第06章 无线寻呼系统(郭梯云)

.,第6章无线寻呼系统,6.1概述6.2无线寻呼网的结构及其系统组成*6.3寻呼信号及其编码*6.4寻呼接收机,.,6.1概述,6.1.1发展概况,无线寻呼的英文为Paging，它是由Page“呼叫找人”这个词意演化来的。由于在过去年代，要寻找公众场合某一个人时，常派仆人传递一张简单的便条，写明“给谁回一个电话”这类简要信息。用Paging这个词来作为无线寻呼的名称，就是表达这种作用。无线寻呼不同于广播找人，因为无线寻呼具有选择呼叫功能，即只有被呼用户的寻呼接收机才能有响应，而其它的寻呼接收机不会受打扰。,.,目前，无线寻呼系统正向着标准化、大容量、联网和自动化方向发展。其中，无线寻呼接收机将继续朝着缩小体积、减轻重量、多功能、多款式、存储和显示信息量大等方向发展。传输的速率从512b/s#,1200b/s发展到3200b/s和6400b/s。为了满足不同用户需要，出现了手表式、卡片式、笔式和项链式等各种款式的无线寻呼机。,.,6.1.2无线寻呼系统分类,无线寻呼系统按用户类别可分为专用和公用两大类。专用无线寻呼系统，其寻呼中心一般与市话网不相连，而是由各单位自建的一种独立寻呼系统，寻呼范围仅限于本单位区域，发射机功率较小，寻呼中心仅与本单位小交换机相连接。这种专用寻呼系统多用于医院、大型企业、车站、港口等部门。得到更为广泛应用的是公用无线寻呼系统。,.,无线寻呼系统由寻呼中心(亦称寻呼台)、基站和寻呼接收机等组成。寻呼中心有人工控制和自动控制之分；基站可分为单基站和多基站；寻呼接收机主要可分为数字机和字母机(英文或汉字)两种。无线寻呼信号编码格式广泛使用的是POCSAG(PostOfficeCodeStandardizationAdvisoryGroup)码。它是由英国邮政代码标准化咨询组制定的，后来被推荐为无线寻呼国际1号码，或称作CCIRNo.1无线寻呼码。其传输速率有512b/s和1200b/s两种。近年来，在高速无线寻呼系统中，广泛使用FLEX码，其速率可达6400b/s。其码字组成与POCSAG码相同，采用BCH(31,21)纠错码，另加一位奇偶校验码，因此每个码字为32位，信息占21位，汉明距离为6。,.,6.1.3无线寻呼系统标准化,表6-1我国无线寻呼系统的频率,.,发射机的主要技术指标：发射机功率：发射机额定功率为1W、5W、10W、25W和100W。频率容限(160MHz频段)：对于单发射机工作，应优于510-6(频率稳定度应优于110-6/年)；对于多部发射机工作，应优于110-6(频率稳定度应优于510-7/年)。邻近频道功率：邻近频道功率至少比载频功率低70dB。,.,杂散辐射：25W及其以下功率的发射机杂散辐射：2.5W;25W以上功率的发射机杂散辐射：比载频功率至少低70dB。机体辐射2.5W。输出阻抗：50。平均无故障时间(MTFB)20000小时。,.,寻呼接收机的主要技术指标：灵敏度：数字显示机5V/m;汉字显示机10V/m。选择性：在25kHz(VHF频段)：60dB。杂散辐射10nW。平均无故障时间(MTFB)30000小时。数字显示位长12位。汉字显示字数14个汉字。,.,6.2无线寻呼网的结构及其系统组成,6.2.1局域(本地)无线寻呼网的结构及其系统组成,1.单区制的结构及其组成(1)单区制-人工接续方式。人工接续方式的单区制本地无线寻呼网的结构示意图如图6-1所示。,.,图6-1单区制本地无线寻呼网的结构示意图,.,所谓单区制就是整个服务区仅设一个基站发射台，服务范围为基站的有效覆盖范围。对于室外接收，半径约为1525km;对于室内接收，半径约为58km。由图6-1可见，基站与寻呼中心之间以专用中继电路相连。可采用电缆或微波传输手段。寻呼中心经中继线接入市话端局和/或市话汇接局。寻呼中心一般由无线寻呼服务台、排队器和编码器以及调制器组成。通过中继链路将调制信号送往基站。基站主要由解调器、发射机和天线等组成。,.,(2)单区制-自动接续方式。,图6-2单区制本地无线寻呼系统组成方框图,.,2.多区制本地无线寻呼网的结构及特点,多区制(即多基站)主要特点是为了扩大覆盖服务，各基站使用同一个载频同时发送相同的寻呼信号。为使各基站能同时发送信号，选一个基站作为中心基站，以它为基准，外围基站发射信号都与中心基站发射的信号保持同步。,.,图6-3多区制本地无线寻呼网结构示意图,.,但多个基站同频工作时，带来的问题是在两个基站覆盖的交叠区将产生干扰。在交叠区域，由于载波频率相同会产生驻波效应，假若振幅接近相等、相位相反，则在某些地点合成信号电压接近于零，造成死点。此外，即使在非死点地方，由于两个基站来的信号，它们的传输路径不同，到达同一地点的时间不同，有可能形成码间干扰，产生较大的误码率，以致无法正常接收。为此，在多区制无线寻呼网中广泛采用频率偏置技术，并以三频制或五频制方式组网，如图6-4所示。,.,图6-4多区制结构的无线寻呼网频率配置示意图,.,设载频为fc，则,(6-1),式中,F(F1或F2)为频率偏置量，其值与采用的调制方式、频道间隔、信号传输速率和载频稳定度有关。,.,首先应该指出，F不能很大，必须使载频f2，f3,仍在寻呼接收机通带内。对于移频键控(FSK)调制方式，根据理论分析及实验结果，得出误码率与载频偏置量之间的关系曲线，如图6-5所示。图中，参变量为信噪比(Eb/Nb)，横坐标=FTb，F为相邻的两基站载频偏置量，Tb为码元宽度。,.,图6-5误码率与载频偏置量之间的关系曲线,.,由图可见，误码率与信噪比有关，但不管哪条曲线(即不同的信噪比)，F选择应在下式范围内，即,式中，Fb=1/Tb，即传输数码率。通常取F=Fb，这样当频率漂移f0.5Fb时，频率差异应落在(0.51.5)Fb之内。显然，这对多基站工作的发射机频率稳定度提出了更高要求。实际情况下，对于速率为512b/s时，F取500Hz,1000Hz;对于信号速率为1200b/s时，F取1000Hz,2000Hz。,.,6.2.2广域(区域)无线寻呼网的结构及其系统组成,1.人工接续方式的区域无线寻呼网(1)设专用传输电路和远程终端(126人工服务台)方式，即本地寻呼终端通过专用传输电路与区域网寻呼控制中心相连，其网络结构如图6-6所示。图中，A1为区域无线寻呼网控制中心所在地，A2、A3为A1相邻的区域。各地区的主呼用户通过本地区的市话汇接局接到本地区的126人工服务台，然后由本地区126人工台的话务员将寻呼消息处理后，传输到区域网寻呼控制中心，再在整个区域网内以同播方式同时寻呼。,.,图6-6区域无线寻呼网结构示意图,.,(2)利用公用分组交换数据网联网的方式。,图6-7利用公用分组交换数据网联网的无线寻呼网结构,.,2.自动连续方式的区域无线寻呼网自动接续方式的区域无线寻呼网的结构类似图6-6。它由区域网自动寻呼控制中心、各地的本地自动寻呼中心、基站和寻呼接收机组成。寻呼控制中心与本地寻呼终端采用专用数据链路，本地寻呼中心用中继线与本地电话网的汇接局或端局相连。寻呼中心主要由数据处理和网络控制两部分组成。此外，语音信箱(或语音邮箱)集中置于寻呼中心，本地寻呼中心不设语音信箱。,.,6.2.3无线寻呼网的主要性能,1.无线寻呼网性能指标(1)忙时寻呼率。我国确定忙时寻呼率为0.20.45呼/用户，即在一天中最忙的1小时内，平均每用户寻呼接收机被呼叫的次数为0.20.45次。(2)系统容量。系统容量不仅与忙时寻呼率有关，而且还决定于信号传输速率和编码方式。对于一个业务区而言，若每呼发送两次，服务容量约为1100026000用户/频道(信号速率为512b/s)或2600060000用户/频道(信号速率为1200b/s)。,.,(3)寻呼中心或本地寻呼终端与市话网相连接的中继电路呼损率：1%。(4)呼通率。所谓呼通率是指在无线频道上，不多于两次寻呼的成功概率(两次之间的时间间隔应60s)记作PCS，它与基站的覆盖范围、传播条件等有关，在系统设计时必须考虑，我国规定：市区或高密度用户区:PCS95%;#;郊区、农村：PCS91%。,.,2.基本寻呼功能一般本地网和区域网具有的寻呼功能可以称作基本寻呼功能，这些功能如下：,常规呼：复台呼：循环呼：定时呼：群呼：优先呼：紧急呼：,核定呼：指定呼：漫游呼：跟踪呼：持机者留言：查询：异地寻呼：,.,*6.3寻呼信号及其编码,6.3.1寻呼码的格式,POCSAG码具有地址容量大(超过200万个),能用数字09和标点符号或字母和数字等进行混合编码，并具有较强的检测、纠错能力。POCSAG码原规定速率为512b/s，为提高每频道用户数，近几年为512b/s和1200b/s兼容。采用FSK-NRZ(移频键控不归零信号)调制信号，以(f0+4.5kHz)代表“0”,(f0-4.5kHz)代表“1”。纠错编码采用BCH(31，21),加1bit偶校验。,.,图6-8国际1号无线寻呼码的格式,.,前置码的作用是使寻呼接收机获得位(比特)同步并进而取得字同步。前置码是一种常用的101010的交替码，以“1”开始，“0”收尾，共计576bit。当传输速率为512b/s时，传送前置码约需1.125s；当传输速率为1200b/s时，只需要0.48s。图6-8中，B为第一批码组；C为随后的第二批码组；D为一帧宽度，含2个码字，每个码字均为32bit。由图可知，每批码组包含17个码字，共计544bit，当传输速率是512b/s时，一批码组传输时间为1.0625s。,.,寻呼信号必须成批发送，每批码组必须包含1个字同步码字，后跟8帧。8个帧的编号为07，分别用“000”表示第0帧，“001”表示第1帧“111”表示第7帧。系统规定每部寻呼接收机的地址码必须按指定的帧发送。也就是说，部寻呼接收机只在该指定帧中识别其地址码字。任一用户的信息码字可以在任一帧发送，但必须紧跟用户的地址码。信息可以含1个码字或多个码字，信息的结束由下一个地址码字或空闲码字来指示。在任何码组中(除字同步码字)，若没有地址码字或信息码字，则用空闲码字填满。,.,如果待发的信息甚少，例如，寻呼台在相当长时间内只接到一个用户呼叫，编码器可以自动压缩批次，例如只需发送一批即停止发送。反之，如果寻呼信息甚多，编码器可以自动增加批次。显然，批次越多，编码器的效率越高，但下一批发送等待时间也越长。考虑到位同步需要，最大的批数限定为14批。,.,6.3.2码字的类型,码字按用途分类，分别有字同步码字、地址码字、信息码字和空闲码字等四种。各种码字均为32位，其位序号为1至32。第1位为最高位，先发送；第32位为最低位，最后发送。字同步码字组成如表6-2所示。,.,表6-2字同步码字,表6-3地址码字和信息码字结构,.,地址码字的第1位(即标志位)总是“0”，表明后续的为地址位。地址码字的第219位是地址比特，它对应于组成用户识别信号的21个比特中的高18位比特，构成用户地址码中最低三位有效比特用来指定8个帧中的某一帧，亦即最低三位无需发送，故称隐含比特。例如，某寻呼接收机地址码(或称用户识别号码)为十进制中第8号用户，则地址码字组成如图6-9(a)所示，最低三位为“000”,即对应八个帧中第0帧，寻呼台在寻呼该寻呼接收机时，它限定在第0帧中发送，如图(b)所示，因此末3位是有效的，但无需发送。,.,图6-9隐含比特示例,.,同理，对于第9号用户寻呼接收机而言，组成地址码的末三位为“001”也无需发送，寻呼台将在第1帧发送。或者说,该寻呼接收机只在第1帧识别地址码，而对其它帧的地址码不进行接收，它为寻呼接收机节省电源消耗提供了可能性。利用隐含比特的作用，可使地址码的容量从218个增至221个，即地址码总数超过200万个。,.,表6-4功能位组合类型与功能,.,表6-5空闲码字,.,6.3.3信息的格式与编码,1.仅用数字的信息格式仅用数字的信息格式采用二-十进制编码(即BCD码)，每个字符用4bit。4位二进制数00001001分别表示10个十进制数09，其余6个有两种表示方法：一种称作标准字符，分别表示备用、紧急指示符“U”、空格、连字符“”、括号等；另一种称作改进字符，分别表示A、B、C、D、E及空格，如表6-6所示。,.,表6-6仅用数字的字符,.,若寻呼接收机的信息采用这种格式，则该地址码的功能比特定为“00”。因为一个码字含32位，其中第221位为信息位，因此每个信息码字可含5个字符，多余字符可用空格字符填入。发送时，每个字符按字符的读出次序进行，字符中各比特从低位到高位传送，,.,例6-1若寻呼信息代号为2389，试画出它的信息格式。解因为信息标志位为1，先发送，“2389”的二进制数字分别为0010、0011、1000和1001，共占用16位信息比特，分别填入表中，再填入空格二进制代码1100，如图6-10所示。注意，发送顺序如图规定。第2231位为纠错编码(BCH)位，第32位为偶数校验位，,.,图6-10信息字符串(2389)举例,.,2.字母数字混合格式如果需要传输更多字符的消息，可以采用字母数字混合格式。它使用7位二进制数表示一个字符，一共可以有27=128种字符，包括英文字母(大写、小写各26个)、数字(09)及各种标点符号等，可参见CCITTNo.5规定。采用字母数字混合格式时，功能比特规定为“11”。像仅用数字的格式一样，比特发送顺序从每一个字符的比特序号1开始，字符的阅读顺序不变。由于每个码字的信息位为20bit，它不是7的整数倍，因此一个字符往往被分开在前后两个码字中，最后的消息码字中多余部分，以适当的非打印字符来填充，如“消息完”、“电文完”或“无效”等填满20bit，以使消息分成以20bit为单位的段。,.,3.汉字寻呼机的编码方法在以英文为母语或以拼音字母为母语的国家和地区，已能做到在DTMF(双音多频)电话机键入字母，故字母型寻呼自动化易于解决。而对于汉字寻呼机(亦称中文寻呼机)，这种自动化则困难较多。目前，中文寻呼机系统采用人工接续方式，每部寻呼接收机需有个汉字库。系统工作时由寻呼中心话务员接收用户信息，以简洁编排方式用五笔字型逐字输入寻呼操作系统，然后用POCSAG编码方式发出寻呼信号。,.,中文寻呼机主要有两种类型。一种是代码型汉字寻呼机。例如,由两位十进制数代码组成常用语句(100句)，寻呼发射系统只需传输两位数代码，寻呼接收机可直接显示与代码相对应的汉字。这种方式传输效率较高，但传输的信息内容有限。另一种是以汉字为主、代码为辅的方式。例如，在摩托罗拉公司顾问型中文寻呼机内含有中国标准GB231280简化字汉字库，每个汉字需要用14bit表示。为了提高传输效率，对于常用语句仍采用代码方式。,.,汉字寻呼机的寻呼台对寻呼内容必须加以限制，否则每频道可容纳的寻呼用户数将大大减小。举例来说，一次寻呼为20个汉字，即280bit，而一个信息码字只有20个信息位，传输20个汉字需14个码字，另加1个地址码字，一共需要15个码字。前面已经指出，POCSAG编码一组仅16个码字，因此传输20个汉字信息几乎占据了整个这批码组。,.,4.纠错编码为了提高地址和信息码的传输可靠性，国际无线寻呼1号码(即POCSAG码)采用BCH(31，21)码，再加1位偶数校验码，使每一个码字(32位)中1的个数为偶数，其汉明距离为6。编码分为两步：第一步采用BCH(31，21)编码，根据待编信息(21位)，增加10位校验位；第二步是加一位偶数校验码，即根据前31位中1的数目确定第32位是0或是1。具体来说，如果前31位中1的数目为偶数，则第32位应为0；如果前31位中1的数目为奇数，则第32位应为1，以使1的总数为偶数。,.,图6-11编码过程方框图,.,由图6-11可见，编码过程分为两步。第一步把输入的21位信息比特通过除法电路按模2方式除以生成多项式g(x)，在逻辑开关电路控制下，经过21位时钟脉冲后，21位信息全部通过除法器。这时除法器中10级触发器的状态对应于所求的余数。这10位余数在逻辑开关电路的控制下加到21位信息比特的后面，这样就完成了BCH(31,21)的编码，同时在这31位码的后面，先添加一位“0”，以构成32位码字。编码过程的第二步是添加一位偶校验位到最低有效位(第32位)，使得码字中“1”的数量为偶数。这个过程可以在逻辑开关电路控制下，很容易地通过一个触发器和模2加法器来完成。至此，整个BCH(31,21)加1位偶校验码的编码过程全部完成。,.,例6-2设21位信息位为100001100001100001100,生成多项式g(x)=x10+x9+x8+x6+x5+x3+1,试求POCSAG编码的码字。解由给定的21位信息位，写出对应的信息码多项式为,用xn-k乘m(x),即x10m(x)为,上式除以生成多项式g(x)，得到商式Q(x)和余式r(x)，即,(6-4),（6-5）,.,将式(6-4)和式(6-5)相加，即得前31位的编码多项式T(x)为,(6-6),由式(6-6)可知，T(x)项数为奇数，所以第32位(偶校验位)应加“1”，这样得出该码字为,.,6.3.4系统容量,无线寻呼系统容量主要指每频道可以服务的用户数量。寻呼中心的控制终端设备作为自动电话网的一个组成部分，通常选用1000、10000或100000的容量系列。控制终端容量的极限值要受一个频点所能处理用户数的限制。对于人工接续方式，此用户数量还受话务员座席数量等因素的限制。若按每个座席可处理300用户计，一万用户就约需30个话务员座席。,.,每一频道所能服务的用户数量并不取决于地址码数量，而是由数据传输速率、编码效率、忙时寻呼率和允许的发送延迟等因素决定的。除此之外，还应考虑发送前置码所用的时间。前置码的插入频度越高，即插入间隔越小，寻呼接收机的同步效果越好，但每频道所容纳的用户数量亦将随之减少。,.,按POCSAG信息码字的规定，信息码字码长32位，但只有20位是信息位。数字寻呼机每个数字需占用4个信息位，故每一信息码字可传送5个十进制数字或字符。信息的传送必须按整个码字传送，当最后的一个码字的信息量不足5个字符时，其不足的部分由编码器自动占用空白字符。假定寻呼一次含10个字符即40位，需用两个码字进行传送，加上寻呼一次需占用一个地址码字，故加起来寻呼一次至少占用3个码字，即需占用332=96位。若编码器每次发送14批次，码速率为512b/s，则编码器一次发送的位数为,.,前置码字+同步码字+(8帧2)14=576+32+(8322)14=8192位根据传输速率，寻呼机每小时可传送5123600=1843200位。故每小时可发送1843200/8192=225次。由于每次寻呼一个用户占用3个码字，即96位，则每次发送可寻呼的用户个数为,每小时可寻呼的用户个数为74225=16650个,.,实际情况下频道的可占用率仅为80%左右。也就是说，每小时实际可寻呼166500.8=13320个用户。又由于一般寻呼服务是每次呼叫后再追呼一次，则实际寻呼量需减半即每小时实际寻呼的用户为6660个。根据统计及有关规定，最忙小时寻呼率为(0.160.25)呼/用户，可以理解为有16%25%的寻呼用户在最忙的一小时内需要寻呼一次，现取最大值0.25，故在有追呼情况下每频道最大可容纳的用户数为6660/0.25=26640个。如果传送速率为1200b/s，则与码速率为512b/s相比，每频道可容纳用户数可倍增为乘以1200/512=2.34的系数。,.,6.3.5FLUX编码格式FLUX编码称作高速寻呼编码。它是一种全同步、多速率(1600b/s,3200b/s和6400b/s)、分时传送信息的编码格式。FLUX码每4分钟传输128帧为一个周期，每小时传输15个周期。每个FLUX寻呼接收机被分配在128帧的一个基本帧上，其地址放在每个帧的首部发送。这样，只要寻呼接收机未发现它的地址就立即进入电池节电状态，从而使FLUX寻呼接收机可获得更高的节电率。FLUX的帧结构如图6-12所示。一个小时分为15个周期，周期号从0到14，每个周期分为128帧，帧号从F0到F127，每帧时间为1.875s。每帧包含同步头和11块数据。同步头为115ms,每块时间为160ms。,.,图6-12FLUX帧结构,.,每帧的同步1部分用1600b/s速率发射，用于帧同步、符号同步和该帧其余部分的速率指示。采用FSK调制方式，共含112bit。已定义15种同步码，分别以A1A15表示。每种同步码均提供全系统的同步。寻呼接收机只响应A1A4同步码。当寻呼接收机检测到A5A15同步码字时，表示帧中无寻呼机信息，则寻呼接收机立即进入节电状态。帧信息部分也是以1600b/s速率发射，调制方式为FSK，共计32bit(即一个码字)，其中包含7bit帧号和4bit周期号。,.,同步2提供块同步信息，它包含的比特数随信号速率而变。若信号速率为1600b/s，调制方式为FSK时，包含40bit；如果信号速率为3200b/s，调制方式为FSK时，则包含80bit；如果信号速率为3200b/s，调制方式为4FSK(四相移频键控)，则包含80bit(40个字符)；如果信号速率为6400b/s，采用4FSK调制方式，则包含160bit(80个字符)。块数据包含块信息、地址区、向量区、信息区及空闲区。块数据结构参见图6-13所示的FLUX帧内容排列顺序。,.,图6-13FLUX帧内容排列顺序,.,块信息含14个码字(每个码字32bit)。最典型情况是只有一个码字，其中2个比特是指示地址区的，6个比特指示向量区的开始，2个比特用于指示业务溢出到下一个帧(跨帧)，3个比特指示系统重复值，4个比特用于指示在地址区首部的优先地址数目。码字2、3和4提供日历、时间设置和漫游系统要求的信息。地址区AF紧接在块信息B1码字之后，包括短地址(1个码字)、长地址(2个码字)。单音地址放在地址区的末尾，因为单音地址不需要向量。优先地址放在区的首部。,.,向量区VF开始于由块信息所指示的位置并且与地址区保持一一对应的关系。向量码字示出信息的开始位置并指示信息所包含的码字数目。信息区MF放置由向量区指定的信息码字。空闲区IB系指未使用的块，并填充无用的空闲码，例如在FSK1600b/s速率时，填充1、0交替码。每个码字均采用(31，21)BCH码加一位偶校验比特，其生成方式类同POCSAG码的码字生成方式。其详情可参阅高速无线寻呼系统空中接口标准(YDN0181996)。,.,*6.4寻呼接