跳頻在GSM中的應用

1、.跳頻在GSM中的應用一、跳頻的基本介紹跳 頻 就 是 使 手 機 在 每 個 突 發(fā) 序 列（Burst ） 后 改 變 自 己 的 頻率。跳頻是GSM 空中接口的一項重要特性，在GSM規(guī)范04.08、05.01、05.02中都有敘述。它是提高網(wǎng)絡質量和網(wǎng)絡容量的一項有效、經(jīng)濟的手段。二、跳頻的原理跳頻是按照固定的間隔改變頻率。跳頻可以分為兩種方式：一種是快跳頻（FFH），它的頻率變換速度比調制速度還要快；另一種稱為慢跳頻（SFH），也就是目前GSM所采用的跳頻方 式。1. 慢 跳 頻GSM采用的是8個時隙的TDMA系統(tǒng)。在慢跳頻中，當一個手機占用一個時隙時，在一個突發(fā)序列內(nèi)只能在一個固定的

2、頻率上進行發(fā)送和接收信息，并在跳到下一個時隙前轉由另外一個頻點進行信息的收發(fā)，并以每秒217次的速率進行跳頻。這項技術可以在話音信道（TCH）和信令信道（SDCCH）上采用。但廣播信道（BCCH）不能采用跳頻，因為手機只能通過廣播信道.專業(yè)資料 .來測量相鄰小區(qū)的接收信號強度，因此，它必須要分配一個固定的頻點。而且，廣播信道上的所有時隙必須以滿功率發(fā)射，這 樣， 慢 跳 頻（SFH）、 功 率 控 制（PC）、 不 連 續(xù) 發(fā) 射（DTX） 都 不能在廣播信道上使用。2. 慢跳頻模式(1).如圖1所示，在空中接口方面，慢跳頻可以分為兩種模 式：*循環(huán)跳頻模式*隨機跳頻模式循環(huán)跳頻模式就是周期地

3、采用同一種跳頻序列；而隨機跳頻模式則采用一種預先定義好的、相對比較隨機的、相當長的跳頻序列，以達到隨機跳頻的目的。突 發(fā)序列.專業(yè)資料 .圖1：周期跳頻和隨機跳頻的原理（時隙1）(2).在基站方面，跳頻亦可分為兩種：? 基 帶 跳 頻（BBH）? 合成跳頻（又稱射頻跳頻（RFH）在基帶跳頻中（BBH），每個載頻（TRX）以固定的頻率發(fā)射。它是使手機在每個突發(fā)序列占用不同的發(fā)射單元來實現(xiàn)跳頻的。在基站內(nèi)部，基帶部分（FU）和射頻部分（CU）是分開的，這樣，跳頻就可以通過把FU轉接到相應的CU上來實現(xiàn)。如Alcatel 的 G2 基 站 就 是 這 樣 實 現(xiàn) 基 帶 跳 頻 的。 基 帶 跳 頻

4、 的 跳 頻 數(shù)N(hop) 是 受 到 所 配 置 的 載 頻 數(shù) N(TRX) 限 制 的： N(hop)=N(TRX) 。圖2顯示了基帶跳頻和合成跳頻的不同。TRX1為BCCH頻點，BCCH設置在時隙0。圖中表明，TRX1只能在基帶跳頻中實施跳 頻。 但 值 得 一 提 的 是，Alcatel 的 微 小 區(qū)（ 1TRX） 可 以 實 現(xiàn) 合 成.專業(yè)資料 .跳頻，它是通過一個附加的發(fā)射器發(fā)射一個空的突發(fā)序列來實現(xiàn)的，這在第4章節(jié)有詳細敘述。01234567TRX1TRX201234567TRX1TRX3TRX4TRX2圖2：基帶跳頻（左）和合成跳頻（右）3. 采用跳頻的優(yōu)點跳頻主要通過

5、兩個特性來提高傳輸質量：? 頻率分極? 干擾分極(1).頻率分極對于在同一地點時，不同頻率的多徑衰落是不同的。當采用了跳頻技術后，慢移動手機將在不同的突發(fā)序列時經(jīng)歷不同的衰落，而不至于會長時間地停留在同一個頻率的多徑衰落的最低處。均衡器的差錯校正算法可以減少這種衰落影響。在信號中斷時間短于交織碼的周期時，這種算法是非常有效的。因此，實施跳頻可以避免長時間深度衰落，從而可以提高無線信號傳輸質量，降低誤碼率。.專業(yè)資料 .對于快速移動手機而言，它不會長時間停留在多徑衰落的最低處，因而不會受這種衰落的影響。由于頻率分極的優(yōu)點是建立在不同頻率引起不同的多徑衰落基礎上，因此在定義跳頻序列時，頻點間隔越大

6、越好。(2).干擾分極在同一個小區(qū)，有的頻率可能受到較少的頻率干擾而有較好的話音質量，而有的頻率有可能受到較強的干擾。當采用了跳頻技術后，采用干擾分擔的機理，使這一小區(qū)的每個頻率的干擾值都能降到一個平均的滿意值。需要注意的是，循環(huán)跳頻模式?jīng)]有干擾分極特性，因為它的跳頻序列是固定的，不能使干擾和被干擾的頻點變得不相干。只有采用隨機跳頻才能體現(xiàn)干擾分極的優(yōu)點。圖3體現(xiàn)了頻率分極和干擾分極的效果。無 跳 頻PF1NoI2HoppingF1F2C1I1F2BS1MS2MS1采 用 跳PF1頻率分極FrequencyFrequencyDiversity頻HoppingF2F1,F2,F3干 Interf

7、erence擾分F2,F3,F1Diversity極BS1MS2MS1圖3：頻率分極和干擾分極的效果.專業(yè)資料 .(3). 提高網(wǎng)絡容量首先我們介紹一個叫平均復用度（ARCS）的概念，它是衡量網(wǎng)絡容量的一個重要參數(shù)：ARCS=帶寬/平均每小區(qū)載頻數(shù)平均復用度越小，網(wǎng)絡可以設計到的容量越大，但網(wǎng)絡的干擾程度也越嚴重。由于跳頻的頻率分級和干擾分級的特性，使網(wǎng)絡的干擾程度大大降低，因此，在相同網(wǎng)絡質量的前提下，采用跳頻的網(wǎng)絡可以采用更低的ARCS，這樣，每個小區(qū)可以配置更多的載頻，從而達到提高網(wǎng)絡容量的目的。三、跳頻的實施1. 實施的條件? 手機支持跳頻跳頻為手機的基本功能。如果手機不支持跳頻，則該

8、手機就不能在實施跳頻的網(wǎng)絡中進行正常的呼叫。目前已知不支持跳頻的手機有摩托羅拉8700，諾基亞2110。這二款型號的手機均為最早進入中國市場的第一代手機，其后進入中國市場的手機應均能支持跳頻。.專業(yè)資料 .? 由于跳頻的干擾分極特性，因此，必須在網(wǎng)絡整體質量較好的前提下。也就是在網(wǎng)絡微調后，絕大部分無線信道都處于較好質量的情況下，才可以實施跳頻。只有這樣，才能用來解決個別地區(qū)服務質量相對較差的問題，從而再進一部提高全網(wǎng)的無線質量。圖4顯示了8個手機在采用慢跳頻前后C/I對比。我們可以看到，在采用了跳頻之后，平均載干比（）并沒有變化，但最大載干比與最小載干比之差小了許多，載干比在下限（例如C/I

9、Thr1 =9dB ）以 下 的 手 機（3，6，7） 得 到 了 改 善。 同 時， 我 們 也注意到，原本C/I 較高的手機（1，2，8）在采用跳頻之后，反而有所降低。因此，只有在網(wǎng)絡平均載干比高于某個特定的C/I門限（ C/IThr ）時， 才 能 實 施 跳 頻。 否 則， 實 施 跳 頻 有 可 能 使 網(wǎng) 絡 變得更差。我 們 先 假 設 C/IThr = C/IThr1（ 平 均 C/I C/IThr）： 采 用 跳 頻前 有 3 （3，6，7） 個 手 機 的 C/I 低 于 C/IThr1 ， 而 采 用 跳 頻 之 后， 沒有 一 個 手 機 的 C/I 低 于 C/ITh

10、r1 。 因 此， 在 這 種 情 況 下 采 用 跳 頻 可以改善網(wǎng)絡質量。我 們 再 假 設 C/IThr = C/IThr2（ 平 均 C/I C/IThr）： 采 用 跳 頻 前有 5 （3，4，5，6，7） 個 手 機 的 C/I 低 于 C/IThr2 ， 而 采 用 跳 頻 之 后，.專業(yè)資料 .反 而 有 7 （2， 3，4，5，6，7，8） 個 手 機 的 C/I低 于 C/IThr2 。 在 這 種情況下，實施跳頻將使網(wǎng)絡質量變得更差。因此，我們認為，只有在網(wǎng)絡總體質量比較好的情況下，才能實施跳頻。圖4：手機在實施跳頻前后的C/I對照2. 在OMC-R 上開啟跳頻功能(1)

11、.有三個與跳頻有關的參數(shù)需要設置：? 跳頻序列（FHS）跳頻序列定義了可以參加跳頻的頻點。.專業(yè)資料 .? 跳 頻 序 列 碼（HSN）跳頻序列碼根據(jù)跳頻序列定義了跳頻的次序。? HSN=0 即為循環(huán)跳頻模式；? HSN=164 為隨機跳頻模式。? 手機分配偏移量（MAIO）MAIO 定義了跳頻時分配跳頻序列中第一個頻點的偏移量。(2).信道結構設置對于4載頻的基站（BCCH=FU1），基帶跳頻和射頻跳頻的信道結構可以設置如下：? 基帶跳頻由于BCCH的零時隙不能跳頻，因此在基帶跳頻中，至少需要定義2個跳頻序列。TS 0TS 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7FU 1bc/sd

12、TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCH4orbcchfhs_id,freq1, 01, 01, 01, 01, 01, 01, 0maioFU 2TCHSD/8TCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 01, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 1maio.專業(yè)資料 .FU 3TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 11, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 2maioFU 4TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 21, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 3maio? 射頻跳頻TS

13、 0TS 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7FU 1bc/sdTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCH4orbcchFU 2TCHSD/8TCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,1, 01, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 1maioFU 3TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 11, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 2maioFU 4TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,3, 21, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 3maio四、對已實施跳頻網(wǎng)絡的評估和結論1.

14、跳頻序列中頻率數(shù)多少的影響? 對載干比的影響.專業(yè)資料 .如圖5所示，當跳頻數(shù)達到4個以上時，所要求的C/I越來越低。也就是說，跳頻數(shù)越多，網(wǎng)絡質量得到的改善也就越大。跳頻數(shù)為1時，表示沒有跳頻。C/I16)15(dB)BTU3d14(ITU5/13Cd12eriu11qe10r9123456789101112跳 頻 數(shù)number freq in hopping sequence圖5：跳頻數(shù)多少對 C/I 的改善（TU3 源自 8，TU5 源自 13）? 對掉話率的影響（基帶跳頻）如圖6，當跳頻數(shù)達到6個時，掉話率得到的改善最大。但只有兩個頻點參加跳頻時，掉話率反而變得更糟。因此，基帶跳頻不

15、適合僅配置2個載頻的基站。掉改6H5C話善Te4n程率itta3nR的度epm2o(%)ervDo1rpm 0I-12345678Number跳of頻TRX數(shù)(hopping（載頻set 數(shù)size)）圖6：跳頻數(shù)多少對掉話率的改善程度（源自2）2. 對快速移動手機的改善.專業(yè)資料 .由于快速移動手機不會長時間停留在一個地方，因此也不會長時間停留在多徑衰落的最低處，因而不會受多徑衰落的影響。但正是其速度較快，造成了C/I變化速度較快，導致切換的困難。采用跳頻可以改善C/I，從而提高快速移動手機的切換成功率和降低切換掉話率。3. 可達到 1/3 復用：容量增加 74%（源自 6，12）1/3復用

16、（TCH）可以使網(wǎng)絡達到很高的容量。4/12 復用的網(wǎng)絡 容 量 約 為 每 小 區(qū) 16.6Erlang （BWTCH = 36 ， 每 個 頻 點 8 個 話 音 時隙）。 而 采 用 1/3復 用 可 達 到 每 小 區(qū) 28.8Erlang ， 與 4/12復 用 的 網(wǎng)絡相比較，容量增加約74%。1/3復用很可能造成網(wǎng)絡干擾比較嚴重，掉話率比較高。但是在細致的網(wǎng)絡微調下， 1/3復用是可以做得到的：? 有效的質量切換算法? BCCH仍然采用4/12 復用? 采用合成跳頻（RFH）? 采用一些可以降低干擾的技術，如不連續(xù)發(fā)射（DTX）、功率 控 制（PC） 等4. 微小區(qū)的跳頻.專業(yè)資

17、料 .由于微小區(qū)的信號波動比較大（如轉過一個拐角處），而且一般微小區(qū)大都裝在話務量比較密集的地方，而這些地方的干擾一般比較嚴重。因此，在微小區(qū)實施跳頻的效果更加明顯。5. 增加靈敏度? 可 以 增 加 下 行 鏈 路 的 靈 敏 度 2 個 dBm 。增 加 上 行 鏈 路 的 靈敏 度 1 個 dBm 。下行上行無 SFHSFH無 SFHSFH靈 敏 度-98.8 dBm-100.8 dBm-105.3-106.3 dBmdBm6. 實施跳頻前后在指標上的比較Alcatel 已 經(jīng) 在 一 個 較 大 的 網(wǎng) 絡（600 BTS，3TRX/BTS） 中 成 功 地實施了慢跳頻。跳頻在一個有5

18、BSC/60BTS 的城區(qū)進行。經(jīng)過一個星期后的監(jiān)測表明，網(wǎng)絡質量有了明顯的改善：? 話音質量明顯提高（如圖7）? 幀 誤 碼 率（FER） 降 低 50%? 掉 話 率（CDR） 改 善 25% （ 如 圖8）? 呼叫失敗率改善15%（如圖8、圖9）.專業(yè)資料 .1.8%1.6%1.4%1.2%1.0%FER SACCH of TCH0.8%0.6%FER Speech0.4%0.2%0.0%NoSFH無SFH圖7：幀誤碼率7.00%6.00%5.00%呼 叫 失Call4.00%Establish. Fail敗 率3.00%掉 話 率2.00%Call Drop1.00%0.00%NoSF

19、HSFH圖8：呼叫失敗率和掉話率8.00%7.00%6.00%5.00%4.00%No SFH3.00%2.00%SFH1.00%0.00%TCH failIncomingIncomingHO FailHO Fail(intra)(inter)圖9：切換失敗率五、如何在已開跳頻的網(wǎng)絡中做網(wǎng)絡優(yōu)化在已經(jīng)開啟跳頻的網(wǎng)絡中，我們又將如何進行網(wǎng)絡調整呢？如何找出干擾和被干擾的頻點呢？.專業(yè)資料 .跳頻網(wǎng)絡與非跳頻網(wǎng)絡的最大差別在于跳頻網(wǎng)絡的載頻的頻點在不停的變換（除了BCCH信道（RFH）或BCCH的TS0（ BBH）。因此，跳頻網(wǎng)絡的網(wǎng)絡優(yōu)化的主要差別在于如何找出干擾頻點。? 如何找出干擾頻點如圖1

20、0所示，可以關閉一些時隙的跳頻，然后對這些時隙進行干擾分析，從而找出干擾頻點。這樣可以盡量減少對網(wǎng)絡的影響。01234567BCCHFU1FU2FU2圖10：TS3 關 閉 跳 頻.專業(yè)資料 .附 錄 1 Carnheim, C. ; Jonsson, S.-O. ; Ljungberg, M. ; Madfors, M. ; Naslund, J. ,揊H- GSM frequency hopping GSM” 2 Crossley D., Stevens P. , Owens P., Skinner D. and Haines C.,揊 requencyhopping results fr

21、om live DCS1800 network” EPMCC 95 proceedings-106. 3 D. Verhulst, J. L. Dornstetter,揅ellular Efficiency with slow FrequencyHopping: Analysis of the Digitial SFH900 Mobile System ” , IEEE area in comm, vol. SAC-5, No. 5, June 1987 4 Maric, S.V., 揅onstruction of optimal frequency hopping sequences for

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