随机接入成功率的研究分析
1.1.1 随机接入成功率研究简介
随机接入成功率是无线网络的一个重要性能，良好的随机接入性能也使得DT 测试中的DT 接通率在接入过程中得到保障。一般来说，网络（尤其是市区网络）的随机接入性能处在一个非常好的水平上，但在现网统计中总有一些小区的随机接入失败较多，为研究随机接入失败对网络的影响特别是对用户感受的影响，本次DT 测试优化以此为专题进行相关研究，从理论上研究手机从IDLE 模式下进行随机接入的信令流程，及其相应的触发原因和机理。研究分析手机随机接入失败的原因和相应的解决思路和方法及爱立信交换机中与随机接入性能有关的统计计数器和小区参数介绍等。
1.1.2 手机空闲状态的活动
开机后手机将进行人工或自动的网络选择（PLMN Selection），经过小区选择（Cell Selection）和小区重选（Cell Reselection ）选择合适的小区，并根据所选的小区广播信道（BCCH ）广播的系统信息进行其它如周期登记、位置更新、小区重选、收听寻呼等空闲状态的活动。下图直观地表示了手机开机后的一些行为。
手机空闲状态的活动示意图
1.1.3 随机接入过程（RANDOM ACCESS）
随机接入过程是一个信道申请过程。从广义上说，这个过程始于移动台（MS ），当处于空闲状态（IDLE MODE ）下的MS 需要与网络建立通信连接，MS 就在RACH(随机接入信道) 上向网络发送一条称作“信道申请”（CHANNEL REQUEST ）消息的报文来向系统申请一条信令信道，网络将根据信道请求需要来决定所分配的信道类型。报文中有用信令消息只有8bit ，其中有3bit 用来提供接入网络原因的最少指示（对于PHASE 1标准，该建立原因只用3bit ；对于PHASE 2 标准，由于引入半速率的概念，建立原因所占的比特最多可达到6bit ），如紧急呼叫、位置更新、响应寻呼或主叫请求等，在网络拥塞的情况下，系统可以根据这些粗略的指示来分别对待不同接入目的信道申请（哪些类型的呼叫可以接入网络，哪些类型的呼叫将被拒绝），并为它们选择分配最佳类型的信道。在这一指示中，由于信道容量的限制，显然不能将移动台想要传送的所有消息全部发送给网络，如申请信道的具体原因、用户身份及移动设备的特性等（这些消息在SABM 消息中发送）。另外5bit 是移动台随机选择的鉴别符（这是对于PHASE 1标准，对于PHASE 2标准，相应的可变为2bit ），它并不用来向网络提供信息，其目的是使网络能区分不同MS 所发起的请求，网络此后将向移动台发送的“立即指配命令”（含有所分配信道的信息）中会再次将鉴别符发还给移动台，移动台会通过网络返回的鉴别符和本身所发送的鉴别符相比较来判断该信息是否是网络发还给自己的。但它只有5bit ，最多只能同时区分32个MS ，不保证两个同时发起呼叫的MS 的随机鉴别符一定不同。要进一步区分同时发起请求的MS ，还要根据Um 接口上的应答消息。信道请求消息只在BSS 内部进行处理。
BTS 在对移动台的“信道申请”（CHANNEL REQUEST）消息正确解码后，它将把“信道请求”（CHANNEL REQUIRED）的报文通过ABIS 接口发送给BSC ，并附上BTS 对该MS 到BTS 传输时延（Timing Advance）的估算（这一指示对启动定时提前控制很重要）及本次接入原因等附加信息，BSC 收到此消息后，将根据接入原因及当前系统资源情况的判断，为该次请求选择一条相应的空闲专用信道SDCCH 供MS 使用。但所分配的信道及其相关的地面资源是否可用，还需BTS 作应答证实，这个程序的完成是通过BSC 向BTS 发送一条”信道激活”（CHANNEL ACTIVE）的报文来查询相应的地面资源（传输电路等）是否可用，该报文指明激活信道所需的全部属性，包括信道类型、工作模式、物理特性和时间提前量等。BTS 在准备好相应的资源后，将返回一条“信道激活证实”（CHANNEL ACTIVE ACK）的报文来
答复BSC 。
BTS 完成指定信道的激活后，BSC 将在MS 接收“信道请求”的同一CCCH （公共控制信道）时隙（TS0）即AGCH （接入允许）信道以无证实方式发送一条“立即指配”或“立即指配扩展”的消息来向移动用户分配专用信令信道。BTS 在下行CCCH 信道的任何部分都可发送“立即指配”或“扩展的立即指配”，这就需要MS 对CCCH 的所有信息块都进行侦听。所分配的信道类型（TCH 或SDCCH ，信道模式设置为指令）由运营者决定。在启动立即指配命令的同时网络启动定时器T3101。“立即指配”或“扩展的立即指配”消息包括：指配信道的描述（新的频率序列，MAIO ，HSN ）；“信道请求”的信息字段和接收到“信道请求”帧的缩减帧号码（缩减帧号是根据BTS 收到信道申请时的TDMA 帧计算出来的一个取值范围较小的帧号）；初始化时间提前量；起始时间指示（可选）；初始化最大传输功率以及有关随机参考值。每个在AGCH 信道上等待分配的MS 可以通过比较参考值来判断这个分配信息的归属，以避免争抢引起混乱。
MS 收到立即指配命令后，通过对该消息的解码，如果认为随机鉴别符和缩减帧号值都符合要求，MS 就会将本身的收发配置调整到指定信道上来，并按照BSC 指定的TA 值和初始化最大发射功率（CCHPWR ）开始传输信令。此后将将继续进行信令的接续以及鉴权、加密、TMSI 再分配等。下图信令连接建立流图简介了随机接入的过程。
图Sequence Diagram For Signaling Connection Setup
1.1.4 随机接入失败原因分析
随机接入是手机接入网络时发生的第一个事件，随机接入失败率高就会影响网络的接入性能。随机接入失败原因有很多，主要有以下几个方面：
同BCCH/BSIC、同临频干扰
这是最常见的影响随机接入成功率的原因。由于网络规模和容量的不断提高再加上频率规划的不合理，使得同临频复用的间距越来越小，势必造成因BCCH 上行干扰，而导致BTS 不能正确解码RACH 上的接入请求消息（表现为信息错误编码）。对于同频（BCCH ）小区来说，由于BSIC 参与了随机接入信道的编码译码过程（为得到36bit 的RACH 突发脉冲消息字段，在8bit 的消息比特基础上，加上6bit 的色码，这6bit 的色码是通过将6bit 的BSIC 和6bit 的奇偶校验码加和取模2而获得的。然后再加上4bit 的尾位，这样就得到了18bit ，再将这18bit 按照1:2的卷积编码速率，最后得到RACH 突发脉冲上36bit 的消息位；解码过程与此相反，当小区收到一个接入脉冲，在解码的过程中将比较自己的BSIC 。如果相同，则进行下一步解码，如果不同，将丢弃之并产生相应的误码检测告警），因此如果两个具有相同BCCH/BSIC的小区相距不足够远，则手机发出的RACH 上的“CHANNEL REQUEST”消息会被这两个小区都收到，这样就会使得较远处小区接收RACH 时产生译码错误或TA 超限导致随机接入失败（由于手机与较远处小区未同步），即使随机接入译码成功也不能成功给移动台指配信道，甚至有可能干扰近处小区的立即指配等。另一方面，在GSM 系统的空中接口UM 中，随机接入（RANDOM ACCESS）（RACH 上发送）和切换接入（HANDOVER ACCESS ）（FACCH 上发送）均使用相同的编码和脉冲方式，即使用8位信息码加上6位奇偶校验位，并且这6位奇偶校验位和目标小区的BSIC 相异或（加和模2）。这样距离较近的同BCCH 、同BSIC 小区间可能会产生随机接入和切换接入的干扰。由于切换多发生在小区边界，切换接入信令会在更近的距离产生干扰。基站分布较密时切换频繁，出现干扰的可能性也就较大。
覆盖不好、上下行功率不平衡、TA 过大
这也是影响随机接入性能的主要原因。覆盖问题主要是指系统的上下行功率不平衡，使得系统产生无效的下行覆盖，手机在上行链路损耗过大，以至于上行的随机接入请求因干扰受限
而不能被BTS 正确接收到或者低于BTS 的解调电平。另外一种覆盖问题是越区覆盖现象，主要是指海岛小区。由于无线电波在海面上的传播形式主要是直线波和海面的反射波的叠加，路径损耗很小，使得海岛小区的覆盖极远，甚至超过了GSM 系统允许的TA （Timing Advance ）范围（MAXTA ），因此在没有作扩展小区（Extended Range Cell ）设定的海岛小区会产生由此引起的随机接入失败。另外，由于海面上的信号很杂，同临频现象产生的影响很严重，这也是海岛小区随机接入失败的主要原因。
接收路径的硬件问题
接收路径的硬件问题也可能影响到随机接入，主要是指接收天线、馈线、耦合器、接受分路器、接收机等，甚至接收机的硬件隐形故障也会影响到随机接入。
话务量过高、拥塞
由于网络无法控制移动台接入的时间，因而在话务较繁重的地区会不可避免的发生多个移动台同抢一个RACH 时隙来申请接入的现象，这就是碰撞现象。其后果有两个，一个是网络收到在此时隙上的一个突发脉冲的电平，要明显比另一个高，这样网络就会处理电平较高的那个随机接入请求。另一后果是，由于两者之间相互的干扰，网络哪一个都不能正确地接受到。因而随着业务量的增长，报文因碰撞而丢失的几率也就越来越大，这必将是对网络容量的一个重要制约因素。
“幽灵”随机接入
当无线条件符合正常的传播模型时，只要信号电平高于BTS 的接收灵敏度，BTS 就会解调出所接收到的RACH 脉冲群。在没有干扰的情况下，BTS 的灵敏度由噪声因子、热噪声功率等决定，不考虑衰落容限时通常为-115dbm 。上行干扰和阻塞会影响BTS 的最低解调电平，使其不能达到-115dbm 。当小区的话务量很低时，BTS 接收到的接入脉冲不多，大部分接收到的信号都是由噪声引起的。如果接收机的灵敏度很高，那么一些噪声就会被BTS 当作是接入脉冲（噪声中某些比特模式可能会匹配有效的校验序列）。这就是所谓的“幽灵”随机接入（Phantom RACH）现象，而且是不可避免的，除非降低接收机灵敏度或者在信号处理器中采用更好的滤波功能，但是这样的话就可能丢弃一些真正的接入脉冲。
当话务量比较高时，由于噪声会被真正的接入脉冲覆盖了，所以问题就不是那么突出，也就没有那么多的Phantom RACH。GSM 规范05.05（P25）中有这样一段话：
"For a BTS on a RACH channel with a random RF input (only noise) ， the overall reception performance shall be such that less than 0.02% of all frames are assessed to be error free".
也就是说，在没有话务的情况下，会有0.02%的接入噪声被当作接入脉冲。由于在空中接口上时隙的传输速率为217 bursts/s（1/4.616ms），这意味着0.02/100*217=0.0434 access bursts/s ，也就是每隔23秒（1/0.0434）有一个access burst。这个access burst显然是一个噪声随机接入，而不是MS 发出的真正随机接入，而这也将会造成随机接入失败。在话务量很小的情况下，由于一些噪声会被真正的接入脉冲所覆盖，噪声随机接入的概率会降低（大约每隔30-40秒一个Phantom RACH ）。话务量越高，RACH 信道处理机所接收到的噪声就越少，从而BTS 上报BSC 的噪声随机接入就越少。结论就是，根据GSM 规范05.05，如果一个小区话务量很少时，每小时大约会有高达120 个Phantom RACH存在（每隔30秒一个），这是一个很正常的现象。
1.1.5 涉及网络随机接入性能的指标、计数器介绍
爱立信交换机的STS 统计中有两个描述随机接入性能的OBJTYPE ，它们是RANDOMACC 和RNDACCEXT ，分别对应了正常小区和扩展小区的随机接入性能。对每个小区来说，BSC 中记录了相应的随机接入尝试次数。其中，小区参数NECI 用来指示GSM PHASE 2手机是否使用PHASE 1手机的建立原因（NECI=0），或使用全套的PHASE2手机的建立原因（NECI=1）。根据GSM 规范，GSM 系统中的业务信道可分为全速率和半速率信道。一般的
GSM 系统均支持全速率信道，网络是否支持半速率业务则由网络营运部门决定。新建原因指示参数（NECI ），可以告知移动台该地区是否支持半速率业务。以下是OBJTYPE RANDOMACC 中一些COUNTER 的定义：
•Answer to paging (RAANPAG) 响应寻呼
• Emergency call (RAEMCAL) 紧急呼叫
• Call re-establishment (RACALRE) 呼叫重建
• Other service request (RAOSREQ) 起始呼叫
• All other cases (RAOTHER) 位置更新等
• Failed random access （RAACCFA ）随机接入失败数
• Accepted random access （CNROCNT ）随机接入成功数
更具体的计数器解释请参见BSC ALEX帮助
关于随机接入性能的指标主要有随机接入成功率或随机接入失败率，具体公式为： Random Access Fail Rate: RAACCFA/(CNROCNT+RAACCFA)*100/100
Random Access Success Rate: CNROCNT/(CNROCNT+RAACCFA)*100/100
下图是随机接入相关的计数器增量流程图。
图Outline of the Function Signaling Connection Setup
1.1.6 随机接入失败与用户感受
由GSM 规范，处于IDLE 状态下的移动台，进行随机接入的原因主要有以下几个方面： CM 业务请求（主叫请求、紧急呼叫、短信息、附加业务管理）
响应寻呼
位置更新请求（正常位置更新、周期性位置更新、IMSI 附着）
IMSI 分离
移动台在随机接入时，在发送完初始的信道请求消息后，MS 启动定时器T3120并守候在全下行CCCH 信道（准备接收应答）和BCCH 信道上收听广播。当定时器T3120逾时而且RACH 重发次数未超过“最大重发次数”（MAXRET ）时，MS 将重复发送信道请求消息，其中包含一个新的随机参考，并启动T3120为一个新值。当定时器T3120逾时，且达到“最大重发次数”时，MS 将启动T3126（最大为5秒），此后将等待一段时间并允许网络放弃。在T3126逾时后仍未收到网络应答时，则放弃请求尝试，并进行小区重选。在这种情况下，用户的随机接入过程被中止。但是从其过程来说，却并不一定是由随机接入失败引起的，有可能是由于立即指配过程出现了问题。原因可能是干扰、硬件问题、拥塞、无线资源缺乏、MSC 话务关闭、BSC 话务超载等。
1.1.7 解决随机接入失败的方法
了解了随机接入失败的原因，就可以对症下药了。以下是一些解决随机接入失败的常用思路和方法。
⌝ 首先检查随机接入失败发生的时间统计规律，是否持续存在，与话务量高低变化是否相关等，以确认该故障是否由于不确定因素导致偶然发生的。
⌝ 如果随机接入失败持续存在，则应检查是硬件问题还是干扰问题。查看ERROR LOG 看有无硬件告警，同时检查下列运行状况：BSC CP负荷，软件拥塞告警，TCH 话务统计情况（上行质量掉话，场强掉话）、SDCCH 话务统计情况（质量掉话、场强掉话）、切换统计情况（上行质量紧急切换），小区内切换情况（上行质量触发切换），以及空闲信道测量统计等确定有无BCCH 上行干扰或弱信号接入、路径损耗过大等。
⌝ 如果上行有硬件故障，那就会导致网络对MS 信道请求无法进行信道指配，甚至无法收
到MS 信道请求。出现这种情况时应检查基站硬件，特别是上行部分（TRX 、天线、馈线）。若无法确认应作Abis 口挂表分析，检查链路预算，以确认问题所在。
如果可以排除硬件和连接问题，应重点怀疑干扰的可能性。结合故障现象的起始时间和持续时间调查小区周围是否有新增射频发射装置。检查频率分配方案确认有无同频或临频干扰，如果有怀疑，可临时改动BCCH 频率或BSIC ，观察统计结果和解码的RACH 电平是否有变化。可以使用OSS 上RNO 的功能，如FAS 和MRR 进一步确定故障小区的干扰情况和统计特征，必要时可进进行路测。最后可利用频谱分析仪或射频接收机检查干扰信号的特征，确定是否为宽带直放站或干扰机引起的上行干扰等等。也可利用软件追踪方式，验证随机接入失败的TA ，接入原因等甚至是Counter 计数的合理性。
如果仍没有解决问题的话，就要检查一下参数设置是否合理，是否能够利用参数修改进行优化（如随机接入失败与话务量过高有关）。与随机接入有关的参数主要有以下几个：MAXRET 、TX 、CB 、CBQ 、ACC 等以及ACCMIN 、CRO/PT、CRH 等控制MS 空闲模式下行为的参数和功率参数，看是否能够利用参数修改来优化业务的流量或流向，改善如随机接入失败与话务量过高有关的接入成功率。
1.1.8 随机接入性能在DT 接通率上的影响
由上面的讨论可知，现网特别是市区局的随机接入成功率很高，随机接入失败很少，而且 话务统计中随机接入失败更多的是由位置更新引起的。在DT 测试中我们也几乎没有发现 由于手机随机接入失败引起的接入问题。在接入性能方面，更多的是由于SDCCH 拥塞、 SDCCH 掉话、TCH 拥塞、TCH 掉话和寻呼性能等网络性能以及位置区边界、手机软硬件本身和基站硬件引起的接入问题。