GSM网位置区寻呼容量及其划分的研究

1 概述

　　在移动通信系统中，位置区(LAC)管理是移动台移动性管理的一个重要组成部分｡本文首先介绍了位置区概念及其功能，通过对寻呼原理和寻呼过程的分析，讨论和研究了GSM移动通信网中位置区的容量及其划分问题，并分别对位置区寻呼容量､话务容量和位置区划分等几个方面进行了计算和探讨，结合这些数据，以及影响位置区的诸多因素，提出了在位置区容量和划分上的一些观点和看法｡

1。1 几个概念

　　a) 位置区:在GSM系统中，由于寻呼信道容量的限制，对移动台的寻呼消息不可能整网下发，就需要引入一个位置区的概念，在该位置区中包含许多小区，对移动台的寻呼是通过对移动台所在位置区的所有小区的寻呼来实现的｡

　　b) 位置更新:分为正常位置更新､周期性位置更新､IMSI附着位置更新｡正常位置更新，也即跨位置区的位置更新，是指当移动台发现其存储器内的LAI和接收到的小区的LAI号不一致时，通知网络来更改它所存储的移动台的位置信息;周期性位置更新，是为了保持移动台和网络之间密切联系，让网络及时掌握移动台状况的位置更新，网络要求移动台每隔一定时间向网络发起周期性位置更新请求，这种位置更新叫周期性位置更新;IMSI附着位置更新，是指移动台开机时，移动台会向网络发送消息，把自己的开机状态告知网络，网络收到此消息后，根据其TMSI或IMSI号，将在系统数据库中注明该用户的当前位置等状态信息，并向移动台发送其当前小区的LAI｡

　　c) 寻呼容量:是指网络系统正常情况下，一个位置区内，单位时间内能够进行的最大寻呼次数｡

1。2 问题的产生

　　移动台的位置更新通过专用控制信道(SDCCH) 进行，位置更新次数过多，将使SDCCH的负荷加大，浪费系统的信道资源，同时也会增加MSC､HLR的负荷;另外，移动台进行小区更新需要约10 s的时间，在此期间不能打出或打进电话｡

　　一般情况下，每个移动交换中心(MSC)的控制区可分成若干个位置区｡从减少位置更新频率､节约系统信道资源的角度来说，位置区设置得越大越好｡但是，如果位置区过大，超过系统的寻呼能力，将会造成系统寻呼信令负荷过高，以至寻呼消息丢失，使寻呼成功率下降，并且低的寻呼成功率使得用户产生二次呼叫，会进一步增加系统寻呼负荷，以至进一步恶化寻呼成功率，严重情况下的恶性循环会导致系统瘫痪｡所以位置区也不能设得太大｡因此，在进行网络规划时，必须综合考虑位置区容量､信道资源与系统寻呼能力之间的平衡｡

　　随着GSM网络的不断发展，用户数和话务密度不断增大，每个位置区内的话务量也不断增加，这将会对位置区的设置和管理提出新的要求｡

2 位置区寻呼容量

2。1 寻呼原理分析

　　当一个LAC下的移动台被寻呼时，MSC就会通过基站控制器(BSC)向对应LAC范围内的所有小区发出寻呼请求｡目前GSM网存在TMSI 寻呼和IMSI 寻呼两种寻呼方式｡

　　在GSM 系统中，每个用户都分配了一个惟一的IMSI，IMSI写在移动台的SIM卡中，长8字节，用于用户身份识别;TMSI 由VLR为来访的移动用户在鉴权成功后临时分配，仅在该VLR 管辖范围内代替IMSI在空中接口中临时使用，且与IMSI相互对应，长4字节｡因此空中接口的寻呼信道在使用IMSI 方式寻呼时，寻呼请求消息中只能包含2个IMSI 号码，而使用TMSI 方式寻呼时，则可以包含4个TMSI号码｡因此，使用IMSI 方式寻呼带来的寻呼负荷会比使用TMSI 方式寻呼增加一倍｡

　　从图2 可知，当MSC从VLR中获得移动台当前所处的位置区号(LAI)后，将向这一位置区内的所有BSC发出寻呼消息｡BSC收到寻呼消息后，向该BSC下属于此位置区的所有小区发出寻呼命令消息｡当基站收到寻呼命令后，将在该寻呼组所属的寻呼子信道上发出寻呼请求消息，该消息中携带有被寻呼用户的IMSI或者TMSI 号码｡移动台在收到寻呼请求消息后，通过随机接入信道(RACH)请求分配SDCCH｡BSC则在确认基站激活了所需的SDCCH 信道后，在接入许可信道(AGCH)，通过立即指配命令消息，将该SDCCH指配给移动台｡移动台则使用该SDCCH发送寻呼响应(Paging Resp)消息给BSC，BSC将Paging Resp 消息转发给MSC，完成一次成功的无线寻呼｡

　　一般设置情况下，如果MSC 在发出TMSI寻呼消息后，4~6 s 内没有收到Paging Resp 消息，则会再发送一次IMSI寻呼消息;如果4~6 s内仍没有收到Paging Resp消息，则此次无线寻呼失败，同时，MSC 将向主叫用户发送“用户暂时不能接通”之类的录音通知｡

2。2 寻呼参数设置

　　根据GSM 的规范，公共控制信道(CCCH)的配置有两种方式:
　　a) CCCH和SDCCH共用，也叫组合BCCH，每个复帧传送3个寻呼组｡
　　b) CCCH 和SDCCH不共用，也叫非组合BCCH，每个复帧传送9个寻呼组｡

　　寻呼组可作为寻呼信道(PCH)用来广播寻呼请求，同时也可作为AGCH 用来回应手机的接入请求，即分配SDCCH｡操作上，可将数个复帧组合在一起，形成一个寻呼周期，增加小区内的寻呼组数量｡手机会周期性地监听所属的寻呼组，于是当手机作被叫时，会监测到基站发送的寻呼请求，并做出回应｡

　　寻呼组设置较多意味着手机在监测到正确的寻呼组之前需要等较长时间，这样会增加寻呼的时间｡寻呼组设置较少会由于手机较为频繁地接听寻呼组而缩短呼叫建立时长，缺点是手机会很费电｡一个小区寻呼组的数量可以通过以下2个参数来调整:

　　a) 接入许可保留块数(AGB):这个参数定义了每个复帧内AGCH专用的寻呼组数量｡对于CCCH 和SDCCH共用的小区，AGB取值为0~2;对于CCCH 和SDCCH不共用的小区，取值为0~7;若使用小区广播信道(CBCH)，则取值为1~7｡它可以设成AGB=0，此时表示没有专用的AGCH，所有的寻呼组由PCH和AGCH共享;若设为AGB≥1，则表示保留寻呼组作为AGCH 专用信道｡AGB的取值取决于小区话务量｡

　　b) 寻呼信道复帧数(MFR):这个参数定义了BTS的寻呼周期，即同一寻呼组传送寻呼请求的时间间隔，该参数的大小，直接关系到移动台对寻呼的响应时间｡如MFR=9的意思是每一寻呼组，以每9个复帧的周期重复一次，也就是说属于某一特定寻呼组的移动台，必须每9个复帧监听一次，监听间隔时间大约是9×235 ms=2。1 s｡

　　BTS 通过寻呼组广播寻呼请求时，有以下几种可能的配置情况:
　　a) 2 IMSI;
　　b) 1 IMSI and 2 TMSI;
　　c) 4 TMSI｡

　　根据网络设置的不同，信道设置包含mainBCCH 的，属于CCCH 和SDCCH 不共用的情况｡每个复帧 (时长为0。235 s)有9个寻呼组，在AGB值设置为1 的情况下，这9 个寻呼组包括1个AGCH和8个PCH，因此，每秒寻呼组数量为(9-AGB)寻呼组/0。235 s=34。04 寻呼组/s。

　　每复帧寻呼组可以传送4 个TMSI寻呼或2个IMSI寻呼｡1个TMSI寻呼占1个寻呼组的1/4，1个IMSI寻呼占1个寻呼组的1/2｡网络系统中，若有约20%的寻呼次数采用IMSI寻呼方式，80%的寻呼次数采用TMSI寻呼方式，那么可以计算出:每100个寻呼中包括80个TMSI 寻呼方式和20个IMSI寻呼方式，则每100个寻呼所需的寻呼组数目为
80×1/4+20×1/2=30
所以，每寻呼组的寻呼数为
100÷30=3。33
可以理解为，每寻呼组可以寻呼到3。33 个手机｡

　　在采用非组合BCCH情况下，转化为寻呼次数后，为
34。04×3。33=113。35(寻呼/s)
　　则非组合BCCH情况下，每秒的最大寻呼为113。35次(即408 060次/h)｡

　　在采用组合BCCH情况下，若AGB值设置为1，则每秒寻呼组数为2寻呼组/0。235 s=8。51寻呼组/s｡采用TMSI和IMSI寻呼方式4∶1情况下，每秒的寻呼次数为28。34次/s(即102 024次/h)｡

　　从上面的计算可以看出，采用组合BCCH时的寻呼能力约是非组合BCCH寻呼能力的1/4，因此当网络话务量较高､网络配置比较大时，为了保证系统能够提供足够的寻呼能力，应当采用非组合BCCH的信道方式，以提高位置区内的寻呼能力｡

2。3 Abis接口寻呼容量

　　由于位置区内的寻呼消息是以广播的形式发出的，也即寻呼消息将由BSC发给每一个小区，那么，BSC和BTS之间的Abis接口的信令负荷，也将关系到位置区的寻呼容量｡

　　为了安全起见，LAPD链路的信令负荷要控制在50%以下，高于60%时将会存在较大的风险｡寻呼消息(包括帧校验序列FCS和标头flags)字长为21个字节，一般情况下LAPD链路信令负荷中60%为寻呼消息，那么，当LAPD信令为16 kbit/s的链路时，每秒可传送的寻呼消息数为
50%×16 000×60%/8/21=28。57次/s
BSC每小时可以传送的寻呼消息为
28。57×3 600≈102 852次/h

　　以河南移动GSM网络为例，在采用的诺基亚设备中，当Abis接口的LAPD链路为16 kbit/s时，厂家给出的标称寻呼容量为29次/s｡当采用32 kbit/s的LAPD信令链路时，BSC每小时可以传送的寻呼容量大约为
50%×32 000×60%/8/21=205 704次/h

　　2004年上半年开始，河南移动由于资费的优惠调整，使得2004年9月28日相比2003年9月28话务量增长了一倍，尤其郑州业务区，由于各BSC话务量基数已经比较大，增长后就达到了更高的量值｡如2004年9月28日市区的BSC30峰值话务量达到1 891。85 Erl，忙时短信量也达5万多条，忙时寻呼次数达到近20万次，BSC和BTS之间的16 kbit/s LAPD信令链路已超负荷运转，造成寻呼成功率下降，已不能够满足话务增长需求｡为了解决Abis接口寻呼容量的瓶颈，2004年国庆节以后，河南移动率先在郑州业务区分批次将全区LAPD信令链路从16 kbit/s升级到32 kbit/s，给以后话务增长和系统扩容提供了一定的保障｡

2。4 每位置区允许的话务量

　　设置位置区话务容量时，一个重要原则就是位置区的大小不能超过其所能承担的最大寻呼容量｡对此，先讨论一下一个位置区内寻呼容量和话务量的关系｡

　　假设一个话务模型的平均通话时间为60 s，短消息引起的寻呼比例为40%(河南移动郑州业务区统计数据)，Abis接口LAPD链路按照16 kbit/s考虑，则寻呼容量为102 852次/h｡假设移动台第一次寻呼时响应的比例为70%，第二次寻呼时响应的比例为30%，其他情况可忽略不计(此数据一般是在Abis口寻呼受限时的情况下，在Abis口寻呼容量没有瓶颈时，寻呼尝试次数往往会设置到5~6次，一次成功呼叫所需的平均呼叫次数可达2~3次)，则每小时产生的被叫话务量为
102 852×60%/(1+30%)/60=791。17(Erl)

　　若假定主被叫比例为1∶1(目前河南移动全网主被叫比例约为4。5∶5。5，郑州业务区比例约为1∶1)，则可计算出一个位置区最多可容纳的话务量为
791。17×2=1 582。34(Erl)

　　该数据是建立在给定的话务模型，一定的BCCH､寻呼方式等几个条件下计算的结果，其中非组合BCCH方式，采用TMSI寻呼，可使一个位置区内可承载的话务量达到最大，位置区实际的话务容量还跟网络的实际情况和话务模型有关｡但从上面假定的情况和计算结果看，基本可以得到这样的结论，当Abis接口LAPD链路为16 kbit/s时，为了保障网络的正常运行，建议其最大话务容量要控制在1 580 Erl以下｡

2。5 短消息对位置区寻呼容量的影响

　　短消息可以通过SDCCH或SACCH发送，根据发送短消息与接收短消息的不同，其流程可分为短消息主叫流程和短消息被叫流程｡短消息对位置区寻呼容量的影响主要体现在移动台接收短消息时的影响，移动台接收短消息时，同移动台作被叫一样，系统也要对移动台进行寻呼，因此基本可以认为，移动台每接收一条短消息和移动台做一次被叫对网络造成相同的影响｡下面将针对一定的短消息话务模型，来计算和分析短消息对系统造成的具体影响｡

　　短消息业务为接收3条/用户/天;系统重发比例为30%;忙时集中系数为0。12｡以一个位置区内有10万用户为例(郑州业务区一个位置区大约有6~10万用户)，位置区内忙时短信寻呼数为
100 000×3×0。12×(1+30%)=46 800(次/h)

　　可以看出，短消息引起的寻呼也比较大，会对系统造成一定的影响｡

　　另外短消息还有一个显著的特点，就是具有很大的突发性，节假日高峰期间，突发因子可达3~8，也即节假日的忙时短信量要达到平常忙时短信量的3~8倍，此时短信引起的寻呼将达到
100 000×3×0。12×8×(1+30%)=374 400(次/h)

　　这个数据是非常惊人的，并且这种短消息高峰往往是伴随着话务高峰发生的，这2个高峰将会造成一个很大的寻呼量，对系统造成极大的冲击｡此时就需要一定的流控保护，如采取短信不再设置重发､高峰缓冲迟延处理､降低最大寻呼次数等措施，以保证网络平稳度过节假日短信与话务高峰｡

3 位置区边界的划分

　　GSM建网初期，一般可以将几个BSC之下的基站设置为一个位置区｡随着话务量和载频容量的增加，以及BTS和BSC的升级换代，每个BSC可承载的话务量大大增加，位置区的划分逐渐向BSC的划分靠拢，也即一个BSC划分为一个位置区，个别情况下甚至可将一个BSC划分为多个位置区｡但位置区过小也会带来新的问题，诸如跨位置区的位置更新更加频繁，增大了交换机的负荷｡

　　位置区内移动台进行的周期性位置更新，由于位置区内所有移动台都要参与进行的活动，这种更新仅与周期时间和位置区内移动台用户数有关｡周期时间是由系统通过BCCH广播给各个移动台一个周期位置更新定时器，强制移动台在定时器超时后自动向网络发送周期位置更新请求｡该周期时间越短，网络与移动台的联系就越密切，网络性能就越好，但是带来的副作用就是一方面会使网络的信令流量增加很大，无线资源的利用率随之降低，甚至影响MSC､BSC､BTS的处理能力;另一方面也使得移动台的耗电量急剧增加，待机时间大大缩短｡因此周期性位置更新的间隔时间不宜过小，该参数对位置区边界划分影响小，本文就不作详细的讨论｡

　　在不同位置区之间发生位置更新期间，移动台将不能正常通话，而在高话务量的密集市区，移动台在不同位置区重叠区域的活动也比较频繁，这就对不同的两个或数个位置区的边界设置提出了较高的要求｡从减少正常位置更新次数出发，位置区设置得越大越好，然而位置区大小又受到寻呼容量的限制，因此就不能通过增大位置区范围来减少正常位置更新，就需要在位置区的边界设置上来考虑尽量减小位置更新次数｡以河南移动郑州业务区为例，在将LAPD信令链路升级以后，Abis接口寻呼容量的瓶颈已基本得到了解决，位置区的问题日益表现在跨位置区边界的位置更新上｡随着网络的发展，用户密度将进一步增大，跨位置区的位置更新对系统负荷的影响也将会越来越大，所以位置区的边界设置显得越发重要｡根据正常位置更新发生的特点，总结出位置区的边界划分应该遵循以下几个原则:

　　a) 尽量将位置区边界避开繁华市区等话务量很大的区域，而将之设置在郊区､工厂等话务量低或者低端用户区域｡这些地方小区密度小，移动台位置变更范围小，跨位置区的位置更新对网络的负荷相对较小｡当密集市区无法避开位置区边界时，应尽量将位置区边界放置在居民小区等用户移动性较低的区域｡

　　b) 将位置区边界设置成与道路垂直或斜交的状态，尽量避免位置区重叠区设置在用户高移动性区域，这样可以避免跨位置区时大量的乒乓位置更新和乒乓切换｡若此时设置不当，将会对系统造成极大的影响｡

　　c) 尽量避免几个位置区的交界处在同一个较小区域，这也将减少移动台在较小区域内在几个位置区之间不断位置更新和切换｡

　　d) 划分位置区边界时，还要考虑到话务量的增长趋势，在位置区寻呼容量和话务容量的设计上，要考虑一定的扩容余量，避免位置区频繁的划分和分裂｡

4 结束语

　　位置区的容量与寻呼机制密切相关，与接入保留块(AGB)和BCCH的组合方式也有直接的关系｡当一个位置区中的AGB和BCCH的组合方式不一致时，位置区的容量由其中容量小的小区决定，因此，在位置区规划时应保持一个位置区内各BTS的AGB和BCCH组合方式设置一致｡

　　在高话务密度的市区或业务区，最好采用非组合的BCCH方式，尽量采用TMSI寻呼机制，并且要将BSC和BTS之间Abis接口的LAPD信令链路从16 kbit/s升级到32 kbit/s甚至更高｡在LAPD信令链路能够保证寻呼容量的情况下，可以适当调整寻呼机制，适当加大寻呼尝试次数，以提高位置区内的寻呼能力和话务容量，满足日益增长的话务需求，同时也保证GSM网络能够高效率､高质量的运行｡

　　随着移动通信的迅速发展，目前GSM网络中位置区的大小基本已经趋同于BSC的划分大小，甚至一个BSC划分为多个位置区｡在位置区的大小选择和设置上要综合考虑该位置区内小区数､载频数､用户数､话务量､短消息､寻呼次数和位置更新次数，以及保证系统扩容的一定余量等多种因素｡而在这些因素中，任何一个因素都可能会产生系统瓶颈，影响到网络指标和用户对网络的感知度，因此在位置区的划分上要全面考虑和兼顾这些因素｡

参 考 文 献
1 华为技术有限公司。 GSM无线网络规划与优化。 北京:人民邮电出版社，2004
2 美。塔波尼。 无线移动通信网络。 李新付，楼才艺，徐建良译。北京:电子工业出版社，2001
3 郭梯云，邬国杨，李建东。 移动通信。 西安电子科技大学出版社，2002

----《邮电设计技术》

作者：龙伟博 罗欣