GSM-R调度通信的应用与维护毕业设计.doc

兰州交通大学毕业设计 1 摘要摘要 GSM R GSM for Railway 是在 GSM 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高 速环境下使用的组成要素 能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求的技术 由于 GSM R 可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信 能将现有的铁路通信应用 融合到单一网络平台中 以减少集成和运行费用 而且由于 GSM R 是由已标准化的设 备改进而成 GSM 平台上已经提供了大量的业务 因而引入铁路专用的功能时只需最 低限度地改动 故能保证价格低廉 性能可靠地实现和运行 GSM R 目前在我国铁路通信中的应用主要有 调度通信功能 车次号传输与列车 停稳信息的传送功能 调度命令传送功能 列车尾部装置信息传送功能 调车机车信 号和监控信息系统传输功能以及列车控制数据传输功能等等 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 调度通信在 GSM R 中有非常重要的地位 是保证行车调度员与其管辖区段内各个 车站之间进行良好业务联系的专用通信系统 是为铁路运输行业提供实时信息 实现 铁路运输统一指挥的重要手段 调度通信包括点对点呼叫 组呼和功能寻址等 聞創沟燴 鐺險爱氇谴净 GSM R 调度通信系统主要负责列车调度通信 货运调度通信 牵引变电调度通信 其他调度及专用通信 站场通信 应急通信 施工养护通信和道口通信等 利用 GSM R 进行调度通信系统组网 既可以完全利用无线方式 也可以同有线方式结合起来 共同完成调度通信任务 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟 功能寻址是非常重要的先进寻址功能 是实现集群调度通信多的关键技术和必要 手段 在功能寻址业务中 每个 MSISDN 可以建立与多个功能号码的映射关系 但是 一个功能号码一次只能指定给一个用户 功能寻址业务分为语音呼叫功能寻址和短消 息功能寻址 酽锕极額閉镇桧猪訣锥 论文从 GSM R 的基础即 GSM R 原理 网络结构和功能等入手 阐述了 GSM R 在铁路通信中的应用 并结合青藏铁路通信的现状对 GSM R 的部分功能在青藏铁路通 信中的应用进行了设计 当一个网络建成以后 网络的管路理与维护也相当重要 因 此 在论文最后也对此做出了设计 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑 关键词关键词 GSM R 调度通信 应用 维护 兰州交通大学毕业设计 2 Abstract GSM R GSM for Railway is a system which adds the scheduling communication function and the elements used in suitable for high speed environment to the GSM cellular system and is able to feet with the special railway scheduling communication technology requirements of the International Union of Railways Because GSM R can control the communication between the cross border high speed trains with the general trains can integrate the existing railway communications applications into a single network platform to reduce integration and operating costs And GSM R is the improvement made by the standardization of equipment and the GSM platform has provided a lot of business thus only need minimally changing during the introduction of the railway special features and it can ensure low prices and reliable performance to achieve and operation 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 Currently the using of GSM R is in China s railway communications scheduling communication functions the information of transfer of train parked and the transfer of the train number functions scheduling order transfer function the train tail device messaging function shunting locomotives signal and control information system transfer capabilities as well as train control data transmission function 厦礴恳蹒骈時盡继價骚 GSM R dispatch communication system is mainly responsible for the train dispatching communications scheduling communications for cargo traction substation dispatch communications scheduling and private communication station communications emergency communications construction maintenance communications and crossing communications Dispatching communication system network using GSM R both can take full advantage of the wireless can also be combined with wired together to accomplish the scheduling communication tasks 茕桢广鳓鯡选块网羈泪 Functional addressing is very important for advanced addressing trunked dispatch communication technology and the necessary means In the business of functional addressing each MSISDN can be established with more than one function number mapping but a function of number can only be assigned to a user Functional addressing business is divided into a voice calling capabilities addressing and the short message function addressing 鹅娅尽損鹌 惨歷茏鴛賴 兰州交通大学毕业设计 3 The basis of the papers from the GSM R that is GSM R theory network structure and functions on GSM R railway communication and the status of the Qinghai Tibet railway communication on the part of the GSM R function in the Qinghai Tibet railway communication the application has been designed When a network is completed the network of pipeline management and maintenance is very important therefore at the end of the paper on this to make the design 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 Keywords GSM R Scheduling Communication Applications Maintenance 預頌圣鉉儐歲龈讶骅 籴 目录目录 摘要 1渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 1 绪论 1铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡 1 1 引言 1擁締凤袜备訊顎轮烂蔷 1 2 铁路通信的发展历程和现状 1贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷 1 3 现代铁路运输对无线通信的发展要求 2坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚 1 4 GSM R 的发展历史及技术特点 4蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 2 GSM R 系统概述 5買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 2 1 GSM R 基本原理 5綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴 2 1 1 带状覆盖 6驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 2 1 2 面状覆盖 8猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 2 2 GSM R 的网络结构及功能 14锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔 2 2 1 BSS 结构和功能 16構氽頑黉碩饨荠龈话骛 2 2 2 NSS 结构和功能 17輒峄陽檉簖疖網儂號泶 2 2 3 OSS 结构和功能 18尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 3 GSM R 在青藏线中的应用 19识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 3 1 青藏线 GSM R 系统介绍 19凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 3 1 1 GSM R 设计的主要原则及标准 19恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 3 1 2 GSM R 传输网络 20鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 3 1 3 GSM R 基站的设置 21硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 3 1 4 越区切换 22阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 3 2 GSM R 在青藏铁路上的的应用及设计 22氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 3 2 1 调度通信 22釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 3 2 2 功能寻址 27怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉 3 2 3 调度命令传送 35谚辞調担鈧谄动禪泻類 3 2 4 列尾装置信息传送 36嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 3 2 5 调车机车信号和监控信息系统传输 37熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库 3 2 6 机车同步控制传输 38鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞 兰州交通大学毕业设计 1 3 2 7 其他应用 39纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛 4 GSM R 的维护与管理 42颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 4 1 GSM R 网络管理 42濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 4 2 GSM R 网络的维护 44銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼 总结 48挤貼綬电麥结鈺贖哓类 致谢 49赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 参考文献 50塤礙籟馐决穩賽釙冊庫 兰州交通大学毕业设计 2 1 1 绪论绪论 1 11 1 引言引言 铁路是我国国民经济的大动脉 铁路的运输能力直接影响着我国国民经济的发展 进入 21 世纪 随着铁路跨越式的发展 铁路通信系统也迎来了划时代的转变 近年来 随着运输量的日益增长 使得列车重量加大 列车编组加长 GSM R 技术是基于成熟 通用的公共移动无线通信系统 GSM 平台之上 专门为满足铁路应用而开发的数字式移 动无线通信技术 在铁路通信中 它能够提供定制的附加功能 如优先级和强插功能 话音组呼及广播功能 位置寻址及功能寻址和安全数据通信等 是一种经济高效的综 合数字移动通信系统 2 铁路无线全球通信系统 GSM R 的建设和使用 表明中国铁路 正不断吸取国外铁路的先进经验和成果 努力提升自身的经济技术结构和规模水平 加快发展步伐 争取在较短时间内运输能力满足国民经济和社会发展的需要 主要技 术装备达到或接近国际先进水平 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 1 21 2 铁路通信的发展历程和现状铁路通信的发展历程和现状 新中国成立初期 铁路长途通信一直采用的是以架空明线和电缆为传输媒质的载 波通信设备 电话交换大量发展步进制自动交换机及人工长途台 在专用通信方面 全路调度 各站 养路等通信系统改造为铁路支流脉冲选叫方式 进入 70 年代 随着 国外铁路开始应用光纤技术 我国铁路光缆 数字通信也随之进入研究阶段 进入 80 年代中后期 数字光纤通信已经在多条线上试用成功 90 年代数字光纤通信已经在铁 路通信中被广泛使用 这一时期除光缆建设迅速发展以外 其他数字通信建设也得到 了相应的发展在交换方面大量采用程控交换设备 90 年代末全路长途交换网基本形成 在数据交换方面根据铁路运输管理信息系统 TMIS 客票预定和发售信息系统及 铁路其他信息业务的需要 建设了铁路第一个分组交换数据网 1 在专用通信方面由 于光数字分插设备的应用 区段通信电缆数大幅度增加 中间站通信条件大为提高 调度等共线电话也推广采用了程控共线设备 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁 铁路无线通信系统使用的单信道模拟制式无线通信设备主要是为满足话音通信设 计的 主要使用 450M 频段 共 58 对频点 固定分配给了无线列调 站调 公安等无 线系统使用 各个部门间不能相互共享 造成频率资源的极大浪费 无线通信系统采 用频点 信道 固定分配的方式 信道长期指配给某一系统 通常按专业划分 用户 使用 当一个信道遇忙时 其它用户只能等待 往往造成该信道上的用户争抢或者出 兰州交通大学毕业设计 3 现阻塞 通信质量得不到保证 而信道空闲时 别的系统用户也并不能利用该信道进 行通信 这无疑是对频率资源的一种浪费 也制约了用户数量的进一步发展 铁路无 线通信系统枢纽地区干扰严重 不具备网络能力 移动终端对讲距离受限 邻站交界 区易发生业务中断 各个无线通信系统分散 不能联合组网 使得各系统之间用户无 法进行联络 无线 有线调度网基本独立 无法形成有机融合的整体 无线列调系统 是开放系统 并未做任何鉴权加密处理 对用户无需进行身份识别 只要无线终端用 户频点和调制方式与无线列调相同 便可以加入到无线列调系统内的通信 因此话音 业务可以被接收或窃听 给行车安全带来极大的隐患 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 随着我国铁路信息化建设的不断发展 铁路数据信息业务量的多样化和高速率 使得 GSM R 系统在国内有着广阔的发展空间 GSM R 技术也正是顺应时代的发展 利用其固有的 GSM R 网络特性 为铁路信息化和自动化发展奠定良好的基础 利用通 信的手段实现铁路移动设施和固定设施的无缝连接 确保列车平稳高速 安全地运行 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 GSM R 进入中国已有十余年的历程 铁道部早期也制定了我国建立 GSM R 网络 的目标 在全国建立一张移动通信网络 利用通信的手段实现铁路移动设施固定设施 的无缝连接 确保列车平稳 安全 高速的运行 经过理论研究 技术之争 政策审 核 网络建设 施工验收等层层考验 最终在 GSM R 工程方面取得了骄人的成绩 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 胶济线三条 GSM R 线路 5 其中 青藏线是一条集多种领先技术于一身的往返于 世界屋脊 的铁路 大秦 线是使中国步入重载领域先进行列的标志性工程 突破性的实现了年运量 2 亿吨的目 标 现在技术还在不断创新 预计年运量将达到 4 亿吨 胶济线的建设是对 GSM R 技 术应用于具有中国特色环境的一个尝试 它的成功与否影响着 GSM R 技术在时速 200km h 铁路线路的普及率 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉 1 31 3 现代铁路运输对无线通信的发展要求现代铁路运输对无线通信的发展要求 1 铁路信息化 在铁路主要干线建设分散自律 调度集中系统 CTCS 实现调度指挥现代化 为满足以旅客为主体的移动信息服务系统的需要 包括车上订票服务 电子移动商务 旅客移动增值服务等 满足铁路路网移动体 机车 车辆 集装箱等 实时动态跟踪信 息传输的需要 为开展实时网上信息查询和各种管理信息系统提供移动传输通道 鎦诗 涇艳损楼紲鯗餳類 兰州交通大学毕业设计 4 2 调度指挥和安全生产 作为无线列调的更新换代产品 同时能够满足区间公务移动 紧急救援 调 车编组作业 站场无线等移动话音通信的需要 满足 TDCS 无线车次号校核 列车尾 部风压 机车状态信息 车辆轴温监测 线桥隧道监护 铁路供电状态监视 道口防 护等移动和固定无线数据传输的需要 满足以移动列车为主体的安全信息分发与预告 警系统的需要 确保沿铁路线的施工 轨道养护 平交道口与车辆 车站等人员和设 备的安全 减少事故 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 3 高速 客运专线 铁路提速 高速和客运专线网络化 智能化 综合化的行车调度指挥系统需要高 度可靠 高度安全 快速接入的综合移动通信系统 以及透明 双向 大容量的车 地 信息传输通道 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 4 机车综合通信 具有网络以及功能号注册 注销功能 支持调度通信系统功能 支持通用数据传输功能 支持不同制式下的自动或手动切换功能 可向用户提供机车所在的小区位置信息 GPS 信息等 5 基于通信的列车控制 随着列车运行速度的不断提高 铁路智能交通系统中车地间的双向通信显然已经 无法通过这些传统手段完成 为了实现铁路运输高效与安全 高速铁路智能交通综合 信息系统在信息利用方面 必须采用基于通信的列车控制 CBTC 方式 与传统的基 于轨道电路的列车控制 Track Circuit Based Train Control System 简称 TBTC 系统相 比 CBTC 有很多优越性 其中最重要的是 1 列车和地面控制设备之间通过双向无 线通信传递信息 构成闭环控制系统 使列车运行的安全性大大提高 2 CBTC 可以 实现移动闭塞方式 Moving Automatic block System 简称 MAS 使两列车追踪间隔 大大缩短 提高列车在区间追踪运行的密度 从而大大提高铁路运输效率 目前国内 对移动闭塞进行了初步研究 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 我国铁路移动通信从无到有 从模拟到数字 从单一业务到多业务再到综合业务 这一方面是铁路运输发展的需要 也是技术进步的趋势 IT 业在过去 20 年突飞猛进 表现在 微电子技术从微米向纳米技术过渡 交换网络已程控化 从单一业务向智能 多业务交换发展 骨干传输网朝着全光网络方向发展 接入网出现三网融合 计算机 兰州交通大学毕业设计 5 通信 广播 蜂窝公众移动通信已经完成从模拟到数字的过渡 朝着宽带多媒体发展 无线局域网朝着宽带数据业务发展 计算机网络 IP 化 移动 IP 和移动计算成为电子商 务的关键技术 IT 业的这些技术进步必将推动铁路综合数字移动通信网络的发展 詩叁 撻訥烬忧毀厉鋨骜 1 41 4 GSM R 的发展历史及技术特点的发展历史及技术特点 最初开发 GSM R 的原因是无线频率的利用效率较低 铁路网络之间不同的通信系 统的互操作性有限 1992 年 欧洲铁路的主管组织 UIC 国际铁路联盟 认为 GSM 正在逐渐成为移动通信的实用标准 并发现 GSM 的功能能够为铁路的新型数字通信系 统提供一个理想的平台 于是 作为 EIRENE 欧洲统一铁路无线增强网络 项目的 一部分 关于 GSM R 数字无线标准规范化的工作陆续展开 1995 年 MORANE 欧 洲铁路移动无线电通信 项目启动 EIRENE 制定的标准得到认可 开始生效 则鯤愜韋 瘓賈晖园栋泷 GSM R 是一种基于目前世界最成熟 最通用的公共无线通信系统 GSM 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 针对铁路通信列车调度 列车 控制 支持高速列车等特点 为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合 无线通信系统 从集群通信的角度来看 GSM R 是一种数字式的集群系统 能提供无 线列调 编组调车通信 应急通信 养护维修组通信等语音通信功能 GSM R 能满足 列车运行速度为 0 500km h 的无线通信要求 安全性好 此外 机车同步操控信息传 送业务对无线通信系统还有一定的要求 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 全线不能存在无线通信盲区 传输的数据包出现差错时允许重传 但传输连续失败不能超过规定的时间 上 下行列车通信之间不能相互干扰 允许在同一车站内同一个方向的多趟列车运行 从控和主控之间的通信不受距离限制 GSM R 正是满足上述要求的最佳系统 比基于常规对讲无线通信方式要优越的多 兰州交通大学毕业设计 6 2 2 GSM R 系统概述系统概述 2 12 1 GSM R 基本原理基本原理 GSM R GSM for Railway 是在 GSM 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高 速环境下使用的要素组成 能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求的技术 由于 GSM R 可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信 能将现有的铁路通信应用 融合到单一网络平台中 以减少集成和运行费用 而且由于 GSM R 是由已标准化的设 备改进而成 GSM 平台上已经提供了大量的业务 因而引入铁路专用的功能时只需最 低限度地改动 故能保证价格低廉 性能可靠地实现和运行 在 GSM Phase 2 中添加 了 ASCI 增强的语音呼叫业务 特性 能灵活地提供专网中所需的语音调度服务如 VBS VGCS 和 eMLPP 因此 GSM R 是面向未来的技术 它将从广阔的 GSM 公网市 场和 GSM 技术的不断演进中获益 具有巨大的发展空间 GSM R 在欧洲取得巨大的 成功 目前超过 30 个铁路公司已承诺在其国际路网中使用该技术 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 GSM R 系统很多技术借鉴了公网的 GSM 技术 保留了 GSM 的大体结构 使得从 一开始 GSM R 系统就是一个成熟可靠的系统 它的绝大多数软硬件都已在现网中得到 检验 不仅如此 由于二者都可以工作在 900M 频段 因此在无线网络规划方面也是 基本相同的 GSM R 系统的规划设计也可借助于已成熟的 GSM 系统工具 可以方便 快捷地为用户提供网络设计安装 GSM R 的基本特性已在铁路网的 MORANE 试验中 得到安装 测试和验证 出于众多的需要 GSM 新技术如 GPRS 已经规范化并将安装 使用 向 UMTS 的演进将提供新的业务和更加强大的无线系统 GSM R 据此可最大限 度地引入新的业务 业务模型如图 2 1 所示 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜 调度通信 平面调车自动列控制 CTCS 远程控制 铁路紧急救援移动服务 尾部风压检测 高速数字通信 旅客综合列车信息移动服务 区间移动通信 轨道维护移动服务 功能寻址功能号的表示与位置有关的寻址介入矩阵 eMLPPVBSVGCS 铁路应用 铁路运营特色 电信业务 ASCI 图 2 1 GSM 与 GSM R 的关系 业务模型 兰州交通大学毕业设计 7 GSM R 系统保留了 GSM 的基本结构 同时还需要一个存储组呼属性的寄存器来 实现网络功能 组呼寄存器 GCR GCR 实际上相当于一个数据库 存储有关语音 组呼的信息 它被视为一个新的网络节点 可以放在直接与 MSC 相连的 PABX 中 也 可以放在 MSC 中 或者作为 HLR 的组成部分 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 在空中接口方面 GSM R 在 GSM 的基础上增加了通知信道 NCH 用来传送包含 组呼信息和组呼信道信息 NCH 的位置在 BCCH 的系统消息中广播 本文将从面状覆 盖和线状覆盖两种覆盖方式的角度来介绍 GSM R 工作原理 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應 2 1 12 1 1 带状覆盖带状覆盖 在铁路 公路 狭长的水面上这样的呈带状的地区 往往采用线状覆盖的方式 线状覆盖使用的蜂窝基本原理与面状覆盖类似 只是在小区频率组的分配和重叠区的 问题上要单独考虑 13 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 1 频率复用 在线状覆盖中 一般以圆形小区为模型来进行分析和设计 在铁路和公路的覆盖 中 移动台往往处于高速移动状态 信号的场强变化复杂 很难确定相邻小区的覆盖 边界 通常从场强的平均变化这一意义上来理解覆盖区域 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮 如图 2 2 所示沿着覆盖区域的分布按照 n 个小区为一组的间隔可以进行频率复用 n 的取值要考虑到频率利用率 同频干扰和建网成本 一般可以取 2 3 4 謾饱兗 争詣繚鮐癞别瀘 3R 2a a R ds d1 2n 1 R na nn 1 123 图 2 2 带状网的信干比示意图 在图 2 2 中 假设小区半径为 R 相邻小区的交叉宽度为 a 第 n 1 区与第一区为 同频道小区 显然 在移动台处于覆盖区边缘时 同频干扰最为严重 路径损耗指数 为 4 采用两小区 三小区 n 小区的频率复用方案得到的移动台接收 C I 值分别为 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚 两小区复用 2 1 40log 32 CR dB IRa 兰州交通大学毕业设计 8 三小区复用 2 2 40log 53 CR dB IRa 小区复用 2 3 n 40log 21 CR dB InRna 因此 可以根据式 2 3 和的设计要求 求出重叠区的宽度 同时可以看出 C Ia 对信干比要求高的系统 小区数多 因而频率组多 基站数也增加 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减 2 平衡设计 线性覆盖在线性区域的两侧应该是对称的 在高速移动的环境中要尽量使小区的 数目最小 中继效率最大 每个小区的信道都可以为两个方向的用户服务 这就要求 较高的基站发射功率 但是基站的高发射功率可能会造成上下行链路的不平衡 结果 上行链路会因为噪声太大而无法使用 平衡的设计保证上下行链路具有同等的强度 使得任意小区的双向用户都有较好的接收质量 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶 平衡设计的关键是要在四面建立天线群系统 两个发射天线和两个接收天线分别 指向道路两边 下行链路的信号从小区沿着道路向两个方向辐射 两个接收天线按同 样的方式朝向两个方向 每个天线与一个多路耦合器连接 多路耦合器由预选滤波器 放大器和分离器组成 两个接收机的多路耦合器连接一个接入信道和所有的话音信道 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 3 小区分层 根据覆盖地区的人口密度和移动台移动速度的要求 可以按照覆盖范围的大小将 小区分为以下四种类型 扩展小区 半径 35km 120km 主要由于沿海地区海域的覆盖 宏小区 半径 1km 35km 用于高速公路和人口较稠密的地区 要求具有高的抗干 扰灵敏度和安全的频率复用模型 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 微小区 半径 0 1km 1km 用于城市繁华地段 要求用高的干扰隔离度 使用少 量频率就可以实现密集频率复用 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹 微微小区 半径小于 0 1km 用于室内环境 如商场 会议中心 办公楼等 根据小区的大小不同 天线假设的高度也不一样 一般来讲 宏小区的天线架设 在建筑物的顶部 微小区的天线地域建筑物 微微小区的天线一般安装在室内 在进 行实际的覆盖设计时 可以根据实际的地形环境和业务密度将集中小区结合使用 这 里介绍分层小区的覆盖 分层小区主要用于高速公路和城市主干道覆盖 它解决了用 户的切换和大业务密度之间的矛盾 两层中的上层采用伞状宏小区 主要负责快速移 兰州交通大学毕业设计 9 动用户 避免频繁的越区切换 它还可以填补微小区覆盖的盲区 下层是微小区覆盖 主要负责步行移动用户 另外当发生堵车这样的业务密度突然增大的情况 也可以由 宏小区覆盖转换为微小区覆盖 这样就可以在上下层间进行切换 满足不同用户的需 求 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝 2 1 22 1 2 面状覆盖面状覆盖 当服务区不呈条状而是一个宽广的平面时 称为面状服务区 在平面区域内划分 小区 通常组成蜂窝式的网络 这将比带状网络复杂得多 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸 1 小区形状 在移动通信中 如果使用全向天线 人们很容易联想到应该采用圆形的小区 但 是从电磁波传播的角度考虑 圆形并不是最理想的形状 如图 2 3 所示 使用圆形的 面状覆盖存在许多重叠区域和无覆盖区域 为确保无盲区的完全覆盖 通常使用多边 形的小区 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺 2 3 6 5 1 4 图 2 3 圆形小区的覆盖 我们可以用数学方法证明 要用正多边形无空隙 无重叠地覆盖一个区域 可取 的只有正六边形 正三角形和正方形 而面状覆盖的服务区中 通常采用正六边形的 小区形状 六边形比正方形和正三角形在半径相同的情况下 覆盖面积要多 30 100 如图 2 4 所示 因此采用六边形的设计需要较少的小区 较少的发射基站 同样 六 边形覆盖的系统费用也要低于正方形和正三角形 13 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 需要指出的是 正六边形的小区形状只具有理论分析和设计上的意义 在实际工 程中 小区的形状取决于电波传播的条件和天线的方向性 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝 R R R 图 2 4 多边形小区 2 频率复用 兰州交通大学毕业设计 10 在蜂窝系统中 系统会给每一个小区的基站分配一组信道 只要相隔距离足够远 相同的信道可以在另一个小区重复使用 这就是频率复用的思想 我们把由若干个使 用全部频率的小区组成的集合称为一个簇 把不同簇中使用相同频率的小区称为同频 小区 任意两个同频小区之间的距离称为同频复用距离 为了避免同频小区之间的干 扰 必须选定一个合适的同频复用距离 4 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠 构成一个簇必须满足 簇的区域能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积 相邻簇间 同频小区的距离相等且为最大 设一个簇中的小区数为 满足以上条件的的取值NN 是有限的 可以通过式 2 4 确定的值 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟 N 2 4 22 Niijj 式 2 4 中 为非零正整数 这一公式提供了寻找最近的同频小区的方法 沿某一ij 小区的任意一条六边形链移动个小区后 逆时针旋转 60 度后再移动个小区 此时到达 的小区即为同频小区 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼 为了更好的表达频率复用率与系统容量之间的关系 我们引用与的比值来作DR 为衡量系统容量的一个重要参数 这一比值称为同频复用比 用来表示 疠骐錾农剎貯Q 狱颢幗騮 2 5 3 D QN R 可见 的值只与簇的大小有关 的值越小 系统容量越大 但是值大可以QQQ 提高传播质量 因为同频干扰小 在实际的蜂窝系统设计中 要恰当的选择值 在Q 容量和干扰之间进行折衷 目前常用的蜂窝网簇的结构有 12 9 7 4 和 3 镞锊过N 润启婭澗骆讕瀘 3 话务量和呼损率 在通信系统中 信道的资源是有限的 而用户的数量是不断增长的 用户在系统 中占用资源的时间和频率都是随机的 要想衡量资源的使用率 只能采取统计的方法 来表达这个随机的系统 蜂窝系统采用中继的概念 在中继的无线通信系统中 每个 用户只有在呼叫时才分配给一个信道 一旦通话结束 原先占用的信道就立即释放 可以再被其他用户使用 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛 在中继系统中用话务量强度来表达资源的占用率 这个概念是丹麦的数学家爱尔 兰 Erlang 提出的 因此使用他的名字来作为话务量强度的单位 话务量强度定义为 在一定时间内信道完全被占用的时间 或平均通话时间 与这段时间的比值 即信道 的时间利用率 通常用 A 来表示 例如一个信道在一小时内平均通话时间为 3 分钟 兰州交通大学毕业设计 11 它的话务量强度为 3 60 0 05Erlang 话务量强度是一个无量纲的值 可以用来表征单 个或多个信道的时间利用率 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑 系统中每个用户的话务量强度可以用呼叫次数 和平均呼叫保持时间 H u 的乘积来表示 2 6 uu AH 对于系统中总的用户数为 U 时 系统中总的话务量 A 可以用式 2 7 表示 2 7 u UAA 如果系统中的信道数为 C 则平均每个信道的话务量强度用式 2 8 表示 2 8 CUAA u 由于系统拥塞导致呼叫无法完成的概率 或是呼叫的延迟时间大于排队时间的概率叫 做呼损率 总的话务量与完成话务量之差即为损失话务量 由此我们可以得到呼损率 的计算公式 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲 2 9 uu AA B A 由此可见 呼损率越小 成功呼叫的概率越大 用户就越满意因此呼损率也是衡量系 统质量的主要指标 例如 某系统的服务等级为 3 那就说明该系统内的用户每呼叫 100 次 其中用三次未被接通 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭 4 信道分配策略 蜂窝系统的信道分配分为两个步骤 首先要将所有的频率资源分组 其次以动态 的或固定的方法为用户分配信道 信道分配应遵循以下几个原则 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙 确定载频的中心频率 信道间隔 收发双工间隔等参数值 如 R GSM 铁路 GSM 系统 工作的频段为 876MHz 915MHz 921MHz 960MHz 信道间隔为 200KHz 双工间隔为 45MHz 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄 确定频率之间互调干扰最小的分组方法 考虑天线类型 基站发射功率 服务质量等因素 在尽量减小同频干扰的前提下确 定分组的组数 在同一组中 不能采用连续的频率 减小邻道干扰 相邻的信道不分配给相邻的小区或扇区 频率的规划要结合蜂窝网容量和规模的后续发展 兰州交通大学毕业设计 12 在对频率资源进行分组后 可以采用两种方式为蜂窝小区分配信道组 固定信道 分配和动态信道分配 在固定信道分配方案中 每个小区分给一组信道 该小区的用 户只能使用这一组信道 如果出现信道全部被占用情况 新的呼叫就会被拒绝 只有 存在空闲信道时 才能再发起呼叫 这种方式的优点是管理和控制过程容易 缺点是 系统的资源不能得到有效利用 尤其是当用户数量突然增加时 系统的呼损率较大 鰻 順褛悦漚縫冁屜鸭骞 另一种方法是动态信道分配 这种方法不是固定小区所使用的信道 而是多个小 区可以使用相同的信道 每个小区的信道数时不固定的 当业务量大时 分配给该小 区的信道数就多 业务量减小时还可以再把这些信道分配给其他小区使用 在这种方 式中 信道都由 MSC 移动交换中心 来管理和执行分配 这种方法的优点是有效的 利用了资源 降低了呼损率 但是由于在动态分配的过程中要监视信道的使用情况 检查所分配的信道是否满足干扰的要求 需要收集和处理大量的数据 因此控制复杂 成本较高 但是与固定信道的分配方式相比 信道利用率可以提高 20 50 穑釓虚绺 滟鳗絲懷紓泺 5 提高系统容量的方法 随着用户数量的增长 需要不断地提高蜂窝系统的容量 实际中常使用的提高蜂窝 系统容量的方法有小区分裂和划分扇区 小区分裂根据用户密度的变化 在现有小区 的基础上划分更小的小区来提高频率复用率 划分扇区利用天线的方向性来控制干扰 从而提高系统容量 下面我们重点介绍一下小区分裂的原理 13 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽 小区分裂是将业务量增大的小区分成更小的小区 分裂后的每个小区都有自己的 基站 基站的天线高度要相应降低 发射机功率也要减小 小区分裂通过增加基站数 量 使得单位覆盖面积内的信道数增加 从而提高频率复用率 增大系统容量 在图 中用同心圆表示原基站 用小黑点表示分裂后新小区的基站 原基站 1 的周围新增加 了 2 7 六个新基站 每个新基站位于两个原基站之间 同频基站之间的距离稍大于一 个原小区的直径 每次小区分裂均保持相同的几何关系 浹繢腻叢着駕骠構砀湊 如图 2 5 所示 如果采用分裂后的小区半径为原小区半径一般的分裂方案 则分 裂后小区的面积为原小区面积的四分之一 这种分裂方法可以使小区的容量增加到原 容量的 4 倍 假如在此基础上分裂 K 次 那么原区中可容纳的业务量增加为鈀燭罚櫝箋礱 颼畢韫粝 2 10 0 4K n TT 兰州交通大学毕业设计 13 式中 为分裂前原小区业务量 0 T 1 2 3 74 56 2 3 45 6 7 图 2 5 小区分裂 可以发现在小区分裂的初期 两种不同直径的小区共存 为了避免同频干扰 同 频复用比必须有一个最小值 对于图 2 5 的情况 半径小的小区的 Q 同频复用比 与半径大的小区的 Q 相同 在两种小区中发射功率也要发生变化 既要防止半径不同 的同频小区之间的同频干扰 也不能只降低大区的发射功率而造成盲区的出现 因此 原小区的信道必须分为两组 一组适应半径小的小区的复用要求 一组适应大的小区 的复用要求 在分裂的初期 小半径小区的信道数分配的少一些 随着用户数量的增 长 分裂不断进行 这时小半径小区的信道数就会增加 实际中常采用天线下倾的方 式来减小水平方向的覆盖范围 构成分裂后小区的覆盖 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵 6 干扰限制和防护 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 阻塞 蜂窝系统中的干扰主要由两种类型 同频干扰和邻道干扰 针对这两种类型的 干扰 在蜂窝系统中采取了调节天线覆盖方式 发射功率 合理分配频率的方法来对 干扰进行防护 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐 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 同频干扰不能简 单的通过增大发射机的功率来克服 因为这样会导致相邻小区之间的干扰 同频干扰 又有两种形式 前向链路的干扰和反向链路的干扰 我们用同频干扰信噪比 C I 来衡 量接受机的接收质量 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲 设同频干扰的小区数为 i0 那么前向链路移动台的接收信噪比就可以表示为 兰州交通大学毕业设计 14 2 11 0 1 i i i CS I I 其中 C 是移动台接收到的基站载波信号的功率 是第 个同频小区的基站信号对 i Ii 移动台的干扰功率 我们试图在 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 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫 2 12 n r d d PP 0 0 式中 Pr是接收功率 P0是距发射天线 d0处的参考点的功率 n 是路径衰减指数 由式 2 12 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的表示为 齡 践砚语蜗铸转絹攤濼 2 13 0 1 i i n i n D R I C 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 传播环境的起伏 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 i0的取值和基站的位置 绅薮疮颧訝标販 繯轅赛 解决同频干扰可以采取以下几种措施 定向天线覆盖 使用定向天线可以减少同频干扰的小区数 i0 从而提高 接收信噪比 减小同频干扰 优化同频复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 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛 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 减小同频干扰 2 邻道干扰 兰州交通大学毕业设计 15 由与所使用频率相邻的频率产生的信号干扰称为邻道干扰 邻道干扰的产生主要 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 邻道干扰才会对接 收机的正常工作造成影响 这种移动台被临近频率的发射机俘获的现象成为远近效应 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵 邻道干扰可以通过提高滤波器的精度和合理的信道分配而减到最小程度 通常用 接收机的邻道选择性来表示抗邻道干扰的能力 它主要由接收中频滤波器的阻带衰减 特性决定 因为每个小区只是分给所有可用信道中的一部分 因此在可以通过避免在 相邻小区之间分配连续的频率 同时使相邻小区之间的频率间隔最大来减小邻道干扰 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键 2 22 2 GSM R 的网络结构及功能的网络结构及功能 GSM R 陆地移动网络是由一个管理者或专门的机构组织建立并执行操作的 它的 目的是为铁路提供陆地移动通信的各种业务 GSM R 陆地网络可以看作是某个固定网 络的扩展 如 ISDN 或者是一个采用统一编号方案的 MSC 的集合 MSC 作为陆地移 动网络和固定网络的接入单元 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞 一个 GSM R 陆地移动系统由若干个功能实体组成 这些功能实体所实现的功能 的集合就是网络能够提供给用户的所有基本业务和补充业务 以及对于用户数据和移 动性的操作和管理 GSM R 陆地移动网络由三个子系统组成 其基本结构如图 2 6 所 示 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄 兰州交通大学毕业设计 16 PSTN ISDN PSDN GMSC VLR GCR EIR 信令系统No 7 SS7 HLR AUC MSC VLR BSC OMN接口 OMC ROMC S TRAU MS BTSBTS BSS 基站子系统 OSS操作维护子系统 A接口 Abis接口 Ater接口 Um 接 口 图 2 6 GSM R 网络结构 移动台是接入 GSM R 网络的用户设备 包括移动终端 ME 和终端设备 TE 或通过终端适配器与 ME 连接的 TE 移动台除了具有通过无线接口 Um 接入到 GSM R 系统的一般处理功能外 还为移动用户提供了人机接口 婭鑠机职銦夾簣軒 蚀骞 基站子系统 BSS 由一个基站控制器 BSC 和若干个基站收发信机 BTS 组 成 BTS 主要负责与一定覆盖区域内的移动台 MS 进行通信 并对空中接口进行管 理 BSC 用来管理 BTS 与 MSC 之间的信息流 BTS 与 BSC 之间通过 Abis 接口通信 BSS 中还可能存在编码速率适配单元 TRAU 它实现了 GSM R 编码速率向标准的 PSTN 或 ISDN 速率的转换 TRAU 与 BSC 通过 Ater 接口连接 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻 网络子系统 NSS 建立在移动交换中心 MSC 上 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 NSS 通过 A 接口连接 BSS 与固定网络 的接口决定于互联网络的类型 俦聹执償閏号燴鈿膽賾 操作和维护子系统 OSS 是相对独立的子系统 为 GSM 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 OMC 来完成 其中 OMC R 负责管理 兰州交通大学毕业设计 17 BSS OMC S 负责管理 NSS OSS 主要提供移动用户管理 移动设备管理 网络操作 和控制三类功能 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜 任何 GSM R 陆地移动通信网络都必须与固定网络连接 一同完成移动用户与移动 用户之间 移动用户与固定用户之间的通信 组成 GSM R 网络的各个子系统之间 BSS 与移动台之间 与固定网络之间的互连都提供了标准的接口 网络中的不同设备 可以通过标准的接口来实现移动业务的本地和国际互连 GSM R 网络的信令系统采用 NO 7 信令网传送呼叫控制信息和其他信令信息 铁路网与公网的主要区别在于由铁路 网特殊需求引起的网络结