移动通信网位置区和路由区的规划思路分析

admin

本文摘自《邮电设计技术》2012年02期。【作者】 李军； 黄乐； 孙洁；

【机构】 中国移动通信集团设计院有限公司陕西分公司；

【摘要】 首先介绍了移动通信网中位置区和路由区的概念,对影响规划位置区的容量和边界划分等诸多因素进行了分析,并结合工程经验和数据分析,总结出位置区及路由区的规划和边界划分原则。

【关键词】 位置区； 路由区； 容量； 寻呼； 短消息； 边界划分；

0 前言

在移动通信系统中，位置区（LAC区）的规划和设计是移动通信系统网络规划中一项重要的内容。位置区的容量以及边界划分则直接影响着整个网络的性能。如果位置区覆盖范围过小，则移动台发生的位置更新过程会增多，即位置更新频繁，将加重系统信令流量负荷，导致MSC/BSCCPU负荷增加，而且在进行位置更新过程中无法进行呼叫建立，从而影响网络接通率（NCR)指标。反之，若位置区覆盖范围过大，则网络寻呼移动台时，同一寻呼消息会在该位置区内所有小区中发送，这样会导致PCH寻呼信道的负荷过重，造成在这一时段寻呼信道数相对不足，最终导致寻呼成功率指标的降低，同时也加重了BSC的CPU负荷。同理，路由区（RAC区）范围过大或过小也会加重SGSN、PCU等网元的信令负荷。因此，在进行网络规划时，需要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，确定合适的位置区大小和范围。下面将从位置区和路由区的概念出发，逐步进行分析。

1 位置区和路由区概述

在移动通信系统中，由于用户的分布及位置的不确定性，同时考虑到有限的寻呼能力以及降低信令负荷等因素，对用户的寻呼不会在全网进行，为了确定移动台的位置，移动通信网的覆盖区都被划分成许多位置区。位置区可由一个或若干个小区组成，对移动台的寻呼是通过对移动台所在位置区内的所有小区寻呼来实现的。路由区是指在特定操作模式（standby)下，移动台在SGSN上不需要更新位置信息的区域，路由区是位置区的一部分或全部，即一个位置区可以作为一个路由区，也可以进一步划分为几个路由区。每个路由区都只有唯一的SGSN对其提供服务。位置区与路由区的关系可由下面的逻辑公式表述。

位置区范围為路由区范围LAI=MCC+MNC+LACRAI=LAI+RAC=MCC+MNC+LAC+RAC

式中：

LAC---位置区识别码

LAI——位置区标识，即位置区RAC—路由区识别码，标识一个位置区内的一个路由区，在位置区内唯一

RAI——路由区标识，即路由区有了位置区和路由区，就引出了位置区更新和路由区更新的概念。由于用户的位置常处于移动变化状态，网络为了能够获取移动台的位置信息，同时也为了提高无线资源的有效利用率，要求移动台向系统进行位置登记，即发起位置更新过程。位置更新主要分为正常位置更新（用户移动跨位置区）、周期性位置更新、IMSI附着（移动台开机)3种方式。不同的位置更新由位置更新请求消息中的位置更新类别信息识别，处理流程大致相同。当移动用户注册的新的位置区不在原来的MSC/VLR时，或对移动用户的位置区信息不确定时，需要向HLR发起位置更新。虽然一个位置区可能包括一个或多个BSC，但它只能属于一个MSC，即同一个位置区不能跨MSC交换局出现。同样，在GPRS网络中，一个路由区只能属于一个SGSN，不能跨SGSN出现。与位置区的概念类似，路由区更新分为SGSN内部的路由区更新和跨SGSN的路由区更新。在跨位置区更新过程中一定伴随着路由区更新，而路由区更新过程中不一定同时伴随着位置区更新。

由于路由区的划分和位置区的划分有着近似的方式和方法，所以本文主要以位置区为例进行介绍。

2 位置区规划与设计思路分析

一个正确的位置区规划应当包含合理的位置区容量与边界划分2个方面。

2.1 位置区容量规划时的考虑因素

位置区的容量由以下几个因素共同决定。

2.1.1 寻呼容量与寻呼方式对位置区容量的影响

寻呼容量是指在常规的寻呼参数设置以及设备能力范围内，一个位置区内每小时能够完成的最大有效寻呼次数。寻呼业务的种类不同，对寻呼容量的影响也有差异。
无线寻呼流程如图1所示。

目前GSM网络的寻呼方式有IMSI寻呼和TMSI寻呼。IMSI写在SIM卡中，长8字节，用于用户身份识别；TMSI由网络临时分配，代替IMSI在无线信道上传送，长4字节，用于加强用户身份的保密性。在使用IMSI方式寻呼时，寻呼消息中只能包含2个IMSI号码，而使用TMSI方式寻呼时，则可以包含4个TMSI号码。由此可以看出，使用IMSI方式寻呼带来的寻呼负荷会比使用TMSI寻呼方式增加一倍。

下面通过某厂家提供的寻呼容量计算公式来分析寻呼容量与寻呼方式对位置区容量的影响。

pagingcapacityNbofBlock/multiframe-NbofBlockForAccessGrant)x(4.255multiframe/second)x(4xTMSI pagingratio+2xIMSI pagingratio)/(1+Nbofrepeat)

在BCCH not conbined(非组合方式）下，Nbof-Block:每复帧9个CCCH block;在BCCH combined(组合方式）下，NbofBlock=每复帧3个CCCH block；根据位置区内不同型号的BSC性能的不同，需要综合考虑网络性能、寻呼成功率、寻呼能力，通常的工程配置原则为：NbofBlockForAccessGrant接入允许保留块数=1，TMSI寻呼率为80%，IMSI寻呼率为20%；Nbofrepeat寻呼重发次数设为3。

代入上述公式可得：一个位置区寻呼容量paging capacity大约为31次/s。

从上面公式可看出，寻呼容量与其寻呼机制有很大关系，在其他因素不变的情况下，采用IMSI寻呼机制时，一个位置区允许的寻呼容量为TMSI的一半，也就是说采用不同的寻呼方式决定了寻呼容量大小的不同，继而寻呼容量的大小也同时限定了位置区容量的大小，所以采用不同的寻呼方式对位置区容量大小是一个重要的影响因素。

2.1.2 短消息被叫业务对位置区寻呼容量的影响

短消息可以通过SDCCH独立专用控制信道（待机状态）或SACCH慢速随路控制信道（通话状态）发送，根据发送与接收的不同，其流程可分为短消息主叫(SMS_MOC)流程和被叫（SMS_MTC)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。

某地业务区内一个位置区大约有6~10万用户，短消息业务为接收3条/用户/天；系统重发比例为20%;忙时集中系数为0.15。位置区内忙时短信寻呼数为100000x3x0.15x(l+20%)=54000(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。以往曾经做过关于节假日话务与短信的预测分析工作，用以评价当前网络的承受能力并给出临时解决方案。根据运营商提供的话务模型，仅以短信业务量以正常日的300%来计算，网络的部分性能指标巳接近恶化，而从实际情况来看，在节假日高峰期间，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也将达到100000x3x0.15x8x(1+20%)=432000(次/h)

这个寻呼量是非常大的，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。

2.1.3 位置区内允许的话务量

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。

下面以某厂家提供的位置区话务量算法为例进行说明。

位置区允许总话务量=忙时每用户平均话务量x总用户量=忙时每用户平均话务量x忙时总寻呼量/每用户忙时寻呼量其中

忙时总寻呼量=寻呼容量x3600s=31x3600=111600paging/LAC

每用户忙时寻呼量=[(MTC_ratio+M2M_ratio/2)xBH-CA_sub+SMS_MT_sub_BH]x(1+MSC_pag_repeat)

根据话务统计可得出MTC_ratio移动台被叫比率、M2M_ratio移动台呼叫移动台比率、BHCA_sub用户忙时试呼次数、SMS_MT_sub_BH用户忙时短消息被叫次数、MSC_pag_repeat寻呼消息重发次数，带入上述公式可计算出该位置区允许的最大话务量，明确了最大话务量，在规划和划分位置区时就能够明确位置区的最大范围、最大用户数、最大载波数等信息。

从上面公式可看出，位置区允许总话务量和寻呼容量成正比关系，与每用户忙时寻呼量成反比关系，在其他因素不变的情况下，寻呼容量越大，位置区允许总话务量就越大；相反，每用户忙时寻呼量越大，则位置区允许总话务量就越小。

2.2 影响位置区边界划分的一些原则

确定位置区容量大小之后，位置区规划时还必须考虑对网络性能起着至关重要影响作用的内容，即位置区的边界设置与划分。

随着网络规模的不断扩大，基站和BSC的升级换代，每个BSC可承载的话务量也大大增加，目前现网中位置区的划分巳经向BSC的划分靠拢，也即一个BSC划分为一个位置区，个别情况下甚至一个BSC被划分为多个位置区，在3G系统中，1个RNC被划分为多个位置区也较为常见。然而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。

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2个或多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。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)位置区的划分尽量使位置区边缘位置更新代价最低原则，需要综合考虑地理、话务量和扩容等因素。首先尽量利用地理分布来对位置区进行划分，可以利用山体、河流等地形因素来作为位置区的边界。在此区域，由于用户数相对较少，位置更新对网络负荷的影响也相对较小。

b)尽量将位置区边界避开繁华市区等话务量很大的区域，而将其设置在郊区、厂区等话务量小的区域。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。

c)位置区边界一定要避开高话务区和高移动性区域，以减少信令的负荷。在市区和城郊交界区域，一般将位置区的边界放在外围一线的基站处，而不是放在话务密集的城郊结合部，避免结合部用户频繁位置更新；尽量不要以街道为界，边界不要放在话务量很高的地方（比如商场）。

d)交通流量较大的道路或高速公路应保证尽量长的路段在同一位置区内，绝对禁止沿铁路或高速公路方向设置位置区边界，并且在位置区边界应设置成与道路垂直或斜交的状态，这样可以避免在位置区边缘时大量的乒乓位置更新和乒乓切换。

e)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。在以往优化作业中曾经遇到此类问题。如某长途汽车站周围的几个基站分别隶属于3个位置区，这几个基站都有着共同的特点，即SDCCH每天拥塞时长达上万秒，且话务量均不高，经过初步判断后经路测证实，由于汽车站区域没有主覆盖小区，致该区域内移动台在3个位置区之间频繁地位置更新，造成SDCCH拥塞严重，导致大量呼叫信令无法占用SDCCH，出现了还有较多空闲TCH话音信道时，信令信道巳经拥塞的现象，造成话务量流失。后通过调整基站天线方向和下倾角，增强了该区域的主覆盖载波电平值，同时重新规划了位置区边界，SD-CCH拥塞现象消失且话务量明显提升。

f)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，避免位置区的频繁划分和分裂。尽量使划分后的各位置区话务量相差不大。避免个别位置区过大，超出寻呼容量的限制，引起寻呼拥塞，负荷过高而成为系统瓶颈。在优化作业中发现过此类问题：同样是郊区的2个位置区，1个位置区范围较大但话务量很低，且用户集中投诉做被叫很难接听电话，而另一个位置区范围较小且话务量相对较高，对话务统计分析后发现，较大位置区的寻呼量很大，而寻呼成功率却很低，且PCH拥塞严重，通过模拟计算得知，由于无线工程扩容，该位置区巳经严重超出了寻呼容量的限制，后对该位置区进行合理分裂后，虽然位置更新次数有所增加，但忙时总寻呼次数下降了一半，寻呼成功率大幅提高，话务量也恢复到正常水平。

g)在网络稳定期，根据日常话务统计分析，综合考虑设备各项性能指标和用户的分布以及行为习惯，及节假日话务高峰冲击，对部分由于位置区更新较多导致SDCCH拥塞时长较大，且话务量较少的位置区，通过计算在满足寻呼容量的条件下，考虑同交换局下相邻位置区的合并，这样可减少大量的不必要的位置区更新次数。在以往的工程中，曾经将某地市区的16个位置区合并为8个位置区。首先挑选了2个同交换局下相邻位置区做试点，通过观察调整前后忙时位置区寻呼次数、SDCCH拥塞率、SDCCH掉话率、寻呼成功率、CPU负荷、话务量等各项指标的变化，发现各类拥塞情况大为好转，寻呼成功率并未降低且话务量有所提升，证明此类调整是可行的。

h)对于GSM900M和DCS1800M双频覆盖网络，一般典型组网方式包括有MSC独立组网、共MSC混合组网、共BSC混合组网、共BTS混合组网等几种组网方式。这几种组网方式均具有不同的特点及优缺点，应当根据网络实际情况以及技术和经济角度来选择合适的组网方式。由于频率不同，导致在覆盖范围上1800M小区要小于900M小区。故在共MSC或共BSC(Abis接口未开放，需要同厂家的双频基站子系统）的混合组网方式时，应在保证双频网络区域内连续覆盖的基础上，采用相同的位置区配置与规划，以减少不必要的位置更新。在以MSC独立组网方式中，同一区域上的900M小区和1800M小区分属于不同的位置区，移动台会在2个网络系统中发生较多的位置区更新，所以这种组网方式应当谨慎选用。

2.3 2G与3G网络共集团区分析

在中国移动TD-SCDMA网络建设阶段，网络尚未达到现有GSM网络覆盖的水平，网络的覆盖广度和深度还不够，移动台在TD网络和GSM网络之间会出现频繁重选的过程。特别是在同一区域内，TD网络和GSM网络规划在不同的位置区。在这种情况下，当移动台进行TD/GSM双网之间重选时，如果此时移动台做被叫，则该移动台将无法接收到寻呼消息，导致寻呼失败，直到移动台成功重选到目标网络并完成位置更新过程，才能够正常接收寻呼。此类问题直接影响了网络的指标和用户的感知度。故在同一区域内，TD/GSM双网分别规划不同位置区，是导致移动台在TD网络和GSM网络异系统之间重选过程中寻呼成功率偏低的主要原因，因此在TD网络建设过程中采用了2G/3G共位置区的组网方式。另一方面，由于目前中国移动巳经具有完备的GSM网络，并且经过多年持续不断的网络优化，巳经达到相对较稳定的运行状态，所以在TD网络建设时，在采用2G/3G共位置区的组网方式的同时，大部分位置区的划分是根据现有GSM网络位置区边界而规划的。

随着用户的持续发展和网络的不断建设，由于2G和3G网络覆盖情况以及用户分布的不同，2G网络位置区划分的方法并不能完全适应3G网络的发展，从规划和优化的角度出发，在参考2G网络位置区边界划分的基础上，还可以通过各种技术和工具相结合等多种优化手段来进行精细化的位置区划分与调整，包括对新位置区边界的精确规划等。

通过这种以2G网络位置区边界划分为参考，精确进行位置区划分的方法，进行位置区边界的合理规划，在目前TD网络覆盖不足以及TD/GSM异系统网络共同组网的现状下有着重要的意义。

3 路由区规划与设计思路分析

位置区规划的原则就是确保寻呼信道容量不受限，同时对于区域边界的位置更新开销做到最小，再是易管理。而在GPRS/EDGE/TD网络中，路由区的划分与移动数据业务量的分布、业务量大小以及核心网分组域SGSN的处理能力等因素有关，需要通过长期性能统计结果不断调整。在实际工程中，规划和划分路由区的大小与位置区等同，即一个位置区内只有一个路由区，但是随着移动通信的快速发展和数据业务资费的不断下降，用户使用数据业务的活跃度持续提升，分组域用户数量呈现快速增长的态势，根据位置区内数据业务量的统计和用户的分布情况，也可参照位置区的划分原则对路由区进行分裂，力争做到在尽量少的路由区更新次数基础上，最大限度地提高设备利用率。

4 结束语

在进行网络规划时，位置区和路由区的大小选择和边界设置上要统筹考虑位置区内载频数、用户数、话务量、短消息、寻呼次数和位置更新次数以及确保系统安全和扩容余量等多种因素，因为在这些因素中，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，所以在位置区和路由区的设计上要全面考虑和兼顾这些因素，把握容量、信道资源与系统寻呼能力之间的平衡，确定合适的位置区和路由区大小及边界划分，保证移动通信网络能够高效率、高质量地运行，以达到有效提升运营商企业效益的最终目标。

参考文献：
[1]韩斌杰，杜新颜，张建斌.GSM原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社,2001.
[2]韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社，2003.
[3]张同须，李楠，高鹏.TD-SCDMA网络规划与工程[M].北京：机械工业出版社,2008.

作者简介：
李军，工程师，主要从事GPRS网络规划及咨询设计工作；黄乐，工程师，主要从事GPRS网络规划及咨询设计工作;孙洁,注册咨询工程师(投资),高级工程师,主要从事IT支撑、数据通信网络的规划、咨询与研宄工作。