GSM频率复用的MRP技术及其实际应用

GSM频率复用的多址接入技术及其实际应用王勇摘要：讨论了GSM系统中不同的频率复用方法，重点介绍了MRP技术及其对无线网络容量的改善，并结合山东省第六个GSM项目介绍了MRP技术的实际应用。关键词移动通信频率复用1概述移动通信是20世纪通信技术、微电子技术和计算机技术高度发展和相互结合的产物。它集成了有线通信、无线通信、交换和网络技术，实现了跨地区和跨边界的个人通信。作为一种便捷的通信手段，移动通信以惊人的速度发展。1987年，广东省推出了TACS模拟手机网络。1992年，中国在嘉兴建立了一个全球移动通信系统试点网络。自1994年以来，中国开始建设大规模的GSM数字移动通信网络。目前，中国电信已在全国31个省、市、自治区建立了GSM网络，并实现了与32个国家和地区的国际漫游。截至1998年10月，中国电信的全球通数字手机用户已超过1536万，其中模拟用户总数已超过2177万，年增长率为80% 150%。由于移动用户数量的快速增长，在一些地区，尤其是大城市的城区，频率资源越来越紧张，无线网络的容量已经成为制约用户发展的瓶颈。在现有频率资源条件下，尽可能提高频率利用率是当前移动通信运营商关注的热点问题。摘要：本文主要讨论了GSM频率分配的多址复用技术及其对无线网络容量的改善，并以山东省第六个GSM工程为例介绍了多址复用技术的实际应用。频率复用(1)频率复用的概念移动通信的起源可以追溯到本世纪20年代。由于早期的移动通信系统大多是专用通信网络，用户较少，信道不太拥挤，信道终端控制技术不够成熟，因此通常采用大覆盖区域组网模式。因此，特定区域中的特定频率仅被分配一次。这在频率利用上是极其不经济的。自20世纪70年代以来，随着大容量移动通信系统的出现，早期的频率使用已经不能满足要求，必须采用基于频率复用的蜂窝小区技术。频率复用意味着相同的射频被用于覆盖不同的区域(每个这样的区域被称为小区或扇区)，并且这些使用相同频率的区域被彼此分开一定的距离(被称为相同频率复用距离)，使得相同的频率干扰被抑制在允许的范围内。(2)干扰保护比常见的频率复用模式有4/24、7/21、4/12、3/9等。如果基站采用定向天线，根据技术系统的要求，模拟移动通信系统的频率复用采用4/24或7/21模式，而GSM数字移动通信系统采用4/12模式。无论采用哪种复用方式，基本原则是在考虑不同的传播条件和多种干扰等因素后，必须满足系统所需的干扰保护比。对于全球移动通信系统数字系统，相同频率和相邻频率干扰保护比如下：同频干扰保护比：C/I 9dB邻频干扰保护比：C/I 9 dB在实际工程设计中，应在上述碳/碘值上增加3分贝的余量。3进一步提高产能的措施随着近年来移动用户数量的急剧增加，对移动网络容量的需求也在增加。有几种措施可以提高网络无线容量：(1)增加可用频率资源。(2)减小基站间距，增加基站密度。(3)提高频率利用率。提高可用性的频率会受到策略的影响，并且非常困难。增加基站的密度是有限度的。在网络建设的早期阶段，可以通过增加基站密度来增加网络容量。然而，城市基站的密度不能无限增加。一方面，这是因为基站越多，投资就越大，在繁荣的城市地区选择合适的站点越来越困难。另一方面，天线在垂直面上具有一定的方向性。天线增益越高，方向性越强，垂直面上的波束宽度越窄。如果这些站彼此靠得太近，则移动站离基站太近，使移动站在天线的主波束之外，导致接收到的有用信号衰减和同频干扰增加，从而降低网络质量。因此，在城市的高交通密度区域，为了提高网络的无线容量，只能提高频率利用率，并采用更严格的频率复用技术。更近的频率复用意味着相同的频率复用距离减小，相同的频率干扰增加。然而，GSM数字移动通信系统本身具有许多抗干扰措施，如跳频、动态功率控制、非连续传输等。如果有效地使用这些技术，信号的载波干扰比(C/I)将明显增加，从而使更紧密地重用频率成为可能。不同的制造商已经提出了许多方法来根据他们自己的设备条件紧密地重用频率。这些方法包括智能双层网络(IUO)、MRP、1/3复用等。在带宽为7.2兆赫的情况下，通过这些方法对无线网络容量的改善以及与4/12多路复用的比较如表1所示，其中带宽为7.2兆赫，GOS=2%，每个用户的业务量为0.025 ERL。表1不同频率复用方法的容量比较多路模式最大电池配置(每个小区的频率)每个基站可以容纳的用户数量(家庭)能率4/123/3/31 7881IUO2/2/2 2/22 7361.533/94/4/32 3561.321/35/5/53 4241.91物料需求计划(12/9/8/7)4/4/42 6281.472/123/3/3/2/2/22 8681.6Mrp技术在上述增加容量的方法中，1/3多路复用是最接近的一种。容量增加相对较大，频率利用率高，但干扰增加也较大。2/12复用要求增加基站的扇区数量，从而增加基站的天线数量。以下重点介绍MRP技术。4.1基本原则MRP技术是将所有可用的载波频率分成几组，每组载波频率作为一个独立的层。在频率规划中，载波频率是逐层分配的，不同层的频率采用不同的复用方式。频率复用是逐层紧凑的，这意味着整个网络采用不同的复用类型。MRP打破了固定频率簇的概念，载波频率分配灵活，使得一个扇区无法分配与相邻扇区完全相同的频率，从而改善了跳频效果。这也是MRP优于固定频率复用的地方(例如4/12和3/9)。在固定频率复用网络中，共享同一组载波频率的相邻小区具有完全相同的频率，并且跳频增益不够明显。如果可用频率是7.2兆赫，那么可用载波频率是36。假设载频号从1到36，它们被分成4组，分组方法如表2所示。其中，广播控制信道(BCCH)组有12个载波频率用于复用；业务信道被分成三组，即H1通信信道、TCH2通信信道和TCH3通信信道，每组有9、8和7个用于多路复用的载波频率。在频率规划中，首先分配BCCH，12个载波频率以4/12模式复用，每个小区分配1个BCCH载波频率；然后分配TCH3，并且每个小区在TCH3中分配一个载波频率；然后依次分配Tch2和tch1。这样，每个基站扇区可以有多达4个载波频率(1个BCCH和3个TCH)。根据传统的4/12复用方法，每个扇区最多只能有3个载波频率。4.2平均频率复用系数为了测量频率复用的紧密性，ave的概念如果总的可用载波频率不变，则每个扇区的载波频率越多，平均频率重用系数越小。仍然以带宽为7.2兆赫和36个载频为例，如果采用传统的4/12复用方法，每扇区载频的最大数量为3，平均频率复用系数为12；如果采用上述MRP分组复用方法，每个扇区的最大载频数为4，平均频率复用系数减少到9。通过仔细的频率规划，可以进一步降低平均频率复用系数。据介绍，最小平均频率复用系数可以是7。4.3 BCCH分组法因为BCCH不使用DTX和跳频，所以传输功率大，并且干扰特性不同于TCH。为了确保BCCH的安全，BCCH的载波频率不应小于12。在实际应用中，一般取12 15。(1)连续的bcch分组连续BCCH分组是BCCH载波频率的连续选择，如表2所示。这种方法的优点是BCCH和TCH之间的相互作用很小，缺点是在分配BCCH载波频率时应该考虑相邻频率的干扰。表2 MRP载波频率分组方法载波频率号123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536载波频率组BCCH(12)123456789101112TCH1(9)131415161718192021TCH2(8)2223242526272829TCH3(7)30313233343536(2)分散的BCCH集团分散BCCH分组是BCCH载波频率的离散选择，如表3所示。因为在BCCH频率组中没有相邻频率，所以在分配BCCH时不需要考虑相邻频率干扰。BCCH频率规划很容易，但是TCH和BCCH具有交互作用，这使得TCH频率规划更加困难。表3分散BCCH分组方法载波频率号123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536载波频率组BCCH(12)1357911131517192123TCH1(9)24681012141618TCH2(8)2022242526272829TCH3(7)303132333435364.4 TCH分组方法(1)严格的物料需求计划如表2所示，严格的最大似然比意味着每一层的TCH载波频率是严格分开的，并且彼此不重叠。在频率规划中，载波频率是逐层分配的。这样做的优点是TCH载波频率易于调整。如果某个TCH层有问题，只需调整该层，无需考虑其他频率层的影响。缺点是一些载波频率没有在郊区使用，导致频率分配困难。因为基站的载波频率是根据业务密度的分布来设置的，所以在业务密度低的郊区和农村地区，基站的载波频率相应地较少。假设在农村地区建立了许多全向2载波频率基站，这些基站只能分配2个载波频率BCCH和H1，即使有合适的TCH2或TCH3也不能使用。(2)改进的物料需求计划为了克服严格MRP分组方法的缺点，对TCH分组进行了调整，出现了改进的MRP，如表4所示。在改进的MRP分组方法中，TCH3分组不变，而TCH3频率在TCH2组增加，而TCH2频率在TCH1组增加。这样，在规划郊区和农村的频率时，就会有更多的选择。表4改进的物料需求计划分组方法载波频率号123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536载波频率组BCCH(12)123456789101112TCH1(24)131415161718192021222324252627282930313233343536TCH2(15)222324252627282930313233343536TCH3(7)303132333435364.5通过MRP技术提高无线网络容量使用MRP技术是为了牺牲部分网络质量来换取网络容量的增加。在使用MRP技术的网络中，TCH载波频率复用距离比4/12复用模式更近，增加了每个扇区的可用载波频率，从而增加了无线网络容量，提高了频率利用率。MRP技术可以根据容量需求和流量分布进行频率规划。它可以在需要扩展容量的地方(如城市地区)增加载波频率。频率分配灵活，网络容量可以逐步增加。以7.2兆赫的带宽为例，从表1可以看出，无线网络的容量比使用MR