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摘要:在分析GSM-R无线网络的频率分配原则和频率复用距离的基础上,对三种常见GSM-R无线网络的组网方式的频率规划进行了探讨。
关键词:GSM-R无线网络 频率
0 引言
GSM-R系统属于铁路运输指挥专用综合移动通信系统,其网络和业务具有调度通信网络要求的封闭性、安全性、可靠性和实时性特征。GSM-R是基于GSM技术解决铁路通信的新技术,在常规业务方面延续了GSM特点,GSM-R网络规划技术也同GSM技术大致相同,但是由于铁路覆盖和铁路业务需求有其自身的特点,因此GSM-R系统的网络规划和GSM技术会有所不同,而频率规划是目前GSM制式网络规划的重要环节,良好的频率规划是网络质量的基础,本文将就GSM-R频率规划的相关问题进行分析。
1 GSM-R工作频段及频率分配和规划原则
1.1 工作频率 采用900MHz工作频段,885MHz～889MHz(移动台发,基站收)、930MHz～934MHz(基站发,移动台收)。共4MHz频率带宽。双工收发频率间隔45MHz,相邻频道间隔为200kHz。按等间隔频道配置的方法,共有21个载频。频道序号从999～1019,扣除低端999和高端1019做为隔离保护,实际可用频道19个,频道序号为1000～1018。频道序号和频道标称中心频率的关系为:
fL(n)=890.000MHz+(n-1024)×0.200MHz
(移动台发,基站收)
fH(n)=fL(n)+45MHz
(基站发,移动台收)
n=999～1019
1.2 频率分配原则 频道分配应考虑同频道干扰、邻频道干扰和互调干扰等因素,并使载干比满足以下要求:
同频道载干比:控制信道及列控业务信道C/I≥12dB,其他业务信道所在频率的C/I≥9dB。
邻频道载干比:C/I≥-6dB。
偏离载波400kHz时的干扰保护比:C/I≥-38dB。
1.3 频率规划基本原则 良好的网络结构是一个良好频率计划的基础。在进行一定区域内的频率规划时,一般采用地理分片的方式进行,但需要在分片交界处预留一定频点(频率足够使用时)或进行频点划分。交界处的选择尽量避开热点地区或组网复杂区。
不管采用何种方式进行频率规划,一般需要遵循以下原则:
1.3.1 同基站内不允许存在同频频点;
1.3.2 同一小区内BCCH和TCH的频率间隔最好在400k以上;
1.3.3 没有采用跳频时,同一小区的TCH间的频率间隔最好在400k以上;
1.3.4 非1×3复用方式下,直接邻近的基站避免同频(即使其天线主瓣方向不同,旁瓣及背瓣的影响也会因天线及环境的原因而难以预测);
1.3.5 考虑到天线挂高和传播环境的复杂性,距离较近的基站应尽量避免同频相对。
2 频率复用距离计算
蜂窝系统容量受无线带宽的限制,频率必须进行复用才能满足一定区域内的容量需求。在同等区域内,频率复用距离越宽松,同邻频干扰越小,但容量也小;频率复用越紧密,虽然容量得到一定的提升,但随之带来了同邻频干扰的上升。控制复用频点的相互干扰是频率规划中的关键。
频率复用距离可根据GSM-R系统的载干比要求进行分析计算。
假设C是信号有用功率,I是干扰信号的功率,在一个系统中,同频干扰可能有多个,先假设共有K个干扰源,每个干扰用IK表示,K的取值从1～K,那么同频信号的载干比就可以表示为:
按照无线信号传播理论,信号在空间按照接收位置到发射位置的幂指数下降,假设天线的辐射功率为PT,在距离发射天线位置d处接收到平均信号功率Pd可以由下面公式表示:
A为一个常数;n为传播指数,取值范围在2～4之间,随着环境不同取值不同。服务基站的干扰I都是其余同频基站信号的总和,在PT取值都一定的情况下,式(1)中干扰信号强度Ik都可用式(3)表示:
而服务基站服务范围有用信号应该以服务小区半径边缘来表示,即C可以表示为:
根据以上分析C/I可以用距离参数进行归一化表示:
根据GSM-R小区线状覆盖的不同方案可根据式(5)导出不同的计算公式。
2.1 单小区单方向覆盖方案 单小区单方向和正常的GSM网络基站没有区别,就是一个小区一个方向,例如某处需要两个小区,两个方向应用各自的天线,馈线等天馈合路系统,如图1所示。该方案主要会造成系统切换次数的增加,切换次数的增加就意味着系统性能将受到影响。
假设在GSM～R系统中,相隔N个基站可以复用同一频点,基站间的距离d可表示为:
其中dh为切换距离,其值大小取决切换时间和列车的最高时速要求。
将式(6)代入式(5),则:
2.2 功分器单小区双方向覆盖方案 单小区双方向就是一个小区分裂为两个方向,不同方向用不同天馈,在数据配置上为一个小区,实现单小区双方向需要增加外置设备功分器,功分器可以使一个小区的信号均匀地分开通过不同馈线连接到不同方向的天线上,如图2所示。采用单小区双方向可以消除相同基站内的切换,但是由于功分器会带来3dB的衰减,会使基站覆盖距离减小。
单小区双方向的覆盖方案相当于两个同基站的小区使用同一组频点,其频率复用间距可由式(8)进行计算。
在通常情况下,由式(7)计算可得,N=2,即单小区单方向的复用距离为4R,其频率复用模式为2x2,由式(8)计算可得,N=3,即单小区双方向的复用距离为6R,其频率复用模式为3x1,可见单小区双方向可以使用更紧的频率复用模式,为讨论方便,下面所涉及的都假定小区为单小区单方向。
3 不同GSM-R组网方案的频率规划
为了满足铁路对系统安全性、可用性、可靠性和可维护性方面的要求,GSM-R在网络覆盖上需要冗余重叠覆盖,目前常用的有三种组网方式:
3.1 单网交织冗余覆盖网络 单网交织冗余覆盖(如图3所示)是指铁路沿线由一层无线网络进行覆盖,但在系统设计时通过加密基站,使线路上的某个地点的基站出现故障时,该地点的场强仍能通过相邻基站得到保证,使沿线的业务应用不会因个别无线设备的故障而中断。
单层交织冗余覆盖网络所需的小区数在原有的单层网络上增加了一倍,使原先使用2x2频率复用模式的变为4x2的复用模式,因此对GSM-R的19个频点可做如表1所示的分组,共分8组,由于实际应用中可能有一些特殊站型和特殊环境的应用,预留三个频点1001、1010、和1017号频点作为整个网络调整使用。
频率分配的秩序可以按1、3、5、7、2、4、6、8的秩序进行,其每小区的最大配置为2载频,可保证同一小区和邻小区的频点不相邻,如重叠覆盖小区实行负荷分担,则等效每小区的最大容量为4载频。
3.2 同站址无线双层网络 同站址无线双层网络是指2个基站并列设在同一站点,形成了铁路沿线的2个无线网络层。如图4所示,同一站点的2个基站安装在同一个机房内,有类似的覆盖区域。这种方式易于安装,还可降低安装成本,但没有考虑容灾问题。如果某地发生灾害(火灾、洪水、闪电等),同一站点的2个基站都会损坏,造成在某一路段内同时失去2层网络的覆盖。
同站址无线双层网络的频率分配可在表1频率分组的基础上,对频率分组进行重新组合,见表2所示。
同站址两个基站的频率配置(网络A,网络B)可按秩序(1,3)、(5,7)、(2,4)、(6,8)进行,其等效的最大小区配置仍为四载频。
3.3 交织站址无线双层网络 与同站址方式不同,交织站址无线双层网络中的第二层基站位于一层2个连续的基站之间。如图5所示,每个基站有独立的机房和天馈系统。其优点是如果某地发生灾害,只有其中一个层失去覆盖,另外一层的服务不受影响。但与此同时也带来了小区规划复杂以及基站站址和安装成本增加等问题。
对于图5所示网络的频率规划既可按单网交织冗余覆盖网络方式进行,也可按同站址无线双层网络的方式进行,其等效的最大小区配置也是四载频。
4 结论
本文在分析GSM-R无线网络的频率分配原则和频率复用距离的基础上,对三种常见GSM-R无线网络的组网方式的频率规划进行了研究,对实际GSM-R网络的布署具有一定的借鉴和指导意义。
关键词:GSM-R无线网络 频率
0 引言
GSM-R系统属于铁路运输指挥专用综合移动通信系统,其网络和业务具有调度通信网络要求的封闭性、安全性、可靠性和实时性特征。GSM-R是基于GSM技术解决铁路通信的新技术,在常规业务方面延续了GSM特点,GSM-R网络规划技术也同GSM技术大致相同,但是由于铁路覆盖和铁路业务需求有其自身的特点,因此GSM-R系统的网络规划和GSM技术会有所不同,而频率规划是目前GSM制式网络规划的重要环节,良好的频率规划是网络质量的基础,本文将就GSM-R频率规划的相关问题进行分析。
1 GSM-R工作频段及频率分配和规划原则
1.1 工作频率 采用900MHz工作频段,885MHz～889MHz(移动台发,基站收)、930MHz～934MHz(基站发,移动台收)。共4MHz频率带宽。双工收发频率间隔45MHz,相邻频道间隔为200kHz。按等间隔频道配置的方法,共有21个载频。频道序号从999～1019,扣除低端999和高端1019做为隔离保护,实际可用频道19个,频道序号为1000～1018。频道序号和频道标称中心频率的关系为:
fL(n)=890.000MHz+(n-1024)×0.200MHz
(移动台发,基站收)
fH(n)=fL(n)+45MHz
(基站发,移动台收)
n=999～1019
1.2 频率分配原则 频道分配应考虑同频道干扰、邻频道干扰和互调干扰等因素,并使载干比满足以下要求:
同频道载干比:控制信道及列控业务信道C/I≥12dB,其他业务信道所在频率的C/I≥9dB。
邻频道载干比:C/I≥-6dB。
偏离载波400kHz时的干扰保护比:C/I≥-38dB。
1.3 频率规划基本原则 良好的网络结构是一个良好频率计划的基础。在进行一定区域内的频率规划时,一般采用地理分片的方式进行,但需要在分片交界处预留一定频点(频率足够使用时)或进行频点划分。交界处的选择尽量避开热点地区或组网复杂区。
不管采用何种方式进行频率规划,一般需要遵循以下原则:
1.3.1 同基站内不允许存在同频频点;
1.3.2 同一小区内BCCH和TCH的频率间隔最好在400k以上;
1.3.3 没有采用跳频时,同一小区的TCH间的频率间隔最好在400k以上;
1.3.4 非1×3复用方式下,直接邻近的基站避免同频(即使其天线主瓣方向不同,旁瓣及背瓣的影响也会因天线及环境的原因而难以预测);
1.3.5 考虑到天线挂高和传播环境的复杂性,距离较近的基站应尽量避免同频相对。
2 频率复用距离计算
蜂窝系统容量受无线带宽的限制,频率必须进行复用才能满足一定区域内的容量需求。在同等区域内,频率复用距离越宽松,同邻频干扰越小,但容量也小;频率复用越紧密,虽然容量得到一定的提升,但随之带来了同邻频干扰的上升。控制复用频点的相互干扰是频率规划中的关键。
频率复用距离可根据GSM-R系统的载干比要求进行分析计算。
假设C是信号有用功率,I是干扰信号的功率,在一个系统中,同频干扰可能有多个,先假设共有K个干扰源,每个干扰用IK表示,K的取值从1～K,那么同频信号的载干比就可以表示为:
按照无线信号传播理论,信号在空间按照接收位置到发射位置的幂指数下降,假设天线的辐射功率为PT,在距离发射天线位置d处接收到平均信号功率Pd可以由下面公式表示:
A为一个常数;n为传播指数,取值范围在2～4之间,随着环境不同取值不同。服务基站的干扰I都是其余同频基站信号的总和,在PT取值都一定的情况下,式(1)中干扰信号强度Ik都可用式(3)表示:
而服务基站服务范围有用信号应该以服务小区半径边缘来表示,即C可以表示为:
根据以上分析C/I可以用距离参数进行归一化表示:
根据GSM-R小区线状覆盖的不同方案可根据式(5)导出不同的计算公式。
2.1 单小区单方向覆盖方案 单小区单方向和正常的GSM网络基站没有区别,就是一个小区一个方向,例如某处需要两个小区,两个方向应用各自的天线,馈线等天馈合路系统,如图1所示。该方案主要会造成系统切换次数的增加,切换次数的增加就意味着系统性能将受到影响。
假设在GSM～R系统中,相隔N个基站可以复用同一频点,基站间的距离d可表示为:
其中dh为切换距离,其值大小取决切换时间和列车的最高时速要求。
将式(6)代入式(5),则:
2.2 功分器单小区双方向覆盖方案 单小区双方向就是一个小区分裂为两个方向,不同方向用不同天馈,在数据配置上为一个小区,实现单小区双方向需要增加外置设备功分器,功分器可以使一个小区的信号均匀地分开通过不同馈线连接到不同方向的天线上,如图2所示。采用单小区双方向可以消除相同基站内的切换,但是由于功分器会带来3dB的衰减,会使基站覆盖距离减小。
单小区双方向的覆盖方案相当于两个同基站的小区使用同一组频点,其频率复用间距可由式(8)进行计算。
在通常情况下,由式(7)计算可得,N=2,即单小区单方向的复用距离为4R,其频率复用模式为2x2,由式(8)计算可得,N=3,即单小区双方向的复用距离为6R,其频率复用模式为3x1,可见单小区双方向可以使用更紧的频率复用模式,为讨论方便,下面所涉及的都假定小区为单小区单方向。
3 不同GSM-R组网方案的频率规划
为了满足铁路对系统安全性、可用性、可靠性和可维护性方面的要求,GSM-R在网络覆盖上需要冗余重叠覆盖,目前常用的有三种组网方式:
3.1 单网交织冗余覆盖网络 单网交织冗余覆盖(如图3所示)是指铁路沿线由一层无线网络进行覆盖,但在系统设计时通过加密基站,使线路上的某个地点的基站出现故障时,该地点的场强仍能通过相邻基站得到保证,使沿线的业务应用不会因个别无线设备的故障而中断。
单层交织冗余覆盖网络所需的小区数在原有的单层网络上增加了一倍,使原先使用2x2频率复用模式的变为4x2的复用模式,因此对GSM-R的19个频点可做如表1所示的分组,共分8组,由于实际应用中可能有一些特殊站型和特殊环境的应用,预留三个频点1001、1010、和1017号频点作为整个网络调整使用。
频率分配的秩序可以按1、3、5、7、2、4、6、8的秩序进行,其每小区的最大配置为2载频,可保证同一小区和邻小区的频点不相邻,如重叠覆盖小区实行负荷分担,则等效每小区的最大容量为4载频。
3.2 同站址无线双层网络 同站址无线双层网络是指2个基站并列设在同一站点,形成了铁路沿线的2个无线网络层。如图4所示,同一站点的2个基站安装在同一个机房内,有类似的覆盖区域。这种方式易于安装,还可降低安装成本,但没有考虑容灾问题。如果某地发生灾害(火灾、洪水、闪电等),同一站点的2个基站都会损坏,造成在某一路段内同时失去2层网络的覆盖。
同站址无线双层网络的频率分配可在表1频率分组的基础上,对频率分组进行重新组合,见表2所示。
同站址两个基站的频率配置(网络A,网络B)可按秩序(1,3)、(5,7)、(2,4)、(6,8)进行,其等效的最大小区配置仍为四载频。
3.3 交织站址无线双层网络 与同站址方式不同,交织站址无线双层网络中的第二层基站位于一层2个连续的基站之间。如图5所示,每个基站有独立的机房和天馈系统。其优点是如果某地发生灾害,只有其中一个层失去覆盖,另外一层的服务不受影响。但与此同时也带来了小区规划复杂以及基站站址和安装成本增加等问题。
对于图5所示网络的频率规划既可按单网交织冗余覆盖网络方式进行,也可按同站址无线双层网络的方式进行,其等效的最大小区配置也是四载频。
4 结论
本文在分析GSM-R无线网络的频率分配原则和频率复用距离的基础上,对三种常见GSM-R无线网络的组网方式的频率规划进行了研究,对实际GSM-R网络的布署具有一定的借鉴和指导意义。