一種GSM-R網內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 信息學院,云南 昆明 650500；2.云南省監測中心，云南 昆明 650100）

0 引 言

高鐵運行速度較快，對通信質量要求較高[1］，當列車受到干擾時，可能發生脫話、掉網等現象，導致列車降速，如果干擾較重，甚至會發生安全事故[2］。GSM-R系統網間干擾主要來源于各公眾通信系統與GSM-R系統共存所引起的干擾和非法人為干擾[3］，隨著GSM-R保護工作的展開，近年來網間干擾已日趨減少。網內干擾主要來自頻率規劃不合理所引起的同頻、鄰頻和互調干擾，還有各收發信機內部的雜波干擾[4］。雜波干擾主要靠提高設備性能和定期檢測維修來控制，頻率規劃不合理是網內干擾的主要來源，科學合理的頻率規劃，可提高GSM-R系統自身抗干擾能力，是系統高質量的保障。

在頻率配置方案的研究上，文獻[5］闡述了在頻率規劃時如果能使相隔一個小區的頻率間隔不小于400 kHz,則即使列車在發生異常切換時，一階鄰頻仍能滿足載干比要求，但是受連續頻點分配方法的限制，頂多只能使一個頻組（A網BCCH）滿足該要求。在頻率分配過程中，文獻[6］將模擬退火算法和本地搜索在頻率分配中的優化性能進行對比，得出模擬退火算法適用于頻率規劃中。文獻[7］通過在戰場頻率資源規劃中使用模擬退火算法，頻率利用率有所提高，但在戰場中小區是以蜂窩狀進行覆蓋，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[8］應用遺傳禁忌算法，分別優化得出4頻組和5頻組的一種頻率分配方案，但沒考慮列車發生異常切換的情況，而且頻率利用率不夠高。在文獻[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，約束條件相對復雜。

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行綜合約束，同時利用模擬退火算法使GSM-R的19個頻道最大化滿足相隔一個小區的頻率間隔不小于400 kHz的要求。

1 GSM-R系統

1.1 工作頻率

根據TB 10088-2015規定，GSM-R系統使用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系統的總頻道數為21個，頻道序號為999～1 019，實際可用于分配的頻道為1 000～1 018，其中兩端頻道用于系統間的頻率保護。

上行頻道號fl(n)和下行頻道號fh(n)對應的頻率為：

fl(n)=890.000MHz+(n-1024)×0.200MHz

fh(n)=fl(n)+45MHz(n=999～1019)

1.2 GSM-R網絡覆蓋方式

當列車速度達到CTCS3級時，其安全性和可靠性十分重要[10］。為了保證列車能高速、安全、可靠的運行，GSM-R核心網需要有備用網絡，保證主網異常時，系統能正常工作，目前常用的冗余方式有三種。

1.2.1 單網交織冗余覆蓋

在單層網絡覆蓋的基礎上，通過在兩基站之間增加冗余基站，使某個基站出現異常時，系統可通過其相鄰基站正常工作，如圖1所示。

圖1 單網交織冗余覆蓋示意

1.2.2 同站址無線雙層網覆蓋

在單層網絡覆蓋的基礎上，通過在基站相同站址中增加冗余基站，使系統有兩層網絡覆蓋。這種覆蓋方式在同一站點使用的兩套設備，一個作為主用，一個作為備用，如圖2所示。

圖2 同站址無線雙層網覆蓋示意

1.2.3 交織站址無線雙層網覆蓋

在單層網絡覆蓋的基礎上，通過在兩基站之間增加冗余基站且增加的基站單獨使用一層網絡，使系統有兩層網絡覆蓋，如圖3所示。

圖3 交織站址無線雙層網覆蓋示意

2 頻率規劃

2.1 頻率規劃原則

對于單網覆蓋來說，頻率分配相對簡單，可直接用窮舉的方法得到，對于具有兩層網絡的覆蓋來說，A網為主用網，系統配置兩個載頻，A網BCCH載頻和A網TCH載頻，B網為備用網，系統配置一個載頻，B網BCCH載頻，三種載頻的性質各不相同。

A網作為主用網，是GSM-R系統的主要通信承載網，正常情況下A網BCCH載頻始終處于工作狀態下，A網TCH載頻的所有時隙都為TCH，只有A網BCCH載頻的語音業務信道不夠用時，A網的TCH載頻才開始工作。B網作為冗余備用網，B網BCCH載頻也一直處于工作狀態，但只有A網不能正常工作時，移動臺才選擇B網的BCCH載頻作為服務頻點[11］。

對于可用的19個頻道資源需要進行復用才能滿足GSM-R系統的容量需求。如果采用t個小區進行復用，則頻率分配矩陣可表示為式（1）。

在對fn,t進行配置時，若fn,t為1則表示將第n個頻道分配給小區t；若fn,t為0則表示小區t不分配第n個頻道。同時為了避免小區內部和小區間的相互干擾，在進行頻率規劃時，在同一簇中，同一頻道不能重復使用，同小區內載頻頻率間隔不小于400 kHz，相鄰小區之間載頻頻率間隔不小于400 kHz，間隔一個小區載頻頻率間隔不小于200 kHz[12］。若用頻道號差值表示載頻頻率間隔，參數（M,N,K）分別表示同小區、鄰小區和間隔一個小區的載頻頻率間隔，則M≥2，N≥2，K≥1。

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

表1 滿足載干比要求的區間百分比

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K≥2時，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，如果采用連續頻點分配的方法，則只能采用（7,5,5）分配方案，而且只有一個頻組（A網BCCH）能實現此要求。如果不采用連續頻點分配的方法，因為頻組可取的值5,6,7互質，所以A網BCCH、A網TCH、B網BCCH頻組頻點數的取值只能相同，又因為可用于分配的頻道只有19個，而且還要預留備用頻點，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，則在相鄰的三個小區中最多只能分配相鄰兩個頻道中的一個，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

對于（5,5,5）方案，在相鄰的三個小區中最多分配相鄰兩個頻道中的一個（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，1表示將某一頻道分配給對應小區。在實際應用中，頻率按簇進行復用，則小區1和小區5為相鄰小區。在（5,5,5）方案中若將其中一個頻道進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。在（5,5,5）方案中，19個頻道在M≥2，N≥2，K≥2的條件下最多只能分配10個，而該方案需要15個頻道。滿足該條件的頻道只占總頻道數10/19≈52.63%，占該方案所需頻道數10/15≈66.67%。

2.2.2 （6,6,6）方案

對于（6,6,6）方案，在相鄰的三個小區中最多分配相鄰兩個頻道中的一個（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頻道進行分配，其相鄰的頻道仍可以進行分配。如若將1 007頻道分配給小區3，則1 006和1 008頻道可分配給小區6。

3 組合優化

3.1 模擬退火算法

用模擬退火算法組合優化頻率分配時，先將粒子內能E模擬為目標函數的值f（不滿足M≥2，N≥2，K≥2所需頻道的個數），溫度T模擬成控制參數t。算法先對頻道進行隨機配置，然后通過逐步衰減t值，對配置方案進行“產生新的配置方案→計算新方案的優劣→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 頻率分配組合優化

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

隨著退火過程的進行，不滿足要求的頻道數逐漸減少并最終趨于穩定，對（6,6,6）方案所需18頻道來說，有1個頻道無法滿足要求，即滿足M≥2，N≥2，K≥2的頻道數只有17個。其最終組合優化結果如圖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）方案組合優化結果圖

其中橫線表示將該頻道分配給對應小區，豎線表示該小區不分配相應頻道。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。滿足要求的頻道數占總頻道數，占（6,6,6）方案所需頻道數。雖然頻道1 006和頻道1 012不滿足M≥2，N≥2，K≥2的要求，但是對頻道1 006來說只與小區6的1 005頻道K=1，對頻道1 012來說只與小區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。

在實際應用中需要保留備用頻點，此外根據TB 10088-2015規定“同小區、同站址的多個小區的控制信道載波間隔不宜小于600 kHz，業務信道載波間隔不宜小于400 kHz。相鄰小區的控制信道及業務信道載波間隔不宜小于400 kHz”。對于同站址無線雙層網覆蓋方式來說可以按下表4進行配置配置。

表4 同站址無線雙層網覆蓋頻率配置

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

對于交織站址無線雙層網覆蓋方式來說可以按下表5進行配置配置。

表5 交織站址無線雙層網覆蓋頻率配置

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

4 結 語

本文利用模擬退火算法對GSM-R系統可用的19個頻道進行組合優化，提出了一種網內抗干擾頻率配置方案，使列車在發生異常切換時一階鄰頻能最大化滿足載干比要求，從而提高GSM-R系統自身抗干擾能力。同時結合GSM-R系統各載頻的屬性特點，給出了同站址無線雙層網絡和交織站址無線雙層網的具體頻道配置，對實際工程的應用有一定的指導意義。