GSM無線信道差錯控制方法

鐘禮軍
1　GSM無線信道概述


　　GSM無線信道涉及信道編碼、二次交織技術(shù)、時序調(diào)整和GMSK調(diào)制技術(shù)等�，F(xiàn)在，許多廠家的GSM設(shè)備還運用分集接收、頻率跳頻和MS、BTS動態(tài)功率控制等技術(shù)來改善無線傳輸中的差錯。


　　在實際應用中，比特差錯經(jīng)常成串發(fā)生，這是由于持續(xù)時間較長的衰落谷點會影響到幾個連續(xù)的比特，而信道編碼僅在檢測和校正單個差錯和不太長的差錯串時才最有效。為了糾正這些成串發(fā)生的比特差錯及一些突發(fā)錯誤，GSM運用交織技術(shù)來分散這些誤差。


　　GSM無線信道是針對復雜的無線環(huán)境并結(jié)合話音通信的特點來設(shè)計信道控制方法的，如話音不連續(xù)發(fā)射就是根據(jù)特點來考慮信道的，分集接收是提高信號接收質(zhì)量的重要手段。


2　GSM無線信道差錯控制方法


　　考慮到GSM基本上是以話音為主的蜂窩移動通信網(wǎng)，無線信道應采用適應話音特點的信道控制方法來克服或分散差錯的發(fā)生。例如，采用交織方法分散差錯的發(fā)生，采用跳頻和功率動態(tài)控制降低蜂窩間頻率的干擾，以及采用GMSK適應話音的調(diào)制方案等。


　　下面將重點介紹與GSM密切相關(guān)的信道差錯控制方法及實際應用的注意事項。


2.1　交織是GSM信道編碼的重要糾錯機制


　　信道編碼用于克服無線信道傳輸過程中的誤碼。通過信道編碼，能檢出和校正接收比特流中的差錯，克服無線信道的高誤碼缺點。


　　由于GSM系統(tǒng)采用了TDMA技術(shù)，交織方案有其自身的特點。下面以移動臺的工作機理為例，說明交織在GSM中的應用。


　　移動臺接收到的信號是不連續(xù)的，每幀接收到一串數(shù)據(jù)后，除去保持比特和訓練序列，所得到的信息量為114bit，因此信道編碼后20ms的話音要分成57bit，即分成8組，用4個幀才能送完。為了克服比特差錯的成串發(fā)生，可利用交織把一條消息中的相繼比特隔開，將它們以非相繼方式發(fā)送，從而使成串的差錯化較短的差錯串。一次交織在20ms話音內(nèi)進行，二次交織在相鄰的兩個20ms話音進行。


　　信道編碼器為每段20ms話音提供456bit，根據(jù)上述交織原理，將456bit分成8組，每組57bit，用4個TDM幀發(fā)送。發(fā)送時，按非連續(xù)方式發(fā)碼，即對它們作交織處理。這個比特處理過程稱為第一次交織。第一次交織是在20ms的話音中進行的。


　　設(shè)某用戶進行通話，每20ms產(chǎn)生一個456bit的話音幀，假設(shè)現(xiàn)有A、B、C、D4幀，每幀第一次交織后形成8組，每組57bit，如果每幀的114bit取自同一話音幀并插入同一突發(fā)脈串，那么該突發(fā)脈沖串如果喪失，將總共喪失25％的比特，而信道編碼難以應會丟失如此多的比特，所以必須在兩個話音幀間再進行一次交織。


　　第二次交織是在兩個20ms的話音間進行的。第二次交織后，每串突發(fā)脈沖串發(fā)送相鄰兩個20ms各57bit的信息，每20ms的話音要分成8個TDMA幀才能送完。


　　二次交織將增加系統(tǒng)的時延，但卻能經(jīng)得住喪失整個突發(fā)脈沖串的打擊，因為喪失一個脈沖串只影響每個話音幀比特數(shù)的12.5％，而這是能通過信道編碼加以校正的。


2.2　GMSK調(diào)制


　　GMSK是一種特殊的數(shù)字調(diào)頻方式，它通過在載頻上增加或減少67.708KHz來表示“0”或“1”。利用兩個不同頻率來表示“0”和“1”的方法稱為FSK。在GSM中，數(shù)據(jù)的比特率選擇為頻偏的4倍，稱為MSK，采用高斯預調(diào)制濾波器，可進一步減少調(diào)制頻偏（減至125KHz范圍內(nèi)），防止能量擴散到鄰近信道的頻道上去。這種調(diào)制方式的干擾比其它調(diào)制方式少，適合數(shù)字移動通信。


2.3　頻率跳頻


　　采用跳頻技術(shù)是為了確保通信的秘密性和抗干擾性。起初，它主要用于軍事通信，后來在GSM標準中也被采納。瑞利衰落的衰落圖形與頻率相關(guān)，即衰落谷點將因頻率不同而發(fā)生于不同的地點。這樣，如果在呼叫期間讓載波頻率在幾個頻率點上變化，并假定只在一個頻率上有一衰落谷點，那么僅會損失呼叫的一小部分，而采用復雜的信號處理過程能重新恢復全部信息內(nèi)容，這種方法稱為跳頻。
　　呼叫期間，載波頻率在幾個頻率上變化，以克服瑞利衰落，因為瑞利衰落谷點只是對某一頻點有效，對另一頻點無效。跳頻相當于頻率分集，可以抵抗衰落現(xiàn)象，這是采用它的最主要原因。


　　GSM系統(tǒng)中的跳頻分基帶跳頻和射頻跳頻兩種�；鶐�跳頻是將同一路話音信號隨時間的變化使用不同頻率的發(fā)射機發(fā)射。射頻跳頻是將話音信號用固定的發(fā)射機采用不同頻率發(fā)射。射頻跳頻比基帶跳頻具有更高的性能改善和抗同頻干擾能力，但其缺點是：射頻跳頻目前尚未成熟；只有當每小區(qū)擁有4個以上頻率時效果才比較明顯；射頻跳頻必須使用寬帶合成器，每小區(qū)若使用4個載頻，就需配置3個寬帶合成器，損耗約6dB，比空腔合成器的損耗大3dB左右；對基站覆蓋范圍有一定影響。綜上原因，大多數(shù)廠家的BTS都采用基帶跳頻技術(shù)，而不用射頻跳頻技術(shù)。


2.4　MS、BTS動態(tài)功率控制


　　MS的功控是標準的，所有GSM的MS都能經(jīng)2dB為一等級調(diào)整，GSM900的MS最大功率是8W（規(guī)范中最大是20W，但現(xiàn)在還沒有20W的MS存在），GSM1800的MS最大功率為1W，它們能以0-5共6級進行調(diào)整。


　　對于BTS功控，目前各廠家差別不大，但規(guī)范中并未對此作出規(guī)定，所以可能存在差別。以愛立信的BTS為例，其最大發(fā)射功率為46dBm，以0-15共16級進行調(diào)整，功率控制的相關(guān)信令在SACCH上傳送，該功能在RR連接建立后就啟用。（默認時）。


2.5　話音不連續(xù)發(fā)射


　　該方式是僅在話音需發(fā)送時，發(fā)射機才工作的一種工作模式。發(fā)話時，話音和背景噪聲一起發(fā)送，將發(fā)送端背景噪聲的參數(shù)傳給接收端，接收端存儲這些參數(shù)，合成與發(fā)端相似的噪聲，不發(fā)話時，僅播放合成的噪聲，以滿足聽覺需要。發(fā)送側(cè)需有話音活動檢測器，以檢測話音是否存在。該技術(shù)在MS和BTS側(cè)都能采用，網(wǎng)絡(luò)操作者可自由選擇（在定小區(qū)數(shù)據(jù)時）。該技術(shù)的采用減少了空中干擾電平，與動態(tài)功率控制技術(shù)一起使用，可大大減少因頻率復用而產(chǎn)生的來自通信網(wǎng)自身不可避免的干擾。


3　應用中應注意的問題


3.1　跳頻的應用


　　根據(jù)愛立信的推薦，若載頻數(shù)大于2，則開跳頻（HOP=ON）；若載頻數(shù)小于2或給定的頻點數(shù)小于2，則不開跳頻。在采用跳頻的小區(qū)中，可任選跳頻序列號（HSN），但必須注意，采用相同頻率組的小區(qū)必須采用不同的跳頻序列號，否則會干擾通話。


3.2　時間色散


　　在接收端，由于射頻信號的反射作用，接收機收到的信號是多種多樣的，其中有的反射信號來自遠離接收天線的物體，這種反射信號經(jīng)過的路程比直射信號長很多，因而會形成相鄰符號間的相互干擾。這種現(xiàn)象稱為時間色散。出現(xiàn)時間色散的典型環(huán)境為山區(qū)、丘陵城市和高層金屬建筑等。出現(xiàn)時間色散的條件為（反射路徑-直射路徑）>1.1km。避免有害時間色散的方法有：將BTS設(shè)在離建筑物盡可能近的地方；將BTS背對反射物，天線的前景比高。


3.3天饋線系統(tǒng)


3.3.1分集距離


　　要想分集增益高，必須使用兩根接收天線水平，而且相距10倍以上波長。在實際安裝過程中，由于受空間的限制，往往達不到要求，造成一根天線形同虛設(shè)，從兩根天線接收的信號相關(guān)性很強，得不到高分集增益，這種情況下，應使用雙極化天線避免空間問題。


3.3.2　隔離度


　　另一種情況是分集條件滿足了，但天線間的隔離度又無法滿足。天線的隔離度是指一根天線出來的信號到達另一根天線時的衰減。


3.3.3駐波比（VSWR）


　　駐波比是衡量天線系統(tǒng)能否很好工作的一個指標，其公式是V=(1+R)/(1-R)，其中R為反射系數(shù)，R=(Pr/Pf)/2，Pf為前向功率，Pr為反向功率。


　　對于一個天饋線系統(tǒng)，如果反向功率過大，表明沒有把前向功率有效地輻射出去。


　　無線基站發(fā)射和接收信號都是通過天饋線系統(tǒng)來完成的，因此天饋線系統(tǒng)的安裝質(zhì)量和運行情況將直接影響通話質(zhì)量、無線信號覆蓋和收發(fā)信機的工作狀態(tài)。當發(fā)射天饋線系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)射信號會產(chǎn)生損耗，影響基站的覆蓋范圍。當發(fā)射天饋線系統(tǒng)故障較嚴重時，基站會關(guān)閉與其相連的收發(fā)信機。當接收天饋線系統(tǒng)發(fā)生故障時，則其接收由移動臺發(fā)射來的信號將會減弱，在移動臺接收信號簋強的基站范圍內(nèi)會出現(xiàn)不能占用該基站無線信道的現(xiàn)象，同時也會影響通話質(zhì)量，甚至導致掉話。目前，基站只是對發(fā)射天饋線系統(tǒng)進行監(jiān)視，沒有對接收天饋線系統(tǒng)進行監(jiān)測，當接收天饋線系統(tǒng)發(fā)生故障而影響網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量時，不會產(chǎn)生任何告警，維護人員無法及時進行準確的故障定位。當天線的隔離度達不到要求時，將使一部發(fā)信機發(fā)射的信號侵入另一部發(fā)信機，并與該發(fā)信機的輸出信號發(fā)生互調(diào)，產(chǎn)生新的組合頻率信號，并隨用用信號一起發(fā)射出去，從而對接收機產(chǎn)生干擾。因此，規(guī)范地安裝天饋線系統(tǒng)是保證通話質(zhì)量的前提。對于天饋線系統(tǒng)方面的檢查也是網(wǎng)優(yōu)的一個重點。天饋系統(tǒng)是實現(xiàn)好的差錯控制技術(shù)的基礎(chǔ)。


摘自《電信快報》2002.9