移动应急通信中自动选频的实现
【摘 要】 在移动通信领域中，为了满足临时扩容的需要，大多采取扩频的方法来提高系统容量。然而，频点的规划直接关系到系统的qos，本文给出了一个用软件来实现自动选频的方法，它在移动应急通信中起到了关键的技术支撑作用。
关键词：频率规划，频率复用，自动锁频，bcch分配表
1 引 言
尽管采取先进的数字技术，能使gsm系统较tacs系统在容量上有较大提高，但仍然满足不了用户增长的需要。尤其在应付某一时间、某一区域需要提供高话务需求时，网络运营商为了提高用户接通率，提供更多的信道资源，通常采取应急增加载频来满足高密度人群区域的通话需求。然而，频点的规划直接关系到通信系统的qos。对此，本文给出了自动选频的软件实现方法，它既满足了移动应急通信中系统扩容的需要，又保证了通信系统的qos。
2 频率规划的原理
频率规划时，我们要考虑的主要是如何尽可能地达到高系统容量。换句话说，就是在保证一定服务等级水平话音质量的前提条件下，如何达到高话务密度（每平方公里用户数尽可能多）。受频率资源的限制，给定某个蜂窝系统的频率是有限的（我国分配给移动、联通的gsm蜂窝移动通信系统的900mhz频段各为6mhz－30个频点）。频率规划要解决的一个问题就是如何更有效地利用频率资源。和传统的移动系统相比较，蜂窝系统通过更有效的频率复用模式来提高频带利用率。
传统移动通信系统中，基站天线架设要尽量高，功率输出要尽量大，一个基站的覆盖面积也要尽量大。同时，为保证干扰信号的电平低于接收机的接收门限，使用同频率的系统之间的距离要足够远。事实上，传统的移动系统属于噪声受限系统，其最终的基站覆盖范围是由接收机的接收门限来定的。但在实际应用中，即使干扰信号很大，只要有用信号电平比干扰信号电平高出一定的db值，用户还是可以接收到的。蜂窝移动通信系统就是利用这一特性，通过在一定的距离上进行频率复用来达到所需的c／i（同频干扰）、c／a（邻频干扰）值。对于一个成熟的蜂窝移动通信系统来说，其最终的基站覆盖范围是由视频干扰决定的，属于干扰受限系统。一般蜂窝系统的干扰保护比为：
同频干扰（c／i）：模拟＞18db，gsm＞9db
邻频干扰（c／a）：模拟＞－23db，gsm＞－9db
蜂窝系统将需覆盖地区分为若干个小的基站覆盖区，然后将可用的频率分成若干组，每小区使用一组频率，并隔开一定的距离复用相同的频率。虽然将频率分组后，该频段所服务的用户数会减少，但由于采用了频率复用方式，相当于该系统拥有“复用次数乘以频段乘以系数l（l随复用方式、复用次数和频段而变，l＜＝1）”的频率范围。以某城市为例，gsm系统可用频率为12mhz，共60个频点，可提供466．3erl（gos＝2％，480tch），4×3复用分成12组，每组5个频点，复用4次，可提供31（gos＝2％，40tch）×12×4＝1488erl，在gos＝2％时，相当于拥有1489个tch（186个频点），37．2mhz带宽。这就是蜂窝系统有效利用频率的基本原理。
图1为理想的12小区复用方式，是将频率分为12组进行复用。假设各基站参数一样，地形地物也完全一样，主要是利用复用距离来控制干扰信号。设小区半径为r，复用距离为d，对于gsm系统来说，c／i最小值为9db，即c／i＝7．94，考虑6个同频干扰的情况，则有:
即对于gsm系统d／r需大于2．62，同样可得到模拟系统的d／r＞4．4。对于全向基站来说，模拟系统一般采用12小区复用方式，其d／r＝6，而gsm系统一般采用7小区复用方式，其复用方式如图2所示。假设频率被分为n组，由几何关系得出以下结论：
很容易看出，在小区范围一定时，n越大，同频复用距离越大，则同频干扰越容易控制。但同时，n越大，每组频点越少，所能容纳的用户数也越少，所以关键是如何确定合适的n值。除了复用距离会影响同频干扰外，采用功率控制、扇区化（使用定向天线）、不连续发射和跳频等技术均可减少干扰。事实上，巧妙利用地形、地物，我们在缩小复用距离的同时，也可以使同频干扰满足相应的系统要求。不管怎样，最终确定下来的复用方式的根本衡量标准是：要在90％的时间和90％的地点使同频、邻频干扰达到系统要求。对模拟系统来说，定向基站的常用复用方式为7×3（共分为7大组，每组分为3小组，分配到3个扇区上，下同）、4×6等方式，gsm系统通常采用4×3、2×6（采用非跳频系统频率规划、跳频系统bcch频率规划），3×3（采用基带跳频的non__bcch频率规划),1×3(采用合成器跳频的non__bcch载频规划)。
3 自动选频的软件实现方法
为了满足临时扩容的需要，大多运营商采取扩频的方法来提高系统容量。他们不得不考虑下面的问题：在不改变原有频率规划参数的前提下如何选择一个合适的最优频点；引入新的频点后尽可能减少对原有系统的干扰影响。传统的方法是人工试探选频方法，其缺点是：
（1）操作比较烦琐，选出的频点往往带来更多的系统同邻频干扰，达不到最优的效果；
（2）往往一次选频不能成功，需要经过多次重复筛选，选频时间长，不能达到应急的要求；
（3）需要有经验丰富的工程师来估计执行，从人员成本上来说不合适。
根据频率规划的原理、gsm移动通信理论以及测试手机的特殊功能，我们完全可以通过软件的方法来快速实现应急通信中的自动选频。
（1）gsm系统上行时，在一个sacch复帧周期内，移动台可以对所有邻小区进行若干次采样。
把若干次采样值平均后，移动台每480ms将平均信号强度最大的6个邻小区上报至基站子系统；gsm系统下行时，bcch分配（ba）表通过系统信息消息类型2（system information message type2）发送。移动台接收到系统信息消息类型2，可以确认周围大致使用的频点，移动台根据广播的ba信息表，对每个bcch进行锁频测量，可以不断地发现更多的系统使用频点，最终周围频点均被移动台执行锁频操作，周围没有使用的频点可以锁定的选频候选频点，根据频率规划原理及同邻频干扰门限筛选出最优的应急频点。
（2）一般的测试手机都具有如下两个特殊功能：
·测试手机在空闲模式下，可以锁定在一个bcch上；
·测试手机具有扫频的功能，在gsm系统中，测试手机可以扫描整个gsm工作频段，计算每个频点的信号强度，若频点受干扰足够小，手机可以解调出bsic及cellid。
由（1）、（2），系统借助at指令控制测试手机，设计软件模块分别实现自动锁频、自动计算、自动分析等功能。自动选频采用如下的锁频繁殖算法：
根据频率规划原理可知，各服务小区bcch频点所定义的邻小区具有交集不为空。通过不断地锁频bcch，可以不断地发现新的邻小区bcch。定义需要锁频测试的所有bcch频点个数为各主小区定义的邻小区列表的并集a。对并集中所有元素进行连续锁频测试，并记录锁频后各bcch信号的强度值。定义扫频数据集合b（gsm900频段范围为1．．．124），同时利用测试手机的扫频功能计算扫频的各bcch信号强度值。因此，计算候选频点的公式为：c＝b－a，计算最佳候选频点时应同时满足c中各元素在扫描数据中信号强度小于－100dbm。
系统设置以下参数：
·锁频超时门限、频点锁频测试时间、频点解锁时间；
·循环测试次数。
4 软件主要模块分析
软件主要模块分析如下：
（1）创建并集链表list__waitfortest,存放待测目标频点；
（2）创建记录已测频点链表list__tested,用于系统锁频后将该频点添加入该链表；
（3）从list__waitfortest链表中按队列的方式，提取bcch，并强制手机锁频占用该bcch；
（4）若测试手机占用bcch成功，则添加bcch入list tested表尾，同时在list waitfortest表中删除该bcch节点。若频点占用超时，则系统解除任务，
将占用失败频点压入失败堆栈，同时在list。waitfortest表中删除该bcch节点；
（5）定时测试bcch占用时间。时间到，解除手机锁频状态，手机将回到自由idle模式，重新选择新的小区，比较两个链表，计算出下一个待测bcch频点；
（6）两个链表比较相等，一轮测试完毕，统计测试频点信号强度分布情况，结合扫频数据，计算最佳候选频点；
（7）经过计算，最佳候选频点应满足在list__waitfortest表中，时扫频数据号强度统计小于--100dbm，这样选出的频点基本可以保证频点的干净度，对系统的干扰程度及受干扰程度均可降至最小。
5 模块功能分析流程
5．1 自动锁频过程
自动锁频流程见图3。
5．2 刷新待测bcch链表
刷新待测bcch链表流程见图4。
6 结束语
本模块已集成于eastcom2000无线网络测试优化软件系统中（“自动选频系统”软件窗口如图5所示），现已广泛应用于国内各无线网络运营中，有效解决了应急通信中自动选择最佳频点的问题。
参考文献
1 尤大邦．移动通信工程设计中的频率复用技术．邮电设计技术，1990（2）
2 颜永庆．模拟蜂窝移动通信系统同频干扰的消除措施．江苏通信技术，1997（4）
3 庞沁华等译．蜂窝移动通信——模拟和数字系统．北京：人民邮电出版社，1997
4 黄健等．移动通信．西安：西安电子科技大学出版社，19925 祁玉生等．现代移动通信系统．北京：人民邮电出版社，1999
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1 引 言
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2 频率规划的原理
频率规划时，我们要考虑的主要是如何尽可能地达到高系统容量。换句话说，就是在保证一定服务等级水平话音质量的前提条件下，如何达到高话务密度（每平方公里用户数尽可能多）。受频率资源的限制，给定某个蜂窝系统的频率是有限的（我国分配给移动、联通的gsm蜂窝移动通信系统的900mhz频段各为6mhz－30个频点）。频率规划要解决的一个问题就是如何更有效地利用频率资源。和传统的移动系统相比较，蜂窝系统通过更有效的频率复用模式来提高频带利用率。
传统移动通信系统中，基站天线架设要尽量高，功率输出要尽量大，一个基站的覆盖面积也要尽量大。同时，为保证干扰信号的电平低于接收机的接收门限，使用同频率的系统之间的距离要足够远。事实上，传统的移动系统属于噪声受限系统，其最终的基站覆盖范围是由接收机的接收门限来定的。但在实际应用中，即使干扰信号很大，只要有用信号电平比干扰信号电平高出一定的db值，用户还是可以接收到的。蜂窝移动通信系统就是利用这一特性，通过在一定的距离上进行频率复用来达到所需的c／i（同频干扰）、c／a（邻频干扰）值。对于一个成熟的蜂窝移动通信系统来说，其最终的基站覆盖范围是由视频干扰决定的，属于干扰受限系统。一般蜂窝系统的干扰保护比为：
同频干扰（c／i）：模拟＞18db，gsm＞9db
邻频干扰（c／a）：模拟＞－23db，gsm＞－9db
蜂窝系统将需覆盖地区分为若干个小的基站覆盖区，然后将可用的频率分成若干组，每小区使用一组频率，并隔开一定的距离复用相同的频率。虽然将频率分组后，该频段所服务的用户数会减少，但由于采用了频率复用方式，相当于该系统拥有“复用次数乘以频段乘以系数l（l随复用方式、复用次数和频段而变，l＜＝1）”的频率范围。以某城市为例，gsm系统可用频率为12mhz，共60个频点，可提供466．3erl（gos＝2％，480tch），4×3复用分成12组，每组5个频点，复用4次，可提供31（gos＝2％，40tch）×12×4＝1488erl，在gos＝2％时，相当于拥有1489个tch（186个频点），37．2mhz带宽。这就是蜂窝系统有效利用频率的基本原理。
图1为理想的12小区复用方式，是将频率分为12组进行复用。假设各基站参数一样，地形地物也完全一样，主要是利用复用距离来控制干扰信号。设小区半径为r，复用距离为d，对于gsm系统来说，c／i最小值为9db，即c／i＝7．94，考虑6个同频干扰的情况，则有:
即对于gsm系统d／r需大于2．62，同样可得到模拟系统的d／r＞4．4。对于全向基站来说，模拟系统一般采用12小区复用方式，其d／r＝6，而gsm系统一般采用7小区复用方式，其复用方式如图2所示。假设频率被分为n组，由几何关系得出以下结论：
很容易看出，在小区范围一定时，n越大，同频复用距离越大，则同频干扰越容易控制。但同时，n越大，每组频点越少，所能容纳的用户数也越少，所以关键是如何确定合适的n值。除了复用距离会影响同频干扰外，采用功率控制、扇区化（使用定向天线）、不连续发射和跳频等技术均可减少干扰。事实上，巧妙利用地形、地物，我们在缩小复用距离的同时，也可以使同频干扰满足相应的系统要求。不管怎样，最终确定下来的复用方式的根本衡量标准是：要在90％的时间和90％的地点使同频、邻频干扰达到系统要求。对模拟系统来说，定向基站的常用复用方式为7×3（共分为7大组，每组分为3小组，分配到3个扇区上，下同）、4×6等方式，gsm系统通常采用4×3、2×6（采用非跳频系统频率规划、跳频系统bcch频率规划），3×3（采用基带跳频的non__bcch频率规划),1×3(采用合成器跳频的non__bcch载频规划)。
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（2）一般的测试手机都具有如下两个特殊功能：
·测试手机在空闲模式下，可以锁定在一个bcch上；
·测试手机具有扫频的功能，在gsm系统中，测试手机可以扫描整个gsm工作频段，计算每个频点的信号强度，若频点受干扰足够小，手机可以解调出bsic及cellid。
由（1）、（2），系统借助at指令控制测试手机，设计软件模块分别实现自动锁频、自动计算、自动分析等功能。自动选频采用如下的锁频繁殖算法：
根据频率规划原理可知，各服务小区bcch频点所定义的邻小区具有交集不为空。通过不断地锁频bcch，可以不断地发现新的邻小区bcch。定义需要锁频测试的所有bcch频点个数为各主小区定义的邻小区列表的并集a。对并集中所有元素进行连续锁频测试，并记录锁频后各bcch信号的强度值。定义扫频数据集合b（gsm900频段范围为1．．．124），同时利用测试手机的扫频功能计算扫频的各bcch信号强度值。因此，计算候选频点的公式为：c＝b－a，计算最佳候选频点时应同时满足c中各元素在扫描数据中信号强度小于－100dbm。
系统设置以下参数：
·锁频超时门限、频点锁频测试时间、频点解锁时间；
·循环测试次数。
4 软件主要模块分析
软件主要模块分析如下：
（1）创建并集链表list__waitfortest,存放待测目标频点；
（2）创建记录已测频点链表list__tested,用于系统锁频后将该频点添加入该链表；
（3）从list__waitfortest链表中按队列的方式，提取bcch，并强制手机锁频占用该bcch；
（4）若测试手机占用bcch成功，则添加bcch入list tested表尾，同时在list waitfortest表中删除该bcch节点。若频点占用超时，则系统解除任务，
将占用失败频点压入失败堆栈，同时在list。waitfortest表中删除该bcch节点；
（5）定时测试bcch占用时间。时间到，解除手机锁频状态，手机将回到自由idle模式，重新选择新的小区，比较两个链表，计算出下一个待测bcch频点；
（6）两个链表比较相等，一轮测试完毕，统计测试频点信号强度分布情况，结合扫频数据，计算最佳候选频点；
（7）经过计算，最佳候选频点应满足在list__waitfortest表中，时扫频数据号强度统计小于--100dbm，这样选出的频点基本可以保证频点的干净度，对系统的干扰程度及受干扰程度均可降至最小。
5 模块功能分析流程
5．1 自动锁频过程
自动锁频流程见图3。
5．2 刷新待测bcch链表
刷新待测bcch链表流程见图4。
6 结束语
本模块已集成于eastcom2000无线网络测试优化软件系统中（“自动选频系统”软件窗口如图5所示），现已广泛应用于国内各无线网络运营中，有效解决了应急通信中自动选择最佳频点的问题。
参考文献
1 尤大邦．移动通信工程设计中的频率复用技术．邮电设计技术，1990（2）
2 颜永庆．模拟蜂窝移动通信系统同频干扰的消除措施．江苏通信技术，1997（4）
3 庞沁华等译．蜂窝移动通信——模拟和数字系统．北京：人民邮电出版社，1997
4 黄健等．移动通信．西安：西安电子科技大学出版社，19925 祁玉生等．现代移动通信系统．北京：人民邮电出版社，1999
Gartner：2019年苹果占全球芯片市场的8.6%
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