跳頻在GSM中的應(yīng)用

1、.跳頻在GSM中的應(yīng)用一、跳頻的基本介紹跳 頻 就 是 使 手 機(jī) 在 每 個(gè) 突 發(fā) 序 列（Burst ） 后 改 變 自 己 的 頻率。跳頻是GSM 空中接口的一項(xiàng)重要特性，在GSM規(guī)范04.08、05.01、05.02中都有敘述。它是提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)容量的一項(xiàng)有效、經(jīng)濟(jì)的手段。二、跳頻的原理跳頻是按照固定的間隔改變頻率。跳頻可以分為兩種方式：一種是快跳頻（FFH），它的頻率變換速度比調(diào)制速度還要快；另一種稱為慢跳頻（SFH），也就是目前GSM所采用的跳頻方 式。1. 慢 跳 頻GSM采用的是8個(gè)時(shí)隙的TDMA系統(tǒng)。在慢跳頻中，當(dāng)一個(gè)手機(jī)占用一個(gè)時(shí)隙時(shí)，在一個(gè)突發(fā)序列內(nèi)只能在一個(gè)固定的

2、頻率上進(jìn)行發(fā)送和接收信息，并在跳到下一個(gè)時(shí)隙前轉(zhuǎn)由另外一個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行信息的收發(fā)，并以每秒217次的速率進(jìn)行跳頻。這項(xiàng)技術(shù)可以在話音信道（TCH）和信令信道（SDCCH）上采用。但廣播信道（BCCH）不能采用跳頻，因?yàn)槭謾C(jī)只能通過(guò)廣播信道.專業(yè)資料 .來(lái)測(cè)量相鄰小區(qū)的接收信號(hào)強(qiáng)度，因此，它必須要分配一個(gè)固定的頻點(diǎn)。而且，廣播信道上的所有時(shí)隙必須以滿功率發(fā)射，這 樣， 慢 跳 頻（SFH）、 功 率 控 制（PC）、 不 連 續(xù) 發(fā) 射（DTX） 都 不能在廣播信道上使用。2. 慢跳頻模式(1).如圖1所示，在空中接口方面，慢跳頻可以分為兩種模 式：*循環(huán)跳頻模式*隨機(jī)跳頻模式循環(huán)跳頻模式就是周期地

3、采用同一種跳頻序列；而隨機(jī)跳頻模式則采用一種預(yù)先定義好的、相對(duì)比較隨機(jī)的、相當(dāng)長(zhǎng)的跳頻序列，以達(dá)到隨機(jī)跳頻的目的。突 發(fā)序列.專業(yè)資料 .圖1：周期跳頻和隨機(jī)跳頻的原理（時(shí)隙1）(2).在基站方面，跳頻亦可分為兩種：? 基 帶 跳 頻（BBH）? 合成跳頻（又稱射頻跳頻（RFH）在基帶跳頻中（BBH），每個(gè)載頻（TRX）以固定的頻率發(fā)射。它是使手機(jī)在每個(gè)突發(fā)序列占用不同的發(fā)射單元來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻的。在基站內(nèi)部，基帶部分（FU）和射頻部分（CU）是分開的，這樣，跳頻就可以通過(guò)把FU轉(zhuǎn)接到相應(yīng)的CU上來(lái)實(shí)現(xiàn)。如Alcatel 的 G2 基 站 就 是 這 樣 實(shí) 現(xiàn) 基 帶 跳 頻 的。 基 帶 跳 頻

4、 的 跳 頻 數(shù)N(hop) 是 受 到 所 配 置 的 載 頻 數(shù) N(TRX) 限 制 的： N(hop)=N(TRX) 。圖2顯示了基帶跳頻和合成跳頻的不同。TRX1為BCCH頻點(diǎn)，BCCH設(shè)置在時(shí)隙0。圖中表明，TRX1只能在基帶跳頻中實(shí)施跳 頻。 但 值 得 一 提 的 是，Alcatel 的 微 小 區(qū)（ 1TRX） 可 以 實(shí) 現(xiàn) 合 成.專業(yè)資料 .跳頻，它是通過(guò)一個(gè)附加的發(fā)射器發(fā)射一個(gè)空的突發(fā)序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這在第4章節(jié)有詳細(xì)敘述。01234567TRX1TRX201234567TRX1TRX3TRX4TRX2圖2：基帶跳頻（左）和合成跳頻（右）3. 采用跳頻的優(yōu)點(diǎn)跳頻主要通過(guò)

5、兩個(gè)特性來(lái)提高傳輸質(zhì)量：? 頻率分極? 干擾分極(1).頻率分極對(duì)于在同一地點(diǎn)時(shí)，不同頻率的多徑衰落是不同的。當(dāng)采用了跳頻技術(shù)后，慢移動(dòng)手機(jī)將在不同的突發(fā)序列時(shí)經(jīng)歷不同的衰落，而不至于會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地停留在同一個(gè)頻率的多徑衰落的最低處。均衡器的差錯(cuò)校正算法可以減少這種衰落影響。在信號(hào)中斷時(shí)間短于交織碼的周期時(shí)，這種算法是非常有效的。因此，實(shí)施跳頻可以避免長(zhǎng)時(shí)間深度衰落，從而可以提高無(wú)線信號(hào)傳輸質(zhì)量，降低誤碼率。.專業(yè)資料 .對(duì)于快速移動(dòng)手機(jī)而言，它不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留在多徑衰落的最低處，因而不會(huì)受這種衰落的影響。由于頻率分極的優(yōu)點(diǎn)是建立在不同頻率引起不同的多徑衰落基礎(chǔ)上，因此在定義跳頻序列時(shí)，頻點(diǎn)間隔越大

6、越好。(2).干擾分極在同一個(gè)小區(qū)，有的頻率可能受到較少的頻率干擾而有較好的話音質(zhì)量，而有的頻率有可能受到較強(qiáng)的干擾。當(dāng)采用了跳頻技術(shù)后，采用干擾分擔(dān)的機(jī)理，使這一小區(qū)的每個(gè)頻率的干擾值都能降到一個(gè)平均的滿意值。需要注意的是，循環(huán)跳頻模式?jīng)]有干擾分極特性，因?yàn)樗奶l序列是固定的，不能使干擾和被干擾的頻點(diǎn)變得不相干。只有采用隨機(jī)跳頻才能體現(xiàn)干擾分極的優(yōu)點(diǎn)。圖3體現(xiàn)了頻率分極和干擾分極的效果。無(wú) 跳 頻PF1NoI2HoppingF1F2C1I1F2BS1MS2MS1采 用 跳PF1頻率分極FrequencyFrequencyDiversity頻HoppingF2F1,F2,F3干 Interf

7、erence擾分F2,F3,F1Diversity極BS1MS2MS1圖3：頻率分極和干擾分極的效果.專業(yè)資料 .(3). 提高網(wǎng)絡(luò)容量首先我們介紹一個(gè)叫平均復(fù)用度（ARCS）的概念，它是衡量網(wǎng)絡(luò)容量的一個(gè)重要參數(shù)：ARCS=帶寬/平均每小區(qū)載頻數(shù)平均復(fù)用度越小，網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)計(jì)到的容量越大，但網(wǎng)絡(luò)的干擾程度也越嚴(yán)重。由于跳頻的頻率分級(jí)和干擾分級(jí)的特性，使網(wǎng)絡(luò)的干擾程度大大降低，因此，在相同網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的前提下，采用跳頻的網(wǎng)絡(luò)可以采用更低的ARCS，這樣，每個(gè)小區(qū)可以配置更多的載頻，從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)容量的目的。三、跳頻的實(shí)施1. 實(shí)施的條件? 手機(jī)支持跳頻跳頻為手機(jī)的基本功能。如果手機(jī)不支持跳頻，則該

8、手機(jī)就不能在實(shí)施跳頻的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行正常的呼叫。目前已知不支持跳頻的手機(jī)有摩托羅拉8700，諾基亞2110。這二款型號(hào)的手機(jī)均為最早進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的第一代手機(jī)，其后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的手機(jī)應(yīng)均能支持跳頻。.專業(yè)資料 .? 由于跳頻的干擾分極特性，因此，必須在網(wǎng)絡(luò)整體質(zhì)量較好的前提下。也就是在網(wǎng)絡(luò)微調(diào)后，絕大部分無(wú)線信道都處于較好質(zhì)量的情況下，才可以實(shí)施跳頻。只有這樣，才能用來(lái)解決個(gè)別地區(qū)服務(wù)質(zhì)量相對(duì)較差的問(wèn)題，從而再進(jìn)一部提高全網(wǎng)的無(wú)線質(zhì)量。圖4顯示了8個(gè)手機(jī)在采用慢跳頻前后C/I對(duì)比。我們可以看到，在采用了跳頻之后，平均載干比（）并沒有變化，但最大載干比與最小載干比之差小了許多，載干比在下限（例如C/I

9、Thr1 =9dB ）以 下 的 手 機(jī)（3，6，7） 得 到 了 改 善。 同 時(shí)， 我 們 也注意到，原本C/I 較高的手機(jī)（1，2，8）在采用跳頻之后，反而有所降低。因此，只有在網(wǎng)絡(luò)平均載干比高于某個(gè)特定的C/I門限（ C/IThr ）時(shí)， 才 能 實(shí) 施 跳 頻。 否 則， 實(shí) 施 跳 頻 有 可 能 使 網(wǎng) 絡(luò) 變得更差。我 們 先 假 設(shè) C/IThr = C/IThr1（ 平 均 C/I C/IThr）： 采 用 跳 頻前 有 3 （3，6，7） 個(gè) 手 機(jī) 的 C/I 低 于 C/IThr1 ， 而 采 用 跳 頻 之 后， 沒有 一 個(gè) 手 機(jī) 的 C/I 低 于 C/ITh

10、r1 。 因 此， 在 這 種 情 況 下 采 用 跳 頻 可以改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。我 們 再 假 設(shè) C/IThr = C/IThr2（ 平 均 C/I C/IThr）： 采 用 跳 頻 前有 5 （3，4，5，6，7） 個(gè) 手 機(jī) 的 C/I 低 于 C/IThr2 ， 而 采 用 跳 頻 之 后，.專業(yè)資料 .反 而 有 7 （2， 3，4，5，6，7，8） 個(gè) 手 機(jī) 的 C/I低 于 C/IThr2 。 在 這 種情況下，實(shí)施跳頻將使網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變得更差。因此，我們認(rèn)為，只有在網(wǎng)絡(luò)總體質(zhì)量比較好的情況下，才能實(shí)施跳頻。圖4：手機(jī)在實(shí)施跳頻前后的C/I對(duì)照2. 在OMC-R 上開啟跳頻功能(1)

11、.有三個(gè)與跳頻有關(guān)的參數(shù)需要設(shè)置：? 跳頻序列（FHS）跳頻序列定義了可以參加跳頻的頻點(diǎn)。.專業(yè)資料 .? 跳 頻 序 列 碼（HSN）跳頻序列碼根據(jù)跳頻序列定義了跳頻的次序。? HSN=0 即為循環(huán)跳頻模式；? HSN=164 為隨機(jī)跳頻模式。? 手機(jī)分配偏移量（MAIO）MAIO 定義了跳頻時(shí)分配跳頻序列中第一個(gè)頻點(diǎn)的偏移量。(2).信道結(jié)構(gòu)設(shè)置對(duì)于4載頻的基站（BCCH=FU1），基帶跳頻和射頻跳頻的信道結(jié)構(gòu)可以設(shè)置如下：? 基帶跳頻由于BCCH的零時(shí)隙不能跳頻，因此在基帶跳頻中，至少需要定義2個(gè)跳頻序列。TS 0TS 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7FU 1bc/sd

12、TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCH4orbcchfhs_id,freq1, 01, 01, 01, 01, 01, 01, 0maioFU 2TCHSD/8TCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 01, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 1maio.專業(yè)資料 .FU 3TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 11, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 2maioFU 4TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 21, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 3maio? 射頻跳頻TS

13、 0TS 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7FU 1bc/sdTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCH4orbcchFU 2TCHSD/8TCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,1, 01, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 1maioFU 3TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 11, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 2maioFU 4TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,3, 21, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 3maio四、對(duì)已實(shí)施跳頻網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估和結(jié)論1.

14、跳頻序列中頻率數(shù)多少的影響? 對(duì)載干比的影響.專業(yè)資料 .如圖5所示，當(dāng)跳頻數(shù)達(dá)到4個(gè)以上時(shí)，所要求的C/I越來(lái)越低。也就是說(shuō)，跳頻數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量得到的改善也就越大。跳頻數(shù)為1時(shí)，表示沒有跳頻。C/I16)15(dB)BTU3d14(ITU5/13Cd12eriu11qe10r9123456789101112跳 頻 數(shù)number freq in hopping sequence圖5：跳頻數(shù)多少對(duì) C/I 的改善（TU3 源自 8，TU5 源自 13）? 對(duì)掉話率的影響（基帶跳頻）如圖6，當(dāng)跳頻數(shù)達(dá)到6個(gè)時(shí)，掉話率得到的改善最大。但只有兩個(gè)頻點(diǎn)參加跳頻時(shí)，掉話率反而變得更糟。因此，基帶跳頻不

15、適合僅配置2個(gè)載頻的基站。掉改6H5C話善Te4n程率itta3nR的度epm2o(%)ervDo1rpm 0I-12345678Number跳of頻TRX數(shù)(hopping（載頻set 數(shù)size)）圖6：跳頻數(shù)多少對(duì)掉話率的改善程度（源自2）2. 對(duì)快速移動(dòng)手機(jī)的改善.專業(yè)資料 .由于快速移動(dòng)手機(jī)不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留在一個(gè)地方，因此也不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留在多徑衰落的最低處，因而不會(huì)受多徑衰落的影響。但正是其速度較快，造成了C/I變化速度較快，導(dǎo)致切換的困難。采用跳頻可以改善C/I，從而提高快速移動(dòng)手機(jī)的切換成功率和降低切換掉話率。3. 可達(dá)到 1/3 復(fù)用：容量增加 74%（源自 6，12）1/3復(fù)用

16、（TCH）可以使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到很高的容量。4/12 復(fù)用的網(wǎng)絡(luò) 容 量 約 為 每 小 區(qū) 16.6Erlang （BWTCH = 36 ， 每 個(gè) 頻 點(diǎn) 8 個(gè) 話 音 時(shí)隙）。 而 采 用 1/3復(fù) 用 可 達(dá) 到 每 小 區(qū) 28.8Erlang ， 與 4/12復(fù) 用 的 網(wǎng)絡(luò)相比較，容量增加約74%。1/3復(fù)用很可能造成網(wǎng)絡(luò)干擾比較嚴(yán)重，掉話率比較高。但是在細(xì)致的網(wǎng)絡(luò)微調(diào)下， 1/3復(fù)用是可以做得到的：? 有效的質(zhì)量切換算法? BCCH仍然采用4/12 復(fù)用? 采用合成跳頻（RFH）? 采用一些可以降低干擾的技術(shù)，如不連續(xù)發(fā)射（DTX）、功率 控 制（PC） 等4. 微小區(qū)的跳頻.專業(yè)資

17、料 .由于微小區(qū)的信號(hào)波動(dòng)比較大（如轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)拐角處），而且一般微小區(qū)大都裝在話務(wù)量比較密集的地方，而這些地方的干擾一般比較嚴(yán)重。因此，在微小區(qū)實(shí)施跳頻的效果更加明顯。5. 增加靈敏度? 可 以 增 加 下 行 鏈 路 的 靈 敏 度 2 個(gè) dBm 。增 加 上 行 鏈 路 的 靈敏 度 1 個(gè) dBm 。下行上行無(wú) SFHSFH無(wú) SFHSFH靈 敏 度-98.8 dBm-100.8 dBm-105.3-106.3 dBmdBm6. 實(shí)施跳頻前后在指標(biāo)上的比較Alcatel 已 經(jīng) 在 一 個(gè) 較 大 的 網(wǎng) 絡(luò)（600 BTS，3TRX/BTS） 中 成 功 地實(shí)施了慢跳頻。跳頻在一個(gè)有5

18、BSC/60BTS 的城區(qū)進(jìn)行。經(jīng)過(guò)一個(gè)星期后的監(jiān)測(cè)表明，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有了明顯的改善：? 話音質(zhì)量明顯提高（如圖7）? 幀 誤 碼 率（FER） 降 低 50%? 掉 話 率（CDR） 改 善 25% （ 如 圖8）? 呼叫失敗率改善15%（如圖8、圖9）.專業(yè)資料 .1.8%1.6%1.4%1.2%1.0%FER SACCH of TCH0.8%0.6%FER Speech0.4%0.2%0.0%NoSFH無(wú)SFH圖7：幀誤碼率7.00%6.00%5.00%呼 叫 失Call4.00%Establish. Fail敗 率3.00%掉 話 率2.00%Call Drop1.00%0.00%NoSF

19、HSFH圖8：呼叫失敗率和掉話率8.00%7.00%6.00%5.00%4.00%No SFH3.00%2.00%SFH1.00%0.00%TCH failIncomingIncomingHO FailHO Fail(intra)(inter)圖9：切換失敗率五、如何在已開跳頻的網(wǎng)絡(luò)中做網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化在已經(jīng)開啟跳頻的網(wǎng)絡(luò)中，我們又將如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整呢？如何找出干擾和被干擾的頻點(diǎn)呢？.專業(yè)資料 .跳頻網(wǎng)絡(luò)與非跳頻網(wǎng)絡(luò)的最大差別在于跳頻網(wǎng)絡(luò)的載頻的頻點(diǎn)在不停的變換（除了BCCH信道（RFH）或BCCH的TS0（ BBH）。因此，跳頻網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要差別在于如何找出干擾頻點(diǎn)。? 如何找出干擾頻點(diǎn)如圖1

20、0所示，可以關(guān)閉一些時(shí)隙的跳頻，然后對(duì)這些時(shí)隙進(jìn)行干擾分析，從而找出干擾頻點(diǎn)。這樣可以盡量減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。01234567BCCHFU1FU2FU2圖10：TS3 關(guān) 閉 跳 頻.專業(yè)資料 .附 錄 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 requencyhopping results fr

21、om live DCS1800 network” EPMCC 95 proceedings-106. 3 D. Verhulst, J. L. Dornstetter,揅ellular Efficiency with slow FrequencyHopping: Analysis of the Digitial SFH900 Mobile System ” , IEEE area in comm, vol. SAC-5, No. 5, June 1987 4 Maric, S.V., 揅onstruction of optimal frequency hopping sequences for

22、 minimizing bit errors in selective fading channels characteristic to digitalcellular systems” , 1993, 43rd IEEEchVeh.Conf.Te. 5 Benny Vejlgaard, Jesper Johansen, Preben Mogensen and Jeroen Wigard,揅apacity Analysis of a Frequency Hopping GSM System ” , COST 231 1995 6 Jeroen Wigard and Preben Mogens

23、en,揅apacity of a GSM Network withFractional Loading and random Frequency Hopping” , PIMRC96, Taipei 7 Jeroen Wigard and Preben Mogensen ,揂 Simple Mapping from C/I toFER and BER for a GSM type of air-interface” , PIMRC96, Taipei 8 Preben Mogensen, Jeroen Wigard and Frank Frederiksen,揚(yáng)erformanceof Slow Frequency Hopping in GSM (link-level)” , COST 231, Poznan, 1995.專業(yè)資料 . 9 Bruce McGuffin,揂 bound on frequency hopped GSM performance in co