（通信与信息系统专业论文）无线网络规划中的频率规划研究.pdfVIP

独创性( 或创新性) 声明 i i i l li l lr ill i fl i ti lrl li y 1 7 5 8 012 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 菱墨鼬 同期：型( ! ：望三：! 查 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 茎墨：幽 导师签名： 日期：一2 坦k 日期：冽里：里；：f 北京邮i u 人学硕l ：学位论文 摘要 无线网络规划中的频率规划研究 摘要 具有不同频率的电磁波是传递无线通信信息的载体。在移动通 信系统中，频率资源一直是非常有限的，因此频率的规划在移动通 信网络的规划中非常重要。如果对网络进行整体规划时频率规划得 不好，会造成整个网络建成或扩容后某些性能指标比较差的结果。 本文首先介绍了移动通信技术的发展历史，g s m 系统基本原理 和关键技术。重点阐述了蜂窝频率复用的概念。接着对无线通信中 的干扰计算进行了较为详细的分析，然后对传统的频率规划技术进 行了介绍，并在此基础上提出了一种新的基于测量报告和遗传算法 的自动频率规划方法。本文中遗传算法的干扰矩阵根据现网收集的 测量报告生成，因此干扰矩阵表示了实际网络的干扰情况。根据干 扰矩阵进行遗传算法最优解的寻找，可以达到最优化网络配置的目 的。 本研究课题属于应用型研究课题，依托于本人所在实验室提供 的规划软件仿真平台，以及第三方公司提供的数据采集技术服务。 仿真结果以及现网收集数据都说明本文提出的频率规划优化技术方 案可进一步降低用户干扰和掉话，提高系统容量，提高频谱效率。 通过此课题可以对现阶段的频率规划优化技术提供有益的参考，并 且在未来通信技术发展中继续研究发展。文章最后对本课题的进一 步研究工作进行了展望。 关键词：频率规划干扰分析遗传算法测量报告g s m 摘受 北京邮i 也人学硕l ：学位论文摘受 f r e q u e n c y p l a n n i n gs t u d yi nt h e 厂i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n g a bs t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cw a v e sw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa r et h ec a m e r s w h i c ht r a n s f e ri n f o r m a t i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa r e a f r e q u e n c y r e s o u r c e sh a v ea l w a y sb e e nv e r yl i m i t e di nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h e r e f o r e ，f r e q u e n c yp l a n n i n g i s v e r yi m p o r t a n t i nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp l a n n i n g i ft h eo v e r a l lo ft h en e t w o r kf r e q u e n c y i sn o tp l a n n e dp r o p e r l y ，i tw i l lc a u s er e l a t i v e l yp o o rr e s u l t sa f t e ra f t e rt h e c o m p l e t i o no rc a p a b i l i t ye x p a n s i o no f t h ee n t i r en e t w o r k t h i sp a p e rf i s r t l yi n t r o d u c e st h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h eb a s i c p r i n c i p l e s a n dk e y t e c h n o l o g i e so fg s ms y s t e m ，f o c u s i n go nt h ec e l l u l a rf r e q u e n c yr e u s e c o n c e p t t h e n ，t h ei n t e r f e r e n c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sc a l c u l a t i o ni s a n a l y s e di nad e t a i l e dw a y ，a n dt h e n ，t h et r a d i t i o n a lf r e q u e n c yp l a n n i n g t e c h n i q u e sa r ee x p a t i a t e d o nt h i sb a s i s ，an e wa u t o m a t i cf r e q u e n c y p l a n n i n g m e t h o dw h i c hb a s e so nm e a s u r e m e n tr e p o r t sa n dg e n e t i c a l g o r i t h mi sp r o p o s e d i n t e r f e r e n c em a t r i x ( i m ) o f t h eg am e t h o di nt h i s p a p e ri sb a s e do nm e a s u r e m e n tr e p o r t s ，s oi tr e p r e s e n t so ft h ea c t u a l i n t e r f e r e n c e ，i n c l u d i n gt h es a m ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea n da d j a c e n t c h a n n e li n t e r f e r e n c e u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mt of i n dt h eo p t i m a ls o l u t i o n b a s e do ni n t e r f e r e n c em a t r i xc a na c h i e v et h ep u r p o s eo fo p t i m i z i n gt h e n e t w o r kc o n f i g u r a t i o n t h er e s e a r c hp r o j e c ti nt h i sp a p e ri sa na p p l i c a t i o n o r i e n t e dr e s e a r c h 一 ! ! 室! ! ! ! ! 坚叁兰堡! ：堂丝堡兰一 摘要 l 一一一一- ：= ： p r o j e c t i tr e l i e so nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo f p l a n n i n gs o f t w a r ep r o v i d e d b ym yl a b o r a t o r y i ta l s or e l i e so nat h i r d - p a r t yc o m p a n yt op r o v i d e t e c h n i c a ls e r v i c e sf o rd a t aa c q u i s i t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dd a t a s c o l l e c t e df r o mt h ec u r r e n tn e t w o r ki l l u s t r a t e st h a tt h ef r e q u e n c yp l a n n i n g m e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nb et h eo p t i m i z e dt e c h n o l o g ys o l u t i o n s t of u r t h e rr e d u c eu s e r si n t e r f e r e n c ea n dd r o p p e dc a l l s ，i n c r e a s es y s t e m c a p a c i t ya n ds p e c t r u me f f i c i e n c y t h i sp r o j e c tc a np r o v i d eau s e f u l r e f e r e n c et ot h ef r e q u e n c yp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sa tt h i s s t a g e a n di tc a nb ea p p l i e d ，i m p r o v e da n dr e s e a r c h e dc o n t i n u a l l yi nt h e d e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e t h ea r t i c l e p r o s p e c t e df u r t h e rr e s e a r c h e sa n dw o r k sa b o u tt h i sp r o j e c ta tl a s t k e y w o r d s ：f r e q u e n c yp l a n n i n gi n t e r f e r e n c ea n a l y s i s g e n e t i ca l g o r i t h mm e a s u r e m e n tr e p o r t g s m i v 北京邮f u 人学坝1 ：学位论文日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1课题研究的背景1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 第三章 3 1 3 2 3 3 第四章 4 1 4 2 4 3 1 2 1 无线频率资源l 1 2 2 移动通信的发展历程2 课题研究的内容和意义3 课题主要的工作和研究成果4 论文的主要框架结果5 理论基础6 g s m 系统综述6 2 1 1g s m 移动通信标准6 2 1 2g s m 系统的关键技术。7 蜂窝技术1 1 2 2 1蜂窝技术概念1 1 2 2 2 频率复用概念1 2 2 2 3 频率复用距离1 2 干扰分析和研究l5 干扰概述1 5 3 1 1 干扰的定义1 5 3 1 2 移动通信系统的干扰简析1 6 主要干扰分析1 7 3 2 1同频干扰1 8 3 2 2 邻频干扰18 3 2 3 杂散干扰19 3 2 4 互调干扰2 l 3 2 5 阻塞干扰。：2 2 3 2 6 噪声功率2 3 干扰计算流程2 4 传统的频率规划2 8 g s m 网络频率资源2 8 4 1 1频率划分。2 8 4 1 2 干扰保护比2 9 g s m 频率规划原则2 9 g s m 频率规划技术3 0 4 3 1 一般频率规划技术3 0 4 3 2 同一t l , 圆技术3 2 v 北京邮也人学顾。f ：学位论文 目录 4 3 3 m r p 技术3 4 第五章基于m r 和遗传算法的频率规划3 7 5 1概述3 7 5 2遗传算法用于频率规划3 7 5 2 1 遗传算法简介3 7 5 2 2 频率规划问题描述4 0 5 2 3 遗传算法中的基本概念4 1 5 2 4 遗传算法操作的实现4 2 5 3遗传算法中的干扰分析4 4 5 3 1频率矩阵4 4 5 3 2 测量报告4 5 5 3 3 干扰矩阵4 6 5 3 4 干扰系数的计算一4 7 5 4 测量报告的提取4 8 5 5规划算法流程4 9 5 5 1整体流程。4 9 5 5 2 遗传算法流程5 1 第六章规划结果以及应用情况5 3 6 1规划仿真结果5 3 6 2应用结果5 5 第七章总结与展望5 8 7 1论文工作总结5 8 7 2进一步研究工作展望5 8 7 2 13 g 频率规划和2 g 频率规划的不同5 8 7 2 2 进一步工作展望：5 9 参考文献6 l 缩略语6 3 弱【谢6 5 攻读硕士学位期间已发表学术论文6 6 v i 北京邮l u 人学硕1 j 学位论义第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 2 1 无线频率资源 第一章绪论 无线电频谱是一种特殊的自然资源。它具有一般资源的共同特性，像土 地、水、矿山、森林一样是国家所有的。但从国际范围来说，它又属人类共享 的。同时它具有一般自然资源所没有的如下特性：它可以被利用但不会被消耗 掉，是一种非消耗性的资源，如果不充分利用它则是一种浪费，然而使用不当 也是一种浪费，甚至会造成严重的危害；无线电波有其固有的传播特性，不受 行政区域、国家边界的限制，因此，任何一个国家、一个地区、一个部门甚至 个人都不得随意地使用，否则会造成相互干扰而影响正常通信；频谱资源极易 受到污染，它最容易受到人为噪声和自然噪声的干扰，使之无法正常操作和准 确有效地传送各类信息。 频率资源是传递无线通信信息的载体，在移动通信系统中，频率资源一直 是非常有限的，频率的规划在移动通信网络的规划中非常重要，如果对网络进 行整体规划时频率规划得不好，会造成整个网络建成或扩容后某些性能指标比 较差的结果川。 在g s m 网络中，同频干扰屏蔽了低电平的载波信号，造成了话音质量的 下降；而在c d m a 网络中，干扰耗尽了网络容量，使得噪声电平增加【2 1 。这两 种情况导致的最终结果都是网络性能下降，从而使用户满意度降低。此时，如 果仅仅调整天线波束非但不能解决问题，还会引起同频干扰。这是因为如果对 天线产生的射频能量不加严格控制，其杂散旁瓣以及后瓣可能会在相邻或邻近 小区的方向上产生影响，形成干扰隐患。在一个成熟的市场中，当某地有多个 运营商存在，并且天线又位于同一站点时，该地的小区干扰问题就会层出不 穷。 第l 页共6 6 页 北京邮i 【1 人学硕i ：学位论文第一章绪论 1 2 2 移动通信的发展历程 众所周知，个人通信的是人类通信的最高木目标，它是用各种可能的网络 技术实现任何人在任何时问，任何地点和任何人进行任何种类的交换信息。移 动通信是实现个人通信的必由之路，没有移动通信，个人通信的愿望是无法实 现的。而陆地蜂窝移动通信是当今移动通信发展的主流和热点。蜂窝移动通信 的发展是超乎寻常的，它是2 0 世纪人类最伟大的科技成果之一。随着移动通信 市场的大大发展，对移动通信技术提出了更高的要求【3 1 。现在，蜂窝式移动通 信正处于第二代( 2 g ) 向第三代( 3 g ) 过渡的时期。 第一代( 1 g ) 以模拟式蜂窝网为主要特征，是上世纪7 0 年代术开始商用化 的。其中具有代表性的是北美的a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，高级移 动电话系统) 、欧洲的t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，全入网通信 系统) ，另外还有北欧n m t ( n o r d i em o b i l et e l e p h o n e ，北欧移动电话) 和日本 h c m t s ( h i g hc a p a c i t ym o b i l et e l p h o n es y s t e m ，高性能移动电话系统) 。1 g 的 主要特点是采用频分多址f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，频分多址) 方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再 用方式，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。这时的移动通信 系统只能在某些国家的一些大城市实现有限的覆盖，很难实现真正意义上的随 时随地的通信，另外这些系统的数据传输速率相对较低，主要完成语音模拟信 号的传输。由于使用f d m a ，因此在传输过程中采用电路交换技术完整地使用 二个连接( 传输线路) ，因此模拟移动通信系统的频谱利用率较低。 第二代( 2 g ) 以数字化为主要特征，于上世纪9 0 年代初开始商用的，其中最 具代表性的是欧洲的时分多址( t d m a ) 系统，即g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通信系统) 、北美的码分多j g l z ( c d m a ) i s 9 5 ，另外还 有同本的p d c ( p a r k i n gd i s t a n c ec o n t r o l ，停车距离控制系统) 系统等。主要的特 点是采用t d m a 、c d m a 方式实现对用户的动态寻址功能，并以数字式蜂窝网 络结构和频率( 相位) 规划实现载频( 相位) 再用方式，达到扩大覆盖服务范围和满 足用户数量增长的需求。第二代数字通信系统与第一代模拟通信系统相比，具 有更高的频谱利用率，有利于提高系统容量：能够提供多种业务服务，除了可以 传送语音外，还可传送数据业务，如传真和分组的数据业务等等，提高了通信 系统的通用性；由于在数字通信网络中无论语音、图像或是数据，其信息形式都 是“二进制数字 ，所以比l g 抗噪声，抗干扰和抗多径衰落的能力强；传输 采用电路交换和分组交换；支持漫游功能：在c d m a 系统中引入话音激活和软切 换的技术：移动通信系统已经发展成为跨洲、跨国覆盖的广域网，服务质量非 第2 - 页共6 6 页 北京邮i u 人学硕l j 学位论文第一章绪论 常高，系统结构也越来越复杂。 随着互联网业务的不断发展，人们对移动通信传输多媒体等高速率数据业 务传输能力的要求越来越高。第三代移动通信技术( 3 g ) 就在这样的背景下发展 起来了。具有9 6 k b p s 1 5 0 k b p s 传输能力的通用分组业务g p r s 和3 8 4 k b p s 传 输能力的增强数据速率技术e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ，增强 数据数率技术) 开始出现，并成为向第三代移动通信系统过渡的中间技术。 i t u 对第三代陆地移动通信系统的基本要求是：l 、业务数据速率：室内达到 2 m b p s ；手持机最高支持3 8 4 k b p s ；高速移动速度要求f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e x ，频分双工) 方式，1 4 4 k b p s 业务，移动速度达到5 0 0 k m h ；t d d ( t i m e d i v i s i o nd u p l e x ，时分双工) 方式，1 4 4 k b p s 业务，移动速度达到1 2 0 k m h ；2 、 业务质量：数据业务的误码率不超过1 0 3 或1 0 6 ( 根据具体业务要求) ，并可提 供高速数据、低速图象、电视图象等数据传输业务；3 、兼容性：具有全球范围 设计的高度兼容性，i m t 2 0 0 0 ( i m e m a t i o n a lm o b i l et e l e p h o n e 2 0 0 0 ，第三代移动 通信系统) 业务应与固定网络业务，无线接口具有高度的兼容性；4 、全球无缝 覆盖：移动终端可以连接地面网和卫星网，使用方便。5 、移动终端：体积小、重 量轻、具有全球漫游功能。 第三代移动通信系统3 g 也被称为i m t 2 0 0 0 ，致力于在解决了第一第二代 移动通信的缺陷和弊端的基础上，实现个人终端用户能够在全球范围内的任何 时间、任何地点、与任何人、用任意方式高质量地实现任何信息的移动通信与 传输。3 g 以多媒体业务为主要特征，在本世纪初刚刚投入商业化运营。其中最 具代表性的有北美c d m a 2 0 0 0 ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址 2 0 0 0 ) 、欧洲与日本的w c d m a ( w i d e b a n dc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，宽带 码分多址) 及我国提出的t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，时分同步码分多址接入) 三大系统，另外稍后发展起来的 w i m a x ( w o r l d w i d ei m e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，微波存取全球互 通) ，也于2 0 0 7 年1 0 月1 9 日国际电信联盟i t u ( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) 在只内瓦举行的无线通信全体会议上正式被批准成为 继w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 之后的第四个全球3 g 标准，吸引了 很多人的注意【4 】。 1 2 课题研究的内容和意义 对于移动通信系统来说，频率资源始终是一项珍贵资源。如何提高频谱资 源的利用效率是移动网络的运营商和设备商关注和研究的重要课题。提高频谱 第3 页共6 6 页 北京邮i 【1 人学硕1 j 学位论文 第一章绪论 资源利用效率就是在有限的频谱资源范围内，在保证网络质量可以被接受的前 提下，提高网络容量。 对于g s m 来说，提高网络容量的一个重要手段就是采用频率复用技术。 通过对有限的频率资源进行重复使用，使网络容量得到提高。但是，频率复用 带来的负面影响是降低了通话质量。频率复用越紧密，带来的干扰就越大，对 通话质量的影响也就越大【5 1 。如何取得网络容量和话音质量的平衡是频率规划 必须解决的问题。 本课题分析了传统的频率规划方法，并在此基础上提出了一种新的动态频 率规划方法，即基于测量报告和遗传算法的自动频率规划算法。通过现场采集 数据，设计规划软件对网络进行建模仿真。通过计算机实现覆盖仿真功能对频 率规划后的网络进行评估，得到图形文本等结果，然后对频率规划方案进行修 改，使得最后的方案造成的干扰尽可能地小，以保证无线网络的通话质量和数 据吞吐量。最后应用到现网中，对实际应用情况进行统计分析。本文的频率规 划分析虽然主要是针对g s m ，但是对于3 g 规划也有积极作用。虽然3 g 的频 率规划比较简单甚至不需要规划，但是3 g 中也有类似于g s m 频率规划的扰码 规划，n 频点规划等，从g s m 的频率规划中可以得到借鉴。 1 3 课题主要的工作和研究成果 本人主要工作包括： 1 基础性的工作 依托于实验室的课题背景和仿真平台，主要调查研究了移动通信技术的发 展历史，g s m 系统基本原理和关键技术。重点阐述了蜂窝频率复用的概念，分 析了传统的频率复用技术以及他们的特点。 2 对无线通信干扰计算的分析 根据本人阅读的资料以及学习开发经验，比较详细地研究和分析了无线通 信中干扰的种类，干扰产生的原因，计算流程等，为做好频率规划奠定了坚实 的技术基础。 3 遗传算法的研究 详细分析和研究了遗传算法的原理和特点，设计实现了遗传算法实现自动 频率规划优化的流程。 4 测量报告的采集和分析 研究了测量报告的结构，测量报告的用途以及采集方法等。本课题属于应 用型课题，通过第三方公司的数据采集设备s m a r t d s ，收集了某市一段时问的 第4 页共6 6 页 北京邮l u 人学硕 ：学位论义 第一章绪论 测量报告，作为频率规划带的原始数据。 5 软件平台的设计 设计并实现了测量报告的分析应用程序，自动频率规划程序，以及结果统 计程序，并且通过覆盖仿真方法和g i s 图形在地图上显示了直观的效果。 1 4 论文的主要框架结果 论文结构如下： 第一章：课题研究背景以及研究内容介绍； 第二章：对蜂窝技术，g s m 系统标准，g s m 关键技术等进行简要阐述； 第三章：重点阐述无线通信中干扰研究的方法以及仿真计算流程； 第四章：重点阐述g s m 系统传统的频率规划技术； 第五章：在前述分析基础上阐述了课题主要的研究内容。重点阐述遗传算 法频率规划的原理，规划操作流程，测量报告的结构及其作用，遗传算法的基 本概念，个体和种群的生成，干扰矩阵的生成等。 第六章：对软件规划结果进行仿真和应用验证，得出研究结论。 第七章：对课题进行总结，分析了频率规划技术在未来的使用方向，对下 一步工作进行展望。 第5 页共6 6 贝 北京邮i 【1 人学硕一i ：学位论文 第一二章理论皋础 2 1g s m 系统综述 2 1 1g s m 移动通信标准 。 第二章理论基础 g s m 全名为：g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，中文为全球移动 通讯系统，俗称”全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代 移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标 准，让用户使用一部手机就能行遍全球。 g s m 技术的主要特点包括以下几个方面【6 】： 1 频谱效率。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编 一 码技术，使系统具有高频谱效率。 2 容量。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用栽干比要求降低至 9 d b ，故g s m 系统的同频复用模式可以缩小到4 1 2 或3 9 甚至更小 ( 模拟系统为7 2 1 ) ；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以 减少越区切换的次数，使g s m 系统的容量效率( 每兆赫每小区的信道 数) 比t a c s 系统高3 5 倍。 3 话音质量。鉴于数字传输技术的特点以及g s m 规范中有关空中接口和 话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而 与无线传输质量无关。 4 开放的接口。g s m 标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而 且报刊网络直接以及网络中各设备实体之间，例如a 接口和a b i s 接 口。 5 安全性。通过鉴权、加密和t m s i 号码的使用，达到安全的目的。鉴 权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口，由s i m 卡和网络 a u c 的密钥决定。t m s i 是一个由业务网络给用户指定的临时识别 号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。 6 与i s d n 、p s t n 等的互连。与其他网络的互连通常利用现有的接口， 如i s u p 或t u p 等。 第6 页共6 6 页 北京邮i 【i 人学顺f ：学位论文 第二章理论桀础 7 在s i m 卡基础上实现漫游。漫游是移动通信的重要特征，它标志着用 户可以从一个网络自动进入另一个网络。g s m 系统可以提供全球漫 游，当然也需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。 2 1 2g s m 系统的关键技术 1 多址技术 g s m 通信系统采用的多址技术【轧频分多址( f d m a ) 和时分多址 ( t d m a ) 结合，还加上跳频技术。 g s m 在无线路径上传输的一个基本概念是：传输的单位是约一百个调制比 特的序列，它称为一个“突发脉冲”。脉冲持续时间优先，在无线频谱中也占 一有限部分。它们在时间窗和频率窗内发送，我们称之为间隙。精确地讲，间 隙的中心频率在系统频带内间隔2 0 0k h z 安排( f d m a 情况) ，它们每隔 0 5 7 7 m s ( 更精确地是1 5 2 6 m s ) 出现一次( t d m a 情况) 。对应于相同间隙的 时间间隔称为一个时隙，它的持续时间将作为一种时间单位，称为b p ( 突发脉 冲周期) 。 这样一个间隙可以在时间频率图中用一个长1 5 2 6 m s ，宽2 0 0 k h z 的小矩 形表示( 见图) 。统一地，我们将g s m 中规定的2 0 0 k h z 带宽称为一个频隙。 频 率 2 0 0 k h z 二一二 | f 圈 ，l l 一_ lb pj 时间 1 5 2 6 m s 问隙 图2 - 1 在时域和频域中的间隙 在g s m 系统中，每个载频被定义为一个t d m a 帧，相当于f d m a 系统的 一个频道。每帧包括8 个时隙( t s o 一7 ) 。每个t d m a 帧有一个t d m a 帧 号。 t d m a 帧号是以3 小时2 8 分5 3 秒7 6 0 毫秒( 2 0 4 8 5 1 2 6 8 b p 或者说 2 0 4 8 x 5 1 x 2 6 个t d m a 帧) 为周期循环编号的。每2 0 4 8 x 5 1 x 2 6 个t d m a 帧为 一个超高帧，每一个超高帧又可分为2 0 4 8 个超帧，一个超帧是5 1 x 2 6 个 t d m a 帧的序列( 6 1 2 秒) ，每个超帧又是由复帧组成。复帧分为两种类型。 第7 页共6 6 页 北京邮l u 人学硕i ：学位论文 第- 二章理论皋础 2 6 帧的复帧：它包括2 6 个t d m a 帧( 2 6 x 8 b p ) ，持续时长1 2 0 m s 。5 1 个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带t c h ( 和s a c c h 加 f a c c h ) 。 5 l 帧的复帧：它包括5 1 个t d m a 帧( 5 1 x 8 b p ) ，持续时长3 0 6 0 1 3 m s 。 2 6 个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带b c h 和c c c h 。 2 跳频技术 在语音信号经处理，调制后发射时，还会采用跳频技术【8 】即在不同时隙 发射载频在不断地改变( 当然，同时要符合频率规划原则) 。 引入跳频技术，主要是出于以下两点考虑。 1 ) 由于过程中的衰落具有一定的频带性，引入跳频可减少瑞利衰落的相 关性。 2 ) 由于干扰源分集特性：在业务密集区，蜂窝的容量受频率复用产生的 干扰限制，因为系统的目标是满足尽可能多买主的需要，系统的最大 容量是在一给定部分呼叫由于干扰使质量受到明显降低的基础上计算 的，当在给定的c i 值附近统计分散尽可能小时，系统容量较好。我 们考虑一个系统，其中一个呼叫感觉到的干扰是由许多其它呼叫引起 的干扰电平的平均值。那么，对于一给定总和，干扰源的数量越多， 系统性能越好。 g s m 系统的无线接口采用了慢速跳频( s f h ) 技术。慢速跳频与快速跳频 ( f f h ) 之间的区别在于后者的频率变化快于调制频率。g s m 系统在整个突发 序列传输期，传送频率保持不变，因此是属于慢跳频情况【3 】，如图2 - 2 所示。 颜率 图2 - 2g s m 系统跳频示意图 时间 g s m 中的跳频可分为基带跳频和射频跳频两种。基带跳频是通过腔体合成 第8 页共6 6 页 北京i l i | j i 【1 人学顾i ：学位论文 第二章理论婊础 器来实现的，而射频跳频是通过混合合成器来实现的。 当采用基带跳频时，它的原理是在真单元和载频单元之间加入了一个以时 隙为基础的交换单元，通过把某个时隙的信号切换到相应地无线频率上来实现 跳频，这种做法的特点是比较简单，而且费用也底。但由于采用的腔体合成器 它要求其每个发信机的频率都是固定发射的，当发信机要改动其频率时，只能 人工调谐到新的频率上，其话音信号随着时问的变化使用不同频率发射机发 射，收发信机在跳频总线上不停的扫描观察，当总线发现有要求使用某一频率 时，总线就自动指向拥有该频率的发信机上来发送信号。采用基带跳频的小区 的载频数与该小区使用的频点数是一样的。 当采用射频跳频时，它是在通过对其每个t r x 的频率合成器进行控制，使 其在每个时隙的基础上按照不同的方案进行跳频。它采用的混合合成器对频带 的要求十分宽松，每个发信机都可使用一组相同的频率，采用不同的m a i o 加 以区分。但它必须有一个固定发射携带有b c c h 的频率的发信机，其他的发信 机可随着跳频序列的序列值的改变而改变。 两者的区别是： ； 1 ) 基带跳频采用的腔体合成器最多可配置8 个发信机，而且衰耗小，此 时衰耗仅为3 5 d b ；而射频跳频采用的混合合成器的容量较小最多可配 置4 个发信机，而且衰耗大，当基站配置较大时，采用混合合成器的基站 的覆盖要小 2 ) 腔体合成器对频段的要求不如混合合成器灵活，混合合成器所带的发信 机可以使用一组频率，频点的间隔要求为2 0 0 k ：腔体合成器的发信机仅 能使用固定的频率发射，而且所用频点的间隔要求大于6 0 0 k 3 ) 基带跳频的每个发信机t x 只能对应一个频点，而射频跳频的每个发 信机t x 能够发送所有参与跳频的频点。当使用基带跳频时携带 b c c h 频点的t x 若出现故障，则易导致整个小区的瘫痪，而在射频 跳频时则不会出现这类情况，因为每个t x 都能发送b c c h 频点，携 带b c c h 信道的载频优先级最高，当该载频出现问题时，携带b c c h 信道的t d m a 帧，能够自动通过另一个载频发射出去。 在上、下行线两个方向上，突发序列号在时间上相差3 b p ，跳频序列在频 率上相差4 5 m h z ( 如为1 8 0 0 频段，则相差9 0 m h z ) 。 g s m 系统允许有6 4 种不同的跳频序列，对它的描述主要有两个参数：移 动分配指数偏置m a i o 和跳频序列号h s n 。m a i o 的取值可以与组频率的频 率数一样多。h s n 可以取6 4 个不同值。跳频序列选用伪随机序列。 通常，在个小区的信道载有同样的h s n 和不同的m a i o ，这是避免小区 第9 页共6 6 页 北京邮电人学硕+ i ：学位论文 第二章理论皋础 内信道之间的干扰所希望的。邻近小区不会有干扰，因它们使用不同的频率 组。为了获得干扰参差的效果，使用同样频率组的远小区应使用不同的h s n 。 对跳频算法感兴趣的读者，可参阅g s mr e c 0 5 0 2 ，这里不再细述。 3 调制技术 g s m 的调制方式是0 3 g m s k 。0 3 表示了高斯滤波器的带宽和比特率之间 的关系。 g m s k 6 】是一种特殊的数字调频方式，它通过在载波频率上增加或者减少 6 7 7 0 8 k h z ，来表示0 或l ，利用两个不同的频率来表示0 和l 的调制方法称为 f s k 。在g s m 中，数据的比特率被选择为j 下好是频偏的4 倍，这可以减小频谱 的扩散，增加信道的有效性，比特率为频偏4 倍的f s k ，称为m s k 最小频 移键控。通过高斯预调制滤波器，可以进一步压缩调制频谱。高斯滤波器降低 了频率变化的速度，防止信号能量扩散到邻近信道频谱。 4 d t x 技术 在一个通信过程中，其实移动用户仅有4 0 的时间是在通话，大部分时间 都没有在传递话音消息，这样将会大大的浪费系统资源。针对这种情况g s m 便引入了这一不连续发射d t x 的机制【9 1 ，它通过禁止传输用户认为不需要的无 线信号，从而降低干扰电平的方法来提高系统的效率；此外，该机制还能节省 移动台的电池，从而延长移动台的待机时间。但在传送数据时，不应使用该功 能。 g s m 系统有两种传输模式，一种是正常的模式，在这种情况下噪声将于话 音具有同样的传输质量。另一种便是不连续发射( d t x ) 的模式，在这种情况 下移动台将仅传送被编码的背景噪音，产生的这种噪声可被称为“舒适噪 声”，该噪声是人为制造的，因而是有规律的周期性的产生的，当它被解码时 不会让听者感到厌烦，使用它的主要目的是在不需传送话音的情况下，一方面 是为了满足系统的测量所必须的，一方面是为了使听者不会误认为连接中断 ( 即掉话) 而故意产生的。d t x 传输模式仅需要很低的速率就能解决，通过在 该模式下的话音流每4 8 0 m s 才传送2 6 0 比特的编码。而正常模式下的话音流每 2 0 m s 将产生2 6 0 比特的编码。 d t x 模式和正常的模式是可选的，因为在d t x 模式下时会使传输质量少 有下降。特别是当通信双方都是g s m 的移动用户时，这时由于d t x 将会在同 一条路径下使用两次，这将对通信质量带来比较严重的影响，因此在这种情况 下时，一般不允许使用d t x 模式传输。 为了实现d t