跳频技术在GSM网络中的应用

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    Cww.net.cn 2003年9月23日 09:58 通信世界网
    中国联通泉州分企业移动部  许日聪

    随着数字移动通信网络的飞速发展，移动用户的急剧增加，网络中单位面积的话务量也在不断地增加。在某些城市的市中心等繁华地段，在忙时甚至出现严重的话务拥塞情况，面对日益增长的话务需求，需要对网络进行扩容以满足容量和覆盖的要求。

　　对于网络扩容，通常大家可以采用以下几种方法：小区分裂、增加新的频段、提高频率复用度来增加每个小区配置等方法。很显然在网络建设的初期通常采用小区分裂，通过不断增加新的基站（宏蜂窝和微蜂窝基站）来达到扩容的目 的，但是随着站距的不断接近，网络的干扰也在不断的增加，因此当宏蜂窝基站的站距达到一定程度之后就很难在网络中增加新的基站。在这种情况下就采用在GSM900网络的基础上引入DCS1800网络，通过引入这一新的频段来解决网络瓶颈问题，这也是大家现在所看到中国移动和联通企业现在所采用的DCS双频网络。但是由于GSM900／DCS1800频段有限而且各个运营商所分配到的频率资源不同，而且考虑到引入双频网的成本很高，因此可以考虑通过在现有的GSM900单频网络或在引入DCS1800的双频网络中通过提高频率复用度，增加单位面积的容量配置来达到节省网络成本和提高容量的目的。通过引入跳频、功率控制、不连续发射等无线链路控制技术来达到扩容的目的。　　

一、跳频系统的特点及使用

     跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种图案（序列）进行跳变。信息数据D经信息调制成带宽为Bd的基带信号后，进入载波调制。载波频率受伪随机码发生器控制，在带宽Bss（Bss＞＞Bd）的频带内随机跳变，实现基带信号带宽Bd扩展到发射信号使用的带宽Bss的频普扩展。可变频率合成器受伪随机序列（跳频序列）控制，使载波频率随跳频序列的序列值改变而改变，因此载波调制又被称为扩频调制。GSM的无线接口使用了慢速跳频，其要点是按固定间隔改变一个信道使用的频率。系统使用慢速跳频（SFH），每秒跳频217次，传输频率在一个突发脉冲传输期间保持一定。

    跳频系统具有以下优点：能提高通信系统抗干扰、抗衰落的能力；能多址工作而尽量不互相干扰；不存在直接扩频通信系统的远近效应问题，即可以减少近端强信号干扰远端弱信号的问题；跳频系统的抗干扰性严格说是“躲避”式的，外部干扰的频率改变跟不上跳频系统的频率改变 。　　

　　在GSM数字蜂窝系统中，跳频技术可以提高抗衰落、抗干扰能力。跳频技术对于静态或慢速移动的移动台具有很好的抗衰落效果，而对于快速移动的移动台由于同一信道的两个连接的突发脉冲序列其位置差已足以使它们与瑞利变化不相关，因此跳频增益很小，这就是跳频所具有的频率分集。由于跳频时频率在不停的变化，频率的干扰是瞬时的，因此跳频具有干扰分集。

    1．GSM网络质量评估　　

    在GSM数字蜂窝系统中，由于存在着频率复用，因此必然存在着同频和邻频干扰，同邻干扰强度决定着话音质量。在大家通话过程中，通常遇到的话音辨别不清，时断时续等情况很大程度上存在着干扰，根据GSM规范为了保证网络质量，需要定义相应的同频干扰和邻频干扰保护值，因此在实际网络设计中，需要根据该保护值来设计网络。　
　
    在非跳频网络中表示网络干扰程度的C／I和BER（比特误码率），FER（帧误码率）的关系是唯一的，并且是独立于系统的负载率。但是引入跳频技术后，大家发现某一C／I值所对应的RXQUAL值和非跳频网络是相似的，但在解码后所得到的误码率和帧删除率主要依赖于跳频数量的多少和系统负载情况，因此在跳频网络仅仅用C／I或QXQUAL来评估跳频网络是不够的。在跳频网络解码后的误码率和帧删除率的指标才能衡量网络的质量。　
　
    作为衡量网络中语音话务信道的好坏，大家通常用在服务区域内至少90％的语音话务信道的FER2％表示较好的质量。从相关模拟结果知道跳频技术降低了C／I的要求，但同时却提高了话音质量，而话音质量的提高在一定程度上提高了系统的容量。　
　
    2．跳频增益及频率复用考虑　　

　　模拟结果表明，跳频增益的大小很大程度上取决于跳频数量的多少，跳频数量越多其跳频增益越大，而跳频数量越少，相应的跳频增益越少。但模拟结果同时表明，当跳频数量达到一定程度后，由于跳频数的增加引起的跳频增益的增加是有限的。因此在实际网络规划时要充分考虑跳频数量和跳频增益的对应关系。　　

　　对于一定频段、一定配置的实际网络，在引入跳频技术后，大家需要确定采用某一频率复用度来规划。模拟结果表明，频段的大小以及网络结构的差别在很大程度上影响着频率复用度的采用。在实际网络中大家通常采用1x1、1x3等频率复用度来规划网络。　　

    3．跳频系统规划的考虑　
　　
　　GSM系统存在着二种跳频系统即基带跳频和射频跳频，在现有的网络中这二种跳频技术都得到了广泛的应用。由于基带跳频是基于现有网络的频率规划，因此实施起来相对容易，而对于射频跳频需要对现有网络重新进行规划。　　

    在GSM系统无论对基带跳频还是射频跳频都需要定义相应的跳频序列，总共有64种不同的跳频序列，其中0表示循环跳频，1～63表示随机跳频，跳频序列选用伪随机序列，对它的描述主要有两个参数：移动分配指数偏置MAIO和跳频序列号HSN。通过对同一小区和不同小区的载频MAIO和HSN的定义可以避免同频道和邻频道的干扰，当然具体如何去定义这些参数跟频率复用系数的采用是有关的。

二、跳频技术在现有网络中的应用　　

    由于跳频技术具有的种种优点，特别是引入跳频后能减少干扰，提高网络质量；通过跳频等相关无线链路控制技术的应用，可以极大地提高频率复用度，从而达到提高容量的目的；同时，由于使用了跳频，也降低了频率规划的工作量，跳频技术在实际中的应用日益广泛。现以MOTOROLA企业的GSM 900 设备为例，简述跳频技术在福建联通网络的实际应用。

    1．跳频使用情况

    福建联通从五期工程开始，在福州、厦门、泉州、漳州、莆田等话务量较高的地方使用了跳频。由于MOTOROLA  设备使用的是射频跳频（合成器跳频），因此网络需重新作频率规划。联通使用的频点是909.201MHz~914.801MHz，其中96作为与中国移动的隔离频点。引入跳频后，MOTOROLA企业要求的最少跳频频点为6个，实际使用中联通使用了12个频点，即97~108，109作为保护频点，110~124作为广播信道（加控制信道与话务信道）。使用跳频后，广播信道所在的载频不跳频。MOTOROLA 网络规划中，BCCH采用4*3复用，跳频采用1*3复用。

    2．使用跳频前的准备工作

    引入跳频前，需对现有网络作相应准备工作，主要包括：提高网络覆盖、避免出现越区覆盖、控制网络干扰。相应解决办法：网络规划时设点应认真考虑，尽量减少盲区；适当选用天线类型，控制天线高度及方位角；每次网络扩展割接后，应适时调整天线俯仰角，做好网络优化。通过以上解决方法减少了小区间的相互干扰，避免了因为切换质量不佳而引起的掉话。

    3．跳频的实施及优化工作

    在做好跳频各项准备工作的基础下，接下去便是做好相应的网络规划，准备实施跳频割接。频点的使用情况前面已先容过,MOTOROLA设备中BCCH不使用跳频。整个网络规划中,不同的基站使用不同的跳频序列号(HSN),数值可取1~ 63(0为循环序列),相邻基站使用的HSN不相邻。不同小区使用不同的移动分配指针偏移(MAIO),在MOTOROLA数据库中,MAIO不作为一独立参数设置,而是在配置载频收发功能(RTF)时一起定义。在设置HSN与MAIO时,MOTOROLA的基站数据库可避免同基站同频,而同一基站的不同小区之间可避免邻频。为更准确的表示对话网信道的质量评估,MOTOROLA的工程师引入了碰撞率这一概念,即Same-ARFCN* Interferer –TCH-DRCU
    Hit Rate=Server-MA-SIZE * Interferer-MA-Size
    其中  Same-ARFCN为12
    Interferere-TCH-DRCU为1或2 （具体视扇区配置）
    Server-MA-Size跳频区域为12，不跳频区域为28
    Interferer-MA-Size为12。
    有了以上公式,大家可以测算出,两个使用了跳频配置均为3的相邻扇区之间的碰撞率
         12×2
    为Hit Rate=            ×100% =16.7%
           12×12
    而在跳频与不使用跳频交界处,同样是两个配置均为3的相邻扇区之间(跳频扇区对不跳频扇区)的碰撞率为：
           12×2
    Hit Rate=            ×100% =7.1%
           28×12
    (注:此种情况下,Hit Rate A←B≠ Hit Rate B←A)

    经过实际测算及结合实践,MOTOROL的工程师们得出了碰撞率大于17%时,服务区域内C/I、FER基本符合要求,即服务区域内至少90%的语音话务信道帧误码率小于2%。由此可以得知,联通所采用MA=12的方式基本符合要求。而在目前的实际应用中,3/3/3的基站也只是在福州、厦门的一些繁华路段才较集中,且其中的一部分区域实际也以微蜂窝(或微蜂窝+功放)或室内分布系统的形式来吸取话务量。

    根据全网频率规划并作好相关数据，在实施完跳频割接后，接下去便是优化工作。优化工作主要包括三方面：1、切换2、功率控制3、数据库中其他一些相关参数的修改。在跳频系统中，帧误码率能正确反映话音质量，而手机接收质量是切换与功率控制的基础，当然，手机接收电平及干扰电平也必须予以考虑。实际使用中跳频通话的切换门限应高于不跳频的通话。另外，因上/下行干扰超限也会引起同一基站不同小区之间的切换。当手机接收电平高于-70dbm（数据库定义）时，切换至同一小区的不同载频；而当接收电平低于-70dbm（大于-95dbm）时则切换至同一基站的不同小区。功率控制方面，跳频通话的功率控制门限亦高于不跳频的通话。另外，跳频中引入了快速功率下降控制，可使手机发射的功率在接通后迅速降低（比一般阶梯式下降快），但通话质量依旧保持良好。其他参数的修改，包括对HSN、MAIO等数据库参数进行的一系列修改，降低了射频损失率、掉话率，降低了小区间干扰电平值，提高系统呼叫建立成功率、接通率等，使系统达到较好的网络质量，具体不再一一叙述。以上是跳频实际使用中的一点体会。当然，不同厂商、不同运营商因设备类型，应用条件不同也会有一些差别。