跳频

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跳频(Frequency Hopping)

目录

什么是跳频[1]

  跳频是指用一定码序列出选择的多频率频移键控,使载波频率不断跳变,这是一种以“躲避”方式为主的抗干扰体制,为了对付跟踪式干扰,各国都力图提高跳频速度。

跳频的分类[2]

  跳频技术根据跳频的节奏分为慢跳频和快跳频。

  ·慢跳频:跳频速率低于信息比特率,即连续几个信息比特跳频一次。GSM系统属于慢跳频,跳频间隔通常为毫秒级,GSM系统的跳频速率最高为217次/秒。

  ·快跳频:跳频速率高于或等于信息比特率,即每个信息比特一次或以上。快跳频的跳频间隔通常为微秒级。

  跳频技术根据跳频方式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1所示,实施的方框图如图2所示。
Image:基带跳频.jpg
  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3所示,实施框图如图4所示。需要说明的是,射频跳频必须有两个发射机,一个固定发射载频F0,因它带有控制信道BCCH;另一发射载波频率可随着跳频序列的序列值的改变而改变。
Image:射频跳频.jpg

  射频跳频比基带跳频具有更高的性能改善和抗同频干扰能力,但其缺点是:

  1)射频跳频目前还不成熟。

  2)射频跳频只有当每小区拥有4个频率以上时效果比较明显。

  3)射频跳频损耗较大,对基站覆盖范围有一定影响。

  4)合成器要求网络中各基站必须同步,而目前很多供货商难以满足。

  综上原因,大多数厂家的BTS是采用基带跳频技术,而不采用射频跳频技术。

跳频的功能[2]

  1.引入跳频技术的目的

  随着数字移动通信网络的飞速发展,移动用户的急剧增加,网络中单位面积的话务量也在不断地增加。在某些大城市的市中心等繁华地段,在忙时甚至出现严重的话务拥塞情况,面对日益增长的话务需求,需要对网络进行扩容以满足容量和覆盖的要求。

  在网络建设的初期,由于用户数量不多,因此网络规划中首先考虑的是覆盖问题,但是随着网络的不断扩容,覆盖的不断完善,容量问题成为制约网络进一步发展的瓶颈。对于我国现在采用的GSM网络,由于受到频段的限制,在经过这么多年的快速扩容之后,容量上的限制表现得越来越明显。

  网络扩容通常可以采用以下几种方法:小区分裂,增加新的频段以及提高频率复用度来增加每个小区配置等方法。很显然,在网络建设的初期通常采用小区分裂,通过不断增加新的基站(宏蜂窝和微蜂窝基站)来达到扩容的目的。但是随着站距的不断接近,网络的干扰也在不断地增加,因此,当宏蜂窝基站的站距达到一定程度之后就很难在网络中增加新的基站。那么在这种情况下就出现了在GSM900网络的基础上引入DCSI800网络,通过引入这一新的频段来解决网络瓶颈问题。但是由于GSM900/DCSI800频段有限,而且各个运行商所分配到的频率资源不同,而且考虑到引入双频网的成本很高,因此可以考虑在现有的双频网络中通过提高频率复用度、增加单位面积的容量配置来达到节省网络成本和提高容量的目的,通过引入跳频、功率控制、不连续发射等无线链路控制技术来达到扩容的目的。

  2.跳频系统工作原理

  跳频技术是一种扩频通信技术,跳频技术具有通信的秘密性和对抗干扰的特点。因此,它首先被应用于军事通信

  跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种图案(序列)进行跳变。信息数据D经信息调制成带宽为Bd的基带信号后,进入载波调制。载波频率受伪随机码发生器控制,在带宽Bss(Bss>>Bd)的频带内随机跳变,实现基带信号带宽Bd扩展到发射信号使用的带宽Bss的频普扩展。跳频的载频受一个伪随机码的控制,在其工作带宽范围内,其频率合成器按PN码的随机规律不断改变频率。在接收端,接收机频率合成器受伪随机码控制,并保持与发射端变化规律相同。

  跳速的高低直接反映跳频系统的性能,跳速越高,抗干扰的性能越好,军事上的跳频系统可以达到每秒上万跳。实际上,移动通信GSM系统也是跳频系统,其规定的跳速为每秒217跳。出于成本的考虑,商用跳频系统跳速都很慢,一般在50跳/秒以下。由于慢跳跳频系统可以简单的实现,因此低速无线局域网产品常常采用这种技术

  3.跳频系统的特点

  跳频系统具有以下特点:

  ①跳频系统大大提高了通信系统抗干扰、抗衰落的能力

  ②能多址工作而尽量不互相干扰。

  ③不存在直接扩频通信系统的远近效应问题,即可以减少近端强信号干扰远端弱信号的问题。

  ④跳频系统的抗干扰性严格说是“躲避”式的,外部干扰的频率改变跟不上跳频系统的频率改变。

  ⑤跳频序列的速率低,通常情况下,码元速率小于或等于信息速率。在TDMA系统中,跳频速率往往等于每秒传输的帧数。GSM系统中每秒跳频为217次。

跳频参数[3]

跳频序列号

  1.定义

  GSM系统中,每个小区所使用的载频的集合用小区分配(CA)表示,记为{R0,R1,…,Rn-1},其中Ri表示绝对频道号。对于每次通信过程,基站和移动台所用的载频的集合用移动分配(MA)表示,记为{MO,M1,…,Mn-1),其中Mi表示绝对频道号。显然MA是CA的一个子集。在通信过程中,空中接口上采用的载频号是集合MA中的一个元素。变量移动分配索引(MAI)用来确定集合MA中一个确切的元素。根据GSM规范05.02给定的跳频算法,MAI是TDMA帧号FN(或缩减帧号RFN)、跳频序列号(HSN)和移动分配索引偏置(MAIO)的函数。其中,HSN确定跳频过程中频点运行的轨迹,采用相同MA的非同步相邻小区,取不同的跳频序列号可以避免在跳频过程中连续出现频率碰撞的发生。

  格式:

  此参数以十进制数表示,范围为0-63,其中:

  0:为循环跳频。

  1-63:为伪随机跳频。

  2.设置及影响

  在采用跳频的小区中可任选跳频序列号,但必须注意采用相同频率组的小区必须采用不同的跳频序列号。特例:在1×1网络中,一个基站下的3个小区采用相同的频率组,但由于FN(,帧号)相同为同步小区,此时3个小区采用相同的跳频序列号,通过合理规划MAIO避免一个基站下的3个小区的平频率碰撞。

移动分配

  1.定义

  GSM系统中的移动分配(MA)指示了一个跳频用的频率集合,即对于某个小区一旦确定了其MA,那么在该小区中通信频点将按一定的规律在MA给出的集合中跳变。

  参数移动分配确定了集合MA中的所有元素。

  2.格式

  MA是一个集合,其元素是GSM的所有频点,即:

  (1)对于GSM900系统为1-124和975-1023;

  (2)对于GSMI800系统为512-885。

  3.设置及影响

  MA应根据网络设计要求设置。

  4.注意事项

  (1)由于国内运营商GSM网没有占用GSM系统可用的所有频段,因此设置时必须注意不能超越可用的频段。

  (2)每个MA集合中的元素个数不可以超过63个。

  (3)MA中不可以包含BCCH载频。

  (4)当使用DTX且HSN=0(循环跳频时),MA的数目应避免为13的倍数。避免SACCH帧总出现在一个频点上。

移动分配索引偏置

  1.定义

  在通信过程中,空中接口上采用的载频号是集合MA中的一个元素。变量移动分配索引(MAI)用来确定集合MA中一个确切的元素。根据GSM规范05.02给定的跳频算法,MAI是TDMA帧号FN(或缩减帧号RFN)、跳频序列号(HSN)和移动分配索引偏置(MAIO)的函数。其中,MAIO是MAI的一个初始偏移量,其目的是为了防止多个信道在同一时间内争抢同一个载频。

  2.格式参数

  MAIO的取值范围为0-63。

  3.设置及影响

  MAIO可以由网络操作员设置。网络操作员在设置时需注意:

  (1)采用同一组MA的不同小区,在MAIO的取值上应保持一致。

  (2)采用不同的MAIO,可以让同一站址的不同扇区使用相同的频率组(MA)而不发生频率冲突。

参考文献

  1. 高跟娣主编.高等教育论坛.西安地图出版社,2006.7.
  2. 2.0 2.1 刘良华主编.移动通信技术.科学出版社,2007.8.
  3. GSM无线网络规划与优化.人民邮电出版社,2004年06月第1版.
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