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GSM系统的频率规划

浏览:7048  来源:通信人在线  日期:2018-06-06

频率规划是GSM系统极为关键的技术(PHS系统不做频率规划,基站使用的频率是动态选择的,互不冲突就可以了。CDMA系统也不做频率规划,因为CDMA系统基站本身就是同频的),要了解频率规划,首先要从频率复用谈起。

移动通信系统使用无线电波传递信息,无线电波最重要的参数是频率。无线电波是一种公共的资源,不光是通信业务要使用,广播、导航和气象等业务都要使用。为了避免各种业务系统之间的互相干扰,国际上对无线电波的使用做了管制,规定了各种业务使用的频率范围,移动通信系统只能使用其中一小段频带。

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一、频率频段的使用

GSM规范规定了GSM系统使用的频带范围,主要工作频段为900MHz880~960MHz),GSM系统的频点数是有限的(124对),而每个频点最多可同时支持8个用户,因此系统的容量受到了无线电波的频带限制。GSM在使用的过程中,GSM系统就必须在有限的频率范围,尽可能地满足越来越多的用户需求。

最简单的方法是扩充频带,但是调整频带范围可能会牵涉多个业务系统的设备,牵一发而动全身,因此不到万不得己,频带范围是很难调整的。在GSM的第二阶段扩充了1800MHz,但带来了使用上的跟大不便。

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二、频率复用技术

另外一种比较可行的方法是频率复用,相同的频点可以在不同的地方同时使用,变相地扩充了频带。这有点类似酒店,同一餐桌在不同的时间可以供不同的顾客使用。频率复用通过蜂窝技术实现。

1、蜂窝技术与同频干扰

蜂窝技术与基站的布设有关。移动通信系统采用基站来实现业务的覆盖。基站实现业务的覆盖的方法很多,一种方法是利用几个大功率的基站覆盖整个业务区域,这种方式称为大区制。但是由于基站能使用的频带有限,无法支持大容量的用户,在人口相对密集的地区就无能为力了。另外一种方法是利用众多的基站将整个业务地区覆盖,看上去仿佛是一个个蜂房构成的一个蜂窝。因此,这种覆盖方式就可以形象地描述为蜂窝。蜂窝技术由于基站的覆盖范围较小,有时基站的覆盖区域也称之为小区。蜂窝技术以小功率的基站为主,带来最大好处是可以频率复用,提高了频率利用率,大大提高了系统的容量。

蜂窝技术是贝尔实验室提出的,而且从模拟移动通信系统开始,蜂窝技术就在移动通信系统广泛应用,为移动通信的普及作出了贡献。GSM系统也使用了蜂窝技术。

频率复用是不同基站使用同一工作频率。这样会引入严重的系统内干扰--同频干扰,影响系统的正常工作。因此蜂窝技术的频率复用有一个前提,即基站的功率较小,由于无线电波的传输损耗,基站的信号覆盖范围不会很大,这样经过一段距离的损耗后,基站发射的无线电波基本上对其他基站己经没有太大的影响了,这时,其他基站再使用同一频率,不至于影响彼此的正常工作。

因此,利用无线电波的传输损耗,可以做到不同地理位置的基站隔离,从而实现频率复用,这也是典型的化害为利的案例。当然,蜂窝技术也会带来一些副作用,如增加了终端切换的机率,不过这是可以克服的。

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2、频率复用模式

基站实施频率复用时,需要遵循一定的规则,这就是频率规划。为了设计方便,在频率规划中假设基站的覆盖范围为六边型,且大小一致。频率规划首先要求相邻的基站频率不相同,不然就互相干扰了;其次相邻的基站的频率种类由复用模式K决定,一般K=347,当然还有其它复用方式如K=912等。模拟移动通信系统K=7GSM系统K=34。图2-2是不同复用模式下基站频率分配的示意图,注意图中编号代表一组频点。GSM基站使用的频点不止一个,分别标识为C0C1、…,其中C0是最重要的频点,这些频点统称小区配置CACell Allocation)。

2-2:频率复用模式(不同K值)

3、频率复用距离

基站频率复用时,使用同一频率基站之间的距离是很重要的参数,一般用频率复用距离D来表示。D可以由下式确定,式中K是复用模式,R是基站的覆盖半径。

D R3K1/2

因此,当K=7时,D=4.58 RK=4时,D=3.46 RK=3时,D=3 R

D越大,同频基站之间的干扰就越小,但同时K也就越大,每个基站可使用的频点数减少,相应的容量也会下降。因此K的选择需要平衡多种因素。

4、扇区频率复用

基站使用的天线分全向天线和定向天线两种,现在的基站多采用定向天线。一般一个基站使用三个120°三叶草天线,每个天线覆盖范围构成一个扇区。在工程中最典型的复用方式是采用12分组方式,即4个基站,12组频率,又称4×3复用模式,如图2-4所示,4×3复用模式下D=3.46 R

2-44×3复用模式

复用模式和频带范围决定了单个基站可使用的频点数,而基站使用的频点数关系到基站的容量。频点配置3/2/2表示基站的三个扇区分别使用322个频点,频点配置5/5/5表示基站的三个扇区分别使用555个频点,显然后者基站的容量比前者大很多,目前容量最高的基站频点配置为8/8/8

频率规划可以有多种方案,衡量频率规划方案优劣的指标是频率复用效率和频率复用距离。目前常用的GSM频率规划方案除了4×3复用模式外,还有同心圆(Concentric Cell)方案与多重复用MRPMultiple frequency Reuse Pattern)方案等等,这些方案在频率规划时比较复杂,需要根据基站使用频率的重要程度,予以不同的频率规划。例如C0是最重要的频点,复用距离D应该尽可能大;其他频点承载话路,复用距离D可以小一点,频率复用效率就高了。

三、小结

比较流行的频率规划方案在频率规划时要分两次甚至多次规划,当然多花了功夫,结果自然比4×3复用模式的频率复用效率更高,支持的用户容量更大。

频率规划是GSM系统所特有的技术。频率规划是非常复杂的工作,加上还要考虑地形等因素,工作量相当大。尤其是在GSM系统不断发展的情况下,如何保证原有的基站和新增的基站都能正常工作,达到设计要求,是频率规划的重点。

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附录
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