GSM系统1×1和1×3频率复用方式的探讨.doc

GSM系统11和13频率复用方式的探讨广东省电信规划设计院张晓军 胡勇 肖群力摘 要：本文主要对GSM系统11和13频率复用方式的工作原理和规划原则进行了探讨分析，列举了应用实例，并在此基础上提出对11和13频率复用方式推广应用的一些建议。关键词：11 13 部分负荷(Fractional Load) 跳频(FH) 间断发射(DTX) 动态功率控制(DPC) 移动分配索引偏置(MAIO)近几年来，随着社会经济的不断发展和资费政策的调整，GSM移动通信网正处于飞速发展时期，网络容量和用户数量均在迅速增加。无线频率资源有限，而随着网络容量的增加，需要越来越紧密的频率复用，对无线频率规划提出了更高的要求。下面就对11和13这两种新型频率复用方式在GSM系统中的应用进行讨论。1 11和13频率复用方式的基本原理及相关技术采用11和13频率复用方式需要射频跳频(SFH)、移动分配索引偏置(MAIO)、间断发射(DTX)、动态功率控制(DPC)等技术的配合使用。下面简单地介绍一下上述技术：1.1 跳频(FH)跳频即每个载波的使用频点随着帧的改变而按照某种跳频序列在预先设定的一组频点中进行跳变。这组频点称为跳频频率组(HFS)，载波跳变顺序由跳频序列号(HSN)控制。跳频分为基带跳频和射频跳频两种：基带跳频收发信机数与跳频频点数量一致；射频跳频可以使用多于收发信机数的频点进行跳频，但需采用宽带的频率合成器。总的说来，跳频可以起到频率分集和干扰分集的作用，有效地改善无线链路的传输质量并降低干扰。1.2 间断发射(DTX)和动态功率控制(DPC)话音信道间断发射(DTX)是根据话音信号激活程度，在话音帧有信息时开启发送和无信息时关闭发送的系统传输控制技术，目的是降低空中干扰，提高系统容量和质量，减少电源消耗。动态功率控制(DPC)是指通过让话务信道仅使用保证无线链路质量的最小发射功率来降低干扰。1.3 移动分配索引偏置(MAIO)MAIO是给基本物理信道设定的一个频率偏置值，用来定义跳频序列的起始频点，进行MAIO规划时结合HSN可以避免跳频时小区内部载波之间的邻频干扰以及同站不同小区载波之间的同邻频干扰。显而易见，跳频频点的增加和系统负载的降低会大大减少干扰碰撞发生的可能性，因此，通过给小区配置大于载波数的跳频频点，结合SFH、DTX、DPC和MAIO等技术，在频率复用非常紧密的系统内可获得最大的载干比。1.4 11和13频率复用方式11频率复用方式是指GSM网络中所有小区的TCH使用同样的跳频频率组；13频率复用方式是指同一基站3个小区的TCH分别使用不同的跳频频率组，而所有基站都使用相同的3个跳频频率组。 上述两种频率复用方式均引入了“部分负荷(Fractional Load)”的概念，即每个小区均分配多于其实际载波数的频点，再结合射频跳频，这样即使在两同频小区话务量很高、大部分信道被占用的情况下，两个采用不同跳频序列(HSN)的同频小区发生频率碰撞的机会也不大，从而有效地达到干扰分散的目的。“部分负荷(Fractional Load)”由TCH的负荷来反映，其定义如下：TCH Load(13)每小区载波数/每个跳频组的频点数TCH Load(11)3小区总载波数/每个跳频组的频点数一般来说，为保证网络质量及MAIO规划要求，TCH Load需50。2 11和13频率复用方式的主要优点采用11和13频率复用方式具有如下优点：(1) 不需改变现有网络结构；(2) 与SFH、MAIO、DTX、DPC等技术配合使用可以保证较好的网络质量；(3) 频率规划简单，可大大减少频率规划的工作量；(4) 易于网络的扩容及调整，当网络中新建基站或在一定范围内增加载波时，不需要对整个网络的频率重新安排，能较好适应网络建设期间的进度要求和网络调整的需要。3 11和13频率复用方式规划原则3.1 11和13频率复用方式规划流程图3-1：“13”和“11”频率复用方式规划流程图3.2 BCCH/TCH频段划分和频点分配3.2.1 BCCH的载频选取原则我们知道，采用射频跳频后，含BCCH的载波需在所有时间工作，此载波不能参与FH、DPC和DTX。另外，BCCH所在时隙包括多个控制信道，如果BCCH所在频点受到干扰，将对手机与基站间的通信产生严重影响，所以，采用11和13频率复用方式需保证BCCH所在载波有足够的C/I值。BCCH采用何种复用方式取决于可使用频段、基站间距、基站规模、小区方向等，本文建议BCCH频段采用连续频段，与TCH所用频段不重复，并且复用度在15以上。这样做可以避免TCH与BCCH之间的互相干扰且简化相邻小区规划。3.2.2 话务信道(TCH)的分组TCH的分组取决于基站规模和小区方向。 11的TCH分组比较简单，除去BCCH载频后的剩余频点即可做为TCH使用频点。13频率复用时，为防止在基站开通后存在部分干扰较严重的小区，建议预留部分TCH频点留做备用，TCH的分组是将除去BCCH载频和留做备用的TCH频点后的剩余频点均分成三份，并保证每组TCH内部不存在邻频关系。3.3 MAIO和HSN的规划在紧密复用(如11频率复用)的系统中，所有小区使用相同的跳频组(HFS)，同一基站内通过设置MAIO可以避免同一基站内的小区在同一时间发射相同的频点，当然这要求所有的载波必须同步，再结合HSN的设置和一些相关技术，可以最大程度减小系统内的同/邻频干扰。3.3.1 HSN的规划采用11或13频率复用方式时，HSN的规划比较简单，只需将同一基站的所有小区的HSN设为相同即可，这样规划可以更好地发挥MAIO的优点。3.3.2 MAIO的规划在射频跳频中，MAIO结合HSN和FN (当前的帧号)用来选择当前应该使用的跳频组中的频点。1)当采用周期跳频时，即HSN=0：选择频点(MAIO+FN)模(跳频组HFS的频点数)2)当采用随机跳频时，即HSN=163，此时FN由一随机数值代替：选择频点(MAIO+随机数值)模(跳频组HFS的频点数)MAIO的数量需等于跳频组HFS对应的载波数。MAIO设置分为缺省设置和人工设置两种方法，缺省设置遵循“先偶数后奇数”的原则。例如，当HFS包含7个频点时，MAIO的缺省设置为0,2,4,6,1,3,5。实际上当一个跳频组HFS中仅有3个载波时，MAIO数值中只使用前3个数值即0,2,4。剩余的数值将在有新增载波时才会使用。MAIO的数量需等于小区载波数，MAIO设置分为缺省设置和人工设置两种方法，缺省设置遵循“先偶数后奇数”的原则。例如，当一个小区包含7个载波时，MAIO的缺省设置为0,2,4,6,1,3,5。实际上当一个跳频组HFS中仅有3个载波时，MAIO数值中只使用前3个数值即0,2,4。剩余的数值将在有新增载波时才会使用。下面着重描述一下在11和13频率复用情况下MAIO设置的原则：A.11频率复用中MAIO的设置11即系统中所有小区使用相同的跳频组(HFS)，为避免同一基站内小区间的同/邻频干扰和同一小区内的邻频干扰，必须分配不同的MAIO给同一基站内的每个小区。MAIO的定义方法取决于跳频组内是否有相邻的频点。l 当HFS中包含相邻的频点时，本基站只能使用全部为偶数本基站只能使用全部为偶数(或奇数)的MAIO数值。这样就要求HFS的频点数一定要大于2倍的三小区总载波数，否则有时会造成邻频干扰。l 当HFS中没有相邻的频点时，MAIO数值可随意分配给每个小区，只要保证同一基站内的小区间没有相同的MAIO数值即可。下面举例介绍当HFS包含相邻频点时MAIO设置方法，每小区有3个载波，TCH的跳频组(HFS)为10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21，则MAIO的分配如下表所示： CELLACELLBCELLCTRX0BCCHBCCHBCCHTRX1MAIO=0MAIO=2MAIO=4TRX2MAIO=6MAIO=8MAIO=10假设HSN=0，即采用周期跳频，当FN=0时，则CELLA的跳频频点为10,16，CELLB的跳频频点为12,18，CELLC的跳频频点为14,20，这样就完全避免了同一基站内小区间的同/邻频干扰和同一小区内的邻频干扰。B.13频率复用中MAIO的设置在采用13频率复用的系统中，所有基站使用相同的三组频率， 当每组可使用频率大过2倍本小区实际载波数时， 本文建议将可使用频率均匀分配给3个小区，并保证每份中间不存在邻频关系，例如每小区有3个载波，TCH可使用的频率为10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21，则各小区TCH频率安排如下表所示： HFS for CELLAHFS for CELLBHFS for CELLC101112131415161718192021表3这种频率安排要求至少有1个小区必须采用人工设置MAIO以避免小区间的邻频干扰，例如CELLA和CELLC采用缺省设置0和2时，CELLB则一定要采用人工设置为1和3。当FN=0且为周期跳频时，CELLA使用频率为10和16，CELLB使用频率为14和20，CELLC则为12和18。通过人工设置MAIO避免了小区间和小区内部的邻频干扰，因此本文建议在采用13频率复用时应采取这种TCH频率分配方法。4 应用实例为了验证11和13在实际网络中应用的效果，我们选取某市区的GSM1800网络进行了试验。试验区域包含了19个基站，在试验准备阶段将所有基站按硬件条件可达到的最大规模进行配置，大部分基站为3/3/3配置。可使用的GSM1800频段共10MHz，50个频点。为了测试TCH Load和话务量对13和11射频跳频网络的影响，试验分六个阶段进行：13（18Load ）、13（50Load）、11（40Load ）、11（50Load）、13（50Load，提高话务量）、11（50Load，提高话务量）。受设备的限制，每个小区最多只能有15个频点参与跳频，因此11复用方式只能试验到最小Load为40。在试验过程中，还对DPC和DTX等参数对网络的影响进行了测试。下面以13（50Load ）为例介绍试验中的基本参数设置：频率方案：BCCH采用连续的15个频点复用方式（不跳频），TCH每个跳频组为4个频点，即：TCH A组：526,529,532,535MAIO= 0,2TCH B组：527,530,533,536MAIO = 1,3TCH C组：528,531,534,537MAIO = 0,2HOPMODE：SYNHOPHSN：163，同站各小区HSN相同，相邻基站HSN不同5 指标分析A. 13（18Load ）B. 13（50Load）C. 11（40Load ）D. 11（50Load）E. 13（50Load，提高话务量）F. 11（50Load，提高话务量）在移动通信网络中，衡量网络运行质量的几个重要指标是：掉话率、话音接通率和切换成功率。图5-1以掉话率指标在试验各个阶段与忙时话务量的变化情况为例，可见在整个试验阶段，除F阶段(11复用50Load，提高话务量)TCH掉话率较高外，网络质量基本保持稳定，各项指标与采用基带跳频的网络指标相比变化不大。其中：横轴的”基带跳频”表示网络使用基带跳频时的指标，”A-F”分别代表试验各个阶段，”DPC&DTX”表示基站开启功率控制和不连续发射功能，”13BCCH”是指试验最初BCCH采用13复用，后面阶段均采用15复用，图中的曲线代表各个阶段的忙时话务量，柱形图代表相应指标值。下面针对试验中采用两种不同的射频跳频复用方式及DPC和DTX等对网络的影响进行进一步探讨。5.1 BCCH复用方式对网络的影响在试验初始阶段，BCCH采用了连续的13个频点复用方式，网络质量比采用基带跳频的时候有所下降，改用15频点复用后网络质量明显改善，掉话率由0.53%下降为0.49%，话音接通率由94.38%上升为96.12%，BSC内切换成功率由92.59%上升为93.64%。说明BCCH的复用程度对网络影响很大。为了保证BCCH质量良好，在后面的试验阶段均采用了BCCH15复用方式。A阶段：13（18Load ）C阶段：11（40Load ）5.2 DPC和DTX对网络的影响试验中测试了开启DPC和DTX对网络的影响。以TCH掉话率为例，由图5-2可见，开启DPC和DTX后，11和13复用情况下的掉话率均有所下降，特别是11复用下降幅度非常大。说明在射频跳频网络中要获得好的网络，DPC和DTX是不可或缺的。5.3 TCH Load和话务量对网络的影响由图5-1可见，TCH Load 在13复用由18%升高至50%，11复用由40%升高至50%时，掉话率均有所上升，在没有提高话务量，并且开启了DPC&DTX的情况下最大达到0.59%，在可接受范围内。说明TCH Load在话务量不高的情况下对网络质量的影响较小。试验最后两个阶段是在TCH Load为50%的情况下提升话务量，当每线话务由最初的0.16提高至0.21以上时，网络个别小区开始拥塞，图5-1反映的是此时的网络指标。话务量提升后，TCH Load同为50%的情况下，11复用掉话率由0.54%上升至0.74，13复用由0.59上升至0.64%。说明话务量升高会引起网络质量下降，而且在11复用时对网络的影响更明显。6 总结6.1 选用射频跳频复用的关键点经过此次试验，从掉话率、话音接通率和切换成功率的变化可以看出，在采用这13、11复用方式和射频跳频相结合时网络质量基本保持稳定。在实际网络中采用射频跳频时需注意的关键点如下：(1) BCCH必须有足够多的频点保证质量良好；(2) 射频跳频复用方式应与