跳频在GSM中的应用

1、.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

2、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.专业资料 .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

3、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.专业资料 .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

4、 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.专业资料 .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。01234567TRX1TRX201234567TRX1TRX3TRX4TRX2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

5、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。.专业资料 .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

6、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。无 跳 频PF1NoI2HoppingF1F2C1I1F2BS1MS2MS1采 用 跳PF1频率分极FrequencyFrequencyDiversity频HoppingF2F1,F2,F3干 Interf

7、erence扰分F2,F3,F1Diversity极BS1MS2MS1图3：频率分极和干扰分极的效果.专业资料 .(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

8、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。.专业资料 .? 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/I

9、Thr1 =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/ITh

10、r1 。 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，.专业资料 .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)

11、.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。.专业资料 .? 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=164 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/sd

12、TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCH4orbcchfhs_id,freq1, 01, 01, 01, 01, 01, 01, 0maioFU 2TCHSD/8TCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 01, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 1maio.专业资料 .FU 3TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 11, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 2maioFU 4TCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHTCHfhs_id,2, 21, 31, 31, 31, 31, 31, 31, 3maio? 射频跳频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、对已实施跳频网络的评估和结论1.

14、跳频序列中频率数多少的影响? 对载干比的影响.专业资料 .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。C/I16)15(dB)BTU3d14(ITU5/13Cd12eriu11qe10r9123456789101112跳 频 数number freq in hopping sequence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

15、适合仅配置2个载频的基站。掉改6H5C话善Te4n程率itta3nR的度epm2o(%)ervDo1rpm 0I-12345678Number跳of频TRX数(hopping（载频set 数size)）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.专业资料 .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

16、（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.专业资

17、料 .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-105.3-106.3 dBmdBm6. 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

18、BSC/60BTS 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）.专业资料 .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无SFH图7：帧误码率7.00%6.00%5.00%呼 叫 失Call4.00%Establish. Fail败 率3.00%掉 话 率2.00%Call Drop1.00%0.00%NoSF

19、HSFH图8：呼叫失败率和掉话率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)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？.专业资料 .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1

20、0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。01234567BCCHFU1FU2FU2图10：TS3 关 闭 跳 频.专业资料 .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 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erformanceof Slow Frequency Hopping in GSM (link-level)” , COST 231, Poznan, 1995.专业资料 . 9 Bruce McGuffin,揂 bound on frequency hopped GSM performance in co