图5-4小区和位置区
越区切换时移动用户从一个MSC/VLR切换到另一个MSC/VLR区域中， 因此前一个MSC必须知道后一个 MSC 的位置区。对于一个 MSC，它不仅应该知道与它相邻的、可能发生越区切换的 MSC 的位置区，还应该知道其他的一些外部位置区。
移动用户在位置区中必须进行位置登记，移动台的位置信息储存在位置寄存器功能单元（HLR 和 VLR）中。移动台要不断地向 MSC 的 VLR 提供自己的位置信息，这一过程叫做位置更新。
位置区的划分要考虑两方面的原因：登记和寻呼。如果一个位置区包括了整个 MSC 的业务域，那么它的登记的代价是最小的，即位置更新的次数最小，但是寻呼的代价是最大的，即 MSC 需要向所属的所有移动台发出寻呼信息。反之，如果一个位置区就是一个小区，那么寻呼的代价最小，登记的代价最大。 5.1.2 线状覆盖
通常面状覆盖用于城市、乡村等地域宽阔的地带，而在铁路、公路、狭长的水面上这样的呈带带状的地区，往往采用线状覆盖的方式，如图 2-8 所示。本书讲述的 GSM-R 系统应用于铁路，应当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。铁路沿线的覆盖示意如图5-5。
图5-5 铁路沿线的覆盖示意
5.1.2.1频率的分配
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在线状覆盖中，一般以圆形小区为模型来进行分析和设计，如图 5-6 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。
图5-6线状覆盖的频率复用
5.1.2.2重叠区的确定
在铁路或公路的覆盖中，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。为了保证在覆盖区域尽可能不出现弱场区，要保证相邻小区间有一定的重叠范围。确定重叠区的大小是一个很复杂的问题，如果重叠区太小，可能会出现弱场区；重叠区太大同频干扰增大，越区切换时间太长，不易控制，因此要恰当设计重叠区域的大小。
图5-7 线状覆盖的同频干扰
在图 5-7 中，假设移动台位于小区 A 的边界 P 点，小区半径为 R，路径损耗指数为 4。 那么利用式 2-6，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：
1) 两小区复用（式 5-4）
2) 三小区复用 （式5-5）
3) n 小区复用（式5-6）
因此，可以根据式 2-18和 S/I的设计要求，求出重叠区的宽度 a。
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5.1.2.3 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，多路耦合其又预选滤波器、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。美国的农村服务区高速公路系统采用的就是这种方案。 5.1.2.4 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：
z 扩展小区：半径 35km~120km，主要由于沿海地区海域的覆盖。
z 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。
z 微小区：半径 0.1km~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。
z 微微小区：半径小于 0.1km，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。常采用的是两层的结构。 5.2 GSM-R网络结构和功能
GSM-R 陆地移动网络是由一个管理者或专门的机构组织建立并执行操作的，它的目的是为铁路提供陆地移动通信的各种业务。GSM-R 陆地网络可以看作是某个固定网络的扩展，如ISDN；或者是一个采用统一编号方案的 MSC 的集合。MSC 作为陆地移动网络和固定网络的接入单元。作为铁路专用的网络，GSM-R 可以有限地、有条件地与地面的公众或专用网络进行互连。 一个 GSM-R 陆地移动系统由若干个功能实体组成，这些功能实体所实现的功能的集合就是网络能够提供给用户的所有基本业务和补充业务，以及对于用户数据和移动性的操作和管理。GSM-R 陆地移动网络由三个子系统组成，其基本结构如图 5-8 所示：
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图5-8 GSM-R陆地移动网络的基本结构
移动台是接入 GSM-R 网络的用户设备，包括移动终端（ME）和终端设备（TE） ，或通过终端适配器与 ME 连接的 TE。移动台除了具有通过无线接口（Um）接入到 GSM-R 系统的一般处理功能外，还为移动用户提供了人机接口。
基站子系统（BSS）由一个基站控制器（BSC）和若干个基站收发信机（BTS）组成，BTS 主要负责与一定覆盖区域内的移动台（MS）进行通信，并对空中接口进行管理。BSC用来管理 BTS 与 MSC 之间的信息流。BTS 与 BSC 之间通过 Abis 接口通信。BSS 中还可能存在编码速率适配单元（TRAU） ，它实现了 GSM-R 编码速率向标准的 PSTN 或 ISDN 速率的转换。TRAU 与BSC 通过 Ater接口连接。
网络子系统（NSS）建立在移动交换中心（MSC）上，负责端到端的呼叫、用户数据管理、移动性管理和与固定网络的连接。 NSS 通过 A 接口连接 BSS，与固定网络的接口决定于互联网络的类型。
操作和维护子系统（OSS）是相对独立的子系统，为 GSM-R 网络提供管理和维护功能。它的具体功能由操作维护中心（OMC）来完成，其中 OMC-R负责管理 BSS，OMC-S 负责管理 NSS。OSS 主要提供移动用户管理、移动设备管理、网络操作和控制三类功能。
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任何 GSM-R 陆地移动通信网络都必须与固定网络连接，一同完成移动用户与移动用户之间、移动用户与固定用户之间的通信。
组成 GSM-R 网络的各个子系统之间、BSS 与移动台之间、与固定网络之间的互连都提供了标准的接口。 网络中的不同设备可以通过标准的接口来实现移动业务的本地和国际互连。
GSM-R 网络的信令系统采用 NO.7 信令网传送呼叫控制信息和其他信令信息。 GSM-R 网络为支持基本业务提供以下功能：
呼叫处理
用户身份的鉴权 紧急呼叫
语音组呼和语音广播 短消息业务 信令信息的加密
除此之外，GSM-R 网络还为支持各种补充业务提供了相应的功能。 为支持蜂窝系统的操作提供以下功能：
位置登记 切换
呼叫重新建立
GSM-R 网络还具有网络管理功能和一些附加功能，如呼叫处理的排队、安全功能、不连续发送和接收（DTX/DTR）等。 与 GSM 网追求最大用户系统容量不同，GSM-R 系统更侧重于系统的有效性，这是铁路特殊的需求，因此 GSM-R 在网络覆盖上有更多的重叠，网络设施也采用冗余备份。可选择将 GSM 系统的 MSC、VLR、EIR、GCR、SSP、HLR、AUC 置于一个网元中，且随着网络的增长而分散到多个网元中，这样可以形成一个经济、便于维护的网络结构。 典型的基于 GSM/GSM-R 的铁路通信网与普通的 GSM PLMN并无大的区别，在其网络的网元、标准接口和连接的扩展上也无大的区别。在公网的基础上引入一系列的新技术，即可用于铁路部门。铁路网与公网的主要区别在于由铁路网特殊需求引起的网络结构和规划上的区别。 5.2.1 BSS 结构和功能
BSS是 GSM-R 系统网络中最基本的组成部分。它有两种基本组成设备，分别是基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC） 。一台 BSC 可以管理多达几十个 BTS。此外，还有一种可选择设备——速率适配单元（TRAU） 。BSS 的总体结构如图 5-9 所示：
GSM-R系统的网络子系统（NSS）提供了处理建立、维持和清除呼叫的所有信令协 议的功能，以及为移动环境下通信提供的特定功能。NSS提供的主要功能如下： z 为用户移动特征提供的特定功能，如寻呼 z 呼叫过程中对无线资源的管理 z 管理与 BSS之间的信令协议 z 位置登记，即 VLR之间的互连 z 切换过程
z 查询 HLR获得 MS的漫游号码 z 与其他的移动功能实体交换信令信息
z 管理语音组呼、语音广播、增强多优先级与强拆的呼叫建立 z 用户的鉴权
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