移動應急通信中自動選頻的實現(xiàn)

【摘　要】　在移動通信領域中，為了滿足臨時擴容的需要，大多采取擴頻的方法來提高系統(tǒng)容量。然而，頻點的規(guī)劃直接關系到系統(tǒng)的QoS，本文給出了一個用軟件來實現(xiàn)自動選頻的方法，它在移動應急通信中起到了關鍵的技術支撐作用。
??? 關鍵詞：頻率規(guī)劃，頻率復用，自動鎖頻，BCCH分配表

1　引　言
　　盡管采取先進的數(shù)字技術，能使GSM系統(tǒng)較TACS系統(tǒng)在容量上有較大提高，但仍然滿足不了用戶增長的需要。尤其在應付某一時間、某一區(qū)域需要提供高話務需求時，網(wǎng)絡運營商為了提高用戶接通率，提供更多的信道資源，通常采取應急增加載頻來滿足高密度人群區(qū)域的通話需求。然而，頻點的規(guī)劃直接關系到通信系統(tǒng)的QoS。對此，本文給出了自動選頻的軟件實現(xiàn)方法，它既滿足了移動應急通信中系統(tǒng)擴容的需要，又保證了通信系統(tǒng)的QoS。
2　頻率規(guī)劃的原理
　　頻率規(guī)劃時，我們要考慮的主要是如何盡可能地達到高系統(tǒng)容量。換句話說，就是在保證一定服務等級水平話音質量的前提條件下，如何達到高話務密度（每平方公里用戶數(shù)盡可能多）。受頻率資源的限制，給定某個蜂窩系統(tǒng)的頻率是有限的（我國分配給移動、聯(lián)通的GSM蜂窩移動通信系統(tǒng)的900MHz頻段各為6MHz－30個頻點）。頻率規(guī)劃要解決的一個問題就是如何更有效地利用頻率資源。和傳統(tǒng)的移動系統(tǒng)相比較，蜂窩系統(tǒng)通過更有效的頻率復用模式來提高頻帶利用率。
　　傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)中，基站天線架設要盡量高，功率輸出要盡量大，一個基站的覆蓋面積也要盡量大。同時，為保證干擾信號的電平低于接收機的接收門限，使用同頻率的系統(tǒng)之間的距離要足夠遠。事實上，傳統(tǒng)的移動系統(tǒng)屬于噪聲受限系統(tǒng)，其最終的基站覆蓋范圍是由接收機的接收門限來定的。但在實際應用中，即使干擾信號很大，只要有用信號電平比干擾信號電平高出一定的dB值，用戶還是可以接收到的。蜂窩移動通信系統(tǒng)就是利用這一特性，通過在一定的距離上進行頻率復用來達到所需的C／I（同頻干擾）、C／A（鄰頻干擾）值。對于一個成熟的蜂窩移動通信系統(tǒng)來說，其最終的基站覆蓋范圍是由視頻干擾決定的，屬于干擾受限系統(tǒng)。一般蜂窩系統(tǒng)的干擾保護比為：
??? 同頻干擾（C／I）：模擬＞18dB，GSM＞9dB
??? 鄰頻干擾（C／A）：模擬＞－23dB，GSM＞－9dB
　　蜂窩系統(tǒng)將需覆蓋地區(qū)分為若干個小的基站覆蓋區(qū)，然后將可用的頻率分成若干組，每小區(qū)使用一組頻率，并隔開一定的距離復用相同的頻率。雖然將頻率分組后，該頻段所服務的用戶數(shù)會減少，但由于采用了頻率復用方式，相當于該系統(tǒng)擁有“復用次數(shù)乘以頻段乘以系數(shù)L（L隨復用方式、復用次數(shù)和頻段而變，L＜＝1）”的頻率范圍。以某城市為例，GSM系統(tǒng)可用頻率為12MHz，共60個頻點，可提供466．3Erl（GOS＝2％，480TCH），4×3復用分成12組，每組5個頻點，復用4次，可提供31（GOS＝2％，40TCH）×12×4＝1488Erl，在GOS＝2％時，相當于擁有1489個TCH（186個頻點），37．2MHz帶寬。這就是蜂窩系統(tǒng)有效利用頻率的基本原理。

　　圖1為理想的12小區(qū)復用方式，是將頻率分為12組進行復用。假設各基站參數(shù)一樣，地形地物也完全一樣，主要是利用復用距離來控制干擾信號。設小區(qū)半徑為R，復用距離為D，對于GSM系統(tǒng)來說，C／I最小值為9dB，即C／I＝7．94，考慮6個同頻干擾的情況，則有:

即對于GSM系統(tǒng)D／R需大于2．62，同樣可得到模擬系統(tǒng)的D／R＞4．4。對于全向基站來說，模擬系統(tǒng)一般采用12小區(qū)復用方式，其D／R＝6，而GSM系統(tǒng)一般采用7小區(qū)復用方式，其復用方式如圖2所示。假設頻率被分為N組，由幾何關系得出以下結論：
很容易看出，在小區(qū)范圍一定時，N越大，同頻復用距離越大，則同頻干擾越容易控制。但同時，N越大，每組頻點越少，所能容納的用戶數(shù)也越少，所以關鍵是如何確定合適的N值。除了復用距離會影響同頻干擾外，采用功率控制、扇區(qū)化（使用定向天線）、不連續(xù)發(fā)射和跳頻等技術均可減少干擾。事實上，巧妙利用地形、地物，我們在縮小復用距離的同時，也可以使同頻干擾滿足相應的系統(tǒng)要求。不管怎樣，最終確定下來的復用方式的根本衡量標準是：要在90％的時間和90％的地點使同頻、鄰頻干擾達到系統(tǒng)要求。對模擬系統(tǒng)來說，定向基站的常用復用方式為7×3（共分為7大組，每組分為3小組，分配到3個扇區(qū)上，下同）、4×6等方式，GSM系統(tǒng)通常采用4×3、2×6（采用非跳頻系統(tǒng)頻率規(guī)劃、跳頻系統(tǒng)bcch頻率規(guī)劃），3×3（采用基帶跳頻的non__bcch頻率規(guī)劃),1×3(采用合成器跳頻的non__bcch載頻規(guī)劃)。
3　自動選頻的軟件實現(xiàn)方法
　　為了滿足臨時擴容的需要，大多運營商采取擴頻的方法來提高系統(tǒng)容量。他們不得不考慮下面的問題：在不改變原有頻率規(guī)劃參數(shù)的前提下如何選擇一個合適的最優(yōu)頻點；引入新的頻點后盡可能減少對原有系統(tǒng)的干擾影響。傳統(tǒng)的方法是人工試探選頻方法，其缺點是：
　　（1）操作比較煩瑣，選出的頻點往往帶來更多的系統(tǒng)同鄰頻干擾，達不到最優(yōu)的效果；
　?。?）往往一次選頻不能成功，需要經(jīng)過多次重復篩選，選頻時間長，不能達到應急的要求；
　?。?）需要有經(jīng)驗豐富的工程師來估計執(zhí)行，從人員成本上來說不合適。
　　根據(jù)頻率規(guī)劃的原理、GSM移動通信理論以及測試手機的特殊功能，我們完全可以通過軟件的方法來快速實現(xiàn)應急通信中的自動選頻。
　?。?）GSM系統(tǒng)上行時，在一個SACCH復幀周期內，移動臺可以對所有鄰小區(qū)進行若干次采樣。
　　把若干次采樣值平均后，移動臺每480ms將平均信號強度最大的6個鄰小區(qū)上報至基站子系統(tǒng)；GSM系統(tǒng)下行時，BCCH分配（BA）表通過系統(tǒng)信息消息類型2（System Information Message Type2）發(fā)送。移動臺接收到系統(tǒng)信息消息類型2，可以確認周圍大致使用的頻點，移動臺根據(jù)廣播的BA信息表，對每個BCCH進行鎖頻測量，可以不斷地發(fā)現(xiàn)更多的系統(tǒng)使用頻點，最終周圍頻點均被移動臺執(zhí)行鎖頻操作，周圍沒有使用的頻點可以鎖定的選頻候選頻點，根據(jù)頻率規(guī)劃原理及同鄰頻干擾門限篩選出最優(yōu)的應急頻點。
??? （2）一般的測試手機都具有如下兩個特殊功能：
　　·測試手機在空閑模式下，可以鎖定在一個BCCH上；
　　·測試手機具有掃頻的功能，在GSM系統(tǒng)中，測試手機可以掃描整個GSM工作頻段，計算每個頻點的信號強度，若頻點受干擾足夠小，手機可以解調出BSIC及CELLID。
　　由（1）、（2），系統(tǒng)借助AT指令控制測試手機，設計軟件模塊分別實現(xiàn)自動鎖頻、自動計算、自動分析等功能。自動選頻采用如下的鎖頻繁殖算法：
　　根據(jù)頻率規(guī)劃原理可知，各服務小區(qū)BCCH頻點所定義的鄰小區(qū)具有交集不為空。通過不斷地鎖頻BCCH，可以不斷地發(fā)現(xiàn)新的鄰小區(qū)BCCH。定義需要鎖頻測試的所有BCCH頻點個數(shù)為各主小區(qū)定義的鄰小區(qū)列表的并集a。對并集中所有元素進行連續(xù)鎖頻測試，并記錄鎖頻后各BCCH信號的強度值。定義掃頻數(shù)據(jù)集合b（GSM900頻段范圍為1．．．124），同時利用測試手機的掃頻功能計算掃頻的各BCCH信號強度值。因此，計算候選頻點的公式為：c＝b－a，計算最佳候選頻點時應同時滿足c中各元素在掃描數(shù)據(jù)中信號強度小于－100dbm。
??? 系統(tǒng)設置以下參數(shù)：
　　·鎖頻超時門限、頻點鎖頻測試時間、頻點解鎖時間；
　　·循環(huán)測試次數(shù)。
4　軟件主要模塊分析
??? 軟件主要模塊分析如下：
　?。?）創(chuàng)建并集鏈表list__waitfortest,存放待測目標頻點；
　?。?）創(chuàng)建記錄已測頻點鏈表list__tested,用于系統(tǒng)鎖頻后將該頻點添加入該鏈表；
　?。?）從list__waitfortest鏈表中按隊列的方式，提取BCCH，并強制手機鎖頻占用該BCCH；
　?。?）若測試手機占用BCCH成功，則添加BCCH入list　tested表尾，同時在list　waitfortest表中刪除該BCCH節(jié)點。若頻點占用超時，則系統(tǒng)解除任務，
將占用失敗頻點壓入失敗堆棧，同時在list。waitfortest表中刪除該BCCH節(jié)點；
　?。?）定時測試BCCH占用時間。時間到，解除手機鎖頻狀態(tài)，手機將回到自由IDLE模式，重新選擇新的小區(qū)，比較兩個鏈表，計算出下一個待測BCCH頻點；
　?。?）兩個鏈表比較相等，一輪測試完畢，統(tǒng)計測試頻點信號強度分布情況，結合掃頻數(shù)據(jù)，計算最佳候選頻點；
??? （7）經(jīng)過計算，最佳候選頻點應滿足在list__waitfortest表中，時掃頻數(shù)據(jù)號強度統(tǒng)計小于--100dbm，這樣選出的頻點基本可以保證頻點的干凈度，對系統(tǒng)的干擾程度及受干擾程度均可降至最小。
5　模塊功能分析流程
5．1　自動鎖頻過程
??? 自動鎖頻流程見圖3。 5．2　刷新待測BCCH鏈表
　　刷新待測BCCH鏈表流程見圖4。
6　結束語
　　本模塊已集成于Eastcom2000無線網(wǎng)絡測試優(yōu)化軟件系統(tǒng)中（“自動選頻系統(tǒng)”軟件窗口如圖5所示），現(xiàn)已廣泛應用于國內各無線網(wǎng)絡運營中，有效解決了應急通信中自動選擇最佳頻點的問題。 1　尤大邦．移動通信工程設計中的頻率復用技術．郵電設計技術，1990（2）
2　顏永慶．模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)同頻干擾的消除措施．江蘇通信技術，1997（4）
3　龐沁華等譯．蜂窩移動通信——模擬和數(shù)字系統(tǒng)．北京：人民郵電出版社，1997
4　黃健等．移動通信．西安：西安電子科技大學出版社，19925　祁玉生等．現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)．北京：人民郵電出版社，1999