（交通信息工程及控制专业论文）GSMR系统信道分配方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 手两芰 g s m r 系统可用的频率带宽只有4 m h z ，在这种无线资源紧张的情况下， 如何保证列车与地面之间进行大量、双向的信息传输，尤其需要保证列控类 业务与切换呼叫业务顺利进行成了急需解决的问题，而寻找一种合理且有效 的信道分配方案又是解决这些问题的关键。 论文首先研究了g s m 系统中切换优先的两种信道分配方案，即结合信道 预留及呼叫排队的信道分配方案和基于业务优先级的信道分配方案。针对两 种方案的阻塞率进行了仿真分析，发现这两种方案虽然都能很好的降低阻塞 率，提高系统容量，但是不能满足铁路g s m r 系统的q o s 要求。根据铁路沿 线的覆盖特点，综合考虑铁路运输实际情况，给出了结合e m l p p 业务的信道 预留及排队机制这一信道分配方案。该方案在保证列控类数据可靠传输的基 础上，优先考虑越区切换以满足g s m r 系统通信需求，即预留一定数量的信 道专供切换呼叫使用，而铁路e m l p p 业务提升了高优先级用户建立连接的成 功率。论文最后用软件对本文给出的信道分配方案进行了仿真验证。 通过对仿真结果的各项性能指标进行分析，表明论文确定的信道分配方 案能满足g s m r 系统的q o s 要求，达到了预期的目的，对g s m r 信道分配 具有一定的参考价值。 关键词g s m r ；信道分配；越区切换；e m l p p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nt h el a c k o f - w i r e l e s s r e s o u r c ec i r c u m s t a n c et h a tt h e r ei so n l y4 m h z f r e q u e n c yw i d t ha v a i l a b l et ot h eg m s i 乙t h ep r o b l e m sa b o u th o wt oe n s u r et h e q u a l i t yo fl a r g e ，t w o w a ym e s s a g i n gb e t w e e nt h et r a i na n dt h eg o u n dc o n t r o l c e n t e li np a r t i c u l a r , e n s u r et h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o no ft r a i n c o n t r o l c o m m a n d sa n dt h eh a n d o f fc a l l s ，a r ei n c r e a s i n g l yu r g e n tt os o l v e a n dt os e e ka m e t h o do fc h a n n e la l l o c a t i o n ，w i t c hi sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e ，i st h ek e yt o s o l v et h e s ee x i s t i n gp r o b l e m s f i r s to fa 1 1 t h i st h e s i ss t u d i e st w op r i o r i t i z e dh a n d o f fm e t h o d si ng s ms y s t e m ： t h ef i r s to n ei st h ed y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o nw i t hg u a r dc h a n n e la n dh a n d o f f q u e u i n g ；t h es e c o n do n ei st h ep r i b a s e dc h a n n e l a l l o c a t i o n t h es i m u l a t e d a n a l y s i st a r g e t i n gt h eb l o c k i n gr a t eo f t h et w oa b o v e - m e n t i o n e dm e t h o d si n d i c a t e s t h a tt h ea p p l i c a t i o no f b o t hm e t h o d sc a nh e l pr e d u c et h eb l o c k i n gr a t ea n di m p r o v e t h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m ，b u tt h ed e m a n do fq o si nt h er a i l w a yg s m rc a n n o t b em e a s u r e du pt o s e c o n d l y , t a k e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc o v e r a g ea l o n g t h er a i l w a yl i n ea n dt h er e a l i t yo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h e a u t h o ri sg o i n gt op u tf o r t hac h a n n e la l l o c a t i o ns t r a t e g yw h i c hc o m b i n e sh qa n d g cw i t he m l p p t h es t r a t e g yf i r s t l ye n s u r e st h er e l i a b l et r a n s m i s s i o no ft h e n u m b e r so ft r a i nc o n t r 0 1 a n dt h e np r i m o r d i a l l yc o n s i d e r sah a n d o f ft om e e tt h e r e q u i r e m e n to fg s m rs y s t e m t h a ti st os a y , ac e r t a i nn u m b e ro fc o m m u n i c a t i o n c h a n n e l sc o u l db ee s p e c i a l l yr e s e r v e df o rt h eh a n d o f rc a l l s m e a n w h i l et h er a t eo f s u c c e s s f u l l ye s t a b l i s h i n gc o n n e c t i o nw i t ht h e u s e r so fh i g hp r i o r i t yc o u l db e e n h a n c e d f i n a l l y , as o f t w a r e - b a s e da n ds i m u l a t e dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni s c a r r i e do u tt ot e s tw h e t h e rt h ec h a n n e la l l o c a t i o ns t r a t e g yi nt h i st h e s i sc a nm e e t t h er e q u i r e m e n t so fg s m - r q o s t os u mu p ，t h i st h e s i s ，t h r o u g ha n a l y z i n ga l li n d e x e so ft h es i m u l a t e dr e s u l t s ， h a si d e n t i f i e dt h a tt h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e lm e t h o dc a l lm e e tt h eq o sd e m a n d s o ft h eg s m rs y s t e m t h ee x p e c t e dr e s u l t so fc e r t a i nr e f e r e n c i n gv a l u et ot h e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e la l l o c a t i o no f t h eg s m rh a v eb e e na c h i e y e d k e y w o r d sg s m r ：c h a n n e la l l o c a t i o n ；h a n d o f f ；e m l p p 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：隋、名畏寿 日期：了 a 7 群 设罗 螂7 名，弘 戳哆 秘 厉 哲。 导期曙日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 论文结合铁路通信的特殊要求，论文确定了结合e m l p p 业务的考虑切换优 先的信道预留及切换排队方案。根据列控类数据业务以及非列控类数据业务对 q o s 指标的不同要求，从列车运行安全的角度出发，将不同的业务设定各自的优 先等级，即结合铁路通信特有的e m l p p 业务。在确保列控等行车类信道分配的 前提下，若当前小区没有可用信道，语音组呼、广播呼叫以及紧急呼叫等高优 先级的用户可以强拆正在进行的低优先级的用户，以确保高优先级业务的信道 分配请求。 黯锻吾 弘口7 殳7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 概述 第1 章绪论 随着科学技术的飞速发展，人类进入了高速列车时代，而如何保证高速 列车安全行驶并实现列车的自动控制成了人们最为关心的问题之一。近年来， 我国铁路经历了既有线提速、秦沈客运专线以及京津京沪高速铁路建设等一 系列的技术进步，营业里程已位居世界第三位【1 】。在这样_ 个庞大的铁路交通 运输网中，要想大幅度提高铁路运输效率并且实现主要繁忙干线客货分线运 输，需要采用新的铁路数字移动通信技术，而目前世界领先的g s m r ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sf o rr a i l w a y ) 系统是最适合中国铁路建设需 要的综合数字移动通信系统【2 j 。 g s m r 是专门为铁路设计的移动通信系统，我国从1 9 9 4 年就开始对 g s m r 技术进行研究，并最终确定其作为我国铁路移动通信的发展方向。 g s m r 网络在g s m 蜂窝系统平台上增加了多种铁路业务和适合高速环境下 使用的要素，能满足铁路通信的要求。g s m r 是面向未来的技术，它将从广 阔的g s m 公网市场和g s m 技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空间【3 】。 1 2 国内外发展现状 9 0 年代初期，国际铁路联盟( u i c ) 与欧洲电信标准组织协商，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9 0 年代中期经u i c 评估并且得到最终确认。作为欧洲统一铁路无线增 强网络( e i 砌狲e ) 项目的一部分，关于g s m r 数字无线标准规范化工作陆 续展开。9 0 年代末，全球第一个g s m r 网络在瑞典建成并投入运营。目前， 许多西方国家如德国、西班牙等国家都建立了g s m r 系统，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以及业务不断多样化的需求。 由于g s m r 具有更适合铁路运输特点的功能优势，更成熟的技术优势以 及更符合通信信号一体化技术发展的需要，能够满足列车高速运行的通信要 求，为铁路提供稳定可靠的话音和数据传输，并实现其它铁路网络的互操作 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性，更重要的是g s m r 支持铁路移动通信的可持续发展。因此2 0 0 0 年底， 铁道部正式确定将g s m r 作为我国铁路移动通信的发展方向。之后，基于 g s m r 的各种铁路特色业务的开发以及g s m r 系统终端试验等陆续展开。 铁道部先后与华为公司、北电网络、西门子签订了大秦铁路、青藏铁路 试验段和胶济铁路三条g s m r 网络试验线路协议，并已经完成建设目标【4 】。 其中青藏线是亚洲第一条完全基于g s m r 移动通信系统的试验铁路，此外， 它还是亚洲第一条采用g s m r 传输用于列车控制的安全数据的试验铁路，并 采用同站址双基站覆盖方案来增强系统的可靠性【5 j 。2 0 0 7 年4 月1 8 全国铁路 第六次大提速，此次大提速中广泛使用了确保行车安全的g s m r 系统，标志 着g s m r 系统在中国正式投入试运行。 g s m r 在我国有着广阔的市场前景，为了进一步提升铁路的通信能力，同 时满足目前正在建设的客运快速线对通信设施的更高要求，g s m - r 网络建设已 经成为当前我国铁路发展战略的重点【6 】。 1 3 论文研究的意义 与公用移动通信网络不同，g s m r 网络作为综合的移动通信平台，承载 了铁路各种车地之间的通信业务 7 1 。我国铁路g s m r 的工作频段是：8 8 5 m i - i z 8 8 9m h z ( 移动台发，基站收) ；9 3 0m h z _ - 9 3 4m h z ( 基站发，移动 台收) 【7 】。铁路通信可用的资源仅为4m i - i z 频谱，但面临的铁路应用却很多， 如紧急呼叫、列车调度、列车控制和旅客信息服务等，这些业务对于信道分 配提出了不同的要求。由于不同的业务存在不同优先等级的业务需求，比如 关系到列车运行安全的列控类业务对数据传输的实时性和可靠性要求较高， 而非列控类业务属于一般级别，在处理信道分配请求时需要考虑其优先级。 信道分配是无线资源管理的重要内容，信道分配的优化对提升整个系统 的有效性和可靠性有着重要的作用【8 】。信道分配的可靠性和有效性是体现 g s m r 系统性能的重要指标，也是较难实现的指标。因此，对于g s m r 系 统来说，信道分配是一个非常值得研究的课题。 国内外大量学者致力于信道分配技术的研刭9 1 们，并提出了几种有效的方 案。如动态信道分配( d c a ) 方案【1 1 1 2 】、信道预留( g c ) 方案【1 2 15 1 、呼叫请 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 求排队( h q ) 方案【1 6 】、基于门限值的信道分配方案【1 7 】以及信道分割方案【8 1 8 】 等。由于人们更加难以忍受在通话的过程中出现掉话现象，有学者又研究切 换呼叫优先的信道分配方案【1 9 2 3 1 ，以及基于用户优先级的信道分配方案【2 4 1 。 所有这些方案都能减少呼叫阻塞率并且能够提升系统容量，但大多针对公用 移动通信，若将这些方案直接用于铁路g s m r 信道分配是不符合我国铁路发 展实情的。本论文就是在这样的背景下，研究如何将成熟的公用移动通信系 统中的信道分配方案与铁路g s m r 实际情况相结合，从而达到铁路通信的要 求。希望能够为推动g s m r 的进一步发展提供参考。 1 4 论文的主要工作 本文研究了g s m r 系统的结构和业务模型，尤其深入了解了e m l p p ( e n h a n c e dm u l t i l e v e lp r e c e d e n c ea n dp r e e m p t i o ns e r v i c e ) 业务；归纳了不同的 信道分配策略并进行比较；综合分析了越区切换引起的信道分配问题；以马 尔可夫链的形式描述了结合动态信道预留及呼叫排队的信道分配方案和基于 业务优先级的信道分配方案，确定其对于降低阻塞率和掉话以及提高用户满 意度有较好的效果，但是与铁路g s m r 系统对q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的要求还 有一定的距离，需要做进一步优化；对g s m - r 信道分配的相关问题作了简要 探讨；最后结合铁路实际运营情况，确定了结合e m l p p 业务的信道预留及排 队机制方案，并用v c 软件对该方案进行了仿真验证。 本论文所作的工作主要体现在以个方面： ( 1 ) 从列车运行安全的角度出发，对列控类业务和非列控类业务划分不同 的优先级，实现e m l p p 业务； ( 2 ) 在保证列控类业务信道分配成功的基础上，优先考虑越区切换信道分 配请求； ( 3 ) 根据不同的业务需求确定了各个小区的预留信道数； ( 4 ) 探讨了g s m r 系统排队队列的长度； ( 5 ) 用v c 软件对提出的信道分配方案进行了仿真，并对仿真结果进行了 分析，表明论文提出的方案可以满足g s m r 系统的q o s 要求，达到了预期 的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章g s m - r 系统信道分配及切换管理 在公用移动通信系统中，信道分配技术和信道切换技术都已经相当成熟。 由于铁路运输有其自身的特殊性，故不能把公用通信中的相关技术直接应用 到铁路网络通信中，但是可以把相关的概念和方法借鉴过来。本章简要介绍 了g s m r 特有的铁路应用，讨论了公用移动通信的一些相关概念和技术，为 论文后面的相关研究提供参考依据。 2 1g s m r 系统概述 我国铁路正在大力建设客运专线和高速铁路，所有的列车控制业务以及 其它车地通信业务都要靠g s m r 网络来提供承载平台，这对信道分配提出了 更高的要求【2 5 2 6 1 。图2 1 为铁路g s m r 车地通信示意图。 图2 - 1g s m - r 车地通信示意图 上图中，b s 为基站设备，b s c 为基站控制中心，m s c 为移动交换中一t l ， i s d n 为综合业务数字网络，r b c 为地面无线闭塞中心。从图中可以看出，车 载设备通过g s m r 无线网络与地面设备进行双向数据通信【2 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1 1g s m r 系统结构 g s m - r 移动通信网络主要由基站子系统( b s b ) 、网络子系统( n s s ) 以及操作与维护子系统( o s s ) 三部分组成，其基本结构如图2 - 2 所示2 ”。这 几个功能实体相互联系，各个部分所实现的功能的集合就是g s m r 网络提供 给用户的基本业务与补充业务。 昌 “鬲鼍 图2 - 2g s m - r 系统结构图 b s s 由一个基站控制器( b s c ) 和若干个基站收发信机( b t s ) 组成，b t s 与 b s c 之间通过a b i s 接口通信。b t s 主要负责与一定覆盖区域内的移动台( m s ) 进行通信，并对空中接口进行管理；b s c 用来管理b t s 与m s c 之间的信息 流。b s s 中还可能存在编码速率适配单元( t r a u ) ，它实现了g s m r 编码速 率向标准的p s t n 或i s d n 速率的转换。t r a u 与b s c 通过a t e r 接口连接。 n s s 建立在移动交换中，t ；, ( m s c ) i ，负责端到端的呼叫、用户数据管理、 移动性管理和与固定网络的连接。n s s 通过a 接口与b s s 连接，与固定网络 的接口决定于互联网络的类型。 o s s 是相对独立的子系统，为g s m r 网络提供管理和维护功能。它的具 体功能由操作维护中心( o m c ) 来完成，其中o m c r 负责管理b s s ，o m c s 负责管理n s s 。o s s 主要提供移动用户管理、移动设备管理、网络操作和控 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 s u - - 类功能。 2 1 2g s m r 业务模型 g s m r 网络既有电路交换也有分组交换，承载的业务非常丰富，能够提 供包括话音、数据在内的综合移动通信业务。因为是由已标准化的g s m 设备 改进而成，此设备已经能成熟地提供大量的业务，所以在引入铁路专用的功 能时，只需最低限度地改动，就能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行。 g s m r 系统在g s mp h a s e2 + 中添加了a s c i ( 高级语音呼叫业务) 特性，能 灵活地提供专网中所需的语音调度服务。总的来说，g s m r 的业务模型可以 概括为： g s m r 业务= g s m 业务+ 语音调度业务+ 铁路基本业务+ 铁路应用，如 图2 3 所示【引。 i 一；磊；移；磊i i i 一一一 型兰皇兰兰竺 ! ! 兰竺兰兰兰竺苎 亚亟圃e 巫五困 铁= i = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = i 路 铁路客站综台移动信息服务 同亭一 用 铁路货站综合移动信息服务 铁路基本业务回臣囝圈臣至囹 高级语音呼叫 二二口 二二口 习 图2 - 3g s m r 业务模型 g s m r 系统的基本业务首先包括g s m 提供的所有业务，还支持铁路必 需的特殊基本业务，包括功能寻址、功能号表示、接入矩阵、位置寻址等。 此外，由于g s m r 是专门为铁路通信设计的综合移动通信系统，为了满足铁 路系统的需求，g s m r 系统增加了高级语音呼叫业务( a s c i ，a d v a n c e d s p e e c hc a l li t e m ) ：语音组呼业务( v g c s ，v o i c eg r o u pc a l ls e r v i c e ) 、语音 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 广播呼叫业务( v b s ，v o i c e b r o a d c a s ts e r v i c c ) 和增强多优先级与强拆( e m l p p ， e n h a n c e d m u l t i l e v e lp r e c e d e n c ea n d p r e e m p t i o ns e r v i c e ) 。由于论文主要涉及 e m l p p 业务，故在本章2 2 节将对其进行进一步介绍。 2 1 3 无线覆盖方案确定 在铁路沿线呈带状的特殊环境中，须采用带状覆盖的方式。g s m r 涉及 铁路的安全运行，因此其网络的安全性应该定义到很高的级别，不同的网络 有各自的结构特点，故要采用不同的覆盖方案。最基本的g s m r 无线方式为 单基站覆盖，另外还有两种g s m r 无线冗余覆盖方式分别为同站址双基站覆 盖和交织站址覆盖。这里只简单介绍论文采用的同站址双基站覆盖方式。 同站址双基站冗余覆盖主备用层网络管理方式，备用层作为对主用层的 热备份 3 0 1 。即在单层网络的基础上增加一层无线覆盖，使移动台总是处于2 个小区的覆盖范国内，若其中一层发生故障，可以切换到另一层为用户提供 服务，这样可以提高系统整体的可用性，保障列车高速运行时通信的连续性。 正三三夔三董三受三至沙 囊皿皿皿皿 式( 王五 二王五互爻d e 降 级 模 式 图2 _ 4 主备用双层网络的正常模式 垂露湮至趸垂季多a 互五冬至妻垂垂爻e 图2 - 5 主备用双层网络的降级模式 两种模式的示意图分别如图2 - 4 和图2 - 5 所示1 。a 层为主用层，正常情 况下网络业务由a 层提供，即处于空闲模式下的移动台优先选择主用层的信 道为其进行服务，处于专用模式下的移动台在主用层的基站间进行切换；b 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 层为备用层，在a 层网络发生故障的情况下( 降级模式) ，网络业务暂时由b 层提供，即移动台通过切换选择b 层信道为其服务。 实测表明，正常服务时通信终端在空闲和通话模式下占用主用层的概率 占绝大多数。 2 1 4g s m r 话务量统计 g s m r 应用于铁路运输时，承担了决大部分的通信任务。列控数据流量 小于2 4 k b i t s y u 车，占用1 信道矽0 车，在两个r b c 交界处，占用2 信道列 车；调车机车信号和监控业务的数据流量小于2 4 k b i t s 调机，占用l 信道调 机；调度数据业务包括调度命令传送、尾部风压信息传送、无线车次号传送 等业务，数据流量为1 0 4 9 6 k b i t h 列车【3 1 j 。 当无可用话务量参数时，列车及移动用户忙时话务量( 不含编组站调车 作业) 可参照表2 1 中的数据计驯3 1 】： 表2 1 移动用户忙时话务量( 不含编组站调车作业) 。 个别呼叫 组呼叫 广播呼叫 车站通过列车0 5 0 0 列车0 5 0 0 列车0 0 3 3 歹u 车 车站停靠列车0 1 6 7 歹l j 车0 1 6 7 歹u 车o 0 1 1 y u 车 车站地面用户0 0 1 5 用户0 0 8 4 用户0 0 0 6 用户 区间通过列车0 0 15 3 0 车 区间用户0 0 2 0 用户0 0 5 0 用户0 0 1 7 用户 2 2 增强多优先级与强拆( e m l p p ) 业务 e m l p p 业务是一种电信补充业务，是m l p p 业务的一种。e m l p p 补充业 务是铁路通信所特有的，是g s m r 系统与公用g s m 系统的主要区别之一【3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 开展e m l p p 业务的主要目的是给用户提供不同的优先级水平，使得在呼叫建 立期间和越区切换期间，系统根据优先级水平对网络资源进行分配。e m l p p 业务包含了优先级和资源抢占这两个方面【3 1 。 2 2 1e m l p p 的优先级分配 优先级是指在呼叫建立时给该呼叫指配一个优先级别，并和该呼叫的建 立时间类型一起来参与网络资源的竞争与调配。高速铁路运营过程中对于某 些类型的通信有很高的性能要求，特别是无线信道分配和通话的快速建立。 比如c t c s 列控类业务需要一个连续的数据信道，在越区切换时，如果目标 小区的无线信道拥塞，就必须将那些低优先级的通话切断，释放信道资源， 以便切换时能马上为高优先级用户提供无线信道。又如，在铁路紧急呼叫区 域内，不管是否有空闲的信道，紧急呼叫必须马上建立。e m l p p 业务优先级 功能可以为编组调车通信与列车辅助通信根据不同的要求提供高低不同的优 先级，强拆功能可使正在进行的低优先级通话马上释放信道，让位于高优先 级呼叫。构成e m l p p 业务的3 个主要元素是：优先级、资源抢占和呼叫建立 时耐圮j 。本文主要针对前两个元素进行讨论。 e m l p p 业务给呼叫建立或越区切换时的呼叫接续规定了各种不同的优先 级，如果漫游网络也支持e m l p p 业务，移动台在漫游网络内仍然可以使用此 业务。由业务运营商根据用户的需要设置用户可以使用的最高优先级，用户 在每次呼叫时都可以选择小于或等于最大优先级中的一个等级。 在呼叫建立时用户可以选择预先签约的任何一个优先级。在优先级的处 理中，点对点呼叫与语音广播呼叫或语音组呼的处理有所不同【3 3 】。 2 2 2e m l p p 的资源抢占 资源抢占是指当网络没有空闲资源可用时，具有较高优先级的呼叫将抢 占正在被较低优先级呼叫占用的信道资源。e m l p p 的资源抢占能力指在建立 一个高优先级呼叫时无线接口或g s m r 网络发生拥塞，或一个高优先级呼叫 切换到一个拥塞小区时，网络拆除一些进行中的、较低优先级的呼叫，将资 源分配给较高优先级呼叫使用的能力3 1 。资源抢占包括网络资源抢占和用户接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 口资源抢占两种情况，本论文着重讨论网络资源抢占中的信道资源抢占。 当发生资源抢占时，成功呼叫的建立时间可能比理想时间长，但是呼叫 建立过程会尽可能快地完成【3 】。在高优先级呼叫建立之后并且在呼叫清空开始 之前的任何时候都可以强拆低优先级呼叫，只有当运营商给那些高优先级呼 叫分配了强拆功能时才可以执行强拆操作，否则没有强拆功能的高优先级只 有排队的优先级。排队和强拆功能要根据网络业务配置适当采用，呼叫的优 先级水平由m s c 来决定，m s c 会在呼叫进行的区域保存呼叫过程的优先级 记录，呼叫建立时m s c 将根据呼叫的优先级和强拆功能的指示请求进行信道 分配。 2 2 3e m l p p 业务的实现 对于用户在发起呼叫时所选择的优先级，s i m 卡和网络都会检查其是否 是所签约范围内的某个优先级。如果用户发起呼叫时没有选择优先级，则会 根据v l r ( 拜访寄存器) 的数据，给用户定义一个缺省优先级。 根据应用需要，网络运营商可以给e m l p p 的各个优先级定义不同的呼叫 建立时间和是否具有资源抢占能力。表2 2 给出了一种优先级水平分配方法 和相应的应用p j 。 表2 2e m l p p 业务示例 优先级资源抢占能力应用 a有 v b s v g c s 紧急应用 b 有运营商呼叫 0 有紧急呼叫 1 有额外付费呼叫 2 无标准呼叫 3 无未签约e m l p p 业务的缺省优先级 4 无低费率呼叫 为了保证用户业务性能，能提供e m l p p 业务的网络运营商必须考虑定制 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 此业务的总用户数量( 可能仅限于特殊用户) 、技术性能和网络规划问题之间 的相互关系。在执行强拆功能时，双方用户应当能得到合理的提示。网络也 可以专门设计成每一个优先级都具有强拆其他低优先级呼叫的功能，本论文 以后的工作正是采用了这一思想。 2 3 信道分配方案 信道是一个抽象的概念，它的含义也因多址方式的不同而不同。在g s m r 系统中，信道是指一帧中特定的时刚3 4 1 。信道分配方案大致可以分为固定信 道分配和动态信道分配两种。 2 3 1 性能指标 在评估信道分配方案的优劣时，其性能指标的参数是非常重要的。一个 移动通信系统其性能的描述包括五个部分【”】：( 1 ) 新产生的呼叫阻塞率；( 2 ) 正处于通话中的呼叫被迫中断的概率，包括越区切换失败率和掉话率；( 3 ) 信 道分配延时时间，即分配方案的执行时间；( 4 ) 系统运行的总话务量；( 5 ) 信 道利用率。 g s m - r 系统的o o s 参数主要指阻塞率和掉话率两项。g s m r 网络语音业 务与非列控类数据业务的新呼叫阻塞率应小于1 0 ，越区切换失败率应不超过 5 1 0 ，切换中断时间小于o 5 s 的概率应该达到9 50 6 ；而对于列控类数据业 务，其新呼叫阻塞率的要求则应小于1 0 ，掉话率应不超过1 0 2 l l 【3 1 】。 2 3 2 固定信道分配( f c a ) 在固定信道分配方案中，服务区域被分为若干小区，信道根据一定的利 用模式分配给每个小区，也就是分配一个可用信道子集给每个小区，到达小 区的呼叫请求由分配给那个小区信道子集中的信道来服务【3 6 1 。 当位于某区的移动用户发起呼叫时，则该区的基地台就根据位置服务， 这时移动台就在分给该区的信道中搜索空闲信道。如果搜索到空闲信道，就 可以进行拨号呼叫，继续通话；否则，用户就听到忙音，即使邻区存在空闲 信道也不能借来使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 f c a 根据其是否采用信道借用可分为如下两类【3 4 】：基本分配方案和借用 分配方案。 2 3 3 动态信道分配( d c a ) d c a 方案中，所有信道被放置在一个中央信道池内，根据各个小区的需 要进行分配，通常用第一个空闲信道为呼叫服务。中央信道池中的所有信道， 原则上可以在每个小区中使用。下面讨论适合于铁路特点的一维带状系统的 信道分配原则，以说明d c a 方案的过程。 a 组b 组c 组d 组a 组 图2 - 6d r = 8 时的复用情况 图2 6 是d r = 8 时的一维系统复用示意副3 6 】，其中d r 值可根据需要 进行修改，例如这里取8 则说明所需的频率组数为4 组。一维系统信道分配 的原则：移动台在小区内使用时，信道的搜索总是从信道l 开始逐个地进行， 如果信道l 已经被占用了，那么就要搜索下一个信道。若搜索到了某一个尚 未被占用的信道，就要校核该信道是否被邻区使用。校核是从主叫小区周围 逐一地进行的，如果检查到该信道已经被另一个小区占用了，而这个小区又 在信道复用距离内，那么就应该将它舍弃不用，因为这违反信道复用的要求， 会造成干扰。如果又搜索到另一空闲信道，通过校核得知，该信道在小于一 个复用距离范围之内并未被使用，则这个信道就可以给该小区使用。符合这 个条件的信道可能不止一个，选择的原则应使系统性能最佳。如果所有信道 都搜索过了，未能找到任何空闲而又符合间隔条件的信道，则发送忙音，表 明这次呼叫被阻塞了；如果找到一个符合条件的空闲信道，并选定了它，则 这个信道就被分配给该主p q d , 区使用，并同时发出占用标志1 37 1 。 d c a 大体上可按两种方式分类，按照d c a 算法执行的过程和机制可分 为中心控制式d c a 和分布式d c a ；按照d c a 随话务量的变化特性可分为呼 叫接续式d c a 和自适应式d c a l 3 8 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 4f c a 与d c a 的比较 每一种信道分配方案都有特定的优点以及自身的局限性。我们不能单纯 的说哪一种分配方案好或者不好，而要从实际需要出发，在综合考虑服务质 量( q o s ) 、信道分配算法应用复杂度以及频谱利用率等因素的情况下，取一 个折中的方案【3 9 1 。在话务强度较低的情况下，d c a 方案具有最佳性能。而随 着话务量不断增加尤其是当话务量均匀时，固定分配方案因其对信道的最佳 复用，其性能将变得更好。但是当话务非均匀时，由于d c a 能比f c a 更加 有效地利用信道，所以d c a 显得更可取。综合以上这两种情况，即当话务量 强度不断提高而话务量又不均匀的情况下，可以采用f c a 与d c a 相结合的 信道分配方式，因为其中的动态信道组能够使系统更加灵活，以克服承载话 务的随机波动湖j 。 2 4 越区切换管理 d b 是 图2 7 越区切换示意图 越区切换( h a n d o f f , 简称切换) 是指移动台在呼叫进行中，从一个服务 小区移动到另一个服务小区时，维持呼叫继续进行的过程，如图2 7 所示【15 1 。 当链路中断不通信时就不需要切换。越区切换特性不是蜂窝网络特有的，当 今的大部分无线通信网络都具有这一功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 4 1 越区切换原理 越区切换的过程可分为4 个阶段：触发、扫描、选择和执行【3 j 。 在g s m r 系统中，小区的半径相对较小，在一次呼叫过程中，移动用户 穿越一个小区的概率很高，尤其在高密度的市区，一次呼叫可能会出现几次 切换。在呼叫期间( 传输用户数据或信令) ，基站定时对移动台的信号进行 测量和评估。当检测到异常情况时，基站立即向m s c 或b s c 发出告警信号， m s c 或b s c 会寻找一个新小区或新信道，找到后触发一个切换；否则通信会 在原来的信道上继续进行【4 】。同时，尝试切换过程周期性地重复进行。如果完 成切换，原来的信道就需要被释放。越区切换将在以下三种情况下被触剔2 2 】： ( 1 ) 由于信道传输特性的恶化造成移动台接收到的信号有所下降； ( 2 ) 当移动用户从一个小区运动到另一个小区时； ( 3 ) 当系统为了容纳新的业务而对系统资源进行重新分配时。 2 4 2 越区切换判据 在越区切换的初始化阶段中，目前的蜂窝系统中主要有以下几种越区切 换的初始化判据p 5 j ： ( 1 ) 接收到的相对信号强度判据，这是最简单的判据，该判据总是选择信 号最强的基站，如图2 7 的a 点； ( 2 ) 移动台和基站之间的距离判据，由于无线信道的多变性以及移动用户 所处环境的不同，在蜂窝系统中完全可能出现这样一种现象，即从离用户近 的基站接收到的信号质量反而不如从离用户较远的基站接收到的信号质量。 因此，实际系统中经常将距离判据作为c i r 或r s s 判据的一种辅助参考。 此外，还有最为常见的带门限的相对信号强度判据，如图2 7 的b 点； 带滞后的相对信号强度判据，如图2 7 的c 点；带滞后门限的相对信号强度 判据，如图2 7 的d 点；载波与干扰比判据，及由系统引起的网络判据。 系统在做出越区切换的判据后，将为移动台在新的小区分配新的资源， 这便是越区切换的决策过程。 为了衡量切换的质量，这里提出几个评判切换质量的标准【l5 j ：测量通话 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 质量；移动台运动轨迹上总的切换次数；不必要的切换次数；切换失败的次 数；由于切换引起的延迟。本文主要使用切换失败的次数作为评判切换质量 的标准，因为切换失败的次数严重影响了通信的质量。这些标准是相互联系 的，由于执行切换时网络要交换大量信息，因此应该尽量避免不必要的切换， 并限制总的切换次数。 2 4 3 高速对g s m r 切换的影响 g s m r 系统的小区半径相对较小，一次呼叫可能会经历多次切捌4 2 1 。为 了保证列车的安全运行，g s m r 系统需要解决的技术难题是更短的切换时间， 更高的切换成功率以及更高的可靠性和有效性。 列车在3 5 0 k m h 的速度下，每秒行驶约1 0 0 m ，越区切换时间按6 秒内计 算，所需的切换距离大约是6 0 0 m 。如果切换不足够快的话，服务质量可能遭 到一些降级并且掉到最小门限电平以下1 4 引。当两个小区信号强度相近时，由 于阴影效应和多级衰落的影响，小区边界处场强具有波动性，导致移动台在 两个小区之间来回切换，即所谓的乒乓切换。当列车速度大于一定值后，切 换区长度满足不了系统要求，就会造成切换掉话。g s m r 网络沿铁路线状覆 盖，列车在运行过程中会发生频繁的越区切换，其后果是降低了服务质量m 】。 因此，减少切换次数、简化切换过程、避免乒乓切换，及时快速完成切换是 提高g s m r 越区切换性能的关键。 根据以上结论，应该从几个方面来改进g s m r 系统中越区切换的性能： ( 1 ) 合理规划网络：通过采用合理的无线覆盖方案，减少列车整个运行过 程越区切换总次数；保证切换带的长度并合理设置切换区域； ( 2 ) 全面对网络进行优化：通过调整参数设置和改善无线覆盖环境，减少 乒乓切换现象的发生，降低掉话率，保障切换顺利完成； ( 3 ) 选择正确的切换算法：根据g s m 系统的最优算法，结合g s m r 系 统的无线覆盖特点，选择切换算法。 ( 4 ) 简化邻小区列表：g s m r 系统没有必要像公用通信系统中那样设立 六小区的切换邻小区表，根据列车运行方向可以简化邻小区列表 1 8 , 4 5 。对于 单层网络而言，相邻小区只有前后两个，若再知道列车的运行方向，即可确 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 定切换的目标小区从而简化邻小区列表，这就是目标小区指定法【5 1 。 2 5 越区切换对信道分配的影响 当用户切换到新小区后，需要在新小区中建立相应的业务信道以及专用 控制信道。与切换相关的信道分配方案有以下几种【4 l 】： ( 1 ) 视同新呼叫：把切换看作一个新产生的呼叫，如果用户切换到新小区 时该小区中没有可用信道，则切换用户的通话中断，发生掉话。该方法由于 掉话率较高现在很少采用。 ( 2 ) 预留资源：从用户角度来说，掉话比阻塞更难以接受，这就要求系统 的设计应当使掉话率显著低于阻塞率。为此，可以在每个小区固定或动态预 留一部分信道专用于切换呼叫。此时，因切换失败而造成的掉话率也必然小 于阻塞率。该方法是本文所采用的方法，同时也是贯穿全文的一个主要思想。 ( 3 ) 切换排队( h q ) ：排队是用于延迟切换的一种方式，让切换来的用户 在没有信道可用时处于排队等待信道的状态，在排队期间继续使用原来信道。 如果在排队期间新小区中有用户结束了通话，则释放出来的信道立即分配给 这个排队的切换用户使用。如果排队期间用户离原来的小区越来越远，以至 于等不到新信道时原信道已不可用，则发生掉话。切换排队是被经常采用的 方法之一，同时在本文第三章中对切换排队进行详细分析。 2 6 本章小结 本章介绍了g s m