第5讲 频率规划理论

f1 f2 fn f1 f2 fn
线状覆盖重叠区的确定： 在铁路或公路的覆盖中，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。 为了保证在覆盖区域尽可能不出现弱场区，要保证相 邻小区间有一定的重叠范围。确定重叠区的大小： •重叠区太小，可能会出现弱场区； •重叠区太大同频干扰增大，越区切换时间太长，不易控制。 因此要恰当设计重叠区域的大小。
扇区划分
使用定向天线来减小同频干扰，从而提高系统容量。 可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线 来减小蜂窝系统中的同频干扰，其中每个定向天线辐射 某一特定的扇区。
11
小区制移动通信系统的覆盖有两种方式，一种是面
状服务覆盖区；另一种是带状服务覆盖区。
通常面状覆盖用于城市、乡村等地域宽阔的地带，
（2）线状覆盖：
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。
线状覆盖的频率复用： 在线状覆盖中，一般以圆形小区为模型来进行分析和 设计，如下图所示。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。
复用距离，使单位面积的信道数增多，系统容量增大。
小区分裂Байду номын сангаас
小区分裂一种方法是将小区半径 缩小，增加新的蜂窝小区，并在 适当的地方增加新的基站，使得 原小区范围内的使用频道数增加， 以增大系统容量和容量密度。 另一种方法是通过在原小区的基 础上，将中心设置基站的全向覆 盖区分为几个定向天线的小区。 增加了小区数目，却不增加基站 数量，降低同频干扰。
而在铁路、公路、狭长的水面上这样的呈带带状的地区，
往往采用线状覆盖的方式。
在GSM-R系统中：
• 车站、编组站——面状覆盖
• 铁路沿线——现状覆盖
（1）面状覆盖：
• 无线移动通信系统广泛使用六边形研究系统覆盖和业 务需求。
• 实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不同，无线 电波传播环境不同，产生的电波的长期衰落和短期衰 落不同，因而一个小区的实际无线覆盖是一个不规则 的形状。
移动通信网的区域覆盖方式分为两类： –一类是小容量的大区制； –另一类是大容量的小区制。
大区制将一个服务区作为一个无线区，由一个基站 覆盖，在无障碍物的开阔地带, 基站采用全向天线。为 了增大基站的无线电波覆盖范围, 保证移动台接收到基 站的信号质量良好，基站天线需要架设得很高，达几十 米至百余米；发射功率也很大, 一般为50W～200W；覆 盖半径为30km～50km。 大区制的优点: 网络结构简单、建设成本低。适用于中小城市、工 矿区以及专业部门。 大区制的缺点: 只有一个基站，频道数很有限, 因此通信容量不大、 可容纳的用户数为几十至几百个、不适合用户数量很大 的服务区。
GSM-R频率规划目标： GSM-R是用于铁路通信且满足系统安全性、可用性、
可靠性和可维护等方面要求的专用移动通信系统。从通信
角度考虑就是要在满足业务量需求的前提下尽可能高提高 通信可靠性。可靠性主要体现在机车台应保持干扰载干比 满足接收机解码要求的正常通信。 1)在正常小区覆盖范围内由网内其余基站造成的同频干扰
N=4包含2个完整的含 有相同数字1到4的小
区，一般称为簇或区
群。在一个簇里要使 用不同频率，在不同 簇中要使用对应的相 同频率。
当前我国GSM公众移动通信网络普遍采用同站址 三个120°定向天线划分扇区的方法实现小区覆盖， GSM系统中最基本的频率复用方式为4X3频率复用方式： “4”——表示4个基站(每个基站由3个小区组成)； “3”——表示每基站3个小区。 这12个扇形小区为一个频率复用簇，同一簇中频 率不能被复用。这种频率复用方式由于同频复用距离 大，能够比较可靠地满足GSM体制对同频干扰保护比 和邻频干扰保护比的指标要求。使GSM网络运行质量 好，安全性好。
通信系统的评估指标一般分为有效性和可靠性两个方 面。有效性和可靠性是矛盾的两个方面，在确定频率规划
目标时需要根据具体网络运营特点来定。
GSM具有两个较鲜明的特点: 1)用户数量越来越大，话务量及其他数据业务量也处 于不断递增的状态。 2)用户分布情况随机性大，有些小区可能出现突发性
用户量、话务量、业务量剧变的情况，比如会议场所、名
和邻频干扰载干比应满足接收机解码要求以保证通信质量。
这就要求在正常小区覆盖范围内，一个合理的频率规划方 案应完全具备抗网内干扰的能力。
对于GSM-R系统：
同频干扰—— 主控制信道及列控业务信道所在频率的
C/I≥12dB ；话音信道和非安全类电路域数据信道所在频
率C/I≥9dB；分组域数据信道频率的C/I≥12dB 。
胜古迹等。
GSM频率规划的目标是：
1)满足通信质量要求的前提下尽可能提高资源利用率以
满足日益增长的用户量和话务量。
2)使系统具有更强的可伸缩性，以应对一些突发性用户
数量和话务量剧变造成的通信堵塞。
GSM频率规划对具体规划方案的评估准则也是根据频
率规划目标而制定的。
GSM-R频率规划应该以GSM-R建网策略、运营原则和发 展方向为基础，主要特点表现在以下几个方面: 1) GSM-R铁路专用移动通信网发展方向是要尽可能为 铁路运营提高100%安全保障，对干扰载干比、正常越区切 换、掉话率等通信质量要求较高，相比GSM系统，GSM-R更 加重视通信可靠性指标。 2) GSM-R可用频点数为19，因此GSM-R频率规划具有 频率受限的特点。 3) GSM-R频率规划重点区段为列车运行区段，而列车 运行区段大多数采用线状覆盖方式，这是GSM-R频率规划 重要的前提条件。
6 1 2 5
3
4
R
R R
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%。六边形覆盖的系统费用也要
低于正方形和正三角形。
小区簇的实际举例
15
面状覆盖频率复用：
D 3N R
N= i2 + ij + j2
N也称为频率复用因子
N越大，D就大，频率
利用率就降低； N小，D小，频率利用 率高，但同频干扰加大 1、沿着任何一条六边形链移动i个小区；2、逆时针旋 转60度，再一定j个小区，如上图，i=3，j=2，N=19
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，其次以固定的或动 态的方法为用户分配信道。 信道分配应遵循以下几个原则： 确定载频的中心频率、信道间隔、收发双工间隔等参数 值。 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。 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。
小区制是将整个服务区划分为若干个小无线区, 每 个小无线区设置一个基站，形成一个无线小区，这些小 区组合在一起构成一个覆盖整个服务区的网络，小区制 基站的覆盖半径一般为一百米到三千米。 小区制的优点: • 组网灵活,适合组建大规模大容量的移动通信系统。 • 基站覆盖范围小, 基站和移动台的发射功率都可以降低。 小区制的缺点: • 当用户移动时将频繁地从一个小区转入另一个小区, 移 动台也需要频繁地自动更换工作频道。 • 由于基站数量多，控制技术复杂，小区制移动通信网络 的建设、运行和维护成本较高。
• 使用蜂窝移动系统的目的在于提高频谱效率。频率复 用是一种概念，而小区分裂是另一种概念。 • 随着城市建设和用户数的增加，在高用户密度地区，
将小区面积划小，或将小区中的基站全向天线改为定
向天线，使每个小区分配的频道数增多，满足话务量
增大的需要，这种技术称为小区分裂。
• 采用小区分裂的方法，有限的频谱资源通过缩小同频
邻频干扰——主控制信道及列控业务信道、分组域数据信
道：200kHz邻频干扰保护比要求C/I≥-6dB；400kHz邻频 干扰保护比要求C/I≥-39dB。话音信道和非安全类电路域 数据信道：200kHz邻频干扰保护比要求C/I≥-9dB； 400kHz邻频干扰保护比要求C/I≥-41dB。
2)设备故障及无线传播环境恶劣造成的异常切换是一个
突发且难以避免的问题。当移动台在正常工作小区覆盖
范围内突然异常切换至其他小区时，系统应最大限度达
到确保机车台不会因此掉话或列车运行控制系统通信超
时的要求。这就要求当异常越区切换时，一个合理的频
率规划方案应具备较强的抗网内干扰的能力。
在GSM-R系统进行一定区域内的频率规划时， 一般 采用地理分片的方式进行， 但需要在分片交界处预留 一定频点（ 频率足够使用时） 或进行频点划分。交界 处的选择尽量避开热点地区或组网复杂区。不管采用何 种方式进行频率规划，一般需要遵循以下原则： ① 同基站内不允许存在同频频点； ② 应满足同频C/I值大于12dB、邻频C/I 值大于-6dB 的要求, 并在最大程度上保证同小区、相邻小区话音 信道频道间隔不小于400kHz、控制信道频道间隔不 小于600kHz； ③ 直接邻近的基站应避免同频； ④ 考虑到天线挂高和传播环境的复杂性， 距离较近的 基站应尽量避免同频相对。
5.1蜂窝移动通信系统特性及覆盖方式
频率规划——为整个系统中的所有基站选择和分配信道 组的设计过程。
频率受限是蜂窝系统设计中最重要的约束条件。频
率规划提高系统容量的最根本的措施，是网络规划的重
要环节, 良好的频率规划是保证网络通信质量的基础。
影响频率规划的因素主要有两个方面：一方面是频 率利用率, 另一方面就是干扰。如何达到频率利用率和 通信质量的平衡是无线频率规划必须解决的问题。
覆盖距离即小区半径在4-12km之间，C/I>9dB，加
上3dB的余量后，C/I>12dB，同频最少相隔2个小区。
重叠区的大小与地形、地物的影响有着密切关系。
要求移动台接收一个区域的基站信号很差，而接收另一
个区域基站的信号很好。
可以通过调整重叠区交叠深度来减少可能出现的弱 场强地带。
（3）信道分配策略： 蜂窝系统的信道分配策略包括固定信道分配和动态信道 分配两种。 •固定分配策略是指每个小区都预先分配好一组话音信道， 小区中所有呼叫都只能使用该小区的信道，若所有信道都 被占用，则新呼叫会被拒绝。该方法管理控制比较容易， 但信道利用率不够高。 •动态信道分配策略：话音信道不是固定分配给小区，而是 每次呼叫请求时服务基站就向移动交换中心请求一个信道。 该策略能较好的提高信道利用率，但是控制复杂成本高。 GSM-R是为铁路专用移动通信服务的，因此用户数量 和业务量相对稳定，出现突发性高业务量的概率比较低， 一般采用固定信道分配策略。
D 3R-2a a
P
………… B C N
A
f1
f2
f3
fn
C R dB 40 log 2n 1R na I
图中fn表示GSM-R可用频点，R表示小区半径，a表示
重叠区的宽度，那么将两个距离最小的同频小区圆心之
间的距离视为同频复用距离，则同频复用距离 D=2nR-na。
实际工程中,对于GSM-R系统：
第五章 频率规划理论
参考书目：
钟章队.《铁路数字移动通信系统应用基础理论》 樊昌信.《通信原理》 马玉珉.《通信系统理论》
李少杰.《 GSM-R系统无线网络频率规划方法的研 究及应用》 刘秋妍.《基于粗糙集灰色聚类理论的GSM-R系统 频率规划研究》
主要内容： 5.1 蜂窝移动通信系统特性及覆盖方式 5.2 频率规划概述 5.3 铁路频率规划分布
5.2 频率规划概述
GSM-R采用了900MHz工作频段。其中上行频率区间为 885MHz-889MHz(移动台发，基站收)，下行频率区间为 930MHz-934MHz(基站发，移动台收)。共4MHz频率带宽。 双工收发频率间隔45MHz，相邻频道间隔为200kHz。 按等间隔频道配置方法共有21个载频。频道序号从 999-1019，扣除999和1019作为隔离保护，实际可用频道 数为19，频道序号为1000-1018。
• 蜂窝移动通信系统是一种由大量的无线蜂窝状基站覆 盖小区组成的无线移动通信系统。其思想是用许多小 功率的发射机来代替单个的大功率发射机，每一个小
的覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。
• 蜂窝的思想自20世纪60年代诞生以来解决了有限频率
资源为更多用户服务的重大问题。现代数字蜂窝系统
更具有低功率发射和小覆盖区域、频率复用、灵活地 提高系统容量、业务密度的适应性等多方面特性。