对于GSM通信网络数据业务的分析
南开大学滨海学院
本科生毕业论文(设计)
中文题目：对于GSM通信网络数据业务的分析
英文题目：Analysis About GPRS For GSM Communications Network
学号： 11990483
姓名：孔微
年级： 2011级
专业：电子信息科学与技术
系别：电子科学系
指导教师：丛红霞
完成日期： 2015年4月
南开大学滨海学院毕业论文（设计）诚信声明
本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目《对于GSM通信网络数据业务的分析》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。
毕业论文（设计）作者签名：孔微
2015年4月8日
摘要
GPRS技术是GSM技术的衍生，加强了其上网速率。在GPRS的发展历程中，GPRS主要经历了两个阶段，第一个阶段是用户可以使用数据业务进行一些简单的操作，比如浏览网页。第二阶段是EDGE的GPRS，EGPRS大大提高了网络容量，数据速率也提高了3~4倍。GPRS还可以保证永远在线。
本文从数据业务主要出现的异常释放，建立失败的问题进行分析。并且通过进行参数的调整，信道的修改和增加或者进行数据的分流等方法解决问题。从而反映在工作中学到的实际的G网的优化思路和优化方法。并且通过不断地查阅各种资料，加深对G网中PS域优化思路的理论支持和理论指导。
关键词：GPRS；GSM；EDGE；数据分析
Abstract
GPRS technology is a development of GMS technology , GPRS strengthen the rate on the internet . In the development of GPRS , GPRS have two stages . the first stage is the users can use the data carry on some simple operation ; such as browsing the web . The second stage is the EDGE . EDGE improve the capacity of network , and have a higher data for 3~4 . GPRS can online forever.
We analysis of data from the main business of the data of abnormal release problems and the data set up failure problems . At the same time , to solve the type of the GPRS problems , we can adjust the dependent parameter、change and increase the channel parameter、data diffluent .In the work , I learn more knowledge about the GPRS problems optimization ideas and optimization method . And through continuous refer to all kinds of information , I understand more knowledge about the GSM optimization idea theory support and theory.
Key words:GPRS ; GSM ; EDGE ; the study of data
目录
摘要............................................... I Abstract ............................................ II 第一章绪论.. (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 国内外发展现状及应用 (2)
第二章系统概述 (4)
2.1 GSM系统概述 (4)
2.2 GPRS和EGPRS系统概述 (7)
第三章对于实际中的GPRS中的PS业务的实例分析 (9)
3.1南楼站拥塞 (9)
3.2荣华食府拥塞 (14)
3.3 西青大学城拥塞 (17)
附录.............................. 错误！未定义书签。参考文献.. (21)
致谢 (22)
第一章绪论
1.1 研究背景及意义
由于数据业务的增加，GSM系统采用了电路交换的传输模式的方式，所以GSM系统的数据传输的速率为9.6Kbit/s，远远满足不了人们对上网速率的需求。在1993年的时候，欧洲就提出了GPRS的想法；1999年，GPRS Phase2正式开通；从此GPRS系统正式开通，并开始使用。一开始GPRS系统仅仅在欧洲使用，后来全球才开始使用。并迅猛发展。GPRS系统采用了分组交换模式的传输模式，使得GPRS系统的数据传输速率大大提高了。因为GSM系统开放的接口，GPRS系统很好的利用了现有的GSM系统，在很大程度上减少了新系统的开发和建设资金，并大大提高了资源利用率。GPRS系统基本使用了GSM 系统的结构。比如频段、突发结构。同时GPRS和GSM使用的多址技术均为TDMA技术。因为GSM系统的开放性的接口，GPRS仅需要在GSM系统上增加了SGSN和GGSN两个新的网络节点。理论GPRS系统的上网速率可以达到171.2kbit/s，但是，一个用户不可能全部占用八个空闲时隙，并且占用空闲时隙是没有任何错误；所以GPRS的数据业务的速率达不到171.2Kbit/s，最多达到115Kbit/s的速率。虽然115kbit/s的速率远远小于现在的3G，4G的速率，单就当时来说，GPRS数据业务此时的速率比GSM大了很多。GPRS系统的最大特点就是保持了始终在线。在一开始，移动通信只能在军事及某些特殊领域使用，后来才逐渐可以民用的。在近十年里，移动通信技术迅猛发展。移动通信是已经成为了21世纪的主要通信手段之一。现如今，移动通信技术的前景十分广阔。在2001年年底，全球GSM用户就已经超过4.5亿，其中中国用户已经超过1/3。GPRS是GSM向3G过渡的一个重要阶段，在3G系统出现时，对于那些还没有经营权的运营商来说，GPRS也使他们具有采用2G系统想用户提供高速数据业务的竞争能力。
通信最终目的的有效手段就是移动通信，即在任何时间、任何地点和任何通信对象之间实现通信。移动通信现在所具有的潜力已经被越来越多的人认识和认可。
1.2 国内外发展现状及应用
在19世纪初，随着手机使用者的增多，人们不仅仅希望可以在任何地点，任何时间进通话，但是就网络来说，仍然需要使用局域网，在固定的地方上网。人们就希望可以像通话一样在任何时间、任何地点都可以进行上网。
20世纪初，中国引入了GPRS。GPRS为运营商提供了新的市场，增加收入来源。1998年，Cebit展览会上，爱立信做了第一个演示，在到现在10多年的期间，GPRS系统越来越成熟，并在该基础上出现了3G，4G。
现在使用GPRS数据业务的人越来越多。通过现网数据显示，2012年2月份，移动侧的2G数据全网流量（GPRS+EGPRS）仅为402553MB。在14年10月份全网流量增长到了近1650000MB。如图1.2.1 流量变化图，该图明显的表示出了从12年到15年的数据业务的变化。即使在近两年3G和4G技术在迅猛成熟，但是GPRS的数据流量仍然逐年增长。2年的时间，数据流量增加了近1250000MB。从图1.2.2语音与数据变化图可以看出从12年开始，人们的通话并没有太大的变化。并且随着qq，微信等及时通讯工具的开发，语音业务正在减少。而随着智能手机的使用和各种APP的使用、增多，数据业务越来越重要。
图1.2.1 流量变化图
图1.2.2 语音与数据变化图
GPRS手机具有十分突出的特点，就是上网连接很快，最高可达到170kbit/s，比家中的调制解调器上网速率56.6kbps还要快两倍。
虽然现在3G和4G已经被越来越多的人使用，但是GPRS业务仍有很多人使用。并且现如今仍有很多新型产业需要用到GPRS业务。像GPRS在电力系统中的应用。或者跟GPRS有关的GPS定位系统等等。现如今，对于3G 和4G来说，仍然占有很大的优势。GPRS业务相对于3G和4G来说，GPRS 业务更成熟。GPRS的误码率低、抗干扰能力强、覆盖范围广等多数优点，现
在仍能在数据业务中屈居高位。
第二章系统概述
2.1 GSM系统概述
GSM系统由几个分系统的组成，总的来说GSM数字移动通信系统是综合性系统，涉及网络技术、数字程控技术、无线技术等多个领域的技术。GSM系统的优点是具有开放的接口，通用的接口标准。这个优点使得GPRS系统不用新建接口，直接运用GSM系统的接口。并且直接在GSM系统上仅增加了GGSN 和SGSN。GSM的开放接口有空中接口，甚至还包括系统内、网络间等各个接口。
GSM系统分为几个子系统:MSS或NSS（交换子系统）、BSS（基站子系统）、OMS（操作维护子系统）、MS(移动台)。BSS(基站子系统)和移动终端又归并称为无线子系统。下图是一个简单的GSM系统的组成图。描述了从固定用户到移动用户所经过的所需要的设备。下图为详细的表述了所需要的设备。
MS: MS英文全称为Mobile Station或者Mobile Subscribe。其中Mobile Station—移动台，包括了所有在移动网络通信的用户设备和用户软件,例如手机、平板电脑等移动设备；Mobile Subscribe---移动用户，包括了所有使用移动网络设备的单位、个人；简单的理解就是当我们在上网时，我们就是移动用户，手机就是移动台。
BTS: BTS的英文全名为-----Base Transceiver Station-----基站收发台。BTS 主要由3个大单元组成：分为基带单元、载频单元和控制单元。一个完整的BTS包括很多设备。但是最重要的是发射设备、无线接收设备、天线设备等。BSC: BSC的英文全称为Base Station Controller----基站控制器。主要由AM/CM 模块、BM 模块、TCSM 模块组成。主要功能是控制一组BTS，其主要任务就是管理无线小区及其无线信道、无线设备的操作和维护、移动台的业务过程。其中BSC(基站控制器)和BTS(基站收发台)在一起又简称为基站分系统（BSS）。
EIR: EIR -----------Equipment Identity Register—--设备识别寄存器。EIR，通过收到的IMEI与黑、灰、白三种表进行比较，把比较结果发送给MSC/VLR，MSC/VLR进行辨别改比较结果，并考虑该移动设备是否可以接入网络。不过我国暂时还没有采用EIR对IMEI进行鉴别。
MSC: Mobile Swith Center—移动交换中心。移动通信网络的核心是MSC，控制了基站控制器中的所有业务。主要功能就是将系统中所有的功能与交换功能进行连接。MSC可以将无线小区和无线小区、无线小区和固定网用户连接起来；通过MSC直接提供的信息，或者通过GMSC(网元移动交换中心)提供的信息；集合了PTTN---公共电话交换网、ISDN----综合业务数字网、PDN----公共数据网等固定网的接口功能。移动交换中心的功能很多，除了越区切换，还能获取用户的位置登记更新、呼叫请求所需要的数据。还有支持自动漫游的功能等。
HLR: HLR英文全称为Home Location Register---用户位置寄存器。是GSM系统中的一个核心网元，相当于是一个数据库。主要存储的数据有用户的身份和用户的ISDN号码。用户的身份即用户的IMSI---International Mobile Subscriber Identification。每一个用户在入网的时候都会给一个IMSI以便EIR进行识别。并使用户的设备接入网络中。
VLR: VLR的英文全称为Visitor Location Register---用户位置寄存器。跟HLR相同，也是一种数据库。其中HLR是本地用户的位置寄存器，而VLR是漫游用户的位置寄存器。与HLR一样的是VLR同样存储了用户的身份。而VLR 存储的是用户的MSISDN号码。VLR（用户位置寄存器）所需要的主要信息需
要从HLR（用户位置寄存器）除获取数据并存储数据。VLR可以当成为一个动态用户的数据库。因为当该用户以来某一寄存器控制的区域到达另一个寄存器的控制区域，那么BTS需要在原寄存器上取消该用户在原寄存器上存储的消息记录，并在新的寄存器上登记该用户的的位置消息记录。
OMC: OME的英文全称为Operation & Maintenance Center----操作维护中心。依据厂家的操作维护方式可分为无线子系统的操作维护中心。主要是实现了对交换机、BSC、基站的控制。还有就是对数据的修改、浏览，报表的生成等各种功能。
AUC: Authentication Center---鉴权中心。AUC存储了很多必要信息以保证移动用户通信不受侵犯。并且AUC是GSM系统中重要的安全性管理单元。
其中AUC、EIR、HLR、VLR、OMC、MSC共同组成了移动交换分系统（MSS）。主要是对GSM移动用户之间的通信和GSM移动用户与其他通信网用户之间通信起着管理作用。
GSM系统有着众多优点。在900MHZ的频带中，GSM系统使用了时分复用多路接入的全数字的工作方式。GSM系统与其他网络通常利用现有的标准进行互联，如ISUP标准或TUP标准等。
图2-2 GSM系统所有接口图
在每一个分系统或者每一个设备之间存在各种无线接口。主要的接口有Abits接口，Um接口，A接口等。其中Abits 接口为私有接口，基站控制器-BSC
和基站收发台-BTS的协议，可以根据各设备制造商，如华为、中兴，自行规定。A接口定义为NSS和BSS之间的通信接口。主要是实现了各种管理，比如移动台管理，基站管理，连接管理等。图2-3展示了GSM系统的OSI的互联模式的概念。
图2-3 GSM系统的OSI的互联模式
2.2 GPRS和EGPRS系统概述
在1993年，欧洲提出了在GSM网上开通GPRS业务。97年10月ETSI发布了GPRS Phase1业务，99年完成了GPRS Phase2.
构成GPRS系统，仅仅在GSM系统中引入了3个主要组件：SGSN----Serving GPRS Supporting Node-----GPRS服务支持结点、GGSN----Gateway GPRS Support Node----GPRS网关支持结点、PCU-----Package Control Unit-----分组控制单元。并且只需要对GSM系统的相关部件进行了软件升级。
图2-4 GPRS系统结构
图2-4是GPRS系统的总体结构图。与在GSM系统中的交换模式----电路交换模式中时使用数据传输的方式不同，GPRS系统分组的数据传输方式是从基站发送到GPRS服务支持节点。但是GSM系统分组是通过MSC---移动交换中心连接到语音网络上的。
因为GPRS的”准休眠”状态，即用户虽然没有上网，但是和网络有逻辑上的连接，用户只需要再次点击，手机就会发给GPRS网络一个请求信令，进行网络连接。连接上网接入时间大大缩短，少于1s。可以通过点击进行快速连接，使得APP得以快速迅猛的发展。
对于增强型的GPRS---EGPRS----Enhanced Data Rates for Global Evolution-----增强型数据传输的全球演进技术。对于EGPRS技术，给后续的3G 技术提供了很好的基础。
EGPRS的理论的最大速度为473.6kb/s。虽然EGPRS的数据速率向GPRS 一样达不到其理论值，但是EGPRS的实际速率也可以达到200kb/s,比GPRS的理论值（172kb/s）还要快。在用户的日益增加的上网需求下，EGPRS的发展比GPRS的发展快了很多。
图2-5 EDGE和GPRS对比图
图2-5是EDGE----也就是EGPRS和GPRS的对比图。我们可以看出EDGE 的速率显然远远的大于GPRS。
实际上EDGE于GPRS，是采用了新的调制/解调技术。GPRS采用的是GMSK的调制方式，而EDGE技术则采用了8PSK的调制技术；8PSK可以将GMSK调制技术的符号携带的信息从1扩展到3，使数据变成了原来的3倍，从而大大提高了GPRS系统的上网速率。
第三章对于实际中的GPRS中的PS业务的实例分析
3.1南楼站拥塞
首先，我们这里要提到移动自身设计的4A安全管控平台。管控平台主要是实现了所有员工，包括代维人员、运维人员能进行对所有网元中的BSC的业务操作和维护，用户的管理和访问策略。人员操作的权限申请、分配、登录过程、操作行为均可在管控平台上进行，并有详细的纪录。其中4A安全管控平台分别有7个FTP连接，包含了所有GSM网络的所有BSC网元。M2000---即为7个FTP的连接。主要是连接BSC服务器，MS和BTS均向BSC上报报告，和各种BSC、小区、基站的告警等。然后当BSC检测到报告，向M2000服务器发送telnet连接，导入M2000数据库。简单了解一下移动的安全管控平台。为了保证用户的感知，必须不间断的观察和监测整个GSM网络。及时发现问题并分析和解决问题。因此在M2000上我们对监控整个网络做了一个整点监控的查询模板。将TCH作为指标，从8：00开始，每隔一个小时查询一次指标。表3.1.1.为监控模板的部分。其中作为GPRS的实时监控，我们需要及时关注的是TCH话务量、A9303:无信道资源导致下行EGPRS TBF建立失败次数(无)、A9103:无信道资源导致下行GPRS TBF建立失败次数(无)，这3个指标可以展现出现在上个小时这个小区的无线网络状态中数据业务的繁忙度。
起始时间周期(分
钟)
网元名
称GCELL
K3014:TCH话务量(爱尔
兰)
03/24/2015
08:00:00 60 391 小区名称=田家
场, 21.996
03/24/2015
08:00:00 60 359 小区名称=武清黄
庄10.86
03/24/2015
08:00:00 60 331 小区名称=北辰道, 17.017 接上表
K3034:半速率
话务量(爱尔兰) K3011A:TCH呼叫
占用遇全
忙次数（业务信道）
(无)
K3011B:TCH切换
占用遇全
忙次数（业务信道）
(无)
CM33C:业务信道无线口
掉话次数(无)
K3015:T
CH
可用数目
(无)
10.271 0 11 23 26.369
0.183 0 1 20 19.4
1.893 0 2 2 2
2.169 接上表
K3016:TCH配置数目(无) K3045:TCH拥塞率（遇
全忙）(%)
每线话务量(爱
尔兰/线)
K3041:TCH溢
出率(%)
TCH可用
率(%)
26.369 0.452 0.834 0.452 1
19.4 0.098 0.559 0.098 1
22.169 0.112 0.767 0.112 1 接上表
TCH掉话率（含切换）(%) K3010A:TCH呼叫
占用请求次数（业
务信道）(无)
K3010B:TCH切换
占用请求次数（业
务信道）(无)
K3013A:TCH呼叫
占用成功次数（业
务信道）(无)
K3013B:TCH切换
占用成功次数（业
务信道）(无)
0.009 1020 1414 1016 1397 0.019 527 497 525 489 0.001 1056 724 1055 722 接上表
K3000:SDCCH 占用请求次数(无) K3001:SDCCH
占用遇全忙次数
(无)
A9303:无信道资源导致下
行EGPRS TBF建立失败次
数(无)
A9103:无信道资源导致下
行GPRS TBF建立失败次
数(无)
5278 0 1 0
3071 0 17 2
3589 0 1425 89
表3.1.1 监控模板
从监控中发现在南楼站，下瓦房站，营口道站在11月18号，8：00出现拥塞。因为在18日那天，仅8：00出现拥塞，认为为突发事件。但是在后续几天的持续观察中发现，从周一到周五均发现大量拥塞。从日常的监控中发现营口道、下瓦房、南楼发生拥塞。
图3-1 下行复用TBF拥塞时间段分布
从地铁一号线运营图图3-2查看到营口道站、下瓦房、南楼都在商业街附近。
图3-2 地铁1号线部分运营图
拿其中一个拥塞点进行重点分析。其他的站点就可以用相同的方法进行分析处理了。就南楼站来分析。24号（周一）到28号（周五）早8点下行TBF （临时块流，是基于源站和基于位置的路由协议。）拥塞急剧增加，到9点的时候TBF拥塞又减少很多。到了下午16：00的时候TBF拥塞也急剧增加，19：00的时候TBF拥塞又减少了。但是在29号（周六）和30号（周日）发现TBF 拥塞不多。在南楼站附近为商业区，上班的人比较多。观察TBF拥塞时间段恰好为上下班时间段。
图3-3 南楼某一周的下行TBF拥塞次数
根据之前的方法，我们一般对拥塞小区采用的是简单的调整参数的方法，为调整PDCH下行复用门限和COX比例门限。可是由图发现该小区仅在7：00-9：00和16：00-18：00这两个时间段出现拥塞，其他时间段拥塞都特别少，基本属于没有拥塞。如果调整了PDCH下行复用门限（即1个信道可以有多少个用户进行使用），那个会在整天的时间都会增加PDCH的复用度，网速会急剧下降。所以进行了调整COX比例门限（可以转换的动态可以使用的数据信息的信道）的方法。南楼站现在的COX比例门限为80，我们调整为100.经过一段时间发现该方法并没有改善该小区的TBF拥塞。仍然出现大量TBF拥塞。从表格中我们提出每线话务量。下图所示。
图3-4 南楼某一周的每线话务量
从图3-4看出，这一周的每线话务量最高时段为0.25爱尔兰左右，为闲小区，而且除16：00-18：00这段时间内，每线话务量不到0.1爱尔兰。为超闲小区。但是拥塞却很多。于是我们考虑为修改小区分组忙门限。系统一般设定的系统忙门限为80，我们修改为60.即当整个小区60%的PDTCH信道被使用的时候，即判定该小区为流量忙小区。当南楼站是流量忙小区的时候，系统将对该小区分配较多PDTCH信道（即数据业务信道）。减少没有使用的TCH信道（语音业务信道）。
图3-5 修改后的南楼站
在1号上午过了早忙时（8：00~11:00）后，进行修改。修改后效果明显。发现在晚忙时（18：00~20：00）下行TBF拥塞下降明显。如上图所示。
3.2荣华食府拥塞
数据业务流量的持续增长，在语音优先的策略下，数据业务可以使用的信道资源受到限制，单PDCH承载效率（即一个数据业务信道有几个用户进行使用）也持续走高，用户感知有所下降，提升用户感知的有效手段就是要释放数据信道资源，增加数据信道的占用；与此同时可减少数据信道资源不足引起的拥塞和无信道资源导致的异常释放，提高数据用户的接入及保持性能；数据信道资源的释放，可增加数据等效话务量，对于数据业务掉线率的提升也至关重要。
在处理数据业务高掉线小区时发现荣华食府小区部分时段存在高掉线现象，指标如下(所取时段为3天的晚忙时：18：00、19：00、20：00)
时间小区名
称
上行TBF异常释放次数
(次)
下行TBF异常释放次数
(次)
01/02/2015 18：00 荣华食
府
7436 6459
01/02/2015 19 :00 荣华食
府
7553 8161
01/02/2015 20：00 荣华食
府
10530 11230
01/03/2015 18:00 荣华食
府
7120 7159
01/03/2015 19:00 荣华食
府
8616 8442
01/03/2015 20：00 荣华食
府
12240 10441
01/04/2015 18:00 荣华食
府
7403 7113
01/04/2015 19:00 荣华食
府
8922 10185
01/04/2015 20：00 荣华食
府
122659 13208 表3-1 荣华食府小区拥塞表
对于该问题，我们有一个基本步骤来查看该小区的拥塞原因:
1、首先查看历史和当前告警情况，M2000中，查到该小区所属的BSC，查看该小区的告警。发现该小区没有告警。
2、查询该小区的传输误码率（即在传输中所没有被解调出来的码数对于总传输码数的比值）指标。发现该小区传输正常，误码率为0.0055.小区的误码率在正常范围。
3、从 Mapinfo 上查看，即图3-3，该小区附近的西楼桥、西楼后街、下瓦房、福建路、奥光大厦等，小区都没有退出服务，或者传输故障的告警。
图3-6 荣华食府基站图
小区CI 小区名称
4-5
干扰
带比
例
(%)
zlf-无线利用率(%)
TA为
0-2的
比例
(%)
TA为
3-5的
比例
TA为
6-10的
比例
(%)
TA
大于
10的
比例
32955 荣华食府0 1.0858 0.9995 0.0005 0 0
表3-2 荣华食府
5、从表3-2发现，小区的4-5级干扰带（4-5级的干扰带基本可以判定该小区存在外部干扰）比例为0，则表明该小区没有强外部干扰。无线利用率为1.0858，利用正常。