GSM原理及其网络优化
4．极化分集
指把两副接收天线的极化角度互成一定的角度，这样就可以获得较好的分集增益，并且 可以把这种分集天线集成于一副天线内实现，这样对于一个扇区只需一副TX天线和一副RX天线即可，若采用双工器，则只需一副收发合一的天线，但对天线要求较高。 2．4 移动台和基站的时间调整
移动台收发信号要求有3个时隙的间隔，这是由于移动台是利用同一个频率合成器来进 行发射和接收的，因而在接收和发送信号之间应有一定的间隔。从基站的角度上来看，上行 链路的编排方式可由下行链路的编排方式延迟3个突发脉冲获得。这3个突发脉冲的延时对 于整个GSM网络是个常数。
移动台在接收信号的同时，将在频率上平移45MHz，并在偏移3个时隙的基础上考虑TA后发送，然后可以再次平移以监视其它小区的BCCH信道。 在通信过程中，如移动台在呼叫期间向远离基站的方向上移动，则从基站发出的消息将 越来越迟的到达移动台。与此同时，移动台的应答信息也会越来越迟的到达基站。如不采取 措施，时延过长会导致这样一种情况：基站收到的移动台在本时隙上发送的消息与基站在其 下一个时隙收到的另一个呼叫信息重叠起来，而引起干扰。因此，在呼叫进行期间，移动台 发送给基站的测量报告报头上携带着移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达的时 间，并在下行SACCH的系统消息上以每两秒一次的频率向移动台发出指令，随着移动台离 开基站的距离的变化，逐步指示移动台应提前发送的时间，这就是时间的调整。在GSM中 被称为时间提前量TA，如图2—9。
时间提前量值可以由0～233us，该值会影响到小区的无线覆盖。GSM小区的无线覆盖 半径最大可达到35km，这个限制值是由于GSM定时提前的编码是在0～63之间。基站最大
覆盖半径算法如下：
3.7us／bit×63bit×(3×108)m／s÷2=35km
其中，3.7us／bit——每个比特的时长；63bit-一一时间调整的最大比特数；3×108m／s一一光速。
但在某些情况下，客观需要基站能覆盖更远的地方，比如在沿海地区，如需用来覆盖较 大范围的一些海域或岛屿。这种覆盖在GSM．中是能实现的，代价是须减少每载频所容纳的信道数，办法是仅使用TN为偶数的信道(因为TN0必须用做BCCH)，空出奇数的TN， 来获得较大的保持时间。这被称为扩展小区技术，这一技术有专门的接收处理。这样定时提 前的编码将会增大一个突发脉冲的时长。即基站的最大覆盖半径为： 3.7us／bit×(63+156.25)bit×(3×108)m／s÷2=120km
根据以上所述，lbit对应的距离是554m，精确度为0.25bit(即138.5m)。表2—2给出 了TA值所对应的距离和精确度。
31
GSM原理及其网络优化
由于多径传播和MS同步精确度的影响，两个在同一位置接收同一小区信号的移动台对 TA测量的差异，可能会达到3bit左右(1.6kin)。 2．5 跳频技术
跳频可分为快速跳频和慢速跳频，在GSM中采用的是慢速跳频，其特点是按照固定的 间隔改变一个信道使用的频率。
根据GSM的建议，基站无线信道的跳频是以每一个物理信道为基础的，因此对于移动 台来说，只需要在每个帧的相应时隙跳变一次即可，即每秒跳217次。它在一个时隙内用固 定的频率发送和接收，然后在该时隙后需跳到下一个TDMA帧，由于监视其它基站需要时 间，故允许跳频的时间约为lms，收发频率为双工频率。但对基站系统来说，每个基站中的 TRX(收发信机)要同时于多个移动台通信，因此，对于每个TRX来说，能根据通信使用 的物理信道，在其每个时隙上按照不同的跳频方案来进行跳变。 2．5．1 跳频的种类及各自实现的方法
GSM中的跳频可分为基带跳频和射频跳频两种。基带跳频是通过腔体合成器来实现的， 而射频跳频是通过混合合成器来实现的。 当采用基带跳频时，它的原理是在帧单元和载频单元之间加入了一个以时隙为基础的交换单元，通过把某个时隙的信号切换到相应的无线频率上来实现跳频，这种做法的特点是比较简单，而且费用也低。由于腔体合成器要求其每个发信机的频率都是固定的，因此当发信机要改动频率时，只能人工调谐到新的频率上，其话音信号随着突发脉冲的变化而使用不同频率发射机发射。因此若要完成跳频功能，就需要收发信机在跳频总线上不停的扫描观察，当总线发现有要求使用某一频率时，总线就自动指向拥有该频率的发信机上来发送信号。采用基带跳频的小区的载频数与该小区使用的频点数是一样的。
当采用射频跳频时，它是在通过对其每个TRX的频率合成器进行控制，使其在每个时隙的基础上按照不同的方案进行跳频。它采用的混合合成器对频带的要求十分宽松，每个发信机都可使用一组相同的频率，采用不同的MAIO(移动分配索引偏移)加以区分。但它必 须有一个固定发射BCCH频率的发信机，其它发信机可随着跳频序列的序列值改变而改变。
32
GSM原理及其网络优化
两者的区别是：
1)基带跳频采用的腔体合成器最多可配置8个发信机，而且衰耗小，仅为3.5dB；而射频跳频采用的混合合成器的容量较小，最多可配置4个发信机，而且衰耗大，当为H2D时，衰耗为4.5dB；当为H4D时，衰耗为8dB。显然，当基站配置较大时，采用混合合成器的基站覆盖要小；
2)腔体合成器对频段的要求不如混合合成器灵活，混合合成器所带的发信机可以使用 一组频率，频点的间隔要求为200kHz；腔体合成器的发信机仅能使用固定的频率发射，而且所用频点的间隔要求大于600kHz：
3)基带跳频的每个发信机只能对应一个频点，而射频跳频的每个发信机能够发送所有 参与跳频的频点。当使用基带跳频时携带BCCH频点的TX若出现故障，则易导致整个区的瘫痪，而在射频跳频时则不会出现这类情况，因为每个TX都能发送BCCH频点，携带BCCH信道的载频优先级最高，当该载频出现问题时，携带BCCH信道的TDMA帧能够自动通过另一个载频发射出去。 2．5．2跳频的优点
GSM采用跳频有两个原因，是因为它可起到频率分集和干扰源分集的作用。 1．跳频可起到频率分集的作用
跳频是要保证同一个信息使用几个频率发送，从而可提高无线信号抗衰落的能力。不同 频率信号的衰落特性不同，而且随着频率差别增大时，衰落特性更加独立。对于相距足够远 的频率，它们可看做是完全独立。通过跳频，可使携带同一部分信息的所有突发脉冲不会被 瑞利衰落以同一方式破坏。
当移动台以高速移动时，在同一信道上接收两个相邻突发脉冲期间(相隔8个时隙，即 4.615ms)，移动台位置的差别对于消除信号瑞利变化的相关性已经足够了，在这种情况下， 跳频基本起不到什么作用。然而对于拥有大量手持机用户的系统是很重要的，因为手持机的 用户通常运动速度较慢或是处于静止状态，在此时跳频优越性就显示出来了，它所能提供的 增益大概是在6.5dB左右。
2．跳频可起到干扰源分集作用 在业务量密集的地方，网络的容量将受到由于频率复用产生的干扰的限制。载波干扰比 C／I值(载波电平／干扰电平)可能在呼叫期间变化很大。载波电平随着移动台相对于基站的 位置及移动台与基站之间障碍的数量的变化而变化，干扰电平的变化依赖于此频率是否被附 近蜂窝的另一呼叫使用，它还随着干扰源距离、电平的变化而变化。由于系统的目标是尽可 能满足更多用户的需求，当不选用跳频时，如一频点出现干扰，则当用户占用该频点时就会 造成通话质量使用户难以忍受，而当使用跳频时，该干扰情况就会被该载波的其它呼叫所共 享，整个网络的性能将得到提高。经分析使用跳频的网络可比不采用跳频的网络高出3dB的增益。
2．5．3跳频序列
在小区参数的定义中定义了两个频率组，一个称为“小区分配表CA” (CELL ALLOCATION)用来定义该小区所用到的所有频点，另一个被称为“移动分配表MA” (MOBILE ALLOCATION)用来定义参与跳频的所有频点。在此值得注意的是，携带有BCCH的载频，不能用于跳频，因为它携带有FCCH、SCH及BCCH信道，需要不停的向该小区的所有手机广播同步消息及系统消息。在GSM规范中有两个参数用来定义跳频序列，分别是MAIO(移动分配指针偏移)和：HSN(跳频序列号)。
MAIO因需描述跳频重复功能的起点，所以该参数的取值与参与跳频的频率数一样多。 MA(移动配置表)的频点数应在1～64之间，产生跳频序列要经过一个十分复杂的算法过 程，参与计算的参数有FN(当前的帧号及获得的描述帧号的T1、T2、T3值)、MAIO、HSN。
33
GSM原理及其网络优化
HSN有64个不同的值，通常一个小区应使用相同的HSN值、不同的MAIO值，因为 这是要避免同一小区信道之间的干扰。当同一小区出现相同的MAIO后将导致严重的TCH 指配失败。两个拥有相同HSN不同MAIO的载波，在同时发送的突发脉冲使用相同的频率。 相反，当两个使用同一跳频组，MAIO也相同的但HSN不同的载波，它只会对突发脉冲的l／n干扰。
MS可以由系统广播消息中提供的小区参数来根据算法导出跳频序列和小区的跳频序列 号。
在使用同一跳频组的相邻小区中，应注意使用不同的HSN，该做法可获得干扰源分集 增益。但注意应尽量避开使用HSN=0的情况(它是循环跳频)，因为它会导致低质量的干 扰源分集。
2．6源数据的传输过程
由于GSM系统是一个全数字系统，话音和不同速率数据的传输都要进行数字化处理。 为了将源数据转换为最终信号并通过无线电波发射出去，需经过几个连续的过程。相反，在 接收端需要经过一系列的反过程来重现原始数据。下面我们主要针对话音的传输过程进行描 述，它的工作顺序如图2—10所示，这个过程对其它用户数据和信令也是一样的。
信源端的主要工作有： 1．信道编码
为了在数据传输期间对误码进行检错纠错，在数据流中增加了部分冗余比特。信道编码 的结果是一个比特流，对全速率话音编码来说，编码比特的长度是456bit。 2．交织
由于在通信过程中，差错的出现往往是成串的，为了使连续传输的数据具有最大不相关 性而引入了交织的概念，它的目的是改善信道编码的性能，去除差错以及比特流中位置的相 关性。交织以后，每个突发脉冲就形成了一个数据信息块。
34
GSM原理及其网络优化
3．加密
通过仅由MS和网络知道的加密方式来对信息块进行保护。 4．突发脉冲的形成
为了有助于接收信号的同步和均衡，往加密的信息块中增加了一些额外的信息，如训练 序列、保护间隔和尾比特等。 5．调制
将二进制的数字信息转变为合适频率的模拟信号，并以无线电波的形式发射出去。 2．6．1 语音编码
由于GSM系统是一种全数字系统，话音和其它信号都要进行数字化处理，因此移动台 首先要将语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，移动台再把这模拟电信号转换成 13kbit／s的数字信号，用于无线传输。下面我们主要讲一下TCH全速率信道的编码过程。 目前GSM采用的编码方案是13kbit／s的RPE LTP(规则脉冲激励长期预测)编码，其 目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，达到与固定电话尽量相近的语 音质量。
它首先将语音分成20ms为单位的语音块，再将每个块用8kHz抽样，每个块由此得到160个样本。每个样本再经过A率13bit(u率14bit)的量化，由于处理A率和u率的压缩率不同，因而将该量化值又分别加上了3个或2个的“0”bit，最后每个样本就得到了16bit的量化值。因而在数字化之后进入编码器之前，就得到了128kbit／s的数据流。但这一数据流的速
率太高以至于无法在无线路径下传播，因而我们需要让它通过编码器来进行编码压缩。如果 用全速率的编码器的话，每个语音块将被编码为260bit，最后形成了13kbit／s的源编码速率。此后将完成信道的编码。
在BTS侧能够恢复13kbit／s的源速率，但为了形成速率为16kbit／s的TRAU帧以便
35