gsm-r调度通信的应用与维护毕业设计(编辑修改稿)

gsm-r调度通信的应用与维护毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

正是满足上述要求的最佳系统，比基于常规对讲无线通信方式要优越的多。 兰州交通大学毕业设 计 5 2 GSMR 系统概述 GSMR 基本原理 GSMR（ GSM for Railway）是在 GSM 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素 组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信 要求 的技术。 由于 GSMR 可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信；能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用；而且由于 GSMR 是由已标准化的设备改进而成， GSM 平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行；在 GSM Phase 2＋ 中添 加了 ASCI（增强的语音呼叫业务）特性，能灵活地提供专网中所需的语音调度服务如 VBS、VGCS 和 eMLPP，因此 GSMR 是面向未来的技术，它将从广阔的 GSM公网市场和 GSM 技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空间。 GSMR 在欧洲取得巨大的成功，目前超过 30 个铁路公司已承诺在其国际路网中使用该技术。 GSMR 系统很多技术借鉴了公网的 GSM 技术，保留了 GSM 的大体结构，使得从一开始 GSMR 系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验。 不仅如此，由于二者都可以工作在 900M 频 段 ，因此在无线网络规划方面也是基本相同的。 GSMR 系统的规划设计也可借助于已成熟的 GSM 系统工具，可以方便快捷地为用户提供网络设计安装。 GSMR 的基本特性已在铁路网的 MORANE 试验中得到安装、测试和验证。 出于众多的需要， GSM 新技术如 GPRS 已经规范化并将安装使用。 向 UMTS 的演进将提供新的业务和更加强大的无线系统。 GSMR 据此可最大限度地引入新的业务。 业务模型如图 21 所示。 调 度 通 信平 面 调 车自 动 列 控 制 （ C T C S ）远 程 控 制铁 路 紧 急 救 援 移 动 服 务尾 部 风 压 检 测高 速 数 字 通 信旅 客 综 合 列 车 信 息 移 动 服 务区 间 移 动 通 信轨 道 维 护 移 动 服 务功 能 寻 址 功 能 号 的 表 示 与 位 置 有 关 的 寻 址介 入 矩 阵e M L P P V B S V G C S铁 路 应 用铁 路 运 营 特 色电 信 业 务 A S C I 图 21 GSM 与 GSMR 的关系 —— 业务模型 兰州交通大学毕业设 计 6 GSMR 系统保留了 GSM 的基本结构，同时还需要一个存储组呼属性的寄存器来实现网络功能 —— 组呼寄存器 (GCR)。 GCR 实际上相当于一个数据库，存储有关语音组呼的信息。 它被视为一个新的网络节点，可以放在直接与 MSC 相连的 PABX 中，也可以放在 MSC 中，或者作为 HLR 的组成部分。 在空中接口方面， GSMR 在 GSM 的基础上增加了通知信道 NCH，用来传送包含组呼信息和组呼信道信息。 NCH 的位置在 BCCH 的系统消息中广播。 本文将从面状覆盖和线状覆盖两种覆盖方式的角度来介绍 GSMR 工作原理。 带 状覆盖 在铁路、公路、狭长的水面上这样的呈带状的地区，往往采用线状覆盖的方式。 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 [13]。 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。 在铁路和公路的覆盖中，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。 如图 22 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。 . . .3 R 2 aaRd sd 1 = ( 2 n 1 ) R n ann + 112 3 图 22 带状网的信干比示意图 在图 22 中，假设小区半径为 R， 相邻小区的交叉宽度为 a，第 n+1 区与第一区为同频道小区。 显然，在移动台处于覆盖区边缘时 ，同频干扰最为严重。 路径损耗指数为4， 采用两小区、三小区、 n 小区的频率复用方案得到的移动台接收 C/I 值分别为：  两小区复用 4 0 l o g ( )32CR dBI R a  (21)  三小 区复用 4 0 lo g ( )53CR dBI R a  (22) 兰州交通大学毕业设 计 7  n 小区复 用 40 l og ( )( 2 1 )CR dBI n R na  (23) 因此，可以根据式 23 和 CI的设计要求，求出重叠区的宽度 a。 同时可以看出：对信干比要求高的系统 ， 小区数多，因而频率组多，基站数也增加。 平衡设计 线性覆盖在线性区域的两侧应该是对称的，在高速移动的环境中要尽量使小区的数目最小，中继效率最大，每个小区的信道都可以为两个方向的用户服务，这就要求较高的基站发射功率。 但是基站的高发射功率可能会造成上下行链路的不平衡，结果上行链路会因为噪声太大而无法使用。 平衡的设计保证上下行链路具有同等的强度，使得任意小区的双向用户都有较好的接收质量。 平衡设计的关键是要在四面建立天线群系统。 两个发射天线和两个接收天线分别指向道路两边，下行链路的信号从小区沿着道路向两个 方向辐射。 两个接收天线按同样的方式朝向两个方向。 每个天线与一个多路耦合器连接，多路耦合 器由 预选滤波器、放大器和分离器组成。 两个接收机的多路耦合器连接一个接入信道和所有的话音信道。 小区分层 根据覆盖地区的人口密度和移动 台移动速度的要求，可以按照覆盖范围的大小将小区分为以下四种类型 ：  扩展小区：半径 35km~120km ，主 要由于沿海地区海域的覆盖 ；  宏小区：半径 1km~35km，用于高速公路和人口较稠密的地区。 要求具有高的抗干扰灵敏度和安全的频率复用模型 ；  微小区：半径 ~1km ，用于城市繁华地段。 要求用高的干扰隔离度，使用少量频率就可以实现密集频率复用 ；  微微小区：半径小于 ，用于室内环境，如商场、会议中心、办公楼等。 根据小区的大小不同，天线假设的高度也不一样。 一般来讲，宏小区的天线架设在建筑物的顶部，微小区的天线地域建筑物，微微小区的天线一般安装在室内。 在进行实际的覆盖设计时，可以根据实际的地形环境和业务密度将集中小区结合使用。 这里介绍分层小区的覆盖。 分层小区主要用于高速公路和城市主干道覆盖，它解决了用户的切换和大业务密度之间的矛盾。 两层中的上层采用伞状宏小区，主要负责快速移动用户，避免频繁的越区切换，它还可以填补微小区覆盖的盲区。 下层是微小区覆盖，主要负责步行移动用户，另外当发生堵车这样的业务密度突然增大的情况，也可以由宏小区覆盖转换为微小区覆盖。 这样就可以在上下层间进行切换，满足不同用户的需求。 兰州交通大学毕业设 计 8 面状覆盖 当服务区不呈条状而是一个宽广的平面时，称 为面状服务区。 在平面区域内划分小区，通常组成蜂窝式的网络 ，这将比带状网络复杂得多。 小区形状 在移动通信中，如果使用全向天线，人们很容易联想到应该采用圆形的小区，但是从电磁波传播的角度考虑，圆形并不是最理想的形状。 如图 23 所示，使用圆形的面状覆盖存在许多重叠区域和无覆盖区域。 为确保无盲区的完全覆盖，通常使用多边形的小区。 236514 图 23 圆形小区的覆盖 我们可以用数学方法证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个区域，可取的只有正六边形、正 三角形和正方形。 而 面状覆盖的服务区中，通常采用正六边形的小区形状。 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%，如图 24 所示。 因此采用六边形的设计需要较少的小区，较少的发射基站。 同样，六边形覆盖的系统费用也要低于正方形和正三角形 [13]。 需要指出的是，正六边形的小区形状只具有理论分析和设计上的意义，在实际工程中，小区的形状取决于电波传播的条件和天线的方向性。 RRR 图 24 多边形小区 频率 复用 在蜂窝系统中，系统会给 每一个小区的基站分配一组信道，只要相隔距离足够远，相同的信道可以在另一个小区重复使用，这就是频率复用的思想。 我们把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇，把不同簇中使用相同频率的小区称为同频小区，任意两个同频小区之间的距离称为同频复用距离。 为了避免同频小区之间的干扰，兰州交通大学毕业设 计 9 必须选定一个合适的同频复用距离 [4]。 构成一个簇必须满足：簇的区域能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积；相邻簇间同频小区的距离相等且为最大。 设一个簇中的小区数为 N ,满足以上条件的 N 的取值是有限的，可以通过式 24 确定 N 的值。 22N i ij j   (24) 式 24 中 ， i 、 j 为非零正整数。 这一公式提供了寻找最近的同频小区的方法：沿某一小区的任意一条六边形链移动个小区后，逆时针旋转 60 度后再移动个 小区，此时到达的小区即为同频小区。 为了更好的表达频率复用率与系统容量之间的关系，我们引用 D 与 R 的比值来作为衡量系统容量的一个重要参数，这一比值称为同频复用比，用 Q 来表示： 3DQNR (25) 可见， Q 的值只与簇的大小有关， Q 的值越小，系统容量越大；但是 Q 值大可以提高传播质量，因为同频干扰小。 在实际的蜂窝系统设计中，要恰当的选择 Q 值，在容量和干扰之间进行折衷。 目前常用的蜂窝网簇的结构有 N =1 4 和 3。 话务量和呼损率 在通信系统中，信道的资源是有限的，而用户的数量是不断增长 的，用户在系统中占用资源的时间和频率都是随机的。 要想衡量资源的使用率，只能采取统计的方法来表达这个随机的系统。 蜂窝系统采用中继的概念，在中继的无线通信系统中，每个用户只有在呼叫时才分配给一个信道，一旦通话结束，原先占用的信道就立即释放，可以再被其他用户使用。 在中继系统中用话务量强度来表达资源的占用率，这个概念是丹麦的数学家爱尔兰（ Erlang）提出的，因此使用他的名字来作为话务量强度的单位。 话务量强度定义为在一定时间内信道完全被占用的时间（或平均通话时间）与这段时间的比值，即信道的时间利用率，通常用 A 来表 示。 例如一个信道在一小时内平均通话时间为 3 分钟，它的话务量强度为 3/60=。 话务量强度是一个无量纲的值，可以用来表征单个或多个信道的时间利用率。 系统中每个用户的话务量强度可以用呼叫次数  （ u  ） 和平均呼叫保持时间 H的乘积来表示： uuAH (26) 兰州交通大学毕业设 计 10 对于系统中总的用户数为 U 时，系统中总的 话务量 A 可以用式 27 表示。 uUAA (27) 如果系统中的信道数为 C，则平均每个信道的话务量强度 用式 28 表示。 CUAA u (28) 由于系统拥塞导致呼叫无法完成的概率，或是呼叫的延迟时间大于排队时间的概率叫做呼损率。 总的话务量与完成话务量之差即为损失话务量。 由此我们可以得到呼损率的计算公式： uuAAB A  (29) 由此可见，呼损率越小，成功呼叫的概率越大，用户就越满意因此呼损率也是衡量系统质量的主要指标。 例如，某系统的服务 等 级为 3%，那就说明该系统内的用户每呼叫 100次，其中用三次未被接通。 信道分配策略 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，其次以动态的或固定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。 如 RGSM（铁路 GSM）系统，工作的频段为 876MHz~915MHz/921MHz~960MHz，信道间隔为 200KHz，双工间隔为。