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合成器跳频技术
第二章合成器跳频技术
为了有效地提高系统质量,提高频率利用率,GSM的无线接口使用了跳频技术,这一技术最初用于军事传输系统,目的是保证安全性和防止拥塞。
在目前GSM的应用中可分为合成器跳频和基带跳频。
目前在MOTOROLA系统中应用较多的是合成器跳频技术,其主要特点是按固定间隔(4.615ms)改变一个信道使用的频率。
下面将主要介绍合成器跳频技术及实际系统应用情况。
一、合成器跳频的应用原因--频率分集与码分多址
GSM系统实施跳频可以概括为两个原因。
第一个原因应用跳频可以获得频率分集。
在GSM的信息处理过程中引入了纠错码,这种码是建立在冗余基础上的,经过冗余处理的数据,即使有几个错误,也可从接收流的其余部分重建原始数据。
而这种冗余是扩展到几个突发脉冲上的,因此跳频方式保证了一个信息按几个频率发送,从而得以提高系统的性能。
移动无线传输在遇到障碍时不可避免地会遭受短期的幅度变化,这些变化称为瑞利衰落。
在许多情况下,发射天线和接收天线在视线范围内,接收到的信号是具有不同相位的一个信号的许多复制品之和。
例如,路径中包括一个障碍的反射,就会产生许多不同的反射路径。
特别是当反射物不规则且其大小超过波长(建筑物的大小一般都符合这两条)时,许多相位随机分布的相移信号之和的包络就遵循瑞利分布。
图1表示一个受瑞利影响信号的包络随时间变化的例子。
图1由瑞利衰落引起的典型振幅变化
时间单位是通过一个波长的时间,比如对900MHz,车速50公里/小时
不同频率的信号遭受的衰落是不同的,而且随着频率的差别增大时,衰落会表现出更大的独立性,对于间隔比较大的频率(例如1MHZ),它们就可看作是完全独立的。
由于通过跳频,频点在4.615ms的间隔不断变化,各带有码字一部分内容的所有突发脉冲就不会被瑞利衰落以同一方式破坏,因为它们遭受的瑞利衰落基本上是互相独立的。
当移动台高速运动时,同一信道上接收两个相邻突发脉冲期间(至少4.615ms),移动台的位置差别也可以去除信号瑞利变化的相关性从而使它们互相独立。
在这种情况下,跳频体现不出优势来。
但当移动台静止或以慢速运动时,跳频就可以允许话音传输质量达到高速运动时的性能水平,可获得增益估计大约为6.5dB。
这种增益对于拥有大量手持机用户的系统是非常重要的,因为系统内大部分的手机一般移动速度较慢,或根本不运动。
跳频的第二个应用原因是与码分多址(CDMA)相联系的干扰源分集(interfererdiversity)特性。
在业务量密集区(如大城市),蜂窝系统的容量受到频率复用产生的干扰限制。
相对干扰比(C/I)可能在呼叫之间变化很大:
C(载波电平)随着移动台相对于基站的位置及移动台与基站之间障碍的数量而变化;I(干扰电平)的变化则依赖于此频率是否被附近蜂房的另一呼叫使用,它还随着干扰源的距离、电平等变化而变化。
因为系统的目标是满足尽可能多的用户的需要,系统的最大容量是在一给定(较小)部分呼叫由于干扰使质量受到明显降低的基础上计算的。
由于这个“最坏情况”的概念,当在给定平均C/I值附近统计分散尽可能小时,系统的容量较好。
我们考虑一个系统,其中一个呼叫的干扰是由于其他呼叫引起的干扰电平的平均值。
那么,对一给定总和,干扰源的数量越多,系统性能就越好。
这就是干扰源分集的原理。
下面的例子可以说明这一原理。
让我们考虑使用4个频率的一个蜂房A,且有两个相邻的可能干扰蜂房,两个干扰蜂房也使用4个频率,其中2个频率与蜂房A中使用的不同,如图2。
表1给出业务量最大时,蜂房A中的移动台受到的干扰电平的情况。
当所有干扰的总和使C/I小于5.0(7dB)时,就认为呼叫被阻塞了。
不使用跳频时,移动台正确收到信号(如果分配的的频率是f1或f2)的机会是平均的;而使用跳频技术后,在各种情况下,接收质量都很好。
因此,跳频确实可以产生很大的统计增益。
图2使用跳频的干扰蜂房的例子
使用相同频率,但用不相关的跳频序列,产生了干扰源分集。
f1
f2
F3
f4
移动台到基站频率点的干扰电平
0.10(C/I=10dB)
0.14(C/I=8.5dB)
0.25(C/I=6dB)
0.28(C/I=5.5dB)
跳频移动台到基站频率点的平均干扰电平
0.19(C/I=7.2dB)
0.19(C/I=7.2dB)
0.19(C/I=7.2dB)
0.19(C/I=7.2dB)
基站到移动台频率点的干扰电平
0.10(C/I=10dB)
0.10(C/I=10dB)
0.28(C/I=5.5dB)
0.28(C/I=5.5dB)
跳频基站到移动台频率点的平均干扰电平
0.19(C/I=7.2dB)
0.19(C/I=7.2dB)
0.19(C/I=7.2dB)
0.19(C/I=7.2dB)
表2跳频前后干扰电平比较
1、合成器跳频的一般原理
从上面所述,合成器跳频的确有许多优点。
那么其原理又是怎么样的呢?
图3给出了一给定信道合成器跳频的示意。
图3一给定信道可在每个突发脉冲改变频率,但在传输一个突发脉冲期间,频率保持不变。
对一组n个给定频率,GSM允许构成64×n种不同的跳频序列。
它们用三个参数来说明:
*MAIO(起跳频点)可取组中频率个数那么多值。
*HSN(跳频序列号)可取64种不同的值。
*MA(跳频频点集)
两个拥有相同HSN值,但不同MAIO值的信道不会在同一突发脉冲时使用相同的频率。
相反,两个使用相同频率表,但不同HSN的信道,只对于突发脉冲的1/n有干扰,就好象序列是随机选取的一样。
除了HSN=0的特殊情况(这时频率是一个挨一个按顺序使用的)外,序列的确是伪随机的。
选择伪随机序列的原因是因为它的统计特性与随机序列的很相似。
通常一个蜂房小区的信道具有相同的HSN值,不同的MAIO,因为需要避免一个蜂房内部信道间的干扰。
由于使用了不同的MA频率集,相邻的蜂房也不会互相干扰。
在使用同一MA频率集的远距离蜂房中,应使用不同的HSN,也可获得干扰源分集增益,为达到这一目的,HSN=0是避免使用的(它将导致低质量的干扰源分集),如要取得更好的效果还可使用不同的频率集,一般这受到系统频率资源的限制。
对于跳频的使用有一个限制:
公用信道(FCCH、SCH、BCCH、PAGCH和RACH)必须使用一个固定频率。
这一限制是为了简化初始同步获取:
一旦移动台发现了一个FCCH脉冲,它可在同一频率上寻找SCH脉冲。
由于这个脉冲太小了,不能包括对BCCH的跳频序列描述,最简单的方法是将BCCH放在与SCH相同的频率上。
如果PAGCH和RACH是跳频信道,它们的跳频序列应能在BCCH上广播。
然而,这只会增加系统复杂性。
因此,选定TN0的公用信道干脆不跳频,全部使用同一频率。
类似地,公用信道的扩展集也禁止跳频,使习同一频率作为基本组。
因此,就无需在TN0的BCCH上传送对它们频率编排方式的描述了。
跳频时要求至少4个频率,频率最好再多些(如17个),当然这与系统最大站型有关。
一般来说系统的最大跳频负载不能大于50%。
跳频负载是指某基站的跳频载频数与跳频频点数的比值,最大负载是指最大站型的负载。
如系统最大站型为8/8/8,分配跳频频点数为51个,那么跳频负载为(7×3)/51=41.2%。
一般来说,为了获得跳频增益,就必须给那个蜂房小区分配比已装载频的数目更多的频点。
2、跳频系统的抗干扰性能分析
跳频使系统的抗干扰能力更强了。
为了表述抗干扰,我们先来分析一下干扰。
干扰使在同一蜂房内两个同时进行的通信不能采用相同的GSM无线信道。
此外,由于信号电平要经过很长距离才会消失,所以即始相距很远,若使用同一无线资源,相互之间也会存在干扰。
在蜂窝系统中,由于频谱资源基本上是要复用的,所以设计目标应是确保此复用带来的干扰可以忽略,或至少在统计上能接受。
减小干扰的一个明显方法是增加使用相同频点的小区之间的距离。
但造成一个不利的结果是,由于频率资源的有限,增加复用距离势必减少系统的容量。
相对干扰电平(C/I比)对作为运营系统一部分的一个蜂房而言,测量在通信中由环境所造成的相对干扰电平是可能的,这些电平一般是用从期望信源所接收信号电平(载波电平C)与接收到的干扰电平(干扰电平l)之比C/I来表示的(以dB为单位)。
载噪比(C/I)遵从某些统计规律,可以用图4例子中所示的累积分布很好地表示。
a
b
图4C/I累积分布
C/I的累积分布的统计特性依赖于蜂窝规划。
业务质量准则导致了图中的禁止区,例如要求“90%的通话的C/I应优于C/I90”(此处C/I90=7dB)是用灰色禁止区域表示的“最坏情况”限制)
(a)C/I分布在此区域以外,满足限制要求;
(b)由于受到干扰,C/I分布不符合业务质量要求。
为达到所要求的质量,
必须增加复用距离.
以移动分布曲线,在所示实例中,对10%的最坏情况必须要增加6.5dB。
在给定蜂房中的分布依赖于与其通信的移动台的位置及干扰源的位置,因而它依赖于蜂规划及频率复用。
为了保证提供用户可接受的业务质量,必须在最小的C/I比值上加些限制,这一限制可以用累积分布图中的禁止区表示。
例如,可以要求至少90%的通信质量应高于给定的门限C/I90,图中取门限值为7dB,它相当于传输质量接近于采用GSM全速率话音传输的最好质量。
可以考虑其它准则,例如(C/I50),但通常只考虑最坏情况下的要求。
实际上,考虑到随之产生的费用,没有多少真正的动力去提供比最小可接收情况更好的质量。
电信网络的真正目标不是为了使质量最好,而是在保持质量高于某些门限的情况下使成本最小。
通过质量要求可从C/I分布图推算出最小复用因子。
在前面介绍的传播模型有这样一个特性,即如果发射机相对于接收点的位置攻变比例变为R,则接收电平的改变要乘以R-A(A是以前引入的电平随距离衰减的指数)。
我们假设当复用距离改变时,I的累积分布(用dB表示)只简单地沿I轴移动。
A=3.5时,复用距离乘以2,则平移2.5dB。
这样,最小的复用距离可以从另一个复用距离所确定的I分布得到。
例如,若C/I累积分布如图4情况a所示,其复用距离太小,必须增加补偿6.5dB,即当传播以D-3.5变化时,采用1.5的因子(这对因于复用因子增加2.3)。
就干扰而言,上行链路和下行链路并不相同。
移动台主要受到一小部分基站的干扰,而基站则主要受到相当大数量的移动台的干扰。
现在让我们来考虑跳频的影响。
通常通话所受到的干扰电平是几个干扰源信号的叠加。
当不采用跳频时,干扰源的数目相对较少(一般干扰源在2到6个之间)。
干扰源虽然比较少,但只要有一个干扰相当高就会使通话连接的质量很恶劣。
合成器跳频,选择一个合适的跳频序列,它使得蜂房内的每一个移动台对其它蜂房里的许多通信都有一点干扰,这称作“干扰源分集”。
由于这一特性,被强干扰源干扰的概率不是处于连续状态,而是处于突发状态,也就是说干扰不是连续的而是断续的。
让我们做一些简单的假设来说明这个情况,假设一个突发脉冲要么全对要么全错,用于话音的编码方案是如果在8个携带语音帧信息的突发脉冲中至少能正确接收5个突发脉冲,则该语音帧认为是正确的。
若我们决定质量水平是在90%的情况下帧误码率为5%,相应的可接收的突发脉冲误码率为19%。
考虑6个干扰蜂房时C/I分布如图4-a所示,单个干扰源情况下I的分布在图5中给出。
图5单个干扰下的I分布
a)不跳频的分布曲线
b)跳频的分布曲线
假设跳频伴随着大量不同的干扰源,则I曲线代表对任何连贯的突发脉冲的I分布。
在此曲线上,I=-103dB时可获得19%的突发脉冲删除,因而要求C在90%的情况中高于-96dB(如果我们假定对错突发脉冲之间的门限为7dB)。
这比在没有跳频时所要求的C值(从图1-得到的C值为-92dB)少4dB。
当然,这些计算并不能完全反映真实情况,这是由于突发脉冲并非全对或全错,干扰源的数目也没有这么大,故增益要略小一些。
所以从这个角度考虑,跳频可使C/I提高4dB。
3、与跳频相关的其他一些系统调节手段
跳频在系统内应用时,其他一些方法可以同时应用以期取的最佳效果。
切换,功率控制,不连续传输是几种有效的方法。
这里主要介绍一下不连续传输(DTX)。
DTX是一个由运营者控制的可选项,它可以在从移动台到基站方向或从基站到移动台方向独立使用。
不连续传输是在用户不是有效地产生业务量时,使传输降低到一个低激活周期的能力。
对话音通信,它一般在每个方向申请40%的时间。
由于信号在一部分时间内得到了抑制,系统内的干扰将明显减小,话音质量预期可以得到提高。
二、跳频技术的工程应用
目前我们已经在许多系统实施了跳频技术,均取得了较好的效果。
下面就吉林省延吉市的合成器跳频实施作一介绍。
1、概述
延吉市自第3期扩容工程完成后,其基站数已由13个增加至25个(不包括微蜂窝),共有403个TCU投入运行。
延吉市内基站多为8/8/8的大站型,如果使用常规频率规划方式(BCCH以4x3复用,TCH以3x3复用)共需要75个频点,15MHZ的频带。
而我们没有足够宽的频带,所以我们需要使用跳频方式以压缩频带,才能在同样宽的频带中提供出更多的话务容量,同时预期系统性能可以更好。
我们目前有13M频带除去频段两端共有64个频点可供使用,跳频后的频率规划方式为:
BCCH以4x3复用,TCH以1x3复用,各扇区分配17个跳频频点,频段两端及BCCH与TCH频段间各加一个隔离频点,共需频点数为:
14x3+1+17x3=64(个)
2.实施过程
1)1999年2月4日第3期扩容工程完毕后,即对全网进行了初步的覆盖调整。
为了有效地控制干扰,跳频系统对小区覆盖范围的要求比较严格。
我们的预定标准是:
A、相对且相邻的小区(非同频复用小区):
重叠区预计控制在15%左右(理论上);
B、同方向相邻小区(同频复用小区):
后面小区的信号强度在前面小区覆盖范围内低于-70dBm;
C、非面向市区的小区:
我们尽量调整天线辐射的主瓣向下并尽可能保证原有覆盖;
在基于上述几点的考虑下开展覆盖调整工作,通过NetPlan分析和从敦化市实施SFH跳频后的效果来看是比较有效的。
当然在以后对网络的优化过程中,小区覆盖仍然需要进一步的微调。
2)3月8日至19日,重点进行基站排障工作,每天观察基站运行情况,排除所有基站故障;数据库相应工作准备完毕。
3)对市内主要交通干道进行车载测试,收集数据以便与跳频后的数据进行比较。
4)3月19日夜打开合成器跳频(SFH)功能。
5)3月20日至23日,观察系统性能,进行相应的车载测试收集数据,并据此进行了初步的系统优化。
3.车载测试及初步优化结果
在打开跳频功能前后,在市内按固定路线对主要交通干道进行了车载测试,并依此对跳频前后性能进行分析及初步优化,其结果如下:
1)在系统话务量未发生变化的情况下,提高了系统的信号质量。
跳频系统的一个特点就是均衡了容量与质量之间的矛盾,在系统容量一定的情况下,跳频后系统质量会有所提高;在保证系统质量不变的情况下,系统容量将得到明显的增加。
这一特性在延吉市系统中得到了明显的体现。
系统跳频前后话务量未发生明显变化(由跳频前的948erlangs到跳频后的961erlangs),而系统信号质量有所提高。
跳频前后系统质量分布情况如下图所示:
图2-1:
跳频前后系统质量分布图
图中,3月12日的数据为跳频前的数据,3月23日的数据为跳频后的数据。
0~7为系统质量的一个衡量等级,其中0级对应为误码率(BER)在0~0.2%之间,6、7级对应为误码率(BER)在6.4%以上。
当误码率达到6、7级时,容易产生断续或掉话。
纵坐标指示该级误码率占全部误码的百分率(%)。
从图中可以看出,跳频后0级误码所占比重有所提高,而6、7级误码所占比重下降,说明系统的信号质量得到了提高。
2)22日的车载测试发现,手机的发射功率有所提高,由跳频前平均24dBm提高到26.2dBm,手机发射功率提高,将会引起上行通路的干扰,降低手机电池使用时间。
为此我们对系统进行了部分调整,以避免上行通路干扰为目标。
调整参数后,再次进行车载测试,手机的平均发射功率即恢复到跳频前的24dBm,其分布图如下:
图2-2:
参数调整后手机发射功率对照分布图
3)抗干扰能力提高
SFH的干扰均衡,抗衰落等特性使系统的质量提高,在较好的质量下功率控制可使信号强度变弱,反过来说,在较弱的信号强度下,无线环境中的越区干扰降低,相互促进,因此系统在抗干扰的能力得到了提高。
根据我们对固定路线的测试,目前全网平均信号强度由跳频前的-67dBm降低到跳频后的-71dBm,但信号强度分布集中于平均值附近,过低和过高的信号强度均受到了一定的抑制,分布更趋合理,具体的分布图如下:
图2-3:
下行信号强度(rxlev)分布图
4.系统性能分析
系统性能如下:
(22日以后的为跳频后系统数据)
日期
CALL_SETUP
DROP_CALL
HAND_FAILURE
TCH_RF_LOSS
TCH_ERL
SDCCH_RF_LOSS
TCH_BLOCK
99-3-15
92.15
1.14
0.32
0.82
948.68
0.98
0.64
99-3-16
91.3
1.06
0.31
0.75
909.16
0.98
1.19
99-3-17
92.2
1.13
0.32
0.81
877.02
1.13
0.29
99-3-18
93.1
1.07
0.33
0.74
881.38
1.02
0.44
99-3-19
92.96
1.07
0.28
0.79
927.29
0.97
0.08
99-3-22
92.99
0.99
0.32
0.67
947.36
0.91
0.06
99-3-23
92.8
0.82
0.25
0.57
961.56
0.87
0.12
图2-4掉话率分图,图2-5呼叫建立成功率,图2-6系统话务
由以上图表可以看出,由于信号质量的提高,系统掉话率也明显降低。
系统阻塞的出现是由于郊区BSS04和BSS05的阻塞引入的,市区内跳频前后阻塞均0,而郊区未进行跳频,阻塞未发生变化,所以系统阻塞跳频前后未发生变化。
16、17日交换机进行HLR/VLR的割接,接通率及话务量有所下降,但后几天即恢复正常。
延吉市的合成器跳频取得了预期的效果。
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