无线通信原理作业(GSM的均衡设计).doc

. . . . .无线通信原理作业GSM中针对多径效应的均衡设计本人所在的部门动力中心，工作中接触电路方面比较多，对于无线通信很少涉及。但是大学所学的专业是通行工程，所以本文针对GSM中的均衡设计提出一些自己的想法。如本作业中所述包含技术层面尚浅，知识点理解不透彻，请老师批评指正，多多包涵。1. GSM系统总体GSM的历史可以追溯到1982年，当时，北欧四国向欧洲邮电行政大会CEPT（Conference Europe of Post and Telecommunications)提交了一份建议书，要求制定900MHZ频段的欧洲公共电信业务规范，以建立全欧统一的蜂窝网移动通信系统，以解决欧洲各国由于采用多种不同模拟蜂窝系统造成的互不兼容，无法提供漫游服务的问题。同年，成立了移动通信特别小组，简称GSM（Group Special Mobile)。在1982年1985年期间，讨论焦点是制定模拟蜂窝网标准还是制定数字蜂窝网的标准问题，直到1985年决定为制定数字蜂窝网标准。1986年，在巴黎对欧洲各国经大量研究和实验后所提出的8个数字蜂窝系统进行了现场实验。1987年5月，GSM成员国经现场测试和论证比较，选定窄带TDMA方案。与此同时，18个欧洲国家签署了谅解备忘录，相互达成履行规范的协议。1988年颁布了GSM标准， 也称泛欧数字蜂窝通信标准。在现阶段，GSM包括两个并行的系统：GSM900和DCS1800， 这两个系统功能相同，主要的差异是频率不同。在GSM标准中，未对硬件做出规定，只对功能和接口制定了详细规定，这样便于不同公司的产品可以互通。GSM标准共有12项内容。如表2-1所示。表2-1 GSM 标准序 号内 容序 号内 容01概述07MS的终端适配器02业务08BS-MSC接口03网络09网络互通04MS-BS接口与协议10业务互通05无线链路的物理层11设备型号认可规范06语音编码规范12操作和维护1.1 GSM系统的网络结构数字蜂窝移动通信是在模拟蜂窝移动通信的基础上发展起来的，在网络组成、设备配置、网络功能和工作方式上，二者都有相同之处。但因数字蜂窝网采用全数字传输，因而在实现技术和管理控制等方面，均有模拟蜂窝网有较大的差异。简单说来，数字蜂窝网技术更先进，功能更完备且通信更可靠，并能适应方便地与其他数字通信网（如综合业务数字网ISDN、公用数据网PDN）的互联。GSM蜂窝系统的网络结构如图2-2所示。GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统。 基站子系统（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系 统由移动交换中心（MSC）和操作维护中心（OMC）以及原地位置寄存器（HLR）、访问 位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。 由MS、BS和网络子系统构成公用陆地移动通信网，该网络由MSC于公用交换电话网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）和公用数据网（PDN）进行互联。图2-2 GSM蜂窝系统的网络结构1.移动台（MS）移动台是GSM移动通信网中用户使用的设备。移动台类型可分为车载台、便携台和手机。其中，手机小巧、轻便，而且功能也较强，因此使用手机的用户占移动用户的绝大多数。2基站子系统（BSS）基站子系统（BSS）是GSM系统的基本组成部分。它通过无线接口与移动台相接，进行无线发送、接收及无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动交换中心（MSC）相连，实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间的通信连接。基站收发台、天线共用器和天线是基站子系统的无线部分，它由基站控制器实施控制。基站承担无线资源、参数及各种接口的控制与管理。3网络子系统（NSS）网络子系统对GSM移动用户之间的通信和移动用户与其它通信网用户的通信起着管理作用。其主要功能包括：交换、移动性管理与安全性管理等。NSS由很多功能实体构成，它们之间的信令传输都符合CCITT信令系统7号协议。4GSM网络接口在实际的通信网路中，由于网络规模的不同，营运环境的不同和设备生产厂家的不同，以上各个部分可以有不同的配置方法，比如，把MSC和VLR合并在一起，或者把HLR、EIR和AUC合并在一起。不过，为了各个厂家所生产的设备可以通用，上述各组成部分的连接都必须严格地符合规定的接口标准及相应的协议。GSM系统各部分之间的接口如图2-3所示图2-3 GSM系统的接口GSM系统遵循CCITT建议的公用陆地移动通信网（PLMN）接口标准，采用7号信令支持PLMN接口进行所需的数据传输。共分：（1）移动台与基站之间的接口（Um); （2）基站与移动交换中心之间的接口（A）；（3）基站收发台与基站控制器之间的接口（Abis)（基站收发台与基站控制器不配置在一 起时，使用此接口）；（4）移动交换中心与访问位置寄存器之间的接口（B）；（5）移动交换中心与原地位置寄存器之间的接口（C）；（6）原地位置寄存器与访问位置寄存器之间的接口（D）；（7）移动交换中心之间的接口（E）；（8）移动交换中心与设备标志寄存器之间的接口（F）；（9）访问位置寄存器之间的接口（G）。GSM系统通过MSC与公用电信网互连，一般采用7号信令系统接口。其物理链接方式是通过在MSC与PSTN或ISDN交换机之间采用2.048Mb/s的PCM数字传输链路来实现的。1.2 GSM系统的无线接口GSM数字蜂窝网的无线接口既Um接口，是系统最重要的接口，也就是通常所称的空中接口。本章着重讨论GSM系统的无线传输方式及其特征。1.2.1 GSM系统无线传输特征表2-4给出了GSM系统的主要参数，为便于比较，表中还列出了另外两种时分多址数字蜂窝网的对应参数。表 2-4 GSM等三种数字蜂窝网主要参数欧洲GSM美国D-AMPS日本JDC多址方式TDMA/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMA频率/MHz移动台（发）890915824849940956/14291453基 站（发）935960869894810826/14771501载频间隔/kHz2003025时隙数/载频8/163/63/6调制方式GMSK/4-QPSK/4-QPSK加差错保护后的语音速率/（kb/s）22.81311信道速率/(kb/s)270.83348.642TDMA帧长/ms4.6154020交织跨度/ms4027271TDMA/FDMA接入方式GSM系统中，由若干个小区（3个、4个或7个）构成一个区群，区群内不能使用相同的频道，同频道距离保持相等，每个小区含有多个载频，每个载频上含有8个时隙，既每个载频有8个物理信道，因此，GSM系统是时分多址/频分多址的接入方式。2调制方式GSM的调制方式是高斯型最小移频键控（GMSK）方式，矩形脉冲在调制器之前先通过一个高斯滤波器。这一调制方案由于改善了频谱特性，从而能满足CCIR提出的邻信道功率电平小于-60 dBW的要求。高斯滤波器的归一化带宽Bt=0.3，基于200kHz的载频间隔及270.833kb/s的信道传输速率，其频谱利用率为（1.35b/s）/Hz。3载频复用与区群结构GSM系统中，基站发射功率为每载波500W，每时隙平均为500/8=62.5W。移动台发射功率分为0.8W、2W、5W、8W和20W五种，可供用户选择。小区覆盖半径最大为35km，最小为500m，前者适用于农村地区，后者适用于市区。由于系统采取了多种抗干扰措施（如自适应均衡、调频和纠错编码等），同频道射频防护比可降到C/I=9dB，因此在业务密集区，可采用3小区9扇区的区群结构。1.2.2 信道类型及其组合图2-6示出了GSM系统的信道分类。图2-5 GSM系统的信道分类蜂窝通信系统要传输不同类型的信息，包括业务信息和各种控制信息，因而要在物理通道上安排相应的逻辑信道。这些逻辑信道有的用于呼叫接续阶段，有的用于通信进行当中，也有的用于系统运行的全部时间内。 1、业务通道 业务通道（TCH）传输话音和数据话音业务信道按速率的不同，可分为全速率话音业务信道（TCH/FS）和半速率话音业务信道（TCH/HS）。同样，数据业务信道按速率的不同,也分为全速率数据业务信道（如TCH/F9.6， TCH/F4.8，TCH/F2.4）和半速率数据业务信道（如 TCH/H4.8,TCH/H2.4)（这里的数字9.6,4.8和2.4表示数据速率，单位为kb/s)。 2、控制通道 控制通道（CCH）传输各种信令信息控制通道分为三类：(1)广播信息（BCH）是一种“一点对多点”的单方向控制通道,用于基站向所有移动台广播公用信息。传输的内容是移动台入网和呼叫建立所需要的各种信息。 (2)公共控制通道（CCCH）是一种“一点对多点”的双向控制通道，其用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息。 (3)专用控制通道（DCCH）是一种“点对点”的双向控制通道，其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。由此可见,GSM通信系统为了传输所需的各种信令,设置了多种专门的控制通道。这样做,除因为数字传输为设置多各逻辑信道提供了可能外,主要是为了增强系统的控制功能（比如后面将要提到的,为提高过境切换的速度而采用移动台辅助切换技术）， 也为了保证话音通信质量,在模拟蜂窝系统中，要在通话进行过程中,进行控制信息的传输,必须中断话音信息的传输（100ms)，这就是所谓的“中断一猝发”的控制方式。通道中断100ms，会使话音产生可以听得到的喀喇声。如果这种中断过于频繁势必明显地降低话音质量，因此，模拟蜂窝系统必须限制在通话过程中传输控制信息的容量。与此不同，GSM蜂窝系统采用专用控制信道传输控制信息，除去FACCH外,不在通信过程中中断话音信息,因而能保证话音的传输质量。其中FACCH虽然也采取“中断一猝发” 控制方式,但是只在特定场合下才使用，而且占用的时间短（18.5ms），其影响明显减小。GSM蜂窝系统还采用信息处理技术,来估计并补偿这种因为插入FACCH而被删除的话音。2. GSM系统中均衡技术的原理及作用理论和实践证明，在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正和补偿系统特性，减少码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。2.1均衡的原理均衡器通常是用滤波器来实现的，使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决器得到的解调输出样本，是经过均衡器修正过的或者清除了码间干扰之后的样本。自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益，因而能适应信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的状态，从而有更好的失真补偿性能。 自适应均衡器一般包含两种工作模式，即训练模式和跟踪模式。首先，发射机发射一个己知的定长的训练序列，以便接收机处的均衡器可以做出正确的设置。典型的训练序列是一个二进制伪随机信号或是一串预先指定的数据位，而紧跟在训练序列后被传送的是用户数据。接收机处的均衡器将通过递归算法来评估信道特性，并且修正滤波器系数以对信道做出补偿。在设计训练序列时，要求做到即使在最差的信道条件下，均衡器也能通过这个训练序列获得正确的滤波系数。这样就可以在收到训练序列后，使得均衡器的滤波系数已经接近于最佳值。而在接收数据时，均衡器的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道，自适应均衡器将不断改变其滤波特性。 均衡器从调整参数至形成收敛，整个过程是均衡器算法、结构和通信变化率的函数。为了能有效的消除码间干扰，均衡器需要周期性的做重复训练。在数字通信系统中用户数据是被分为若干段并被放在相应的时间段中传送的，每当收到新的时间段，均衡器将用同样的训练序列进行修正。均衡器一般被放在接收机的基带或中频部分实现，基带包络的复数表达式可以描述带通信号波形，所以信道响应、解调信号和自适应算法通常都可以在基带部分被仿真和实现。在一个通信系统中，我们可以将发射机（含调制器）、信道和接收机（含接受机前段、中频和检测器中的匹配滤波器）等效为一个冲击响应为 f(t)的基带信道滤波器。假定发端的信号为x(t).则接收端的均衡器接收到的信号为 （2.1）式中，是f(t)的复共轭，是基带噪声，表示卷积运算。等效的无线传输系统的结构如图2-7所示图2-6 等效的无线传输系统的结构设均衡器的冲激响应为，则均衡器的输出为 (2.1)式中，是f（t）和均衡器的复合冲激响应。对于一个横向滤波式的均衡器，其冲激响应可以表示为 (2.3)式中，Cn是均衡器的复系数。假定系统中没有噪声，既，则在理想情况下，应有，在这种情况下没有任何码间干扰。为了使成立，g(t)必须满足下式： (2.4)该式就是均衡器要达到的目标，在频域中上式可以表示为 (2.5)式中，和分别为和f(t)的Fourier变换由式（2-5）可以看出，均衡器实际上就是等效基带信道滤波器的逆滤波器。如果信道是一个频率选择性的信道，则均衡器将放大被衰落的频率分量，衰减被信道增强的分量，从而提供一个具有平坦频率响应和线性相位响应的g(t)。如果信道是时变信道，则均衡器要跟踪信道的变化，使得式（2-5）基本得到满足。2.2均衡技术的类型、结构和作用1类型均衡技术可以分为两大类：线性和非线性均衡。这些种类是由自适应均衡器的输出接下来是如何控制均衡器来划分的。判决器决定了接收数字信号比特的值并应用门限电平来决定d(r)的值。如果d(r)没用在反馈路径中调整均衡器，均衡器就是线性的。另一方面，如果d(r)反馈回来调整均衡器，则为非线性均衡。线性均衡器包括线性横向均衡器、线性格型均衡器等等，非线性均衡器包括判决反馈均衡器、最大似然序列均衡器等等，在这里主要介绍实际中应用较广的线性横向均衡器、线性格型均衡器、判决反馈均衡器及分数间隔均衡器。按照抽样间隔的不同，均衡器还可以分为码元间隔均衡器和分数间隔均衡器。实际中码元间隔均衡器使用比较多，但是性能上却不如分数间隔均衡器的好。图2-7 均衡器类型、结构和算法2结构(1)线性横向均衡器（LTE）线性横向均衡器是自适应均衡方案中最简单的形式，它的基本框图如图所示。图中，输入信号的将来值、当前值及过去值，均被均衡器时变抽头系数进行线性加权求和后得到输出，然后根据输出值和理想值之间的差别按照一定的自适应算法调整滤波器抽头系数。在实际应用中，期望信号d(n)是未知的，否则也就失去了通信的意义。为使参数调整得以顺利进行，一种折中的方法是把由输出信号Y(n)进行判决所得的估计信号d(n)作为期望信号。事实上，在这种情况下，整个数字均衡器已经成了一个非线性系统，因为其收敛特性的分析是相当繁难的。但是在信道畸变不是异乎寻常的严重的情况下，其收敛性是可以得到保证的。 线性横向均衡器最大的优点就在于其结构非常简单，容易实现，因此在各种数字通信系统中得到了广泛的应用。但是其结构决定了两个难以克服的缺点： 其一就是噪声的增强会使线性横向均衡器无法均衡具有深度零点的信道为了补偿信道的深度零点，线性横向均衡器必须有高增益的频率响应，然而同时无法避免的也会放大噪声； 另一个问题是线性横向均衡器与接收信号的幅度信息关系密切，而幅度会随着多径衰落信道中相邻码元的改变而改变，因此滤波器抽头系数的调整不是独立的。由于以上两点线性横向均衡器在畸变严重的信道和低信噪比(SNR)环境中性能较差，而且均衡器的抽头调整相互影响，从而需要更多的抽头数目。 (2)线性格型均衡器(LLE)格型滤波器(Latice Filter)最早是由Makhoul于1977年提出的，所采用的方法在当时被称为线性预测的格型方法，后被称为格型滤波器。这种格型滤波器具有共扼对称的结构：前向反射系数是后向反射系数的共扼。格型滤波器最突出的特点是局部相关联的模块化结构。格型系数对于数值扰动的低灵敏型，以及格型算法对于信号协方差矩阵特征值扩散的相对惰性，使得其算法具有快速收敛和优良数值特性。 因为实际中，信道特性无法知道，所以也就难以估计需要的滤波器阶数。而用格型滤波器作为自适应均衡器的结构时，可以动态的调整自适应均衡器的结构以满足实际的均衡需求而不必重新设定均衡器的阶数和重新启动自适应算法。如图所示为格型均衡器的结构框图： 格型均衡器由于在动态调整阶数的时候不需要重新启动自适应算法，因而在无法大概估计信道特性的时候非常有利，可以利用格型均衡器的逐步迭代而得到最佳的阶数，另外格型均衡器有着优良的收敛特性和数值稳定性，这些都有利于在高速的数字通信和深度衰落的信道中使用格型均衡器。但是如前面所讨论的那样，格型均衡器的结构比较复杂，实现起来困难，从而限制了格型均衡器在数字通信中的应用。 (3)判决反馈均衡器(DFE)诸如LTE的线性均衡器为了补偿信道的深度零点而增大增益从而也放大了噪声，因此在有深度谱零点的带通信道中线性均衡器性能不佳。然而对于这样的恶劣信道，判决反馈均衡器由于存在着不受噪声增益影响的反馈部分因而性能优于线性横向均衡器。 判决反馈均衡的基本方法就是一旦信息符号经检测和判决以后，它对随后信号的于扰在其检测之前可以被估计并消减。其结构如图所示。包括两个抽头延迟滤波器：一个是前向滤波器(FFF)，另一个是反向滤波器(FBF)。其作用和原理与前面讨论的线性横向均衡器类似：FBF的输入是判决器的先前输出，其系数可以通过调整减弱当前估计中的码间干扰。其中FFF抽头系数的个数为L而FBF抽头系数的个数为M。 判决反馈均衡器(DFE)的结构具有许多优点，当判决差错对性能的影响可忽略时DFE优于线性均衡器，显而易见相对于线性均衡器加入判决反馈部分可得到性能上相当大的改善，反馈部分消除了由先前被检测符号引起的符号间干扰，例如相对于LTE较小的噪声增益和MSE,相对于MLSE和格型结构的低运算复杂度、相对于横向结构更容易达到稳态性能等等。然而DFE结构面临的主要问题之一是错误传播，错误传播是由于对信息的不正确判决而产生的，错误信息的反馈会影响FBF部分从而影响未来信息的判决；另一问题是移动通信中的收敛速度。 3作用均衡器的设计与信号性质有关。对传输电话信号，由于人耳对相位不敏感,只对传输信道的幅-频特性提出要求就够了。传输电视信号时,对传输信道的幅-频、相-频特性都有要求，否则图像就失真。电子计算机输出的数字电码脉冲也对幅-频、相-频特性有要求，因为波形畸变会因码间干扰而导致误码。均衡作用可分为频域均衡（包括幅度均衡、相位或时延均衡）和时域均衡。前者是校正频率特性；后者是直接校正畸变波形。按调节方法还可分为固定均衡和可变均衡。可变均衡又可细分为手动均衡和自适应(自动)均衡。（1）幅度均衡器一种校正幅频特性的频域均衡器。图中的bs曲线是未经均衡的系统衰减-频率特性。衰减值按-20 lg 计算,单位为分贝, 和分别为输出电压和输入电压。用衰减值的好处是当求两个网络的合成衰减时可作代数相加。若要获得平坦的幅-频特性曲线，可在系统中接入幅度均衡器，其特性如图中的曲线。均衡后系统特性如曲线。适当地选取图中电路中的各元件值，可使衰减-频率特性近似于图的曲线。图中的电路只用无源元件的，称为无源幅度均衡器。也可以用晶体管或运算放大器构成有源幅度均衡器。可变幅度均衡器一般通过改变元件值来调节幅频特性。在宽频带范围内，实现所需均衡特性的一种方法是将均衡曲线分成若干频段,每个频段由一节衰减-频率特性为钟型的均衡器进行调节。另一种方法是将均衡曲线分解为各次谐波，分别由衰减-频率特性为余弦型的均衡器进行调节。（2）相位均衡器校正相-频特性的频域均衡器。因为时延等于相-频特性曲线的斜率，通常用的是时延均衡器，使未均衡系统的时延-频率特性与时延均衡器（也是相位均衡器）的时延频率特性相加后接近平线。时延均衡器也分无源和有源、固定和可变几种类型。（3）横向均衡器一种最常用的时域均衡器。频带利用率高的数字通信设备常用这种均衡器。输入的畸变波形进入有抽头的时延线，再