【文章內(nèi)容簡介】 現(xiàn)和運(yùn)行；在 GSM Phase 2＋中添加了 ASCI（增強(qiáng)的語音呼叫業(yè)務(wù)）特性，能靈活地提供專網(wǎng)中所需的語音調(diào)度服務(wù)如 VBS、 VGCS 和 eMLPP，因此 GSMR 是面向未來的技術(shù)，它將從廣闊的 GSM 公網(wǎng)市場和 GSM 技術(shù)的不斷演進(jìn)中獲益，具有巨大的發(fā)展空間。GSMR 在歐洲取得巨大的成功，目前超過 30 個(gè)鐵路公司已承諾在其國際路網(wǎng)中使用該技術(shù)。GSMR 系統(tǒng)很多技術(shù)借鑒了公網(wǎng)的 GSM 技術(shù)，保留了 GSM 的大體結(jié)構(gòu)，使得從一開始 GSMR 系統(tǒng)就是一個(gè)成熟可靠的系統(tǒng)，它的絕大多數(shù)軟硬件都已在現(xiàn)網(wǎng)中得到檢驗(yàn)。不僅如此，由于二者都可以工作在 900M 頻 段，因此在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面也是基本相同的。GSMR 系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)也可借助于已成熟的 GSM 系統(tǒng)工具，可以方便快捷地為用戶提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)安裝。GSMR 的基本特性已在鐵路網(wǎng)的 MORANE 試驗(yàn)中得到安裝、測試和驗(yàn)證。出于眾多的需要，GSM 新技術(shù)如 GPRS 已經(jīng)規(guī)范化并將安裝使用。向 UMTS 的演進(jìn)將提供新的業(yè)務(wù)和更加強(qiáng)大的無線系統(tǒng)。GSMR 據(jù)此可最大限度地引入新的業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)模型如圖 21 所示。 調(diào)度通信平面調(diào)車自動列控制 （ C T C S ）遠(yuǎn)程控制鐵路緊急救援移動服務(wù)尾部風(fēng)壓檢測高速數(shù)字通信旅客綜合列車信息移動服務(wù)區(qū)間移動通信軌道維護(hù)移動服務(wù)功能尋址 功能號的表示 與位置有關(guān)的尋址介入矩陣e M L P P V B S V G C S鐵路應(yīng)用鐵路運(yùn)營特色電信業(yè)務(wù) A S C I圖 21 GSM 與 GSMR 的關(guān)系——業(yè)務(wù)模型蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)7GSMR 系統(tǒng)保留了 GSM 的基本結(jié)構(gòu)，同時(shí)還需要一個(gè)存儲組呼屬性的寄存器來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能——組呼寄存器(GCR)。GCR 實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫，存儲有關(guān)語音組呼的信息。它被視為一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以放在直接與 MSC 相連的 PABX 中，也可以放在 MSC 中，或者作為 HLR 的組成部分。在空中接口方面，GSMR 在 GSM 的基礎(chǔ)上增加了通知信道 NCH，用來傳送包含組呼信息和組呼信道信息。NCH 的位置在 BCCH 的系統(tǒng)消息中廣播。本文將從面狀覆蓋和線狀覆蓋兩種覆蓋方式的角度來介紹 GSMR 工作原理。 帶狀覆蓋在鐵路、公路、狹長的水面上這樣的呈帶狀的地區(qū)，往往采用線狀覆蓋的方式。線狀覆蓋使用的蜂窩基本原理與面狀覆蓋類似，只是在小區(qū)頻率組的分配和重疊區(qū)的問題上要單獨(dú)考慮 [13]。頻率復(fù)用 在線狀覆蓋中，一般以圓形小區(qū)為模型來進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。在鐵路和公路的覆蓋中，移動臺往往處于高速移動狀態(tài)，信號的場強(qiáng)變化復(fù)雜，很難確定相鄰小區(qū)的覆蓋邊界，通常從場強(qiáng)的平均變化這一意義上來理解覆蓋區(qū)域。 如圖 22 所示沿著覆蓋區(qū)域的分布按照 n 個(gè)小區(qū)為一組的間隔可以進(jìn)行頻率復(fù)用，n 的取值要考慮到頻率利用率、同頻干擾和建網(wǎng)成本，一般可以取 2 、3 、4 。. . .3 R 2 aaRd sd 1 = ( 2 n 1 ) R n ann + 112 3圖 22 帶狀網(wǎng)的信干比示意圖在圖 22 中，假設(shè)小區(qū)半徑為 R，相鄰小區(qū)的交叉寬度為 a，第 n+1 區(qū)與第一區(qū)為同頻道小區(qū)。顯然，在移動臺處于覆蓋區(qū)邊緣時(shí)，同頻干擾最為嚴(yán)重。路徑損耗指數(shù)為 4，采用兩小區(qū)、三小區(qū)、n 小區(qū)的頻率復(fù)用方案得到的移動臺接收 C/I 值分別為： ? 兩小區(qū)復(fù)用 　　 (21)40log()32CdBIa??? 三小區(qū)復(fù)用 　 　　　　 (22)5R蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)8? 小區(qū)復(fù)用　　 　　　 (23)n40log()(21)CRdBIna???因此，可以根據(jù)式 23 和 的設(shè)計(jì)要求，求出重疊區(qū)的寬度 。同時(shí)可以看出：a對信干比要求高的系統(tǒng)，小區(qū)數(shù)多，因而頻率組多，基站數(shù)也增加。平衡設(shè)計(jì) 線性覆蓋在線性區(qū)域的兩側(cè)應(yīng)該是對稱的，在高速移動的環(huán)境中要盡量使小區(qū)的數(shù)目最小，中繼效率最大，每個(gè)小區(qū)的信道都可以為兩個(gè)方向的用戶服務(wù)，這就要求較高的基站發(fā)射功率。但是基站的高發(fā)射功率可能會造成上下行鏈路的不平衡，結(jié)果上行鏈路會因?yàn)樵肼曁蠖鵁o法使用。平衡的設(shè)計(jì)保證上下行鏈路具有同等的強(qiáng)度，使得任意小區(qū)的雙向用戶都有較好的接收質(zhì)量。平衡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要在四面建立天線群系統(tǒng)。兩個(gè)發(fā)射天線和兩個(gè)接收天線分別指向道路兩邊，下行鏈路的信號從小區(qū)沿著道路向兩個(gè)方向輻射。兩個(gè)接收天線按同樣的方式朝向兩個(gè)方向。每個(gè)天線與一個(gè)多路耦合器連接，多路耦合器由預(yù)選濾波器、放大器和分離器組成。兩個(gè)接收機(jī)的多路耦合器連接一個(gè)接入信道和所有的話音信道。小區(qū)分層 根據(jù)覆蓋地區(qū)的人口密度和移動臺移動速度的要求，可以按照覆蓋范圍的大小將小區(qū)分為以下四種類型： ? 擴(kuò)展小區(qū)：半徑 35km~120km ，主要由于沿海地區(qū)海域的覆蓋；? 宏小區(qū)：半徑 1km~35km，用于高速公路和人口較稠密的地區(qū)。要求具有高的抗干擾靈敏度和安全的頻率復(fù)用模型； ? 微小區(qū)：半徑 ~1km ，用于城市繁華地段。要求用高的干擾隔離度，使用少量頻率就可以實(shí)現(xiàn)密集頻率復(fù)用；? 微微小區(qū)：半徑小于 ，用于室內(nèi)環(huán)境，如商場、會議中心、辦公樓等。 根據(jù)小區(qū)的大小不同，天線假設(shè)的高度也不一樣。一般來講，宏小區(qū)的天線架設(shè)在建筑物的頂部，微小區(qū)的天線地域建筑物，微微小區(qū)的天線一般安裝在室內(nèi)。 在進(jìn)行實(shí)際的覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的地形環(huán)境和業(yè)務(wù)密度將集中小區(qū)結(jié)合使用。這里介紹分層小區(qū)的覆蓋。分層小區(qū)主要用于高速公路和城市主干道覆蓋，它解決了用戶的切換和大業(yè)務(wù)密度之間的矛盾。兩層中的上層采用傘狀宏小區(qū)，主要負(fù)責(zé)快速移動用戶，避免頻繁的越區(qū)切換，它還可以填補(bǔ)微小區(qū)覆蓋的盲區(qū)。下層是微小區(qū)覆蓋，主要負(fù)責(zé)步行移動用戶，另外當(dāng)發(fā)生堵車這樣的業(yè)務(wù)密度突然增大的情況，也可以由蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)9宏小區(qū)覆蓋轉(zhuǎn)換為微小區(qū)覆蓋。這樣就可以在上下層間進(jìn)行切換，滿足不同用戶的需求。 面狀覆蓋當(dāng)服務(wù)區(qū)不呈條狀而是一個(gè)寬廣的平面時(shí)，稱為面狀服務(wù)區(qū)。在平面區(qū)域內(nèi)劃分小區(qū)，通常組成蜂窩式的網(wǎng)絡(luò)，這將比帶狀網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜得多。小區(qū)形狀 在移動通信中，如果使用全向天線，人們很容易聯(lián)想到應(yīng)該采用圓形的小區(qū)，但是從電磁波傳播的角度考慮，圓形并不是最理想的形狀。如圖 23 所示，使用圓形的面狀覆蓋存在許多重疊區(qū)域和無覆蓋區(qū)域。為確保無盲區(qū)的完全覆蓋，通常使用多邊形的小區(qū)。236514圖 23 圓形小區(qū)的覆蓋我們可以用數(shù)學(xué)方法證明，要用正多邊形無空隙、無重疊地覆蓋一個(gè)區(qū)域，可取的只有正六邊形、正三角形和正方形。而面狀覆蓋的服務(wù)區(qū)中，通常采用正六邊形的小區(qū)形狀。六邊形比正方形和正三角形在半徑相同的情況下，覆蓋面積要多 30%~100%，如圖 24 所示。因此采用六邊形的設(shè)計(jì)需要較少的小區(qū)，較少的發(fā)射基站。同樣，六邊形覆蓋的系統(tǒng)費(fèi)用也要低于正方形和正三角形 [13]。需要指出的是，正六邊形的小區(qū)形狀只具有理論分析和設(shè)計(jì)上的意義，在實(shí)際工程中，小區(qū)的形狀取決于電波傳播的條件和天線的方向性。RRR圖 24 多邊形小區(qū)頻率復(fù)用在蜂窩系統(tǒng)中，系統(tǒng)會給每一個(gè)小區(qū)的基站分配一組信道，只要相隔距離足夠遠(yuǎn)，相同的信道可以在另一個(gè)小區(qū)重復(fù)使用，這就是頻率復(fù)用的思想。我們把由若干個(gè)使蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)10用全部頻率的小區(qū)組成的集合稱為一個(gè)簇，把不同簇中使用相同頻率的小區(qū)稱為同頻小區(qū)，任意兩個(gè)同頻小區(qū)之間的距離稱為同頻復(fù)用距離。為了避免同頻小區(qū)之間的干擾，必須選定一個(gè)合適的同頻復(fù)用距離 [4]。構(gòu)成一個(gè)簇必須滿足：簇的區(qū)域能彼此鄰接且無空隙地覆蓋整個(gè)面積；相鄰簇間同頻小區(qū)的距離相等且為最大。設(shè)一個(gè)簇中的小區(qū)數(shù)為 ,滿足以上條件的 的取值NN是有限的，可以通過式 24 確定 的值。 N (24)22ij??式 24 中， 、 為非零正整數(shù)。這一公式提供了尋找最近的同頻小區(qū)的方法：沿某一ij小區(qū)的任意一條六邊形鏈移動個(gè)小區(qū)后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 60 度后再移動個(gè)小區(qū)，此時(shí)到達(dá)的小區(qū)即為同頻小區(qū)。為了更好的表達(dá)頻率復(fù)用率與系統(tǒng)容量之間的關(guān)系，我們引用 與 的比值來作DR為衡量系統(tǒng)容量的一個(gè)重要參數(shù)，這一比值稱為同頻復(fù)用比，用 來表示： Q (25)3DQNR?可見， 的值只與簇的大小有關(guān)， 的值越小，系統(tǒng)容量越大；但是 值大可以Q提高傳播質(zhì)量，因?yàn)橥l干擾小。在實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要恰當(dāng)?shù)倪x擇 值，在容量和干擾之間進(jìn)行折衷。目前常用的蜂窩網(wǎng)簇的結(jié)構(gòu)有 =14 和 3。話務(wù)量和呼損率在通信系統(tǒng)中，信道的資源是有限的，而用戶的數(shù)量是不斷增長的，用戶在系統(tǒng)中占用資源的時(shí)間和頻率都是隨機(jī)的。要想衡量資源的使用率，只能采取統(tǒng)計(jì)的方法來表達(dá)這個(gè)隨機(jī)的系統(tǒng)。蜂窩系統(tǒng)采用中繼的概念，在中繼的無線通信系統(tǒng)中，每個(gè)用戶只有在呼叫時(shí)才分配給一個(gè)信道，一旦通話結(jié)束，原先占用的信道就立即釋放，可以再被其他用戶使用。在中繼系統(tǒng)中用話務(wù)量強(qiáng)度來表達(dá)資源的占用率，這個(gè)概念是丹麥的數(shù)學(xué)家愛爾蘭（Erlang）提出的，因此使用他的名字來作為話務(wù)量強(qiáng)度的單位。話務(wù)量強(qiáng)度定義為在一定時(shí)間內(nèi)信道完全被占用的時(shí)間（或平均通話時(shí)間）與這段時(shí)間的比值，即信道的時(shí)間利用率，通常用 A 來表示。例如一個(gè)信道在一小時(shí)內(nèi)平均通話時(shí)間為 3 分鐘，它的話務(wù)量強(qiáng)度為 3/60=。話務(wù)量強(qiáng)度是一個(gè)無量綱的值，可以用來表征單個(gè)或多個(gè)信道的時(shí)間利用率。系統(tǒng)中每個(gè)用戶的話務(wù)量強(qiáng)度可以用呼叫次數(shù) （ ）和平均呼叫保持時(shí)間 H?u的乘積來表示：蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)11 (26)uAH??對于系統(tǒng)中總的用戶數(shù)為 U 時(shí)，系統(tǒng)中總的話務(wù)量 A 可以用式 27 表示。 (27)u如果系統(tǒng)中的信道數(shù)為 C，則平均每個(gè)信道的話務(wù)量強(qiáng)度用式 28 表示。 (28)CAu?由于系統(tǒng)擁塞導(dǎo)致呼叫無法完成的概率，或是呼叫的延遲時(shí)間大于排隊(duì)時(shí)間的概率叫做呼損率?？偟脑拕?wù)量與完成話務(wù)量之差即為損失話務(wù)量。由此我們可以得到呼損率的計(jì)算公式： (29)uuAB???由此可見，呼損率越小，成功呼叫的概率越大，用戶就越滿意因此呼損率也是衡量系統(tǒng)質(zhì)量的主要指標(biāo)。例如，某系統(tǒng)的服務(wù)等級為 3%，那就說明該系統(tǒng)內(nèi)的用戶每呼叫100 次，其中用三次未被接通。信道分配策略蜂窩系統(tǒng)的信道分配分為兩個(gè)步驟：首先要將所有的頻率資源分組，其次以動態(tài)的或固定的方法為用戶分配信道。信道分配應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：? 確定載頻的中心頻率、信道間隔、收發(fā)雙工間隔等參數(shù)值。如 RGSM（鐵路GSM）系統(tǒng)，工作的頻段為 876MHz~915MHz/921MHz~960MHz，信道間隔為200KHz，雙工間隔為 45MHz。? 確定頻率之間互調(diào)干擾最小的分組方法。? 考慮天線類型，基站發(fā)射功率，服務(wù)質(zhì)量等因素，在盡量減小同頻干擾的前提下確定分組的組數(shù)。? 在同一組中，不能采用連續(xù)的頻率，減小鄰道干擾。? 相鄰的信道不分配給相鄰的小區(qū)或扇區(qū)。? 頻率的規(guī)劃要結(jié)合蜂窩網(wǎng)容量和規(guī)模的后續(xù)發(fā)展。在對頻率資源進(jìn)行分組后，可以采用兩種方式為蜂窩小區(qū)分配信道組：固定信道分配和動態(tài)信道分配。在固定信道分配方案中，每個(gè)小區(qū)分給一組信道，該小區(qū)的用戶只能使用這一組信道，如果出現(xiàn)信道全部被占用情況，新的呼叫就會被拒絕，只有蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)12存在空閑信道時(shí)，才能再發(fā)起呼叫。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是管理和控制過程容易，缺點(diǎn)是系統(tǒng)的資源不能得到有效利用，尤其是當(dāng)用戶數(shù)量突然增加時(shí)，系統(tǒng)的呼損率較大。另一種方法是動態(tài)信道分配。這種方法不是固定小區(qū)所使用的信道，而是多個(gè)小區(qū)可以使用相同的信道，每個(gè)小區(qū)的信道數(shù)時(shí)不固定的。當(dāng)業(yè)務(wù)量大時(shí)，分配給該小區(qū)的信道數(shù)就多，業(yè)務(wù)量減小時(shí)還可以再把這些信道分配給其他小區(qū)使用。在這種方式中，信道都由 MSC（移動交換中心）來管理和執(zhí)行分配。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是有效的利用了資源，降低了呼損率，但是由于在動態(tài)分配的過程中要監(jiān)視信道的使用情況，檢查所分配的信道是否滿足干擾的要求，需要收集和處理大量的數(shù)據(jù)，因此控制復(fù)雜，成本較高。但是與固定信道的分配方式相比，信道利用率可以提高 20%?50%。提高系統(tǒng)容量的方法 隨著用戶數(shù)量的增長，需要不斷地提高蜂窩系統(tǒng)的容量。實(shí)際中常使用的提高蜂窩系統(tǒng)容量的方法有小區(qū)分裂和劃分扇區(qū)。小區(qū)分裂根據(jù)用戶密度的變化，在現(xiàn)有小區(qū)的基礎(chǔ)上劃分更小的小區(qū)來提高頻率復(fù)