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跳频通信系统FCS技术的研究
跳频通信系统FCS技术的研究 一、引言 空闲信道扫描(FCS,Free Channel Scan)是无线通信终端抗干扰接入的关键 技术。本文基于专用的宽频段、多信道、有中心组网的跳频通信系统,开展FCS 及其关键技术研究。首先,概述了基于TDMA的通信系统架构,具体如图1所示,图1中绿色区域 与FCS技术相关。PHY层包括TDMA空中接口、逻辑信道、同步(位同步、频率同 步、帧同步);MAC层包括信道编码(Turbo编码、循环冗余检验CRC校验)、信道质 量检测;RRC层包括频率资源管理(工作频率表、基站接收信道的质量排序、通信 最佳频率的映射表)、信道资源管理(信道连接状态指示、信道连接恢复)。
RRC层功能实体对每一段的信道号进行随机排列,减少基站各段的频率碰 撞。系统每次开机时RRC层功能实体得到基站编号,并重新计算和更新频率表。
基站和移动用户台利用通信过程中逻辑信道的信道质量检测结果对所有频率的 接收质量进行排序,将排序结果保存在列表中,并实时进行更新维护。
基站和移动用户台根据信道质量排序结果列表,计算出下一次通信使用的 最佳信道和备用信道。基站负责计算上行的最佳通信频率,移动用户台负责计算 下行的最佳通信频率。由于系统是有中心组网的星型结构,基于基站与移动用户 台间通信距离在覆盖范围内,基站计算的最佳上行通信频率所有移动用户台可以 共用,移动用户台计算的最佳下行通信频率只能对应本移动用户台使用。
在通信过程中基站和移动用户台通过控制信道互相交换计算的最佳上下 行通信信道,保存在列表中。
其次,概述FCS基本原理,对其中信道质量检测和信道优化技术作了重点研 究。
最后,通过系统实测试验,给出不同阻塞干扰情况下的信道丢包率统计表、 信道在阻塞干扰下的躲避响应时间表。
二、FCS基本原理 FCS是一种抗阻塞干扰接入技术,应用于有中心组网的系统,其基本工作原理如图2所示,信道扫描过程如下: (1)基站和移动用户预置若干个频率点作为工作频率,基站和移动用户实时 进行全频段信道扫描接收,记录各频点的信号场强、误码率等信息,同时判断是有 用信号还是干扰信号,并进行统计分析,得到己方最佳接收频率集合,最后汇总到 基站进行分析和信道频率分配。
(2)通信业务开始时,基站通过信令和广播的方式为移动用户分配最佳接收 和发射频率。通信过程中,基站和移动用户可实时扫描信道状态,并更新己方最佳 频率集合;如果当前频率受到干扰,可启用最佳频率集合中备份频率进行通信。信 道扫描和频率更新时不影响通信业务过程。结束后,释放该信道,双方重新退回到 信道扫描状态。
三、信道质量检测和信道优化技术 对于各个逻辑信道的信道质量检测,主要依靠对同步帧的误码统计及FEC 解码结果的误码统计来进行检测。其中,对于同步逻辑信道(同步帧),依据卡萨米 序列相关器输出的错误比特数进行信道质量统计。对于控制逻辑信道和业务逻辑 信道依靠解码器输出的误码统计结果进行信道质量统计。
信道质量检测和优化算法如图3所示: 图3信道质量检测和优化原理框图 从空口收到的频率信号经解调后,在基带同时进行同步逻辑信道处理、业 务和信令逻辑信道处理。其中同步逻辑信道采用相关码卡萨米序列检测并输出信 道质量统计值。业务和信令逻辑信道采用迭代译码和帧误码分析输出该信道质量 统计值。统计出跳频信道质量等级,并据此进行信道频率优化处理,最终根据最优 信道生成跳频频率,用于通信。
四、测试参数和结论 TDMA空中接口结构由突发跳、时隙、帧、复帧和超帧组成。1个时隙时 长为10ms,由1个同步突发跳和1个业务/接入控制突发跳组成;1个TDMA帧时长为 40ms,由4个时隙组成;1个复帧时长为160ms,由8个TDMA帧组成;1个超帧时长为 8×160=1280ms,由8个复帧组成。基站与移动用户台中预置上行和下行两个频率表作为FCS的频率表,每个 频率表中包含32个频率,下行频率表按照合路器的规则分为4段,每段包含8个频率。
系统各逻辑信道的前向纠错编码(FEC)采用Turbo编码和CRC校验方式。系 统采用的码率R为1/3,自由距离为6,E/N是信噪比。Turbo码的渐进性能为: (1) 通过使用CRC码对传输数据块进行快速检错和差错控制,保证误检率在规 定范围以内。本系统采用CRC-16 CRC校验方式,对编码后的数据块添加CRC。
CRC生成多项式如式(2)所示: G(X)=x16+x15+x2+1(2) 本系统将每个频率的信道干扰分为5个干扰等级,这5个等级包括了整个信 号强度的检测范围。干扰等级范围决定了检测的精细程度。但是在不同的通信环 境和用户需求下,信道质量的精细程度不同,可通过参数进行配置。
基站和移动用户台保存4~8对以上最佳通信频率对,其中下行最佳通信频 率分布在4个频段内。当呼叫流程开始时,基站RRC实体根据业务逻辑信道对应的 物理信道和时隙位置,选择分配其中的一对频率进行通信。
根据相关工程实践的试验结果,对本系统应用FCS技术前后的抗阻塞干扰 性能进行对比。由表1可知,当系统采用FCS技术时,系统在80%以上的阻塞干扰下 仍能正常通信,丢包率小于10%,话音质量为4分。
当系统采用FCS技术时,在通信过程中利用干扰车进行特定频段的阻塞干 扰时,系统开始进行频率更新过程,如表2所示。由此可知,当某一频点被阻塞干扰 时,由CCCH和业务信道统计的误码率测量结果较接近理想结果,干扰等级均为5, 频点更新时间在2s以内,提高了通信质量,确保数据和话音传输的可靠性。
综合上述试验数据和分析,本文所述的FCS技术可以有效地提高抗阻塞干 扰能力,降低丢包率,提高通信质量。
