GSM数字蜂窝移动通信系统网络优化设计
图2．6 GSM的电波传播特性
移动环境对移动通信链路(也就是移动信道)特性起着关键性作用。多径衰落是移动通信中最具有特色的部分。由于多径传播，到达移动台包括的直射波、反射波和绕射波等都在变，且电波到达接收点的振幅和相位不可能一样，根据研究，在移动通信中由于多径效应、无线传输损耗和阴影衰落等综合因素的影响，因此典型的实测接收信号场强如下图所示：
图2．7接收信号场强图
从系统工程角度来看，传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖情况。必须采用合理的规划设计来消除这种不利的影响。而多径衰落会严重影响信号传输质量，并且由于环境复杂的特点是不可以避免的，在GSM系统中采用了信道编码和交织技术、跳频和自适应均衡技术多种方式来对抗衰落，在规划中要求考虑到多径衰落，并对衰落率要留有设计裕量。
2.5.3 GSM无线关键技术
(1).交织技术
在陆地移动通信的无线接口中，比特差错经常是成串发生的。这是由于多径衰落造
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成的持续较长的深衰落空洞会影响到一连串相关的比特。然而，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。为了解决这一问题，就要找到把一条消息中的相关比特分开传播的方法，即一条消息中的相关比特以非相关方式被发送，以降低多径衰落的影响。这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相关比特串的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)的差错，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，就能恢复原消息。这种方法就是交织技术。 (1)．交织技术的一般原理
如图所示。假定序列A由4个4比特组成的消息分组，如直接发送，在空中受到干扰，第二个比特分组全部丢失，则导致在接收端无法解出第二个比特分组的信息。
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 序列A（发送）
1 2 3 4 × × × × 1 2 3 4 1 2 3 4 序列A（接收一）
1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 序列A（交织）
1 1 1 1 × × × × 3 3 3 3 4 4 4 4 序列A（接收二）
1 × 3 4 1 × 3 4 1 × 3 4 1 × 3 4 序列A（去交织）
图2.8 交织技术原理
如果把序列A的4个相关的比特分组中的第1个比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作第一帧，4个消息分组中的比特2～4，也作同样处理，然后依次传送第1比特组成的帧，第2比特组成的帧。在传输期间，帧2丢失，如果没有交织，那就会丢失整个消息组，但采用交织后，可见仅每个消息组的第2比特丢失，再利用信道编码及去交织，全部分组中的消息仍能得以恢复，这就是交织技术的基本原理。概括地说，交织就是把码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，因此n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大，所以在实际使用中必须作折衷考虑。 (2)．GSM系统采用的交织方式
在GSM系统中，信道编码后进行交织，交织分为两次，第一次交织为内部交织，第
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二次交织为块间交织。
话音编码器和信道编码器将每一20ms话音数字化并编码，成为456个比特的声码块。首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特.
如果将同一组20ms话音的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中，那么该突
Block n-1 (456 bits)
57 bits Block n (456 bits)
Block n+1 (456
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7
2 x 57
交织
.....
114 bits 114 bits 114 bits 114 bits 114 bits 114 bits 114 bits 114 bits .....
加入偷帧位
.....
116 bits 116 bits 116 bits 116 bits 116 bits 116 bits 116 bits 116 bits .....
映射到脉冲
..... burst n-3 burst n-2 burst n-1 burst n burst n+1 burst n+2 burst n+3 burst n+4 .....
1 time
图2.9 GSM 20ms话音编码交织
发脉冲串丢失则会导致该20ms的话音损失25％的比特，显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特。因此必须在两个话音帧间进行一次交织，即块间交织。即把每20ms话音456比特分成的8帧为一个块，假设有A、B、C、D四块，在第一个普通突发脉冲串中，两个57比特组分别插入A块和D块的各1帧，这样一个20ms的话音8帧分别插入8个不同普通突发脉冲序列中，然后一个一个突发脉冲序列发送，发送的突发脉冲序列首尾相接处不是同一话音块，这样即使在传输中丢失一个脉冲串，只影响每一话音比特数的12.5％，而这能通过信道编码加以校正。
此外，为了达到更好的效果，对于同一脉冲串内的不同码块，再次进行二次交织。如下图所示：
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语音编码260 bits260 bits260 bits信道编码456 bits456 bits456 bitsB0B1B2B3B4B5B6B7C0C1C2C3C4C5C6C7D0D1D2D3D4D5D6D7交织C0块内交织TailC3(0)B7(0)C3(1)B7(1)C3B7C3TrainingB7C3B7SFSF(27)(27)(28)sequenz(28)(29)(29)26 bitsC3B7C3B7(55)(55)(56)(56)TailGP8.25 bitsB4C1B5C2B6C3B7D0C4D1C5D2C6D3C7物理时隙 图2.10 GSM的二次交织
二次交织进一步打乱了信息的相关性，提高了系统抗多径衰落的能力，但却增加了系统时延。因此，在GSM系统中，移动台和中继电路上增加了回波抵消器，以改善由于时延而引起的通话回音。 (2). 跳频技术 (1)．跳频概述
跳频就是按照预先定义的跳频序列（FHS）随机地改变正在进行通信的信道所占用频率的技术。在同一个频道组内，各跳频序列应是正交的，各信道在跳频传输过程中不能被碰撞。
过去采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性，它首先被用于军事通信，后来发现在移动通信中，电波传播多径效应引起的瑞利衰落与传输的发射频率有关，衰落空洞将因频率的不同发生在不同地点，如果在通话期间载波频率在几个频点上变化，则传送信息仅在短时间内受到衰落空洞的影响，尤其是处于多径环境中的漫速移动的移动台通过采用跳频技术，能大大改善移动台的通信质量，可达到频率分集的效果。此外，跳频还具有干扰分集的作用。由于跳频频道间的不相关性，分离了来自许多小区的同频干扰，可提高蜂房小区的容量。
跳频系统分为快跳频和慢跳频两种。慢跳频的跳频频率低于或等于调制符号速率，即在一个或几个调制符号周期内跳频一次；快跳频的跳频频率大于调制符号速率，即在一个调制符号周期内跳频一次以上。 (2)．GSM的跳频技术
在GSM标准中采用慢跳频技术。每秒217跳，每跳周期为1200比特。GSM系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种。
基带跳频的原理是将话音信号随着时间的变换使用不同频率发射机发射，其原理图如图所示。
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TRX1 TRX2 TRX3 TRX4 0 1 2 3 4 5 6 7
图2.11基带跳频原理
由上图可见，基带跳频中可供跳频的频率数N(hop)≦基站载频数N(TRX)。基带跳频适用于合路器采用空腔耦合器的基站，由于这种空腔耦合器的谐振腔无法快速改变发射频率，故基站无法靠改变载频频率的方法实现跳频。实施的方框图如图所示，其中，收发信机负责无线信号的接收与发送，基带处理单元进行信道的处理。
基带处理1 基带处理2 收发信机1 路由转接器 收发信机2 耦 合 器
图2.12基带跳频实施框图
为了实现基带跳频，如上图所示，收发信机与基带处理单元之间的连接由路由转接器来控制，在用户通信过程中，要求无论移动台通信频率如何变化，负责处理用户链路的基带处理单元要保持不变，而基带跳频中所有收发信机的频率也不变。那么，怎样才能确保跳频实现呢？其实只要在路由转接器中根据预先设定的跳频方式来改变收发信机与基带处理单元之间的连接，就能保证该基带处理单元与用户之间的通信链路始终保持畅通。由此可见，由于频率变换的范围仅限于基站所拥有的收发信机的个数，故跳频的频率数N(hop) ≦基站载频数N(TRX)。
射频跳频是将话音信号用固定的发射机，由跳频序列控制，采用不同频率发射，原理图如图2-11所示。射频跳频为每个时隙内的用户均跳频（TRX1因为是BCCH信道所在的载频，故不跳频），可供跳频的频率数N(hop)不受基站载频数N(TRX)的限制，GSM规范规定每个小区最多可有64个频率供跳频。
0TRX1TRX21234567
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