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1 概述
在移動通信系統(tǒng)中，位置區(qū)(LAC)管理是移動臺移動性管理的一個重要組成部分｡本文首先介紹了位置區(qū)概念及其功能，通過對尋呼原理和尋呼過程的分析，討論和研究了GSM移動通信網(wǎng)中位置區(qū)的容量及其劃分問題，并分別對位置區(qū)尋呼容量､話務容量和位置區(qū)劃分等幾個方面進行了計算和探討，結合這些數(shù)據(jù)，以及影響位置區(qū)的諸多因素，提出了在位置區(qū)容量和劃分上的一些觀點和看法｡
1。1 幾個概念
a) 位置區(qū):在GSM系統(tǒng)中，由于尋呼信道容量的限制，對移動臺的尋呼消息不可能整網(wǎng)下發(fā)，就需要引入一個位置區(qū)的概念，在該位置區(qū)中包含許多小區(qū)，對移動臺的尋呼是通過對移動臺所在位置區(qū)的所有小區(qū)的尋呼來實現(xiàn)的｡
b) 位置更新:分為正常位置更新､周期性位置更新､IMSI附著位置更新｡正常位置更新，也即跨位置區(qū)的位置更新，是指當移動臺發(fā)現(xiàn)其存儲器內(nèi)的LAI和接收到的小區(qū)的LAI號不一致時，通知網(wǎng)絡來更改它所存儲的移動臺的位置信息;周期性位置更新，是為了保持移動臺和網(wǎng)絡之間密切聯(lián)系，讓網(wǎng)絡及時掌握移動臺狀況的位置更新，網(wǎng)絡要求移動臺每隔一定時間向網(wǎng)絡發(fā)起周期性位置更新請求，這種位置更新叫周期性位置更新;IMSI附著位置更新，是指移動臺開機時，移動臺會向網(wǎng)絡發(fā)送消息，把自己的開機狀態(tài)告知網(wǎng)絡，網(wǎng)絡收到此消息后，根據(jù)其TMSI或IMSI號，將在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中注明該用戶的當前位置等狀態(tài)信息，并向移動臺發(fā)送其當前小區(qū)的LAI｡
c) 尋呼容量:是指網(wǎng)絡系統(tǒng)正常情況下，一個位置區(qū)內(nèi)，單位時間內(nèi)能夠進行的最大尋呼次數(shù)｡
1。2 問題的產(chǎn)生
移動臺的位置更新通過專用控制信道(SDCCH) 進行，位置更新次數(shù)過多，將使SDCCH的負荷加大，浪費系統(tǒng)的信道資源，同時也會增加MSC､HLR的負荷;另外，移動臺進行小區(qū)更新需要約10 s的時間，在此期間不能打出或打進電話｡
一般情況下，每個移動交換中心(MSC)的控制區(qū)可分成若干個位置區(qū)｡從減少位置更新頻率､節(jié)約系統(tǒng)信道資源的角度來說，位置區(qū)設置得越大越好｡但是，如果位置區(qū)過大，超過系統(tǒng)的尋呼能力，將會造成系統(tǒng)尋呼信令負荷過高，以至尋呼消息丟失，使尋呼成功率下降，并且低的尋呼成功率使得用戶產(chǎn)生二次呼叫，會進一步增加系統(tǒng)尋呼負荷，以至進一步惡化尋呼成功率，嚴重情況下的惡性循環(huán)會導致系統(tǒng)癱瘓｡所以位置區(qū)也不能設得太大｡因此，在進行網(wǎng)絡規(guī)劃時，必須綜合考慮位置區(qū)容量､信道資源與系統(tǒng)尋呼能力之間的平衡｡
隨著GSM網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，用戶數(shù)和話務密度不斷增大，每個位置區(qū)內(nèi)的話務量也不斷增加，這將會對位置區(qū)的設置和管理提出新的要求｡
2 位置區(qū)尋呼容量
2。1 尋呼原理分析
當一個LAC下的移動臺被尋呼時，MSC就會通過基站控制器(BSC)向?qū)狶AC范圍內(nèi)的所有小區(qū)發(fā)出尋呼請求｡目前GSM網(wǎng)存在TMSI 尋呼和IMSI 尋呼兩種尋呼方式｡
在GSM 系統(tǒng)中，每個用戶都分配了一個惟一的IMSI，IMSI寫在移動臺的SIM卡中，長8字節(jié)，用于用戶身份識別;TMSI 由VLR為來訪的移動用戶在鑒權成功后臨時分配，僅在該VLR 管轄范圍內(nèi)代替IMSI在空中接口中臨時使用，且與IMSI相互對應，長4字節(jié)｡因此空中接口的尋呼信道在使用IMSI 方式尋呼時，尋呼請求消息中只能包含2個IMSI 號碼，而使用TMSI 方式尋呼時，則可以包含4個TMSI號碼｡因此，使用IMSI 方式尋呼帶來的尋呼負荷會比使用TMSI 方式尋呼增加一倍｡
從圖2 可知，當MSC從VLR中獲得移動臺當前所處的位置區(qū)號(LAI)后，將向這一位置區(qū)內(nèi)的所有BSC發(fā)出尋呼消息｡BSC收到尋呼消息后，向該BSC下屬于此位置區(qū)的所有小區(qū)發(fā)出尋呼命令消息｡當基站收到尋呼命令后，將在該尋呼組所屬的尋呼子信道上發(fā)出尋呼請求消息，該消息中攜帶有被尋呼用戶的IMSI或者TMSI 號碼｡移動臺在收到尋呼請求消息后，通過隨機接入信道(RACH)請求分配SDCCH｡BSC則在確認基站激活了所需的SDCCH 信道后，在接入許可信道(AGCH)，通過立即指配命令消息，將該SDCCH指配給移動臺｡移動臺則使用該SDCCH發(fā)送尋呼響應(Paging Resp)消息給BSC，BSC將Paging Resp 消息轉(zhuǎn)發(fā)給MSC，完成一次成功的無線尋呼｡
一般設置情況下，如果MSC 在發(fā)出TMSI尋呼消息后，4~6 s 內(nèi)沒有收到Paging Resp 消息，則會再發(fā)送一次IMSI尋呼消息;如果4~6 s內(nèi)仍沒有收到Paging Resp消息，則此次無線尋呼失敗，同時，MSC 將向主叫用戶發(fā)送“用戶暫時不能接通”之類的錄音通知｡
2。2 尋呼參數(shù)設置
根據(jù)GSM 的規(guī)范，公共控制信道(CCCH)的配置有兩種方式:
a) CCCH和SDCCH共用，也叫組合BCCH，每個復幀傳送3個尋呼組｡
b) CCCH 和SDCCH不共用，也叫非組合BCCH，每個復幀傳送9個尋呼組｡
尋呼組可作為尋呼信道(PCH)用來廣播尋呼請求，同時也可作為AGCH 用來回應手機的接入請求，即分配SDCCH｡操作上，可將數(shù)個復幀組合在一起，形成一個尋呼周期，增加小區(qū)內(nèi)的尋呼組數(shù)量｡手機會周期性地監(jiān)聽所屬的尋呼組，于是當手機作被叫時，會監(jiān)測到基站發(fā)送的尋呼請求，并做出回應｡
尋呼組設置較多意味著手機在監(jiān)測到正確的尋呼組之前需要等較長時間，這樣會增加尋呼的時間｡尋呼組設置較少會由于手機較為頻繁地接聽尋呼組而縮短呼叫建立時長，缺點是手機會很費電｡一個小區(qū)尋呼組的數(shù)量可以通過以下2個參數(shù)來調(diào)整:
a) 接入許可保留塊數(shù)(AGB):這個參數(shù)定義了每個復幀內(nèi)AGCH專用的尋呼組數(shù)量｡對于CCCH 和SDCCH共用的小區(qū)，AGB取值為0~2;對于CCCH 和SDCCH不共用的小區(qū)，取值為0~7;若使用小區(qū)廣播信道(CBCH)，則取值為1~7｡它可以設成AGB=0，此時表示沒有專用的AGCH，所有的尋呼組由PCH和AGCH共享;若設為AGB≥1，則表示保留尋呼組作為AGCH 專用信道｡AGB的取值取決于小區(qū)話務量｡
b) 尋呼信道復幀數(shù)(MFR):這個參數(shù)定義了BTS的尋呼周期，即同一尋呼組傳送尋呼請求的時間間隔，該參數(shù)的大小，直接關系到移動臺對尋呼的響應時間｡如MFR=9的意思是每一尋呼組，以每9個復幀的周期重復一次，也就是說屬于某一特定尋呼組的移動臺，必須每9個復幀監(jiān)聽一次，監(jiān)聽間隔時間大約是9×235 ms=2。1 s｡
BTS 通過尋呼組廣播尋呼請求時，有以下幾種可能的配置情況:
a) 2 IMSI;
b) 1 IMSI and 2 TMSI;
c) 4 TMSI｡
根據(jù)網(wǎng)絡設置的不同，信道設置包含mainBCCH 的，屬于CCCH 和SDCCH 不共用的情況｡每個復幀 (時長為0。235 s)有9個尋呼組，在AGB值設置為1 的情況下，這9 個尋呼組包括1個AGCH和8個PCH，因此，每秒尋呼組數(shù)量為(9-AGB)尋呼組/0。235 s=34。04 尋呼組/s。
每復幀尋呼組可以傳送4 個TMSI尋呼或2個IMSI尋呼｡1個TMSI尋呼占1個尋呼組的1/4，1個IMSI尋呼占1個尋呼組的1/2｡網(wǎng)絡系統(tǒng)中，若有約20%的尋呼次數(shù)采用IMSI尋呼方式，80%的尋呼次數(shù)采用TMSI尋呼方式，那么可以計算出:每100個尋呼中包括80個TMSI 尋呼方式和20個IMSI尋呼方式，則每100個尋呼所需的尋呼組數(shù)目為
80×1/4+20×1/2=30
所以，每尋呼組的尋呼數(shù)為
100÷30=3。33
可以理解為，每尋呼組可以尋呼到3。33 個手機｡
在采用非組合BCCH情況下，轉(zhuǎn)化為尋呼次數(shù)后，為
34。04×3。33=113。35(尋呼/s)
則非組合BCCH情況下，每秒的最大尋呼為113。35次(即408 060次/h)｡
在采用組合BCCH情況下，若AGB值設置為1，則每秒尋呼組數(shù)為2尋呼組/0。235 s=8。51尋呼組/s｡采用TMSI和IMSI尋呼方式4∶1情況下，每秒的尋呼次數(shù)為28。34次/s(即102 024次/h)｡
從上面的計算可以看出，采用組合BCCH時的尋呼能力約是非組合BCCH尋呼能力的1/4，因此當網(wǎng)絡話務量較高､網(wǎng)絡配置比較大時，為了保證系統(tǒng)能夠提供足夠的尋呼能力，應當采用非組合BCCH的信道方式，以提高位置區(qū)內(nèi)的尋呼能力｡
2。3 Abis接口尋呼容量
由于位置區(qū)內(nèi)的尋呼消息是以廣播的形式發(fā)出的，也即尋呼消息將由BSC發(fā)給每一個小區(qū)，那么，BSC和BTS之間的Abis接口的信令負荷，也將關系到位置區(qū)的尋呼容量｡
為了安全起見，LAPD鏈路的信令負荷要控制在50%以下，高于60%時將會存在較大的風險｡尋呼消息(包括幀校驗序列FCS和標頭flags)字長為21個字節(jié)，一般情況下LAPD鏈路信令負荷中60%為尋呼消息，那么，當LAPD信令為16 kbit/s的鏈路時，每秒可傳送的尋呼消息數(shù)為
50%×16 000×60%/8/21=28。57次/s
BSC每小時可以傳送的尋呼消息為
28。57×3 600≈102 852次/h
以河南移動GSM網(wǎng)絡為例，在采用的諾基亞設備中，當Abis接口的LAPD鏈路為16 kbit/s時，廠家給出的標稱尋呼容量為29次/s｡當采用32 kbit/s的LAPD信令鏈路時，BSC每小時可以傳送的尋呼容量大約為
50%×32 000×60%/8/21=205 704次/h
2004年上半年開始，河南移動由于資費的優(yōu)惠調(diào)整，使得2004年9月28日相比2003年9月28話務量增長了一倍，尤其鄭州業(yè)務區(qū)，由于各BSC話務量基數(shù)已經(jīng)比較大，增長后就達到了更高的量值｡如2004年9月28日市區(qū)的BSC30峰值話務量達到1 891。85 Erl，忙時短信量也達5萬多條，忙時尋呼次數(shù)達到近20萬次，BSC和BTS之間的16 kbit/s LAPD信令鏈路已超負荷運轉(zhuǎn)，造成尋呼成功率下降，已不能夠滿足話務增長需求｡為了解決Abis接口尋呼容量的瓶頸，2004年國慶節(jié)以后，河南移動率先在鄭州業(yè)務區(qū)分批次將全區(qū)LAPD信令鏈路從16 kbit/s升級到32 kbit/s，給以后話務增長和系統(tǒng)擴容提供了一定的保障｡
2。4 每位置區(qū)允許的話務量
設置位置區(qū)話務容量時，一個重要原則就是位置區(qū)的大小不能超過其所能承擔的最大尋呼容量｡對此，先討論一下一個位置區(qū)內(nèi)尋呼容量和話務量的關系｡
假設一個話務模型的平均通話時間為60 s，短消息引起的尋呼比例為40%(河南移動鄭州業(yè)務區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù))，Abis接口LAPD鏈路按照16 kbit/s考慮，則尋呼容量為102 852次/h｡假設移動臺第一次尋呼時響應的比例為70%，第二次尋呼時響應的比例為30%，其他情況可忽略不計(此數(shù)據(jù)一般是在Abis口尋呼受限時的情況下，在Abis口尋呼容量沒有瓶頸時，尋呼嘗試次數(shù)往往會設置到5~6次，一次成功呼叫所需的平均呼叫次數(shù)可達2~3次)，則每小時產(chǎn)生的被叫話務量為
102 852×60%/(1+30%)/60=791。17(Erl)
若假定主被叫比例為1∶1(目前河南移動全網(wǎng)主被叫比例約為4。5∶5。5，鄭州業(yè)務區(qū)比例約為1∶1)，則可計算出一個位置區(qū)最多可容納的話務量為
791。17×2=1 582。34(Erl)
該數(shù)據(jù)是建立在給定的話務模型，一定的BCCH､尋呼方式等幾個條件下計算的結果，其中非組合BCCH方式，采用TMSI尋呼，可使一個位置區(qū)內(nèi)可承載的話務量達到最大，位置區(qū)實際的話務容量還跟網(wǎng)絡的實際情況和話務模型有關｡但從上面假定的情況和計算結果看，基本可以得到這樣的結論，當Abis接口LAPD鏈路為16 kbit/s時，為了保障網(wǎng)絡的正常運行，建議其最大話務容量要控制在1 580 Erl以下｡
2。5 短消息對位置區(qū)尋呼容量的影響
短消息可以通過SDCCH或SACCH發(fā)送，根據(jù)發(fā)送短消息與接收短消息的不同，其流程可分為短消息主叫流程和短消息被叫流程｡短消息對位置區(qū)尋呼容量的影響主要體現(xiàn)在移動臺接收短消息時的影響，移動臺接收短消息時，同移動臺作被叫一樣，系統(tǒng)也要對移動臺進行尋呼，因此基本可以認為，移動臺每接收一條短消息和移動臺做一次被叫對網(wǎng)絡造成相同的影響｡下面將針對一定的短消息話務模型，來計算和分析短消息對系統(tǒng)造成的具體影響｡
短消息業(yè)務為接收3條/用戶/天;系統(tǒng)重發(fā)比例為30%;忙時集中系數(shù)為0。12｡以一個位置區(qū)內(nèi)有10萬用戶為例(鄭州業(yè)務區(qū)一個位置區(qū)大約有6~10萬用戶)，位置區(qū)內(nèi)忙時短信尋呼數(shù)為
100 000×3×0。12×(1+30%)=46 800(次/h)
可以看出，短消息引起的尋呼也比較大，會對系統(tǒng)造成一定的影響｡
另外短消息還有一個顯著的特點，就是具有很大的突發(fā)性，節(jié)假日高峰期間，突發(fā)因子可達3~8，也即節(jié)假日的忙時短信量要達到平常忙時短信量的3~8倍，此時短信引起的尋呼將達到
100 000×3×0。12×8×(1+30%)=374 400(次/h)
這個數(shù)據(jù)是非常驚人的，并且這種短消息高峰往往是伴隨著話務高峰發(fā)生的，這2個高峰將會造成一個很大的尋呼量，對系統(tǒng)造成極大的沖擊｡此時就需要一定的流控保護，如采取短信不再設置重發(fā)､高峰緩沖遲延處理､降低最大尋呼次數(shù)等措施，以保證網(wǎng)絡平穩(wěn)度過節(jié)假日短信與話務高峰｡
3 位置區(qū)邊界的劃分
GSM建網(wǎng)初期，一般可以將幾個BSC之下的基站設置為一個位置區(qū)｡隨著話務量和載頻容量的增加，以及BTS和BSC的升級換代，每個BSC可承載的話務量大大增加，位置區(qū)的劃分逐漸向BSC的劃分靠攏，也即一個BSC劃分為一個位置區(qū)，個別情況下甚至可將一個BSC劃分為多個位置區(qū)｡但位置區(qū)過小也會帶來新的問題，諸如跨位置區(qū)的位置更新更加頻繁，增大了交換機的負荷｡
位置區(qū)內(nèi)移動臺進行的周期性位置更新，由于位置區(qū)內(nèi)所有移動臺都要參與進行的活動，這種更新僅與周期時間和位置區(qū)內(nèi)移動臺用戶數(shù)有關｡周期時間是由系統(tǒng)通過BCCH廣播給各個移動臺一個周期位置更新定時器，強制移動臺在定時器超時后自動向網(wǎng)絡發(fā)送周期位置更新請求｡該周期時間越短，網(wǎng)絡與移動臺的聯(lián)系就越密切，網(wǎng)絡性能就越好，但是帶來的副作用就是一方面會使網(wǎng)絡的信令流量增加很大，無線資源的利用率隨之降低，甚至影響MSC､BSC､BTS的處理能力;另一方面也使得移動臺的耗電量急劇增加，待機時間大大縮短｡因此周期性位置更新的間隔時間不宜過小，該參數(shù)對位置區(qū)邊界劃分影響小，本文就不作詳細的討論｡
在不同位置區(qū)之間發(fā)生位置更新期間，移動臺將不能正常通話，而在高話務量的密集市區(qū)，移動臺在不同位置區(qū)重疊區(qū)域的活動也比較頻繁，這就對不同的兩個或數(shù)個位置區(qū)的邊界設置提出了較高的要求｡從減少正常位置更新次數(shù)出發(fā)，位置區(qū)設置得越大越好，然而位置區(qū)大小又受到尋呼容量的限制，因此就不能通過增大位置區(qū)范圍來減少正常位置更新，就需要在位置區(qū)的邊界設置上來考慮盡量減小位置更新次數(shù)｡以河南移動鄭州業(yè)務區(qū)為例，在將LAPD信令鏈路升級以后，Abis接口尋呼容量的瓶頸已基本得到了解決，位置區(qū)的問題日益表現(xiàn)在跨位置區(qū)邊界的位置更新上｡隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，用戶密度將進一步增大，跨位置區(qū)的位置更新對系統(tǒng)負荷的影響也將會越來越大，所以位置區(qū)的邊界設置顯得越發(fā)重要｡根據(jù)正常位置更新發(fā)生的特點，總結出位置區(qū)的邊界劃分應該遵循以下幾個原則:
a) 盡量將位置區(qū)邊界避開繁華市區(qū)等話務量很大的區(qū)域，而將之設置在郊區(qū)､工廠等話務量低或者低端用戶區(qū)域｡這些地方小區(qū)密度小，移動臺位置變更范圍小，跨位置區(qū)的位置更新對網(wǎng)絡的負荷相對較小｡當密集市區(qū)無法避開位置區(qū)邊界時，應盡量將位置區(qū)邊界放置在居民小區(qū)等用戶移動性較低的區(qū)域｡
b) 將位置區(qū)邊界設置成與道路垂直或斜交的狀態(tài)，盡量避免位置區(qū)重疊區(qū)設置在用戶高移動性區(qū)域，這樣可以避免跨位置區(qū)時大量的乒乓位置更新和乒乓切換｡若此時設置不當，將會對系統(tǒng)造成極大的影響｡
c) 盡量避免幾個位置區(qū)的交界處在同一個較小區(qū)域，這也將減少移動臺在較小區(qū)域內(nèi)在幾個位置區(qū)之間不斷位置更新和切換｡
d) 劃分位置區(qū)邊界時，還要考慮到話務量的增長趨勢，在位置區(qū)尋呼容量和話務容量的設計上，要考慮一定的擴容余量，避免位置區(qū)頻繁的劃分和分裂｡
4 結束語
位置區(qū)的容量與尋呼機制密切相關，與接入保留塊(AGB)和BCCH的組合方式也有直接的關系｡當一個位置區(qū)中的AGB和BCCH的組合方式不一致時，位置區(qū)的容量由其中容量小的小區(qū)決定，因此，在位置區(qū)規(guī)劃時應保持一個位置區(qū)內(nèi)各BTS的AGB和BCCH組合方式設置一致｡
在高話務密度的市區(qū)或業(yè)務區(qū)，最好采用非組合的BCCH方式，盡量采用TMSI尋呼機制，并且要將BSC和BTS之間Abis接口的LAPD信令鏈路從16 kbit/s升級到32 kbit/s甚至更高｡在LAPD信令鏈路能夠保證尋呼容量的情況下，可以適當調(diào)整尋呼機制，適當加大尋呼嘗試次數(shù)，以提高位置區(qū)內(nèi)的尋呼能力和話務容量，滿足日益增長的話務需求，同時也保證GSM網(wǎng)絡能夠高效率､高質(zhì)量的運行｡
隨著移動通信的迅速發(fā)展，目前GSM網(wǎng)絡中位置區(qū)的大小基本已經(jīng)趨同于BSC的劃分大小，甚至一個BSC劃分為多個位置區(qū)｡在位置區(qū)的大小選擇和設置上要綜合考慮該位置區(qū)內(nèi)小區(qū)數(shù)､載頻數(shù)､用戶數(shù)､話務量､短消息､尋呼次數(shù)和位置更新次數(shù)，以及保證系統(tǒng)擴容的一定余量等多種因素｡而在這些因素中，任何一個因素都可能會產(chǎn)生系統(tǒng)瓶頸，影響到網(wǎng)絡指標和用戶對網(wǎng)絡的感知度，因此在位置區(qū)的劃分上要全面考慮和兼顧這些因素｡
參 考 文 獻
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3 郭梯云，鄔國楊，李建東。 移動通信。 西安電子科技大學出版社，2002
----《郵電設計技術》
