GSM移动通信系统无线信道的能分析-论文.doc

GSM移动通信系统无线信道的性能分析-论文GSM移动通信系统无线信道的性能分析目 录第一章 GSM移动通信系统概述311移动通信概述312GSM系统组成5132G与3G的主要区别5第二章 信道的定义及分类621信道的定义及分类方法722业务信道723控制信道7231 广播信道7232 公共控制信道823. 3 专用控制信道824 无线信道主要性能8第三章 数据源传输过程931 数据源传输过程概述932语音编码933信道编码1033 .1全速率TCH信道编码1033.2 逻辑信道信道编码1033.3 SCH信道编码1033.4 RACH信道编码1034 交织技术1135 突发脉冲的形成1136 调制和解调11第四章 无线传播基础理论1241 无线电波的产生和麦克斯韦方程的简单描述1242 无线信道的基本特性1843.无线电波的极化概念1844.分集技术19第五章 跳频技术1951跳频技术概述1952基带跳频原理2053射频跳频原理2154基带跳频与射频跳频比较22第六章 后记23摘要：GSM无线信道涉及信道编码、二次交织技术、时序调整和GSM调制技术等。在实际应用中，比特差错经常成串发生，这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到几个连续的比特，而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才最有效。为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误，GSM运用交织技术来分散这些误差。GSM无线信道是针对复杂的无线环境并结合话音通信的特点来设计信道控制方法的，如话音不连续发射就是根据特点来考虑信道的，分集接收是提高信号接收质量的重要手段关键词：移动通信；GSM；信道 第一章 GSM移动通信系统概述1.1 GSM系统历史背景 GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。 蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS(先进的移动电话业务)模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT(Nordic 移动电话)系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统。蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点：1.各系统间没有公共接口；2.很难开展数据承载业务；3.频谱利用率低无法适应大容量的需求；4.安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。 GSM数字移动通信系统史源于欧洲。早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组” Group SpecialMobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。 1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。 1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见。同年，欧洲17个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。与此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。 1990年完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套12系列。 1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（Globa1 system for Mobile communications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCSI800系统。该系统与 GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建1199GSM移动通信系统无线信道的性能分析议的很小一部分，仅将GSM900和DCSI800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为GSM系统。 1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50。 1993年欧洲第一个DCSI800系统投入运营。到1994年已有6个运营者采用了该系统。 1.2 GSM系统组成 蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成，如图11所示。其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的限制。因此，各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。也就是说，NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备，而MS可用不同厂家的设备。 图11 蜂窝移动通信系统的组成 由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范，运营公司当然喜欢花最少的投资，用最好的设备来建最优良的通信网，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。也就是说，各接口都是开放式接口。 GSM系统框图如图1-2，A接口往右是NSS系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往左Um接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。 图12 GSM系统框图在GSM网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。 1.3与第三代移动通信系统的主要差别2G和3G从技术层面来讲，最大的区别在于它的无线空中数据速率的提高，现在TD-SCDMA所能提供的空中速率应该达到1兆以上，在近期的产品最高可以达到2.8兆，这个跟2G是一个巨大的差别。相应而来的就是应用的多样化，比如说以前在2G上不能实施的一些应用，比如视频电话，比如高速数据上载、下载，比如电话会议，这些将来都可能在3G的手机上得到体现和应用。所以这样也为我们用户提供了一个全新的体验，所以这就是2G和3G最主要的区别之一，就是速率的提高造成应用的广泛。3G比几百K还高一些，但是从网络运行正常的负载之下应该说跟ADSL也差不多，因为2G的应用除了语音以外基本上就是一些短消息，或者是很简单的一些彩信比如这类的东西，但是3G我们可以提供一些实时的图象应用和大容量的数据传输。所以这个对于用户的体验会慢慢体现出来。 实际网络在有负载的情况之下，下行的速率能达到多少我们现在只有历史数据，没有现实数据，就是说你可以从GPRS从其他的2.5G来参议，应该说比峰值应该有一个下降，应该是能达到最起码几百K。第二章信道的定义及分类2.1信道的定义及分类方法:信道就是从发送端到传输端之间的路径，包括两个通信设备之间的所有的东西线路、中继器、无线电波等。按信道的传输介质来分，信道分为有线信道和无线信道；按频率来分，信道分为窄带信道和宽带信道等；按它所传输的信号类型来分，信道分为数字信道和模拟信道；按存在形式来分，信道分为物理信道和逻辑信道。在GSM中的信道可分为物理信道和逻辑信道。一个物理信道就是一个时隙，通常被定义为给定TDMA帧上的固定位置上的时隙(TS)。而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道是通过BTS来影射到不同的物理信道上来传送。逻辑信道又可分为业务信道和控制信道。2.2.业务信道业务信道用于携载语音或用户数据，可分为话音业务信道和数据业务信道。1.话音业务信道：TCH/FS：全速率语音信道 13kbiUs；TCI-UHS：半速率语音信道5.6kbiUs。2.数据业务信道：TCH/F9.6: 9.6kbit/s全速率数据信道；TCWF4.8: 4.8kbiUs全速率数据信道；TCH/H4.8: 4.8kbit/s半速率数据信道；TCH/H2.4：2.4kbit/s半速率数据信道；TCH/F2.4:2.4kbit/s全速率数据信道。2.3控制信道控制信道用于携带信令或同步数据，可分为广播信道、公共控制信道和专用控制信道。广播信道(BCH：包括BCCH、FCCH和SCH信道，它们携带的信息目标是小区内所有的手机，所以它们是单向的下行信道。GSM移动通信系统无线信道的性能分析公共控制信道(CCCH)：包括RACH、PCH、AGCH和CBCH，RACH足单向上行信道，其余均是单向下行信道。专用控制信道(DCCH)：包括SDCCH、SACCH、FACCH。 2.3.1广播信道 广播信道仅用在下行链路上，由BTS至MS。信道包括BCCH、FCCH和SCH。为了随时都能发起通信请求，MS需要与BTS保持同步，而同步的完成就要依赖FCCH和SCH逻辑信道，它们全部是下行信道，均为点对多点的传播方式。(1)频率校正信道(FCCH)：FCCH信道携带用于校正MS频率的消息，它的作用是使MS可以定位并解调出同一小区的其它信息。(2)同步信道(SCH)：在FCCH解码后，MS接着要解出SCH信道消息，解码所得的信息给出了MS需要同步的所有消息及该小区的TDMA帧号(22bit)和基站识别码BSIC号(6bit)。(3)广播控制信道(BCCH)：MS在空闲模式下为了有效的工作需要大量的网络信息，而这些信息都将在BCCH信道上来广播。信息包括小区的所有频点、邻小区的BCCH频点、LAI（LAC+MNC+MCC）、CCCH和CBCH信道的管理、控制和选择参数及小区的一些选项。所有这些消息被称为系统消息( SI)在BCCH信道上广播，在BCCH上系统消息有八种粪型，分别为：系统消息类型l、系统消息类型2、系统消息类型2bis、系统消息类型2ter、系统消息类型3、系统消息类型4、系统消息类型7、系统消息类型8。2.3.2公其控制信道公共控制信道包括AGCH、PCH、CBCH和RACH，这些信道不是供一个MS专用的，而是面向这个小区内所有的移动台的。在下行方向上，由PCH、AGCH和CBCH来广播寻呼请求、专用信道的指配和短消息。在上行方向上由RACH倍道米传送专用信道的请求消息。(1)寻呼信道(PCH)：当网络想与某- MS建立通信时，它就会根据MS所登记的LAC号向所有具有该LAC号的小区的PCH信道上进行寻呼，寻呼MS的标识为TMSI或IMSI。寻呼信道属于下行信道，点对多点传播方式。(2)接入许可信道(AGCH)：当网络收到处于空闲模式下的MS发出的信道请求后，就根据该请求需要分配一专用信道，AGCH通过根据该指配的描述（所分信道的描述，和接入的参数），向所有的移动台进行广播。接入许可信道属于下行信道，点对多点传播方式。(3)小区广播控制信道(CBCH)：它用于广播短消息和该小区一些公共的消息（如天气和交通情况），它通常占用SDCCH/8的第三个子信道，属于下行信道，点对多点传播。(4)随机接入信道（RACH）：当MS想与网络建立连接时，它会通过RACH信道来发起接入请求，在PHASE1标淮中，请求消息包括3bit的建立原因（如呼叫请求、响应寻呼、位置更新请求及短消息请求等等）和5bit的参考随机数。属于上行信道，点对点传播方式。2.3.3专用控制信道包括SDCCH、SACCH、FACCH、TCH，这些信道被用于某一个具体的MS上。(l)独立专用控制信道(SDCCH)：SDCCH是一种双向的专用信道，它主要用于传送建立连接的信令消息、位置更新消息、短消息、鉴权消息、加密命令及处理各种附加业务。(2)慢速随路控制信道(SACCH)：SACCH是一伴随着TCH和SDCCH的专用信令信道。在上行链路上它主要传递无线测量报告和第一层报头消息（包括TA值和功率控制级别）；在下行链路上它主要传递系统消息type5、5bis、5ter、6及第一层报头消息。这些消息主要包括通信质量、LAI号、CELLID、邻小区的BCCH频点信号强度、NCC的限制、小区选项、TA值、功率控制级别等。(3)快速随路控制信道(FACCH)：FACCH信道与业务信道TCH相关。FACCH用于在话音传输过程中给系统提供比慢速随路控制信道(SACCH)又高的多的速度来传送信令消息。它是通过借用20ms的话音突发脉冲序到来传送信令，这种情况被称为偷帧，如在系统执行越局切换时。由于话音泽码器会重复最后20ms的话音，所以这种中断不会被用户察觉的。2.4 无线信道主要性能无线信道是对移动通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻，为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，人们想象两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道。无线信道中的电波不是通过单一路径来传播的，而是由许多路径上的众多反射波合成的。由于时延扩展及不同路径来的反射波到达时间不同，相位不同，产生了多径衰落（即快衰落）。由地区位置的改变以及气象条件变化造成的，由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落。无线信道中还会有多普勒效应。综上所述，无线信道包括了电波的多径传播、时延扩展、衰落特性以及多普勒效应，在移动通信中，要充分考虑这些特性提出解决的方案。第三章数据源的传输过程31源数据的传输过程综述 由于GSM系统是一个全数字系统，话音和不同速率数据的传输都要进行数字化处理。为了将源数据转换为最终信号并通过无线电波发射出去，需经过几个连续的过程。相反，在接收端需要经过一系列的反过程来重现原始数据。下面我们主要针对话音的传输过程进行描述，它的工作顺序如罔2-10所示，这个过程对其它用户数据和信令也是一样的。 信源端的主要工作有：1信道编码 为了在数据传输期间对误码进行检错纠错，在数据流中增加了部分冗余比特。信道编码的结果是一个比特流，对全速率话音编码来说，编码比特的长度是456bit。2交织由于在通信过程中，差错的出现往往是成串的，为了使连续传输的数据具有最大不相关性而引入了交织的概念，它的目的是改善信道编码的性能，去除差错以及比特流中位置的相关性。交织以后；每个突发脉冲就形成了一个数据信息块。3加密通过仅由MS和网络知道的加密方式来对信息块进行保护。4突发脉冲的形成为了有助于接收信号的同步和均衡，往加密的信息块中增加了一些额外的信息，如训练序列、保护间隔和尾比特等。5调制将二进制的数字信息转变为合适频率的模拟信号，并以无线电波的形式发射出去。3.2语音编码由于GSM系统是一种全数字系统，话音和其它信号都要进行数字化处理，因此移动台首先要将语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，移动台再把这模拟电信号转换成13kbiUs的数字信号，用于无线传输。下面我们主要讲一下TCH全速率信道的编码过程。目前GSM采用的编码方案是13kbit/s的RPE LlP（规则脓冲激励长期预测）编码，其目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，达到与固定电话尽量相近的语音质量。它首先将语音分成20ms为单位的语音块，再将每个块用8kHz抽样，每个块由此得到160个样本。每个样本再经过A率13bit(u率14bit)的量化，由丁l处理A率和u率的压缩率不同，因而将该量化值又分别加上了3个或2个的“0”bit，最后每个样本就得到了16bi的量化值。因而在数字化之后进入编码器之前，就得到了128kbiUs的数据流。但这一数据流的速率太高以至丁J无法在无线路径下传播，因而我们需要让它通过编码器来进行编码压缩。如果用全速率的编码器的话，每个语音块将被编码为260bit，最后形成了13kbit/s的源编码速率。此后将完成信道的编码。在BTS侧能够恢复13kbit/s的源速率，但为了形成速率为16kbit/s的TRAU帧以便于在ABIS和ATER接口上传送，因而需再增加速率为3kbiUs的倍令，它可用于BTS控制远端TCU的工作，因而被称为带内信息。这3kbit/s将包括同步和控制比特（包括坏帧指示、编码器类型、DTX指示等）。总之，带内信息将能使TCC知道信息的种类（全速率语音、半速率语音、数据），以及采用何种适用的方法用于上行和T行的传输。在TCU侧，为了适应PSTN网络64kbiUs的速率传输，因而它的码型速率转换板将完成将速率由13kbiUs转换为64kbiUs的工作。3.3信道编码信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响，但它是以增加比特降低信息量为代价的。信道编码的基本原理是在原始数据卜-附加一些冗余比特信息，增加的这些比特是通过某种约定从原始数据中经计算产生的，接收端的解码过程利用这些冗余的比特来检测误码并尽可能的纠正误码。如果收到的数据经过同样的计算所得的冗余比特同收到的不一GSM移动通信系统无线信道的性能分析样时，我们就可以确定传输有误。根据传输模式不同，在无线传输中使用了不同的码型。GSM使用的编码方式主要有块卷积码、纠错循环码(FIRE CODE)、奇偶码(PARITYCODE)。块卷积码主要用于纠错，当解调器采用最大似然估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果。纠错循环码主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常和块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。奇偶码是一种普遍使用的最简单的检测误码的方法。无论如何处理，全速率TCH编码都将在信道编码后，在每20ms内形成456bit的编码序列。3.3.1 全速率TCH信道编码存对全速率语音编码时，首先将对语音编码形成的260个比特流分成三类，分别为50个最重要的比特，132个重要比特以及78个不重要的比特。然后对上述50个比特添加1：3个奇偶校验比特（分组编码），这53个比特连同132个重要比特与4个尾比特一起被卷积编码，速率为1：2，因而得到378bit，另外78bit不予保护。于是最后将得到456bit。3.3.2BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH信道的编码LAPDm是数据链路层的协议（第二层），在连接模式下被用于传送信令。它被应用在逻辑信道BCCH、PCH: AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH卜，一个LAPDm帧共有23个字节(184bit)。为了获得456bit的保护字段，便可通过对LAPDm帧的编码来得到。首先给184bit增加40bit的纠错循环码，这样就可以来检测是否物理层的差错校正码能正确的校正传输差错。通过这种码型来监测无线链路，来确认是否SACCH消息块是否被正确的接收到。为了实现卷积编码，还应加上4bit的尾位。我们将得到的这228bit通过1：2卷积编码速率，最后也会得到456bit的数据。3.3.3 SCH信道的编码SCH信令信道不能用LAPDm协议。在每个SCH信道有25bit的消息字段，其中19bit是帧号6bit用于BSCI号。由于每个单独的SCH时隙都携带着一个完整的同步消息，而且SCH的突发脉冲的消息位的字段是78bit。因而我们需要将这25bit的数据编码8bit。我们将这25bit的数据再加上l0个奇偶校验比特和4bit的尾位，这就得到了39bit。再将这39bit按照1:2的卷积编码逮率，便得到了78bit的消息。3.3.4 RACH信道的编码随机接入信道RACH的消息是由8个消息比特组成，包括3bit的建立原因和5bit的随机鉴别符。由于RACH的突发脉冲的消息位的字段是36bit。因而我们需要将这8bit的数据编码成36bit。首先，我们给它加上6bit的色码，这6bit的色码是通过将6bit的BSIC和6bit的奇偶校验码取模2而获得的。然后再加上4bit的尾位。这样就得到了18bit，我们再将这18bit按照1:2的卷积编码速率，最后将得到RACH突发脉冲上的36bit的消息位。3.4交织技术在移动通信中这种变参的信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。但是，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的著错串时才有效，为了解决这一问题，希望找到把一条消息中的相继比特分开的办法，即一条消息的相继比特以非相继的方式被发送，使突发差错信道变为离散信道。这样，即使出现差错，也仅是单个或者很短的比特出现错误，也不会导致整个突发脉冲甚至消息块都无法被解码，这时可再用信道编码的纠错功能来纠正差错，恢复原来的消息。这种方法就足交织技术。3.5突发脉冲的形成在数字传输系统的各种优点中，能提供良好的保密性是很重要的特性之一。GSM通过传输加密提供保密措施。这种加密可以用于语音，用户数据和信令，与数据类型无关，只限于用在常规的突发脉冲之上。加密是通过一个泊松随机序列（由加密钥Kc与帧号通过A5算法产生）和常规突发脉冲之中1 14个信息比特进行异或操作而得到的n在接收端再产生相同的泊松随机序列，与所收到的加密序列进行异或操作便可得到所需要的数据了。3.6调制和解调调制和解调是信号处理的最后一步。简单的说GSM所使用的调制是BT=0.3的GMSK技术，其调制速率是270.833kbit/s，使用的是Viterbi（维特比）算法进行的解调。调制功能就是按照一定的规则把某种特性强加到电磁波上，这个特性就是我们要发射的数据。GSM系统中承载信息的是电磁场的相位，即采用调相方式。解调的功能是接收信号，从一个受调的电磁波中还原发送的数据。从发送角度来看，首先要完成二进制数据到一个低频调制信号的变换，然后再进一步把它变到电磁波的形式。解调过程是调制的逆过程。第四章无线传播基础理论4.1无线电波的产生和麦克斯韦方程的简单描述。在麦克斯韦方程的表述中，它的积分形式涉及到四个方程。其中安培环路定律（全电流定律）表明电流和时变的电场能激发磁场；法拉第电磁感应定律表明时变的磁场产生电场，这两个方程是麦克斯韦方程的核心，说明了电场与磁场之间的相互作用能导致波的传播，电磁场可以脱离场源而独立存在（注：方程组中的另两个方程是磁通量连续和高斯定律）。因此，麦克斯韦方程组简单的概括就是：“变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场”，如此反复构成能量以波的形式向外传送。4.2无线信道的基本特性我们知道无线电波是一种能量传输形式。在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。图4-1电磁波的传递无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示。在媒质中的传播速度为：/，式中为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于。因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。无线电波的波长、频率和传播速度的关系可用式 / 表示。式中，为速度，单位为米/秒； 为频率，单位为赫兹；为波长，单位为米。我们不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长(频率)也不一样。我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数约为2.1，因此，/1.44 ，/1.44 。要研究无线电波的传播就必须了解它的特性，下面就无线电波在移动通信中的一些基本特性做简单的介绍。衰落和多径特征GSM移动通信系统无线信道的性能分析无线电波在空中传播时，除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射。因此，到达接收天线的电波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。当电波以不同的时延从不同方向到达接受机时，他们在接收机天线处会通过矢量叠加而形成振幅或大或小的合成信号，振幅的变化取决于来波是否互相加强合成（波峰波峰）还是互相抵消合成（波谷波谷）。因此相距不远处的两个接收机的接受信号往往会相差几十个db。无线电波在空中传播时还存在绕射现象，绕射是指电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。一般来讲，频率越高，建筑物越高、越近，影响也越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响也越小。因此，GSM波段（超短波）的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。在移动通信中，移动中的用户所接受到信号的相位关系也是变化的，因此容易产生大幅度的变化；在更高的频率上，即使移动用户不运动，但如果汽车等散射体经过也会引起周围无线电场的衰落而导致接受电平场强的变化。此外，多径传输的影响，也会使电波的极化方向发生改变，造成有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。因此，无线信道是一种难以估计的不友善信道。为了更深入的研究，我们可以将无线信道的衰落简单分成三层模式，如下(见下图)：第一层是描述发射机和接受机之间的路径损耗特征的区域平均功率。这是单纯由于路径损耗引起的衰落，一般包括直接视距路径的扩散损耗，由于建筑物、山或森林引起的反射损耗和绕射损耗，建筑物的穿透损耗等第二层是叠加在路径损耗区域平均功率上的慢衰落平均功率，服从对数正态分布。主要是由于阴影衰落所引起的，通常是由于建筑物、树和树叶遮挡所产生，是慢衰落。分为大尺度模式（遮挡物超过100m）和中尺度模式（遮挡物在100米以内），都服从对数正态分布。第三层是再叠加在呈对数正态分布的慢衰落平均功率上的快衰落瞬时功率，它服从莱斯（GSM 视线范围内的衰落）或瑞利分布（非视线范围内的衰落），是快衰落（小尺度模式）。这种衰落是由于发射的电磁波被散射体，如房屋、建筑物、树林等反射、绕射、散射而产生的多径效应造成的。图4-2无线信道衰落多径衰落是深衰落（如瑞利衰落），会带来很多的问题，我们应当尽可能的避免。下面就集中描述一下多径信道的特点。a)多径传播由多径传播所引起的接受信号短期起伏称为小尺度衰落（快衰落）。各条多径信号的不同传播路径长度产生不同的传播时延，称之为多径分支。（如下图）4-3多径分支由于各条多径分支的功率是时变的，而各路多径信号到达接收机的相位是不同的，因此产生衰落，而衰落的深度取决于信道的类型。在直接视线不可接触的范围内，快衰落的信道类型为瑞利衰落。瑞利衰落的是最严重的移动无线衰落信道。因为视线不可及，因此没有一个绝对占优势的信道，所有的多径信道都是独立的，没有一个占优，因此造成的衰落很深；而在直接视线接触的范围内，快衰落的信道类型则是莱斯衰落，莱斯衰落的深度较之前者为浅。这是因为视距路径就是一条占优势的信道。多径信道的各种影响可以用下面一些概念来描述。b）延迟扩展由于多径反射，无线信号将沿着不同的路径传播到接收机处。每条路径都有着不同的路径长度，所以每条路径到达接收机的时间是不同的，这使得接收机在时域窗口内接受到的信号轮廓不清或被扩展。这种现象称为延迟扩展。图4-4例如，上图中（图4-4），发射机发出一个冲激，在接收机端接受到的信号是若干个振幅衰减的连续脉冲，而这些脉冲构成的包络是一个在时域上扩展了的脉冲包，它与发射端相比显得轮廓变得平缓不清了。这在数字系统中就会产生码间干扰，从而影响限制传输的最大码率。GSM移动通信系统无线信道的性能分析不同的环境中的平均延迟扩展是不同的，市区一般为3微秒；郊区为0.5微秒；开阔地小于0.2微秒。可见建筑物越多地地方，延迟扩展影响越大。在延迟扩展地功率延迟谱中第一个多径分量和最后一个之间地延迟差称为“最大延迟扩展”。c）相关带宽和延迟扩展的关系相关带宽Bc是频域统计测量值，它表示在相关带宽范围内，信道以等增益和线性相位通过全部频谱分量。在此带宽内，两个信号的幅度和相位具有高度地相关性，他们的频谱分量以类似的方式受到信道的影响，即或共同出现衰落，或共同不出现衰落。一般而言，相关带宽Bc1/dmax，是和最大延迟扩展dmax成反比的（也就是说，延迟扩展越小，相关带宽就越大）。此外，相关带宽还有几种运用：当信号的带宽信道的相关带宽，则信道为频率选择性衰落信道。此时，信号的各频谱分量不是同等的受到信道衰落的影响（例如，仅仅相关带宽之内的一部分信号受到衰落）。相关带宽越小，意味着频率分集数目越多。因此可以利用最大延迟扩展（相关带宽）来计算RAKE接收机中可分解的路径存在多少条。当信号的带宽Bw1/Ts。d）码间干扰及其危害在实际的数字无线系统中，带宽受限的系统会受到码间干扰（ISI）的影响而降低传输性能。一般的，在时间色散媒质中（如空气，光纤介质），数字传输的速率Rb被延迟扩展所限制而造成码间干扰。如果要求有低误码率的话，有公式：Rb 和FN(帧号)惟一确定所有(NA)频点的一个排列。不同时隙(TN)上的N个信道l可以使用相同的跳频序列，同一小区相同时隙内的不同信道使用不同的移动分配偏移( MAIO)。跳频方式按时域可分为帧跳频和时隙跳频；按实现方式可分为射频跳频和基带跳频。帧跳频：每个TDMA帧周期其跳频频点变换一次。这种方式下，每一个载频可以看做一个信道，在一个小区中帧跳频时BCCH所在的TRX载频上的TCH不能参与跳频，参与跳频的载频应有不同MAIO。帧跳频是时隙跳频的特例。时隙跳频：即每个TDMA帧的每个时隙频点变换一次。时隙跳频时BCCH所在的TRX中的TCH可以参加跳频，目前在基带跳频时实现。射频跳频：TRX的发射Tx和接收Rx都参与跳频。小区参与跳频频点数可以超过该小区内的TRX数目。基带跳频：每个发信机工作在固定的频率上，Tx不参与跳频，通过基带信号的切换来实现发射的跳频，因此小区跳频频点数不可能大于该小区的TRX数。上述射频和基带跳频模式是针对基站而言的，而对于移动终端，因为每个终端只有一套载频单元，所以必然采用射频跳频。在GSM标准中采用慢跳频技术。每秒217跳，每跳周期为1200比特。GSM系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种。5.2基带跳频原理1.基带跳频的原理是将话音信号随着时间的变换使用不同频率发射机发射， 5-1基带跳频原理图基带跳频中可供跳频的频率数N(hop)基站载频数N(TRX)。基带跳频适用于合路器采用空腔耦合器的基站，由于这种空腔耦合器的谐振腔无法快速改变发射频率，故基站无法靠改变载频频率的方法实现跳频。实施的方框图如图所示，中，收发信机负责无线信号的接收与发送，基带处理单元进行信道的处理。 5-2基带跳频实施框图 为了实现基带跳频，收发信机与基带处理单元之间的连接由路由转接器来控制，在用户通信过程中，要求无论移动台通信频率如何变化，负责处理用户链路的基带处理单元要保持不变，而基带跳频中所有收发信机的频率也不变。那么，怎样才能确保跳频实现呢？其实只要在路由转接器中根据预先设定的跳频方式来改变收发信机与基带处理单元之间的连接，就能保证该基带处理单元与用户之间的通信链路始终保持畅通。由此可见，由于频率变换的范围仅限于基站所拥有的收发信机的个数，故跳频的频率数N(hop)基站载频数N(TRX)。5.3射频跳频原理射频跳频是将话音信号用固定的发射机，由跳频序列控制，采用不同频率发射，原理图如图3所示。射频跳频为每个时隙内的用户均跳频（TRX1因为是BCCH信道所在的载频，故不跳频），可供跳频的频率数N(hop)不受基站载频数N(TRX)的限制，GSM规范规定每个小区最多可有64个频率供跳频。 5-3射频跳频原理图射频跳频适用于合路器采用宽带耦合器的基站，由于这种宽带耦合器与发射器频率的变化无关，故在跳频时载频与手机根据预设的跳频序列同步改变频率，从而保证通信链路的畅通。为了满足频率变换的速率，这种基站的载频一般均采用双频率合成器的硬件结构实现，故射频跳频又称为合成器跳频。阿尔卡特的EVOLIUM系列基站即采用了这种技术。射频跳频技术有一个局限，由于载频会改变频率，故BCCH信道所在的载频不可跳频。对于单载频的微蜂窝基站来说，必须采用特殊方式来实现射频跳频。以阿尔卡特的单载频微蜂窝基站（1TRX）为例，5-4阿尔卡特的单载频微蜂窝基站因广播信道（BCCH）是由基站向手机单向发射，故增加了一个发射器作为BCCH发射器，以BCCH频率发射，通信信道则由一组双频率合成器（SYN）的收（RX）发（TX）设备实现射频跳频。5.4基带跳频与射频跳频比较基带跳频是通过腔体合成器来实现的。当采用基带跳频时，它的原理是在帧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的无线频率上来实现跳频，这种做法的特点是比较简单，而且费用也低。射频跳频是通过混合合成器来实现的。当采用射频跳频时，它是通过对其每个TRX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，相对复杂。对比基带跳频和射频跳频原理图，不难发现TRX1只能够在基带跳频实现跳频。而射频跳频的TRX1无法参与跳频，对BCCH频点要求相对较高。射频跳频的混合合成器会有3dB的衰耗，由于现在的GSM网络均使用宽带耦合系统，使得最终天线的输出功率并不会因之下降。基带跳频相对来说对天线输出功率影响相对较小。对于在同一地点时，不同频率的多径衰落是不同的。当采用了跳频技术后，慢移动手机将在不同的突发序列时经历不同的衰落，而不至于会长时间地停留在同一个频率的多径衰落的最低处。均衡器的差错校正算法可以减少这种衰落影响。在信号中断时间短于交织码的周期时，这种算法是非常有效的。GSM移动通信系统无线信道的性能分析因此，实施跳频可以避免长时间深度衰落，从而可以提高无线信号传输质量，降低误码率。对于快速移动手机而言，它不会长时间停留在多径衰落的最低处，因而不会受这种衰落的影响。由于频率分极的优点是建立在不同频率引起不同的多径衰落基础上，因此对参与跳频的频点来说，频点间隔越大越好，在这方面基带跳频更容易控制频点之间间隔，而射频跳频在控制频点间隔方面没有基带跳频方面。 在GSM中实现跳频方式有两种，即基带跳频和射频跳频。基带跳频是通过腔体合成器来实现的，而射频跳频是通过混合合成器来实现的。基带跳频的原理是将话音数字信号随时间的变换使用不同频率的发射机发射；射