跳頻在GSM中的應(yīng)用

1、-作者xxxx-日期xxxx跳頻在GSM中的應(yīng)用【精品文檔】跳 頻 在 GSM 中 的 應(yīng) 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、 05.02 中 都 有 敘 述。 它 是 提 高 網(wǎng) 絡(luò) 質(zhì) 量 和 網(wǎng) 絡(luò) 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（

2、FFH）， 它 的 頻 率 變 換 速 度 比 調(diào) 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 頻 率 上 進 行 發(fā) 送 和 接 收 信 息， 并 在 跳 到 下 一 個 時 隙 前 轉(zhuǎn) 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

3、 頻。 這 項 技 術(shù) 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 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

4、 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 采 用 同 一 種 跳 頻 序 列； 而 隨 機 跳 頻 模 式 則 采 用 一 種 預(yù) 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

5、（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(zhuǎn) 接 到 相 應(yīng) 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 的 跳 頻 數(shù) N(hop)

6、 是 受 到 所 配 置 的 載 頻 數(shù) N(TRX) 限 制 的： N(hop)<=N(TRX)。 只 有 一 個 載 頻 的 基 站 是 不 能 實 施 基 帶 跳 頻 的。 在 合 成 跳 頻（RFH） 中， 載 頻 不 用 被 分 配 給 固 定 的 頻 率， 它 的 每 一 個 時 隙 都 可 以 根 據(jù) 預(yù) 先 定 義 好 的 跳 頻 序 列 而 改 變 它 的 頻 率。 在 這 樣 的 一 個 系 統(tǒng) 中， 跳 頻 數(shù) 可 能 大 于 載 頻 數(shù)： N(hop)>=N(TRX)。 圖2 顯 示 了 基 帶 跳 頻 和 合 成 跳 頻 的 不 同。TRX1 為 BCCH

7、 頻 點，BCCH 設(shè) 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 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。 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 兩 個 特 性 來 提 高 傳 輸 質(zhì) 量：· 頻 率 分 極· 干 擾 分 極

8、 (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(shù) 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

9、， 從 而 可 以 提 高 無 線 信 號 傳 輸 質(zhì) 量， 降 低 誤 碼 率。 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(chǔ) 上， 因 此 在 定 義 跳 頻 序 列 時， 頻 點 間 隔 越 大 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(zhì) 量，而 有 的 頻

10、率 有 可 能 受 到 較 強 的 干 擾。當 采 用 了 跳 頻 技 術(shù) 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 沒 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。 頻 率 分 極 采 用 跳

11、 頻 干 擾 分 極 無 跳 頻 圖3： 頻 率 分 極 和 干 擾 分 極 的 效 果(3). 提 高 網(wǎng) 絡(luò) 容 量 首 先 我 們 介 紹 一 個 叫 平 均 復(fù) 用 度（ARCS） 的 概 念， 它 是 衡 量 網(wǎng) 絡(luò) 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(fù) 用 度 越 小， 網(wǎng) 絡(luò) 可 以 設(shè) 計 到 的 容 量 越 大， 但 網(wǎng) 絡(luò) 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(luò) 的 干 擾 程 度 大 大 降 低， 因 此， 在 相 同 網(wǎng) 絡(luò)

12、質(zhì) 量 的 前 提 下， 采 用 跳 頻 的 網(wǎng) 絡(luò) 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(luò) 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 手 機 就 不 能 在 實 施 跳 頻 的 網(wǎng) 絡(luò) 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

13、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(yīng) 均 能 支 持 跳 頻。· 由 于 跳 頻 的 干 擾 分 極 特 性， 因 此， 必 須 在 網(wǎng) 絡(luò) 整 體 質(zhì) 量 較 好 的 前 提 下。也 就 是 在 網(wǎng) 絡(luò) 微 調(diào) 后，絕 大 部 分 無 線 信 道 都 處 于 較 好 質(zhì) 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(wù) 質(zhì) 量 相 對 較 差 的 問 題， 從 而 再 進 一 部 提 高 全 網(wǎng) 的 無 線 質(zhì) 量。圖4 顯 示 了 8 個 手 機

14、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（<C/I>） 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/IThr1 =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(luò) 平 均 載 干 比 高 于 某 個 特 定 的 C/I 門

15、限（ C/IThr ）時， 才 能 實 施 跳 頻。 否 則， 實 施 跳 頻 有 可 能 使 網(wǎng) 絡(luò) 變 得 更 差。 我 們 先 假 設(shè) 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/IThr1。 因 此， 在 這 種 情 況 下 采 用 跳 頻 可 以 改 善 網(wǎng) 絡(luò) 質(zhì) 量。 我 們 再 假 設(shè) C/IThr = C/IThr2（ 平 均 C/I < C/IThr）： 采 用

16、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， 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(luò) 質(zhì) 量 變 得 更 差。 因 此， 我 們 認 為， 只 有 在 網(wǎng) 絡(luò) 總 體 質(zhì) 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). 有 三 個 與 跳 頻 有 關(guān) 的 參 數(shù) 需 要 設(shè) 置

17、：· 跳 頻 序 列（ FHS） 跳 頻 序 列 定 義 了 可 以 參 加 跳 頻 的 頻 點。· 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 = 1 64 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(jié) 構(gòu) 設(shè) 置 對 于 4 載 頻 的 基 站（BCCH = FU1）， 基

18、 帶 跳 頻 和 射 頻 跳 頻 的 信 道 結(jié) 構(gòu) 可 以 設(shè) 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/sd4or bcchTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id, maiofreq1, 01, 01, 01, 01, 01, 01, 0FU 2TCHSD/8TCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id, maio2, 01, 11, 11, 11, 11, 1

19、1, 11, 1FU 3TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id, maio2, 11, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 2FU 4TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id, maio2, 21, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 3· 射 頻 跳 頻TS 0TS 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7FU 1bc/sd4or bcchTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHFU 2TCHSD/8TCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id, maio1, 01, 11, 11, 11, 11,

20、11, 11, 1FU 3TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id, maio2, 11, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 2FU 4TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id, maio3, 21, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 3 四、 對 已 實 施 跳 頻 網(wǎng) 絡(luò) 的 評 估 和 結(jié) 論1. 跳 頻 序 列 中 頻 率 數(shù) 多 少 的 影 響· 對 載 干 比 的 影 響 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

21、數(shù) 越 多， 網(wǎng) 絡(luò) 質(zhì) 量 得 到 的 改 善 也 就 越 大。 跳 頻 數(shù) 為 1 時， 表 示 沒 有 跳 頻。 跳 頻 數(shù)C/I (dB) 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 適 合 僅 配 置 2 個 載 頻 的 基 站。掉改話善率程的度(%) 跳 頻 數(shù)（

22、載 頻 數(shù)） 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(dǎo) 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

23、 達 到 1/3 復(fù) 用：容 量 增 加 74%（ 源 自 6，12）1/3 復(fù) 用（TCH） 可 以 使 網(wǎng) 絡(luò) 達 到 很 高 的 容 量。 4/12 復(fù) 用 的 網(wǎng) 絡(luò) 容 量 約 為 每 小 區(qū)（BWTCH = 36， 每 個 頻 點 8 個 話 音 時 隙）。 而 采 用 1/3 復(fù) 用 可 達 到 每 小 區(qū)， 與 4/12 復(fù) 用 的 網(wǎng) 絡(luò) 相 比 較， 容 量 增 加 約 74%。1/3 復(fù) 用 很 可 能 造 成 網(wǎng) 絡(luò) 干 擾 比 較 嚴 重， 掉 話 率 比 較 高。 但 是 在 細 致 的 網(wǎng) 絡(luò) 微 調(diào) 下， 1/3 復(fù) 用 是 可 以 做 得 到 的：·

24、 有 效 的 質(zhì) 量 切 換 算 法· BCCH 仍 然 采 用 4/12 復(fù) 用· 采 用 合 成 跳 頻（RFH）· 采 用 一 些 可 以 降 低 干 擾 的 技 術(shù)， 如 不 連 續(xù) 發(fā) 射（DTX）、 功 率 控 制（PC） 等4. 微 小 區(qū) 的 跳 頻 由 于 微 小 區(qū) 的 信 號 波 動 比 較 大（ 如 轉(zhuǎn) 過 一 個 拐 角 處）， 而 且 一 般 微 小 區(qū) 大 都 裝 在 話 務(wù) 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。

25、 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 dBm-106.3 dBm6. 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(luò)（600 BTS，3TRX/BTS） 中 成 功 地 實 施 了 慢 跳 頻。 跳 頻 在 一 個 有 5 BSC/60 BTS 的 城 區(qū) 進 行。 經(jīng) 過 一 個 星 期 后 的 監(jiān)

26、測 表 明， 網(wǎng) 絡(luò) 質(zhì) 量 有 了 明 顯 的 改 善：· 話 音 質(zhì) 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） 無 圖7： 幀 誤 碼 率 掉 話 率呼 叫 失 敗 率圖8： 呼 叫 失 敗 率 和 掉 話 率 圖9： 切 換 失 敗 率五、 如 何 在 已 開 跳 頻 的 網(wǎng) 絡(luò) 中 做 網(wǎng) 絡(luò) 優(yōu) 化 在 已 經(jīng) 開 啟 跳 頻 的 網(wǎng) 絡(luò) 中， 我 們 又 將 如 何 進 行 網(wǎng) 絡(luò) 調(diào) 整 呢？

27、 如 何 找 出 干 擾 和 被 干 擾 的 頻 點 呢？ 跳 頻 網(wǎng) 絡(luò) 與 非 跳 頻 網(wǎng) 絡(luò) 的 最 大 差 別 在 于 跳 頻 網(wǎng) 絡(luò) 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(luò) 的 網(wǎng) 絡(luò) 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10 所 示， 可 以 關(guān) 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

28、減 少 對 網(wǎng) 絡(luò) 的 影 響。 圖10：TS3 關(guān) 閉 跳 頻 【精品文檔】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requency hopping results from live DCS1800 network” EPMCC95 proceedings pp 103-106.

29、3 D. Verhulst, J. L. Dornstetter, 揅ellular Efficiency with slow Frequency Hopping: Analysis of the Digitial SFH900 Mobile System” , IEEE Trans on sel area in comm, vol. SAC-5, No. 5, June 1987 4 Maric, S.V., 揅onstruction of optimal frequency hopping sequences for minimizing bit errors in selective fading channels characteristic to digital cellular systems”, 1993, 43rd IEEE Veh. Tech. Conf. 5 Benny Vejlgaard, Jesper Johansen, Preben Mogensen and Jeroen Wigard, 揅apacity Analysis of a Frequency Hopping GSM System” , COST 231, Poznan, 1995 6 Jeroen Wigard and Preben Mogensen, 揅apacity of a GSM