一种GSM-R网内抗干扰频率配置方案*

刘龙海 ，冯 云 ，宗 容 ，李 玲 ，刘丽萍 ，余 江

（1.云南大学 信息学院,云南 昆明 650500；2.云南省监测中心，云南 昆明 650100）

0 引 言

高铁运行速度较快，对通信质量要求较高[1］，当列车受到干扰时，可能发生脱话、掉网等现象，导致列车降速，如果干扰较重，甚至会发生安全事故[2］。GSM-R系统网间干扰主要来源于各公众通信系统与GSM-R系统共存所引起的干扰和非法人为干扰[3］，随着GSM-R保护工作的展开，近年来网间干扰已日趋减少。网内干扰主要来自频率规划不合理所引起的同频、邻频和互调干扰，还有各收发信机内部的杂波干扰[4］。杂波干扰主要靠提高设备性能和定期检测维修来控制，频率规划不合理是网内干扰的主要来源，科学合理的频率规划，可提高GSM-R系统自身抗干扰能力，是系统高质量的保障。

在频率配置方案的研究上，文献[5］阐述了在频率规划时如果能使相隔一个小区的频率间隔不小于400 kHz,则即使列车在发生异常切换时，一阶邻频仍能满足载干比要求，但是受连续频点分配方法的限制，顶多只能使一个频组（A网BCCH）满足该要求。在频率分配过程中，文献[6］将模拟退火算法和本地搜索在频率分配中的优化性能进行对比，得出模拟退火算法适用于频率规划中。文献[7］通过在战场频率资源规划中使用模拟退火算法，频率利用率有所提高，但在战场中小区是以蜂窝状进行覆盖，与GSM-R的带状覆盖不同，频道间的约束条件也有所不同。文献[8］应用遗传禁忌算法，分别优化得出4频组和5频组的一种频率分配方案，但没考虑列车发生异常切换的情况，而且频率利用率不够高。在文献[7-8］中，同信道约束、邻道约束和共址约束都是分别约束，没有给出综合的约束条件，约束条件相对复杂。

本文在考虑列车异常切换的情况下，将同信道约束、邻道约束和共址约束条件用图着色的方法进行综合约束，同时利用模拟退火算法使GSM-R的19个频道最大化满足相隔一个小区的频率间隔不小于400 kHz的要求。

1 GSM-R系统

1.1 工作频率

根据TB 10088-2015规定，GSM-R系统使用900 MHz频段，上行（885～889 MHz）和下行（930～934 MHz）间隔45 MHz，频道间隔200 kHz[9］。

分配给GSM-R系统的总频道数为21个，频道序号为999～1 019，实际可用于分配的频道为1 000～1 018，其中两端频道用于系统间的频率保护。

上行频道号fl(n)和下行频道号fh(n)对应的频率为：

fl(n)=890.000MHz+(n-1024)×0.200MHz

fh(n)=fl(n)+45MHz(n=999～1019)

1.2 GSM-R网络覆盖方式

当列车速度达到CTCS3级时，其安全性和可靠性十分重要[10］。为了保证列车能高速、安全、可靠的运行，GSM-R核心网需要有备用网络，保证主网异常时，系统能正常工作，目前常用的冗余方式有三种。

1.2.1 单网交织冗余覆盖

在单层网络覆盖的基础上，通过在两基站之间增加冗余基站，使某个基站出现异常时，系统可通过其相邻基站正常工作，如图1所示。

图1 单网交织冗余覆盖示意

1.2.2 同站址无线双层网覆盖

在单层网络覆盖的基础上，通过在基站相同站址中增加冗余基站，使系统有两层网络覆盖。这种覆盖方式在同一站点使用的两套设备，一个作为主用，一个作为备用，如图2所示。

图2 同站址无线双层网覆盖示意

1.2.3 交织站址无线双层网覆盖

在单层网络覆盖的基础上，通过在两基站之间增加冗余基站且增加的基站单独使用一层网络，使系统有两层网络覆盖，如图3所示。

图3 交织站址无线双层网覆盖示意

2 频率规划

2.1 频率规划原则

对于单网覆盖来说，频率分配相对简单，可直接用穷举的方法得到，对于具有两层网络的覆盖来说，A网为主用网，系统配置两个载频，A网BCCH载频和A网TCH载频，B网为备用网，系统配置一个载频，B网BCCH载频，三种载频的性质各不相同。

A网作为主用网，是GSM-R系统的主要通信承载网，正常情况下A网BCCH载频始终处于工作状态下，A网TCH载频的所有时隙都为TCH，只有A网BCCH载频的语音业务信道不够用时，A网的TCH载频才开始工作。B网作为冗余备用网，B网BCCH载频也一直处于工作状态，但只有A网不能正常工作时，移动台才选择B网的BCCH载频作为服务频点[11］。

对于可用的19个频道资源需要进行复用才能满足GSM-R系统的容量需求。如果采用t个小区进行复用，则频率分配矩阵可表示为式（1）。

在对fn,t进行配置时，若fn,t为1则表示将第n个频道分配给小区t；若fn,t为0则表示小区t不分配第n个频道。同时为了避免小区内部和小区间的相互干扰，在进行频率规划时，在同一簇中，同一频道不能重复使用，同小区内载频频率间隔不小于400 kHz，相邻小区之间载频频率间隔不小于400 kHz，间隔一个小区载频频率间隔不小于200 kHz[12］。若用频道号差值表示载频频率间隔，参数（M,N,K）分别表示同小区、邻小区和间隔一个小区的载频频率间隔，则M≥2，N≥2，K≥1。

为了使机车在发生异常切换（如前切或回切）时，同频载干比能满足不小于12 dB的要求，则分配给A网BCCH、A网TCH、B网BCCH频组的频道数取值为c={5,6,7}。同时在同一频组中，当N≥2，K满足不同条件时，机车在正常和异常切换条件下，满足载干比要求的区间百分比如表1所示[5］。

表1 满足载干比要求的区间百分比

其中C/IC表示同频干扰载干比，C/Ia1表示一阶邻频载干比，当K≥2时，即使在异常切换的条件下，仍能满足一阶邻频载干比要求。

若要满足M≥2，N≥2，K≥2，如果采用连续频点分配的方法，则只能采用（7,5,5）分配方案，而且只有一个频组（A网BCCH）能实现此要求。如果不采用连续频点分配的方法，因为频组可取的值5,6,7互质，所以A网BCCH、A网TCH、B网BCCH频组频点数的取值只能相同，又因为可用于分配的频道只有19个，而且还要预留备用频点，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，则在相邻的三个小区中最多只能分配相邻两个频道中的一个，在该条件下能使列车在异常切换的情况下仍能保证一阶邻频满足载干比要求。

2.2.1 （5,5,5）方案

对于（5,5,5）方案，在相邻的三个小区中最多分配相邻两个频道中的一个（M≥2，N≥2，K≥2）如表2所示。

表2 （5,5,5）方案M≥2、N≥2、K≥2分配情况

其中0表示相邻两频道所在的相邻三小区，1表示将某一频道分配给对应小区。在实际应用中，频率按簇进行复用，则小区1和小区5为相邻小区。在（5,5,5）方案中若将其中一个频道进行分配则其相邻的频道就无法满足要求，如若将1 007频道分配给小区3，则1 006和1 008频道无法满足分配要求，即两相邻频道只能分配其中一个。在（5,5,5）方案中，19个频道在M≥2，N≥2，K≥2的条件下最多只能分配10个，而该方案需要15个频道。满足该条件的频道只占总频道数10/19≈52.63%，占该方案所需频道数10/15≈66.67%。

2.2.2 （6,6,6）方案

对于（6,6,6）方案，在相邻的三个小区中最多分配相邻两个频道中的一个（M≥2，N≥2，K≥2）如表3所示。

表3 （6,6,6）方案M≥2、N≥2、K≥2分配情况

在（6,6,6）方案中若将其中一个频道进行分配，其相邻的频道仍可以进行分配。如若将1 007频道分配给小区3，则1 006和1 008频道可分配给小区6。

3 组合优化

3.1 模拟退火算法

用模拟退火算法组合优化频率分配时，先将粒子内能E模拟为目标函数的值f（不满足M≥2，N≥2，K≥2所需频道的个数），温度T模拟成控制参数t。算法先对频道进行随机配置，然后通过逐步衰减t值，对配置方案进行“产生新的配置方案→计算新方案的优劣→以概率e(-∇E/(kT))接受或舍弃新方案”的迭代。其流程如图4所示。

3.2 频率分配组合优化

在MATLAB中利用模拟退火算法，对（6,6,6）方案在满足M≥2，N≥2，K≥2的条件下进行组合优化，其模拟退火过程如图5所示。

随着退火过程的进行，不满足要求的频道数逐渐减少并最终趋于稳定，对（6,6,6）方案所需18频道来说，有1个频道无法满足要求，即满足M≥2，N≥2，K≥2的频道数只有17个。其最终组合优化结果如图6所示。

图4 模拟退火算法流程

图5 （6,6,6）方案模拟退火过程

图6 （6,6,6）方案组合优化结果图

其中横线表示将该频道分配给对应小区，竖线表示该小区不分配相应频道。从图6可知，频道1 006和频道1 012不能满足M≥2，N≥2，K≥2要求。满足要求的频道数占总频道数，占（6,6,6）方案所需频道数。虽然频道1 006和频道1 012不满足M≥2，N≥2，K≥2的要求，但是对频道1 006来说只与小区6的1 005频道K=1，对频道1 012来说只与小区5的1 011频道K=1，和其他频道均能满足M≥2，N≥2，K≥2的要求。

在实际应用中需要保留备用频点，此外根据TB 10088-2015规定“同小区、同站址的多个小区的控制信道载波间隔不宜小于600 kHz，业务信道载波间隔不宜小于400 kHz。相邻小区的控制信道及业务信道载波间隔不宜小于400 kHz”。对于同站址无线双层网覆盖方式来说可以按下表4进行配置配置。

表4 同站址无线双层网覆盖频率配置

为了满足特殊条件下频道调整需要，将1 012频道作同站址无线双层网覆盖的备用频道，1 012频道即使在需要使用时也只与小区5的1 011频道不满足K≥2；将1 006频道作为小区2的B网BCCH，B网作为冗余备用网，只有A网的1 010频道无法正常工作时，移动台才选择B网1 006频道，同时1 006频道也只与小区6的1 005频道不满足K≥2。

对于交织站址无线双层网覆盖方式来说可以按下表5进行配置配置。

表5 交织站址无线双层网覆盖频率配置

为了满足特殊条件下频道调整需要，将1 012频道作同站址无线双层网覆盖的备用频道，1 012频道即使在需要使用时也只与B网小区5的1 011频道不满足K≥2；将1 006频道作为A网小区2的TCH，1 006频道平时不处于工作状态，只有A网1 010载频的语音业务信道不够用时，1 006频道才开始工作，就算1 006频道处于工作状态时也只与B网小区6的1 005频道不满足K≥2。

4 结 语

本文利用模拟退火算法对GSM-R系统可用的19个频道进行组合优化，提出了一种网内抗干扰频率配置方案，使列车在发生异常切换时一阶邻频能最大化满足载干比要求，从而提高GSM-R系统自身抗干扰能力。同时结合GSM-R系统各载频的属性特点，给出了同站址无线双层网络和交织站址无线双层网的具体频道配置，对实际工程的应用有一定的指导意义。