跳频在GSM中的应用.doc

跳 频 在 GSM 中 的 应 用 一、 跳 频 的 基 本 介 绍跳 频 就 是 使 手 机 在 每 个 突 发 序 列（Burst） 后 改 变 自 己 的 频 率。 跳 频 是 GSM 空 中 接 口 的 一 项 重 要 特 性， 在 GSM 规 范 04.08、 05.01、 05.02 中 都 有 叙 述。 它 是 提 高 网 络 质 量 和 网 络 容 量 的 一 项 有 效、 经 济 的 手 段。 二、 跳 频 的 原 理 跳 频 是 按 照 固 定 的 间 隔 改 变 频 率。 跳 频 可 以 分 为 两 种 方 式： 一 种 是 快 跳 频（FFH）， 它 的 频 率 变 换 速 度 比 调 制 速 度 还 要 快； 另 一 种 称 为 慢 跳 频（SFH）， 也 就 是 目 前 GSM 所 采 用 的 跳 频 方 式。1. 慢 跳 频GSM 采 用 的 是 8 个 时 隙 的 TDMA 系 统。 在 慢 跳 频 中， 当 一 个 手 机 占 用 一 个 时 隙 时， 在 一 个 突 发 序 列 内 只 能 在 一 个 固 定 的 频 率 上 进 行 发 送 和 接 收 信 息， 并 在 跳 到 下 一 个 时 隙 前 转 由 另 外 一 个 频 点 进 行 信 息 的 收 发， 并 以 每 秒 217 次 的 速 率 进 行 跳 频。 这 项 技 术 可 以 在 话 音 信 道（TCH） 和 信 令 信 道（SDCCH） 上 采 用。 但 广 播 信 道（BCCH） 不 能 采 用 跳 频， 因 为 手 机 只 能 通 过 广 播 信 道 来 测 量 相 邻 小 区 的 接 收 信 号 强 度， 因 此， 它 必 须 要 分 配 一 个 固 定 的 频 点。 而 且， 广 播 信 道 上 的 所 有 时 隙 必 须 以 满 功 率 发 射， 这 样， 慢 跳 频（SFH）、 功 率 控 制（PC）、 不 连 续 发 射（DTX） 都 不 能 在 广 播 信 道 上 使 用。2. 慢 跳 频 模 式 (1). 如 图1 所 示， 在 空 中 接 口 方 面， 慢 跳 频 可 以 分 为 两 种 模 式： 循 环 跳 频 模 式 随 机 跳 频 模 式 循 环 跳 频 模 式 就 是 周 期 地 采 用 同 一 种 跳 频 序 列； 而 随 机 跳 频 模 式 则 采 用 一 种 预 先 定 义 好 的、 相 对 比 较 随 机 的、 相 当 长 的 跳 频 序 列， 以 达 到 随 机 跳 频 的 目 的。 突 发 序 列图1： 周 期 跳 频 和 随 机 跳 频 的 原 理（ 时 隙 1） (2). 在 基 站 方 面， 跳 频 亦 可 分 为 两 种： 基 带 跳 频（BBH） 合 成 跳 频（ 又 称 射 频 跳 频（RFH） 在 基 带 跳 频 中（BBH）， 每 个 载 频 （TRX） 以 固 定 的 频 率 发 射。 它 是 使 手 机 在 每 个 突 发 序 列 占 用 不 同 的 发 射 单 元 来 实 现 跳 频 的。 在 基 站 内 部， 基 带 部 分（FU） 和 射 频 部 分（CU） 是 分 开 的， 这 样， 跳 频 就 可 以 通 过 把 FU 转 接 到 相 应 的 CU 上 来 实 现。 如 Alcatel 的 G2 基 站 就 是 这 样 实 现 基 带 跳 频 的。 基 带 跳 频 的 跳 频 数 N(hop) 是 受 到 所 配 置 的 载 频 数 N(TRX) 限 制 的： N(hop)=N(TRX)。 图2 显 示 了 基 带 跳 频 和 合 成 跳 频 的 不 同。TRX1 为 BCCH 频 点，BCCH 设 置 在 时 隙 0。 图 中 表 明，TRX1 只 能 在 基 带 跳 频 中 实 施 跳 频。 但 值 得 一 提 的 是，Alcatel 的 微 小 区（ 1TRX） 可 以 实 现 合 成 跳 频， 它 是 通 过 一 个 附 加 的 发 射 器 发 射 一 个 空 的 突 发 序 列 来 实 现 的， 这 在 第 4 章 节 有 详 细 叙 述。 图2： 基 带 跳 频（ 左） 和 合 成 跳 频（ 右） 3. 采 用 跳 频 的 优 点 跳 频 主 要 通 过 两 个 特 性 来 提 高 传 输 质 量： 频 率 分 极 干 扰 分 极 (1). 频 率 分 极 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。 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 在 定 义 跳 频 序 列 时， 频 点 间 隔 越 大 越 好。 (2). 干 扰 分 极在 同 一 个 小 区，有 的 频 率 可 能 受 到 较 少 的 频 率 干 扰 而 有 较 好 的 话 音 质 量，而 有 的 频 率 有 可 能 受 到 较 强 的 干 扰。当 采 用 了 跳 频 技 术 后， 采 用 干 扰 分 担 的 机 理，使 这 一 小 区 的 每 个 频 率 的 干 扰 值 都 能 降 到 一 个 平 均 的 满 意 值。 需 要 注 意 的 是， 循 环 跳 频 模 式 没 有 干 扰 分 极 特 性， 因 为 它 的 跳 频 序 列 是 固 定 的， 不 能 使 干 扰 和 被 干 扰 的 频 点 变 得 不 相 干。 只 有 采 用 随 机 跳 频 才 能 体 现 干 扰 分 极 的 优 点。 图3 体 现 了 频 率 分 极 和 干 扰 分 极 的 效 果。 频 率 分 极 采 用 跳 频 干 扰 分 极 无 跳 频 图3： 频 率 分 极 和 干 扰 分 极 的 效 果(3). 提 高 网 络 容 量 首 先 我 们 介 绍 一 个 叫 平 均 复 用 度（ARCS） 的 概 念， 它 是 衡 量 网 络 容 量 的 一 个 重 要 参 数：ARCS = 带 宽 / 平 均 每 小 区 载 频 数平 均 复 用 度 越 小， 网 络 可 以 设 计 到 的 容 量 越 大， 但 网 络 的 干 扰 程 度 也 越 严 重。 由 于 跳 频 的 频 率 分 级 和 干 扰 分 级 的 特 性， 使 网 络 的 干 扰 程 度 大 大 降 低， 因 此， 在 相 同 网 络 质 量 的 前 提 下， 采 用 跳 频 的 网 络 可 以 采 用 更 低 的 ARCS， 这 样， 每 个 小 区 可 以 配 置 更 多 的 载 频， 从 而 达 到 提 高 网 络 容 量 的 目 的。三、 跳 频 的 实 施1. 实 施 的 条 件 手 机 支 持 跳 频跳 频 为 手 机 的 基 本 功 能。如 果 手 机 不 支 持 跳 频，则 该 手 机 就 不 能 在 实 施 跳 频 的 网 络 中 进 行 正 常 的 呼 叫。目 前 已 知 不 支 持 跳 频 的 手 机 有 摩 托 罗 拉 8700，诺 基 亚 2110。这 二 款 型 号 的 手 机 均为 最 早 进 入 中 国 市 场 的 第 一 代 手 机，其 后 进 入 中 国 市 场 的 手 机 应 均 能 支 持 跳 频。 由 于 跳 频 的 干 扰 分 极 特 性， 因 此， 必 须 在 网 络 整 体 质 量 较 好 的 前 提 下。也 就 是 在 网 络 微 调 后，绝 大 部 分 无 线 信 道 都 处 于 较 好 质 量 的 情 况 下， 才 可 以 实 施 跳 频。 只 有 这 样， 才 能 用 来 解 决 个 别 地 区 服 务 质 量 相 对 较 差 的 问 题， 从 而 再 进 一 部 提 高 全 网 的 无 线 质 量。图4 显 示 了 8 个 手 机 在 采 用 慢 跳 频 前 后 C/I 对 比。 我 们 可 以 看 到， 在 采 用 了 跳 频 之 后， 平 均 载 干 比（） 并 没 有 变 化， 但 最 大 载 干 比 与 最 小 载 干 比 之 差 小 了 许 多， 载 干 比 在 下 限（ 例 如 C/IThr1 =9dB）以 下 的 手 机（3，6，7） 得 到 了 改 善。 同 时， 我 们 也 注 意 到， 原 本 C/I 较 高 的 手 机（1，2，8） 在 采 用 跳 频 之 后， 反 而 有 所 降 低。 因 此， 只 有 在 网 络 平 均 载 干 比 高 于 某 个 特 定 的 C/I 门 限（ C/IThr ）时， 才 能 实 施 跳 频。 否 则， 实 施 跳 频 有 可 能 使 网 络 变 得 更 差。 我 们 先 假 设 C/IThr = C/IThr1 （ 平 均 C/I C/IThr）： 采 用 跳 频 前 有 3（3，6，7） 个 手 机 的 C/I 低 于 C/IThr1， 而 采 用 跳 频 之 后， 没 有 一 个 手 机 的 C/I 低 于 C/IThr1。 因 此， 在 这 种 情 况 下 采 用 跳 频 可 以 改 善 网 络 质 量。 我 们 再 假 设 C/IThr = C/IThr2（ 平 均 C/I C/IThr）： 采 用 跳 频 前 有 5（3，4，5，6，7） 个 手 机 的 C/I 低 于 C/IThr2， 而 采 用 跳 频 之 后， 反 而 有 7（2，3，4，5，6，7，8） 个 手 机 的 C/I 低 于 C/IThr2。 在 这 种 情 况 下， 实 施 跳 频 将 使 网 络 质 量 变 得 更 差。 因 此， 我 们 认 为， 只 有 在 网 络 总 体 质 量 比 较 好 的 情 况 下， 才 能 实 施 跳 频。 图4： 手 机 在 实 施 跳 频 前 后 的 C/I 对 照2. 在 OMC-R 上 开 启 跳 频 功 能(1). 有 三 个 与 跳 频 有 关 的 参 数 需 要 设 置： 跳 频 序 列（ FHS） 跳 频 序 列 定 义 了 可 以 参 加 跳 频 的 频 点。 跳 频 序 列 码（HSN） 跳 频 序 列 码 根 据 跳 频 序 列 定 义 了 跳 频 的 次 序。 HSN = 0 即 为 循 环 跳 频 模 式； HSN = 1 64 为 随 机 跳 频 模 式。 手 机 分 配 偏 移 量（MAIO） MAIO 定 义 了 跳 频 时 分 配 跳 频 序 列 中 第 一 个 频 点 的 偏 移 量。(2). 信 道 结 构 设 置 对 于 4 载 频 的 基 站（BCCH = FU1）， 基 带 跳 频 和 射 频 跳 频 的 信 道 结 构 可 以 设 置 如 下： 基 带 跳 频 由 于 BCCH 的 零 时 隙 不 能 跳 频， 因 此 在 基 带 跳 频 中， 至 少 需 要 定 义 2 个 跳 频 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, 11, 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 频 跳 频TS 0TS 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7FU 1bc/sd4or bcchTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHFU 2TCHSD/8TCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id, maio1, 01, 11, 11, 11, 11, 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、 对 已 实 施 跳 频 网 络 的 评 估 和 结 论1. 跳 频 序 列 中 频 率 数 多 少 的 影 响 对 载 干 比 的 影 响 如 图5 所 示， 当 跳 频 数 达 到 4 个 以 上 时， 所 要 求 的 C/I 越 来 越 低。 也 就 是 说， 跳 频 数 越 多， 网 络 质 量 得 到 的 改 善 也 就 越 大。 跳 频 数 为 1 时， 表 示 没 有 跳 频。 跳 频 数C/I (dB) 图5： 跳 频 数 多 少 对 C/I 的 改 善（TU3 源 自 8，TU5 源 自 13） 对 掉 话 率 的 影 响（ 基 带 跳 频） 如 图6， 当 跳 频 数 达 到 6 个 时， 掉 话 率 得 到 的 改 善 最 大。 但 只 有 两 个 频 点 参 加 跳 频 时， 掉 话 率 反 而 变 得 更 糟。 因 此， 基 带 跳 频 不 适 合 仅 配 置 2 个 载 频 的 基 站。掉改话善率程的度(%) 跳 频 数（ 载 频 数） 图6： 跳 频 数 多 少 对 掉 话 率 的 改 善 程 度（ 源 自 2）2. 对 快 速 移 动 手 机 的 改 善由 于 快 速 移 动 手 机 不 会 长 时 间 停 留 在 一 个 地 方， 因 此 也 不 会 长 时 间 停 留 在 多 径 衰 落 的 最 低 处， 因 而 不 会 受 多 径 衰 落 的 影 响。 但 正 是 其 速 度 较 快， 造 成 了 C/I 变 化 速 度 较 快， 导 致 切 换 的 困 难。 采 用 跳 频 可 以 改 善 C/I， 从 而 提 高 快 速 移 动 手 机 的 切 换 成 功 率 和 降 低 切 换 掉 话 率。3.可 达 到 1/3 复 用：容 量 增 加 74%（ 源 自 6，12）1/3 复 用（TCH） 可 以 使 网 络 达 到 很 高 的 容 量。 4/12 复 用 的 网 络 容 量 约 为 每 小 区 16.6Erlang（BWTCH = 36， 每 个 频 点 8 个 话 音 时 隙）。 而 采 用 1/3 复 用 可 达 到 每 小 区 28.8Erlang， 与 4/12 复 用 的 网 络 相 比 较， 容 量 增 加 约 74%。1/3 复 用 很 可 能 造 成 网 络 干 扰 比 较 严 重， 掉 话 率 比 较 高。 但 是 在 细 致 的 网 络 微 调 下， 1/3 复 用 是 可 以 做 得 到 的： 有 效 的 质 量 切 换 算 法 BCCH 仍 然 采 用 4/12 复 用 采 用 合 成 跳 频（RFH） 采 用 一 些 可 以 降 低 干 扰 的 技 术， 如 不 连 续 发 射（DTX）、 功 率 控 制（PC） 等4. 微 小 区 的 跳 频 由 于 微 小 区 的 信 号 波 动 比 较 大（ 如 转 过 一 个 拐 角 处）， 而 且 一 般 微 小 区 大 都 装 在 话 务 量 比 较 密 集 的 地 方， 而 这 些 地 方 的 干 扰 一 般 比 较 严 重。因 此， 在 微 小 区 实 施 跳 频 的 效 果 更 加 明 显。 5. 增 加 灵 敏 度 可 以 增 加 下 行 链 路 的 灵 敏 度 2 个 dBm。增 加 上 行 链 路 的 灵 敏 度 1 个 dBm。 下 行 上 行 无 SFHSFH 无 SFHSFH 灵 敏 度-98.8 dBm-100.8 dBm-105.3 dBm-106.3 dBm6. 实 施 跳 频 前 后 在 指 标 上 的 比 较Alcatel 已 经 在 一 个 较 大 的 网 络（600 BTS，3TRX/BTS） 中 成 功 地 实 施 了 慢 跳 频。 跳 频 在 一 个 有 5 BSC/60 BTS 的 城 区 进 行。 经 过 一 个 星 期 后 的 监 测 表 明， 网 络 质 量 有 了 明 显 的 改 善： 话 音 质 量 明 显 提 高（ 如 图7） 帧 误 码 率（FER） 降 低 50% 掉 话 率（CDR） 改 善 25%（ 如 图8） 呼 叫 失 败 率 改 善 15%（ 如 图8、 图9） 无 图7： 帧 误 码 率 掉 话 率呼 叫 失 败 率图8： 呼 叫 失 败 率 和 掉 话 率 图9： 切 换 失 败 率五、 如 何 在 已 开 跳 频 的 网 络 中 做 网 络 优 化 在 已 经 开 启 跳 频 的 网 络 中， 我 们 又 将 如 何 进 行 网 络 调 整 呢？ 如 何 找 出 干 扰 和 被 干 扰 的 频 点 呢？ 跳 频 网 络 与 非 跳 频 网 络 的 最 大 差 别 在 于 跳 频 网 络 的 载 频 的 频 点 在 不 停 的 变 换（ 除 了 BCCH 信 道（RFH） 或 BCCH 的 TS0（BBH）。 因 此， 跳 频 网 络 的 网 络 优 化 的 主 要 差 别 在 于 如 何 找 出 干 扰 频 点。 如 何 找 出 干 扰 频 点 如 图10 所 示， 可 以 关 闭 一 些 时 隙 的 跳 频， 然 后 对 这 些 时 隙 进 行 干 扰 分 析， 从 而 找 出 干 扰 频 点。 这 样 可 以 尽 量 减 少 对 网 络 的 影 响。 图10：TS3 关 闭 跳 频 上 海 贝 尔 阿 尔 卡 特 无 线 网 络 优 化跳 频 在 GSM 中 的 应 用 第15 页附 录 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 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