一種GSM-R網(wǎng)內(nèi)抗干擾頻率配置方案*

劉龍海 ，馮 云 ，宗 容 ，李 玲 ，劉麗萍 ，余 江

（1.云南大學(xué) 信息學(xué)院,云南 昆明 650500；2.云南省監(jiān)測(cè)中心，云南 昆明 650100）

0 引 言

高鐵運(yùn)行速度較快，對(duì)通信質(zhì)量要求較高[1］，當(dāng)列車受到干擾時(shí)，可能發(fā)生脫話、掉網(wǎng)等現(xiàn)象，導(dǎo)致列車降速，如果干擾較重，甚至?xí)l(fā)生安全事故[2］。GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)間干擾主要來源于各公眾通信系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)共存所引起的干擾和非法人為干擾[3］，隨著GSM-R保護(hù)工作的展開，近年來網(wǎng)間干擾已日趨減少。網(wǎng)內(nèi)干擾主要來自頻率規(guī)劃不合理所引起的同頻、鄰頻和互調(diào)干擾，還有各收發(fā)信機(jī)內(nèi)部的雜波干擾[4］。雜波干擾主要靠提高設(shè)備性能和定期檢測(cè)維修來控制，頻率規(guī)劃不合理是網(wǎng)內(nèi)干擾的主要來源，科學(xué)合理的頻率規(guī)劃，可提高GSM-R系統(tǒng)自身抗干擾能力，是系統(tǒng)高質(zhì)量的保障。

在頻率配置方案的研究上，文獻(xiàn)[5］闡述了在頻率規(guī)劃時(shí)如果能使相隔一個(gè)小區(qū)的頻率間隔不小于400 kHz,則即使列車在發(fā)生異常切換時(shí)，一階鄰頻仍能滿足載干比要求，但是受連續(xù)頻點(diǎn)分配方法的限制，頂多只能使一個(gè)頻組（A網(wǎng)BCCH）滿足該要求。在頻率分配過程中，文獻(xiàn)[6］將模擬退火算法和本地搜索在頻率分配中的優(yōu)化性能進(jìn)行對(duì)比，得出模擬退火算法適用于頻率規(guī)劃中。文獻(xiàn)[7］通過在戰(zhàn)場(chǎng)頻率資源規(guī)劃中使用模擬退火算法，頻率利用率有所提高，但在戰(zhàn)場(chǎng)中小區(qū)是以蜂窩狀進(jìn)行覆蓋，與GSM-R的帶狀覆蓋不同，頻道間的約束條件也有所不同。文獻(xiàn)[8］應(yīng)用遺傳禁忌算法，分別優(yōu)化得出4頻組和5頻組的一種頻率分配方案，但沒考慮列車發(fā)生異常切換的情況，而且頻率利用率不夠高。在文獻(xiàn)[7-8］中，同信道約束、鄰道約束和共址約束都是分別約束，沒有給出綜合的約束條件，約束條件相對(duì)復(fù)雜。

本文在考慮列車異常切換的情況下，將同信道約束、鄰道約束和共址約束條件用圖著色的方法進(jìn)行綜合約束，同時(shí)利用模擬退火算法使GSM-R的19個(gè)頻道最大化滿足相隔一個(gè)小區(qū)的頻率間隔不小于400 kHz的要求。

1 GSM-R系統(tǒng)

1.1 工作頻率

根據(jù)TB 10088-2015規(guī)定，GSM-R系統(tǒng)使用900 MHz頻段，上行（885～889 MHz）和下行（930～934 MHz）間隔45 MHz，頻道間隔200 kHz[9］。

分配給GSM-R系統(tǒng)的總頻道數(shù)為21個(gè)，頻道序號(hào)為999～1 019，實(shí)際可用于分配的頻道為1 000～1 018，其中兩端頻道用于系統(tǒng)間的頻率保護(hù)。

上行頻道號(hào)fl(n)和下行頻道號(hào)fh(n)對(duì)應(yīng)的頻率為：

fl(n)=890.000MHz+(n-1024)×0.200MHz

fh(n)=fl(n)+45MHz(n=999～1019)

1.2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式

當(dāng)列車速度達(dá)到CTCS3級(jí)時(shí)，其安全性和可靠性十分重要[10］。為了保證列車能高速、安全、可靠的運(yùn)行，GSM-R核心網(wǎng)需要有備用網(wǎng)絡(luò)，保證主網(wǎng)異常時(shí)，系統(tǒng)能正常工作，目前常用的冗余方式有三種。

1.2.1 單網(wǎng)交織冗余覆蓋

在單層網(wǎng)絡(luò)覆蓋的基礎(chǔ)上，通過在兩基站之間增加冗余基站，使某個(gè)基站出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)可通過其相鄰基站正常工作，如圖1所示。

圖1 單網(wǎng)交織冗余覆蓋示意

1.2.2 同站址無線雙層網(wǎng)覆蓋

在單層網(wǎng)絡(luò)覆蓋的基礎(chǔ)上，通過在基站相同站址中增加冗余基站，使系統(tǒng)有兩層網(wǎng)絡(luò)覆蓋。這種覆蓋方式在同一站點(diǎn)使用的兩套設(shè)備，一個(gè)作為主用，一個(gè)作為備用，如圖2所示。

圖2 同站址無線雙層網(wǎng)覆蓋示意

1.2.3 交織站址無線雙層網(wǎng)覆蓋

在單層網(wǎng)絡(luò)覆蓋的基礎(chǔ)上，通過在兩基站之間增加冗余基站且增加的基站單獨(dú)使用一層網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)有兩層網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如圖3所示。

圖3 交織站址無線雙層網(wǎng)覆蓋示意

2 頻率規(guī)劃

2.1 頻率規(guī)劃原則

對(duì)于單網(wǎng)覆蓋來說，頻率分配相對(duì)簡(jiǎn)單，可直接用窮舉的方法得到，對(duì)于具有兩層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋來說，A網(wǎng)為主用網(wǎng)，系統(tǒng)配置兩個(gè)載頻，A網(wǎng)BCCH載頻和A網(wǎng)TCH載頻，B網(wǎng)為備用網(wǎng)，系統(tǒng)配置一個(gè)載頻，B網(wǎng)BCCH載頻，三種載頻的性質(zhì)各不相同。

A網(wǎng)作為主用網(wǎng)，是GSM-R系統(tǒng)的主要通信承載網(wǎng)，正常情況下A網(wǎng)BCCH載頻始終處于工作狀態(tài)下，A網(wǎng)TCH載頻的所有時(shí)隙都為TCH，只有A網(wǎng)BCCH載頻的語音業(yè)務(wù)信道不夠用時(shí)，A網(wǎng)的TCH載頻才開始工作。B網(wǎng)作為冗余備用網(wǎng)，B網(wǎng)BCCH載頻也一直處于工作狀態(tài)，但只有A網(wǎng)不能正常工作時(shí)，移動(dòng)臺(tái)才選擇B網(wǎng)的BCCH載頻作為服務(wù)頻點(diǎn)[11］。

對(duì)于可用的19個(gè)頻道資源需要進(jìn)行復(fù)用才能滿足GSM-R系統(tǒng)的容量需求。如果采用t個(gè)小區(qū)進(jìn)行復(fù)用，則頻率分配矩陣可表示為式（1）。

在對(duì)fn,t進(jìn)行配置時(shí)，若fn,t為1則表示將第n個(gè)頻道分配給小區(qū)t；若fn,t為0則表示小區(qū)t不分配第n個(gè)頻道。同時(shí)為了避免小區(qū)內(nèi)部和小區(qū)間的相互干擾，在進(jìn)行頻率規(guī)劃時(shí)，在同一簇中，同一頻道不能重復(fù)使用，同小區(qū)內(nèi)載頻頻率間隔不小于400 kHz，相鄰小區(qū)之間載頻頻率間隔不小于400 kHz，間隔一個(gè)小區(qū)載頻頻率間隔不小于200 kHz[12］。若用頻道號(hào)差值表示載頻頻率間隔，參數(shù)（M,N,K）分別表示同小區(qū)、鄰小區(qū)和間隔一個(gè)小區(qū)的載頻頻率間隔，則M≥2，N≥2，K≥1。

為了使機(jī)車在發(fā)生異常切換（如前切或回切）時(shí)，同頻載干比能滿足不小于12 dB的要求，則分配給A網(wǎng)BCCH、A網(wǎng)TCH、B網(wǎng)BCCH頻組的頻道數(shù)取值為c={5,6,7}。同時(shí)在同一頻組中，當(dāng)N≥2，K滿足不同條件時(shí)，機(jī)車在正常和異常切換條件下，滿足載干比要求的區(qū)間百分比如表1所示[5］。

表1 滿足載干比要求的區(qū)間百分比

其中C/IC表示同頻干擾載干比，C/Ia1表示一階鄰頻載干比，當(dāng)K≥2時(shí)，即使在異常切換的條件下，仍能滿足一階鄰頻載干比要求。

若要滿足M≥2，N≥2，K≥2，如果采用連續(xù)頻點(diǎn)分配的方法，則只能采用（7,5,5）分配方案，而且只有一個(gè)頻組（A網(wǎng)BCCH）能實(shí)現(xiàn)此要求。如果不采用連續(xù)頻點(diǎn)分配的方法，因?yàn)轭l組可取的值5,6,7互質(zhì)，所以A網(wǎng)BCCH、A網(wǎng)TCH、B網(wǎng)BCCH頻組頻點(diǎn)數(shù)的取值只能相同，又因?yàn)榭捎糜诜峙涞念l道只有19個(gè)，而且還要預(yù)留備用頻點(diǎn)，所以可取的方案只有（5,5,5）方案和（6,6,6）方案。

2.2 方案可行性

要使M≥2，N≥2，K≥2，則在相鄰的三個(gè)小區(qū)中最多只能分配相鄰兩個(gè)頻道中的一個(gè)，在該條件下能使列車在異常切換的情況下仍能保證一階鄰頻滿足載干比要求。

2.2.1 （5,5,5）方案

對(duì)于（5,5,5）方案，在相鄰的三個(gè)小區(qū)中最多分配相鄰兩個(gè)頻道中的一個(gè)（M≥2，N≥2，K≥2）如表2所示。

表2 （5,5,5）方案M≥2、N≥2、K≥2分配情況

其中0表示相鄰兩頻道所在的相鄰三小區(qū)，1表示將某一頻道分配給對(duì)應(yīng)小區(qū)。在實(shí)際應(yīng)用中，頻率按簇進(jìn)行復(fù)用，則小區(qū)1和小區(qū)5為相鄰小區(qū)。在（5,5,5）方案中若將其中一個(gè)頻道進(jìn)行分配則其相鄰的頻道就無法滿足要求，如若將1 007頻道分配給小區(qū)3，則1 006和1 008頻道無法滿足分配要求，即兩相鄰頻道只能分配其中一個(gè)。在（5,5,5）方案中，19個(gè)頻道在M≥2，N≥2，K≥2的條件下最多只能分配10個(gè)，而該方案需要15個(gè)頻道。滿足該條件的頻道只占總頻道數(shù)10/19≈52.63%，占該方案所需頻道數(shù)10/15≈66.67%。

2.2.2 （6,6,6）方案

對(duì)于（6,6,6）方案，在相鄰的三個(gè)小區(qū)中最多分配相鄰兩個(gè)頻道中的一個(gè)（M≥2，N≥2，K≥2）如表3所示。

表3 （6,6,6）方案M≥2、N≥2、K≥2分配情況

在（6,6,6）方案中若將其中一個(gè)頻道進(jìn)行分配，其相鄰的頻道仍可以進(jìn)行分配。如若將1 007頻道分配給小區(qū)3，則1 006和1 008頻道可分配給小區(qū)6。

3 組合優(yōu)化

3.1 模擬退火算法

用模擬退火算法組合優(yōu)化頻率分配時(shí)，先將粒子內(nèi)能E模擬為目標(biāo)函數(shù)的值f（不滿足M≥2，N≥2，K≥2所需頻道的個(gè)數(shù)），溫度T模擬成控制參數(shù)t。算法先對(duì)頻道進(jìn)行隨機(jī)配置，然后通過逐步衰減t值，對(duì)配置方案進(jìn)行“產(chǎn)生新的配置方案→計(jì)算新方案的優(yōu)劣→以概率e(-?E/(kT))接受或舍棄新方案”的迭代。其流程如圖4所示。

3.2 頻率分配組合優(yōu)化

在MATLAB中利用模擬退火算法，對(duì)（6,6,6）方案在滿足M≥2，N≥2，K≥2的條件下進(jìn)行組合優(yōu)化，其模擬退火過程如圖5所示。

隨著退火過程的進(jìn)行，不滿足要求的頻道數(shù)逐漸減少并最終趨于穩(wěn)定，對(duì)（6,6,6）方案所需18頻道來說，有1個(gè)頻道無法滿足要求，即滿足M≥2，N≥2，K≥2的頻道數(shù)只有17個(gè)。其最終組合優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖4 模擬退火算法流程

圖5 （6,6,6）方案模擬退火過程

圖6 （6,6,6）方案組合優(yōu)化結(jié)果圖

其中橫線表示將該頻道分配給對(duì)應(yīng)小區(qū)，豎線表示該小區(qū)不分配相應(yīng)頻道。從圖6可知，頻道1 006和頻道1 012不能滿足M≥2，N≥2，K≥2要求。滿足要求的頻道數(shù)占總頻道數(shù)，占（6,6,6）方案所需頻道數(shù)。雖然頻道1 006和頻道1 012不滿足M≥2，N≥2，K≥2的要求，但是對(duì)頻道1 006來說只與小區(qū)6的1 005頻道K=1，對(duì)頻道1 012來說只與小區(qū)5的1 011頻道K=1，和其他頻道均能滿足M≥2，N≥2，K≥2的要求。

在實(shí)際應(yīng)用中需要保留備用頻點(diǎn)，此外根據(jù)TB 10088-2015規(guī)定“同小區(qū)、同站址的多個(gè)小區(qū)的控制信道載波間隔不宜小于600 kHz，業(yè)務(wù)信道載波間隔不宜小于400 kHz。相鄰小區(qū)的控制信道及業(yè)務(wù)信道載波間隔不宜小于400 kHz”。對(duì)于同站址無線雙層網(wǎng)覆蓋方式來說可以按下表4進(jìn)行配置配置。

表4 同站址無線雙層網(wǎng)覆蓋頻率配置

為了滿足特殊條件下頻道調(diào)整需要，將1 012頻道作同站址無線雙層網(wǎng)覆蓋的備用頻道，1 012頻道即使在需要使用時(shí)也只與小區(qū)5的1 011頻道不滿足K≥2；將1 006頻道作為小區(qū)2的B網(wǎng)BCCH，B網(wǎng)作為冗余備用網(wǎng)，只有A網(wǎng)的1 010頻道無法正常工作時(shí)，移動(dòng)臺(tái)才選擇B網(wǎng)1 006頻道，同時(shí)1 006頻道也只與小區(qū)6的1 005頻道不滿足K≥2。

對(duì)于交織站址無線雙層網(wǎng)覆蓋方式來說可以按下表5進(jìn)行配置配置。

表5 交織站址無線雙層網(wǎng)覆蓋頻率配置

為了滿足特殊條件下頻道調(diào)整需要，將1 012頻道作同站址無線雙層網(wǎng)覆蓋的備用頻道，1 012頻道即使在需要使用時(shí)也只與B網(wǎng)小區(qū)5的1 011頻道不滿足K≥2；將1 006頻道作為A網(wǎng)小區(qū)2的TCH，1 006頻道平時(shí)不處于工作狀態(tài)，只有A網(wǎng)1 010載頻的語音業(yè)務(wù)信道不夠用時(shí)，1 006頻道才開始工作，就算1 006頻道處于工作狀態(tài)時(shí)也只與B網(wǎng)小區(qū)6的1 005頻道不滿足K≥2。

4 結(jié) 語

本文利用模擬退火算法對(duì)GSM-R系統(tǒng)可用的19個(gè)頻道進(jìn)行組合優(yōu)化，提出了一種網(wǎng)內(nèi)抗干擾頻率配置方案，使列車在發(fā)生異常切換時(shí)一階鄰頻能最大化滿足載干比要求，從而提高GSM-R系統(tǒng)自身抗干擾能力。同時(shí)結(jié)合GSM-R系統(tǒng)各載頻的屬性特點(diǎn)，給出了同站址無線雙層網(wǎng)絡(luò)和交織站址無線雙層網(wǎng)的具體頻道配置，對(duì)實(shí)際工程的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。