（通信与信息系统专业论文）利用场强测试数据定位邻频干扰的算法研究.pdf

中文摘要 摘要：g s m r 系统作为中国铁路调度通信技术体制，为中国铁路的语音、数据、 行车控制等业务提供了可靠的通信保障。 无线场强覆盖和信号可靠传播一直是g s m r 系统中的重点和难点问题。在网 络规划和优化阶段都需要对覆盖概率和干扰指标进行预测或直接测量以保障列车 运行的高度安全可靠性，满足移动台在沿线能随时随地和网络通信。 本文旨在利用场强测试数据来计算网络中的一阶邻频干扰。场强测试作为衡 量网络覆盖状况的重要依据，其数据具有较强的可靠性，它可以真实反映网络覆 盖信息。利用场强测试数据来计算一阶邻频干扰，可以得到准确性较高的全线干 扰信息，找出全线一阶邻频干扰较为严重的区段，为网络优化提供可靠依据，对 g s m r 网络的安全、可靠、稳定通信具有非常重要的现实意义。 本论文对g s m r 干扰理论和场强测试方法进行了深入的研究，从理论推断和 实际案例分析两个角度深入研究了青藏铁路g s m r 网络的干扰现状，并在此基础 上首次尝试利用场强测试数据来定位网络中存在的一阶邻频干扰的算法，提出四 种算法以供选择，通过一系列实验数据的比较得到一种最为合理的算法。此外， 还分析了算法中涉及到的两个关键参数，通过实验室测试，得到了在实验室环境 下参数的合理取值。 关键词：g s m r ；场强测试；一阶邻频干扰；算法 分类号：t n 9 2 9 5 3 2 ；u 2 8 5 2 1 a b s 眦c t a b s t r a c t ：g s m - rs y s t e mi sc o n f i r m e da st h ec h i n e s er a i l w a y sd i s p a t c h i n g c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ys y s t e m ，w h i c hp r o v i d i n gr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c ef o r t h es p e e c ht r a n s m i s s i o n , d a t at r a n s m i s s i o na n dt r a i n sc o n t r o l l i n gs e r v i c eo fc h i n e s e r a i l w a y s w i r e l e s sf i e l ds t r e n g t hc o v e r a g ea n dr e l i a b l es i g n a lp r o p a g a t i o na l ev e r yi m p o r t a n t i nt h eg s m - rs y s t e m i nt h en e t w o r kp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o n ，c o v e r a g ep r o b a b i l i t y a n di n t e r f e r e n c ep a r a m e t e r sm u s tb ep r e d i c t e do ra c t u a lm e a s u r e df o r t h es a f e t yo ft h e t r a i no p e r a t i o n , a n dm a k es u r et h em o b i l es t a t i o n sc o u l dc o m m u n i c a t ew i t ht h en e t w o r k a ta n yt i m ea n da n yp l a c ea l o n gt h er a i l w a yl i n e n ep a p e rh a sd i s c u s s e dh o wt ou s et h ec o v e r a g et e s t i n gd a t at oc a l c u l a t et h e a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c ei nt h en e t w o r k c o v e r a g et e s ti su s e dt om e a s u r et h e c o v e r a g ec o n d i t i o no ft h en e t w o r k t h et e s t i n gd a t aa r er e l i a b l es ou s i n gt h et e s t i n gd a t a t oc a l c u l a t et 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 e ，w ec a ng e tm o r er e l i a b l ei n t e r f e r e n c e c o n d i t i o no ft h en e t w o r k t h e nw ec o u l df i n dt h es e c t i o n st h a ts u f f e rf r o ms e r i o t i s a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e , w h i c hc a l lp r o v i d er e l i a b l er e f e r e n c ef o rt h en e t w o r k o p t i m i z a t i o n t h i sp a p e rg o e sd e e pi n t ot h eg s m ri n t e r f e r e n c et h e o r ya n dc o v e r a g et e s t i n g m e t h o d f r o mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a lc a s e sw em a k ed e e pr e s e a r c ho nt h e i n t e r f e r e n c ec o n d i t i o ni nt h eg s m - rn e t w o r ko ft h et i b e tr a i l w a y t h e nf o r t h ef i r s t t i m ew e t r yt ou s et h ec o v e r a g et e s td a t at ol o c a t et h es e c t i o n sw h i c hs u f f e rf r o ms e r i o u s a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e w ep r o p o s ef o u ra l g o r i t h m sa n df i n dt h em o s tr e a s o n a b l e a l g o r i t h mv i ae x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n i na d d i t i o n ，w ea n a l y z et w ok e yp a r a m e t e r si n t h ea l g o r i t h m ，a n dg e tt h eo p t i m u mv a l u eu n d e rt h el a b o r a t o r ye n v i r o n m e n tf r o mt h e e x p e r i m e n t a lt e s t i n g k e y w o r d s ：g s m - r ；c o v e r a g et e s t ；a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e ；a l g o r i t h m c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 3 2 ：u 2 8 5 21 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作：融嘭翩躲 签字日期：伊9 年6 月1 7 日签字日期硝年易月i1 日 、 认 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲劲嘭签字吼矽罗年6 月1 1 日 致谢 本论文的工作是在我的导师彭朋教授和校内培养导师钟章队教授的悉心指导 下完成的，在此谨向彭老师和钟老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意。 彭朋教授作为我的导师，在繁忙的工作中仍然对我的学习和生活给以无微不 至的关怀，他严肃的科学态度、严谨的治学精神、渊博的学识和精益求精的工作 作风，深深地感染和激励着我。 两年以来，作为我的培养导师，钟章队教授不仅在学业上给我以精心指导， 还在思想道德情操和为人处事上给我树立了光辉的榜样。从课题的选择到项目的 最终完成，钟老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。 无线通信实验室的李旭老师、朱刚老师、金晓军老师、张小津老师、蒋文怡 老师、丁建文老师、武贵君老师在我学习期间给予我的热心帮助，对我在实验室 的学习和科研给予了极大的支持，在此表示衷心的谢意。 我还要感谢我的师兄师姐和同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克 服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别是陈乐师兄、杨杉、李少 杰等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢含辛茹苦培养我长大的父母，你们的理解和默默的支持使我能够在学校 专心完成我的学业，你们的健康是我最大的快乐。 最后祝所有给予我帮助的亲人、老师、朋友和同学一切顺利、幸福健康。 1 引言 1 1课题背景和选题意义 二十世纪中期以来，在世界范围内，信息技术带动了铁路行业整体技术的迅 猛发展，行车指挥自动化，客货快运网络化，市场营销信息化和安全装备系统化 使铁路行业的面貌焕然一新。实践证明，铁路信息化是铁路行业发展的战略制高 点。g s m r 作为铁路信息化的一项关键技术，具有功能完善、传输可靠、交换灵活 和容量大等特点，己在许多国家取得了良好的发展，并在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。 g s m r 系统在g s m 系统基础上增加了调度通信功能和铁路特殊应用。1 9 9 2 年，国际铁路联盟通过反复论证，认为能够为铁路的新型数字移动通信系统提供 一个理想的平台，于是，作为欧洲铁路综合数字移动通信网络( e i r e n e ：e u r o p e a n i n t e g r a t e dr a i l w a yr a d i oe n h a n c e dn e t w o r k ) 项目的一部分，关于g s m r 数字无线 标准规范化的工作陆续展开。1 9 9 5 年，欧洲铁路移动无线电通信项目启动，e i r e n e 制定的标准得到认可，开始生效。1 9 9 9 年，全球第一个g s m r 网络在瑞典建成并 投入使用。目前许多西方国家都采用g s m r 网络为本国铁路系统服务，以适应铁路 系统对列车不断提速，铁路通信系统安全性不断提高和业务不断多样化的需求。 世界各国纷纷发展本国的g s m r 技术，并应用于铁路建设上。 现今，我国初步建设了分别代表高原、重载和繁忙干线的青藏线、大秦线和 胶济线三条g s m r 线路。2 0 0 6 年7 月1 日青藏铁路开通试运营，成为亚洲第一条 完全基于g s m r 铁路移动通信系统的铁路。大秦铁路g s m r 也己经投入使用。 胶济线g s m r 系统是胶济线电气化改造的配套工程，是全国铁路第六次大提速的 标志性工程，2 0 0 7 年1 月8 日，胶济线开始试运行。 青藏线、大秦线和胶济线g s m r 工程的建设和试验的开展，无疑会加快 g s m r 系统在中国的实现和发展，加快铁路信息化建设的步伐，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。 一 在三条线路建设过程中，分别出现了不同程度的覆盖和干扰问题，严重者造 成了通信中断，直接影响了铁路的正常运输组织秩序。 无线场强覆盖和信号可靠传播一直是蜂窝移动通信系统中的重点和难点问 题。在网络规划和优化阶段都需要对覆盖概率和干扰指标进行预测或直接测量以 保障列车运行的高度安全可靠性，满足移动台在沿线能随时随地和网络通信。尤 其在采用g s m r 传输列控信息的高速列车无线通信系统中，铁路沿线各点的电波 覆盖和干扰情况将成为决定线路传输质量的关键指标。 场强测试是衡量无线网络场强覆盖的重要手段，通过场强测试，可以得到全 线各处各频点的场强覆盖状况，找到当前网路覆盖中的弱场区，为无线网络优化 提供依据。当前的场强测试，主要测的是场强测试仪在铁路沿线各频点信道上的 接收功率，根据功率曲线我们可以发现覆盖不满足规范要求的弱场区。场强测试 数据具有很高的准确性，利用场强测试数据来定位干扰区段，准确性相对也比较 高，可以为网络优化提供更为全面的参考。 因此，本论文研究的主要内容就是如何利用场强测试数据来计算邻频干扰。 这样场强测试的数据就不仅能提供网络覆盖的信息，得到当前网络中存在的弱场 区，还可以得到邻频干扰较为严重的区段，为网络优化提供可靠依据，对g s m r 网络的安全可靠稳定通信具有非常重要的现实意义。 1 2国内外研究现状 作为建立在成熟g s m 通信系统上的g s m r 系统，其物理层的编码，交织， 调制和解调等均与g s m 是一致的，相应的无线网络规划技术等也都能借鉴g s m 的成熟技术。但系统是为民用通信服务的，其规划局限在低速和非安全层面上， 而g s m r 系统需要为铁路通信提供高速、可靠、大容量的移动通道。随着g s m r 通信平台用于承载列车控制信息和高速铁路的发展，对g s m r 系统的高速性和安 全性要求更为严格。因此，对g s m r 的网络通信覆盖状况进行合理的测试和分析， 尽量减小网络中存在的各种干扰就显得尤为重要。 干扰是影响网络通信质量的重要因素。对于g s m r 网络来说，不仅要受到网 内各种干扰，还要受到来自c d m a 网络和g s m 公网的干扰，本论文中我们主要 考虑的是来自网内的干扰，而对于青藏铁路来说，目前网内干扰的主要表现形式 是邻频干扰。在以往的网络优化工作中，往往依靠各个接口的信令和测量报告来 对干扰进行分析，但是测量报告得到的数据往往无法反映某点各个频率上的接收 功率，场强测试数据正好弥补了这一缺陷。 场强测试作为衡量网络覆盖状况的重要手段，其发展较为成熟。在g s m 网中， 场强测试的测试设备通常使用测试手机，鉴于g s m r 网络的特殊要求，测试手机 已经不能满足g s m r 场强测试的要求，需要有专门的场强测试仪来完成测试。国 内外很多致力于这方面的公司已经开发出各种适合g s m r 网络的场强测试仪以及 相应的场强测试软件，力图对数据进行最合理的处理和分析。可见，目前场强测 2 试已经成为一项发展较为完善的技术，其数据容易获取且可靠性较高，因此如何 对这些测试数据进行更合理的利用就具有很重要的现实意义。 本文就是在深入研究场强测试方法和g s m r 网络干扰理论的基础上，首次尝 试利用场强测试数据计算干扰的算法研究，由于没有相关的资料借鉴，所以提出 的四种算法都需要通过理论和实验去验证。在本论文中也通过一系列实验、测试 和数据分析初步验证了算法的合理性，但是仍然还存在一些不足有待下一步深入 研究。 1 3论文主要工作与贡献 论文的主要工作是对g s m r 干扰理论和场强测试方法进行了详细的研究，从 理论推断和实际案例分析两个角度深入研究了青藏铁路g s m r 网络的干扰现状， 在此基础上提出了四种利用场强测试数据定位网络中存在的一阶邻频干扰的算法， 并通过比较得到了一种最合理的算法；此外，还分析了算法中涉及到的两个关键 参数，通过在实验室进行的实际测试，得到了在实验室环境下参数的合理取值。 论文涉及到的主要内容包括： 论述了g s m r 网络场强测试的意义，对g s m r 无线信号传播特性进行了简 单叙述，详细论述了场强测试的测试对象及其三项关键技术：采样间隔的选 取，触发方式以及统计数据处理方法。 深入研究g s m r 系统干扰理论，从网外干扰和网内干扰两个方面进行了介绍。 着重分析了g s m r 网络中的网内干扰，主要包括同频干扰，邻道干扰和互调 干扰。 在深入研究g s m r 系统干扰理论的基础上，对青藏铁路g s m r 网络的干扰 进行了深入分析。从频率配置方案和实际案例分析两个角度，论述了在如今的 青藏铁路g s m r 中，邻频干扰是网内干扰的主要表现形式，对网络通信质量 有重要影响。 首次提出利用场强测试的原始数据，计算一阶邻频干扰的四种算法，通过选取 从青藏铁路场强测试中得到的实际数据，分别用四种算法进行处理，与实际情 况做比较，验证算法的合理性，并选出一种最优的算法。 对于算法中涉及到的两个关键参数：窗口和泄漏因子，通过在实验室环境下进 行测试，确定出参数的最佳取值。 分析了当前研究还不完善的地方，指出下一步工作方向。 本论文的结构为： 第一章引言：综述选题背景、意义及论文主要工作； 第二章g s m r 网络场强测试介绍：阐述场强测试重要性，分析场强测试涉 及到的关键技术； 第三章g s m r 系统干扰分析：深入分析g s m - r 系统存在的网内干扰和网 外干扰，给出g s m r 系统的网络技术指标； 第四章青藏铁路g s m r 网络干扰分析：研究青藏铁路的频率配置方案，从 频率规划的角度分析网络干扰问题；分析青藏铁路出现通信异常情况的问题区段， 论述在如今的青藏铁路g s m r 系统中影响网络通信质量的主要是邻频干扰。 第五章利用场强测试数据计算邻频干扰的算法研究：提出四种一阶邻频干 扰的计算方法，比较得到最优算法并论证其可靠性；通过实验室测试，得到算法 中两个关键参数的最佳取值。 第六章总结和展望：对本论文所做工作进行了总结，并针对论文中还有待 进一步深入研究的地方，提出了将来的工作方向。 4 2g s m r 网络场强测试介绍 场强测试作为衡量网络覆盖状况的重要手段，在如今的g s m r 无线网络优化 中发挥着越来越重要的作用。本章着重介绍g s m r 无线信号传播特性，场强测试 的测试对象，以及测试涉及到的关键技术。 2 1场强测试概述 场强覆盖是衡量蜂窝移动通信服务质量的重要指标，g s m r 系统一般从三个 方面来考查场强的覆盖情况：覆盖概率、小区覆盖半径和重叠区。 覆盖概率是衡量蜂窝移动通信服务质量的重要指标之一。无论在网络规划阶 段还是在网络优化阶段都需要对覆盖概率进行预测或直接测量。g s m r 系统用于 实现无线列调功能，通信系统的畅通直接关系到铁路运输的安全高效，为保障列 车运行的高度安全可靠性，必须保证移动台在沿线能随时随地和网络通信，这就 要求网络场强覆盖率能达到比较高的要求。g s m r 系统中对覆盖概率指标有严格 的要求。具体的规范见后节3 2 1 场强覆盖指标【l j 。 除了覆盖概率外，小区覆盖半径也是无线网络规划的主要任务。无线网络规 划的目标是指导工程以最低的成本建造成符合近期和远期话务需求，具有一定服 务等级的移动通信网络。具体地讲，就是要达到服务区内最大程度的时间、地点 的无线覆盖，满足所要求的通信覆盖概率，达到所要求的服务质量，在满足容量 要求的前提下，尽量减少系统设备单元，降低成本等几个方面目标。针对铁路部 门的特殊要求，在做g s m - r 网络预规划时需要考虑覆盖概率的影响，使规划出的 g s m r 网络小区覆盖半径更加接近工程实际。 为了保证通信的连续性，相邻基站区之间必须存在适当大小的场强覆盖的重 叠区。无论是重叠区过深还是重叠区过浅，都会多无线网络的通信造成相当程度 的影响，对于g s m r 系统中的v g c s 业务影响更大，这与v g c s 业务自身的特 性有关。在铁路覆盖中，移动台往往处于高速状态移动，信号的场强变化复杂， 并且沿线覆盖的相邻小区比较少，使得确定重叠区的大小变得更加复杂。如果重 叠区太小，可能会出现弱场区；重叠区太大，会引起“乒乓 切换和频繁的小区 重选，因此，对重叠区场强覆盖情况的测试也很重要。 以上三方面指标都需要通过场强测试来验证。因此，场强测试作为检验网络 覆盖状况的主要手段，是通信网建设中的一项重要内容，贯穿子网络建设的各个 阶段。 场强测试一般分为两步，第一步是利用测试仪器，在所考查的线上进行原始 数据的采集。第二步是将采集的原始数据进行处理，得到所需信息。在场强测试 过程中，面临着两方面的问题：一是原始数据采集过程中采样间隔应该取多大的 问题，即应该隔多远的距离对场强进行一次采样；另一个是数据处理时选取何种 统计方法的问题，即采用什么样的统计处理方法，才能从数据中提取出有效、有 用的信息。 在通信网建设的不同阶段，由于场强测试的目的不同，所以数据采集和处理 方法也会有所不同。 在网络规划初期，场强测试用于校正传播模型，通过准确的模型，对建网区 域进行有效的预测和规划。主要手段是在要建网的区域选取合适的点，放置无线 信号发射机，然后按照一定的地理路线测量各个接收点处的信号强度，得到接收 信号强度和离发射机距离的多组数据，然后将实测数据带入传播模型中，以计算 出合适本区域的模型校正参数。传播模型的校正工作己经有大量的研究，并形成 了比较成熟的数据采集和处理方法。典型方法是按照李氏定律的要求进行。 在网络优化阶段，场强测试旨在优化小区覆盖，发现问题区域，并对网络参 数做出及时调整，以达到优化网络覆盖的目的。在这个阶段，场强测试不仅是为 了发现覆盖弱场区，而且需要看各小区场强的覆盖曲线。合适的情况是：在小区边 缘处，场强缓慢降低，而相邻小区的覆盖范围有一定的重叠。此外，还要通过场 强测试发现过区覆盖、干扰等常见问题。主要做法是让g s m r 通信网处正常的信 号发射状态，用场强测试仪器或测试手机沿线采集场强数据。在采集到足够的数 据后，采用合适的统计处理方法，得出结果，并对有问题的区域通过调整天线参 数或发射机功率对覆盖情况进行优化，以达到满意的结果。在此过程中，有的遵 循李氏定律要求的采样和处理的方法进行测试，有的按照经验值和经验方法进行 采集和处理。 在网络验收阶段，场强测试的目的是检验信号覆盖概率是否满足相关规范的 要求。这就要求采用合适的测试方法，以达到正确评估网络覆盖的目的。国内采 用4 c m 采样间隔，每1 0 0 米统计9 5 电平的方法进行网络覆盖的验证1 2 j 。 2 2g s m r 无线信号传播特性 在我国铁路的应用中，g s m r 占用的频段为9 3 0 m h z - 9 3 4 m h z ( 下行) 和 8 8 5 m h z - 8 8 9 m h z ( i 行) ，属于u h f 频( 3 0 0 m h z - 3 0 0 0 m h z ) 。该频段信号特点 是无线电波波长远小于周围建筑物的尺寸，电波主要以直射、反射、散射的方式 传播，呈现多径传播现象。移动台接收来自各个方向的入射信号，合成的多径波 6 将出现信号衰落现象，信号强度在很短的距离内会出现快速波动【3 1 。 2 3场强测试对象 2 - 3 1 测试频道( b c c h ) 为了对小区覆盖进行测量，需要选取合适的被测频点。一个小区通常会配置 有多个频点，在其中的一个频点上配置b c c h 信道，配有b c c h 信道的频点称为 b c c h 载波，在场强覆盖测试过程中，必须选择b c c h 载波为被测频点。 在g s m r 系统中，一个g s m r 频道被划分为8 个时隙，b c c h 载波也不例 外。b c c h 载波的时隙配置为广播信道( b c c h ) ，其他时隙配置上另外的逻辑信道 ( 如频率校正信道f c c h 、同步信道s c h 等) 。其中，b c c h 不断向外广播信息， 因此，b c c h 载波的0 时隙始终有信号功率发送。对于其他时隙，在有信息需要 发送时，该时隙上发送相应的突发信号。在没有信息需要发送时，也会在空闲时 隙上发送虚拟突发，换句话说，b c c h 载波的空闲时隙并不“空闲 ，它上面也会 发送不携带任何信息的信号。因此，b c c h 载波的所有8 个时隙在任何时候都有 功率向外发送，表现为信号始终存在。对于同一小区内其他不是b c c h 载波的频 道，仅仅在有信息需要发送时，才会在相应的时隙上发送信号，因此，对非b c c h 信道的测量结果，表现为信号呈“脉冲 的形式 4 1 。 因此，为了反应小区的覆盖情况，需要选取b c c h 载波为被测频点。 2 3 2 场强和功率 场强是电场强度的简称，它是描述电场最基本的物理量。一个电场的电场强 度定义为单位电量的点电荷所受到的该电场的作用力( h p 不包括受力电荷本身产生 的电场) ： e = f q( 式2 - 1 ) 其中，f 的单位为n ( 牛) ，q 的单位为c ( 库) ，e 的单位为v m ( 伏米) 。实际应 用中也用k v c m 。在测试中，也用v m 或者d b u v m 等单位来表示【5 】。场强的测 试原理如下图2 - 1 所示。当接收天线在空中与被测信号极化方向相同时可以取得 最大感应信号。 7 电场j 廊 输入e 0 _ f z , _ 盘e v 接收电缆l f 图2 1 场强测试原理图 f i g 2 - 1c o v e r a g et e s tp r i n c i p l ef i g u r e 当线路匹配良好时，仪表读取的电平值是仪表输入端口所取得的射频电压 e r ( d b v 1 。e r 可以用下式来表示【6 】： e r = e + g a + 2 0 l g l e i f 一6 ( 式2 - 2 ) 其中，e r 为仪表输入口的读取电平( d b t v ) ； e 为电场强度( d b l a v m ) ； g a 为接收天线增益( d b ) ，当采用半波长侧极天线时，g a = o d b ； l e 为接收天线有效长度( ) ； l f 为接收馈线损耗( d b ) ； 6 为从终接值换算开放口的校正值( d b ) 。 根据上式九可以得到电场强度e ： e = e r g a 一2 0 l g l e + l f + 6 ( 式2 - 3 ) 在g s m r 中，往往用功率来表示信号强度。功率的单位有w ( 瓦) ，r o w ( 毫瓦) ， d b m 等等，在g s m r 中一般使用d b m 这个单位。在g s m r 系统中，无论是手 机的测量报告，还是开机时对各载波的测量，所有对信号强度的度量都是用信号 功率来进行的。在规范中对信号强度的规定也有其对应的功率值。所以，在g s m r 系统中，场强测试实际上测试的是在接收机端接收信号的功率，而不是真j 下意义 上的场强。 接收功率和场强的关系如下式所示： e = u + 1 0 7 + c + a ( 式2 4 ) 其中，e 为信号强度( d b t v m ) ；u 为信号功率( d b m ) ；c 为天线校准因子 d b ( 1 m ) ；a 为馈线衰减d b 。 多数情况下，天线校准因子c 与频率的关系是一条非线性曲线，欲求得信号 场强，必须将此曲线线性化处理成一系列频率离散的点1 7 1 。 2 3 3 包络和相位 接收信号一般表达式为： s ( t ) = r ( t ) e ( ( 式2 5 ) 其中s ( f ) 是接收信号时域表达，( f ) 是接收信号包络，矽( f ) 是接收信号的相位。 在场强测试中，被测对象是接收信号的包络，( f ) ，而不考虑相位矽( f ) 。 ，( f ) 可以表示为【8 】： 广( f ) = 渐( f ) r o ( t ) ( 式2 6 ) 其中，l ( f ) 是慢衰落信号的本地平均值，r o ( t ) 是快衰落信号。 在路测速度已知的情况下，可以转化为距离表示的情况： ，( 曲= m ( 功r o ( 力( 式2 - 7 ) 2 4场强测试关键技术 2 4 1 采样间隔 在进行无线网络场强测试时，采集的数据必须包含全部慢衰落和部分陕衰落 信息，目的是将地形、地物对信号的作用反映出来，同时又考虑到快衰落对信号 产生的影响。若采样点数太多，不同样本之间可能存在一定的相关性，所得到的 局部均值不能完全消除快衰落的变化；若采样点数太少，一方面所得到的局部均 值将会失去部分表征地形、地物特征的信息，另外也可能会导致所测得的数据都 在波峰上或者都在波谷上进而造成对网络覆盖的错误估计。为了获得有效的测 试数据，需要有一个合适的采样标准，目前各国运营商广泛采用的是李氏采样定 律( l e cc r i t e r i a ) t 9 1 。 李氏采样定律是w i l l i a ml e e ( 李建业) 博士于1 9 8 5 年2 月发表的关于无线信号 采样的著名论文。论文通过严格的数学推导和精密的论证得出了场强采样的具体 方法，即信号快衰落满足瑞利分布的条件下在4 0 个波长的取样区间长度内抽取 3 6 个样本，求平均表示局部均值，可获得在9 0 的置信度下的样本均值估计量， 其偏差小于l d b 。这一标准在业界得到了广泛应用。 这罩需要特别指出的是，l e e 采样定律提出的4 0 个波长距离内采样3 6 个样本 9 应该被看作是一个指导性的原则，而不是一个绝对一成不变的数字。李氏定律之 所以对采样点数做严格的规定，是为了保证4 0 个波长内的样本值做算术平均后的 统计结果能准确地代表场强的局部均值。例如，在传播模型校正中，关心的是本 地均值m ( 均，所以需要严格满足其要求，不能多也不能少。但是在场强覆盖测试 中，局部均值只是衡量场强的一种方法，在很多时候快衰落对场强的影响也需要 考虑，因此采样间隔完全可以比李氏定律规定的小。另外，由于快衰落的周期一 般在半个波长左右变化，对于g s m _ r 网络，该周期典型值为1 7 c m ，按照l e e 定律得出的2 6 3 7 锄的采样间隔采集到的数据可能存在对快衰落反映不充分的 缺点。 李氏采样定律要求在4 0 个波长的距离内采样3 6 个样本，泊松教授按照相似 的推导方法，却得出了在4 0 个波长内采样8 5 个样本可以得出9 0 置信度下的均 值估计量，误差不超过ld b 。泊松指出，采样的样本数量还受其它因素的影响， 诸如接收机是线性特性还是对数特性等。l e e 的目的是在移动无线环境下找到一个 评估信号局部均值的方案，它不一定在所有的情况下都适用，但它的确是给我们 在场强采集中如何合理选择采样间隔提供了一个非常好的依据。在g s m r 网络 的场强测试时，由于受测试仪器本身条件和外部因素的限制，测试间隔有时可能 还达不到l e e 定律规定的要求。为了对网络的覆盖情况做出更准确的评估，我们 需要在一定程度上减小g s m r 系统场强测试中的采样间隔。 目前，在欧洲的某些g s m r 网络场强覆盖测试实践中，采用了6 c m 的采样 间隔，该值是在大量实测的基础上经过统计分析得到的经验结果，与当地的铁路 环境密切相关。在我国4 5 0 m h z 无线列调系统中，曾使用过4 c m 的采样间隔标准。 2 4 2 触发方式 在场强测试中，存在时间触发和距离触发两种触发方式。 时间触发是指每隔一定时间( 如几毫秒) 让测试仪器对场强采样一次，这种方法 得到的场强样本在时间间隔上是均匀的，但是样本本身不包含距离信息，因此适 合对某一固定地点场强的长时间观测。 距离的方式是让仪器每隔一定距离( 例如几十厘米) 对场强采样一次，这种方法 得到的场强样本在距离间隔上是均匀的，每个样本本身就代表了一段固定距离， 能准确地反应场强随距离的变化情况。 在青藏铁路的g s m r 场强覆盖测试中，由于我们要求测试的是场强随铁路沿 线的分布情况，因此适宜选择距离触发的方式。但是，由于距离触发方式需要外 接距离传感器，在某些测试车上又不具备此条件，从而只能采用时间触发的方式。 l o 在这种情况下，为了得到距离信息，在测试过程中同时采集g p s 信息，通过g p s 信息定位场强数据的地理位置，从而较好地反映网络的场强覆盖情况。 2 4 3 统计数据处理方式 采集到数据后，需要用合适的统计处理方案提取所需信息，从而达到对网络 覆盖的正确评估。不同的数据处理方案得到的结果会不一样，甚至产生很大的差 别。例如，按照常用的李氏采样定律的方法，把原始数据做平均，得到的结果就 比按照9 5 电平统计的结果要多十几个d b 。 实际中有许多种统计方法。无论哪种方法，其最重要的问题在于两方面，一 是统计窗口的确定，二是如何适当地考虑快衰落影响。李氏定律是较为成熟同时 也最被广泛接受的的统计方法，但是李氏定律反映的是均值，它将快衰落的信息 去除得很彻底，所以不适用于对场强覆盖进行评估。在青藏铁路的场强测试中， 我们使用9 5 电平统计法，即考虑到了快衰落的影响，又能比较正确的评估网络 覆盖状况。 9 5 电平统计法的处理步骤详细介绍如下： 这种测试方法是以9 5 电平为结果值，进行合格与否的判断。基本做法是： 从测试起点开始，将全线按1 0 0 米等分为l 个区间。设被测频点数为n ，第i 个区间内电平样本数为p 。那么，第n 个频点在第i 个区间内的第k 个样本记为： r x l e v n i k ，n - - 1 , 2 ，n ；i = 1 , 2 ，l ；k = 1 , 2 只 ( 式2 8 ) 第1 1 个频点在第i 个区间内累积概率9 5 处的电平值记为r x l e v n i ，0 9 5 ，定义 如下： r x l e v n i ，o 9 5 ： p r x l e v n i k r x l e v n i ，o 9 5 - - - 9 5 ，k = 1 , 2 ， ( 式2 9 ) 统计各个区间的r x l e v n i ，0 9 5 ，| = 1 , 2 ，n ；i = 1 , 2 ，。对每一个被测频点， 画出一条r x l e v n i ，0 9 5 的沿线分布曲线【2 】。 3g s m r 系统干扰分析 随着移动通信的不断发展，手机业务的不断扩大，各无线通信网络之间的干 扰对通信质量的影响越来越大。g s m r 是中国铁路专用无线通信网络，其通信安 全和业务的可靠性直接影响到我国铁路今后的发展，影响到整个国民经济的发展。 所以在c s m r 系统的初建和网络优化过程中要特别关注系统的干扰问题。 总的来说，g s m r 系统干扰分为网内干扰和网间干扰两大类。网间干扰指的 是其他移动通信网络对g s m r 无线网络造成的干扰，主要包括与c d m a 网络之 间的干扰，与g s m 公网之间的干扰，以及一些非法干扰。 c d m a 干扰 根据中国无线电管理委员会的规定，g s m r 的使用频率范围为上行8 8 5 - 8 8 9 m h z ，下行9 3 0 - 9 3 4m h z ，而中国联通公司的c d m a 系统的下行频率范围为8 7 0 - 8 8 0m h z ，它与g s m r 系统的频域范围只有5m h z 的保护带。c d m a 采用的是 扩频技术，即把信号的频谱扩展到一个更宽的频带中去，只要将接收信号解扩便 可恢复出携带的信息。扩频码伪随机序列有很好的自相关性，因此，当若干个伪 随机序列不同的扩频信号进入同一接收机时，只有那些伪随机序列与接收机本地 产生的伪随机序列相同且同步的信号才能被接收机检测出来，所以g s m r 对 c d m a 系统并不会产生干扰。但是，g s m r 系统没有采用扩频技术，所以只要 c d m a 系统的带外信号落在g s m r 通带范围内且幅值达到一定值就会干扰 g s m r 接收机接收的有用信号，导致g s m r 接收信噪比下降，影响g s m r 的通 话质量，这就是c d m a 系统对g s m r 的主要干扰杂散干扰。 g s m 干扰 g s m 系统和g s m r 系统按地域共用一段频率范围，并且g s m r 系统是建立 在g s m 平台上的，根据规定：在直辖市、省会城市和计划单列市的城区，g s m r 系统的覆盖范围应小于铁路两侧各2k m ，其他地区应小于铁路两侧各6k m ，所以， 如果这两个网络系统布网不够理想就会互相干扰。 非法干扰 除了以上干扰外，铁路两侧还有一些不可知的非法运营基站或大功率天线的 存在，当这些天线发射出的信号频率落在g s m r 系统的通带内且幅值达到一定值 时，就会干扰g s m r 系统。 本论文中重点研究的是网内干扰，即g s m r 网络内部由于频率配置不当，基 站位置或者收发信机的非线性特性等因素，造成的同频干扰，邻道干扰和互调干 扰。下面的3 1 节就来详细分析这三种g s m r 网络内部的干扰类型。 1 2 3 1g s m r 系统网内干扰 干扰是制约蜂窝系统容量的一个重要因素。话音信道上的干扰会造成串话， 或者用户听到很大的背景噪声；信令信道上的干扰则会导致误码率的升高，使呼 叫遗漏或者阻塞。蜂窝系统中的网内干扰最主要的有同频干扰和邻道干扰，除此 之外还存在互调干扰等影响系统的通信质量。针对不同类型的干扰，系统都有相 应的指标，同时也有相应的防护措施，例如调节天线覆盖方式，发射功率，合理 分配频率等方法。 3 1 1 同频干扰 同频干扰是由于采用了频率复用，在同频小区之间产生的干扰。同频干扰又 有前向链路的干扰和反向链路的干扰。用同频干扰信噪比c i 来衡量接收机的接收 质量。 设同频干扰的小区数为芘，那么前向链路移动台的接收信噪比就可以表示为： cc rl o 一= 一 o y 以 j _ _ i = 1 ( 式3 1 ) 式中，c 是移动台接收到的基站载波信号的功率；i i 是第i 个同频小区的基站 信号对移动台的干扰功率。可在c i 和同频复用距离之间建立起联系，来对小区的 覆盖进行规划。考虑到电磁波在无线信道中的传输功率随着传输距离的增大而衰 减，用下式来估算距离发射天线d 处的接收点接收到的平均信号功率为： p r = p o ( d d o ) 1 ( 式3 2 ) 式中，p r 是接收功率，p o 是距离发射天线d o 处的参考点的功率；n 是路径衰 减指数。由上式可建立起同频基站的干扰功率与同频复用距离的关系。因此，假 设每个同频基站的发射功率相等，路径衰减指数也相同，则移动台的接收信噪比 可以近似地表示为： cr 叫 一= = - - 一 ti n ( d i ) - “ i = 1 ( 式3 3 ) 假设只考虑第一层的同频干扰小区，可以认为各个d i 的值相等，由上式可以 进一步简化为： 一c ：盥：衄 ii 0i 0 ( 式3 - 4 ) 由上式，可知，簇的大小n 决定了移动台的接收信噪比，同时也决定了系统 的容量。由此可知，只要指定一个能够保证话音质量的接收门限电平，就可以确 定簇的大小和频率复用的方案。在g s m r 中，满足最小服务质量的c i 门限值为 9 d b 包括2 d b 的边缘效应的影响。 在实际设计中，由于移动台在小区中位置的变化，基站位置偏差，传输环境 的起伏，小区形状的扭曲，实际得到的c i 值要比理论计算的结果差，因此要以最 差的c i 为依据来进行系统设计。以上的讨论仅基于基站使用全向天线的情况，当 使用定向天线时，同频干扰的小区数会减少，计算c i 是要充分考虑i 。的取值和基 站的位置【1 0 1 。 解决同频干扰可以采取以下几种措施： 芦定向天线覆盖，使用定向天线可以减少同频干扰的小区数，从而提高接收信噪 比，减少同频干扰； 优化同频服用距离和频率分配方案。根据传播环境和业务量的变化情况，调整 同频复用距离和频率分配方案，以适应不同的c i 。 天线高度和倾角的调整。调整天线高度和倾角可以改变小区的覆盖范围和小区 形状，减少同频干扰。 3 1 2 邻频干扰 由与所使用的频率相邻的频率产生的信号干扰称为邻频干扰。邻频干扰的产 生主要是因为接收滤波器的阻带衰减不够陡峭引起了相邻频带信号的泄漏。只有 当两个相邻频率的接收机距离很近，干扰信号的强度超过了接收机灵敏度时，邻 频干扰才会对接收机的正常工作造成影响。这种移动台被邻近频率的发射机“俘 获 的现象称为远近效应。 邻频干扰的抑制用邻道抑制增益( a c s ) 这一参数来衡量。a c s 可由下式算出： a c s = c i 伊c i a ( 式3 5 ) 式中，c 是基站的载波功率；i c 是同频干扰的噪声功率；i a 是邻频干扰的噪 声功率。在g s m _ r 中，典型的a c s 值是1 8 d b 与当前使用信道频率相隔最近的 叫做1 s t a c s ，次近的叫做2 n d a c s ，以此类推。1s t a c s 1 8 d b 表明可以在相邻 小区使用这一频率的邻近信道，它保证了切换的边缘电平大于等