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频率规划与优化技术探讨
频率规划与优化技术探讨
作者：
戈玲
主题词：
频率规划多层紧密复用（MRP） 代价函数小区干扰距阵遗传算法
摘要：
频率资源配置成为影响网络质量的瓶颈之一。
为了提高有限的频率资源的利用率，实现优化的频率资源配置以提升网络质量，我们将网络优化工作经验与系统性优化方法相结合，不断探索提高频率规划水平和经验，通过技术研究和工具开发形成了独有的技术思路、方法和频率规划程序，并完成了2次自主区域变频、深圳历史上最大规模的市区整体变频和覆盖地理信息系统项目，网络质量有了显著提高。
频率规划技术所应用的核心思想就是组合优化算法，这种系统性的优化方法可以在网络规划、资源优化配置等多领域得到应用和发展。
前言
频率资源的规划和优化在移动通信网络的规划中是一个非常重要的环节，如果在网络整体规划时频率规划得不好，会造成整个网络或者局部区域干扰严重，从而影响网络质量甚至引起掉话。
在无线网络日益复杂的今天，面对网络规模大且网络变动频繁、频率规划技术要求高和经验不足的状况，频率资源配置成为影响网络质量的瓶颈之一。
如何更有效地利用有限的频率资源，实现优化的频率资源配置以提升网络质量，一直是网络规划人员研究的课题。
我们将网络优化工作经验与系统性优化方法相结合，不断探索提高频率规划水平和经验，通过从频率复用方式分析、技术研究和工具开发、系统性整体频率规划和优化三个方面全面开展频率优化工作，形成了独有的技术思路、方法和工具软件，提升了网络服务质量。
一、频率复用方式
在GSM网络中，为了追求频谱利用率，采用了不同的频率复用技术，包括传统的分组频率复用方式（3×9,4×12复用模式），多层紧密复用（MRP）或不分组的动态复用方式。
1、分组频率复用方式
分组频率复用方式对频率进行分组，在进行频率配置的时候，每个小区分配一个频率组，如果同一频率组的复用距离合适可以有效地避免基站间的同邻频干扰。
根据可用频点的个数和分组方式都可以确定相应的可以分配的最大小区载波配置，超过最大载波配置时分配的效果是不能达到预期的效果的。
深圳会展中心场馆覆盖区域有48个基站，792个载波，频率复用度很高。
在会展中心900基站的业务信道频率初始设计工作中，我们采用3×9的分组频率复用方式，业务信道频率分组表如下：
序号
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业务信道频率被分为3*3=9组频率，每组12个频点，每一个频率组中的频点间隔满足频率间隔要求，相邻组的频率不会邻频可以用于相邻的小区。
各小区根据实际的需要在分配的频率组中选择合适的需要的频率组，合理分配频率组可以有效的避免同邻频干扰。
2、多层紧密复用（MRP）
MRP也是一种频率复用系数较高的频率复用方式，它的主要分配原则是根据小区的载波配置对可用频率进行分层，每一组对应实际网络中的一层，控制信道层采用较为宽松的频率复用规则。
n1、n2、……nm为每一层的频率数，如总可用频率数为N，N=n1+n2+n3+……+nm，根据紧密复用规则，n1≥n2≥n3≥……≥nm
进行频率配置的时候，从每组中各按照不同的频率复用方式取一个频点作为当前小区的频率配置，这种方法有效地将同一小区不同层的配置频点隔离，不同层复用系数可以不同，有利于资源根据实际情况进行侧重和提高复用系数，且不同层分组不同实现了干扰的分散化，MRP复用方式频率利用率较高，有利于人工排频的实现，是一种较常采用的频率规划方法。
但是当频率资源紧张的时候,采用MRP复用方式也不理想的。
3、动态频率复用方式
这种频率复用方式不同于其它的频率分组复用的方式，它不将可用频点进行分组，在进行频率分配的时候考虑所有的可用频点，选择满足一定分配要求的频点作为当前的频率配置，通常当频率资源非常有限，其它的分组复用方式无法进行分配的情况下还可以进行频率分配，理论上可以达到最佳的频率配置结果。
动态的频率复用方式可以根据频率配置中的最低频率间隔要求对频率进行分配，达到最大的频率复用系数，当网络建设越来越庞大的时候无疑是一种实用的频率复用方式，但是这种频率复用方法计算复杂度高，适合用计算机进行算法实现。
4、深圳移动的频率复用方式
深圳移动无线网络有900和1800双频网，包括高层站、上层站、中层站、室内站4层,网络结构复杂、频率资源紧张。
通过研究频率规划的技术方法制定合理的频率分组方案，能指导设计人员在进行频率设计时更大限度地利用现有的频率资源。
我们结合了mrp和动态频率复用方式的特点，采取mrp分层人工排频和计算机程序辅助动态频率复用相结合的特点。
先对不同的网络层进行频率分组，以避免各网络层间的干扰。
然后对各网络层根据mrp频率复用模式进行人工排频，mrp分层避免了很多邻频的情况，减少了搜索空间的复杂度，采取合理的mrp分层有利于计算复杂度和复用系数的平衡。
接下来对控制信道是与业务信道单独分配，控制信道频率采用宽松的频率复用方式，业务信道采取动态频率复用的方式以提高频率资源的利用率，寻求更优组合。
控制信道是发送一些重要的控制信息和小区参数信息的，对控制信道的规划要求也比较高，一般采用控制信道的频率范围与业务信道的频率范围相互独立的方法。
根据这样的原则需要给控制信道分配一段单独的频段，这个频段可以是连续的也可以是离散的，我们采用控制信道间隔排列的方式，使得控制信道之间邻频不存在，非常适合于基站密集环境，对网络接通率，切换性能也提供了有力保证。
业务信道采用除控制信道外及微蜂窝频点外的剩余频点，控制信道与业务信道之间的邻频概率增大。
在实践中业务信道通过采用跳频，动态功控和不连续发射等方式减少业务信道上邻频干扰影响程度。
频率设计需要根据小区的规划优先级和可用频点的优先级来确定设计的顺序,优先级越高可能产生的干扰越小。
在频率初始设计时先安排控制信道，再设计业务信道；优先设计市中心高话务、基站密集区等优先级高的小区。
二、技术研究和工具开发
频率规划与其他的组合优化算法的思路的相近的，首先需要确定反映实际问题的数学模型作为代价函数,频率规划中用网络内的每个小区所有潜在干扰影响的区域面积和话务量的加权和作为代价函数，再通过优化的搜索算法调整频率规划来将代价降至最小，使网络的干扰减少到最小。
自主开发了“无线频率规划优化程序”和“频率检查程序”，合作开发了“基于覆盖数据库的频率自适应设计程序”的开发,通过加强支撑手段建设提高频率优化效率和效果。
1、代价函数的确定和干扰的量化分析
在GSM系统中，主要的干扰来自同邻频的干扰，这是由系统的载干比C/I决定的.C/I是衡量无线网络性能的一个重要参数，考虑通过DTX,跳频，功率控制等抗干扰机制以降低系统干扰水平，同频C/I>＝9dB，邻频C/I>-9dB。
频率计划的核心内容就是如何进行有效的规划设计，从而保证整个网络各个小区的频点都能够满足同邻频载干比的要求，减少网络的总体干扰水平，提高系统承载容量。
建立科学的代价函数是频率规划的关键环节，这需要从实际工作经验中提炼出反映网络干扰水平的各种重要因素。
我们一方面通过技术控制条件对干扰进行定量和定性分析，另一方面结合统计和道路扫频测试多个角度得到小区干扰矩阵，根据小区干扰矩阵进行干扰定量评估以确定代价函数。
（1）技术控制条件
对频率间的干扰情况进行分类，制定了若干技术控制条件（见下表），技术控制条件与邻区有密切的关系，首先对邻区进行分析和邻区优化。
根据这些技术控制条件进行频率检查，对各种干扰情况进行加权求和，在给出定性参考的同时给出了定量结果便于程序实现,技术条件干扰=I1*k1+I2*k2…t11*k11。
编号
技术控制条件
干扰系数
I1
频率间隔的硬件需求
K1
I2
同站同bcch
K2
I3
同站同tch频
K3
I4
同站小区bcch邻频
K4
I5
同站小区bcch和tch邻频
K5
I6
同站小区tch邻频
K6
I7
小区与该小区的邻区同bcch
K7
I8
小区与该小区的邻区同tch
K8
I9
小区与该小区的邻区bcch邻频
K9
I10
小区与该小区的邻区bcch与tch邻频
K10
I11
小区的相邻小区同bcch同bsic
K11
不同的权重系数K代表了不同的干扰程度，需要从实际测量和仿真分析角度分析得到。
K1取很大的值作为必须满足的条件，网内频率干扰按影响程度大小有如下递减规律：
控制信道间同频、业务信道间同频、控制信道间邻频、控制信道/业务信道邻频、业务信道间邻频，而且同站的时候比一般的邻区干扰权重要加大。
在频率分组方式确定时采用了控制信道间隔排列的方式，使得控制信道间不会邻频，但是控制信道与业务信道之间的邻频概率增大。
（2）小区干扰矩阵
技术控制条件主要反映了是基于邻区的频率干扰约束条件，实际上小区间的干扰是由实际覆盖重叠决定，往往不局限与邻区的干扰。
我们力求提炼出反映小区间实际干扰情况和程度的小区干扰矩阵。
结合oss的ncs统计和fas统计得到小区统计意义的干扰矩阵，根据道路扫频测试得到反映道路实际覆盖情况的干扰矩阵，并对2种信息合并得到小区的总的干扰矩阵，再依据小区的总的干扰矩阵进行干扰量化评估。
基于小区总的干扰矩阵还可以分析得到频率设计最优解会出现同邻频的统计情况，探讨频率资源的使用极限并指导网络的覆盖优化。
A、小区统计意义的干扰矩阵
FAS（FrequencyAllocationSupport）即频率分配支持功能。
该模块属于OSS的功能，是通过向BSC定制RIR和BAR文件，结合相应话务统计信息通过后期计算处理，得出网络中各测试频点的上，下行干扰情况。
可以通过Cellreport表格中PIT（PercentageInterferedTrafic）项和ICDM（Inter-cellDependenceMatrix）表来结合分析小区间的下行干扰。
NCS的报告中包含了大量邻区切换统计数据和手机测量报告，定义相对门限为-9dB的NCS报告中测到周围小区满足相对信号强度的次数，可以计算出每个小区与周围小区（包括邻区和非邻区）之间的量化干扰情况。
通过我们二次开发的分析程序按照特定算法对这些数据解析，可以得到小区统计意义上的干扰矩阵。
B、反映道路实际覆盖情况的干扰矩阵
通过路扫频测试信息，解出每个测量点的各服务小区及强度。
对每个有效点进行分析，以信号最强的小区作为主服务小区，信号强度p>=最强信号强度-m1（服务小区门限）的小区都是该测量点的服务小区，信号强度p>=最强信号强度-m2（干扰小区门限）的小区都是该测量点的干扰小区，由此可以得到小区的服务小区和干扰小区的测量点。
通过在地理信息系统上转换并处理，可以得到通过道路扫频测试提炼出反应道路实际覆盖特性的小区服务（红色）和干扰区域（绿色）如下图：
通过分析小区的服务区域和干扰区域的重叠情况，结合地理覆盖点的区域面积和话务情况通过程序转换和人工修正，可以得到小区间同频和邻频的约束条件，并对不同的干扰级别进行分级如下图。
C、结合统计意义上和反映道路覆盖重叠的小区的干扰矩阵，进行干扰量化评估以确定代价函数
小区的干扰矩阵在频率程序设计中是关键的约束条件，结合统计意义上和反映道路覆盖重叠的小区的干扰矩阵，根据小区干扰矩阵进行干扰量化评估以确定代价函数。
矩阵中的行表示该小区受到的信号干扰，矩阵中的列表示该小区对外的信号干扰，如下图所示。
将行或列的值相加即可得到相应的小区所受到及对外的干扰。
OSS的FAS和NCS统计、道路扫频数据侧重点不同，在关联计算的时候权重的确定有一定难度。
D、基于小区总的干扰矩阵探讨频率资源的使用极限并指导网络的覆盖优化
对于规则的蜂窝结构，小区的理想覆盖面积=2.6r*r,基站的站距是3r,其中r是小区半径，k是频率复用系数。
基站的平均复用距离d=R*sqrt{3k}.而实际网络的分布和覆盖具有不规则性和多样性的特点，小区的频率设计难度与小区的实际覆盖距离和频率复用距离的相对大小相关，如果频率复用距离小于该区域的覆盖距离，频率设计难度很大，在频率优化工作前进行相关的覆盖优化、邻区优化、话务均衡等工作，以优化的网络结构、网络覆盖来提高频率资源利用率。
根据前面得到的小区干扰矩阵的同邻频制约关系，对每个小区运用图论等思路探讨，按照树形结构分析，寻找出相互需要满足同频制约关系的小区群，结合小区群的载波数，可用频点数可以分析该小区群频率设计的最优解是否会出现同邻频，对所有的小区群运用统计原理分析，可以得到满足小区干扰矩阵时频率设计最优解会出现同邻频的统计情况，并指导覆盖优化调整以改善频率资源使用的瓶颈。
2、将传统的搜索算法应用到实际频率规划工作中，研究优化的频率分配算法并设计快速有效的频率分配器
优化的搜索算法有利于快速而有效的寻找频率优化解，我们在优化的实践中将模拟退火、遗传算法的思路和实际应用相结合，不断进行频率规划优化思路的探讨,并设计了自动频率分配器。
开始规划时，算法根据每小区载频所受干扰机率，产生随机频率集｛f1,f2,f3......fn｝，n为载波数。
对小区的频率进行编码，每个小区将有其遗传算法编码序列。
以900频段小区为例，其小区频率编码为95位长的二进制字符串，每一位表示对应的频率号，编码时对每位进行0或者1的置位，1表示小区使用了该频率号，0表示没有使用该频率号。
根据初始值用代价函数预置初始代价，这是当前规划的所有干扰所付出的代价的求和。
在算法开始迭代后，根据干扰表信息,逐步改变频率集中的频点，带入代价函数。
遗传算法的一个重要原则就是"优胜劣汰"，对小区的频率编码进行交叉、变异，生成新的个体，通过优胜劣汰，将父代群体中性能好的个体遗传下来，而将性能不好的个体淘汰，并重新产生新的个体进行补充，然后在子代中应用同样的原则，依次类推，直至产生比较满意的结果。
将这个原则应用于频率优化中对于已有的频率规划方案，将待优化小区中性能值比较好的小区配置保留下来，而将待优化小区中性能值比较差的小区频点删除重新进行配置，获得一组新的频率配置，或者修改干扰较大的频率，然后重新计算其性能值，按照相同原则依次类推，系统不断的寻找更好的，也就是代价更低的频率计划，当前规划代价在算法运行中不断减少。
频率分配器使用组合优化理论查找一个优化的或低代价的规划。
在进程的初始阶段，测量数值一般会很快降低，然后，平均的降低速度会减慢，降低也比较零星地出现。
算法跟踪自己的进程，根据给定时间内代价的降低速度来调整自己的操作，在进程中，代价和干扰都可能会增加，以获得更佳的迭代方向，频率规划能够持续的优化。
因此在算法运行过程中会发现，系统为了降低平均的干扰会牺牲某一两个小区最差的干扰。
对自动频率分配器规划的方案还需要进行数据检查和人工频率修正以达到理想的效果。
三、通过系统性频率规划和优化提高网络质量
随着移动通信网络的迅猛发展,深圳公司无线网络不断的建设和扩容（相比2002年初，现在的网络规模已经是2．３倍），频率设计的难度以网络规模的阶乘级数增长。
为优化频率资源配置，进一步提升网络质量，需要周期性进行系统性的整体频率规划和优化工作。
区域频率优化主要是针对长期滚动开通基站、载波调整等网络调整造成网络频率复用和干扰分布不均匀，通过系统性的频率规划设计改善整体频率复用情况的优化工作，在区域变频的过程中可以对原有的频率复用模式作调整。
区域频率优化工作的频度可以依据网络扩容的速度、滚动开通基站的数量和载波调整的强度进行合理调整。
我们根据网络的需要分阶段进行区域变频工作，在2004年3月、5月实施了龙华、观澜区域和龙岗区区域自主变频，11月实施了深圳移动历史上最大规模的市区及邻近区域整体变频。
变频前后通过客户感知评估，MRR指标对比、话务统计分析，道路测试等质量分析看，变频所采用的频率规划措施取得明显成效，变频区域内频率复用整体状况显著改善，为后续网络扩容和调整打下良好的基础，网络质量呈现逐步提升的趋势（图1）。
同时还形成了相关工作规范、实施流程和管理办法,锻炼和培养了频率规划技术人才。
日常优化工作中对重要区域和道路进行了专项频率优化调整工作，通过问题点分析、干扰评估和数据检查来进行频率精细优化，话音质量总体提高0.8%,在集团公司网络质量现场检查中，城区话音质量超过98%，创历史新高。
完成了会展中心、上层站、地铁等重大工程项目的频率设计和优化工作，提高了大规模工程扩容情况下快速频率设计和高频率复用情况下进行频率设计的经验。
结论
随着网络规模和容量的不断扩大，如何更有效地利用有限的频率资源，提高网络服务质量是网络规划和优化工作的重要环节。
面对深圳网络频率资源紧张、网络结构复杂、网络规模大和网络变动大等特点，我们以技术为突破口，将系统性的优化方法应用到网络优化工作实践中，不断探索提高的频率规划水平和经验，以优化的频率资源配置打造精品网络。
频率规划技术所应用的核心思想就是组合优化算法，这种系统性的优化方法可以在网络规划、资源优化配置等多领域得到应用和发展。
作者简介：
戈玲，1999年4月于南京邮电学院获硕士学院，1999年5月开始一直在网维中心网优室工作，现任高级优化网络经理，主要负责网络数据设计和管理、频率规划等工作
论文成文背景：
随着移动通信网络的迅猛发展,深圳公司无线网络不断的建设和扩容，相比2002年初，现在的网络规模已经是2．３倍，频率设计的难度以网络规模的阶乘级数增长，频率资源配置成为影响网络质量的瓶颈之一。
为优化频率资源配置，进一步提升网络质量，我们从技术上寻求突破，将网络优化工作经验与系统性优化方法相结合，不断探索提高频率规划水平和经验，通过技术研究和工具开发形成了独有的技术思路、方法和频率规划程序，并完成了2次自主区域变频、深圳历史上最大规模的市区整体变频和覆盖地理信息系统项目，网络质量有了显著提高。
频率规划技术所应用的核心思想就是组合优化算法，这种系统性的优化方法可以在网络规划、资源优化配置等多领域得到应用和发展。
参考文献
张威，GSM网络优化——原理与工程，人民邮电出版社，2003
COLDBERGDE.GeneticAlgotrithminSearch,OptimizationandMachineLearning[M].Reading,MA:
Addsion-Wssley,1989
陈国良等，遗传算法及其应用，人民邮电出版社，1996
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