得到基站的运行状况。如果将基站控制器下的各个基站性能统计指标做一个合计，我们就可以得到此基站控制器下无线网络的运行状况，如此类推，我们就可以得到整个无线网络的运行状况，找到网络的问题所在。比如说F1项一般来说为0，如果不为0，意味着CCH上的CRC出错，则表明基站或天线有故障。F2与F3项之和表明了TCH误帧率的大小，如果该统计值过高，则需进行网络优化，降低误帧率。在第四章我们提到，通信系统中常见的衡量信号优劣的指标是误码率，误码率与误帧率的的换算关系请见第四章中的表4.8。

    误帧率偏高的原因主要有两种情况，一种是由于某地方话务量太高、太忙，信道复用率太高而导致误帧增多。举一个例子，如图8.2中，如果终端所在的CS1信道数已全部占用，则终端会到CS2去发起建链请求，若终端与CS2之间距离较远，则信号质量不好，误帧率就比较高。误帧率偏高的另外一种可能原因是基站安装较高，信号覆盖不好，则误帧率比较高。

     

    图8.2   手机在不同基站之间的建链

    表8.1中很多话务统计指标是呼叫流程中各种消息的统计，这些消息可以参考第五章的主叫、被叫、位置登记和切换流程，话务统计指标与被叫流程的关系参见图8.3。

    例如，F6项是指终端发起的请求分配链路信道的次数，其中包含了三种情况，一是终端作主叫时发起的建链请求，二是终端作被叫时被触发而主动发起的建链请求，三是终端在作位置登记时发起的建链请求。F7是终端发起再次请求分配链路信道的次数，这是由于基站原先分配给终端的信道干扰太大无法使用，则终端会请求基站重新分配合适的空闲信道，具体的说明见第四章的相关章节。

     

    图8.3   统计指标与呼叫流程关系图

    除了基站侧的话务统计指标外，我们还可以结合核心网络侧的话务统计指标进行分析，当然基站侧的话务统计指标对无线网络的性能更加有说服力，以下就基于基站侧的话务统计指标来分析无线网络的性能。

    2、网络性能评估指标

    当我们在进行无线网络优化时，必须全盘考虑各项指标，片面追求单一指标的最优可能会造成网络整体性能的下降。此外，不同的网络在各个阶段所考虑的重点指标又有所不同，因此，我们在分析不同网络的性能指标时，要根据当地情况而各有侧重。目前，小灵通系统无线网络在优化时通常要考虑的性能指标包括话务量、寻呼响应率、LCH分配成功率、TCH接入成功率、位置登记率、切换频繁度、无线信道阻塞率和无线频率阻塞率等。在这里，我们简单介绍其中几个性能评估指标：

    (1) 话务量

    话务量是度量通信系统通话业务量或电话交换量的指标，话务量的大小体现了网络的繁忙程度。依据该指标，我们能够了解网络的话务分布状况和忙时每用户话务量。因此作为网络性能最基本的衡量指标，话务量是我们在网络优化时关注的焦点之一。

    话务量的标准定义是单位时间内（通常是1小时）进行的平均电话交换量，用公式表示就是：

    A=C×t

    式中A是指话务量，C是每小时的平均呼叫次数，t是每次呼叫平均占用信道的时间。

    举例来说，某个基站控制器下有20个500mW基站，每个基站有7个业务信道，系统忙时平均每小时有3600次呼叫，平均每次呼叫时间为1分钟，可以得出如下结果：

    总业务信道数n  =20×7 = 140

    总话务量A  =3600×(1/60) = 60 erl

    每条信道话务量  a =60/140 = 0.43 erl

    每CS话务量 a’ =60/20 = 3 erl

    从直观上理解，话务量就是单位时间内信道被占用的时间。如果t以小时为单位，则话务量的单位是爱尔兰(Erland，简称erl)。显然，一个信道的最大话务量是1erl，这种情况就是一小时内连续不断地占用一个信道。由于话务量是平均的概念，因此在单位时间内总会有短时间的话务高峰期，在此期间的话务量远大于单位时间的话务量。当此期间的话务量为1 erl时，出现了话务峰值。

    每信道话务量代表了信道的利用率，作为运营商，当然是希望话务量越高越好。但这只是问题的一个方面，随着信道话务量的增加，信道变得更加繁忙，话务峰值出现的机会就更多。于是，更多的用户由于信道忙而被系统拒绝，这就产生了呼损，一般用GOS表示。。呼损会降低服务质量和用户的满意度，是需要尽量避免的。

    基站话务量可以通过F21/3600计算出来，通常我们关注的基站话务量不是全天任何时段的话务量，而是基站忙时话务量。现在小灵通系统的忙时基本在上午11时左右和晚上6时左右，因此我们重点分析这两个高峰时段的话务量。在GOS（呼损）＝5％的条件下，RP（有3个信道）所能承受的话务量为0.899 Erl，如果单个RP的忙时话务量超过0.899 Erl，就可能存在过载的状态。CS（有7个信道）所能承受的话务量为3.738 Erl，如果单个CS的忙时话务量超过3.738 Erl，就可能存在过载的状态。

    如果某个CS处于繁华地段，忙时话务量一直高于3.738 Erl，我们可以考虑在该处增加组控基站，增加话音信道，缓解忙时用户多而占不到信道的现象。如果该处改成组控基站而仍然话务量高居不下，则可以考虑降低天线高度或增加天线下倾角，减少覆盖区域，防止基站由于太忙而造成GOS大幅上升的现象。

    (2) 主被叫接通率

    基站的主叫接通率指基站收到上级设备返回的Connect消息和手机发起的Setup消息之间的比率（请参考第四章的主叫流程），即F18/F17。基站的被叫接通率是指基站收到手机返回的摘机消息和手机返回的寻呼响应消息之间的比率（请参考第四章的被叫流程），即F20/F19。主被叫接通率是综合反映网络质量的重要指标，也是运营商最关心的指标之一。具体介绍请参考前一节相关内容。

    值得注意的是，这里的主被叫接通率与从核心网络得到的主被叫接通率是有差别的，从核心网络得到的主被叫接通率更加标准。

    (3) LCH分配成功率

    LCH分配成功率是指终端向基站发出链路信道（LCH）建立请求后，基站成功给终端分配了合适链路的次数与终端发起建链请求的总次数的比率，可以通过F10/F12计算出来。该项指标综合反映了建立呼叫接续过程中在基站的处理成功率，造成LCH分配失败的原因以基站信道阻塞和频率阻塞最为常见。

    信道阻塞反映了无线资源的繁忙程度，说明该基站太忙，所有的时隙都被占满，我们可以通过增加组控基站来解决信道不足的问题。频率阻塞是指没有空闲的可用频率资源，它反映了无线网络中存在TCH干扰。

    (4) TCH接入成功率

    LCH分配成功后，手机能否建立TCH的比例即TCH接入成功率也是我们要考虑的重点。TCH接入成功率是呼叫流程中Setup消息总次数与LCH分配成功次数的比率，相当于(F14+F17+F19+F28)/(F10-F7)。该指标偏低则说明终端侧信号不稳定，网络存在下行CCH 干扰或TCH干扰。但如果终端侧的信号很强且没有干扰，而该指标仍然很低，则可能是基站本身的问题，我们可以重启基站以恢复正常。

    这里需要注意的是，在进行该项指标计算中，Setup连接请求总数应大于20次，否则，由于Setup连接请求总数过少，会导致结果具有一定的偶然性。如果该项指标的偏低是由于网络存在干扰所造成的，我们可以采取增大天线下倾角、降低基站高度等方法来减小基站覆盖范围，以规避干扰。

    (5) 位置登记率

    位置登记率是指位置登记所产生的LCH 链路建立次数与全部链路建立次数的比率，相当于F14/(F14+F17+F19+F28)。该指标可以帮助判断寻呼区规划是否合理，当网络中的位置登记率较高时，就需要关注网络的寻呼区的大小和区域。不必要的位置登记增加了网络的负担，用户在频繁登记过程中也容易错过寻呼消息使被叫接通率下降。

    如果位置登记率较高而话务量较低，说明该基站的大部分时间和资源都花费在处理位置登记过程中而对话务的支持和分担作用较少，即基站的话务利用率较低。如果需要提高基站的话务量，我们可以通过调整基站所属的寻呼区来解决。

    图8.4给出了调整基站所属的寻呼区的例子，图中基站13－5－26在RT33、RT34和RT1的边界区域，而该基站并不属于这三个RT的寻呼区，而属于RT13的寻呼区。很明显该基站的寻呼区规划有问题，这会造成该区域内的用户更为频繁地在不同RT下的寻呼区间位置登记，浪费了有限的SCCH资源。因此，应该将基站13－5－26改为归属RT34。

    图8.4  寻呼区设置不合理的基站

    (6) 寻呼响应率

    寻呼响应率是最直接影响被叫接通率的一个因素，它反映了从被叫试呼到被叫响应之间的呼损，该指标是移动通信网所特有的，而对于固话等有线网络是基本不存在该类型的呼损的。寻呼响应率低，可能是由于覆盖、容量、干扰或基站处理能力等一系列问题所导致的，这需要结合其它各种指标来综合分析。

    (7) 切换频繁度

    切换频繁度指的是切换次数与呼叫次数的比率。该指标衡量了切换发生的频度。当该指标高时，表明切换频繁，加大了基站的呼叫处理负荷，而且还增加了掉话的机会。

    由于切换分为TCH切换型切换和重新呼叫型切换两类，因此切换频繁度指标也有两个，TCH型切换率用（F25＋F26）/(F18+F20)得到，重新呼叫型切换率用F31/(F18+F20) 得到。

    (8) 无线信道阻塞率

    无线信道阻塞率反映整个网络的无线信道阻塞情况，从中可以看出整个网络的无线资源是否足够，指标的计算公式为F8/F12。

    (9) 无线频率阻塞率

    无线频率阻塞率指标反映整个网络无线载频阻塞情况，从中可以看出整个网络的无线载频资源是否足够或者无线环境是否良好，指标的计算公式为F9/F12。

    总之，不论设备厂商如何来描述网络的性能指标，他们进行网络排障及优化的目的都必须支持在前面阐述的运营商的目标。所有排障及网优工作的有效与否必须由表8.1所列的指标全面地反映出来。

    8.4 问题定位

    前一节我们主要讨论了衡量小灵通无线网络质量优劣的几项重要指标，那么又是哪些因素影响了无线网络的质量呢？这就是问题定位需要关注的内容。事实上，质量差的无线网络不光从指标上可以看出来，而且还会有一些明显的现象，例如干扰、业务拥塞、掉话、切换频繁。这里我们主要结合无线网络的性能指标和常见的CCH干扰、业务拥塞、切换等现象来分析无线网络存在的问题。问题定位关注的对象主要是基站。

    在进行了问题定位，下一步就是并提出及实施相应的解决措施。实际上，无线网络存在的问题集中体现在覆盖和资源两个方面，分别以欠覆盖、过覆盖、资源不足和资源过剩四种情况为代表。问题定位就是明确到底是哪种情况导致网络性能的下降。

    根据无线网络的性能指标，网络优化人员可以利用表8.2着手进行分析。

    表8.2  问题定位

    指标CCH干扰分析业务拥塞分析切换分析
    话务量偏低偏高 
    主被叫接通率偏低偏低 
    LCH分配成功率偏低  
    TCH接入成功率偏低  
    位置登记率 偏高 
    寻呼响应率偏低偏低 
    切换频繁度  偏高
    无线信道阻塞率 偏高 
    无线频率阻塞率 偏高偏高

     

    值得注意的是，在问题定位时候，必须首先排除基站故障，避免由于基站故障导致的网络质量下降。基站维护是无线网络中非常烦杂的工作，基站布设的数量多，地域广，加之又在室外环境工作，因此故障较为频繁，带来很大的维护工作量。恰巧，这部分工作也对于无线网络的性能指标有最直接和最明显的影响，因为基站是直接与用户打交道的设备。所以作为运营商，更应加强基站的维护工作，提高经济效益和客户的满意度。这是进行网络优化之前的基础工作。

    例如，基站的软件不正确或参数设置的不合理，以及基站硬件存在故障或基站处于断线、断电和基站失去同步时，造成原本应该有覆盖的区域失去覆盖，变成欠覆盖，必然会造成进入此区域的终端掉话。

    其次还要排除终端的问题，由于终端的原因可能会导致终端与基站的接续过程中LCH请求失败，造成呼损。随着无线网络的不断建设和扩大，这也有可能会成为影响无线网络性能的重要因素。终端应当满足如下要求：不同终端的PSID必须不同，终端入网时必须考虑终端的灵敏度，终端的软件与参数必须与基站保持一致。

    8.4.1 CCH干扰分析

    干扰是影响着网络运行指标的重要因素。由于无线电波的特性，导致其在传播过程中容易受到外界多种因素的影响。干扰给网络的正常运行带来不良影响，必须加以重视。

    无线网络的干扰包括外来干扰源和系统自干扰两类。

    外来干扰源是外部无线干扰源，如微波、同频段其他通信系统、噪声干扰等。外来干扰源可以借助无线扫频设备进行干扰检测。

    系统自干扰是指由于无线网络规划不合理，造成的基站间TCH干扰或者CCH干扰。系统自干扰可通过无线设备的相关指标和测试仪器来进行综合判断。

    在小灵通无线网络中最常见的干扰类型有：互调干扰、邻频干扰和同频干扰。

    在第七章我们曾经提到小灵通系统的干扰主要来自其他基站和终端的同频干扰，同频干扰从基站角度又可分为CCH上干扰和TCH上干扰，TCH上干扰将在切换分析中介绍。

    CCH上干扰分为两类情况，一类是不同基站下行链路之间的同频干扰，另外一类是基站下行链路对其他基站下终端的上行信号产生的干扰。

    CCH上干扰与无线网络的同步程度有密切的关系，具体情况如下：

     (1) 非同步网络

    非同步网络内由于不同基站之间没有同步，因此在一个基站625μs的下行LCCH发射期间，有可能会有别的基站开始自己的下行LCCH发射，如图8.5所示，这样就形成了干扰。

     

    图8.5 基站的下行信号受到其他基站的下行信号干扰

    基站下行信号干扰其他基站下终端的上行信号的情况见图8.6中，可以看到，当干扰基站所发出的LCCH在时间上正好与被干扰基站的接收时隙有重叠的话，那么终端发送给被干扰基站的信号就会受到干扰，信噪比降低，造成被干扰基站很难收到终端发来的上行信号。因为要达到可接受的误帧率，有用信号必须比干扰信号强13dB以上，才能保证上行信号的正常接收。

     

    图8.6 终端的上行信号受到其他基站的下行干扰

    (2) 同步网络

    PHS空中接口中会尽量避免不同基站在同一时间发射下行LCCH所造成的同频干扰，一旦基站发现其没有可用的下行LCCH，基站选择停止发射下行LCCH。因此，避免同频干扰的办法是减少基站所能感知到（即接收到干扰信号）的其他基站的数量，也就是避免出现过覆盖的情况。我们知道可用的下行LCCH时隙一共有80个，因此一个基站所能感知到的周围的基站不应该超过80个。

    同步网络中是不会出现基站下行信号干扰其他基站下终端的上行信号情况的。

    8.4.2 业务拥塞分析

    业务拥塞是指基站可承载业务信道不够所造成的呼损。因此，业务拥塞可能发生在基站控制器和基站之间，也可能发生在基站控制器与核心网络设备之间以及基站与终端之间。从一般系统设计角度考虑，拥塞更多的是发生在基站与终端之间，即基站的可接入信道数不能满足要求，这已经是目前微蜂窝网络优化的重中之重。业务拥塞主要包括两个方面：信令拥塞和TCH阻塞。

    1．信令拥塞

    信令拥塞的概念是指信令流量超出设备的处理能力所产生的呼损。不同设备的信令处理指标不同，所以系统中用户数量的增长，会引起系统信令处理负荷的增加。所以关注这部分的拥塞，及早发现，能够避免由此可能产生的系统灾难性的事故。

    无线网络部分与信令处理负荷有关参数包括PCH负荷、SCCH负荷和LCH负荷等，主要与被叫、主叫和位置登记有关，以下逐一介绍。

    当用户被叫时，基站利用PCH广播寻呼消息，PCH负荷可以通过观察寻呼区的每小时寻呼消息量获得。一般情况下，网络中单个寻呼区的每小时寻呼量有一个门限值，不同的基站门限值不同。如果高于此数值，就认为PCH过载。PCH特性以及过载的详细说明见第五章。

    对小灵通终端而言，前面讲过，位置登记发生在终端改变寻呼区时，即终端检测自身保存的寻呼区信息与接收到的BCCH的寻呼区信息不一致时，会主动发起位置登记。位置登记过于频繁，一方面需要占用基站的SCCH和LCH资源，另外一方面，会造成整个网络由此产生的信令流量增大，增加各个相关设备的负荷。因为，从终端的登记原理上讲，如果一个终端位置登记不成功，其内部寻呼区信息得不到更新的话，会持续不断地向网络发送位置登记请求，从而产生“雪崩效应”。

     SCCH即信令控制信道，是指基站和手机间双向传送LCH建立信息的信道。在呼叫流程中，主叫、被叫、切换、位置登记时终端发起的建链请求和再次建链请求时（请参考第五章的具体呼叫流程）的控制信令，占用的是上行SCCH信道。

    下行SCCH被占用主要有三个原因：第一种情况是当终端向基站发起建链请求后，基站成功分配给PS合适的LCH，该信令占用下行SCCH通道。第二种情况是当终端向基站发起建链请求后，如果基站已无可用的时隙（如1C7T的基站已有7个用户同时在做呼叫），此时基站发送“Link channel assignment reject（All CS slots in use）”的信令，该信令占用下行SCCH通道。第三种情况是当终端向基站发起建链请求后，如果基站已无可用频点，此时基站发送“Link channel assignment reject（No CS free channel）”的信令，该信令占用下行SCCH通道。

    PCH负荷和SCCH的负荷涉及到无线资源的使用和分配，PCH负荷与每个寻呼区相关，SCCH的负荷与每个基站区相关。相对而言，SCCH的负荷比较容易处理。

    形成LCH负荷有多种原因，一种是该地区的呼叫频繁，信道建立次数太高，造成LCH拥塞不可用。另外，由于位置登记也占用LCH，所以频繁的位置登记也会导致LCH拥塞。与PCH负荷和SCCH的负荷不同的是，LCH负荷与基站的处理能力有关。

    一旦发生PCH负荷、SCCH负荷或LCH负荷与过载，就意味着出现了资源不足的情况。

    2．TCH阻塞

    TCH阻塞是指基站侧没有合适的TCH可分配，它包括了信道阻塞和频率阻塞两个方面。

    如果是信道阻塞造成TCH阻塞，很显然是资源不足的情形。

    系统中的通信载频是基站动态分配的，所以频率资源不够用，会直接影响系统的呼叫质量。尤其是在语音业务中，TCH的接入成功率会下降，语音质量会下降。TCH频率阻塞反映了网络存在上行TCH干扰，代表出现了过覆盖的情形。

    8.4.3 切换分析

    在第四章中我们看到不论是从终端侧还是从基站侧，发起和执行切换的决定基本上有两方面的考虑：误帧率以及接收信号的强弱。根据这两方面的信息，通话中可能会进行TCH切换型切换或是重新呼叫型切换两种切换，或是不切换。

    切换与掉话率密切相关，切换不成功就是掉话。掉话率是衡量网络运营水平的重要指标，直接影响着网络形象，必须予以重视。

    1、TCH切换型切换

    小灵通网络用户常会有在非移动的通话状况下终端发生切换的经验，准确称呼是TCH切换型切换，也就是为了避免干扰而改变通话的时隙或频点。这是由于动态时隙分配系统的特性引起的，图8.7和图8.8描述了因为下行信号干扰所造成的TCH切换型切换。

    图8.7中的终端A正在与基站CS1做正常的通话。这个通话所占用的信道刚好是第30号频点/第3个时隙。此时终端A可能处于完全静止的状况，终端侧所感受到的载干比可能有17dB，足够继续低误帧率的通话。

     

    图8.7  正常通话的终端A与基站1

    图8.8中，此时终端B与基站CS2开始要进行通话。动态时隙分配系统的特性就是它对空中资源的分配有一定的随机性（所以称为动态分配）。在这个范例，这个通话很可能就被分配到第30号频点/第3个时隙。当CS2与PSB这个通话开始进行时，两者距离可能很接近，所以终端B所感应到的载干比可能高达30dB，通话正常进行。

     

    图8.8  TCH同频干扰的情况

    CS1及CS2都采用了全向天线。当CS2与PSB进行正常通话时，CS2的信号也同时被终端A接收到。对终端A来说，CS2的信号与它同频且同时隙，造成了干扰。因此终端A原来17dB的载干比现在已经降为11dB，误帧率已经超出可正常通话的极限。为了保持通话，CS1与PSA将会进行TCH切换型切换，更换频率或时隙或是两者都更换。终端A最终感受到的就是在非移动状况下的切换。在频率繁忙的区域，当干扰少的时隙找不到时，即可能造成掉话。

    对GSM及CDMA网络有认识的人，可以发现在非移动状况下的切换掉话在优化好的GSM或CDMA网络基本上不会发生。这是因为它们的基站都由基站控制器计算及分配空中资源。如果上述频率碰撞的状况会发生，基站控制器根本不会让第二个通话开始进行。

    同样的状况也会发生在基站接收终端的上行信号的时候，可参见图8.4。

    频繁出现TCH切换型切换意味着此区域过覆盖。

    2、重新呼叫型切换

    图8.9显示在终端处在基站1、基站2和基站3的覆盖边缘。因此，只要终端稍做移动，或是正在使用的信道产生了信号衰落，都会使得终端开始重新呼叫型切换。很明显，终端与新基站的联系也不会很稳固，刚才发生的情况又会重演一遍，我们可以看到终端在频繁地进行重新呼叫型切换，这显然是由于欠覆盖引发的。

     

    图8.9 频繁重新呼叫型切换的区域

    8.5 优化方案

    前一节中已经将无线网络存在的问题集中归结为欠覆盖、过覆盖、资源不足和资源过剩几个方面，如表8.3所示。明确这些情况后，网络优化人员就可以设计出有针对性的网络优化方案。当然，有经验的网络优化人员在表8.3基础上加以发挥，获得更好的优化成果。

    表8.3  优化方案

    分析方法欠覆盖过覆盖资源不足资源过剩
    CCH干扰 v  
    信令拥塞  v 
    TCH拥塞 vv 
    TCH切换 v  
    重新呼叫型切换v   
    其他   话务量偏低

    8.5.1 欠覆盖的对策

    欠覆盖是指网络中存在覆盖盲区或信号覆盖较弱的区域，因此欠覆盖的现象很明显，就是掉话和频繁地出现重新呼叫型切换。因此，对存在覆盖盲区或信号覆盖较弱的区域，如果是人员活动密集区，有较多的业务需求的话，需要尽快加以解决。一般的解决方案是通过调整天线高度、下倾角来避免盲区，或者通过增加基站来解决。

    覆盖盲区往往会在一些密集的住宅区出现，出现的覆盖盲区小且少，这时可以采用小功率的基站RP来补盲。当然我们也可以调节大功率基站的天线高度或角度，让基站电波发射的主波瓣向覆盖盲区方向靠近。例如，对出现在基站附近的覆盖盲区，可以通过加大天线的下倾角，加强渗透率来消除覆盖盲区；而对出现在基站远端的覆盖盲区，可以通过减小天线的下倾角，增加基站覆盖范围来消除覆盖盲区。以上两种方法有成本的差别，需要根据实际情况做出选择。

    欠覆盖还有一种情况，就是某些区域正好处在若干基站的覆盖边缘，即图8.9的情况。终端在这里能接收到多个基站较弱的信号，如果人员活动密集，这样的区域就会频繁地出现重新呼叫型切换，而且还很容易掉话。解决这种情况的最好办法是在此处增加一个基站，用较强的信号覆盖此区域。

    解决欠覆盖时注意要首先排除由于基站不能正常工作，造成原本应该有覆盖的区域失去覆盖，形成新的覆盖盲区的情况。例如，是否是天馈线原因导致基站覆盖能力下降，如果天馈线损伤、进水、打折和接头处接触不良，均会降低发射功率和收信灵敏度，从而产生严重的覆盖能力下降。同时，天线分集距离不够，也会降低收信灵敏度。

    8.5.2 过覆盖的对策

    中国有句古话：“过犹不及”，过覆盖就说明了这一点。过覆盖是指网络中存在过度的覆盖重叠，因此过覆盖的现象很明显，就是干扰以及由干扰带来的掉话和TCH切换型切换频繁。另外，基站无可用LCCH也是过覆盖的一种现象，相对出现几率不高。

    在解决过覆盖之前，基础工作是检查无线网络的同步情况，因为在前面CCH干扰分析中提到，基站间不同步会造成更多的同频干扰，因此小灵通无线网络对基站同步要求很高。一般500mW基站都实施空中帧同步，并且不同的同步系统间利用GPS同步。

    解决过覆盖的第一步是检查基站的密度，判断是否是由于基站规划不合理，造成基站密度过高，使得同频现象在小范围内存在，从而造成干扰。值得注意的是，基站的密度与区域内话务容量有直接关系，如果是话务密集区，调整基站的密度要非常小心。

    从基站覆盖范围入手也可以解决过覆盖问题。如果适当地调整基站覆盖范围，可以让基站覆盖更加趋向理想的设计指标。当然，调整基站覆盖范围也要很仔细，因为无线网络也需要适度的覆盖重叠来避免产生欠覆盖区域。

    在实际工作中还需要用测试仪对过覆盖的地区进行实际覆盖范围的测试，确定目标基站及其相邻基站的覆盖范围，验证是否是由于目标基站覆盖范围不合理而造成过覆盖，如不合理则要调整基站的覆盖范围。

    调整基站覆盖范围主要有四种途径：改变基站位置、调整基站天线高度、调整基站天线的下倾角和调整基站天线的类型，以下就分别加以说明：

    (1) 改变基站位置

    一般情况下不推荐改变基站位置，因为500mW基站安装复杂，加上选点涉及多种因素，需要相当多的协调工作，只有在其他方法无效情况下才做考虑。

    (2) 调整基站天线高度

    基站天线的越高，基站的覆盖范围越大。因此，适当降低过覆盖基站的天线高度，可以缩小基站的覆盖范围，过覆盖的情况会得到相当程度的缓解。

    (3) 调整基站天线的下倾角

    在相同基站天线高度的情况下，基站天线的下倾角越小，基站的覆盖范围越大。因此，对于过覆盖的基站，适当加大基站天线的下倾角，可以起到缩小基站的覆盖范围，缓解过覆盖的效果。

    (4) 调整基站天线的类型

    定向天线与全向天线相比，覆盖范围更加集中。因此，在一些场合，可以用定向天线替换全向天线，达到缓解过覆盖的效果，具体操作可以参考网络优化案例。

    总之，通过调整基站覆盖范围，可以使得无线网络覆盖合理，改善通信环境，减少干扰。这里还是一句话，要把握一个度，过犹不及，不要过，也不要不及。

    8.5.3 资源不足的对策

    小灵通系统的无线资源分为CCH资源和TCH资源两类，以下分别讨论两种资源不足的对策。

    1、CCH资源不足

    CCH资源不足最明显的现象是出现了信令拥塞，如PCH过载或SCCH过载等现象。

    PCH过载是当寻呼区内的寻呼消息数过多时产生的。当产生这种情况后，就必须考虑重新划分寻呼区，将寻呼区的范围缩小，以减少寻呼消息数。但这里要注意寻呼区过小将导致位置登记请求过多，加大SCCH负荷，因此需要求得PCH和SCCH的平衡。

    在寻呼区划分时，必须注意寻呼区的大小与话务量的关系。因为PHS空中接口规定，终端被叫时只能由其所在寻呼区的基站寻呼，并向所在寻呼区的基站申请接入。而在设计不良的寻呼区有可能出现因终端可使用的基站过少而导致接入失败的情况，从而造成被叫方向的话务阻塞。

    2、TCH资源不足

    TCH资源不足最明显的现象是出现了TCH拥塞，值得注意的是TCH阻塞有信道阻塞和频率阻塞两个方面的原因，只有信道阻塞才反映了TCH资源不足，频率阻塞一般由过覆盖造成。

    减小TCH拥塞率可以通过话务均衡来改善。这些基站的地理位置处于如商业中心等人员活动密集区域，覆盖区域内终端用户多，而造成基站话务量偏高。第六章提到，信道阻塞可以通过增加组控基站，即增加信道数来解决无线信道资源不够的问题。

    如果增加组控基站还不能解决问题，就需要在该区域增加基站。当然增加的基站必须避免出现过覆盖的情况，这时可以考虑采用多扇区的基站。

    8.5.4 资源过剩的对策

    资源过剩对系统的运行没有任何影响，从用户的角度也感觉不到。但对运营商来说，资源过剩意味着设备闲置，因此还是希望减少资源过剩的情况，提高设备的利用率。

    网络优化人员往往通过话务量指标发现资源过剩，话务量极低的基站也许是资源过剩的基站。在判别资源过剩的基站时候，还需要排除由于基站故障或者基站无可用LCCH导致话务量偏低的情况。

    对那些过剩的基站可以实施改变位置等方法，发挥其功能。当然也应该看到，任何网络都应该有合理的余量。尤其是在经济快速发展的地区，更加应该有一个长远规划，对一些重要的位置，早一点布设基站也是必要的。

    8.6 优化案例

    8.6.1 过覆盖基站的优化

    过覆盖现象的产生是有一定背景的。网络设计人员在网络建设初期从加强覆盖的角度出发，选择了较高的站点高度，以扩大基站的信号覆盖范围。在话务量尚未达到一定水准时，这是有利的。但随着网络的投入运行，话务量逐步提升之后，基站的密度逐步加大，这样的基站就成为过覆盖的源头，带来无线环境的劣化。因此，对过覆盖的基站做优化有其必要性。

     


    图8.10  过覆盖站点环境介绍

    图8.10具体描述了优化案例所处的环境。这个交通转盘会成为四个寻呼区的边界主要是因为核心网络配线上的限制。转盘的移动用户流量很高。宽大的马路有利于信号传播距离，使得转盘上有许多个方向过来的信号。原全向站址坐落于七层楼顶，基站天线高度约24米，其信号也会顺著宽大的路面传播到远处。这种站点在网络刚刚建设完毕时其实是效率很高的，因为一个基站就有效地覆盖了一大片区域。但是，由于基站附近是人流密集区域，使得基站话务量大于12 Erl，话务量在话务量过高时，加上寻呼区边界所造成的额外呼叫处理量，此基站本身不但有话务量受限的现象，也出现了呼叫处理能力上的瓶颈，有40% 左右信道阻塞率。在此基站优化前，用户的反应是普遍地打不出，接不了，还有在移动进入这个转盘时常掉话，这些现象在话务高峰时段尤其明显。

    此区寻呼区已经小到一个CSC一个寻呼区的程度，因此寻呼区无法在附近再分裂，问题的解决只能依靠控制无线信号的覆盖范围。所以，网优工程师将此全向基站改造为双扇区的基站，在增加信道的同时，希望利用定向天线达到控制信号覆盖范围的目的。

    在使用定向天线时，其方向需要仔细调整。图8.11显示图8.10中靠右侧箭头所代表的定向站（扇区）。在调试此站前，其方向是朝著转盘中的一条马路打下去的，一些主要性能如表8.4中调试前的指标，并不理想。

     

    图8.11天线调试前后的瞄准方向

    在研究了此扇区的性能后，网优工程师判断这是一个过覆盖的综合现象，决定将定向站调向一个相对封闭的角度来控制信号，如图8.12所显示。具体方法是天线的下倾角增加5~10度，大幅度调整水平角，加大振子的间距，并且天线的下倾角及水平角度保持一致 。

    表8.4中调试后的结果是在调试后一天采集的。数据证明此做法改善了此站点的各种性能指标，使在此覆盖区内的用户感觉到电话好打了，最后基站的话务量也提升到 11Erl，取得了良好的经济效益。

     


    图8.12 调试后的定向天线

    表8.4 过覆盖优化性能比较

    忙时性能指标原全向天线调试前调试后
    TCH占用话务量1212.7610.57
    LCH请求总数>700068672640
    LCH分配成功率N/A44.43%91.67%
    TCH信道阻塞率>40%44.76%7.73%
    基站侧频率阻塞率N/A0.00%0.00%
    LCH Re-Request 比率N/A11.07%17.65%
    位置登记率N/A64.81%74.96%
    主叫接入率N/A90.57%98.51%
    被叫接入率N/A59.64%67.60%

    8.6.2 资源不足的优化

    资源不足是网络优化中经常遇到的情况，增加基站或采用组控基站是常见的解决方案。采用组控基站相对比较简单，如果是增加基站，前面已经提到需要避免过覆盖的情况，这时网络优化人员往往会考虑采用定向天线。


    图8.13具体描述了优化案例所处的环境。这里是 “手机一条街” 的街面，天线高度略低于树顶，街两旁树叶茂密。

    在做优化时，增加了定向基站，定向天线的天线下倾角小于5度，水平角从原来朝街对面照射改为朝街道方向照射，用板状天线来控制覆盖方向，并且利用树叶来控制覆盖距离。

    增加定向基站后，有效地舒缓了附近全向基站的话务量，提高了覆盖区附近的C/I值。

    表8.5给出了增加基站后，原有基站性能指标的变化。

    表8.5 资源不足优化性能比较

    原有基站性能指标增加基站前增加基站后
    TCH占用话务量10.227.25
    LCH请求总数61632533
    LCH分配成功率69.80%96.19%
    TCH信道阻塞率13.82%1.03%
    基站侧频率阻塞率5.47%1.01%
    主叫接入率86.68%95.53%
    被叫接入率67.90%68.80%

    从表8.5看到，原全向基站在话务被分担后，阻塞率降低，也改善了几个成功率的指标。这里读者要注意与表8.4案例的一个区别。被叫成功率的指标在表8.5中并不像表8.4有明显改善。在仔细研究其它相关数据后，我们发现这是因为两个主要原因。首先，根据此地用户的摘机特性及用户使用所处的环境，原来的指标已经属于比较高，再进一步改善的空间有限。另外，新的基站是以“封闭区”方式勘测，主要分担了全向基站距离较近的话务。全向站主要承担的则是距离较远以及附近高层室内的话务。这些话务在做被叫时本来就是接近寻呼区边缘，或是信号较弱之处（室内），都是被叫成功率可能比较低的区域。现在全向站位置未动，所支撑的话务来源无显著变动，所以被叫指标也无显著改善。

    8.7 小结

    无线网络优化是对投入运行的小灵通无线网络进行参数采集和数据分析，从中找出影响无线网络质量的因素，通过技术手段或参数调整使得无线网络达到最佳运行状态。无线网络优化在使网络资源获得最佳效益的同时，还可以帮助工作人员了解网络的增长趋势，为系统扩容提供依据。

    本章主要介绍了无线网络优化的流程，并重点阐述了优化流程中的无线网络性能分析和问题定位两个主要部分，并介绍了相关的案例，为实施网络优化提供了方向和解决措施。