淺析慢跳頻對實際GSM系統掉話性能的改善

2019-11-03 09:43:02

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供稿：網友

    摘要淺析慢跳頻對GSM系統掉話的影響。結合實際GSM系統，分析了不同頻點數的基站采用慢跳頻后對系統質量掉話性能的改善情況。在小區有限的跳頻信道下，使GSM系統獲得較好的掉話性能改善進行了探討。
    關鍵詞 GSM 慢速跳頻(SFH) 掉話
     跳頻最初用于軍事通信，分為快速跳頻(FFH，頻率變化比調制速度快)和慢速跳頻(SFH)。目前的GSM無線接口中使用了慢速跳頻，其特點是在每個突發脈沖間隔改變一個信道的使用頻率，但在傳輸一個完整的突發脈沖期間頻率保持不變[1]，其跳頻約為217跳/s，間隔為每個TDMA幀長4．615ms[4]。
    慢跳頻在GSM中的應用有效地改善了無線信號的傳輸質量，特別是移動臺靜止或以慢速運動，其傳輸性能增益估計約有6．5Db[1]。這對實際系統中因傳輸質量不佳而引起的掉話有很大的改善(無線系統掉話率是考核網絡運行狀況的重要指標)。實際的GSM系統受運營商投資價格的影響，小區的頻點數有限且各不相同，因此研究不同跳頻數目對系統掉話性能的改善有十分重要的意義。本文分析慢跳頻對GSM系統掉話的影響，同時結合實際GSM系統，歸納出不同跳頻數目對系統質量掉話性能的改善程度，并提出自己的觀點。
    考慮到實際網絡的復雜性，本文不討論其他掉話(如切換等)而僅考慮質量掉話。
    1 慢跳頻(SFH)對GSM系統掉話的影響
    GSM中引入的慢速跳頻與傳統的不跳頻相比，具有如下優點。
    (1)具有抗快衰落(瑞利衰落)的能力
    移動無線傳輸在遇到障礙時會遭受短期的幅度變化，這些變化稱為瑞利衰落。不同頻率的信號遭受的衰落不同。隨著頻率差別的增大，衰落更加獨立。 GSM中通過慢跳頻(載波頻率跳變)頻率分集技術，保證了一個信息按幾個頻率發送，使包含碼字一部分的所有突發脈沖不會被瑞利衰落以同一種方式破壞，從而提高了傳輸性能。
    移動臺高速運動時，在同一信道上接收兩個相鄰突發脈沖期間(4．615ms)，移動臺位置的差別對于消除信號瑞利變化的相關性能已足夠了。此時慢跳頻沒有什么危害，但也沒有什么幫助[1]，而當移動臺靜止或以慢速運動時，慢跳頻允許傳輸達到高速運動時的性能水平有效地防止了瑞利衰落，而大多數手機用戶通常運動速度較慢，或根本不運動。
    (2)干擾分集的優點
    這是跳頻的第二個優點。蜂窩系統實際上是一個干擾受限系統[5]。在業務密集區，蜂窩系統的容量受頻率復用產生的干擾限制，相對載干比(C／I)可能在呼叫之間變化很大。 C(載波電平)隨移動臺與基站的距離及之間的障礙情況變化而變化。 I(干擾電平)則很大程度上依賴于鄰近蜂房的同頻干擾(鄰頻干擾及互調干擾相對影響較小)。慢跳頻允許在一個可能干擾的蜂房的許多呼叫之間分散干擾，而不是像傳統的那樣集中在一個呼叫上，也就是說干擾被平均了。
    1．2 慢跳頻對GMS系統掉話的影響
    GSM無線系統掉話是網絡運行質量的重要指標。產生掉話的原因很多，其中主要原因之一是因無線傳輸質量差而導致掉話。當手機在服務小區收到很強的同頻干擾時，會引起C／I急劇惡化，從而使手機無法正確接受TCH突發脈沖，引起掉話。
    蜂窩移動通信系統的頻率資源有限，通常采用頻率復用[5]。目前隨著GSM數字蜂窩系統的迅猛發展，小區與小區間距離越來越短，同頻干擾不可避免。當不采用跳頻時，也許干擾源的數目不多(一般干擾源在2—6個之間)，但只要有一個干擾相當高就會使連接的質量大幅下降，而且此時的干擾是連續的，容易造成質量掉話。采用跳頻后，至少從移動臺到基站方向的情況會迥然不同，只要合適地選擇一個跳頻序列[2]，就可以使蜂房內的每一個移動臺對其它蜂房里的許多通信有一點干擾，但接收質量還不錯。由于這一干擾源分集的特性，被強干擾源干擾的概率不再處于連續狀態，而是處于突發狀態(隨機的)，質量掉話因而得到改善。
    對于一組N個給定頻率，GSM允許構成64×N 種不同的跳頻序列(跳頻的頻點數可多達64個頻點)，它們用兩個參數MAIO(移動分配指針偏移)和HSN(跳頻序列號)來說明，兩個擁有相同HSN值，不同MAIO值的信道不會在同一突發脈沖使用相同頻率；相反，兩個使用同一頻率表和相同TN值、不同HSN的信道，只對突發脈沖的I／N有干擾(HSN＝0 除外)：

    其中I是平均干擾電平，Ik是第k個跳頻頻點上的干擾電平，N是跳頻頻點數。因此，跳頻能使C／I在給定平均C／I值附近統計分散盡可能小，此時系統容量得到提高，掉話相對降低。由(1)式可見，干擾源分集的效果與跳頻點數有關，跳頻點數多，干擾源分集的效果好，對系統掉話的改善程度好。
    2 在實際GSM系統中，不同跳頻頻點數對系統質量掉話的改善程度
    2．1 2個跳頻頻點情況
    GSM中，公共信道(BCCH信道)使用固定頻率，不參與跳頻。有2個跳頻頻點時，它的跳頻情況如圖1所示。假設一個突發脈沖要么全對，要么全錯(最簡單情況)，用于話音的編碼方案是如果在8個攜帶語音幀信息的突發脈沖中至少能正確接受5個突發脈沖，則該語音幀認為是正確的。此時，若2個頻點中有1個頻點干擾嚴重，采用跳頻后，會使連接質量更加惡劣，造成質量掉話擴散，掉話情況加劇；當干擾少且不大時，由于僅有2個頻點的跳頻圖案，頻率分集和干擾分集給系統性能帶來的好處不明顯，質量掉話看不到明顯變化，見表l 。

    我們對愛立信RBS2000和RBS200的6個基站(每個基站2個頻點)進行了跳頻的研究觀察。14天的質量掉話統計分析(表1)表明：2個跳頻頻點對質量掉話的影響不大，只有2個基站的質量掉話稍有下降。因此，跳頻頻點數僅有2個頻點的基站采用跳頻前應進行觀察，效果不好的不宜采用跳頻。
    2．2 3個跳頻頻點惰況
    對愛立信RBS2000及RBS200的2個基站(每個基站3個頻點)進行跳頻觀察，10天的質量掉話分析(表2)表明：此時跳頻質量掉話的改善程度已經比較明顯。假定質量掉話改善程度用G表示，令