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1.5.2 地理信息系统
地理信息系统是在计算机软硬件的支持下，采集、管理、检索、分析和描述与地球表面空间位置相关的数据计算机系统[24]。它起步于60 年代，是一门集合了计算机科学、地理学、空间科学、环境科学和遥感测绘学的学科，它采用的基本技术是地理空间数据库技术、地图可视化技术和地理空间分析技术[25]。
近年来，随着科技进步和社会发展，地理信息系统在各行各业已经得到了广泛的应用。在移动通信服务领域，基于GIS的移动空间定位服务已经被绝大多数用户所使用，例如用户使用百度地图APP可以完成定位、路径规划和导航等功能，结合互联网数据，用户通过百度地图还可以找到附近的餐馆、银行。在通信网络的建设和优化方面，地理信息系统也有很多用武之地。在文献[26]中，作者提到使用GIS中的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）以及其他相关分析方法在多山区域找到最佳建站地址；同时可以借助GIS 的空间数据分析的特点，结合移动通信网络参数和信号的传播模型，可以绘制出信号覆盖的预测图。在文献[27]中，作者通过结合现有的无线电波传播模型和基站辐射理论，提出并实现一种基于GIS的基站选址方案，该方案能够在基站选址时反映基站对于小区、学校和医院的电磁辐射情况，为监管部门在基站审批时提供一个可参考的直观化依据。在文献[28]中，作者提到使用GeoDatabse技术来应对GIS的海量数据存储的问题，并且GeoDatabase还支持多用户并发访问、版本管理和数据动态更新等功能，比传统的文件形式存储和空间数据的表示方法有巨大的优势。
按照空间数据的组织形式，可以将地理信息系统分为两种类型，一种是基于栅格的，另一种是基于矢量的。基于栅格的GIS以栅格元为地理特征的最小单元，并用同一个数据结构存储地理特征的空间位置信息和属性信息；而基于矢量的GIS是以点和线组成的，首先由点构成地理特征的边界，然后由点和这些点连接成的线共同组成对于地理特征的描述[29]，并且在通用的数据库中存储其属性信息，通过数标建立空间位置信息与属性信息的联系[30]。
本论文所研究的工具是基于栅格的GIS的应用，栅格图是由排列整齐的栅格点组成的，每个栅格点都有自己对应的空间位置信息和属性信息。比如栅格图是由a*b个栅格组成，每个栅格用(x,y)坐标来标示，然后每个栅格的属性值可以通过颜色或者灰度值值进行表示[30]。
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1.6 本文主要研究内容
本文的研究目的是设计并实现一个基于地理栅格的蜂窝网络覆盖性能分析的工具。本文处理的数据是某运营商在某一地区一段时间内的PCMD （Per Call Measurement Data）数据。本文所做的主要工作如下：
1. 通过Hadoop分布式处理平台对PCMD数据进行存取，生成栅格数据。
PCMD数据记录的是每天通话记录的情况，包含通话时间、信号质量、基站编号、往返时延等基本信息。其中对PCMD中的基站编号和往返时延采用定位算法进行计算，可以得到每条通话的具体位置。由于PCMD 话单数据量巨大，一个月某省就能生成几十亿条话单数据，采用Hadoop 平台可以高效地对这些数据进行存取和计算，生成的栅格数据。
2. 将蜂窝网络的信号覆盖和话务负载信息以栅格图的形式进行展示。要更好
地基于地理位置展示蜂窝网络的信息，需要将地理空间细分为若干个100m*100m 的栅格。Hadoop平台生成的栅格数据包含具体位置、信号质量、话务量、时间戳和日期等信息，具体位置指栅格的ID，信号质量指某一时间段内在该栅格发生的所有通话的信号质量的平均值，话务量指某一时间段内在该栅格中发生的所有通话的数量，时间戳和日期是标记某个具体时间段。根据之前已经计算好的每个栅格的信号质量和话务量信息，根据值的大小在底图进行染色，最后生成信号覆盖和话务负载的栅格图。 3. 对蜂窝网络的信号覆盖和话务负载信息单独进行处理和分析，分别找到分
析地区在该时间段内的弱覆盖区域和高负载区域。弱覆盖区域是指信号质量低于某一分析阈值的区域，高负载区域是指话务量高于某一分析阈值的区域，两个阈值都允许用户手动输入。通过数据分析，找到栅格数据中信号质量低于某一阈值的栅格，调低染色的透明度，并调高正常区域的染色透明度，在栅格图中重点突出显示弱覆盖区域。同理，突出显示高负载区域。
4. 对蜂窝网络的信号覆盖和话务负载进行联合统计与分析，统计出同时存在
弱覆盖和高负载栅格的比例，并且在栅格图上重点展示此类栅格的位置。通过分析这些栅格点与基站距离之间的关系对此类需要优化的栅格点进行分类，针对基站能覆盖到的栅格点，通过调整基站参数结构、天线倾角等方式来优化；针对基站覆盖不到的栅格点，通过增建基站或者放置直放站的方式来优化。
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1.7 论文组织结构
本论文由六个章节组成，其组织结构如下所述：
第一章介绍的是本文的的研究背景和意义，介绍国内外有关网络优化常采用的分析方法和工具，之后又介绍了GIS在移动通信网络中的应用现状，并介绍论文的主要解决的问题，最后给出了论文组织结构。
第二章介绍的是网络测量的相关参数和有关话单定位的算法，为之后的章节做铺垫。
第三章首先提出的该分析工具的需求分析和系统框架，然后依次谈到数据获取的流程和各个模块的设计工作，并详细说明了每个模块设置的意义、具体要解决的问题以及具体的执行流程。
第四章首先给出了该工具的交互流程设计，之后展开谈到每个模块的具体实现。对重点环节给出了伪代码和效果图，并且重点阐述了基于地理的覆盖性能模块对于II类目标栅格聚类的具体实现思路。
第五章是对本文所设计和实现的工具进行测试，首先分别对信号覆盖和话务负载模块单独测试，之后再联合测试，并对每一个测试的结果进行结果展示和分析，对最终的测试结果进行评估。该章节验证了本工具的各功能模块达到了预期效果。
第六章对本文进行了总结和展望，首先总结了本文的工作成果，最后客观地分析了本文所实现的蜂窝网络优化方法的不足，同时给出了未来可以改进的方向。
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2 相关技术概述
2.1 网络测量参数介绍
在移动通信系统中，衡量一个网络好坏最重要的要素是覆盖、容量、质量、频谱利用率和传输效率[1]。 2.1.1 网络覆盖测量参数
无线网络覆盖是指在一定区域内，无线信号的强度和质量能够为用户提供移动通信服务，称该地区存在无线网络覆盖。移动通信系统的覆盖率和覆盖质量是衡量移动通信网网络质量和服务质量的重要指标[31]。在网络初期的建设和后期的维护期间，网络运营者通过测试、数据采集和分析等手段，来检验网络是否满足覆盖要求。如果不能达到要求，则需要对网络进行覆盖方面的优化。判断移动通信网络是否在某一地点形成覆盖，需要依据一定的测量参数。
对于GSM系统，判断是否存在网络覆盖只需要测试一个参数，即移动台接收电平（Rx_Power）。一般当Rx_Power-90dBm视为该地点存在GSM网络覆盖。在CDMA 系统中，与网络覆盖与导频强度（Ec/Io）有关，一般要求Ec/Io-12dB且Rx_Power-90dBm 且Tx_Power15dBm，只要这三个条件全部满足，才视为该点存在CDMA 网络的覆盖[32]。
Rx_Power：在GSM系统中，Rx_Power表示在工作频点上接收的电平强度，该参数直接反映了GSM网络覆盖的水平[33, 34]。CDMA 系统中，Rx_Power表示在整个1.2288MHz带宽上总的接收功率[35]。该接收功率不仅包括服务小区的信号功率，也包括其他小区的信号功率、接收机热噪声及外界干扰。
Ec/Io：Yang在文献[36]介绍Ec/Io指每码片辛哈能量与总功率密度之比。在CDMA 系统中，Ec/Io反映了信号的干扰水平。移动台或者基站均要求信号的Ec/Io必须超过一定阈值才能正确解调。Ec/Io在-10dB 以上时，网络质量可以保持非常良好的水平；当Ec/Io-15dB时，则移动台无法接入网络。一般将Ec/Io-12dB作为满足网络的覆盖的标准。在CDMA系统中，Ec/Io和Rx_Power 是评价网络前向覆盖能力的指标。
Tx_Power：在CDMA系统中，移动台发射电平Tx_Power反映网络的反向覆盖能力。CDMA系统对方向链路采用快速功率控制。在反向传播链路不好的情况下，
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会迅速提高移动台的发射功率，因此移动台的发射功率Tx_Power可以衡量反向覆盖的水平。当Tx_Power15dBm时，可认为该地点达到反向覆盖的要求[37]。 2.1.2 网络容量测量参数
对于一个移动通信系统而言，除保障覆盖和质量要求外，容量的保障也至关重要。容量优化是网络优化工作中必不可少的一部分，移动给用户数量的增长、用户通信行为的变化、新业务的使用及设备故障灯，都会引起网络的可用容量降低，导致用户尝试接入网络时可用资源分配。因此，为保证移动网络高质量地运行，必须实时监控网络的容量变化，及时发现网络容量不足的问题，并采取相应增扩容量的措施，以满足用户通信的要求。
同时，作为移动通信运营商，在满足用户的话务需求的同时，也要充分合理利用既有网络设备和频谱资源，实现资源利用率最大化，从而达到提供优质服务、节省投资的目的。这也是网络优化的目标和原则。
无线网络的容量体现了移动通信网络提供服务的能力。移动通信系统中，使用无线电波作为信息的传输载体，完成用户终端与基站之间的信息传送。由于无线频谱的资源限制，使得无线网络容量的瓶颈不同于固定网络。固定网络的容量“瓶颈”主要在于交换机的交换能力，而移动通信网络的容量瓶颈则取决于无线频谱的宽度、频率复用方式和调制方式等。
在通信系统中，无论是固定通信系统还是移动通信系统，都用话务量来反映通信业务量的大小，也用来反映网络容量的大小和通信设备的负荷。
在文献[38, 39]提到，话务量的单位是爱尔兰（Erlang，简写为Erl），是为了纪念话务理论的创始人，丹麦学者A. K. Erlang 而命名的。爱尔兰定义为单位时间内信道被占用的时长。如果一个信道在1小时内被全部连续占用，称此时的话务量为1Erl；如果一个信道在1小时内被占用30分钟，称此时的话务量为0.5Erl。
话务量的计算方法为：单位时间内发生的呼叫次数和每次呼叫所占用的时间的乘积[40]。话务量一般用A表示，即
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其中，为单位时间内的呼叫次数，为每次呼叫的保持时间。
从话务量的公式可以看出，话务量受两个因素的影响：一个是单位时间内的呼叫次数，用户越多或者呼叫越频繁，话务量就越高；另一个是呼叫保持时间，用户的通话保持时间越长，话务量就会越高。
对于有多个用户的系统，系统的总话务量等于所有用户话务量之和：
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