（电路与系统专业论文）gsm——r网络干扰分析和优化策略研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来，中国的高速铁路飞速发展，特别是京沪高铁的运营使用标志着中国 的高铁技术已领先于其它各国。当高速列车的速度在3 0 0 k m h 以上时，通常需要 采用c t c s 3 ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e ml e v e lt h r e e ) 专用的网络一g s m r ( g s m f o r r a i l w a y ) 作为列控信号的通信平台。由于高速铁路沿线的地形环境十分复杂， 因此影响网络正常通信的因素千变万化，其中干扰现象是最为普遍，也是影响程 度最深的因素之一。严重的干扰甚至会造成通信中断，引起重大的事故，所以对 干扰现象进行深入研究，并提出对其优化的策略具有至关重要的意义。 在对干扰现象的研究过程中，干扰的检测、定位和优化是当前业界研究的重 点内容。本文阐述了干扰检测的三种思路：t c h ( 业务信道) 性能测量、切换性 能测量和掉话分析，并详细介绍了定位和排查的常用方式，在此基础上对实测数 据进行了分析。同时，本文采用n b t r e e 算法和j 4 8 算法对海量实测数据进行了干 扰事件的分类挖掘，其结果表明实测路段的干扰现象较为严重，并且呈现不均匀 分布；此后本文使用常用的干扰定位方法进行排查，发现干扰现象频繁发生往往 是由于相应路段的频率分配不满足干扰约束条件所造成的。针对此种情况，本文 从频率规划的角度出发提出了一种新的频率分配模型，该分配模型主要从干扰约 束和频率利用率两方面进行考虑；然后在此模型的基础上提出了基于遗传禁忌算 法的干扰优化策略，该优化策略以干扰限制条件和频率利用率为目标函数来得到 合理的频率规划方案，以此减少系统内干扰的发生，从而提高了g s m r 网络的 通信性能。 本文从电磁波传播的角度出发研究了传统干扰优化方法的优劣，发现传统方 法往往通过调整场强覆盖来减少干扰，比较被动而且可操作性较差；然后基于频 率分配模型仿真对比了基于遗传算法的干扰优化策略和本文所提出的优化策略， 其结果表明基于遗传禁忌算法的干扰优化策略克服了遗传算法自身的缺陷，杜绝 了“早熟”现象，而且该优化策略的收敛性要远远强于基于遗传算法的经典优化 i i 浙江大学硕士学位论文摘要 策略。因此，与以往的干扰优化方法相比，本文所提出的优化策略具有可操作性 强、性能好，收敛性高等特点。 关键词：g s m r 网络，干扰检测，分类挖掘，n b t r e e ，j 4 8 ，频率分配模型，遗 传禁忌干扰优化策略 i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t d u r i n gt h el a s td e c a d e ，t h eh i g h - s p e e dr a i l w a yh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nc h i n a e s p e c i a l l y , t h eo p e n i n go fb e i j i n g - s h a n g h a ih i g h s p e e dr a i l w a yi n d i c a t e st h a tc h i n a h a sb e e na h e a do ft h er e s tw o r l di nt h et e c h n o l o g yo fh i g h s p e e dr a i l w a y w h e nt h e s p e e do fh i g h s p e e dr a i l w a ye x c e e d s3 0 0k i l o m e t e rp e rh o u r , g s m - r ( g s mf o r r a i l w a y ) i sg e n e r a l l yu t i l i z e d ，w h i c hi st h ec t c s 3 s ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m l e v e lt h r e e ) p r i v a t en e t w o r k b e c a u s et h et e r r a i ne n v i r o n m e n ta l o n gt h eh i 曲一s p e e d r a i l w a y i sr a t h e r c o m p l e x ，t h e r e a r em a n yk i n d so ff a c t o r st h a ta f f e c t t h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h e r e i n t o ，t h ei n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o ni st h em o s tc o m m o n a n di n f l u e n t i a l ，a n ds e r i o u si n t e r f e r e n c ee v e nc a u s e sc o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p tw h i c h l e a d st om a jo ri n c i d e n t s h e n c e ，d e l v i n gi n t ot h ei n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o no fg s m r n e t w o r ka n dp r o p o s i n gt h eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi so fi m p o r t a n c e i nt h er e s e a r c ho fi n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o n , t h ed e t e c t i o na n do p t i m i z a t i o no f i n t e r f e r e n c ea r ek e ys u b j e c t so fc u r r e n ti n d u s t r y t h i sp a p e re x p o u n d st h r e em e t h o d st o d e t e c ti n t e r f e r e n c ea n di n t r o d u c e st h ec o m m o nw a y st ol o c a t ei n t e r f e r e n c e a tt h es a m e t i m e ，t h i sp a p e ru t i l i z e sn b t r e ea l g o r i t h ma n dj 4 8a l g o r i t h mt oc l a s s i f ym a s sm e a s u r e d d a t ab a s e do ni n t e r f e r e n c e e v e n t ，a n di t sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei n t e r f e r e n c e p h e n o m e n o ni s r a t h e rs e r i o u sa l o n gt h e t e s t i n gs e c t i o na n dh a st h e f e a t u r eo f n o n u n i f o r md i s t r i b u t i o n a f t e r c h e c k i n gt h i sp r o b l e m ，i ti s d i s c o v e r e dt h a tt h e i m p r o p e rf r e q u e n c ya l l o c a t i o nl e a d st ot h ef r e q u e n to c c u r r e n c eo fi n t e r f e r e n c e a st o t h i sc o n d i t i o n , t h i sp a p e r p r o p o s e san e wf r e q u e n c yp l a n n i n gm o d e l t h i sm o d e lt a k e s a c c o u n to ft h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ，i n t e r f e r e n c ec o n s t r a i n t sa n dt h eu t i l i z a t i o no f f r e q u e n c ya n d t h e nt h i sp a p e rp r o p o s e san e wi n t e r f e r e n c eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yb a s e d o ng e n e r i c - t a b ua l g o r i t h mb yu s i n gt h ep r o p o s e dm o d e l ，a n dt h i ss t r a t e g ys e t st h e c o n s t r a i nc o n d i t i o no fi n t e r f e r e n c ea n du t i l i z a t i o no ff r e q u e n c ya st h e o b j e c t i v e i v 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t f u n c t i o ni no r d e rt og e tt h er e a s o n a b l ef r e q u e n c yp l a n n i n gs c h e m e ，w h i c ha v o i d st h e i n t e r f e r e n c ei ng s m rn e t w o r ka n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l en e t w o r k i nt h ep r o c e s so fa n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a li n t e r f e r e n c eo p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，t h i s p a p e rs t u d i e st h et r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si n t h ev i e wo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o n i t sr e s u l ts h o w st h a tt h et r a d i t i o n a l m e t h o d sr e d u c ei n t e r f e r e n c eb ya d j u s t i n gt h ec o v e r i n go ff i e l ds t r e n g t h ，s ot h i sk i n do f m e t h o d si sr a t h e rp a s s i v ea n dn o te a s yt oi m p l e m e n t b yc o m p a r i n gt h ei n t e r f e r e n c e o p t i m i z a t i o ns t r a t e g yb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mt ot h es t r a t e g yp r o p o s e db yt h i s p a p e rv i as i m u l a t i o n ，t h er e s u l t s h o w st h a tt h es t r a t e g yp r o p o s e db yt h i sp a p e r o v e r c o m e st h ed e f e c to fg e n e t i ca l g o r i t h m m o r e o v e r , i t sc o n v e r g e n c ei sm u c hb e t t e r t h a nt h eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z a t i o n s t r a t e g yp r o p o s e db yt h i sp a p e ri sm u c h f i t t e rf o rg s m - rn e t w o r k k e y w o r d s ：g s m i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o n , m i n i n gc l a s s i f i c a t i o n , n b t r e e ，j 4 8 ， f r e q u e n c ya l l o c a t i o nm o d e l ，i n t e r f e r e n c eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yb a s e do n g a t s v 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在浙江大学研究生的两年半学习和生活中，认识了很多良师益友。首先衷心 感谢金心宇教授，金心宇教授无论在科研方面、育人方面、生活方面都给予了我 无微不至的关怀。金心宇教授严谨的工作作风、渊博的学科知识、诲人不倦的育 入态度，都给我树立了一个很好的榜样。在研究生阶段的学习与生活的过程中， 我不仅学会了学术研究的方法，更学到了做一个社会人的道理，为我未来走入社 会打下了坚实的基础，在此表示衷心的感谢和敬意。 孙斌老师和张昱老师在我的学习、科研和论文协作期间，给予了认真严谨的 指导和无微不至的关怀，在此表示衷心的感谢。 还要感谢我的同学陈巍卿、叶晓龙、林青涛、李成、于一帆和冯庆坤，在学 习和生活的过程中与我一起携手克服困难、分享成果和快乐。同时还要感谢我们 实验室的几位博士：欧阳博、蒋路茸、吴端坡和刘俊飙，感谢他们在我做毕业设 计的过程中给予的指导和关怀。虽然研究生阶段时间很短，可是在实验室这个大 家庭中，互相学习，共同进步，一起奋斗的生活都是一段宝贵的回忆。 最后，我还要特别感谢我的父母，他们所给予的关心、支持和鼓励，是我人 生道路上永恒的动力! 孙可 2 0 1 2 年2 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 c t c s ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 是保证列车高速安全运行的列车信号控 制系统，按功能要求和配置划分为o 4 级，其中c t c s3 和c t c s4 的速度为 3 0 0 5 0 0 k m h ，而原来的轨道电路不能满足其高速的要求，因此采用高速列车的 专用网络一g s m r 网络【1 1 。由于g s m r 网络传输列控信息，一旦发生故障将导 致非常严重的后果，因此g s m r 网络系统必须提供安全可靠的数据链路用来保 证列车的高速运行。g s m r 网络系统是高速铁路通信设计的专用数字移动通信系 统，其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，相比较于以往的公网g s m ，其优势主要体现在以下几个方面： 综合性、经济性和适合高速铁路1 2 。 目前瑞士、德国、西班牙等2 6 个国家已广泛实施了g s m r 网络，1 1 个国家 开通了商用网络。g s m r 技术进入我国已有十余年的历程，现在已有武广线、青 藏线、胶济线，郑太线等多条高铁专用线使用g s m r 网络进行覆盖。相比较于 欧洲国家，我国的g s m r 网络更加庞大，更为复杂，各方面的要求也更高，因 此其网络维护和优化任务更为艰巨【3 】。目前对于g s m r 网络的维护和优化主要从 网络信号覆盖、通话质量和越区切换三个方面着手，综合各种设备( 如：场强仪、 频谱分析仪、信令分析仪等) 采集的数据，分析影响网络质量的因素、找出故障 产生的原因，改善系统的运行参数，提高g s m r 网络性能，保证g s m r 网络的 正常运行，具体的目标有以下几点： ( 1 ) 优化网络覆盖，提高通话质量 我国幅员辽阔，铁路沿线的地形十分复杂，有山川、河流、大中小城 市等，面对如此复杂的地形，基站必须要进行合理的分布以满足网络 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 覆盖的要求，否则沿线的通话质量就难以保证。 ( 2 ) 合理规划频率，减少干扰现象 g s m r 网络的干扰现象以同频干扰和邻频干扰为主，其中邻频干扰分 为系统内干扰和系统外干扰，系统外干扰主要是g s m 网络信号所产生 的干扰。不管是同频干扰还是邻频干扰都主要是由于g s m r 网络的频 率规划不合理所致，因此必须结合实际合理规划频率来减少干扰。 ( 3 ) 优化切换策略和基站配置参数，减少切换失败现象 据统计，发现4 0 以上的掉话是由于切换失败所造成的，可见优化切 换是提高g s m r 网络性能的关键一环。切换失败主要是切换策略和与 切换相关的一些基站参数( 如：切换门限、切换容限等) 不合理造成 的，因此必须优化切换策略和基站的一些配置参数。 只有以上述三个优化目标为立足点，对g s m r 网络系统进行整体规划和合理 配置才能保证高速铁路专用网络的正常通信，才能保证列车在高速情况下正常运 行。 1 2 国内外主要研究现状 目前，对于g s m r 网络不论是理论分析方面还是工程应用方面，国内外的学 者主要集中在干扰分析和切换策略两个方面。相关的一些研究成果如下： 文献【4 】分析了g s m r 网络和g s m 网络之间产生的干扰，提出了5 个步骤措 施来解决g s m 网络对g s m r 产生的邻频干扰：干扰定位、数据分析、定点干扰 测试、干扰清除和电磁场环境重新设置。 文献【5 】针对小区重选和切换持续时间过长的问题，提出了使用位置信息作为 辅助来减少小区重选和切换的准备时间的快速切换算法，并介绍了三种在高速环 境下获取位置信息的策略，该实验仿真表明此算法适合广域线状网络覆盖分布的 移动情况。 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 文献 6 】研究了安全数据通信在越区切换时的传输可靠性，并对越区切换的过 程进行随机p e t r i 网的建模和分析，得出了在3 5 0 k m h 的速度下列车的速度、越区 切换时间与越区切换成功率之间的相互关系。 文献 7 】研究了标准电磁抗干扰测试方法在g s m r 网络中的应用，指出了其 在应用过程中的缺陷，并提出了一种新的g s m r 抗干扰测试方法。 文献【8 】研究了在g s m r 网络系统中接收信号可能会受到严重的多普勒频偏 和干扰，由此会导致错误的切换判决，该文提出了一种基于中继站的快速切换算 法，大量数据表明采用此算法使切换中断率大大降低。 文献【9 】在已有切换算法的基础上提出了一种基于模糊逻辑的切换算法，将列 车的速度引入切换判决 - 3 中，并结合基站与移动台的距离和场强等参数计算当前 小区的切换值，进行切换判决，从而提高了切换成功率。 文献【1 0 】研究了接收电平( r x l e v ) 、通话质量( r x q u a l ) 和多普勒频偏之间 的关系，并结合实测数据和m e g e e h a n g r i f f i t h s 模型提出了一种新的修正模型一 m g 模型。 文献【1 1 】研究了路径损耗、多径效应、多普勒效应、阴影衰落对数据传输误码 率的影响。分析了小区重选时长、接收电平以及重叠区长度与小区半径之间的关 系，并且通过修改小尺度衰落模型中的参数构建了不同信道对通信质量影响的分 析模型。 文献 1 2 】研究了两种g s m - r 冗余的网络结构，并基于这两种网络结构建立了 列车控制系统的信道模型，然后分析了小区内列车的个数与空闲信道率之间的关 系。实验表明对于c t c s 3 业务，交叉站址双层网结构要比同站址双层网结构更 可靠。 文献 1 3 研究了铁路环境电磁波产生的瞬态干扰，并提出了预测误码率( b e r ) 的算法。 文献 1 4 】以沿线实测数据为基础，研究了基于a p r i o r i 算法和h o t s p o t 算法的 越区切换参数关联规则挖掘，并且在关联挖掘分析结果的基础上提出了基于b p 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 神经网络切换算法。 文献 1 5 】研究了影响g s m r 越区切换质量的因素，分析了单覆盖环境- 9 冗余 覆盖环境下的相邻小区关系的差异，并且提出了一种改进的适用于冗余覆盖环境 下的g s m r 网络的快速切换算法。 文献【1 6 】基于g s m 网络以往的专家系统经验，设计出了针对于g s m r 网络 优化的专家系统模型。该模型融合了各种数据源，增强了系统对切换故障的分析 能力。 文献 1 7 】基于h a t a 预测模型研究了在不同地理环境和速度下的g s m r 网络 的场强覆盖情况，同时分析了场强覆盖范围与同频干扰之间的关系，并使用相关 数据对其进行验证。 文献 1 8 】分析了小尺度衰落和载干比之间的关系，并针对线状覆盖模型研究了 频率复用所带来的干扰问题。同时，该文献综合考虑了阴影衰落和快衰落的影响， 其结果表明有用信号和干扰信号的包络都服从r a y l e i g h 衰落分布，并得出了有用 信号和干扰信号之间的相关比例系数对满足载干比要求的概率影响。 文献 1 9 】分析了同频干扰的载干比的随机特性，并推导了在r a y l e i g h 衰落和 阴影衰落条件下，单干扰源和多干扰源的同频干扰的概率公式。在此基础上，研 究了误码率和载干比之间的关系，提出了同频干扰的载干比的计算方法。 文献 2 0 使用实测数据对传播模型进行校验、验证，找出适合沿线环境的传播 模型参数，并将地形因素、速度参数与无线通信原理结合起来对多径径数分布、 反射散射次数分布进行了研究分析。 1 3 论文的研究目的和意义 我国的京沪高铁已于2 0 1 1 年6 月3 0 日正式投入使用，总长度为1 3 18 公里， 运行速度达到3 8 0 k m h ，已成为金世界最长并且速度最快的高速铁路，而且不久 的将来列车速度会得到进一步提升，但是这样会面临严重的安全风险。为了应对 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 在高速情况下所遇到的各种潜在危险，列车的控制系统必须采用c t c s 3 级别的 业务系统【l 】当列控系统使用c t c s 3 业务系统时，须要使用g s m r 网络系统对 列控信息进行传输，而目前列车控制信息的传送方式大体上分为两种：c s d 数据 传输和语音数据传输，列控信息的正常传输是保证列车高速运行的关键 2 】。由于 干扰现象是影响g s m r 网络正常通信的关键因素，也是g s m r 网络最为常见的 现象，因此深入研究干扰现象对维护和优化g s m r 网络具有至关重要的意义。 本文选取g s m r 网络干扰现象中最主要、影响也最为巨大的同频干扰和邻频 干扰进行分析研究，在综合沿线基站的配置信息和海量路测数据的基础之上，分 析干扰与通话质量、场强覆盖和频率规划之间的关系，定位干扰发生的位置并找 出产生干扰的原因，提出减少干扰、优化g s m r 网络的策略。 迄今为止，对于g s m r 网络干扰的研究大多是从理论推导的角度进行分析研 究，着重从g s m r 网络的覆盖模型、衰落特性、载干比、误码率等方面进行建 模分析，然后通过仿真进行验证，缺乏实测数据的支撑，这样虽然仿真出来的模 型具有一定的创新性，但无法与具体的工程应用结合起来。同时，以往对干扰现 象的分析研究往往数据源比较匮乏，基本上采用a b i s 接口的采集数据进行研究分 析，过于单一，因此分析也难以全面、准确。在进行干扰分析时应该综合基站的 配置信息和各种设备采集的数据进行参数抽取获得与干扰问题相关的数据，如场 强仪、频谱仪、信令分析仪采集的u m 接口、a b i s 接口和a 接口的相关数据。同 时，以往所提出的干扰优化方式大多是修改基站的配置参数，如调整基站的高度、 天线的倾斜角等，以此来优化g s m r 网络的场强覆盖情况，然而此类优化方式 往往是针对局部问题，有时会产生相反的作用，并且可操作性较差。 优化g s m r 网络，减少干扰的方法主要从以下三个方面着手： ( 1 ) 调整基站天线的配置，如调整基站天线的高度、更改天线的安装位置、 修改天线的倾斜角等，以此减少干扰现象的发生。 ( 2 ) 采用跳频技术来改变频率以此躲避干扰，如上行路径采用射频跳频方式 减少对基站选择性的影响，下行路径采用基带跳频来减少输出损耗。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 合理分配频率来尽量避免系统内的同频干扰和邻频干扰，由于g s m r 网络系统中的频点号包括了9 9 9 1 0 1 9 这2 1 个，其中9 9 9 和1 0 1 9 被用于隔离保 护，因此真正可以使用的频点只有1 9 个( 1 0 0 0 1 0 1 8 ) ，频点十分有限，因此采 用频率复用的方式来满足需求。如果频率规划不合理，那么g s m r 系统的干扰 现象会十分严重。 目前，大多数研究都是以前两个方面作为出发点，对最后一种方式研究相对 较少，而本文选择最后一种方法作为研究优化干扰策略的立足点，通过获得合理 的频率分配方案，提高网络的整体性能。 1 4 论文的组织结构 本文主要是研究g s m r 网络系统的干扰优化方法。首先，本文介绍了g s m - r 网络的基础知识，简要描述了网络的无线信道模型和覆盖方式，并重点阐述了 g s m r 网络的各种干扰类型，对各种干扰现象的发生原因、产生的影响以及常用 的优化方式进行了全面的介绍。之后以高速铁路某实验段的路测数据为基础，研 究了基于n b t r e e 算法和j 4 8 算法的干扰类型的分类挖掘，并对分类挖掘结果进行 分析，得出了在频率规划较差时干扰现象比较频繁，可见合理的频率规划方案能 够有效地避免系统内干扰的发生。本文研究了传统的干扰优化方法以及基于频率 规划的干扰优化算法等已有的干扰优化策略，并且分析了已有干扰优化策略的缺 陷。同时，本文针对刀频组方案提出了g s m r 系统的频率分配模型，并在此频 率分配模型的基础上，结合分类挖掘的分析结果和已有频率规划算法的自身缺 陷，提出了基于遗传禁忌算法的频率规划方案，该方案以避免系统内干扰发生， 提高频率利用率为目标。相比较于经典的频率规划方法，此方案不仅可操作性较 强，而且简单易行。在频率分配模型下，仿真对比了传统干扰优化方法、基于遗 传算法的频率规划方案和基于遗传禁忌算法的频率规划方案。实验结果表示，传 统的干扰优化方法操作可操作性较差，对提高网络的整体性能难以奏效；本文提 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 出的优化策略与基于遗传算法的干扰优化策略相比，克服了遗传算法的自身缺 陷，提高了局部搜索能力，其得出的结果更适合g s m r 网络系统。综合考虑实 际工程成本等各方面因素，基于遗传禁忌算法的干扰优化策略更具有实际应用意 义。 本文的各章节组织结构如下： 第二章主要介绍了g s m r 网络系统的无线信道模型、覆盖方式，并着重描述 了各种干扰类型，对其产生的原因以及常用的优化方法进行了分析，为干扰研究 提供了理论基础。 第三章阐述了干扰检测的三种思路：t c h 性能测量、切换性能测量和掉话分 析，详细介绍了定位和排查的常用方式；并在此基础上采用了n b t r e e 算法和j 4 8 算法对实测数据进行了干扰事件的分类挖掘算。对比了两个算法的挖掘结果，得 出对于g s m - r 网络的干扰分析j 4 8 算法所建立的分类模型的准确率更高。因此 本文采用该分类模型对海量数据进行分析，将其结果和沿线基站的配置信息进行 结合分析，其结果表明 - 3 频率规划不合理时，干扰现象会十分频繁，因此可以通 过合理规划频率来尽量避免干扰的发生。 第四章主要研究了传统干扰优化方法、基于频率规划的干扰优化策略，并分 析了已有策略的缺陷。同时，针对g s m - r 网络的刀频组分配方案，提出了频率 分配模型。在此频率分配模型下，本文提出了基于遗传禁忌算法的干扰优化策略， 该策略克服了遗传算法的“早熟”现象，对提高网络的整体性能更有效。 第五章主要研究了o k u m u r a - h a t a 路径损耗模型和小尺度衰落模型，并以此为 基础建立了场强覆盖模型，为研究干扰现象提供了理论基础。实验仿真对比了传 统的干扰优化方法、基于遗传算法的干扰优化策略和基于遗传禁忌算法的干扰优 化策略的优劣，比较了它们在可实施性、有效性等方面的长处和不足。 第六章对本文进行了总结和展望。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 2 g s m r 网络基础知识 g s m r 网络是高速铁路的专用网络，因此在可靠性和安全性方面有较高的要 求。由于我国幅员辽阔、地形复杂，因此g s m r 网络所面临的困难也更为艰难 其中，干扰现象是影响g s m r 正常通信的关键因素，严重的干扰甚至会造成切 换失败、通话中断等现象。本章对g s m r 网络的基础知识进行了简要的介绍， 并在此基础之上分析了g s m r 网络中的各种类型的干扰。 2 1 无线信道模型 g s m r 网络应用于高速铁路，一般时速在3 5 0 k m h 以上，因此其通信性能 会受到移动无线信道的影响。同时，由于高速铁路所处的环境比较复杂( 如： 高山、平原、森林等) ，因此会造成电磁波传播的路径难以预测，但是其在传播 过程中所经历的衰落过程大体上是可以肯定的，可以分为平均路径损耗、阴影 衰落和多径衰落三种类型，其表达式如式( 2 1 1 ) 所示 2 】。 尸( d ) = l d is ( d ) r ( d ) ( 2 1 1 ) 式中孑表示距离向量，其标量值为基站和列车的直线距离，而例一、s ( 孑) 、r ( 孑) 分别表示平均路径损耗、阴影衰落和多径衰落【2 】。 平均路径损耗是由于基站与列车之间的距离不断增加而造成信号强度不断 的减弱，一般采用对数距离模型来描述，其表达式如式( 2 1 2 ) 所示【2 】。 蓦p ( d ) = 否，( 哦) + y 1 0 1 9 ( d ) ( 2 1 2 ) “o 式中，s 尸( 磊) 表示矾处的平均路径损耗，而s ，( d ) 表示d 处的平均路径损耗，y 表示路径损耗指数，不同传播环境下的路径损耗指数是不同的。 阴影衰落是电磁波穿过障碍物所产生的阴影区时所造成的衰落，一般是由 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 于复杂地形所造成的。大量的实测数据表明阴影衰落近似服从对数正态分布， 当以d b 为单位时，其分布近似服从正态分布，概率密度函数的表达式如式 ( 2 1 3 ) 所示【2 】。 删_ j 击唧 - 譬j 一刈 叫， 昂 ) ： 丽唧【一专产j 扮u ( 2 1 3 ) 【0 ， x 0 式中，x 为信号中值的分贝值；m 为信号中值x 的均值；仃为信号中值x 的标准 偏差【2 】 多径衰落是由于复杂的地形使电磁波在传播过程中产生了反射、散射和绕 射等现象，这样信号从不同的路径传播到达而产生的衰落。一般情况下，多径 衰落分为瑞利衰落和莱斯衰落。瑞利衰落和莱斯衰落的主要区别为是否存在起 主导作用的直射波，瑞利衰落不存在直射波，但是莱斯衰落存在。瑞利衰落的 包络是一个随机量，其概率密度分布服从r a y l e i g h 分布，其表达式如式( 2 1 4 ) 所示【2 l 】。 ：j 砉e 醑嘉刈 亿， 【1 0 ，s 0 式中，j 表示场强总的包络，仃表示包络检波之前场强信号的均方根值，盯2 是 包络检波之前场强信号的平均功率。莱斯衰落包络的概率密度服从r i c i a n 分布， 其表达式如式( 2 1 5 ) 所示【2 1 1 。 一= i ：e x p c 一等胤舢以。 仁m ， 【0 ， s o 式中，卢是主导波的最高振幅值，l ；f ，是包络检波之前信号包络的平均功率，厶为 零阶第一类贝瑟尔函数f 2 1 1 。通常来讲，静态信道服从r i c i a n 分布，而动态信道 服从r a y l e i g h 分布。 9 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 2 2g s m r 网络覆盖方式 相比较于其它公用网络，g s m r 网络在可靠性和安全性等方面有更高的要 求。其组网方式是影响网络系统整体性能的关键因素，而大体上可以分为三种形 式：单层网覆盖、同站址双层网覆盖和交叉站址双层网。目前在一些欧洲国家均 采用双层网覆盖模式，而我国普遍使用单层网覆盖方式。 2 2 1单层网覆盖 单层网覆盖方式是g s m 。r 网络最简单也最为普遍的网络结构方式，其结构图 如图( 2 2 1 ) 所示【2 】。该覆盖方式一个基站对应一个覆盖小区，具有成本低、基 站参数设置方便而且频率利用率高等优点，但是其故障应对能力较差，当一个基 站出现故障时，没有冗余备用基站可以顶替，这样整个网络的性能会大大降低， 甚至会出现网络中断的现象【2 】。 2 2 2同站址双层网覆盖 图2 2 1 单层网覆盖示意图 同站址双网覆盖方式是采用两套相互独立的基站安置在同一个站点，使两个 基站覆盖相同的区域，这样就构成了铁路沿线的双层网络覆盖，每层基站分别由 各自的基站控制器进行控制，如图( 2 2 2 ) 所示【1 4 1 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 a 层 b 层 崖整支 l k 。一 惑 翁一 i 、 黝墨缓兹貂勰1 铲譬琵臻猫隧盈驻嚣弱继臻鞲鼹黝y 鞠黼辫燃盈弱_ 、。 陌蕊 二一一，、 u 矮 图2 2 2 同站址双层网覆盖示意图 同站址双层网的两套设备可以同时分担业务，也可以选择其中的一套作为主 用，另一套作为备用。当其中的一套设备出现故障时，另一套可以代替其进行工 作，这样保证g s m r 网络的正常工作【l 】。该覆盖方式中各个基站子系统使用冗余 设计，这样减少了越区切换的次数，基站参数的设置较为容易，而且相对于单层 网络可靠性更高，但是由于同一个站点的两个基站设备安装在同一个机器之间， 共享相同的配套设施，如果发生重大自然灾害( 火灾、洪水、闪电等) ，同一个 站点的两套基站设备都会受到损坏，造成这一路段失去信号的覆盖，影响高速列 车的通信安全 2 1 。欧洲法国和西班牙的高速铁路就是采用同站址双网覆盖方式。 2 2 3交叉站址双层网覆盖 在交叉站址双层网覆盖方式中，冗余备份的基站位于两个连续的基站之间， 这样可以增强了对原基站的网络覆盖，其示意图如图( 2 2 3 ) 所示。 a 层 b 层 图2 2 3 交叉站址双层网覆盖示意图 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 交叉站址双层网覆盖方式采用了两套相互独立交织的无线网络，这两层网络 可以同时分摊业务，而网络通信业务可以在一层网络中进行，这样可以保证在一 套设备出现故障之后另外一套设备可以代替其进行工作，g s m r 网络仍能正常工 作f 2 】基站子系统是冗余独立设计的，每个基站拥有独立机器间，而且配套设施 也是分开的。这样发生重大的灾害，即使其中一个发生了故障，另外一个也不会 受影响，但是这样无疑会增加配套工程的成本，而且使小区规划问题更为复杂； 同时，又引起了另外一些问题：频率利用率低、基站参数设置困难、隧道等弱场 区段的信号覆盖的设计更为复杂等，而且b 层的基站位于a 层两个连续基站之间， 如果列车在a 层小区之间进行切换，当列车到达a 层两个基站之间的覆盖区域时， 这两个基站的信号强度比较弱，然而b 层基站的覆盖信号比较强，这时就可能从 a 层切换到b 层网络，发生越区切换，增加了掉话风险【1 4 】。 与同站址双层网覆盖方式相比，交叉站址双层网有如下的缺点：基站的各种 参数设置较为复杂，由于所需的站点比较多，在基站选址时所面临的困难更为艰 巨。同时，由于站点的机器间是相互独立的，而且配套设施也是互相分开的，这 样无疑会增加工程成本，不过也提高了抗灾能力。交叉站址站间的距离要比同站 址的距离大很多，小区重选造成的故障率也要比同站址高很多，这对于高速运行 状态中的g p r s 数据传输会造成很大的伤害，因此在实际工程应用中，交叉站址 双网覆盖的方式被使用的不多【1 4 1 。 2 2 4双层网工作方式 对于同站址双网覆盖和交叉站址双网覆盖等双层网来说，其网络工作方式主 要有两种：均匀分担和主备分担的工作方式。 均匀分担是指双层网共同平均分担所有的业务，移动台根据需要选择双网中 的一层作为服务小区，小区选择和网络接入的优先级是相同的，为了提高切换成 功率，切换尽量控制在同一层小区内完成。如果某一层发生故障，移动台进入故 障区域后将切换至另外一层，并被锁定在该层网络上 2 1 。 1 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 主备分担方式是指主用网和备用网使用冗余热备份的工作方式，在正常的模 式下，移动台的所有切换都在主用层的小区中完成。如果主用层发生故障，移动 台进入故障小区后切换到备用层中，离开故障区域后又重新进行小区切换，回到 主用层中【2 】。 2 3g s m r 网络干扰类型 干扰是影响g s m r 网络正常通信的重要因素，其本质是未按频率分配方案的 非法频率占用了合法频率的信号，造成了合法频率信号无法正常工作。g s m r 网 络的干扰大体可以分为两类：网内干扰和网外干扰，其中网外干扰是指其它网络 ( 如中国移动、联通等公用网络) 对g s m r 网络所产生的干扰。由于外网的频 率与o s m r 网络的频率相差较大，可以通过合理的选择基站的位置来避免来自 外网的干扰，因此网外干扰往往是可以忽略的，但是网内干扰才是g s m r 网络 干扰中的重要成分，其主要存在三种机制：同频干扰、邻频干扰和互调干扰【2 2 】。 2 3 1同频干扰 同频干扰是由于频率复用引起的，而频率复用是指在g s m - r 系统中相隔一定 距离的两个基站使用相同的频率2 2 】。通常，同频小区之问的间隔距离越小，同频 干扰越大，此时频率利用率也越大；反之，同频干扰会减小，频率利用率也会降 低。对于同频干扰，有用信号和无用信号的频率是相同的，在接收机中经过变频、 d 放大而落到中频通频带中，其频率范围为f o ，f o 为有用信号的频率，b ，为 z 接收机的中频带宽【1 9 】。 由于干扰信号与有用信号被接收机同时放大，检波，如果两种信号出现载频 差，则会产生差拍干扰；如果两种信号的调制幅度不同，则会产生失真干扰，如 果两个信号存在相位差也会引起失真干扰。当干扰信号的强度越大时，接收机输 出的信噪比越小，如果干扰信号强度足够大时，会阻塞接收机，轻则会降低接收 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 灵敏度，重则会造成通信中断【2 】。同频干扰是一个十分复杂的问题，其产生的因 素也是多方面的： ( 1 )频率规划不合理，两个同频小区之间的距离太小，使同频干扰在一 定范围内存在。 ( 2 )直放站设置的不合理，造成了同频干扰。 ( 3 )基站天线的参数设置不合理，导致两个小区的覆盖交叉区域较深。 ( 4 )每个覆盖小区的参数( 如：b s i c 等) 定义不当，从而产生干扰。 同频干扰消除了低电平的信号，这样就造成了通话质量的下降，而且会经常 发生掉话现象。据话务统计，3 级以上的干扰发生时，掉话率和切换失败率远高 于正常小区，因此如何诊断同频干扰并对其进行有效的抑制是提高g s m r 网络性 能的重要途径 2 1 。目前，进行路测时，经常通过m e a s u r e m e n tr e p o r t 信令中的各 个参数值( 如：r x l e v e l 、r x q u a l 等) 对同频干扰进行检测，因为同频干扰发生 时，往往伴随着高电平而低通话质量的现象，在实际工程应用中，采用u m 接1 2 的 监测信息和基站的配置信息来进行同频干扰的诊断，其诊断流程图如图( 2 3 1 ) 所示。 1 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 2 3 2邻频干扰 y 图2 3 1同频干扰诊断流程图 邻频干扰是由于使用相邻的频率而产生的信号干扰，在g s m r 网络中，邻频 干扰往往是由频率规划不合理造成的，如果当前小区的b c c h 信道频率或t c h 信道频率和当前小区的两层相邻小区的b c c h 频率或t c h 频率出现相邻的情况， 那么此时就可以认为产生邻频干扰【2 2 】。如果有用信号的频率为f o ，而干扰信号的 频率为z ，并且两者之间的关系满足彳= f o + n x a f ，则称此干扰信号为有用信号 的n 阶干扰信号，鲈为最小频率间隔即2 0 0 k h z 。在工程应用中，滤波器一般可 以滤除三阶以上的频率，因此只需要考虑一阶邻频和二阶邻频产生的干扰【2 1 。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 邻频干扰产生的机理和同频干扰是不同的，其主要是因为接收机和发射机在 性能上达不到理论上的要求，也就是滤波器的阻带衰减不