（通信与信息系统专业论文）gsmgsmr网络干扰分析与测量.pdf

夏 窑墟塞堂亟i 佥塞 生 童摘要 中文摘要 摘要：干扰的大小是影响网络运行的关键因素，对通话质量、掉话、切换、 拥塞均有显著影响。如何降低或消除干扰是网络规划、优化的首要任务。本论文 研究了g s n f g s m r 网络系统中的干扰相关问题，包括网络的干扰分析以及工程中 如何检测和测量干扰。 第一章引言简要介绍了干扰分析在网络优化中的重要性； 第二章介绍了g s m g s m r 系统的主要干扰源。给出了系统受到的干扰的数 学模型，根据干扰的不同来源对干扰进行了分类，主要讨论了系统内部干扰： 第三章论述了网络规划技术，特别是g s m r 系统应如何进行小区设计和频率 规划，以减少网络干扰； 第四章介绍了干扰测试方法，如何发现干扰，对干扰进行测试和定位等。重 点是信令分析方法，详细介绍了a b i s 信令监测系统： 第五章研究了g s m 与其它移动通信系统间的干扰分析方法，并利用该方法从 理论上分析了不同系统间的干扰： 第六章对全文进行总结，提出以后应该研究的方向。 关键词：g s m ；g s m r ：同频干扰；邻频干扰 分类号：t n 9 1 5 8 5 2 ；u 2 8 5 2 1 ；u 2 9 6 e 塞至塑叁堂亟i 垒塞旦! b i a b s t r a c t a b s t r a c t ：i n t e r f e r e n c ei sak e yi s s u ei nt h ec o n s t r u c t i o no fag s mn e t w o r k , i t h a sg r e a ti n f l u e n c eo v e rt h en e t w o r kp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rc o v e r ss o m er e l a t e d a s p e c t so fg s mi n t e r f e r e n c ea n a l y z i n ga n dt e s t i n g i nt h ef i r s tc h a p t e r , ab r i e f i n t r o d u c t i o no f t h ei m p o r t a n c eo f i n t e r f e r e n c e 。a n a l y z i n g d u t i n gt h en e t w o ko p t i m i z i n gi sg i v e n i nc h a p t e r2 ，t h ei n t e r f e r e n c em o d e lo fg s mn e t w o r ks y s t e mi s p r e s e n t e dw i t h e l a b o r a t e d d i s c u s s i o no fd i f f e r e n tt y p eo fi n t e r f e r e n c ea n dt h eb a s i ci n t e r f e r e n c e r e q u i r e m e n to fg s mn e t w o r ka c c o r d i n gt o t h e3 g p ps p e c i f i c a t i o n , m a i n l ya b o u t i n t r a - s y s t e mi n t e r f e r e n c e ， c h a p t e r3i sa b o u tt h em a i nn e t w o r kp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h a to f t h eg s m rs y s t e m h o wt om a k ec e l ld e s i g na n df r e q u e n c yp r o g r a m m m i n gt or e d u c e t h ei n t e r f e r e n c ei sg i v e n s o m eo f t h en e t w o r ka n d o p t i m i z i n gm e t h o di sa l s op r e s e n t e d t h ei n t e r f e r e n c et e s ti si n t r o d u c e di nc h a p t e r4 t h ed i s c u s s i o nc e n t e r sa r o u n d i n t e r f e r e n c et e s t i n ga n dp r o b l e m l o c a t i n g c h a p t e r5i sa b o u tt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e ng s ma n do t h e rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m am e t h o do fa n a l y z i n gi sp r e s e n t e d a n dt h ei n t e r f e r e n c ew h e no s ma n do t h e r s y s t e mc o - e x i s ti sd i s c u s s e d t h el a s tc h a p t e rg i v e sas u m m a r i z a t i o n , c l o s i n gt h ew h o l ep a p e rw i t hab r i e fl o o k i n t ot h ef u t u r e k e y w o r d s ：c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ；i n t e r f e r e n c et e s t ；g s m c l a s s n o ；t n 9 1 5 8 5 2 ：u 2 8 5 2 1 u 2 9 6 致谢 本论文的工作是在我的导师张小律教授的悉心指导下完成的，张老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来张老 师对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向钟老师表示衷心的谢意。 蒋文怡老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 感谢六捷科技公司和安志鲲师兄的帮助和支持。 感谢无线通信实验室的全体老师。感谢你们在我学习期间给予我的帮助，尤 其感谢金老师、丁老师，以及其他各位老师，你们对我在实验室的学习和科研给 予了极大的支持。 感谢师兄师姐的指导，师弟师妹的支持和帮助。 感谢我的家人和朋友。 感谢所有给予我关心、支持和帮助的人。 些壅銮遂厶堂亟 j 金 塞 壁 序 移动通信系统的无线部分由于具有很多不确定的因素，它对于移动通信网络 的性能影响很大，其性能优劣成为决定移动通信网络的决定性因素。 g s m r 是铁路专用调度通信系统，要求首尾相接的小区覆盖铁路沿线。带状小 区的无线网络规划和优化是相对简单的，但是，作为保障铁路安全运输的调度通 信系统，g s m r 所要求的高可靠性对无线网络有特殊要求，未来的高速铁路也将对 g s m r 无线网络提出更高要求。为了保证g s m - r 无线网络的质量，在网络建设阶段 及网络的运营阶段均需要对无线网络进行测试，依据测试进行适当的网络优化。 无线网络优化主要针对的是u m 接口，在这个接口上存在着很多难点，包括无线传 播环境复杂，信号起伏大，各种建筑物造成的多途径传播差别大，理论预测覆盏 区比较困难；干扰现象严重。除了人为噪声外，各种同邻频干扰、互调干扰以及 其它无线电干扰等；频率资源受限等问题。 网络优化，即通过网络测试，采集系统运行的实际数据( 如时隙分配状况与 区间的数据话量的关系) ，掌握控制系统的运行效率，提高系统的容量、利用率与 效能。网络优化是网络测试的后续步骤，它的重要性不言而谕。通过对网络进行 全面的、客观的评估，对发现问题进行的有效优化，可以保证网络的可靠运行， 保证铁路业务的正常运营。 在无线网络优化的过程中最常碰见的也是一个难点的问题就是无线干扰问 题，如何有效的发现干扰并测量出干扰将是本文的一个重点，干扰，本质上是未 按频率分配规定的信号占据了合法信号的频率，千万合法信号无法正常工作，形 成干扰。因此，对频域的分析过程，就是解决干扰问题的过程，也是移动通信网 络优化工作的重要组成部分 e噩銮 道太堂亟盈塞l壹 i ig s m - r 系统简介 i 引言 g s m r ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e r a i l ) 最先由欧洲铁路使用，它是一种基 于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统g s m 平台上的、专门为满足铁路 应用而开发的数字式的无线通信系统，在g s m 蜂窝系统的基础上，增加调度通信、 组呼、列车定位等铁路需要的特殊功能，构成了新一代铁路专用移动通信系统。 g s m r 系统构架在g s m 基础网络之上，可以实现现有无线列调的所有功能，同时还 增加了许多铁路调度管理急需的附加功能，如：多优先级和强插功能、话音组呼 及广播功能、列车位置跟踪、车次号的传输以及数据传输等。 1 9 9 3 年国际铁路联盟u i c 与欧洲电信标准组织( e t s i ) 协商，提出了欧洲各 国铁路下一代无线通信以g s mp h a s e2 + 为标准的g s m - r 技术，这一提议在1 9 9 5 年 经u i c 评估并最终确认。之后，u i c 展开了一系列的标准制定和测试工作。首先， u i c 成立了标准化组织e r i e n e ( 欧洲铁路综合数字移动通信网络) ，制定了一系列 铁路需求规范，涉及范围包括业务功能、调度台车载台需求、电磁环境等各项指 标。其次还密切与欧洲电信联盟合作，最终将其所提出的系列调度业务需求纳入 到g s mp h a s e2 + 规范中，为g s m - r 的发展奠定了坚实的基础。 1 9 9 7 年到1 9 9 8 年，g s m r 系统进入了实验阶段，在这期间，法国、意大利、 德国在各自得高速线上开展了3 个试验项目，分别对g s m r 系统进行了严格的测 试。 1 9 9 9 年，第一个o s m r 网络在瑞典铁路建成，随后，德国、瑞士、荷兰、英 国、意大利、西班牙、印度也相继开始建设自己的g s m r 系统。另外，匈牙利、 芬兰、挪威、丹麦、比利时、波兰、捷克共和国、奥地利、北美、澳大利亚也开 始对g s m r 进行招标或商业咨询。 目前，g s m r 设备厂商已经丌始在g s m - r 系统中增加新的功能一g p r s 业务， 从而提供列车诊断、地面设备监测、移动互联网接入、信息广播、车辆跟踪、移 动售票、旅客信息服务等各种新兴业务。2 0 0 2 年，西门子在荷兰完成了具有g p r s 功能的g s m r 网络。 纵观g s m r 的发展史，这是一个经过周密的标准制定、试验论证、法律准备、 实施计划的过程。可以说，铁道部作出引入欧洲铁路先进的g s m - r 铁路无线通信 系统的决定适应了信息社会和高速发展的国民经济的需求，在技术上、实施上都 e塞窑适厶堂巫 i 盆 塞呈i 主 是可行的。 与世界其他国家铁路相比，中国铁路运输无论在运输模式、客货运输量、行 车指挥和控制方式等方面，都存在着不同程度的差别。这就决定了我国铁路部门 在引入g s m r 系统的同时必须使其适应中国铁路应用的需要，在借鉴和吸收欧洲 各国铁路发展的成功经验的同时，形成满足中国铁路实际需要的网络标准，使中 国铁路综合数字移动通信系统蓬勃、持续的发展下去。 2 0 0 3 年1 2 月，铁道部与华为公司签定了大秦铁路g s m r 工程合作框架。华 为公司将承建大同至秦皇岛铁路的g s m - r 系统工程，为全长6 0 0 余公里的晋煤东 运主干线提供综合通信服务保障。目前大秦线的g s m r ( 包括g p r s ) 网络已经 建成，基于g s m r 的机车同步操控系统也通过了现场的测试。 2 0 0 4 年3 月，铁道部与北电网络签署了青藏铁路g s m r 网络的试用协议。该 试验网覆盖长达1 8 6 公里的铁路线，是亚洲第一条采用g s m r 来传输用于列车控 制的安全数据的试验网，并将g p r s 引入g s m r 的网络中。该试验段已于2 0 0 4 年的1 1 月完成g s m r 系统的建设和测试工作，2 0 0 5 年4 月份，试验段g p r s 网 络也通过测试。目前青藏线全线已经通车，g s m r 系统也正式进入了运行。 g s m r 是中国铁路信息化道路的里程碑，g s m r 系统的建设将对铁路通信形成 革命性的变革，对于中国铁路信息化提供强有力的支持。青藏线和大秦线g s m r 测试验收工作的顺利完成，将推动中国铁路信息化大踏步向前迈进，促进铁路现 代化的发展，提高铁路的竞争能力，更好地为社会提供运输服务。 1 2本论文主要工作 本文通过分析网络优化中的干扰分析问题，主要做了以下工作： 夺研究g s m 系统各个接口，主要是空中接口及a b i s 接口； 夺深入研究g s m 网络规划原理，重点是系统内部干扰的分析和解决； 夺开发a b i s 信令检测软件用于实际干扰分析，对于频率干扰问题，通过对 各载频a b i s 口的信令监测，分析其预处理测量报告中的上下行电平，上 下行质量，时间提前量，可基本定位各载频是否存在干扰问题； 夺利用确定计算分析方法，从理论上分析g s m 与其它移动通信系统共存时 的干扰问题。 丝基至擅叁望亟迨塞 王选淫筮握 2干扰源分析 干扰的大小是影响网络运行的关键因素，对通话质量、掉话、切换、拥塞均 有显著影响。如何降低或消除干扰是网络规划、优化的首要任务。g s m 系统受到 的干扰有多种，有上行的、下行的干扰。有同频、邻频的干扰，但是总的来说g s m 系统的干扰分为两大类即内部干扰和外部干扰，其中又以内部干扰最为常见和最 难处理。 2 1 干扰数学模型 2 1 1 信道时隙结构 图2 - 1 信道时隙结构 f i g 2 - 1t h eg s m c h a n n e lt i m e s l o ts t r u c t u r e e丞 窑 道 鑫堂亟途塞王选淫盆赶 g s m 时隙结构有高帧( h y p e r f r a m e ) 、超帧( s u p e r f r a m e ) 、复帧( m u l t i f r a m e ) 、 t d m a 帧( f r a m e ) 和时隙( t i m es l o t ) 5 个层次。时隙是构成物理信道的基本单元： 由时隙组成的t d m a 帧是占据频道带宽的基本单元：由t d m a 帧构成的复帧是业务 信道和控制信道进行组合的基本单元；由复帧构成的超帧其时长是两类复帧的最 小公倍数，因此超帧是两类复帧的基本单元：由超帧构成的高帧是t d m a 帧编号的 基本单元，即在高帧内对t d m a 帧顺序进行编号。当给定t d m a 帧号和时隙号时， 则唯一地确定了突发的时隙。图2 - 1 所示是它们的时隙结构关系 4 】。 2 1 2 信道模型 基站出来的信号可以看做射线，它是朝各个方向的。一条射线可能直接向接 收机移动台发送，也有可能一些射线遇到了建筑物或山等被反弹回来，然后向接 收机发送。移动台接收的所有射线具有各自的时延和衰落，它们的综合作用就被 称作一个无线信道或信道。 一个接收到的信号可以描述如下： 巴 y ( t ) = i u ( t ) h ( t r ) d r ( 2 1 ) ； 这里h ( f ) = 。h ：6 ( t - - z r k ) 是一个信道的冲击响应，u ( t ) 是基站的发送信号。 信号u ( t ) 在下一节被称为载波，这个就是包含我们想要信息的期望信号。系数n ； 描述了某一特定射线的衰落和相位变化，j ( t 一气) 是这一射线时延响应。这个模型 的离散表达式为： lh l yk = hj u ( 2 2 ) j = 0 这里l h 是信道，比如最大时延长度，这里假定信号按码率抽样，且手机只通 过一个天线接收。 我们介绍一下引入模型中的噪声，用来描述没有建模过、行为随机性或者未 知的现象。骚扰可能起源于大气圈或者周围环境，也可能来自于错误的模型、基 站发送机或者移动接收机的错误。我们假设，在整个研究期间，噪声都可以用一 个独立的同一分布的随机变量序列 吼) ? 来描述，这里毛n ( o ，盯：) v k 。因此一个 更实际的被骚扰包围的模型如下： 4 1 y k2 己h j u k j + 气 j - o ( 2 3 ) 骚扰也可能来自其它基站或者使用同一频段发送信号的手机。这种骚扰被称 作于扰而且它的源被叫做干扰机。一个包含干扰的新模型如下： ，。：芝h 阳+ 艺篁g 卜器+ & p om 。i j 0 ( 2 4 ) 这罩m 是干扰机的数量，v r 是多个干扰机发送的离散码字， g j , j 。o ，瑚一1 给出了每一个干扰信道的衰落。一些干扰机可能会比较弱， 可以被忽略或者合并到噪声序列( 气) 中。一些强的干扰机常常出现在市区，这里 为了获得更高的容量所以基站的密度很大。 2 2 系统内部干扰 频率资源是稀有资源。在g s m 系统中，为提高系统容量，必须对频率进行复 用。频率复用就是指同一频率被相距足够远的几个小区同时使用。同频复用小区 之间的距离就叫复用距离。复用距离与小区半径之比称作同频干扰因子。对于一 定的频率资源，频率复用越紧密，网络容量越大，复用距离越小，干扰就越大。 网络内部干扰主要包括同频干扰、邻频干扰和互调干扰，或者是直放站对g s m 系统的干扰。 2 2 1同频干扰 对于干扰受限的蜂窝移动通信系统，同频干扰是其主要干扰来源之一。同频 干扰是指在一定的距离之间使用相同频率进行复用工作，它是决定系统容量和通 信质量的重要性能指标之一。为了研究蜂窝移动通信系统基站天线服务区域的信 号覆盏性能，考察一个复用因子为n 的小区结构同频干扰。为了分析方便以及考虑 到实际传播，一股只需要考虑第一层同频干扰问题，则其同频干扰模型可用图2 2 简单地表示。 应该考虑两种情况的同频干扰影响：( 1 ) m s 接收信号和同频干扰；( 2 ) b s 接 收信号和同频干扰。通常内部噪声总是远小于干扰电平。当干扰较大时，中心小 区的m s 由6 个干扰基站引起的载波干扰比c i 与b s 接收到的由6 个小区中m s 干 至銮煎厶堂瑟监塞王送遁筮班 扰所产生的载波干扰比c i 的数什相同。该系统称为平衡系统。 假定小区的覆盖半径为r ，小区基站间的距离为d ，小区中心站标记为b s o ， 相邻同频干扰小区基站依次标记为b s i ，b s i ，b s n - 1 。以b s o 为参照，并假定 为极坐标原点，通过简单几何分析，可以得到相邻同频干扰基站在极坐标系下的 幅角ei ，及基站b s o 内位置为( r ，o ) 用户- q 各相邻同频基站间距离r i 如下： p = 剖m z 州 眨s ， = d 2 + ，2 2 d r c o s ( 8 一只) ，f = l 2 ，n 一1 ( 2 6 ) 考察路径损耗对参考基站b s o 覆盖内用户同频干扰的影响。假定参考基站天 线发射功率为p d ，相邻同频基站的发射功率为p i ，则参考基站覆盖范围内位置为 ( r ，0 ) 用户的有用信号平均功率i id 和相邻同频基站产生同频干扰pi , - f 以表示 肋2 砑c 只 ( 2 7 ) “= 曼 ( 2 8 ) 舻商 眨舟 忽略其他干扰的影响，则用户载波干扰比yb 为： e壅銮遭厶堂亟j 金塞王选遁筮逝 墨 以班嚣2 墨r 4 ( 1 + r 二g ) b i - i “否砌 假定各基站覆盖半径和通信概率相等 儿2 寻v - - - - t 。i2 更工1 善一蕃砌 2 2 2 邻频干扰 ( 2 9 ) 即满足p d = p i ，则用户载波干扰比yd ( 2 1 0 ) 邻频干扰是一种来自相邻的或相近的频道的干扰。相近频道可以是相隔几个 或几十个频道。邻频干扰有两个方面，一是由于工作频带紧随的若干频道的寄生 边带功率、宽带噪声、杂散辐射等产生的干扰；二是指移动通信网内，一组空间 离散的邻近工作频道引入的干扰。由于频率规划原因造成的邻近小区中存在与本 小区工作信道相邻的信道或由于某种原因致使基站小区的覆盖范围比设计要求范 围大，均会引起邻频道干扰。当邻频道的载波干扰比c a 小于某个特定值时，就 会直接影响到手机的通话质量，严重的就会产生掉话或使手机用户无法建立正常 的呼叫。 邻频发射机 邻道 一f 接收机 f 图2 - 3 邻频干扰分析模型 f i g 2 3t h ea d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c em o d e l 7 g s m 规范0 5 0 5 规定对g s m 移动台的邻频干扰( c a ) 性能要求。如果邻信道 载波功率过大，就会对有用信号产生干扰。具体标准是 1 2 ：在城市环境下( 意 味有多径快衰落，但运动速度不快) ，分别在2 0 0 k h z 邻频存在不高于有用信号9 d b 的g s a 干扰信号，4 0 0 k h z 邻频存在不高于有用信号4 1 d b 的g s m 干扰信号，6 0 0 k h z 邻频存在不高于有用信号4 9 d b 的g s m 干扰信号，此时的误码率可以满足要求。 邻频干扰根据以下公式计算： c a ( d b ) = 载波电平( d b ) 一邻信道干扰电平( d b ) 则： 邻信道干扰( 2 0 0k h z ) ：c l a l = - 9d b 邻信道干扰( 4 0 0k h z ) ：c l a 2 = - 4 ld b 邻信道干扰( 6 0 0k h z ) ：c i a 3 = - 4 9d b 根据g s m 蜂窝系统内各小区的频点设置，可以计算小区内某点邻频干扰高于 门限值的概率，进而得知整个小区的邻频干扰情况。举例如下： 如图三个小区为一簇，假设共有9 个频点( f l f 9 ) ，平均分配给三个小区。 则小区a 分配的频点为f 1 、f 4 、f 7 ，小区b 为f 2 ，f 5 ，f 8 ，小区c 为f 3 ，f 6 ，f 9 。 图2 - 4 小区内某处邻频干扰概率计算 f i g 2 - 4t h ec a l c u l a t em o d e lo f a 由a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c ep o s s i b i l i t yi nac e l l 小区a 和b 的边界处有一移动台，到小区a 、b 的基站距离分别为d 1 、d 2 。移 动台可能选择的服务频点就是a 和b 的配置频点。即f l 、f 4 、f 7 、f 2 、f 5 、f 8 。 现只考虑偏离服务频率2 0 0 k h z 的邻频干扰，假设移动台选择f l 为服务频点，则 f 2 为干扰。设移动台接收到的f 1 、f 2 信号强度分别为c 1 、c 2 。邻频道的载干比 为c 1 c 2 。根据g s m 规范0 5 0 5 ，偏离2 0 0 k h z 的邻频载干比须满足： 邻信道干扰( 2 0 0k h z ) ：c l a l = 一9d b 则在该处f 2 对f 1 产生邻频干扰的概率为：p ( c 1 c 2 一9 ) ，用d b 形式表示 为：p ( i g c l i g c 2 一9 ) 。 根据移动环境无线电波传播特性，移动台接收到的信号服从对数正态分布。 8 e噩銮望厶堂亟 i 金塞王拨遁筮捱 用d b 形式表示为：p ( d ) = p l ( d ) + ( d b m ) 。其中，p 是基站发射功率，l ( d ) 是距离基站d 处的平均路径损耗，e 是一个零均值高斯随机变量。 令w i = i g c l ，w 2 = i g c 2 ，则w 1 和w 2 服从正态分布，设其均值分别为肛1 、u2 ， 标准偏差分别为6i 、62 。w l 和w 2 是独立随机变量，设w = w i - w 2 ，则w 也是一 个高斯随机变量，其均值为p = ul p2 ，方差为6 2 = 61 2 + 62 2 。由此可 得： p ( i g c l i g c 2 一9 ) = p ( w ：一9 ) = l q ( ( 一9 一p ) 6 )( 2 1 1 ) 同理可得偏离服务频点4 0 0 k h z 、6 0 0 k h z 的邻频干扰概率，由此可得移动台在 浚处的邻频干扰情况。 h 和6 的计算 p 和移动台平均接收信号功率有关，它随距离的对数衰减。平均路径损耗用 d b 表示 5 ：l ( d ) = l ( d o ) + l o n l g ( d d o ) 。其中，n 为路径损耗指数，表明路径损耗 随距离增长的速率，d 0 为近地参考距离，在宏蜂窝系统中，经常使用i k m 的参考距 离，而在微蜂窝中使用较小的距离，一般室外微小区值为l o o m ，室内微微小区值 为l m 。实际路径损耗为：l ( d ) + x ，x 是零均值高斯分布随机变量，标准偏差为6 ( 蜂窝系统中6 一般值为6 1 2 d b ) 。实际上，n 和6 是根据测试数据，使测量值 和估计值的均方差最小得到的。举例如下： 设在距基站k 个距离d l ，d 2 ，d k 处测得k 个接收功率值：d l ，p 2 ， p k 。根据公式p ( d ) = p l ( d ) = p l ( d o ) 一i o n l g ( d d o ) ，计算得在这k 个位置的接收功 率的估计值：p l ，p 2 ，p k 。测量与估计值方差和为： j ( n ) = ( p ，一尸，2 = 七仃2 ( 2 1 2 ) j ( n ) 是景。的函数，可求出使其值最小时的n 值，进而求出相应的6 。 得到n 和6 后，移动台接收信号功率应为距离d 的函数。因此上例中计算的 移动台受到2 0 0 k h z 邻频干扰的概率，p ( i g c l i g c 2 g + 1 5 d b ( f ：隔离度：g ：直放站下行增益) 时，直放站才能稳定工作，不会产生自 激。 图2 6 建筑物上直放站天线架设 f i g 2 - 6t h ea n t e n n a s e to nb u i l d i n g 在实际工程中，一般采用下面简化公式对隔离度进行估算，图2 6 是在建筑 物上架设的直放站天线，此时天线的隔离度为： i s o = f b o + l + f b p + p l( 2 1 5 ) 其中：f b o 为直放站施主天线的前后比：l w 为隔离物带来的损耗：f b p 为直放 站( 转) 重发天线的前后比：p l 为自由空间传播损耗。 可以看出，影响直放站施主天线与重发天线隔离度的因素主要有以下几种： 天线前后比，由天线本身决定的：施主天线与重发天线之间自然或人为 障碍引起的衰减：施主天线与重发天线间的距离及高度差引起的空间传输损 耗。 在实际的工程设计中，最好是能通过现场测量以决定天线的安装位置是否达 到所需的隔离度。 对天线水平、垂直隔离度的计算，可采用以下估算公式，天线垂直隔离度的 估算公式： a v = 4 7 3 + 4 0 * l o l g dd b ( 9 0 0 删z ) a v = 5 9 3 + 4 0 * l o l g dd b ( 1 8 0 0 删z ) 其中，d 为旋主与重发天线之间距离，g t 和g r 是在两天线连线方向的相对 主瓣的增益，若两天线背靠背放覆，则g t 和g r 是天线的前后比。 若水平隔离与垂直隔离同时存在，则总隔离度可用下式进行估算： a s = ( a v - a h ) q 9 0 + a h 。其中：a v 代表垂直隔离度：a l l 代表水平隔离度；a 代表天线 间的央角。 从以上的分析可以看出，避免下行干扰的主要措施是增大直放站隔离度。一 般采用以下方式增大施主天线和重发天线间隔离度：采用前后比大的天线；采 用旁瓣抑制比大的天线：增大两天线安装距离及高度差；安装天线时，两天线尽 e峦蛮 堑厶堂亟 论塞 王丛遴筮逝 量背对背并利用隔离网或建筑物隔离两天线。 2 2 3 2 直放站对本系统邻区的干扰 直放站引入系统后，扩展了基站的覆盖范围，但是可能会在局部破坏了原先 的网络规划，引起邻区重叠混淆；同时扩大了覆盖范围也易增加多径干扰。 对于g s m 系统，直放站覆盖区可能会与其他非施主小区重叠覆盖，特别是在 采用紧密复用网络规划的区域，更易产生同、邻频干扰的现象需重新配置相应 的邻区关系，以避免干扰。 产生同、邻频干扰的解决办法有：直放站是对网络中一个扇区信号的放大， 因此规划时应纳入整网中来考虑，需重新配置相应的邻区关系：对于光纤直放 站，由于是直接从基站耦合信号不会引入其他无用信号，其在规划中主要考虑目 标覆盖区同周围其他基站的信号配合与交叠，避免干扰问题。 导频混淆发生后的解决办法有：调整引起导频混淆的小区的天线：修改小 区的导频配黄。 特别应引起重视的是，很多干扰的产生是采用直放站接入方式的室内分布系 统没有严格控制对室外网络的影响，如功率、天线位置及天线方向不当造成信号 泄漏到室外。 直放站引入系统后，必须把它作为一个与基站等同的网元来看待，从系统的 角度全面考虑与邻区基站的相互关系，并控制好覆盖区域，避免干扰。 出于对现网的影响角度考虑，在直放站的设计建设过程中要注意以下几点： ( 1 ) 上行天线应对准基站，如果上行天线偏离基站，直放站的上行信号可能 会给附近其他基站带来干扰，使掉话增加。 ( 2 ) 上行增益要恰当设置，如果上行增益过大会使上行信号过强，使基站接 受放大器饱和以致无法接收信号。如果上行信号过弱，则易受到其他同频或邻频 的干扰，增加掉话。 ( 3 ) 下行增益不应过大，有些直放站为了满足覆盖，设置了过大的下行增益， 使功放超过额定功率工作，致使输出信号畸变，谐波成分增加带来不必要的干扰， 是掉话增加。 2 2 4 互调干扰 当有多个不同频率的信号加到非线性器件上时，非线性变换将产生许多组合 频率信号，其中的一部分可能落到接收机通带内，成为对有用信号的干扰，称为 互调干扰。产生互调干扰的条件是：l 、存在非线性部件，合输入信号混频产生互 调成分；2 、输入信号频率必须满足其组合频率能落到接收机通融这内；3 、输入 e塑套堑厶坐亟! 金塞王丛遵筮盘 信号功率足够大，由此产生幅度较大的互调干扰成分。 在g s m 系统中，可能产生互调干扰的原因是： 在发射机的末端，由于功率放大器的工作非线性，把侵入的其它干扰信号与 有用的发射信号产生相互调制而形成的一种干扰，称为发射机的互调。 处于互调关系的两个或两个以上的无线电信号同时被一个接收机接收，由于 接收机高频放大器或混频器的非线性而发生相互调制，称为接收机互调。 电路的非线性特性是造成互调干扰的根本原因。但是，在单机互调指标一定时， 各个干扰信号必须满足一定的频率关系且具有一定幅度才能造成互调干扰。也就 是说，我们可从频率分配上和干扰信号强度上设法破坏构成互调干扰的条件，这 就是系统设计时应考虑的问题。 2 3 系统外部干扰 新型移动通信系统( 如c d m a 网络) 必须与原先的网络( 如g s m 网络、寻呼网) 共存于同一个复杂的无线环境中，其中的多数旧系统在若干年内还将继续使用。 同时，无线射频设备，如数字视频广播和无线局域网，也可能会产生新的使通信 服务中断的信号。由于应用环境的限制越来越大，众多的新业务竟相挤占在有限 的蜂窝式站点，致使信号发射台上竖满了各种天线，通信的天空变得拥挤不堪。 目前，产生外部干扰的原因还在不断增多，有些显而易见的干扰容易跟踪， 有些则非常细微，很难识别。虽然仔细设计无线系统可以提供一定的保护，但在 多数情况下对干扰信号只能在源头处进行控制。一般的干扰信号只影响接收器， 即使在物理上与发射器接近，发射设备也不会受到影响。 下面列出了一些最常见的干扰源，在实际情况下，可确定从何处着手控制。 大多数干扰源来自基站外部，即在直接控制范围之外。 非法发射器：非法运营者在没有得到许可的情况下，使用同一频段； 覆盖区域重迭：使用网络或其它网络的覆盖区域在一个或多个通道上超出规 定范围，天线倾斜、发射功率过大或环境变化都会引起覆盖区域的重迭； 雷达站：有些七、八十年代设计的分米波雷达使用的频率与9 0 0 m h zg s m 系 统相近，由于其发射功率非常大( 几十到几百千瓦) ，带外杂散也较大，很容易对 附近的蜂窝基站造成干扰； 广播发射器谐波：大功率源商业广播电台也会产生大功率信号谐波，影响附 近的移动通信发射器。 b 峦窑墟厶堂臻i 幺室鱼丛qsm ：b 圆络扭划愿理 3 g s m g s m r 网络规划原理 网络规划是一项系统工程，从技术体制对比到无线传播理论的研究，从天馈 设备指标分析到网络能力预测，扶工程详细设计到网络性能测试以及系统参数调 整优化，贯穿了整个网络建设的全部过程。网络规划的好坏直接影响到网络优化， 一个好的网络规划可以提高网络服务等级，减少运营商的经营成本，这其中就包 括网络优化的成本，也就是说好的网络规划不但可以减轻网络优化的难度，还可 以达到较好的网络优化的目的。因此，本章将重点介绍无线网络规划。 3 1网络规划技术概述 无线网络规划设计是无线移动网络建设的基础，网络规划的系统设计水平， 决定了今后网络的格局。规划无线通信网络需要考虑许多因素，如系统性能、系 统容量、小区覆盖、用户话务量和信令流量、地形环境和传播特性。通常规划时 还必须考虑许多不同的约束，如小区位置要根据覆盖、话务分布和传播特性来决 定。最后，当蜂窝网络结构被确定后还必须进行小区信道分配。因此，其主要工 作可以概括如下： 夺分析建设单位的要求确定网络结构：根据用户需求、传播条件和已有无线 网络状况，分析是否需要双层网络覆盖：小区采用何种分区方式，如全向 覆盖或定向覆盖； 夺确定无线网络配置：估算小区覆盖距离、所用基站总数、使用的工作频段、 功率预算情况等，初步确定基站站址；根据各基站位置预测话务量，然后 按照呼损率指标配置载频数信道数； 夺工程前期准备；选定设计指标和设计参数，包括天线高度、天线方位角和 增益、天线下倾角、基站海拔高度、基站类型、馈线长度及天馈系统损耗、 合分路方式、发射机输出功率、接收机灵敏度、基站分集接收方式和分集 增益等：根据选定指标使用仿真软件进行仿真，对不合理的地方进行修改； 工程建设：按设计把基站等设备建好，配置好各个小区参数： 夺网络优化：对建好网络进行优化，对存在问题进行修改； 这些工作之间的关系可以用下图表示： f 4 韭立窑煎厶堂鲤盈塞 鱼丛鱼sm ：b 塑垒翅剑愿理 3 2小区设计 图3 - 1网络规划流程图 f i g 3 一lt h ef l o wc h a r to f n e t w o r kp r o g r a m m i n g g s m r 是常规g s m 技术应用到铁路系统的技术延伸，沿袭了g s m 基本功能， 在网络小区设计上也是体现了二者的结合，通常，0 s m r 采用3 种方案。 单小区单方向 如图3 - 2 所示，单小区单方向和正常的g s m 网络基站没有区别。一个小区覆 盖一个方向，某处需要几个小区，则系统需要配置几个小区数据，几个方向应用 各自的天线，馈线等天馈合路系统。 | j | 3 - 2 单小区单方向示意图 f i g 3 2t h es k e t c hm a po f s i n g l ec e l la n ds i n g l ed i r e c t i o nc e l ld e s i g n 该方案会造成系统切换次数的增加，切换次数意味着系统性能将受到影响。 e 塞奎道盍堂亟盈塞立m 鱼m ：鲢圆终赶划厘垄 切换时因为车速较快，可供切换判决的时间较短，此时需要增加同一基站两个相 反方向小区间信号交叠的深度。此时可以选择前后比比较小的天线来解决这一问 题。这样虽然可以增加同一基站不同方向小区覆盖的连续性，但是切换次数依然 不能减少。 功分器单小区双方向 如图3 3 所示，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 e 。 四 图3 3 单小区双方向示意图 f i g 3 - 3t h es k e t c hm a po f s i n g l ec e l la n dd o u b l ed i r e c t i o nc e l ld e s i g n 采用单小区双方向可以消除相同基站内的切换，但是功分器会带来3 d b 的衰 减，基站覆盖距离将会减小。 八字形天线单小区双方向 和助分器单小区双方向相比，八字形天线单小区双方向是采用八字形双向天 线，使信号从不同方向传播，并不需要增加馈线和多余的天线。由于八字天线的 增益都比较低，基站的覆盖范围不会很远，而且八字天线的天线方向图已经固定， 对于一些非直线的铁路覆盖将不会很合适，例如，弧线形状的铁路将无法应用八 字天线。八字天线单小区双方向和功分器单小区双方向一样都会减少切换次数。 上面3 种方案需要根据实际方案灵活配置，对于拐弯较多的铁路沿线，可采 用功分器形式；对于比较直的沿线区域，可以采用八字天线形式；而对于需要停 靠的火车站基站，可以采用正常的小区方案。 3 3覆盖规划 无线覆盖是对网络质量最重要的度量之一。覆盖范围的大小直接和网络基础 6 | t 塞窑煎厶堂亟监塞鱼丛鱼m ：b 匦缝趣划匾堡 设施投入的大小成比例。其基本准则是网络为移动用户提供足够的服务。 小区覆盖设计的一个准则是在服务区内9 0 以上的位置和9 9 的时间内，无 论移动台还是基站处的接收信号电平都必须满足3 g p p 技术规范0 5 0 5 中规定的门 限，称为参考灵敏度。对于基站收发信机，参考灵敏度是1 0 4 d b m ，对于移动台是 1 0 2 d b m 。另外，市区环境中的无线电波传播受阴影遮挡支配，为了保证通信可靠， 必须包括由于阴影衰落原因的附加储备。该储备余量决定于由于阴影衰落引起的 接收信号电平的标准差。对于典型的市区环境，一般有8 9 d b 的阴影衰落储备。 对于g s m 系统，宏小区通常可分为大小区和小小区。对于大小区，基站天线 被安装在高建筑物顶上或高塔上，路径损耗主要由移动台附近建筑物屋顶处的绕 射和散射所决定，即主射线在屋顶上方传播。正常的小区半径尤其对人烟稀少地 区大大超过3 k m ，人烟稠密地区小区半径在l 3 k m ，有时甚至小于i k m 。另外还 可以参用微小区，小区半径在2 0 0 3 0 0 m 范围内。采用微小区时必须考虑移动台和 基站收发信机之间的最小耦合损耗，这由天线位置、增益和高度来确定。另外当 小区尺寸变小后，还必须考虑如何处理快速切换的问题。 对于g s m r 系统，还需要考虑如隧道等特殊地形的无线覆盖设计，特别重要 的是决定是否必须采用包括直放站( 中继器) 、漏缆或专用基站的专用设备。在直 放站的实际应用中，有许多规划考虑，如直放站之间的协调，还有无线频率设计 问题如减小直放站增益来符合互调规范。直放站的电子电路系统将在传输路径 中产生附加的时延，这和基站与最远移动台之间距离引起的传播延迟是一样的。 需要注意的是直放站所用的频率和分配给该小区服务基站的频率是完全相同的， 因此有可能会破坏原来的频率规划，在网络内产生新的、较大的同频干扰，通常 给直放站配备定向天线来减小干扰。 直放站通常可以解决弱场问题，在隧道等一些边缘地区的切换问题也需要考 虑。列车在出入隧道时，由于隧道内外信号变化较大，车速较快，会使隧道内、 外两个小区信号之间来不及切换而产生掉话。因此，必须加长隧道内、外信号的 重叠区域( 切换区) ，确保移动台信号在两小区间顺利切换，以保证用户通话不被 中断。通常的解决办法是： 夺列车出隧道时，采用在泄漏电缆末端加装定向天线的方法，以加长隧道内 外无线信号的重叠区域，保证切换的顺利进行。 夺列车进隧道时，采用在隧道口架设抛物面天线，将隧道内信号辐射到隧道 外，列车在外面就完成切换：或者直放站将隧道外的信号引入隧道内，以 加长隧道内外无线信号的重叠区，从而保证切换的顺利进行。 3 4频率规划 j e 塞銮煎占宝亟淦塞q 墨丛立s 丛：囝垡埋型愿理 频率规划是蜂窝系统网络规划的重要环节，o s m r 系统也不例外，良好的频 率规划将奠定网络质量好坏的基础，下面对o s m r 频率规划技术进行分析。 频率规划原则 在进行频率规划时，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) 或进行频段划分。交界处的选择尽力避开热点地 区或组网复杂区，通常从基站最密集的地方开始规划，如首先从市区繁华地段开 始规划，直到郊区载频配置较小的基站，当市区有江河或者较大的湖泊时也要特 别关注，避免水面的强反射带来的干扰。由于实际基站分布的不规则性，难以保 证同层载频的频率能完全按照4 3 或者3 3 等常用的模型进行规划，需要根据 实际情况灵活调整。不管采用何种方式进行频率规划，必须遵循以下原则： ( 1 ) 一般情况下，同基站内不允许存在同频、邻频频点；