1、GSM-R系统维护与应用系统维护与应用第二章GSM-R数字移动通信的关键技术 第第2章章 GSM-R数字移动通信的关键技术数字移动通信的关键技术 2.1 GSM-R无线信道电波传播与干扰 2.1.1 电波传播特性 2.1.2 噪声与干扰2.2 GSM-R 语音处理的主要过程 2.2.1 编码技术 2.2.2 交织技术 2.2.3 加密技术 2.2.4 调制解调技术2.3 无线信道的空中接口技术 2.3.1 多址方式 2.3.2 分集接收技术 2.3.3 跳频技术 2.3.4 信道均衡 2.3.5 不连续发射DTX和不连续接收DRX 2.1 GSM-R无线信道电波传播与干扰无线信道电波传播与干扰
2、2.1.1 电波传播特性电波传播特性 1.路径传播损耗路径传播损耗 光波也是电磁波，只不过是频率不同的电磁波而已，电磁波的电场会因为距离而衰减是显然易见的，光波也是如此束手电筒的光照向夜空，要不了多远就基本看不到了。一是因为电磁波在空中四散传播，发散了，另一点是因为路径造成了能量的损耗，在无线通信中也有类似的效果，这是因为路径造成的场强的损耗遵循自由空间传播模型。1.路径传播损耗路径传播损耗 假设无线电波是在完全无阻挡的视距内传播，没有反射、绕射和散射，这种理想的情形叫做自由空间的传播。自由空间的传播是电波传播最基本也是最简单的一种理想情况，电磁波在自由空间中信号的强度将以距离平方的倒数衰减，
3、这种损耗称为自由空间的传播损耗。假设收发天线之间的距离为d，发射频率为f，自由空间的损耗可由以下公式计算：（式2-1）其中，d的单位为km，f的单位为MHz。自由空间的损耗为路径传播损耗。fddBPLlog20log204.322.衰落衰落 电磁波有三种基本的传播机制：反射、绕射和散射。当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地面、建筑物表面、水面。当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡产生的二次波散布于空间，甚至阻挡体的背面。当电磁波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。散射产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体，
4、如树叶。电磁波在传播的过程中会经历两种类型的衰落：大尺度衰落（也称慢衰落）和小尺度衰落（也称快衰落）。大尺度和小尺度是按照波长来进行划分的。（1）大尺度衰落）大尺度衰落 大尺度衰落主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物行的阻挡而产生的损耗，它反映了在中等范围内（数百波长级）的接收信号电平平均值起伏变化的趋势，其变化率比传送信息率慢，故称为慢衰落。阴影效应是产生慢衰落的主要原因。移动台在运动中，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。阴影效应在光波里也有，比如你拿一张纸遮
5、住日光灯的灯光那从背面透过来的灯光就明显弱了很多。（2）小尺度衰落）小尺度衰落 小尺度效应又称小尺度衰落，它反映了移动台的移动距离只有几个波长时，移动时接收电平平均值的起伏变化趋势。小尺度效应一般由是由多径传播引起的。由于到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反）。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。（3）多普勒效应）多普勒效应 另一种类型的衰落时
6、由于移动台相对于发射机的运动产生的。这种相对运动导致了无线信道的快慢变化，从而引起了对信号的随机频率调制，即多普勒频移。多普勒频移是多普勒效应在无线电领域的一种体现。多普勒效应定义多普勒效应定义：由于发射机和接收机间的相对运动，接收机接收到的信号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个差值，该差值就是多普勒频移。（4）远近效应）远近效应 由于手机用户在一个小区内是随机分布的，而且是经常变化的，同一手机用户可能有时处在小区的边缘，有时靠近基站。如果手机的发射功率按照最大通信距离设计，则当手机靠近基站时，功率必定有过剩，而且形成有害的电磁辐射。解决这个问题的方法是根据通信距离的不同，实时地调整手机
7、的发射功率，即功率控制。2.1.2 噪声与干扰 无线通信信道中的噪声干扰，是指无意或有意产生，随机性很强，影响无线通信接收机信号接收准确性的信道中产生的信号。噪声噪声主要可按以下两种进行分类：一是按按噪声来源分类，可分为人为噪声和自然噪声；二是按噪声性质分类，可分为脉冲噪声（突发性地产生的，幅度很大，其持续时间短，频谱宽）、窄带噪声（频谱或频率位置通常是确知或可测）和起伏噪声（包括热噪声、电子管内产生的散弹噪声和宇宙噪声等）。2.1.2 噪声与干扰 干扰干扰是制约蜂窝系统容量的一个重要因素。话音信道上的干扰会造成串话，或者用户听到很大的背景噪声；信令信道上的干扰则会导致误码率的升高，使呼叫遗漏
8、或阻塞。蜂窝系统中的干扰主要由两种类型：同频干扰和邻道干扰。针对这两种类型的干扰，在蜂窝系统中采取了调节天线覆盖方式，发射功率，合理分配频率的方法来对干扰进行防护。1.同频干扰同频干扰 同频干扰是由于采用了频率复用，在同频小区之间产生的干扰。同频干扰不能简单的通过增大发射机的功率来克服，因为这样会导致相邻小区之间的干扰。解决同频干扰可以采取以下几种措施：（1）定向天线覆盖。使用定向天线可以减少同频干扰的小区数i0，从而提高接收信噪比，减小同频干扰。（2）优化同频复用距离和频率分配方案。根据传播环境和业务量的变化情况，调整同频复用距离和频率分配方案，以适应不同的C/I。（3）天线高度和倾角的调整
9、。调整天线高度和倾角可以改变小区的覆盖范围和小区形状，减小同频干扰。2.邻道干扰邻道干扰 由于所使用频率是相邻的频率而产生的信号干扰称为邻道干扰。邻道干扰的产生主要是因为接收滤波器的阻带衰减不够陡峭引起了相邻频带信号的泄漏。只有当两个相邻频率的接收机距离很近，干扰信号的强度超过了接收机灵敏度时，邻道干扰才会对接收机的正常工作造成影响。邻道干扰可以通过提高滤波器的精度和合理的信道分配而减到最小程度。通常用接收机的邻道选择性来表示抗邻道干扰的能力，它主要由接收中频滤波器的阻带衰减特性决定。因为每个小区只是分给所有可用信道中的一部分，因此在可以通过避免在相邻小区之间分配连续的频率，同时使相邻小区之间
10、的频率间隔最大来减小邻道干扰。3.互调干扰互调干扰 当两个或多个干扰信号同时加到接收机时，由于非线性的作用，这两个干扰的组合频率有时会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机，其中三阶互调最严重。三阶互调是指当两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。比如F1的二次谐波是2F1，他与F2产生了寄生信号2F1-F2。由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基波信号（一阶信号），他们俩合成为三阶信号,其中2F1-F2被称为三阶互调信号，它是在调制过程中产生的。又因为是这两个信号的相互调制而产生差拍信号，所以这个新
11、产生的信号称为三阶互调失真信号。产生这个信号的过程称为三阶互调失真。由于F2，F1信号比较接近，也造成2F1-F2，2F2-F1会干扰到原来的基带信号F1，F2。这就是三阶互调干扰。2.2 GSM-R 语音处理的主要过程语音处理的主要过程 信源信源编码编码信道信道编码编码信源信源译码译码信道信道译码译码去去交织交织信信道道突发突发脉冲脉冲加加密密突发突发脉冲脉冲解解密密解解调调交交织织调调制制话话音音话话音音图 2.2 语音信号处理原理图 2.2.1 编码技术 1.信源编码 信源编码也叫语音编码，是将模拟语音信号转变为数字信号以便在信道中传输。语音编码的目的是在保持一定的算法复杂程度和通信时延
12、的前提下，占用尽可能少的信道容量，传送尽可能高质量的语音。信源编码要求尽可能简洁，尽量减少冗余信息。语音编码技术又可分为波形编码、参量编码和混合编码三大类。2.信道编码信道编码 我们发出去的编码一路上会受到噪声的干扰，也许会丢失不少信息，到了目的地后，我们期望接收端可以根据编码所包含的一些内容，对信息的完整性作出一个判断，尽量恢复还原原来的信息，对这一块内容的探讨，我们称之为信道编码。信道编码是以提高信息传输的可靠性为目的编码。通常通过在有用信号后面添加监督码元从而达到检错纠错的能力。图 2.3 数字信息传输方框图 图2.3表示了数字信号传输的这一过程，其中信源可以是语音、数据或图像的电信号“
13、s”，经信源编码构成一个具有确定长度的数字信号序列“m”，人为地在按一定规则加进非信息数字序列，以构成一个一个码子“C”（信道编码），然后再经调制器变换为适合信道传输的信号。经信道传输后，在接收端经解调器判决输出的数字序列称为接收序列“R”，再经信道译码器译码后输出信息序列“m”，而信源译码器则将“m”变换成客户需要的信息形式“s”。接收端根据什么来识别有无错码？由发送端的信道编码器在信息码元序列中增加一些监督码元。这些监督码和信码之间有确定的关系，使接收端可以利用这种关系由信道译码器来发现或纠正可能存在的错码。在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码，有时也称纠错编码。差错控制编码原则
14、上是以降低信息量为代价来换取传输可靠性的提高。在数字通信中，要利用信道编码对整个通信系统进行差错控制。差错控制编码可以分为分组编码和卷积编码两类。图 2.4 分组编码原理图 2.2.2 交织技术交织技术 在GSM-R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，第二次交织为块间交织。话音编码器和信道编码器将每20ms话音数字化并编码，提供456个比特。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
15、此必须在两个话音帧间再进行一次交织，即块间交织。交织原理如图2.5所示二次交织经得住丧失一整个突发脉冲串的打击，但增加了系统时延。因此，在GSM-R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。图 2.5交织原理图 2.2.3 加密技术加密技术 lGSM-R系统在安全性方面有了显著的改进，GSM-R与保密相关的功能有两个目标：第一，包含网络以防止未授权的接入，同时保护用户不受欺骗性的假冒；第二，保护用户的隐私权。l防止未授权的接入是通过鉴权（即插入的SIM卡与移动台提供的用户标识码是否一致的安全性检查）实现的。从运营者方面看，该功能是头等重要的，尤其在国际漫游情况
16、下，被访问网络并不能控制用户的记录，也不能控制它的付费能力。l保护用户的隐私是通过不同手段实现时，对传输加密可以防止在无线信道上窃听通信。大多数的信令也可以用同样方法保护，以防止第三方了解被叫方是谁。另外，以一个临时代号替代用户标识是使第三方无法在无线信道上跟踪GSM用户的又一机制。l在无线通信中，电磁波在空间中传输采用的是公共介质，不仅要接收的对象可以收到，其他的人也可以收到，因此对于用户的个人通信和网络专用的一些重要信息必须采用一定的加密/解密技术。加密/解密的本质是对信号进行特殊的编码变换，只有知道变换方法的对方才能正确地接收到信息并获得信息的真实内容。在移动通信中加密/解密为用户提供了
17、一个附加的安全保障。l在信息处理的过程中有两种加密的类型，一种是将加密与信道编码分开，在信道编码和交织之后再进行加密。在GSM-R中，将信息比特序列与加密序列（密钥）进行异或运算，得到加密后的信息序列。“密钥”是由A5算法产生的一个为随机序列。在接收端密钥是已知的，接收时再将加密后的序列与密钥做异或运算，就可得到原始的信息序列。这种方法的优点是简单易行，可以产生多个互不相关的伪随机序列。l另一种方法是将加密与信道编码和交织结合在一起，在使用的信道编码方案中，采用只有收发方才知道的编码规则或码字，在接收端再采用相应的译码方法来解密。这种方法的优点是减少了处理步骤，加密的码字可以具有一定的抗干扰能
18、力。2.2.4 调制解调技术调制解调技术 1.调制的目的 低频信号不利于传输，需要将其调制到高频信号。所谓调制，简单的说就是频谱的搬移，以GSM-R为例，就是将频率3003400HZ，搬迁到900MHZ上去，这个频谱搬移的过程就称之为调制，频率搬迁到900MHZ上去的好处是：（1）调制技术是为了和信道匹配。比如说无线通信，走的信道就是大气层，对大气层而言，低频信号传输将急剧衰减，而较高频率范围的信号可以传输到很远的距离（2）采用调制方式以后，由于传送的是高频振荡信号，所需天线尺寸便可大大下降。由天线理论可知，要将无线电信号有效地发射电配，一般天线尺寸为电磁信号的波长1/4为佳，调制可以全来将频
19、带变换为更高的频率，以减小天线的，以4KHZ的原始语音为例，=c/f，天线的尺寸是多少呢？3108m/s/4000次/s1/4=1875（m），波长很长。要制造出相应的巨大天线是不现实的。（3）同时，不同的发射台可以采用不同频率的高频振荡信号作为载波，这样在频谱上就可以互相区分开了。若各发射台发射的均为同一频段的低频信号，信道中会互相重叠、干扰，接收设备也无法接收信号2.调制的原理 前面经过抽样、量化、信源编码、信道源码得到了一条长串的“0101110100”的比特流，该怎么把这串比特流的信息嵌入一个电磁波中，从而在空中发送出去呢？这个信息嵌入的过程称为调制。一个电磁信号可以用一个正弦波来表达
20、，而正弦波无非就是3个参数：振幅、频率和相位，想把比特流信息嵌进去，也只能从这3个参数上打主意。所以将数字数据转换为电磁信号的基本编码或者调制相应技术有三种，分别得到幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK），调制的原理如图2.6所示。图 2.6 调制的原理 经信道编码后得到的一串信息嵌入到一个电磁波的过程称之为调制。也就是说谓调制就是按调制信号（基带信号）的变化规率去改变载波某些参数的过程。按调制信号控制载波参数的形式可分为：l幅度调制：调制信号改变载波信号的幅度参数，即幅移键控（ASK）l频率调制：调制信号改变载波信号的频率参数，即频移键控（FSK）l相位调制：调制信号改变
21、载波信号的相位参数，即相移键控（PSK）l从高频已调波信号中“取出”调制信号的过程称为解调。在移动通信中主要是对所传输的数字信号进行调制。对调制方式的选择主要有三条：首先是可靠性，即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内；其次是有效性，它主要体现在选取频谱有效的调制方式上，特别是多进制调制；第三是工程上易于实现，它主要体现在恒包络与峰平比的性能上。l在这里主要介绍一下GSM-R的调制方式：高斯最小频移键控（GMSK）调制。GMSK是由MSK演变来的一种简单的二进制调制方法，是连续相位的恒包络调制。将输入端接有高斯低通滤波器的MSK调制器，称为高斯最小频移键控（GMS
22、K）。由于GMSK具有极好的功率效率（恒包络特性）和极好的频谱效率而备受青睐。GMSK成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此频谱特性优于MSK信号的频谱特性。在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减70dB以上。因为MSK信号不能满足上述的要求，所以，针对上述要求，提出了GMSK。GMSK是将调制的不归零(NRZ)数据通过预调制高斯低通滤波器来降低频谱上的旁瓣。因为调制信号在跨越零点时不但相位连续，而且过滤也很平滑，所以GMSK调制的信号就拥有了频谱紧凑，误码特性好，带外辐射低等特点。图 2.7 GMSK调制器的原理图图中Bb为高斯低通滤波器的3dB带宽。2.3
23、 无线信道的空中接口技术无线信道的空中接口技术 2.3.1 多址方式1.频分多址（FDMA）在频分多址系统中，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。一个典型的FDMA频道划分如图2.8所示。在接收设备中使用带通滤波器允许指定频道里的能量通过，但滤除其他频率的信号，从而限制临近信道之间的相互干扰。FDMA通信系统工作示意图，如图2.9所示。由图可见，FDMA通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须占用4个频道才能实现双工通信。图 2.8 FDMA频道
24、划分方法图 2.9 FDMA通信系统工作原理图 2.时分多址（时分多址（TDMA）在时分多址系统中，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。一个典型的TDMA频道划分如图2.10所示。TDMA通信系统是根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号，满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。其系统工作示意图，如图2.11所
25、示。图 2.10 TDMA频道划分方法 图 2.11 TDMA通信系统工作示意图 TDMA通信系统和FDMA通信系统相比具有以下主要特点：（1）TDMA通信系统中一个频率能够被多个用户使用，频率利用率比FDMA高，则用户容量大。（2）用户根据不同时隙区分，TDMA系统对时间要求高，需要严格的同步保证。3.码分多址（码分多址（CDMA）在码分多址（CDMA）通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机的相关器可以在多个CDMA信号选出使用的预定码型
26、的信号。其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。这一特点与CDMA的机理有关。CDMA是一个背景噪声受限的系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，打个比方，将带宽想像成一个大房子，所有的人将进入这个大房子。如果他们使用完全不同的语言，他们就可以清楚地听到同伴的声音而只受到一些来自别人谈话的干扰。在这里，屋里的空气可以被想像成宽带的载波，而不同的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们。如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更多的用户。一个典型的CDMA
27、频道划分如图2.12所示。图 2.12 CDMA频道划分方法 CDMA蜂窝移动通信系统与FDMA模拟蜂窝通信系统或TDMA数字蜂窝移动通信系统相比具有更大的系统容量、更高的语音质量以及抗干扰、保密等优点，因而近年来得到各个国家的普遍重视和关注。三种多址方式可按以下方式类比：FDMA（频分多址）：我们可以想象一个很大的房间被做成很多的隔断，每一隔段里有一对人正在交谈。这样由于隔断的分隔，谈话者不会听到其他人的交谈。TDMA（时分多址）：TDMA可以在FDMA的基础上进一步类比，我们可以把隔断做得大些，这样一个隔段可容纳几对交谈者。但在每一个隔段中大家交谈有一个原则：只能同时有一对人讲话。如果再把
28、交谈的时间按交谈者的数目分成若干等分，就成为一个“TDMA”系统。CDMA（码分多趾）：我们可以想象一个宽敞的房间，在这里正进行着一个聚会，其中的宾客正两两一对进行着交谈。假设每一对人使用一种语言，有说英语的、中文的、日语的等等，所有交谈的人都只懂一种语言。于是，对于正在交谈中的任何一对来说，别人的交谈声无疑是一种背景噪声。通过这个场景，我们可以使用以下几个类比：每一对宾客交谈使用的语言相当于区分用户信道的码；交谈中的人就如同CDMA系统中正在通话的用户。这就是一个“CDMA”系统。2.3.2 分集接收技术分集接收技术 分集接收技术是一项主要的抗信号衰落技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输
29、可靠性，其本质就是采用两种或两种以上的不同方法接收同一信号以克服衰落，其作用是在不增加发射机功率或信道带宽的情况下充分利用传输中的多径信号能量，以提高系统的接收性能。移动通信网中如何保证信号传输链路的可靠性，是一项重要指标。为了达到这一目的，可以通过多种技术来实现，从影响接收端信号功率的三个主要因素来分析：第一、自由空间的传播损耗和弥散，这可通过加大发射机功率来改善；第二、地形起伏、建筑物及障碍物的遮挡引起的阴影衰落，这可通过“宏分集”技术来改善；第三、在传输路径中各种物体产生的直射波、反射波和散射波的相互影响，即多径衰落，以及多普勒频移产生的损耗，这可通过“微分集”技术来改善。从以上的分析可
30、以看出，分集技术对改善无线传输链路的性能可以起到很大的作用。分集技术是移动通信的一种抗衰落技术，是一种用相对较低廉的投资就可以大幅度的改进无线链路性能的强有力的接收技术。分集接收就是利用多条相互独立路径传输同一信息源信号,按照一定的方法再集合起来变害为利，将接收到的多径信号分离成互不相关（独立的）的多径信号，然后将这些信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大。从而达到抗衰落的目的。分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的，携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并（包括选择与组合）以降低衰落的影响。1.分集接收技术的分类
31、分集接收技术的分类 在移动通信系统中可能用到两类分集方式：一类称为“宏分集”；另一类称为“微分集”。“宏分集”主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。这是一种减小慢衰落影响的分集按需技术，其做法是把把多个基站设置在不同的物理位置上（如蜂窝小区的对角线上），同时发射相同的信号，小区内的移动台选择其中最好的基站与之通信，以减小地形、地物及大气等对信号造成的慢衰落，这种办法就能保持通信不会中断。“微分集”是一种减小快衰落影响 的分集技术。在各种无线通信系统中都经常使用。理伦和实践都表明，在空间、极化、场分量、角度时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性，据此由此按路径分离的不同，微分
32、集又可分为下列几种：（1）空间分集空间分集。也称天线分集，是移动通信中使用较多的分集形式，简单的说，就是采用多付接收天线来接收信号，然后进行合并。为保证接收信号的不相关性，这就要求天线之间的距离足够大，在理想情况下，接收天线之间的距离只要波长的一半就可以了。空间分集是最常见的形式，所谓空间分集就是采用多个天线进行接收，使每个天线之间相隔半波长的整数倍，这样可以将天线置于非相关衰落模式，如果一个天线接收到的信号处于深衰落，另一个天线接收的信号极有可能衰落很小）。空间分集既可以用于基站也可以用于移动台。空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一信号。只要两个位置的距离大
33、到一定程度，则两处所收信呈的衰落是不相关的，为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关。在设计时可以选择最佳天线分支，天线分支越多，平均信号越好。通过采用空间分集可能将瑞利快衰落效应减低至慢衰落的阴影大小，但是多天线系统对慢衰落没有多大作用。空间分集的另一大优点是可以减小同频干扰。空间分集的缺点是，多个天线的接收使得设备的成本大大提高了。极化分集是空间分集的一个特殊有效的模型。在移动环境下，空中的水平路径和垂直路径是不相关的，因而信号也呈现不相关的衰落特性。这就可在发射和接收端各装两付天线，一个水平极化天线，一个垂直极化天线，这就可以得到两个
34、不相关的信号。这一技术在蜂窝移动用户激增时，在改进链路的传输效率和提高容量方面有很明显的效果由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，所以发端和收端可以用两个位置很近但为不同极化方向的天线发送和接收信号，以获得分集效果。极化分集可以看作空间分集的一种特殊情况，其优点是设备的结构紧凑，节省空间，缺点是由于射频功率要分配到两副天线上，因此有发射功率要损失3dB。（2）频率分集）频率分集 频率分集是指承载相同信息的信号用多个载波传送，这些载波不能使用连续的频率，他们之间的频率间隔应该大于等于信道的相干带宽。频率分集常用于宽带、微波、点对点系统。然而，频率分集带来了频谱资源的浪费。在实际应用中，采用
35、1:N备用保护方式。在这种方式中，有一个频道是空闲的，作为备用频道。当链路上的N个载频中的一个需要分集时，就利用备用频道，把相应的业务切换到备用频率上。由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。频率分集需要两部以上的发射机同时发送同一信号，并用两部以上的接收机来接收信号。（3）时间分集）时间分集时间分集与频率分集类似，它是用不同的时隙来传送承载相同信息的信号。同样，连续时隙的间隔要大于信道的相干时间。在频率分集和时间分集中，信号的处理过程常采用块交织来减小突发错误。快衰落除了具有空间和频率独立性之外，还具有时间独
36、立性。即同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复到的同一信号进行合并，就能减少衰落的影响。接收机接收机1接收机2接收机发射机1发射机2存储器比较器（1）空间分集（2）频率分集（3）时间分集图2.13为分集接收的示意图 2.合并方式合并方式 接收端收到M（M2）个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题，一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。假设M个输入信号电压为r1(t)，r2(t),，rm(t)，则合并器输出电压rr(t)为rr(t)=a1 r1(t)+a2r2(t)+
37、amrm(t)=akrk(t)(式2-2)选择不同加权系数，就可构成不同的合并方式。常用的有以下三种方式：（1）选择式合并，选择式合并是检测所有分集支路的信号,以选择其中信噪比最高的那一支路的信号作为合并器的输出。由上式可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。两个支路的中频信号分别经过解调，然后作信噪比比较，选择其中有较高信噪比的支路接到接收机制的共用部分。选择式合并又称开关式相加。这种方式方法简单，实现容易。但由于未被选择的支路弃之不用，因此抗衰落不如后述两种方式。接收机 1接收机 2图2.14 选择式合并原理图（2）最大比值合并。最大比值合并是一种最佳合并方式，每一支路信
38、号包络rk(t)用rk表示，每一支路的加权系统数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比。分集的每一路都有一个加权，加权的权重依各支路信噪比来分配，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。各支路信号变为同相位，与电平成比例的权值相乘后相加。图2.15为最大比值合并原理图。接收机 1接收机 1Mk 1Nkrk2a2a1图2.15 最大比值合并原理图 3）等增益合并。等增益合并无需对信号加权，各支路的信号是等增益相加的，各支路信号变为同相后相加。等增益合并方式实现比较简单，其性能接近于最大的比值合并。图2.16为等增益合并原理图。2.3.3 跳频技术跳频技术 跳频简单的说就是在传送时不断
39、的改变频率。跳频技术最初用于军事传输系统，目的是保证安全性和防止拥塞，有效地提高系统质量，提高频率利用率，用在GSM-R上，主要是用来解决容量以及通话质量问题。2.3.4 信道均衡信道均衡 数字传输的引入带来了另一问题是时间色散。这一问题也起源于反射，但与多径衰落不同，其反射信号来自远离接收天线的物体约在几千米远处。由基站发送“1”、“0”序列，如果反射信号的达到时间刚好滞后直射信号一个比特的时间，那么接收机将在从直射信号中检出“0”的同时，还从反射信号中检出“1”，于是导致符号“1”对符号“0”的干扰。在带宽受限的数字信道中，多径效应会造成码间干扰产生误码，均衡就是一项用来克服码间干扰的技术
40、。在移动通信系统中，信道的特性对接收端来说总是未知的，许多情况下，信道还可能是时变的。这时就可以用均衡起来调节信道的响应，适应信道的时变性。均衡器通常采用训练模式来估计信道的特性，在传输之前先获得信道畸变以及衰减特性，然后利用这些信息去纠正接收到的信号。训练模式是在传输用户信息之前先发送一个训练序列，这个训练序列对于接收端是已知的或者是一个伪随机序列。当接收端的节挑起收到训列序列后与原始的已知信号做比较，以次获得信道特性信息，再根据这些信息通过一定的算法对后面接收到的信息进行解调。为了保证有效的消除码间干扰，均衡器需要做周期性的重复训练。均衡器常被放在接收机的基带或中频部分实现。W0k W1k
41、 W2k WNk yk+1 Z-1 Z-1 Z-1?自适应算法 yk yk+2 yk+N ek dk xk 检测器 dk 自适应均衡的原则是根据传输失真的时变特性，自适应地进行补偿，使其接近不失真传输要求。2.3.5不连续发射不连续发射DTX和不连续接和不连续接收收DRX 1.不连续发射DTX不连续发射DTX简单的说是指移动台在有语音或数据传送时才打开发射机。在一个正常的交谈中，参与者都是谈话和沉默听对方讲话的时间大约各占一半。如果没有话音进入麦克风，也就没有信息在无线信道上发送。不连续发射功能（DTX）是仅在探测到连接中有话音时才发射。这将减少了移动台和BTS的功率损耗，同时也能减少无线信道
42、上的总的功率。这个功能由BTS发射，BSC控制在BSC中执行。如何实现不连续发射功能：DTX允许无线发射机在话通话期间根据话音的有无进行开关操作。在个正常的交谈中将会减少50%的发射时间。采用DTX方式有两个目的，一是降低空中总的干扰电平(约降低网路干扰功率40%)，提高系统效率；二是节省无线发信机电源的耗电，尤其是移动台。（1）话音激活检测为实现间断传输方式，首先必须表明什么时候需要或不需要传输。对于讲话情况，就必须检测是否有话音激活，这就是通常所称的话音激活检测(VAD)。其功能是指明话音编码器产生的每20ms帧是否含有或不含有话音。发射机（BTS和MS中）的VAD是用于检测业务帧中是否包
43、含话音、非透明数据或背景噪声。如果业务帧中只包含噪声，发射机发送一个SID（静默指示符）帧，然后停止发射信号。VAD需对存在话音时的噪声和不存在话音时的噪声加以区别。在移动环境下，检测话音的最大困难在于话音/噪声之比经常很低。为提高VAD的精度，在进行判决之前采用了滤波器以提高话音/噪声比值。最差的话音/噪声比值发生在车台移动的情况，同时还发现移动环境下的噪声，在相当长时间是相对不变的，因此有可能采用一个自适应滤波器(带有噪声期所得的参数)，以去掉大量汽车噪声。判决的主要依据是滤波的信号能量与阈值之间的比较。移动环境中所遇到的噪声可能在一个等级上不断变化。噪声的频谱也在变化，并且随汽车的不同其
44、差别也很大。由于这些变化，VAD阈值和自适应滤波器的系数也必须根据非激活期估计的背景噪声特性而不断地进行调整。为了达到可检测性，阈值必须足以高出噪声电平，以避免把噪声识别为话音；同时又必须保障话音的低电平部分不要被误认为噪声，仅在话音不存在的时候，可更改阈值和滤波器参数。还应指出，为了确保低电平噪声不被检测为话音，还使用一个附加的固定阈值。（2）舒适噪声经验表明，在话音突然起始或中止时，随着发信机的开启或关闭会产生噪声调制，使听者受到严重的干扰。干扰随间断传输而有规则地发生，十分令人讨厌。另外，在发信机关闭期间，收方采用完全静噪措施，噪声突然消失，会给听者造成一个联系中断的错觉。因此，在GSM
45、系统中的DTX方式并不意味着在话音间隙期简单地关闭发信机，它要求在发信机关闭之前，必须把发端背景噪声的参数传给收端，并且在话音间隙期间，也要每隔一定时间开启发信机，将发端新的参数传给收端。收端利用这些参数，人为地再生与发端类似的噪声，这就是通常所称的“舒适噪声”。背景噪声的特性由特殊的帧(SID)传送。在每个非激活期的开始送出一个SID帧，而更多的SID帧将随之规则地送出，至少每秒二次，一直持续到非激活期结束。2.不连续收DRX基站如何找到手机，通过基站寻呼找到手机的。所谓非连续接收是指移动台在空闲模式下，并不是时时解读所有的系统消息及寻呼块内容，而是根据其所属的寻呼组周期性的打开接收机来解读系统广播消息及寻呼块内容。换句话说：手机大部分时间处于关闭状态，仅定时接收传呼信息
