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跳頻通信系統(tǒng)FCS技術(shù)研究
【摘要】在有中心組網(wǎng)的跳頻通信系統(tǒng)中，為了對(duì)抗阻塞干擾，提出了系統(tǒng)FCS技術(shù)。利用專(zhuān)用信道進(jìn)行實(shí)時(shí)信道質(zhì)量檢測(cè)，并選取最優(yōu)信道進(jìn)行通信。經(jīng)工程實(shí)踐分析，系統(tǒng)FCS技術(shù)可有效提高抗阻塞干擾能力，降低丟包率，提高通信質(zhì)量。
【關(guān)鍵詞】跳頻通信 空閑信道 掃描 最優(yōu)信道 抗阻塞干擾
一、引言
空閑信道掃描(FCS，F(xiàn)ree Channel Scan)是無(wú)線通信終端抗干擾接入的關(guān)鍵技術(shù)。本文基于專(zhuān)用的寬頻段、多信道、有中心組網(wǎng)的跳頻通信系統(tǒng)，開(kāi)展FCS及其關(guān)鍵技術(shù)研究。
首先，概述了基于TDMA的通信系統(tǒng)架構(gòu)，具體如圖1所示，圖1中綠色區(qū)域與FCS技術(shù)相關(guān)。PHY層包括TDMA空中接口、邏輯信道、同步(位同步、頻率同步、幀同步);MAC層包括信道編碼(Turbo編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC校驗(yàn))、信道質(zhì)量檢測(cè);RRC層包括頻率資源管理(工作頻率表、基站接收信道的質(zhì)量排序、通信最佳頻率的映射表)、信道資源管理(信道連接狀態(tài)指示、信道連接恢復(fù))。
RRC層功能實(shí)體對(duì)每一段的信道號(hào)進(jìn)行隨機(jī)排列，減少基站各段的頻率碰撞。系統(tǒng)每次開(kāi)機(jī)時(shí)RRC層功能實(shí)體得到基站編號(hào)，并重新計(jì)算和更新頻率表�；竞鸵苿�(dòng)用戶(hù)臺(tái)利用通信過(guò)程中邏輯信道的信道質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果對(duì)所有頻率的接收質(zhì)量進(jìn)行排序，將排序結(jié)果保存在列表中，并實(shí)時(shí)進(jìn)行更新維護(hù)。
基站和移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)根據(jù)信道質(zhì)量排序結(jié)果列表，計(jì)算出下一次通信使用的最佳信道和備用信道�；矩�(fù)責(zé)計(jì)算上行的最佳通信頻率，移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)負(fù)責(zé)計(jì)算下行的最佳通信頻率。由于系統(tǒng)是有中心組網(wǎng)的星型結(jié)構(gòu)，基于基站與移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)間通信距離在覆蓋范圍內(nèi)，基站計(jì)算的最佳上行通信頻率所有移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)可以共用，移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)計(jì)算的最佳下行通信頻率只能對(duì)應(yīng)本移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)使用。
在通信過(guò)程中基站和移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)通過(guò)控制信道互相交換計(jì)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，對(duì)其中信道質(zhì)量檢測(cè)和信道優(yōu)化技術(shù)作了重點(diǎn)研究。
最后，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)，給出不同阻塞干擾情況下的信道丟包率統(tǒng)計(jì)表、信道在阻塞干擾下的躲避響應(yīng)時(shí)間表。
二、FCS基本原理
FCS是一種抗阻塞干擾接入技術(shù)，應(yīng)用于有中心組網(wǎng)的系統(tǒng)，其基本工作原理如圖2所示，信道掃描過(guò)程如下：
(1)基站和移動(dòng)用戶(hù)預(yù)置若干個(gè)頻率點(diǎn)作為工作頻率，基站和移動(dòng)用戶(hù)實(shí)時(shí)進(jìn)行全頻段信道掃描接收，記錄各頻點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)、誤碼率等信息，同時(shí)判斷是有用信號(hào)還是干擾信號(hào)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到己方最佳接收頻率集合，最后匯總到基站進(jìn)行分析和信道頻率分配。
(2)通信業(yè)務(wù)開(kāi)始時(shí)，基站通過(guò)信令和廣播的方式為移動(dòng)用戶(hù)分配最佳接收和發(fā)射頻率。通信過(guò)程中，基站和移動(dòng)用戶(hù)可實(shí)時(shí)掃描信道狀態(tài)，并更新己方最佳頻率集合;如果當(dāng)前頻率受到干擾，可啟用最佳頻率集合中備份頻率進(jìn)行通信。信道掃描和頻率更新時(shí)不影響通信業(yè)務(wù)過(guò)程。結(jié)束后，釋放該信道，雙方重新退回到信道掃描狀態(tài)。
三、信道質(zhì)量檢測(cè)和信道優(yōu)化技術(shù)
對(duì)于各個(gè)邏輯信道的信道質(zhì)量檢測(cè)，主要依靠對(duì)同步幀的誤碼統(tǒng)計(jì)及FEC解碼結(jié)果的誤碼統(tǒng)計(jì)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。其中，對(duì)于同步邏輯信道(同步幀)，依據(jù)卡薩米序列相關(guān)器輸出的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)進(jìn)行信道質(zhì)量統(tǒng)計(jì)。對(duì)于控制邏輯信道和業(yè)務(wù)邏輯信道依靠解碼器輸出的誤碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行信道質(zhì)量統(tǒng)計(jì)。
信道質(zhì)量檢測(cè)和優(yōu)化算法如圖3所示：
圖3信道質(zhì)量檢測(cè)和優(yōu)化原理框圖
從空口收到的頻率信號(hào)經(jīng)解調(diào)后，在基帶同時(shí)進(jìn)行同步邏輯信道處理、業(yè)務(wù)和信令邏輯信道處理。其中同步邏輯信道采用相關(guān)碼卡薩米序列檢測(cè)并輸出信道質(zhì)量統(tǒng)計(jì)值。業(yè)務(wù)和信令邏輯信道采用迭代譯碼和幀誤碼分析輸出該信道質(zhì)量統(tǒng)計(jì)值。統(tǒng)計(jì)出跳頻信道質(zhì)量等級(jí)，并據(jù)此進(jìn)行信道頻率優(yōu)化處理，最終根據(jù)最優(yōu)信道生成跳頻頻率，用于通信。
系統(tǒng)的信道質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果除了用于選取最優(yōu)信道，還可用于上行信道質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)，作為頻率規(guī)劃的評(píng)價(jià)。
四、測(cè)試參數(shù)和結(jié)論
TDMA空中接口結(jié)構(gòu)由突發(fā)跳、時(shí)隙、幀、復(fù)幀和超幀組成。1個(gè)時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)為10ms，由1個(gè)同步突發(fā)跳和1個(gè)業(yè)務(wù)/接入控制突發(fā)跳組成;1個(gè)TDMA幀時(shí)長(zhǎng)為40ms，由4個(gè)時(shí)隙組成;1個(gè)復(fù)幀時(shí)長(zhǎng)為160ms，由8個(gè)TDMA幀組成;1個(gè)超幀時(shí)長(zhǎng)為8×160=1280ms，由8個(gè)復(fù)幀組成。
基站與移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)中預(yù)置上行和下行兩個(gè)頻率表作為FCS的頻率表，每個(gè)頻率表中包含32個(gè)頻率，下行頻率表按照合路器的規(guī)則分為4段，每段包含8個(gè)頻率。
系統(tǒng)各邏輯信道的前向糾錯(cuò)編碼(FEC)采用Turbo編碼和CRC校驗(yàn)方式。系統(tǒng)采用的碼率R為1/3，自由距離為6，E/N是信噪比。Turbo碼的漸進(jìn)性能為：
(1)
通過(guò)使用CRC碼對(duì)傳輸數(shù)據(jù)塊進(jìn)行快速檢錯(cuò)和差錯(cuò)控制，保證誤檢率在規(guī)定范圍以?xún)?nèi)。本系統(tǒng)采用CRC-16 CRC校驗(yàn)方式，對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)塊添加CRC。CRC生成多項(xiàng)式如式(2)所示：
G(X)=x16+x15+x2+1(2)
本系統(tǒng)將每個(gè)頻率的信道干擾分為5個(gè)干擾等級(jí)，這5個(gè)等級(jí)包括了整個(gè)信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)范圍。干擾等級(jí)范圍決定了檢測(cè)的精細(xì)程度。但是在不同的通信環(huán)境和用戶(hù)需求下，信道質(zhì)量的精細(xì)程度不同，可通過(guò)參數(shù)進(jìn)行配置。
基站和移動(dòng)用戶(hù)臺(tái)保存4～8對(duì)以上最佳通信頻率對(duì)，其中下行最佳通信頻率分布在4個(gè)頻段內(nèi)。當(dāng)呼叫流程開(kāi)始時(shí)，基站RRC實(shí)體根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯信道對(duì)應(yīng)的物理信道和時(shí)隙位置，選擇分配其中的一對(duì)頻率進(jìn)行通信。
根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)本系統(tǒng)應(yīng)用FCS技術(shù)前后的抗阻塞干擾性能進(jìn)行對(duì)比。由表1可知，當(dāng)系統(tǒng)采用FCS技術(shù)時(shí)，系統(tǒng)在80%以上的阻塞干擾下仍能正常通信，丟包率小于10%，話音質(zhì)量為4分。
當(dāng)系統(tǒng)采用FCS技術(shù)時(shí)，在通信過(guò)程中利用干擾車(chē)進(jìn)行特定頻段的阻塞干擾時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行頻率更新過(guò)程，如表2所示。由此可知，當(dāng)某一頻點(diǎn)被阻塞干擾時(shí)，由CCCH和業(yè)務(wù)信道統(tǒng)計(jì)的誤碼率測(cè)量結(jié)果較接近理想結(jié)果，干擾等級(jí)均為5，頻點(diǎn)更新時(shí)間在2s以?xún)?nèi)，提高了通信質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)和話音傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
綜合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析，本文所述的FCS技術(shù)可以有效地提高抗阻塞干擾能力，降低丟包率，提高通信質(zhì)量。
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