GSM频率规划探讨.docx
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GSM频率规划探讨
FREQUENCYPLANNING
GSM系统
频率规划的探讨
阐述三大干扰对频率规划的决定性影响
阐述频率规划的主要原理
杭州市区频率规划方案的测定
对1x3MA方案和增强型1x3MA方案的比较
对各种其它的频率规划方案进行可行性探讨
前言
频谱是宝贵资源，为了有效使用有限的频率，对频率的分配和使用必须服从国际和国内的统一管理，否则就会造成相互干扰或资源的浪费。
并出于移动通信的特殊性，其工作频段也应有5方面的考虑：
（1）电波传播特性，无线尺寸；
（2）环境噪声及干扰的影响；
（3）服务区域范围、地形和障碍物尺寸，以及对建筑物的渗透性能；
（4）设备小型化；
（5）与以经开发的频段的协调和兼容性。
又由于适宜移动通信的甚高频VHF（150MHz）已有电视节目12个频道，在特高频UHF（450MHz）也有36个频道，所以移动通信只能占用它们的间隙来通信。
因此，用来大容量移动通信的频段只能重新开辟。
目前，国际上分配900MHz频段为固定、移动、广播和无线电定位业务使用。
我国将900MHZ频段中的890—915Mhz和935—960MHz分别作为大容量公用陆地移动通信的收、发频段。
其中，双工间隔为45MHz频道间隔为25KHz。
按照这样的参数可计算得出：
双工频道间隔总数为124个，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式分为8个时隙，即为8个信道。
显然，这些信道数远远满足不了日益庞大的用户群。
所以不得不采用一种将微处理机和移动通信技术相结合，以波道公用及同频复用为特征的蜂窝式移动通信。
特别是同频复用技术，是一个核心概念。
蜂窝结构的价值就是借助频率复用来突破频谱资源限制的，从而产生无限的系统容量。
具体方法是可以将一组频道频率分配给相隔一定距离的两个或多个小区使用。
这些使用相同频率的小区叫同频小区。
但同频小区之间存在有同频干扰，且由于设备、成本及设备的维护等因素使其不可能达到无限的系统容量。
目前，我国900MHz频段也满足不了现状，已向1800MHz频段扩展。
所以对同频干扰和同频复用距离的研究是小区制移动通信网频率分配的依据。
可见频率分配方案的优劣直接关系到整个通信网的通信可行性和通信质量等级。
因此，本文就频率规划作出了初步的探讨。
1、阐述三大干扰对频率规划的决定性影响
移动通信的一个显著特点就是在强干扰情况下工作。
它除了主要的噪声来源：
人为噪声外还有主要的三种干扰：
互调干扰、邻道干扰及同频干扰（蜂窝移动通信系统特有）。
这三种干扰的存在而使频率规划对保证通信质量显得非常重要，因为频率资源的有限性而不可能通过无限地开辟新的信道来避免上述干扰。
一、互调干扰是指两个或多个信号作用在设备的非线性器件上，产生同有
用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。
在移动通信
系统中，可能造成互调干扰的原因是：
（1）在发射机的末端，由于功率放大器的工作非线性，把侵入的其它干扰信号与有用的发射信号产生相互调制而形成的一种干扰称为发射机的互调。
（2）处于互调关系的两个或两个以上的无线电信号同时被一个接收机接收，由于接收机高频放大器或混频器的非线性而发生相互调制，称为接收机的互调。
电路的非线性是造成互调干扰的根本原因。
但是，在单机互调指标一定时，各个干扰信号必须满足一定频率关系（如三阶互调干扰2Wa-Wb=Wc；Wa+Wb-Wc=Wd）且具有一定幅度才能造成互调干扰，比如说，在同一无线区尽管有很多电台同时工作，只要电台的工作频率分配得当，各站的布局和覆盖系数合理，就不会产生严重的互调干扰。
也就是说，可以从频率分配上和干扰信号强度上设法破坏构成互调干扰的条件，这就是系统设计时应考虑的问题。
在多信道系统中，当任意两个信道序号之差等于任意另两个信道序号之差时，构成了互调干扰。
即满足式d=c–c=；d=d其中c表示信道序号，d表示任意两个信道间的差值。
这一点可以用图表直观地说明。
１１
３
４
２６
２２
１７
１
２ １ ７ ６ ５ ４
图1 ３ ８ １３ １１ ９
１０ １４ １８ １５
１６ １９ ２２
２１ ２３
２５
可见，这个例子的三角阵列中没有重复的数据，所以给出的七个信道之间，是不存在互调干扰的。
无三阶互调信道组如下表：
（表1）
需用信道数
最小占用信道数
无三阶互调信道组的信道序号
信道利用率
３
４
１ ２ ４
７５％
４
７
１ ２ ５ ７
１ ３ ６ ７
５７％
５
１２
１ ２ ５ １０ １２
１ ３ ８ １１ １２
４２％
６
１８
１ ２ ５ １１ １６ １８
１ ２ ５ １１ １３ １８
１ ２ ９ １２ １４ １８
１ ２ ９ １３ １５ １８
３３％
７
２６
１ ２ ８ １２ ２１ ２４ ２６
１ ３ ４ １１ １７ ２２ ２６
１ ２ ５ １１ １９ ２４ ２６
１ ３ ８ １４ ２２ ２３ ２６
１ ２ １２ １７ ２０ ２４ ２６
１ ４ ５ １３ １９ ２４ ２６
１ ５ １０ １６ ２３ ２４ ２６
２７％
８
３５
１ ２ ５ １０ １６ ２３ ３３ ３５
１ ３ １３ ２０ ２６ ３１ ３４ ３５
：
２３％
９
４６
１ ２ ５ １４ ２５ ３１ ３４ ４１ ４６
２０％
１０
５６
１ ２ ７ １１ ２４ ２７ ３５ ４２ ５４ ５６
１８％
利用此表能够方便地选出无三阶互调干扰的一组频率。
例1：
需要信道数为５，第一信道频率Ｆ１＝１６３、２００ＭＨＺ，信道间隔为２５ＫＨＺ，则无三阶互调干扰的五个信道频率是：
Ｆ１＝１６３、２００ＭＨＺ
Ｆ２＝１６３、２００ＭＨＺ＋０、０２５ＭＨＺ
Ｆ３＝１６３、２００ＭＨＺ＋０、０２５ＭＨＺx４＝１６３、３００ＭＨＺ
Ｆ１０＝１６３、２００ＭＨ＋０、０２５ＭＨＺx９＝１６３、４２５ＭＨＺ
Ｆ１２＝１６３、２００ＭＨＺ＋０。
０２５ＭＨＺx１１＝１６３、４７５ＭＨＺ当选用无三阶互调信道组工作时，在占用频段内，只能应用一部分信道，所以频段利用率不高，而且需要的信道数愈多，频段利用率就愈低。
因此，当需要信道数很多或频率拥挤的地区，采用无三阶互调信道组工作是不现实的。
但在小区制系统中，若每个小区使用的信道数较少，则可采用信道数的分区分组分配法来提高频段利用率。
可见互调干扰对频率利用有一定的限制。
二、邻道干扰是指相邻的或邻近的信道之间的干扰。
在多信道工作的移动通信系统中，如果用户Ａ占用了Ｋ信道，用户Ｂ占用了（Ｋ＋１）信道，这两个用户就是在相邻信道上工作。
理论上说，它们之间不存在干扰。
但是，当一个距基站Ｋ信道接收机收到的有用信号较弱，与它相隔２５ＫＨＺ的（Ｋ＋１）信道接收机收到的信号却很强，这是由于移动台Ｂ距基站近的缘故.因此,当移动台B发射机存在调制边带扩展和边带噪声辐射时,就会有部分（K+1）信道的成分落入K信道。
如果增加邻道间隔可以减弱邻道干扰，但是频率的利用限制了邻道间隔的大小。
所以邻道干扰是需要在频率规划时考虑的又一问题。
三、同频干扰是指相同载频电台之间的干扰。
这是移动通信在组网中出现的一种干扰，在电台密集的地方，若频率管理或系统设计不当，就会造成同频干扰。
在移动通信中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，这称为同信道复用。
也就是说，可以将相同的频率分配给彼此相隔一定距离的两个或多个无线小区使用。
显然，同信道的无线小区相距愈远，它们之间空间隔离度就愈大，同信道干扰也就愈小，但频分复用次数也随之降低，即频率利用率降低。
因此，两者要兼顾考虑。
在进行无线区群的分配时，应满足一定通信质量的前提下，确定相同频率重复使用的最小距离。
通过对信干比与同频复用频率组数的关系的推导来确定小区
由于移动台经常处于运动状态，电波在基站与移动台之间随路径的不同而随时随地发生变化，因而很难找到相邻覆盖区间的严格分界线。
通常说的覆盖区是从场强平均变化意义上来理解的，也就是说，某一点之外，但它仍有可能具有足够的场强，也能进行良好的通话。
相反，在覆盖区内的一点有可能保证不了通话要求。
因此，一般在设计时应考虑两个相邻区域的连接处要有一定纵深的重叠区来减少可能出现的弱电场区及不可通信概率。
但是重叠区过深又会导致越区干扰。
就条状服务区为例：
D
ro（2K-1）ro-Ka
3ro-2a
D
C
B
K
E
A
a
》......
a干扰点
图2求信干比示意图
其中A、B、C、D、E…….K为基站,ro为基站覆盖区半径;a为重叠区宽度。
很明显，当移动台处在覆盖区边缘J点时，遭受邻区干扰影响最为严重。
J点的移动台载波／同频干扰比Ｃ／Ｉ可计算如下：
（1）二频组：
Ａ和Ｃ基站使用相同频道组
Ｃ／Ｉ＝４０Ｌog（3ro-2a）/ro
（2）三频组：
Ａ和Ｄ基站使用相同频道组
Ｃ／Ｉ＝４０Ｌog（5ro-3a）/ro
（3）n频组：
Ａ和第（n+1）个基站同频工作
Ｃ／Ｉ=40Log[（2n-1）ro-na/ro]
考虑在服务区中始末两个使用同频基站Ａ和Ｋ，并根据业务要求的同频干扰防卫度来确定它们之间的距离Ｄ。
假定它们都使用无方向性的收发天线，这样，在Ｊ点收到Ａ台的有用信号功率中值与ro^-a成比例，而收到Ｋ台的干扰信号功率则与（Ｄ－ro）^-a成比例。
因为Ａ、Ｋ台使用同一频率，故Ｊ点收到Ｋ台来的信号为同频干扰。
设重叠区宽度a=0,则Ｊ点Ｃ／Ｉ值为
Ｃ／Ｉ＝［（Ｄ－ro）/ro］^a——４
上述为单一基站Ｋ产生同频干扰的情况。
当有m个基站也使用同一频率时，它们离Ｊ点的距离分别（Ｄ－ro）.由于它们在Ｊ点产生的场强是统计独立的，故在这一点产生的总干扰功率电平正比于 ，则可能最低Ｃ／Ｉ值为
Ｃ／Ｉ＝１/m{[（D-ro）/ro]^a}——５
若Ｃ／Ｉ符合要求，为了使频率利用最经济，希望Ｄ越小越好。
例2，如图２，假设Ｄ／ro＝８，有２个同频基站（m=2）、a＝４，则由５式可求出
Ｃ／Ｉ＝１０Ｌg［１／２（７）^4］＝30.7（dB）
这说明该系统通信质量较好，因为信号干扰比可远大于１７dB（话音质量为３级时的同频防卫度）．同理，可求出在Ｄ/ro=6,D/ro=4时的dＢ数和所需的频率组数，计算结果如下表
（表２）
Ｄ／ro ８ ６ ４
C/I（dB） 30.72516
所需频率组432
Ａ、Ｋ两基台之间应隔的小区数321
由表可知，信干比要求高的系统，小区数多，因而频率组多，基站数增加。
当服务区不呈条状而是一个宽广的平面时，为面状服务区，它由许多正六边形作为基本几何图形覆盖整个服务区，从而构成形状类似蜂窝的移动通信网，如图所示画出了簇复用构建蜂窝网的示意图，由此可计算同频小区间距离D，ro为小区覆盖半径
D
A
I
D
A
C
B
r
B
H
M
L
J
E
E
G
F
图3 Ｎ小区复用模式
设小区的辐射半径为 ro,则在相邻的两个簇中，位置对应的两个同频小区中心之间的距离Ｄ即同频复用距离，可用下式计算：
Ｄ＝（３N）^2ro
可见簇内小区数Ｎ越大，同频小区之间的距离越远，抗同频干扰的性能也就越好。
另一方面，在进行蜂窝移动通信分配的时候，每个小区分配一个波道组，每个簇分配一组波道组，在大面积覆盖时，相隔一定距离后这组频率又可复用，只要相隔距离能保证同波道抑制足够大，频率复用就可以提高频率利用率。
设Ｄc是获得给定信号同频干扰比所需的同频复用距离，则在Ｄ>=Dc的条件下，Ｎ应取最小值，因为Ｎ越小，频率利用率越高。
将同频无线区间的距离Ｄ和小区半径ro的比值Ｒ＝Ｄ/ro称为同频复用比。
Ｄ／ro是蜂窝系统中计算同频干扰和频率复用的一个重要参数。
有
Ｒ＝Ｄ／ro=（3N）^2
前述中都认为基站设在小区的中央，由全方向天线形成圆形覆盖区，这就是所谓的“中心激励”方式。
假如小区内有大的障碍物，中心激励方式难免会有辐射的阴影区。
若改为在正六边形的三个顶点上用１２０度的扇形覆盖的定向天线，就可避免阴影区的出现。
这就是所谓的“顶点激励”。
中心激励 顶点激励
图４激励方式
顶点激励方式除对消除障碍物阴有利外，对来自天线方向主瓣之外的干扰也能与一定的隔离度，因而允许减小同频小区之间的距离，进一步提高频谱利用率，对简化设备、降低成本都有好处。
小区分裂技术
除频率复用外，小区分裂是提高蜂窝网容量及频谱效率的又一重要概念。
初期设计总是认为服务区内各小区大小相同，用户密度分布，各基站开设频道数也相等。
实际上，随着用户数不断增长，服务区各小区用户密度不再相等。
例如，闹市区用户密度大，话务量急增；市郊区用户密度小，话务量较小。
随着城市建设的不断发展，原来低密度地区有可能变为高密度的地区，应将小区面积划小些，或将小区中基站全向覆盖改为定向覆盖，使每个小区所分配的频道数增多，满足话务量增大的需要，这种技术称为小区分裂。
（1）在原基站上分裂：
小区分裂的一种常用办法是在原小区的基础上，将中心设置基站的全向覆盖区分裂为几个定向天线的小区。
小区分裂根据不同的实际状况常采用4x3,1x3等频率形式其中杭州市用的是1x3,具体见图5
优点：
增加了小区数目，但不增加基站数量。
重叠区小，有利于越区切换。
利用天线的定向辐射性能，可以有效地降低同频干扰
影响。
减小维护工作量和基站建设投资。
（2）增加新基站的分裂：
增加新基站的分裂是指业务信息增加后，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的方法。
采用此方法时，应该注意到将原基站天线有效高度适当降低，发射功率减小，努力避免小区间的同频干扰。
在总频率不增加的情况下，小区分裂可以使原小区范围内使用频道数增加以增加系统容量和容量密度。
通过计算信干比来比较全向小区和定向小区：
（1）全向小区系统C/I的计算：
BSS
ro
设移动通信系统中接收机本地噪声
小于同频干扰电平，所以其C/N可
MSD近似用C/I表示为：
BSSS
BS
C/I=C/
m为干扰源总数，Ik为相互独立的
第K个干扰源对移动接收机干扰功
率。
实际上，小区制移动通信系统
图5同频干扰影响
中，同频信道干扰源往往不止一个，而是多个。
在多个同频信道干扰源的情况下，多个扰信号按功率叠加关系决定干扰信号的电平。
如图5中小区半径ro，同频BS间距离为D，所有BS发射功率相同，BS距被干扰MS的距离为Dk则1式变为：
C/I=ro^-a/
对于蜂窝网中同频干扰的计算，2式是普遍适用的公式为简单计，令Dk=D则2式变为
C/I=1/m（D/ro）^a=1/m（R^a）
必须指明，为保证移动台达到规定的话音质量，移动台必须有最小的接收电平。
门限电平是通过调节小区半径和基站发信功率来满足的。
在这个前提下，假设所有小区的大小都一样，则C/I值就与每个小区基站发信功率的大小无关。
在一个完全展开的由正六边形组成的蜂窝系统中，若路径损耗指数a=4，对于任何簇的构成方案，在周围第一层有6个同频干扰小区，则有
C/I=1/6（R^4）
在更外层的同频干扰小区，由于距离远，干扰小，可忽略。
例3，蜂窝小区N=7的模式，a=4，移动台接收机的C/I为
C/I=1/6{[sqt（3N）]^4}=73.5=18.7dB>17dB
由此可知，N=7的全向天线蜂窝系统得到的C/I值大于17dB。
也可基于主观质量评定准则，规定C/I=17dB，路径损耗指数a=4，可以计算得R=D/ro=4.2。
当正六边形蜂窝小区数N=7时，其R=4.6>4.2,因而7小区复用模式能满足17dB载波同频干扰比的要求。
实际移动通信网中，由于BS位置偏移、传播环境起伏、小区形状扭曲等，接收到的C/I总会更差些，所以必须计算最坏情况下的C/I的，用最短距离（D-ro）代入3式得：
C/I=1/6{[（D-ro）/ro]^a}
以例3的数据代入得C/I=14.4dB<17dB
可见在最坏情况下通信质量就得不到保证。
（2）定向小区系统C/I的计算：
通常利用定向天线将小区分成3个或6个扇形覆盖区。
由于定向天线在移动无线条件下的前后比至少有10或更多，干扰只在主瓣方向有效，有效干扰源的数量将大大减少。
当采用120度的扇形覆盖时，将只有3个有效干扰源；采用60度扇形覆盖时，只有1个有效干扰源。
在120度定向天线，7个小区为一簇的情况，设小区半径为ro，则3个同频干扰源到位于小区边缘的移动台的距离分别为4ro、5ro、如图6，代入2得
C/I==21.8>17dB
同理，也可得最坏情况下的C/I=17.4dB
由此可得定向小区的载干比要大于全向小区的载干比，也就是说采用定向天线可以明显改善小区同频干扰问题，从而增加小区系统容量却不用增加基站数量。
BSS
4ro
5ro
31Nro
图6120度定向覆盖的同频干
通过计算可知同频干扰是决定频率复用的主要限制，同频干扰轻则带来通话的背景噪声,重则出现令人烦恼的可懂串话,甚至导致通话中断降低。
同频干扰已成为蜂窝移动通信工程设计、维护运营工作的重要课题。
通常降低同频干扰的措施如下：
（1）定向天线覆盖
引入定向天线覆盖，利用天线空间定向隔离，可以减小同频干扰。
对此，上述已有简单的证明。
经常使用的有N=7、120度扇形区，N=4、60度扇形区或120度，N=3、120度扇形区的复用方案。
60度扇形区需要更多天线架设于铁塔上，移动台定位比较困难且超越扇区频繁。
故实际上，多采用120度扇区。
（2）同频复用距离和频分配方案的最佳化。
两者对C/I都有直接的影响，最佳必须考虑的问题为：
a在实际组网应用中，确定BS覆盖区及同频复用距离，对不符合C/I要求的频率应于调整。
b随着传播环境的变化，业务量增加和网络重叠覆盖态势的形成，应根据移动通信网性能指标实施优化调测。
（3）天线高度和功率控制
在一些特定环境，例如平坦地面或山谷，降低天线高度对减小同频干扰特别有效。
有效控制BS天线高度可以减小本站对其它同频站的干扰。
城区内BS天线应尽可能保持等高，目前一般控制在50到60米高度。
发射功率的选定应在满足C/I要求下保证小区边缘的通信概率，以免造成室内盲区。
（4）天线仰角的调整（Downtilt）
利用downtilt减少蜂窝结构同频干扰，实际上是减少天线在干扰方向上的增益，同时增强覆盖内信号强度，提高C/I。
Downtilt对C/I的改善程度取决于干扰小区的天线形状、天线高度及覆盖区范围。
（5）调整天线方位角
利用天线水平方向图的偏移，控制干扰和被干扰量。
三大干扰的存在，特别是同频干扰的存在，就很有必要对频率的使用作一合理的按排，这就引出了各种频率规划方案和对它们的探讨以求最佳方案来最大限度地减少各种干扰对通信系统带来的危害。
2、阐述频率规划的主要原理
GSM是针对广阔而且密集覆盖的蜂窝网络的，运营者一般将其网络设计成能在一个国家的范围内最终实现连续覆盖。
蜂窝规划的目的是选择蜂房站址及诸如频率分配和蜂房容量等许多系统参数，以便经济地提供连续覆盖和支持所要求的业务量密度。
目标
在蜂窝环境中，要支持的业务量最好被表示为在各点的本地业务量密度的平面的函数。
作为一级近似，此函数应与人口密度匹配。
一个重要的因子是人口渗透率，它给出在一个区域内用户数同总人口的比率。
这个值是变化的，在大城市要比在农村大些。
另一个有关参数是每个用户的业务量。
若平均的渗透因子为5%，每个用户的业务量为0、05ERL：
大范围的业务量密度介于每平方公里0到100ERL范围较小时，业务量密度可能达到很高的数值。
若进一步缩小范围，假设一平方米内有一个用户，我们可以得到每平方公里50000ERL的业务量密度；而在紧接的一平方米内因为没有用户，其业务量密度为0。
进行业务量密度测量的范围应采用合适的蜂房大小。
实际上，更为复杂的是业务量密度随时间而变化。
即使我们不考虑其长期发展，在每天或每周内业务量分布也会发生短期变化。
通常，电信运营者按照系统最接近拥塞时的“蜂值小时业务量”来决定其网络的规模。
频率规划的首要目的是每个蜂房应能支持来自相应地理区域的业务量。
现在，有许多解决这一问题的方法，非常明显的一种方式是安装大量的蜂房。
蜂窝规划的另一目标使问题稍微复杂一点，它要求在给定业务量负荷的基础上，使无线电基础设施的费用最低。
无线电限制
费用最优化问题不是一个简单的问题，只考虑费用会导致用尽可能少的站点，理想情况下为一个巨大的蜂房。
但由于两个方面的原因，这是不可行的。
首先是前述所说的可用频谱总量，要在一个蜂房内提供的业务信道数要求使用的频率数目尽可能少依赖于系统。
例如，在GSM中，全速率话音的同时对话需要25KHz。
若要支持三百万GSM用户，每个用户在峰值小时产生25毫爱尔兰，这将要求分配1855MHz的频谱，而GSM900只有25MHz可用！
因此，对任何大型无线网络，设置多个蜂房是不可避免的。
其次，无线传输范围要受到移动台的最大发射功率和噪声的限制。
因此，蜂房尺寸及系统中无线站址的总数要受到两个因素的影响：
即传输范围和无线电资源复用所引入的干扰。
1范围：
移动台发射功率对GSM900车载台为20W，对GSM900手持机为2W，对DCS1800手持机为1W。
再加上噪声因素限制基站灵敏度，且有大多数情况下，陆地移动无线系统的传播并不遵从直接视距方式，而是要遇到许多对无线电波进行反射或绕射的障碍物，在这两种情况下都会导致比直线传播高很多的损耗。
无线电波在第一种方式：
直接视距传播情况下（假设无过分靠近视线障碍物），则由传播造成的功率损失随d^-2 变化（d代表发射机与接收机间距）。
其它的可能性包括反射和绕射在900MHz或更高的1800MHz，反射和绕射会造成显著的传播损耗。
另一方面，由于基站和移动台距地面都很近，许多障碍物会阻碍其间的视距传播，它们只能通过反射或绕射路径通信。
但更糟糕的是用户想在任何地方都能使用其移动台，包括大楼内，甚至地下停车场或深层地下室。
即使在距基站很近的距离内，这些地方的传播损耗都会很高以至不能通信。
一般地说，对一给定距离，传播损耗服从某些统计分布。
根据定义，在距基站一定距离处，只有50%的情况，传播损耗小于等于中值传播损耗。
但对用户可能需要服务的地方测量时应能保证90%或95%的覆盖。
因此运营者必须考虑对平均传播损耗的重要边际保护。
2、干扰：
在蜂窝系统中，由于频谱资源在某些地方是要复用的，所以设计目标应是确保此复用带来的干扰可以忽略，或至少在系统上能接受。
对同频干扰而言，若传播不具有比d^-2变化小得
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