跳頻技術在GSM網絡中的應用

2019-11-03 09:14:09

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供稿：網友

中國聯通泉州分公司移動部許日聰

　　隨著數字移動通信網絡的飛速發展，移動用戶的急劇增加，網絡中單位面積的話務量也在不斷地增加。在某些城市的市中心等繁華地段，在忙時甚至出現嚴重的話務擁塞情況，面對日益增長的話務需求，需要對網絡進行擴容以滿足容量和覆蓋的要求。

　　對于網絡擴容，通常我們可以采用以下幾種方法：小區分裂、增加新的頻段、提高頻率復用度來增加每個小區配置等方法。很顯然在網絡建設的初期通常采用小區分裂，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，網絡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絡中增加新的基站。在這種情況下就采用在GSM900網絡的基礎上引入DCS1800網絡，通過引入這一新的頻段來解決網絡瓶頸問題，這也是我們現在所看到中國移動和聯通公司現在所采用的DCS雙頻網絡。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的成本很高，因此可以考慮通過在現有的GSM900單頻網絡或在引入DCS1800的雙頻網絡中通過提高頻率復用度，增加單位面積的容量配置來達到節省網絡成本和提高容量的目的。通過引入跳頻、功率控制、不連續發射等無線鏈路控制技術來達到擴容的目的。　　

一、跳頻系統的特點及使用

　　跳頻是指載波頻率在很寬頻帶范圍內按某種圖案（序列）進行跳變。信息數據D經信息調制成帶寬為Bd的基帶信號后，進入載波調制。載波頻率受偽隨機碼發生器控制，在帶寬Bss（Bss＞＞Bd）的頻帶內隨機跳變，實現基帶信號帶寬Bd擴展到發射信號使用的帶寬Bss的頻普擴展?？勺冾l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，因此載波調制又被稱為擴頻調制。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。系統使用慢速跳頻（SFH），每秒跳頻217次，傳輸頻率在一個突發脈沖傳輸期間保持一定。

　　跳頻系統具有以下優點：能大大提高通信系統抗干擾、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的遠近效應問題，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的頻率改變。　　

　　在GSM數字蜂窩系統中，跳頻技術可以提高抗衰落、抗干擾能力。跳頻技術對于靜態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脈沖序列其位置差已足以使它們與瑞利變化不相關，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網絡質量評估　　

　　在GSM數字蜂窩系統中，由于存在著頻率復用，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量。在我們通話過程中，通常遇到的話音辨別不清，時斷時續等情況很大程度上存在著干擾，根據GSM規范為了保證網絡質量，需要定義相應的同頻干擾和鄰頻干擾保護值，因此在實際網絡設計中，需要根據該保護值來設計網絡。　　

　　在非跳頻網絡中表示網絡干擾程度的C／I和BER（比特誤碼率），FER（幀誤碼率）的關系是唯一的，并且是獨立于系統的負載率。但是引入跳頻技術后，我們發現某一C／I值所對應的RXQUAL值和非跳頻網絡是相似的，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量的多少和系統負載情況，因此在跳頻網絡僅僅用C／I或QXQUAL來評估跳頻網絡是不夠的。在跳頻網絡解碼后的誤碼率和幀刪除率的指標才能衡量網絡的質量。　　

　　作為衡量網絡中語音話務信道的好壞，我們通常用在服務區域內至少90％的語音話務信道的FER2％表示較好的質量。從相關模擬結果知道跳頻技術降低了C／I的要求，但同時卻提高了話音質量，而話音質量的提高在一定程度上提高了系統的容量。

　　2．跳頻增益及頻率復用考慮　　

　　模擬結果表明，跳頻增益的大小很大程度上取決于跳頻數量的多少，跳頻數量越多其跳頻增益越大，而跳頻數量越少，相應的跳頻增益越少。但模擬結果同時表明，當跳頻數量達到一定程度后，由于跳頻數的增加引起的跳頻增益的增加是有限的。因此在實際網絡規劃時要充分考慮跳頻數量和跳頻增益的對應關系?！　?br>
　　對于一定頻段、一定配置的實際網絡，在引入跳頻技術后，我們需要確定采用某一頻率復用度來規劃。模擬結果表明，頻段的大小以及網絡結構的差別在很大程度上影響著頻率復用度的采用。在實際網絡中我們通常采用1x1、1x3等頻率復用度來規劃網絡。　　

　　3．跳頻系統規劃的考慮　　　

　　GSM系統存在著二種跳頻系統即基帶跳頻和射頻跳頻，在現有的網絡中這二種跳頻技術都得到了廣泛的應用。由于基帶跳頻是基于現有網絡的頻率規劃，因此實施起來相對容易，而對于射頻跳頻需要對現有網絡重新進行規劃。

　　　　在GSM系統無論對基帶跳頻還是射頻跳頻都需要定義相應的跳頻序列，總共有64種不同的跳頻序列，其中0表示循環跳頻，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：移動分配指數偏置MAIO和跳頻序列號HSN。通過對同一小區和不同小區的載頻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跟頻率復用系數的采用是有關的。

二、跳頻技術在現有網絡中的應用　　

　　由于跳頻技術具有的種種優點，特別是引入跳頻后能減少干擾，提高網絡質量；通過跳頻等相關無線鏈路控制技術的應用，可以極大地提高頻率復用度，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劃的工作量，跳頻技術在實際中的應用日益廣泛。現以MOTOROLA公司的GSM 900 設備為例，簡述跳頻技術在福建聯通網絡的實際應用。

　　1．跳頻使用情況

　　福建聯通從五期工程開始，在福州、廈門、泉州、漳州、莆田等話務量較高的地方使用了跳頻。由于MOTOROLA 設備使用的是射頻跳頻（合成器跳頻），因此網絡需重新作頻率規劃。聯通使用的頻點是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（加控制信道與話務信道）。使用跳頻后，廣播信道所在的載頻不跳頻。MOTOROLA 網絡規劃中，BCCH采用4*3復用，跳頻采用1*3復用。

　　2．使用跳頻前的準備工作

　　引入跳頻前，需對現有網絡作相應準備工作，主要包括：提高網絡覆蓋、避免出現越區覆蓋、控制網絡干擾。相應解決辦法：網絡規劃時設點應認真考慮，盡量減少盲區；適當選用天線類型，控制天線高度及方位角；每次網絡擴展割接后，應適時調整天線俯仰角，做好網絡優化。通過以上解決方法減少了小區間的相互干擾，避免了因為切換質量不佳而引起的掉話。

　　3．跳頻的實施及優化工作

　　在做好跳頻各項準備工作的基礎下，接下去便是做好相應的網絡規劃，準備實施跳頻割接。頻點的使用情況前面已介紹過,MOTOROLA設備中BCCH不使用跳頻。整個網絡規劃中,不同的基站使用不同的跳頻序列號(HSN),數值可取1~ 63(0為循環序列),相鄰基站使用的HSN不相鄰。不同小區使用不同的移動分配指針偏移(MAIO),在MOTOROLA數據庫中,MAIO不作為一獨立參數設置,而是在配置載頻收發功能(RTF)時一起定義。在設置HSN與MAIO時,MOTOROLA的基站數據庫可避免同基站同頻,而同一基站的不同小區之間可避免鄰頻。為更準確的表示對話網信道的質量評估,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 （具體視扇區配置）

　　Server-MA-Size跳頻區域為12，不跳頻區域為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的相鄰扇區之間(跳頻扇區對不跳頻扇區)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)

　　經過實際測算及結合實踐,MOTOROL的工程師們得出了碰撞率大于17%時,服務區域內C/I、FER基本符合要求,即服務區域內至少90%的語音話務信道幀誤碼率小于2%。由此可以得知,聯通所采用MA=12的方式基本符合要求。而在目前的實際應用中,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,且其中的一部分區域實際也以微蜂窩(或微蜂窩+功放)或室內分布系統的形式來吸收話務量。

　　根據全網頻率規劃并作好相關數據，在實施完跳頻割接后，接下去便是優化工作。優化工作主要包括三方面：1、切換2、功率控制3、數據庫中其他一些相關參數的修改。在跳頻系統中，幀誤碼率能正確反映話音質量，而手機接收質量是切換與功率控制的基礎，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之間的切換。當手機接收電平高于-70dbm（數據庫定義）時，切換至同一小區的不同載頻；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。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），但通話質量依舊保持良好。其他參數的修改，包括對HSN、MAIO等數據庫參數進行的一系列修改，降低了射頻損失率、掉話率，降低了小區間干擾電平值，提高系統呼叫建立成功率、接通率等，使系統達到較好的網絡質量，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、不同運營商因設備類型，應用條件不同也會有一些差別。

----《通信世界》