GSM無線信道差錯(cuò)控制方法

2019-11-03 09:30:15

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鐘禮軍1　GSM無線信道概述

　　GSM無線信道涉及信道編碼、二次交織技術(shù)、時(shí)序調(diào)整和GMSK調(diào)制技術(shù)等。現(xiàn)在，許多廠家的GSM設(shè)備還運(yùn)用分集接收、頻率跳頻和MS、BTS動(dòng)態(tài)功率控制等技術(shù)來改善無線傳輸中的差錯(cuò)。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，比特差錯(cuò)經(jīng)常成串發(fā)生，這是由于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到幾個(gè)連續(xù)的比特，而信道編碼僅在檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串時(shí)才最有效。為了糾正這些成串發(fā)生的比特差錯(cuò)及一些突發(fā)錯(cuò)誤，GSM運(yùn)用交織技術(shù)來分散這些誤差。

　　GSM無線信道是針對(duì)復(fù)雜的無線環(huán)境并結(jié)合話音通信的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)信道控制方法的，如話音不連續(xù)發(fā)射就是根據(jù)特點(diǎn)來考慮信道的，分集接收是提高信號(hào)接收質(zhì)量的重要手段。

2　GSM無線信道差錯(cuò)控制方法

　　考慮到GSM基本上是以話音為主的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，無線信道應(yīng)采用適應(yīng)話音特點(diǎn)的信道控制方法來克服或分散差錯(cuò)的發(fā)生。例如，采用交織方法分散差錯(cuò)的發(fā)生，采用跳頻和功率動(dòng)態(tài)控制降低蜂窩間頻率的干擾，以及采用GMSK適應(yīng)話音的調(diào)制方案等。

　　下面將重點(diǎn)介紹與GSM密切相關(guān)的信道差錯(cuò)控制方法及實(shí)際應(yīng)用的注意事項(xiàng)。

2.1　交織是GSM信道編碼的重要糾錯(cuò)機(jī)制

　　信道編碼用于克服無線信道傳輸過程中的誤碼。通過信道編碼，能檢出和校正接收比特流中的差錯(cuò)，克服無線信道的高誤碼缺點(diǎn)。

　　由于GSM系統(tǒng)采用了TDMA技術(shù)，交織方案有其自身的特點(diǎn)。下面以移動(dòng)臺(tái)的工作機(jī)理為例，說明交織在GSM中的應(yīng)用。

　　移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)是不連續(xù)的，每幀接收到一串?dāng)?shù)據(jù)后，除去保持比特和訓(xùn)練序列，所得到的信息量為114bit，因此信道編碼后20ms的話音要分成57bit，即分成8組，用4個(gè)幀才能送完。為了克服比特差錯(cuò)的成串發(fā)生，可利用交織把一條消息中的相繼比特隔開，將它們以非相繼方式發(fā)送，從而使成串的差錯(cuò)化較短的差錯(cuò)串。一次交織在20ms話音內(nèi)進(jìn)行，二次交織在相鄰的兩個(gè)20ms話音進(jìn)行。

　　信道編碼器為每段20ms話音提供456bit，根據(jù)上述交織原理，將456bit分成8組，每組57bit，用4個(gè)TDM幀發(fā)送。發(fā)送時(shí)，按非連續(xù)方式發(fā)碼，即對(duì)它們作交織處理。這個(gè)比特處理過程稱為第一次交織。第一次交織是在20ms的話音中進(jìn)行的。

　　設(shè)某用戶進(jìn)行通話，每20ms產(chǎn)生一個(gè)456bit的話音幀，假設(shè)現(xiàn)有A、B、C、D4幀，每幀第一次交織后形成8組，每組57bit，如果每幀的114bit取自同一話音幀并插入同一突發(fā)脈串，那么該突發(fā)脈沖串如果喪失，將總共喪失25％的比特，而信道編碼難以應(yīng)會(huì)丟失如此多的比特，所以必須在兩個(gè)話音幀間再進(jìn)行一次交織。

　　第二次交織是在兩個(gè)20ms的話音間進(jìn)行的。第二次交織后，每串突發(fā)脈沖串發(fā)送相鄰兩個(gè)20ms各57bit的信息，每20ms的話音要分成8個(gè)TDMA幀才能送完。

　　二次交織將增加系統(tǒng)的時(shí)延，但卻能經(jīng)得住喪失整個(gè)突發(fā)脈沖串的打擊，因?yàn)閱适б粋€(gè)脈沖串只影響每個(gè)話音幀比特?cái)?shù)的12.5％，而這是能通過信道編碼加以校正的。

2.2　GMSK調(diào)制

　　GMSK是一種特殊的數(shù)字調(diào)頻方式，它通過在載頻上增加或減少67.708KHz來表示“0”或“1”。利用兩個(gè)不同頻率來表示“0”和“1”的方法稱為FSK。在GSM中，數(shù)據(jù)的比特率選擇為頻偏的4倍，稱為MSK，采用高斯預(yù)調(diào)制濾波器，可進(jìn)一步減少調(diào)制頻偏（減至125KHz范圍內(nèi)），防止能量擴(kuò)散到鄰近信道的頻道上去。這種調(diào)制方式的干擾比其它調(diào)制方式少，適合數(shù)字移動(dòng)通信。

2.3　頻率跳頻

　　采用跳頻技術(shù)是為了確保通信的秘密性和抗干擾性。起初，它主要用于軍事通信，后來在GSM標(biāo)準(zhǔn)中也被采納。瑞利衰落的衰落圖形與頻率相關(guān)，即衰落谷點(diǎn)將因頻率不同而發(fā)生于不同的地點(diǎn)。這樣，如果在呼叫期間讓載波頻率在幾個(gè)頻率點(diǎn)上變化，并假定只在一個(gè)頻率上有一衰落谷點(diǎn)，那么僅會(huì)損失呼叫的一小部分，而采用復(fù)雜的信號(hào)處理過程能重新恢復(fù)全部信息內(nèi)容，這種方法稱為跳頻。　　呼叫期間，載波頻率在幾個(gè)頻率上變化，以克服瑞利衰落，因?yàn)槿鹄ヂ涔赛c(diǎn)只是對(duì)某一頻點(diǎn)有效，對(duì)另一頻點(diǎn)無效。跳頻相當(dāng)于頻率分集，可以抵抗衰落現(xiàn)象，這是采用它的最主要原因。

　　GSM系統(tǒng)中的跳頻分基帶跳頻和射頻跳頻兩種。基帶跳頻是將同一路話音信號(hào)隨時(shí)間的變化使用不同頻率的發(fā)射機(jī)發(fā)射。射頻跳頻是將話音信號(hào)用固定的發(fā)射機(jī)采用不同頻率發(fā)射。射頻跳頻比基帶跳頻具有更高的性能改善和抗同頻干擾能力，但其缺點(diǎn)是：射頻跳頻目前尚未成熟；只有當(dāng)每小區(qū)擁有4個(gè)以上頻率時(shí)效果才比較明顯；射頻跳頻必須使用寬帶合成器，每小區(qū)若使用4個(gè)載頻，就需配置3個(gè)寬帶合成器，損耗約6dB，比空腔合成器的損耗大3dB左右；對(duì)基站覆蓋范圍有一定影響。綜上原因，大多數(shù)廠家的BTS都采用基帶跳頻技術(shù)，而不用射頻跳頻技術(shù)。

2.4　MS、BTS動(dòng)態(tài)功率控制

　　MS的功控是標(biāo)準(zhǔn)的，所有GSM的MS都能經(jīng)2dB為一等級(jí)調(diào)整，GSM900的MS最大功率是8W（規(guī)范中最大是20W，但現(xiàn)在還沒有20W的MS存在），GSM1800的MS最大功率為1W，它們能以0-5共6級(jí)進(jìn)行調(diào)整。

　　對(duì)于BTS功控，目前各廠家差別不大，但規(guī)范中并未對(duì)此作出規(guī)定，所以可能存在差別。以愛立信的BTS為例，其最大發(fā)射功率為46dBm，以0-15共16級(jí)進(jìn)行調(diào)整，功率控制的相關(guān)信令在SACCH上傳送，該功能在RR連接建立后就啟用。（默認(rèn)時(shí)）。

2.5　話音不連續(xù)發(fā)射

　　該方式是僅在話音需發(fā)送時(shí)，發(fā)射機(jī)才工作的一種工作模式。發(fā)話時(shí)，話音和背景噪聲一起發(fā)送，將發(fā)送端背景噪聲的參數(shù)傳給接收端，接收端存儲(chǔ)這些參數(shù)，合成與發(fā)端相似的噪聲，不發(fā)話時(shí)，僅播放合成的噪聲，以滿足聽覺需要。發(fā)送側(cè)需有話音活動(dòng)檢測(cè)器，以檢測(cè)話音是否存在。該技術(shù)在MS和BTS側(cè)都能采用，網(wǎng)絡(luò)操作者可自由選擇（在定小區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)）。該技術(shù)的采用減少了空中干擾電平，與動(dòng)態(tài)功率控制技術(shù)一起使用，可大大減少因頻率復(fù)用而產(chǎn)生的來自通信網(wǎng)自身不可避免的干擾。

3　應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

3.1　跳頻的應(yīng)用

　　根據(jù)愛立信的推薦，若載頻數(shù)大于2，則開跳頻（HOP=ON）；若載頻數(shù)小于2或給定的頻點(diǎn)數(shù)小于2，則不開跳頻。在采用跳頻的小區(qū)中，可任選跳頻序列號(hào)（HSN），但必須注意，采用相同頻率組的小區(qū)必須采用不同的跳頻序列號(hào)，否則會(huì)干擾通話。

3.2　時(shí)間色散

　　在接收端，由于射頻信號(hào)的反射作用，接收機(jī)收到的信號(hào)是多種多樣的，其中有的反射信號(hào)來自遠(yuǎn)離接收天線的物體，這種反射信號(hào)經(jīng)過的路程比直射信號(hào)長(zhǎng)很多，因而會(huì)形成相鄰符號(hào)間的相互干擾。這種現(xiàn)象稱為時(shí)間色散。出現(xiàn)時(shí)間色散的典型環(huán)境為山區(qū)、丘陵城市和高層金屬建筑等。出現(xiàn)時(shí)間色散的條件為（反射路徑-直射路徑）>1.1km。避免有害時(shí)間色散的方法有：將BTS設(shè)在離建筑物盡可能近的地方；將BTS背對(duì)反射物，天線的前景比高。

3.3天饋線系統(tǒng)

3.3.1分集距離

　　要想分集增益高，必須使用兩根接收天線水平，而且相距10倍以上波長(zhǎng)。在實(shí)際安裝過程中，由于受空間的限制，往往達(dá)不到要求，造成一根天線形同虛設(shè)，從兩根天線接收的信號(hào)相關(guān)性很強(qiáng)，得不到高分集增益，這種情況下，應(yīng)使用雙極化天線避免空間問題。

3.3.2　隔離度

　　另一種情況是分集條件滿足了，但天線間的隔離度又無法滿足。天線的隔離度是指一根天線出來的信號(hào)到達(dá)另一根天線時(shí)的衰減。

3.3.3駐波比（VSWR）

　　駐波比是衡量天線系統(tǒng)能否很好工作的一個(gè)指標(biāo)，其公式是V=(1+R)/(1-R)，其中R為反射系數(shù)，R=(PR/Pf)/2，Pf為前向功率，Pr為反向功率。

　　對(duì)于一個(gè)天饋線系統(tǒng)，如果反向功率過大，表明沒有把前向功率有效地輻射出去。

　　無線基站發(fā)射和接收信號(hào)都是通過天饋線系統(tǒng)來完成的，因此天饋線系統(tǒng)的安裝質(zhì)量和運(yùn)行情況將直接影響通話質(zhì)量、無線信號(hào)覆蓋和收發(fā)信機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)射天饋線系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，發(fā)射信號(hào)會(huì)產(chǎn)生損耗，影響基站的覆蓋范圍。當(dāng)發(fā)射天饋線系統(tǒng)故障較嚴(yán)重時(shí)，基站會(huì)關(guān)閉與其相連的收發(fā)信機(jī)。當(dāng)接收天饋線系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，則其接收由移動(dòng)臺(tái)發(fā)射來的信號(hào)將會(huì)減弱，在移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)簋強(qiáng)的基站范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不能占用該基站無線信道的現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)影響通話質(zhì)量，甚至導(dǎo)致掉話。目前，基站只是對(duì)發(fā)射天饋線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，沒有對(duì)接收天饋線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)接收天饋線系統(tǒng)發(fā)生故障而影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生任何告警，維護(hù)人員無法及時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位。當(dāng)天線的隔離度達(dá)不到要求時(shí)，將使一部發(fā)信機(jī)發(fā)射的信號(hào)侵入另一部發(fā)信機(jī)，并與該發(fā)信機(jī)的輸出信號(hào)發(fā)生互調(diào)，產(chǎn)生新的組合頻率信號(hào)，并隨用用信號(hào)一起發(fā)射出去，從而對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾。因此，規(guī)范地安裝天饋線系統(tǒng)是保證通話質(zhì)量的前提。對(duì)于天饋線系統(tǒng)方面的檢查也是網(wǎng)優(yōu)的一個(gè)重點(diǎn)。天饋系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)好的差錯(cuò)控制技術(shù)的基礎(chǔ)。

摘自《電信快報(bào)》2002.9

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