GSM網(wǎng)絡(luò)中跳頻技術(shù)的應(yīng)用 - 全文

隨著數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，移動用戶的急劇增加，網(wǎng)絡(luò)中單位面積的話務(wù)量也在不斷地增加。在某些城市的市中心等繁華地段，在忙時甚至出現(xiàn)嚴重的話務(wù)擁塞情況，面對日益增長的話務(wù)需求，需要對網(wǎng)絡(luò)進行擴容以滿足容量和覆蓋的要求。

　　對于網(wǎng)絡(luò)擴容，通常我們可以采用以下幾種方法：小區(qū)分裂、增加新的頻段、提高頻率復(fù)用度來增加每個小區(qū)配置等方法。很顯然在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期通常采用小區(qū)分裂，通過不斷增加新的基站（宏蜂窩和微蜂窩基站）來達到擴容的目 的，但是隨著站距的不斷接近，網(wǎng)絡(luò)的干擾也在不斷的增加，因此當宏蜂窩基站的站距達到一定程度之后就很難在網(wǎng)絡(luò)中增加新的基站。在這種情況下就采用在GSM900網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入DCS1800網(wǎng)絡(luò)，通過引入這一新的頻段來解決網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題，這也是我們現(xiàn)在所看到中國移動和聯(lián)通公司現(xiàn)在所采用的DCS雙頻網(wǎng)絡(luò)。但是由于GSM900／DCS1800頻段有限而且各個運營商所分配到的頻率資源不同，而且考慮到引入雙頻網(wǎng)的成本很高，因此可以考慮通過在現(xiàn)有的GSM900單頻網(wǎng)絡(luò)或在引入DCS1800的雙頻網(wǎng)絡(luò)中通過提高頻率復(fù)用度，增加單位面積的容量配置來達到節(jié)省網(wǎng)絡(luò)成本和提高容量的目的。通過引入跳頻、功率控制、不連續(xù)發(fā)射等無線鏈路控制技術(shù)來達到擴容的目的。　　

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　　一、跳頻系統(tǒng)的特點及使用

　　跳頻是指載波頻率在很寬頻帶范圍內(nèi)按某種圖案（序列）進行跳變。信息數(shù)據(jù)D經(jīng)信息調(diào)制成帶寬為Bd的基帶信號后，進入載波調(diào)制。載波頻率受偽隨機碼發(fā)生器控制，在帶寬Bss（Bss＞＞Bd）的頻帶內(nèi)隨機跳變，實現(xiàn)基帶信號帶寬Bd擴展到發(fā)射信號使用的帶寬Bss的頻普擴展。可變頻率合成器受偽隨機序列（跳頻序列）控制，使載波頻率隨跳頻序列的序列值改變而改變，因此載波調(diào)制又被稱為擴頻調(diào)制。GSM的無線接口使用了慢速跳頻，其要點是按固定間隔改變一個信道使用的頻率。系統(tǒng)使用慢速跳頻（SFH），每秒跳頻217次，傳輸頻率在一個突發(fā)脈沖傳輸期間保持一定。

　　跳頻系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：能大大提高通信系統(tǒng)抗干擾、抗衰落的能力；能多址工作而盡量不互相干擾；不存在直接擴頻通信系統(tǒng)的遠近效應(yīng)問題，即可以減少近端強信號干擾遠端弱信號的問題；跳頻系統(tǒng)的抗干擾性嚴格說是“躲避”式的，外部干擾的頻率改變跟不上跳頻系統(tǒng)的頻率改變 ?！　?/p>

　　在GSM數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中，跳頻技術(shù)可以提高抗衰落、抗干擾能力。跳頻技術(shù)對于靜態(tài)或慢速移動的移動臺具有很好的抗衰落效果，而對于快速移動的移動臺由于同一信道的兩個連接的突發(fā)脈沖序列其位置差已足以使它們與瑞利變化不相關(guān)，因此跳頻增益很小，這就是跳頻所具有的頻率分集。由于跳頻時頻率在不停的變化，頻率的干擾是瞬時的，因此跳頻具有干擾分集。

　　1．GSM網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評估　　

　　在GSM數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中，由于存在著頻率復(fù)用，因此必然存在著同頻和鄰頻干擾，同鄰干擾強度決定著話音質(zhì)量。在我們通話過程中，通常遇到的話音辨別不清，時斷時續(xù)等情況很大程度上存在著干擾，根據(jù)GSM規(guī)范為了保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，需要定義相應(yīng)的同頻干擾和鄰頻干擾保護值，因此在實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，需要根據(jù)該保護值來設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。　　

　　在非跳頻網(wǎng)絡(luò)中表示網(wǎng)絡(luò)干擾程度的C／I和BER（比特誤碼率），F(xiàn)ER（幀誤碼率）的關(guān)系是唯一的，并且是獨立于系統(tǒng)的負載率。但是引入跳頻技術(shù)后，我們發(fā)現(xiàn)某一C／I值所對應(yīng)的RXQUAL值和非跳頻網(wǎng)絡(luò)是相似的，但在解碼后所得到的誤碼率和幀刪除率主要依賴于跳頻數(shù)量的多少和系統(tǒng)負載情況，因此在跳頻網(wǎng)絡(luò)僅僅用C／I或QXQUAL來評估跳頻網(wǎng)絡(luò)是不夠的。在跳頻網(wǎng)絡(luò)解碼后的誤碼率和幀刪除率的指標才能衡量網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量?！　?/p>

　　作為衡量網(wǎng)絡(luò)中語音話務(wù)信道的好壞，我們通常用在服務(wù)區(qū)域內(nèi)至少90％的語音話務(wù)信道的FER2％表示較好的質(zhì)量。從相關(guān)模擬結(jié)果知道跳頻技術(shù)降低了C／I的要求，但同時卻提高了話音質(zhì)量，而話音質(zhì)量的提高在一定程度上提高了系統(tǒng)的容量。

　　2．跳頻增益及頻率復(fù)用考慮　　

　　模擬結(jié)果表明，跳頻增益的大小很大程度上取決于跳頻數(shù)量的多少，跳頻數(shù)量越多其跳頻增益越大，而跳頻數(shù)量越少，相應(yīng)的跳頻增益越少。但模擬結(jié)果同時表明，當跳頻數(shù)量達到一定程度后，由于跳頻數(shù)的增加引起的跳頻增益的增加是有限的。因此在實際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時要充分考慮跳頻數(shù)量和跳頻增益的對應(yīng)關(guān)系?！　?/p>

　　對于一定頻段、一定配置的實際網(wǎng)絡(luò)，在引入跳頻技術(shù)后，我們需要確定采用某一頻率復(fù)用度來規(guī)劃。模擬結(jié)果表明，頻段的大小以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差別在很大程度上影響著頻率復(fù)用度的采用。在實際網(wǎng)絡(luò)中我們通常采用1x1、1x3等頻率復(fù)用度來規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)?！　?/p>

　　3．跳頻系統(tǒng)規(guī)劃的考慮　　　

　　GSM系統(tǒng)存在著二種跳頻系統(tǒng)即基帶跳頻和射頻跳頻，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中這二種跳頻技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用。由于基帶跳頻是基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃，因此實施起來相對容易，而對于射頻跳頻需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)重新進行規(guī)劃。

　　
　　在GSM系統(tǒng)無論對基帶跳頻還是射頻跳頻都需要定義相應(yīng)的跳頻序列，總共有64種不同的跳頻序列，其中0表示循環(huán)跳頻，1～63表示隨機跳頻，跳頻序列選用偽隨機序列，對它的描述主要有兩個參數(shù)：移動分配指數(shù)偏置MAIO和跳頻序列號HSN。通過對同一小區(qū)和不同小區(qū)的載頻MAIO和HSN的定義可以避免同頻道和鄰頻道的干擾，當然具體如何去定義這些參數(shù)跟頻率復(fù)用系數(shù)的采用是有關(guān)的。

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　　二、跳頻技術(shù)在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用　　

　　由于跳頻技術(shù)具有的種種優(yōu)點，特別是引入跳頻后能減少干擾，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量；通過跳頻等相關(guān)無線鏈路控制技術(shù)的應(yīng)用，可以極大地提高頻率復(fù)用度，從而達到提高容量的目的；同時，由于使用了跳頻，也大大降低了頻率規(guī)劃的工作量，跳頻技術(shù)在實際中的應(yīng)用日益廣泛?，F(xiàn)以MOTOROLA公司的GSM 900 設(shè)備為例，簡述跳頻技術(shù)在福建聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用。

　　1．跳頻使用情況

　　福建聯(lián)通從五期工程開始，在福州、廈門、泉州、漳州、莆田等話務(wù)量較高的地方使用了跳頻。由于MOTOROLA 設(shè)備使用的是射頻跳頻（合成器跳頻），因此網(wǎng)絡(luò)需重新作頻率規(guī)劃。聯(lián)通使用的頻點是909.201MHz~914.801MHz，其中96作為與中國移動的隔離頻點。引入跳頻后，MOTOROLA公司要求的最少跳頻頻點為6個，實際使用中聯(lián)通使用了12個頻點，即97~108，109作為保護頻點，110~124作為廣播信道（加控制信道與話務(wù)信道）。使用跳頻后，廣播信道所在的載頻不跳頻。MOTOROLA 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，BCCH采用4*3復(fù)用，跳頻采用1*3復(fù)用。

2．使用跳頻前的準備工作

　　引入跳頻前，需對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)作相應(yīng)準備工作，主要包括：提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋、避免出現(xiàn)越區(qū)覆蓋、控制網(wǎng)絡(luò)干擾。相應(yīng)解決辦法：網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時設(shè)點應(yīng)認真考慮，盡量減少盲區(qū)；適當選用天線類型，控制天線高度及方位角；每次網(wǎng)絡(luò)擴展割接后，應(yīng)適時調(diào)整天線俯仰角，做好網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。通過以上解決方法減少了小區(qū)間的相互干擾，避免了因為切換質(zhì)量不佳而引起的掉話。

　　3．跳頻的實施及優(yōu)化工作

　　在做好跳頻各項準備工作的基礎(chǔ)下，接下去便是做好相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，準備實施跳頻割接。頻點的使用情況前面已介紹過,MOTOROLA設(shè)備中BCCH不使用跳頻。整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中,不同的基站使用不同的跳頻序列號(HSN),數(shù)值可取1~ 63(0為循環(huán)序列),相鄰基站使用的HSN不相鄰。不同小區(qū)使用不同的移動分配指針偏移(MAIO),在MOTOROLA數(shù)據(jù)庫中,MAIO不作為一獨立參數(shù)設(shè)置,而是在配置載頻收發(fā)功能(RTF)時一起定義。在設(shè)置HSN與MAIO時,MOTOROLA的基站數(shù)據(jù)庫可避免同基站同頻,而同一基站的不同小區(qū)之間可避免鄰頻。為更準確的表示對話網(wǎng)信道的質(zhì)量評估,MOTOROLA的工程師引入了碰撞率這一概念,即Same-ARFCN* Interferer –TCH-DRCU

　　Hit Rate=Server-MA-SIZE * Interferer-MA-Size

　　其中 Same-ARFCN為12

　　Interferere-TCH-DRCU為1或2 （具體視扇區(qū)配置）

　　Server-MA-Size跳頻區(qū)域為12，不跳頻區(qū)域為28

　　Interferer-MA-Size為12。

　　有了以上公式,我們可以測算出,兩個使用了跳頻配置均為3的相鄰扇區(qū)之間的碰撞率

　　　　　　　　 12×2

　　為Hit Rate=　　　　　　×100% =16.7%

　　　　　　　　 12×12

　　而在跳頻與不使用跳頻交界處,同樣是兩個配置均為3的相鄰扇區(qū)之間(跳頻扇區(qū)對不跳頻扇區(qū))的碰撞率為：

　　　　　　 12×2

　　Hit Rate=　　　　　　×100% =7.1%

　　　　　　 28×12

　　(注:此種情況下,Hit Rate A←B≠ Hit Rate B←A)

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　　經(jīng)過實際測算及結(jié)合實踐,MOTOROL的工程師們得出了碰撞率大于17%時,服務(wù)區(qū)域內(nèi)C/I、FER基本符合要求,即服務(wù)區(qū)域內(nèi)至少90%的語音話務(wù)信道幀誤碼率小于2%。由此可以得知,聯(lián)通所采用MA=12的方式基本符合要求。而在目前的實際應(yīng)用中,3/3/3的基站也只是在福州、廈門的一些繁華路段才較集中,且其中的一部分區(qū)域?qū)嶋H也以微蜂窩(或微蜂窩+功放)或室內(nèi)分布系統(tǒng)的形式來吸收話務(wù)量。

　　根據(jù)全網(wǎng)頻率規(guī)劃并作好相關(guān)數(shù)據(jù)，在實施完跳頻割接后，接下去便是優(yōu)化工作。優(yōu)化工作主要包括三方面：1、切換2、功率控制3、數(shù)據(jù)庫中其他一些相關(guān)參數(shù)的修改。在跳頻系統(tǒng)中，幀誤碼率能正確反映話音質(zhì)量，而手機接收質(zhì)量是切換與功率控制的基礎(chǔ)，當然，手機接收電平及干擾電平也必須予以考慮。實際使用中跳頻通話的切換門限應(yīng)高于不跳頻的通話。另外，因上/下行干擾超限也會引起同一基站不同小區(qū)之間的切換。當手機接收電平高于-70dbm（數(shù)據(jù)庫定義）時，切換至同一小區(qū)的不同載頻；而當接收電平低于-70dbm（大于-95dbm）時則切換至同一基站的不同小區(qū)。功率控制方面，跳頻通話的功率控制門限亦高于不跳頻的通話。另外，跳頻中引入了快速功率下降控制，可使手機發(fā)射的功率在接通后迅速降低（比一般階梯式下降快），但通話質(zhì)量依舊保持良好。其他參數(shù)的修改，包括對HSN、MAIO等數(shù)據(jù)庫參數(shù)進行的一系列修改，降低了射頻損失率、掉話率，降低了小區(qū)間干擾電平值，提高系統(tǒng)呼叫建立成功率、接通率等，使系統(tǒng)達到較好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，具體不再一一敘述。以上是跳頻實際使用中的一點體會。當然，不同廠商、不同運營商因設(shè)備類型，應(yīng)用條件不同也會有一些差別。?