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1、铁路频率规划的对比分析研究毕业设计(论文)任务书、毕业设计（论文）题目铁路频率规划的对比分析研究、毕业设计（论文）选题意义及要求 在实际铁路系统中，大型车站汇聚了大量来自不同线路的列车，GSM-R战场与公众移动GSM网相似，多采用面状覆盖方式，但由于与公网和其他相邻线路的干扰严重，规划时难以满足系统的C/I，同时作为业务热点地区，现有的频率规划技术，不能完全解决GSM-R在热点业务地区的频率规划应用。研究并需要解决的问题有：（1）固定频率复用得规划方案；（2）不规则频率复用得规划方案；（3）不同C/I指标要求下的频率规划方案；（4）针对特定热点区域进行的频率规划方案的对比分析。最后，通过定量分
2、析，提出有针对性的GSM-R热点地区频率规划建议方案。、毕业设计（论文）工作内容和进度安排、主要参考资料（1）钟章队，铁路GSM-R数字移动痛惜系统M，北京：中国铁道出版社，2000.（2）姚晓宁M基于GSM-R的铁路通信网络设计M（3）钟章队MGPRS通用分组无线业务，北京人民邮电出版社，2001 目 录摘要Abstract 第1章 引言 11.1有关GSM-R系统的基本知识介绍 11.1.1 GSM-R系统介绍 11.1.2 GSM-R系统组成 11.1.3 GSM-R工作频率 11.1.4 GSM-R系统结构与覆盖 21.1.5 GSM-R功能特点 21.1.6 GSM-R关键技术 31
3、.2 GSM-R在我国的发展 31.3频率规划概述 41.4本课题研究意义 4第2章 GSM-R和GSM频率规划基础 52.1 GSM-R规划的原理 52.1.1覆盖方式 52.1.2频率复用 62.2 GSM-R网络中的干扰 62.2.1同频干扰 62.2.2临频干扰 82.3信道分配策略 92.4有关GSM的频率规划 92.4.1普通复用方式102.4.2多重复用MRP122.4.3同心圆复用132.5 GSM频率规划综述132.5.1 GSM频率规划算法概要142.5.2算法共性的研究16第3章 GSM-R频率规划基础173.1 GSM-R传播模型173.1.1 Okumura模型173
4、.1.2 OkumuraHata模型173.1.3 COST23 1WalfishIkegami模型 183.2三种传播模型的比较及选择183.3频率规划具体要求193.31工作频率介绍 193.3.2载干比C/I要求203.3.3频率规划原则203.3.4铁路沿线的话务量统计20第4章 GSM-R频率规划与研究214.1频率规划方案224.2铁路枢纽地区频率规划方案224.2.1采用33频率复用的频率规划方案 234.2.2采用23频率复用的频率规划方案 244.2.3采用32频率复用的频率规划方案 244.2.4不规则频率复用的频率规划方案264.3几种频率规划方案的比较26结论 27致谢
5、28参考文献30摘 要GSM-R的引入加速了中国铁路的发展，本文主要研究在频率资源有限的情况下，如何解决大型车站地区大业务量对频率资源的需求问题。结合实际情况设计了四种频率规划方案。提出适合大型车站地区的频率解决方案。本文主要按照以下五章进行介绍。第一章：简要介绍了GSM-R的基本知识和在国内以及国际上的发展情况。第二章：介绍了GSM-R的基本原理以及GSM的相关可以参考的频率规划知识。第三章：介绍了频率复用技术等GSM-R的频率复用基础。第四章：通过成都北编组站地区的实际需求进行频率预算，提出四种频率规划方案并进行简单比较。第五章：全文总结，提出了值得继续研究的几个方向。关键词：GSM-R；
6、大型车站；频率规 第1章 引言1.1 有关GSM-R系统的基本知识介绍1.1.1 GSM-R系统介绍GSM-R是一种专门为铁路设计的专业无线数字通信系统,基于GSM系统技术平台, 针对铁路通信列车调度 列车控制 支持高速列车等特点 ,为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统,并将铁路移动通信所具有的特色( 群呼 组呼 优先级别 强插 强拆等功能 ) 加进去, 构成GSM-R用于铁路的全球移动通信系统的方案从集群通信的角度来看,GSM-R是一种数字式的集群系统, 能提供无线列调 编组调车通信 应急通信养护维修组通信等语音通信功能GSM-R能满足列车运行速度为0 到5 0 0千
7、米每小时的无线通信要求 . 安全性能好GSM-R可作为信号及列控系统的良好传输平台,正在试验中的ETCS欧洲列车控制系统( 也称 FZB1和另一种用于160公里以下的低成本的列车控制系统) ,都是将GSM-R作为传输平台。1.1.2 GSM-R系统组成GSM-R系统由六个子系统组成: 交换子系统( SSS ) 基站子系统( BSS )运行与维护子系统( OMC) 通用分组无线业务子系统(GPRS) 终端子系统及移动智能网子系统(I ) , 并通过交换子系统(SSS) 中的网关移动交换巾 ( GMSC) 实现与其他通信网络的电路域业 务的互联互通,通过分组无线业务系统( GPRS) 中的网关 G
8、PRS业务支持节点( GGSN) 实现与其他数据信息网络的分组域业务的互联互通。1.1.3 GSM-R工作频率GSM-R系统可以在 8 7 6 9 6 0 MHz整个频率范围内, 但 CEPR( 欧洲邮政与电信会议 )为欧洲国家的铁路通信系统指定了一个专用频带, 也即 U I C ( 国际铁路联盟) 的GSM-R频带 : 移动站到基站( 上行链路) 为 876 880 MHz , 基站到移动站f 下行链路 1 为 921 925 MHz GSM-R选择工作在 900 MHz 频带有如下的理由:适合500 k m / h 高速移动体的通信 ( 最大多普勒频移为415 Hz ; 抗电气化铁道电火花
9、干扰( 电火花的频率多集中在4 0 0 8 0 0 MHz ) ;典型覆盖距离约为510公里,对高速列车来说这是保证系统容量和服务质量的最小范围;更适于隧道内通信相对 450MHz和 1800 MHz 频带)。1.1.4 GSM-R系统结构与覆盖GSM-R可以构成既含有面状覆盖又含有链状覆盖的网络,既可用于地区性的覆盖也可用于全国性的覆盖例如, 沿铁路线采用链状覆盖, 车站及枢纽地区采用面状覆盖为了满足铁路对传输的高可靠性,链状覆盖一般采用双重冗余的重叠小区结构, 每 2个基站( B T S ) 重叠覆盖一个小区( c e l 1 ) ; 面状覆盖采用多小区 威 多扇区酶 窝结构, 每个基站f
10、 B T s 履 盖一个小区( c e l 1 )当然也可以采用重叠覆盖小区结构。1.1.5 GSM-R功能特点GSM-R以GSM平台为基础 ,因此除了GSM所具有的越区切换漫游等特性外, GSM-R还具有如下专有的特性: 功能寻址( Functional Addressing , FA) : 便于固定 ( 移动) 用户拨号呼叫列车 卜移动用户的一种方式 基于位置的寻址CLocation Dependent Ad dressing , LDA ) : 便于列车上移动用户( 如火车司机)呼叫固定用户调度员) 的一种方式例如当火车司机呼叫固定用户(调度员) 时, 系统依据移动用户火车司机怕的当前位
11、置(所在控制区/小区对固定用户(调度员) 进行寻址,自动地将呼叫转接到列车当前所在控制区的调度员 语音广播服务 Bs ) : VBS可用来在指定区域( 可跨多个小区) 内广播消息或发布紧急呼叫卜+ 点对多点的呼叫,主呼者讲话而众多的被呼方只能收听) 区域的定义和选择可动态设定, 从而具有极大的灵活性 语音组呼服务( VGCS ): 移动或固定用户拨打组呼ID号, 可与指定区域内的小组成员建立呼叫 该组内所有成员均可通过同一业务信道进行接听;该小组的成员也可通过按键讲话广播方式发出通话请求. 系统依据“ 先请求先服务” 的原则建立一个上行链路来提供通话服务 增强的多级优先与强占权( eMLPP
12、): 铁路紧急呼叫或列车 自动控制等许多通信应用, 都要求网络无论处于何种负载状况下均能迅速建立呼叫如果在一个无线电小区发生拥塞衙 有无线电频率和业务信道均被占用) ,eMLPP 可立即切断低优先权的呼叫而优先建立高优先权的呼叫。1.1.6 GSM-R关键技术工作频段的分配时分多址DMA技术时分多址帧结构 空间分集 时间色散和均衡 基站与移动台间的时间调整话音编码信道编码 交织技术 跳频技术 保密措施等 我国GSM-R除了具备GSM-R现有的功能特性, 还应有无线列调功能 按近连续式机车信号传输 区间移动人员通信, 以及根据我国的铁路的地理位置进行合理的GSM-R系统区间的场强覆盖。1.2 G
13、SM-R在我国的发展我国铁路GSM-R网络的发展目标是在全路建立一张移动通信网络,利用通信的手段实现铁路移动设施和固定设施的无缝连接,确保列车平稳高速安全地运行同时,在我国中长期铁路网规划中,计划到2020年,全国铁路营业里程达到10万公里,主要繁忙干线实现客货分线,复线率和电化率均达到50%,运输能力满足国民经济和社会发展需要,主要技术装备达到或接近国际先进水平,为GSM-R在中国的发展提供了宽广的发展空间GSM-R进入中国已有十余年的历程,经过理论研究技术之争政策审核网络建设施工验收等层层考验,最终在GSM-R工程方面取得了骄人的成绩初步建设了分别代表高原重载和繁忙干线的青藏线大秦线胶济线
14、三条GSM-R线路,正在建设的线路,客运专线的建设也已进入实施阶段(哈大客运专线)其中,青藏线是一条集多种领先技术于一身的往返于“世界屋脊”的铁路;大秦线是使中国步入重载领域先进行列的标志性工程,突破性的实现了年运量2亿吨的目标,现在技术还在不断创新,预计年运量将达到4亿吨;胶济线的建设是对GSM-R技术应用于具有中国特色环境的一个尝试,它的成功与否影响着GSM-R技术在时速200Km/h铁路线路的普及率。与此同时,GSM-R也面临着新的挑战在技术工程上仍然存在未攻克的难点,如GSM-R技术能否应用于列控和高速铁路,如何解决与中国移动间的共用带宽干扰问题等;GSM-R目前仅满足了铁路运输业务的
15、基本需求,增值业务还未纳入发展规划。GSM-R在世界发展现状:GSM-R具有功能完善传输可靠交换灵活容量大等特点,在全球各国取得了良好的发展,并在各国的铁路发展中扮演着越来越重要的角色,引导着全球铁路事业向着数字化智能化网络化和综合化的方向迈进。1.3 频率规划概述GSM-R采用了900MHz工作频段。其中上行频率区间为885MHz到889MHz(移动台发，基站收)，下行频率区间为930MHz到934MHz(基站发，移动台收)。共 4MHz频率带宽。工收发频率间隔45MHz，相邻频道间隔为200kHz。按等间频道配置方法共有21个载频。频道序号从999到1019，扣除999和1019作为隔离保
16、护，实际可用频道数为19，频道序号为1000到1018。我国885到889930到934MHz频段为铁路GSM-R系统与中国移动公众移动通信系统按地域公用。GSM-R使用该频段的地域范围是：在直辖市、省会城市和计划单列市的城区，GSM-R系统协调的覆盖范围应小于铁路轨道两侧各2km；在其他地域协调的覆盖范围应小于铁路轨道两侧各6km。绝对无线频率信道号(ARFCN)和频道标称中心频率计算公式如下：GSM公网 GSM-R网 1.4 本课题研究意义在实际铁路系统中，大型车站汇聚了大量来自不同线路的列车，GSM-R战场与公众移动GSM网相似，多采用面状覆盖方式，但由于与公网和其他相邻线路的干扰严重，
17、规划时难以满足系统的C/I，同时作为业务热点地区，现有的频率规划技术，不能完全解决GSM-R在热点业务地区的频率规划应用。研究并需要解决的问题有：（1）固定频率复用得规划方案；（2）不规则频率复用得规划方案；（3）不同C/I指标要求下的频率规划方案；（4）针对特定热点区域进行的频率规划方案的对比分析。最后，通过定量分析，提出有针对性的GSM-R热点地区频率规划建议方案。第2章 GSM-R和GSM-R频率规划基础2.1 GSM-R规划的原理2.1.1覆盖方式传统的GSM蜂窝系统主要解决的是面状人群的移动通信，如城市、县城、村镇等人口密集区，因此它的蜂窝网无线覆盖方式一般都是面状覆盖，如图21。而
18、 GSM-R的通信既要覆盖有铁路局所在的城市，还要覆盖铁路沿线和所有大小车站及区间，因此 GSM-R在覆盖方式的选择上既要有GSM蜂窝系统的面状覆盖，又要有专门用以覆盖铁路沿线及车站区间的线状覆盖。在 GSM-R系统中，由于绝大多数通信都发生在列车运行的铁路沿线及大小停靠车站，覆盖方式是以线状覆盖为主。线状覆盖如图22所示。而本篇论文题目是有关面状铁路的频率规划，所以我认为我们研究的重点就是在面状人群通信这里，也就是大体在车站等交通枢纽，既要满足铁路在传输安全性上的高要求，又要满足复杂的大量的交换信息的处理能力。所以，通过参考 GSM公网的有关频率规划知识来对比研究，选出最佳的频率规划方案。故
19、在以后的讨论中重点研究与面状有关的频率规划。图2-1传统的GSM它的蜂窝网无线覆盖方式一般都是面状覆盖图2-2 GSM-R系统覆盖方式是以线状覆盖2.1.2 频率复用在蜂窝系统中，系统会给每个小区的基站分配一组信道。由于频率的资源有限，必须使每个频点能被多个小区重复使用，这就是频率复用。同时为了避免同频小区之间干扰，必须选定一个合适的同频复用距离。在面状和线状两种不同覆盖方式中，频率复用与同频复用距离的计算有一定区别。这里我们只讨论面状复用。 面状频率复用：即采用面状覆盖的蜂窝系统把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇，则不同簇中使用相同频率的小区即为同频小区。构成一个簇必须满足：簇
20、区域能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积；相邻簇间同频小区的距离相等。令一个簇中的小区数为N，N值可以通过公式N=i2+ji+j2，式中I ，J正整数，任意小区沿任意一条六边形链移动i个小区后，顺时针旋转60o后再移动，几个小区即找到同频小区18。2.2 GSM-R网络中的干扰干扰是制约蜂窝系统容量的一个重要因素，干扰载干比计算是理论上度量频率规划方案优劣的方法。从本质上讲，干扰是未按频率分配规定的其他信号占据了合法信号的频率，造成合法信号无法正常工作而形成的。蜂窝系统中干扰主要有同频干扰和邻频干扰两种。2.2.1同频干扰同频干扰是由频率复用引起同频小区之问产生的。由于落到接收机通带内的有用信号与
21、无用信号具有相同的载频，因此它会对有用信号的正确接造成影响。这样无用信号与有用信号一样经放大、变频而落到通频带内。同频干扰可能造成接收机阻塞，引起接收灵敏度降低甚至是通信中断等严重后果。同频干扰分上行链路同频干扰和下行链路同频干扰。同频干扰的频率范围定为，其中为有用信号载波频率。 Br为接收机中频带宽，同时用同频干扰载干比CIc来度量同频干扰大小。由于885889930934MHz频段按地域公用，我国 GSM-R所考虑的同频干扰源除了网络内部同频小区还应可能是中国移动公众移动通信系统使用同频的基站。设同频干扰小区数为io，那么下行链路移动台的接收载干比表示为：图2-1下行链路移动台的接收载干比
22、：移动台收到的基站信号功率，Ii，移动台收到第i个同频基站信号功率。利用自由空问电波传播公式进行估算：图2-2移动台收到的基站信号功率的估算Pr：接收功率，Po：距基站do参考点功率，n：路径衰减指数。假设每个同频基站发射功率相等，路径衰减指数相同，则同频干扰载干比可近似表示为：图2-3同频干扰载干比d：移动台距基站的距离，di：移动台距第i个同频基站的距离。 由于具有相同或者非常接近的载频，同频干扰信号在接收端滤除将比较不容易。因此分析并解决同频干扰是很重要的问题。一般有以下几种措施：（1）采用定向天线覆盖，从而减少同频干扰小区数。在 GSM-R系统中，由于绝大部分采用现状覆盖，即采用定向天
23、线，因此同频小区数目比公众移动通信系统少。（2）优化同频复用距离和频率分配方案。这正是本文 GSM-R频率规划研究的重要意义。（3）调整天线高度和俯仰角。该方法在实际工程应用上较常使用。但由于调整天线各参数有可能导致服务小区覆盖出现问题，且同频干扰可能是一种随机事件，因此该方法可能造成治标不治本。（4）与在不同区域范围使用相同频段的运营商做好协商工作，确保双方发射基站不在相同或者临近区域使用相同载频。2.2.2临频干扰由与使用频率相邻的频率产生的信号干扰称为邻频干扰。根据干扰信号与有用信号的频率间隔，若干扰信号频率f1，有用信号频率为f0，且满足 Z= f0nf，则称该干扰信号为n阶干扰信号，
24、n为正整数，f表示最小频率间隔即200kHz。在实际工程应用中，一般主要考虑一阶邻频和二阶邻频。邻频干扰产生的机理与同频干扰有一定区别，它主要是由发射机和接收机非理想所致，即由于接收机滤波器的阻带衰减不够陡峭引起相邻频带信号的泄露。可以看出，发射机的辐射功率为一个带宽而非单频，因此其邻道的辐射功率可以与有用信号一起进入接收机，而同时接收机响应对邻道发射机的主要辐射衰减不够大，因此进入通带被接收机误认为有效信号从而构成邻频干扰。与同频干扰类似，一阶邻频干扰载干比CIal和二阶邻频干扰载干比CI阿依据自由空间传播模型近似估算的公式仍然可用距离及路径衰减指数n表示：图2-4邻频干扰载干比d，di分别
25、表示移动台距服务基站及一阶邻频基站距离，n为路径衰减指数图2-5 公式d，di分别表示移动台距服务基站及二阶邻频基站距离，n为路径衰减指数解决邻频干扰可以采取的措施有：（1）提高接收机滤波器的精度，即增加其阻带衰减的陡峭程度以更好的滤除邻频信。（2）频率规划方案进行优化，使一阶邻频距离、二阶邻频距离具足够大，这也是本文研究频率规划的一个重要意义。（3）对个别邻频干扰严重小区可以通过调整天线参数，使服务小区从覆盖区域到发射功率都能更好保证小区内移动台接收信号具有较高接收电平。（4）与在不同区域范围使用相同频段的运营商做好协商工作，确保双方发射基站不在相同或者临近区域使用相邻载频。2.3 信道分配
26、策略蜂窝系统的信道分配策略包括动态信道分配和固定信道分配两种。动态信道分配策略是指话音信道不是固定分配给各个小区，而是每次呼叫请求时服务基站就向 MSC请求一个信道。该策略能较好的提高信道利用率，但是由于需要收集处理大量数据，因此控制复杂成本高。固定分配策略是指每个小区都预先分配好一组话音信道，小区中所有呼叫都只能使用该小区的空闲心道，若所有信道都被占用，则新呼叫会被拒绝。该方法管理控制比较容易，但信道利用率不够高。 GSM-R是为铁路专用移动通信服务的，因此用户数量和业务量相对稳定，出现突发性高业务量的概率比较低，一般采用固定信道分配策略。2.4有关 GSM的频率规划铁路大型枢纽如编组站通常
27、以办理大量列车到达、解体、编组出发、直通和其他列车作业等业务为主 ,邻近区域汇接有大量相互交叉的线路 ,这些相互交叉的部分 ,无线网络可能相互重叠并引起干扰 ,实现大容量无线覆盖有一定难度. 为解决铁路编组站地区特殊的地理条件和组织形式下的无线资源管理问题 。由于 GSM-R是参照 GSM的基础来的，而且本文研究的是面状地区，所以有必要先对相关 GSM的频率规划进行系统分析对比，再经过修改与对比，最后提出了适合枢纽地区 GSM-R频率规划和无线覆盖要求的技术方案。频率复用是指在数字蜂窝系统中重复使用相同的频率，一般把有限的频率分成若干组，依次形成一簇频率分配给相邻小区使用。通常的频率复用方式有
28、：（1）普通复用：“43”复用、“33”复用，以及更为紧密的“26”复用和“13”复用。（2）双重复用：BCCH和TCH分别采用不同的复用方式。（3）同心圆复用：常规层和超级层分别采用不同的复用方式。（4）多重复用MRP：各层频率分别采用不同的复用方式2.4.1 普通复用方式1、“43”复用方式“43”复用复用方式针对每基站划分为3扇区的规划。12个频率为一组，并轮流分配到4个站点，每个站点可用其中的3个频率。这是“900MHz TDMA数字公用陆地蜂窝移动通信网络技术体制”建议采用的复用方式，也是GSM系统中最常用和最典型的复用方式。对于三叶草60天线，其D/R=6；对于120天线，其D/R
29、=3.46。采用三叶草60天线时抗同频干扰性能会更好。如下图所示。这种频率复用方式由于同频复用距离大，能够可靠地满足GSM体制对同频干扰防护比和邻频干扰保护比的指标要求。实际情况下，由于基站布局的不规则，天线挂高的差别，以及实际无线的环境的影响，载干比C/I不可能达到这么高。43频率复用虽然能获得较高的载干比，良好的话音质量；但是其频率利用率较低。对于业务量较大的地区，可以采用其他方式增加网络的容量。继续增加网络容量的措施有：（1）小区分裂。将拥塞小区分成更小小区的方法，每个小区都有自己的基站并相应的降低天线高度和减小发射机功率。小区分裂通过增加基站的数量来增加系统容量。（2）利用新的频率资源
30、。如引进1800MHz的频率资源，建立DCS1800网络。（3）在现有的频率资源情况下，采用紧密频率复用技术，提高网络容量。其中采用紧密频率复用技术提高网络容量是最经济、最快捷的手段。比较典型的紧密频率复用技术主要有33、26、23、13和11复用技术图2-1 典型的紧密频率复用技术2、“33”复用方式“33”复用方式针对每基站划分为3扇区的规划。9个频率为一组，并轮流分配到3个站点，每个站点使用其中的3个频率。这也是“900MHz TDMA数字公用陆地蜂窝移动通信网络技术体制”建议采用的复用方式。“33”复用方式与跳频、DTX、功率控制一起使用，可达到抗同频干扰要求。但带宽在6MHz以下时，
31、不能提供足够的跳频增益，因此性能不佳。33复用方式增加了频率复用度，从而提高了频率利用率。但采用此技术一方面要保证网络有足够的基站满足覆盖要求，另一方面要有足够的频带宽度，一般要大于6 MHz。以保证跳频效果。如下图所示：图2-2“33”复用方式3、“26”复用方式这是Motorola提出的用以解决高话务地区频率复用的方法。该方法在不同天线方向上有着不同的频率复用程度，其D/R小于33复用方式。4、“13”复用方式13复用是较紧密的复用方式，虽然频率利用率很高，但其干扰增加很大，如果采用的抗干扰技术不够有效，可能对网络质量存在较大影响，因此应用时必须注意网络的优化。2.4.2 多重复用MRP频
32、率多重复用MRP（Multiple frequency Reuse Pattern）方式就是将所有可用载频分为几组，每一组载频作为独立的一层，不同层的频率采用不同的复用方式，也就是说在同一网络中采用不同的频率复用方式，频率复用逐层紧密。为保证BCCH的安全，MRP中用于BCCH的载频数应不少于12个。按TCH分组方法的不同，MRP又可分为严格的MRP与改进的MRP。如在6M的带宽下，可采用如图3的复用结构。在使用MRP时，应注意以下问题：1）必须采用跳频、功率控制、DTX等抗干扰手段，这也是MRP技术应用的前提；2）采用MRP技术时，应注意频率分配的顺序。一般应先分配BCCH，然后分配TCH等
33、；3）不同区域基站的频率应分别规划；4）根据具体的干扰情况，调整邻区设置。MRP技术可根据容量需求及话务分布情况灵活进行频率规划，可逐步提高网络容量，它比仅使用33网络容量高，与13相比对网络质量影响较小，采用的技术如跳频、功率控制、不连续发射是GSM系统应具备的技术，在设备及软件上无其他特殊要求，只要进行仔细的网络规划和优化，在许多网上都可以使用。其性能（平均站容量、容量比等）与其他普通复用方式比较详见下表2。2.4.3同心圆复用同心圆（Concentric Cell）是指把基站中的某几个载频的功率降低，使其覆盖范围缩小，成为内层圆，其余载频以常规功率发射，成为外层圆。因内层圆的小区半径较小
34、使得其使用的频率也可以在相邻小区使用，从而提高了内层频率复用率。外层的覆盖范围为传统的蜂窝小区，而内层的覆盖范围则主要集中在基站附近。另外，内外层的频率复用系数一般也不同，外层一般用43复用方式，而内层则采用更紧密的复用方式，如33、23或13等方式。通过BSC的控制软件实现移动用户（MS）在内外层之间的切换，大量吸收基站附近的热点地区的话务量。根据同心圆的实现方式不同，可分为普通同心圆与智能双层网（IUO）两种，两者的主要区别在于内层的发射功率与内外层的切换算法。普通同心圆内层的发射功率一般要低于外层，从而降低了同频干扰，其内外层的切换一般是基于功率与距离的。而IUO内外层的发射功率是完全相
35、同的，并基于C / I进行切换。普通同心圆对容量的提高约为10%30%左右，提高量不大，IUO方式对容量提高相对较大，一般为20%40%，并能在提高容量的基础上保证通话质量。2.5 GSM频率规划综述GSM蜂窝网络以“簇为单位实现频率复用，这是传统的频率规划方法，也是一种规则的频率复用方法。假设在某一种规则频率复用方案中，每个簇的基站数为N，那么称本次频率规划中使用的是N3N的频率复用方式，同频小区之间使用固定的频率组。由于每个扇区仅有一个BCCH载频且BCCH载频处于不问断工作状态，因此BCCH频点分布和工作方式都是规则稳定的，这说明BCCH频率复用采用规则频率复用方式是合理的。然而GSM系
36、统不同小区用户数和话务量不同，因此不同小区TCH载频数也不同，若采用规则频率复用方式分配TCH频点会造成部分话务量大的小区TCH信道不足而部分话务量小的小区TCH信道资源浪费。因此TCH频点频率复用方式与BCCH频点应有所区别。下面研究一种GSM常用的频率复用方法。多重频率复用(MRP，Multiple Reuse Pattern)是爱立信公司提出的一种利用GSM系统中跳频、不连续发射、动态功率控制以及子小区结构等干扰控制技术来提高系统容量的频率复用技术。该方法的基本思想是将小区分层，首先分隔出一组频点作为BCCH载波频率，这组频率不能被TCH载频交叉使用。剩余频点分为不同组(层)用于系统各小
37、区TCH载波频率规划。通信系统的评估指标一般分为有效性和可靠性两个方面。有效性和可靠性是矛盾的两个方面，在确定频率规划目标时需要根据具体网络运营特点来定。GSM具有两个较鲜明的特点：（1）用户数量越来越大，话务量及其他数据业务量也处于不断递增的状态。（2）用户分布情况随机性大，有些小区可能出现突发性用户量、话务量、业务量剧变的情况，比如会议场所、名胜古迹等。因此GSM频率规划的目标是：1）满足通信质量要求的前提下尽可能提高资源利用率以满足日益增长的用户量和话务量。2）使系统具有更强的可伸缩性，以应对一些突发性用户数量和话务量剧变造成的通信堵塞。以上两点目标为GSM频率规划缺点了方向。GSM频率
38、规划对具体规划方案的评估准则也是根据频率规划目标而制定的。GSM稳步提升的业务量和较理想的通信质量证明了GSM频率规划技术成熟与完善。通过调查研究及文献对GSM频率规法算法进行综述并归纳总结算法共性，这将为GSMR频率规划方法的研究提供理论借鉴。2.5.1 GSM频率规划算法概要与GSM-R不同，GSM系统可用频点多使得在频率规划算法和方法在操作上工作量较大；另一方面公网采用面状覆盖方式，小区相邻关系比较复杂，这使频点选择的限制条件相对复杂。因此GSM频率规划常常需要通过较复杂的算法或方法并借助计算机运算来操作。常见算法有着色算法、模拟退火算法、模拟退火算法、神经网络算法、遗传算法、Monte
39、 Carlo方法等几种。着色算法的思想是将频率规划等价于图的边着色的问题。该方法将每个基站看作一个顶点，基站使用的载频集合代表颜色，利用一些着色原则进行对每个顶点进行着色如合理边上色、准强边着色、贪心法等，着色结果即为算法得出的解。该方法属于图的边着色问题，从图论算法理论上讲，它无法在一定时问内求得最优解。比如对于存在n条边(或项点)，使用c种颜色着色，没有其他约束条件下解空间是Cn，即使不考虑颜色重复使用(Cn)，解空间也达到n!。两个数都是超越数，因此对于实际频率规划时c和n值较大，无法利用穷举搜索方法求得问题最优解。着色算法一般得到结果是局部最优解。同时着色算法所建立的模型一般只考虑同频
40、干扰限制。模拟退火算法源于将固体加热至充分高的温度再让其徐徐冷却的过程，其基本思想是将能量函数E(Xk)视为物质组合Xk的内能可等价为一个评估函数，用控制参数T类比温度，对每个Tk仿照降温过程热平衡态进行一定算法的交换产生新Xk，若E(Xk)E(Xk)则接收Xk为下一状态，否则以一定概率接收。最后通过一定时间搜索得到E(Xk)的收敛值，即为该算法最优解。该频率规划应用中，Xk代表频点或者频点集合，E(Xk)代表考虑了同频干扰限制、邻频干扰限制、同小区限制、同站址限制等因素建立起来的能量函数。在算法执行过程中当E(Xk)最小值收敛，则算法运行结束。神经网络算法是采用人工神经网络模型来处理组合最优
41、化问题。在频率规划应用中，该算法以小区与信道的对应关系作为神经元，并引入能量函数代表干扰限制和信道需求，并通过能量函数最小化来获得一种软优化判定准则。该算法在频率规划应用中令Vij代表神经元，小区数为n，信道数为m。则矩阵Vnxm=Vij0in-l，0jm1。能量函数为矩阵V各元素确定的一个函数，在能量函数最小值收敛点即矩阵V为所求解，算法运行结束。遗传算法是通过编码将所求问题中的可行解变换为基因空间中的染色体，使问题求解转换为基因空间的搜索。算法通过遗传操作中的选择、交叉、变异方法来实现解空间搜索，并构造一个适应度函数作为评估函数表示算法中的一些约束条件。在频率规划应用中，每个小区的频点或频
42、点集合用染色体表示，选择、交叉、编译等遗传操作可实现解空间的搜索，适应度函数根据同频干扰限制邻频干扰限制、同小区限制、同站址限制等频率规划约束条件建立起来。当适应度函数达到最大值收敛得到算法最优解，则算法运行结束。Monte Carlo方法的基本思想是通过建立一个概率模型或过程抽样实验来计算所求参数统计特性，最后给所求解的近似值。在频率规划应用中，频率舰划算法(如模拟退火算法)在搜索和评估函数判决时由于搜索序列快于理论要求(为避免算法运算量过大)，这可能导致陷入局部最优点而降低全局最优点可能性。Monte Carlo方法可优化整个搜索序列，是整个搜索过程更加平滑，尽可能使每个搜索序列台阶均能够
43、抽样出优解并增加跳出局部最优点的可能。2.5.2算法共性的研究通过上一节对公众移动通信网络常用频率规划算法方法的研究，我们可以从中归纳出一些算法共性要点。由于算法目标都为了将有限频点合理的分配到各个小区或扇区，因此可以把实行频率规划的过程分为以下几个部分或进程：（1）复用：每个小区应该分配TCH载频数目是影响频率复用方式最直接因素，此外规划区域小区数目和可用频率资源带宽也会影响频率复用。复用方式决定了频率规划的前提条件和约束条件。（2）全局搜索：全局搜索进程目标是要将所有可能的频率分配方案都进行评估从而得出全局最优解。全局搜索最直接办法就是穷举法。考虑到假设可用频点数为m，规划区域小区数为n，
44、则穷举法需要列举mn种，它是一个超越数，对于计算机来说运行效率过低，因此对于公众移动通信网络，频率规划一般不选择穷举法作为全局搜索算法。如模拟退火算法利用温度序列实现搜索，遗传算法利用交叉变异的遗传操作实现搜索，Monte Carlo方法主要目的就是要优化搜索算法，避免出现局部收敛。（3）评估准则：在频率规划中，每个经过全局搜索得到的方案都需要经过一定评估准则来筛选，这是判决方案优劣程度的尺度。如模拟退火算法和神经网络算法中的能量函数，遗传算法中的适应度函数。以上是笔者通过公众移动通信网络频率规划算法的研究中总结出的三个共性要点，将是 GSM-R频率规划方法研究的理论基础和事实依据。第3章 GSM-R频率规划基础3.1 GSM-R传播模型GSMR频率规划一个重要步骤是