跳頻

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跳頻(Frequency Hopping)

目錄

什麼是跳頻[1]

  跳頻是指用一定碼序列出選擇的多頻率頻移鍵控,使載波頻率不斷跳變,這是一種以“躲避”方式為主的抗干擾體制,為了對付跟蹤式干擾,各國都力圖提高跳頻速度。

跳頻的分類[2]

  跳頻技術根據跳頻的節奏分為慢跳頻和快跳頻。

  ·慢跳頻:跳頻速率低於信息比特率,即連續幾個信息比特跳頻一次。GSM系統屬於慢跳頻,跳頻間隔通常為毫秒級,GSM系統的跳頻速率最高為217次/秒。

  ·快跳頻:跳頻速率高於或等於信息比特率,即每個信息比特一次或以上。快跳頻的跳頻間隔通常為微秒級。

  跳頻技術根據跳頻方式分為基帶跳頻和射頻跳頻兩種。

  基帶跳頻的原理是將話音信號隨著時間的變換使用不同頻率發射機發射,其原理圖如圖1所示,實施的方框圖如圖2所示。
Image:基带跳频.jpg
  射頻跳頻是將話音信號用固定的發射機,由跳頻序列控制,採用不同頻率發射,原理圖如圖3所示,實施框圖如圖4所示。需要說明的是,射頻跳頻必須有兩個發射機,一個固定發射載頻F0,因它帶有控制通道BCCH;另一發射載波頻率可隨著跳頻序列的序列值的改變而改變。
Image:射频跳频.jpg

  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:

  1)射頻跳頻目前還不成熟。

  2)射頻跳頻只有當每小區擁有4個頻率以上時效果比較明顯。

  3)射頻跳頻損耗較大,對基站覆蓋範圍有一定影響。

  4)合成器要求網路中各基站必須同步,而目前很多供貨商難以滿足。

  綜上原因,大多數廠家的BTS是採用基帶跳頻技術,而不採用射頻跳頻技術。

跳頻的功能[2]

  1.引入跳頻技術的目的

  隨著數字移動通信網路的飛速發展,移動用戶的急劇增加,網路中單位面積的話務量也在不斷地增加。在某些大城市的市中心等繁華地段,在忙時甚至出現嚴重的話務擁塞情況,面對日益增長的話務需求,需要對網路進行擴容以滿足容量和覆蓋的要求。

  在網路建設的初期,由於用戶數量不多,因此網路規劃中首先考慮的是覆蓋問題,但是隨著網路的不斷擴容,覆蓋的不斷完善,容量問題成為制約網路進一步發展的瓶頸。對於我國現在採用的GSM網路,由於受到頻段的限制,在經過這麼多年的快速擴容之後,容量上的限製表現得越來越明顯。

  網路擴容通常可以採用以下幾種方法:小區分裂,增加新的頻段以及提高頻率復用度來增加每個小區配置等方法。很顯然,在網路建設的初期通常採用小區分裂,通過不斷增加新的基站(巨集蜂窩和微蜂窩基站)來達到擴容的目的。但是隨著站距的不斷接近,網路的干擾也在不斷地增加,因此,當巨集蜂窩基站的站距達到一定程度之後就很難在網路中增加新的基站。那麼在這種情況下就出現了在GSM900網路的基礎上引入DCSI800網路,通過引入這一新的頻段來解決網路瓶頸問題。但是由於GSM900/DCSI800頻段有限,而且各個運行商所分配到的頻率資源不同,而且考慮到引入雙頻網的成本很高,因此可以考慮在現有的雙頻網路中通過提高頻率復用度、增加單位面積的容量配置來達到節省網路成本和提高容量的目的,通過引入跳頻、功率控制、不連續發射等無線鏈路控制技術來達到擴容的目的。

  2.跳頻系統工作原理

  跳頻技術是一種擴頻通信技術,跳頻技術具有通信的秘密性和對抗干擾的特點。因此,它首先被應用於軍事通信

  跳頻是指載波頻率在很寬頻帶範圍內按某種圖案(序列)進行跳變。信息數據D經信息調製成帶寬為Bd的基帶信號後,進入載波調製。載波頻率受偽隨機碼發生器控制,在帶寬Bss(Bss>>Bd)的頻帶內隨機跳變,實現基帶信號帶寬Bd擴展到發射信號使用的帶寬Bss的頻普擴展。跳頻的載頻受一個偽隨機碼的控制,在其工作帶寬範圍內,其頻率合成器按PN碼的隨機規律不斷改變頻率。在接收端,接收機頻率合成器受偽隨機碼控制,並保持與發射端變化規律相同。

  跳速的高低直接反映跳頻系統的性能,跳速越高,抗干擾的性能越好,軍事上的跳頻系統可以達到每秒上萬跳。實際上,移動通信GSM系統也是跳頻系統,其規定的跳速為每秒217跳。出於成本的考慮,商用跳頻系統跳速都很慢,一般在50跳/秒以下。由於慢跳跳頻系統可以簡單的實現,因此低速無線區域網產品常常採用這種技術

  3.跳頻系統的特點

  跳頻系統具有以下特點:

  ①跳頻系統大大提高了通信系統抗干擾、抗衰落的能力

  ②能多址工作而儘量不互相干擾。

  ③不存在直接擴頻通信系統的遠近效應問題,即可以減少近端強信號干擾遠端弱信號的問題。

  ④跳頻系統的抗干擾性嚴格說是“躲避”式的,外部干擾的頻率改變跟不上跳頻系統的頻率改變。

  ⑤跳頻序列的速率低,通常情況下,碼元速率小於或等於信息速率。在TDMA系統中,跳頻速率往往等於每秒傳輸的幀數。GSM系統中每秒跳頻為217次。

跳頻參數[3]

跳頻序列號

  1.定義

  GSM系統中,每個小區所使用的載頻的集合用小區分配(CA)表示,記為{R0,R1,…,Rn-1},其中Ri表示絕對頻道號。對於每次通信過程,基站和移動台所用的載頻的集合用移動分配(MA)表示,記為{MO,M1,…,Mn-1),其中Mi表示絕對頻道號。顯然MA是CA的一個子集。在通信過程中,空中介面上採用的載頻號是集合MA中的一個元素。變數移動分配索引(MAI)用來確定集合MA中一個確切的元素。根據GSM規範05.02給定的跳頻演算法,MAI是TDMA幀號FN(或縮減幀號RFN)、跳頻序列號(HSN)和移動分配索引偏置(MAIO)的函數。其中,HSN確定跳頻過程中頻點運行的軌跡,採用相同MA的非同步相鄰小區,取不同的跳頻序列號可以避免在跳頻過程中連續出現頻率碰撞的發生。

  格式:

  此參數以十進位數表示,範圍為0-63,其中:

  0:為迴圈跳頻。

  1-63:為偽隨機跳頻。

  2.設置及影響

  在採用跳頻的小區中可任選跳頻序列號,但必須註意採用相同頻率組的小區必須採用不同的跳頻序列號。特例:在1×1網路中,一個基站下的3個小區採用相同的頻率組,但由於FN(,幀號)相同為同步小區,此時3個小區採用相同的跳頻序列號,通過合理規劃MAIO避免一個基站下的3個小區的平頻率碰撞。

移動分配

  1.定義

  GSM系統中的移動分配(MA)指示了一個跳頻用的頻率集合,即對於某個小區一旦確定了其MA,那麼在該小區中通信頻點將按一定的規律在MA給出的集合中跳變。

  參數移動分配確定了集合MA中的所有元素。

  2.格式

  MA是一個集合,其元素是GSM的所有頻點,即:

  (1)對於GSM900系統為1-124和975-1023;

  (2)對於GSMI800系統為512-885。

  3.設置及影響

  MA應根據網路設計要求設置。

  4.註意事項

  (1)由於國內運營商GSM網沒有占用GSM系統可用的所有頻段,因此設置時必須註意不能超越可用的頻段。

  (2)每個MA集合中的元素個數不可以超過63個。

  (3)MA中不可以包含BCCH載頻。

  (4)當使用DTX且HSN=0(迴圈跳頻時),MA的數目應避免為13的倍數。避免SACCH幀總出現在一個頻點上。

移動分配索引偏置

  1.定義

  在通信過程中,空中介面上採用的載頻號是集合MA中的一個元素。變數移動分配索引(MAI)用來確定集合MA中一個確切的元素。根據GSM規範05.02給定的跳頻演算法,MAI是TDMA幀號FN(或縮減幀號RFN)、跳頻序列號(HSN)和移動分配索引偏置(MAIO)的函數。其中,MAIO是MAI的一個初始偏移量,其目的是為了防止多個通道在同一時間內爭搶同一個載頻。

  2.格式參數

  MAIO的取值範圍為0-63。

  3.設置及影響

  MAIO可以由網路操作員設置。網路操作員在設置時需註意:

  (1)採用同一組MA的不同小區,在MAIO的取值上應保持一致。

  (2)採用不同的MAIO,可以讓同一站址的不同扇區使用相同的頻率組(MA)而不發生頻率衝突。

參考文獻

  1. 高跟娣主編.高等教育論壇.西安地圖出版社,2006.7.
  2. 2.0 2.1 劉良華主編.移動通信技術.科學出版社,2007.8.
  3. GSM無線網路規劃與優化.人民郵電出版社,2004年06月第1版.
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