GSM无线信道差错控制方法

钟礼军
1　GSM无线信道概述

　　GSM无线信道涉及信道编码、二次交织技术、时序调整和GMSK调制技术等。现在，许多厂家的GSM设备还运用分集接收、频率跳频和MS、BTS动态功率控制等技术来改善无线传输中的差错。

　　在实际应用中，比特差错经常成串发生，这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到几个连续的比特，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最有效。为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误，GSM运用交织技术来分散这些误差。

　　GSM无线信道是针对复杂的无线环境并结合话音通信的特点来设计信道控制方法的，如话音不连续发射就是根据特点来考虑信道的，分集接收是提高信号接收质量的重要手段。

2　GSM无线信道差错控制方法

　　考虑到GSM基本上是以话音为主的蜂窝移动通信网，无线信道应采用适应话音特点的信道控制方法来克服或分散差错的发生。例如，采用交织方法分散差错的发生，采用跳频和功率动态控制降低蜂窝间频率的干扰，以及采用GMSK适应话音的调制方案等。

　　下面将重点介绍与GSM密切相关的信道差错控制方法及实际应用的注意事项。

2.1　交织是GSM信道编码的重要纠错机制

　　信道编码用于克服无线信道传输过程中的误码。通过信道编码，能检出和校正接收比特流中的差错，克服无线信道的高误码缺点。

　　由于GSM系统采用了TDMA技术，交织方案有其自身的特点。下面以移动台的工作机理为例，说明交织在GSM中的应用。

　　移动台接收到的信号是不连续的，每帧接收到一串数据后，除去保持比特和训练序列，所得到的信息量为114bit，因此信道编码后20ms的话音要分成57bit，即分成8组，用4个帧才能送完。为了克服比特差错的成串发生，可利用交织把一条消息中的相继比特隔开，将它们以非相继方式发送，从而使成串的差错化较短的差错串。一次交织在20ms话音内进行，二次交织在相邻的两个20ms话音进行。

　　信道编码器为每段20ms话音提供456bit，根据上述交织原理，将456bit分成8组，每组57bit，用4个TDM帧发送。发送时，按非连续方式发码，即对它们作交织处理。这个比特处理过程称为第一次交织。第一次交织是在20ms的话音中进行的。

　　设某用户进行通话，每20ms产生一个456bit的话音帧，假设现有A、B、C、D4帧，每帧第一次交织后形成8组，每组57bit，如果每帧的114bit取自同一话音帧并插入同一突发脉串，那么该突发脉冲串如果丧失，将总共丧失25％的比特，而信道编码难以应会丢失如此多的比特，所以必须在两个话音帧间再进行一次交织。

　　第二次交织是在两个20ms的话音间进行的。第二次交织后，每串突发脉冲串发送相邻两个20ms各57bit的信息，每20ms的话音要分成8个TDMA帧才能送完。

　　二次交织将增加系统的时延，但却能经得住丧失整个突发脉冲串的打击，因为丧失一个脉冲串只影响每个话音帧比特数的12.5％，而这是能通过信道编码加以校正的。

2.2　GMSK调制

　　GMSK是一种特殊的数字调频方式，它通过在载频上增加或减少67.708KHz来表示“0”或“1”。利用两个不同频率来表示“0”和“1”的方法称为FSK。在GSM中，数据的比特率选择为频偏的4倍，称为MSK，采用高斯预调制滤波器，可进一步减少调制频偏（减至125KHz范围内），防止能量扩散到邻近信道的频道上去。这种调制方式的干扰比其它调制方式少，适合数字移动通信。

2.3　频率跳频

　　采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性。起初，它主要用于军事通信，后来在GSM标准中也被采纳。瑞利衰落的衰落图形与频率相关，即衰落谷点将因频率不同而发生于不同的地点。这样，如果在呼叫期间让载波频率在几个频率点上变化，并假定只在一个频率上有一衰落谷点，那么仅会损失呼叫的一小部分，而采用复杂的信号处理过程能重新恢复全部信息内容，这种方法称为跳频。
　　呼叫期间，载波频率在几个频率上变化，以克服瑞利衰落，因为瑞利衰落谷点只是对某一频点有效，对另一频点无效。跳频相当于频率分集，可以抵抗衰落现象，这是采用它的最主要原因。

　　GSM系统中的跳频分基带跳频和射频跳频两种。基带跳频是将同一路话音信号随时间的变化使用不同频率的发射机发射。射频跳频是将话音信号用固定的发射机采用不同频率发射。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：射频跳频目前尚未成熟；只有当每小区拥有4个以上频率时效果才比较明显；射频跳频必须使用宽带合成器，每小区若使用4个载频，就需配置3个宽带合成器，损耗约6dB，比空腔合成器的损耗大3dB左右；对基站覆盖范围有一定影响。综上原因，大多数厂家的BTS都采用基带跳频技术，而不用射频跳频技术。

2.4　MS、BTS动态功率控制

　　MS的功控是标准的，所有GSM的MS都能经2dB为一等级调整，GSM900的MS最大功率是8W（规范中最大是20W，但现在还没有20W的MS存在），GSM1800的MS最大功率为1W，它们能以0-5共6级进行调整。

　　对于BTS功控，目前各厂家差别不大，但规范中并未对此作出规定，所以可能存在差别。以爱立信的BTS为例，其最大发射功率为46dBm，以0-15共16级进行调整，功率控制的相关信令在SACCH上传送，该功能在RR连接建立后就启用。（默认时）。

2.5　话音不连续发射

　　该方式是仅在话音需发送时，发射机才工作的一种工作模式。发话时，话音和背景噪声一起发送，将发送端背景噪声的参数传给接收端，接收端存储这些参数，合成与发端相似的噪声，不发话时，仅播放合成的噪声，以满足听觉需要。发送侧需有话音活动检测器，以检测话音是否存在。该技术在MS和BTS侧都能采用，网络操作者可自由选择（在定小区数据时）。该技术的采用减少了空中干扰电平，与动态功率控制技术一起使用，可大大减少因频率复用而产生的来自通信网自身不可避免的干扰。

3　应用中应注意的问题

3.1　跳频的应用

　　根据爱立信的推荐，若载频数大于2，则开跳频（HOP=ON）；若载频数小于2或给定的频点数小于2，则不开跳频。在采用跳频的小区中，可任选跳频序列号（HSN），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，否则会干扰通话。

3.2　时间色散

　　在接收端，由于射频信号的反射作用，接收机收到的信号是多种多样的，其中有的反射信号来自远离接收天线的物体，这种反射信号经过的路程比直射信号长很多，因而会形成相邻符号间的相互干扰。这种现象称为时间色散。出现时间色散的典型环境为山区、丘陵城市和高层金属建筑等。出现时间色散的条件为（反射路径-直射路径）>1.1km。避免有害时间色散的方法有：将BTS设在离建筑物尽可能近的地方；将BTS背对反射物，天线的前景比高。

3.3天馈线系统

3.3.1分集距离

　　要想分集增益高，必须使用两根接收天线水平，而且相距10倍以上波长。在实际安装过程中，由于受空间的限制，往往达不到要求，造成一根天线形同虚设，从两根天线接收的信号相关性很强，得不到高分集增益，这种情况下，应使用双极化天线避免空间问题。

3.3.2　隔离度

　　另一种情况是分集条件满足了，但天线间的隔离度又无法满足。天线的隔离度是指一根天线出来的信号到达另一根天线时的衰减。

3.3.3驻波比（VSWR）

　　驻波比是衡量天线系统能否很好工作的一个指标，其公式是V=(1+R)/(1-R)，其中R为反射系数，R=(Pr/Pf)/2，Pf为前向功率，Pr为反向功率。

　　对于一个天馈线系统，如果反向功率过大，表明没有把前向功率有效地辐射出去。

　　无线基站发射和接收信号都是通过天馈线系统来完成的，因此天馈线系统的安装质量和运行情况将直接影响通话质量、无线信号覆盖和收发信机的工作状态。当发射天馈线系统发生故障时，发射信号会产生损耗，影响基站的覆盖范围。当发射天馈线系统故障较严重时，基站会关闭与其相连的收发信机。当接收天馈线系统发生故障时，则其接收由移动台发射来的信号将会减弱，在移动台接收信号簋强的基站范围内会出现不能占用该基站无线信道的现象，同时也会影响通话质量，甚至导致掉话。目前，基站只是对发射天馈线系统进行监视，没有对接收天馈线系统进行监测，当接收天馈线系统发生故障而影响网络服务质量时，不会产生任何告警，维护人员无法及时进行准确的故障定位。当天线的隔离度达不到要求时，将使一部发信机发射的信号侵入另一部发信机，并与该发信机的输出信号发生互调，产生新的组合频率信号，并随用用信号一起发射出去，从而对接收机产生干扰。因此，规范地安装天馈线系统是保证通话质量的前提。对于天馈线系统方面的检查也是网优的一个重点。天馈系统是实现好的差错控制技术的基础。

摘自《电信快报》2002.9