跳频技术在ＺＸＧ１０－ＢＴＳ中的应用

１ 跳频技术简介

    在数字移动通信中，经常采用跳频方法来提高通信系统的抗干扰、抗多径衰落能力。跳频在基站中的实现，可以采用两种方法：合成器跳频和基带跳频，其中合成器跳频也称为射频跳频。

    合成器跳频原理是固定基带的上下行数据链路，改变每个收发信机的载波频率，使载波信号频率随时隙而变化，如图１所示。由于收发信机输出的射频信号频率是随时间而变化的，因此在信号发送到天线前必须采用宽带混合合路器。

基带跳频的原理是固定每个无线收发信机的载波频率，把基带信号根据所要发射的频率传送至相对应的无线收发信机上，从而实现跳频的目的，如图２所示。由于无线收发信机的频率固定不变，所以射频信号在接天线前既可以采用混合合路器方式，也可采用空腔合路器方式。

２ 跳频在ＺＸＧ１０－ ＢＴＳ上的应用

    在ＺＸＧ１０－ＢＴＳ中，综合考虑了基带跳频和合成器跳频的优缺点，在系统中同时实现了这两种跳频方式。

２．１ 硬件结构和相关设计

    在ＺＸＧ１０－ＢＴＳ中，硬件上实现跳频主要在收发信单元（ＴＲＵ）模块内实现，由上、下行数据选择模块和数据收／发总线（ＴＸＢＵＳ、ＲＸＢＵＳ）等共同完成，具体组成如图３所示。

    如果要实现基带跳频，则在下行数据选择模块输入端，根据基带处理单元对跳频的计算结果，把来自基带处理单元的下行数据进行选择，选取对应本无线收发信机发射频率的一路信号，将其送到无线发信机上处理并通过天馈发射；在上行数据选择模块输入端，根据基带处理单元对跳频的计算结果，或者根据下行链路的选择结果，对来自多个无线收信机上行数据进行选择（由于接收分集的原因，从每个收信机来的数据有两路）。另外协议规定上下行链路在无线接口上有３个时隙的延时，考虑上下行数据在处理上各有一个接收转发的过程，因此上下行数据的整个时间差将达到５ＢＰ，在具体实现时应满足该时间要求。

    如果要实现合成器跳频，只需选择对应于本ＴＲＵ内的上下行数据即可，而无需选择其它ＴＲＵ上的上下行数据，同时分离出绝对频道号字节内容，通过载频接口单元来控制无线收发信机内频率合成器的参数，从而达到跳频的目的。在无线收发信机内，频率合成器的设计是采用“乒乓切换”方式来实现频率转换的。

    当然，频率合成器的置数值与频率切换的控制有一定的逻辑关系，在ＺＸＧ１０－ＢＴＳ系统中采取的是在当前时隙把频率合成器２置成下一个要发的频点上，在前一时隙把频率合成器１置成本次要发送的频点上，再根据系统时钟来控制频率切换开关，从而完成频率的切换。

２．２ 软件处理方法

    在ＺＸＧ１０－ＢＴＳ中，跳频计算是在ＴＲＵ中基带处理单元内完成，主要功能是跳频计算和跳频频率的重配置，这部分称之为跳频模块（ＦＨＭ）。

在系统日常工作过程中，操作维护单元将实时更新的配置参数传过来，实时地完成跳频计算和配置参数的及时更新。

    跳频软件处理的主要任务是进行跳频计算，相关的参数有移动配置表（ＭＡ）、跳频序列号（ＨＳＮ）、移动配置表指针偏移（ＭＡＩＯ）、小区配置（ＣＡ）和帧号（ＦＮ）。

    ＦＨＭ的软件结构，设计包含一个进程ＦＨＣＮＦ和两个可调用的函数ＦＨＵＰＴＭ（）、ＦＨＣＡＬＭ（），其中数据区包含更新参数区和跳频使用的有效数据区。

    其中，ＦＨＣＮＦＭ进程处理的内容有：

   负责与操作维护单元进行通信，接收各项跳频配置参数；

   判断参数是否发生更新，并对参数的有效性进行校验；

   接收跳频启动消息，启动跳频过程；

   如果参数发生变化且有效，则将更新的参数保存至相应的数据缓冲区，并设置各配置参数的更新标志，这些更新标志提供给函数ＦＨＵＰＴＭ（）进行查询，以及时更新跳频计算过程的应用参数。

其中接收跳频的配置参数有：

（１） 跳频模式设置：是否射频跳频；

（２） 跳频系统参数设置：由操作维护控制单元通知ＦＨＭ模块本小区的有关ＢＣＣＨ 载波的情况，包含ＢＣＣＨ载波的频率和参数启用的开始时间；

（３） 信道的跳频参数设置：操作维护单元分别配置８个信道的跳频参数，包含ＨＳＮ、ＡＲＦＣＮ＿ＬＩＳＴ、ＭＡＩＯ等；

（４） 跳频计算开始指示：在初始化配置过程完成时，操作维护单元通知本进程启动ＦＨＣＡＬＭ的跳频计算过程。

    ＦＨＵＰＴＭ（）为一可调用函数，在每一个ＴＤＭＡ帧周期被调用一次，主要内容有：

     负责查询由进程ＦＨＣＮＦＭ设置的各参数更新标志（包括跳频模式更新标志、ＢＣＣＨ ＡＲＦＣＮ更新标志及各个信道的信道配置更新标志），如果参数发生变化且满足更新条件，则将更新了的配置参数转入有效参数数据区，作为跳频计算实际应用的有效参数使用；

     每当所有参数更新完毕，则函数根据当前各信道的移动配置表ＭＡ中的每个绝对频道号ＡＲＦＣＮ确定其所对应的频率合成器的控制参数，并将此对应关系保存在有效参数缓冲区内；

     当开始时间与当前帧号匹配时才将配置参数转为有效参数数据区；

     最终保证能提供有效的跳频参数给跳频计算函数ＦＨＣＡＬＭ（）使用。

     ＦＨＣＡＬＭ（）为一可调用函数，在每一个ＴＤＭＡ帧周期调用一次，主要处理内容有：

     在初始配置过程结束后，根据各信道的有效配置数据，计算得到各信道当前所选的绝对频道号ＡＲＦＣＮ；

     查询跳频允许标志位，从而决定本次调用是否允许进行跳频计算；

    计算所有８个信道在本ＴＤＭＡ帧所选的绝对频道号，并根据计算得到的绝对频道号和ＴＤＭＡ帧的参差等因素的影响，获取当前有效的频率合成器参数；

    计算过程完毕，最终将当前帧号、频率控制参数、总线选择字等信息组成数据包，发送至信道处理单元，并由该单元组成下行数据发至载频接口单元。

３ 跳频在频率规划中的作用

    根据ＧＳＭ体制的推荐，一般无线网络规划中都采用４×３频率复用方式，即３个基站区（每个基站分为３个１２０°的扇 区），１２个扇区为一小区群。这种方式同频干扰保护比Ｃ／Ｉ（也称载干比）能够比较可靠地满足ＧＳＭ标准要求，是依靠一定的同频复用距离与覆盖半径之比获得的。

    随着ＧＳＭ网络的不断扩展和优化，利用最小投资来提高网络的容量便是每个运营商必须考虑的问题，于是采用更紧密的频率复用方式，如３×３、２×３、１×３等，减少频率复用距离，降低干扰保护比，成为提高网络容量的最常用手段之一。

    但是要采用更紧密的频率复用方式，增加频率复用系数，提高频率利用率，就必须提高系统的抗干扰能力和提高系统的Ｃ／Ｉ，ＧＳＭ系统本身有许多抗干扰技术（功率控制、基于话音激活的不连续传输等），其中跳频技术的应用是必不可少的。

    首先以１×３频率复用方式为例，利用中兴通讯的网络规划和优化软件（Ｐｌａｎ Ｍａｓｔｅｒ）分析结果来讨论一下。１×３频率复用方式的同频Ｃ／Ｉ比４×３方式的大约要下降１０ｄＢ左右，因此必须采用跳频及其他抗干扰技术。开始先将公共控制信道以４×３的复用方式进行规划，而且公共控制信道是不参加跳频的；然后将剩下的话音信道分配到３个扇区，但每个扇区进行跳频的收发信机数小于分配到每个扇区的频率数，一般为５０％。例如，每个扇区参加跳频的频率为６个，则每扇区最多有３个ＴＲＸ进行跳频，每个ＴＲＸ在这６个频率上进行跳频。这种ＴＲＸ数与跳频数的比例限制是受其跳频算法决定的，目的是避免跳到同一频率，产生很大的干扰。采用这种跳频方式带来的Ｃ／Ｉ增益一般约为４．２ｄＢ。要弥补降低１０ｄＢ的Ｃ／Ｉ，必须采用其他抗干扰技术，如：基于话音激活的不连续发射（ＤＴＸ）、功率控制、分集接收等，采用特殊的干扰消除算法，可进一步减少干扰。

    下面比较一下不同复用方式对容量的提高情况，假设有４８个频率资源，共占９．６ＭＨｚ带宽，表１是采用几种复用方式的基站容量对比（以４×３方式为基准）。

    显然，在ＧＳＭ网络中要提高网络容量，就必须提高频率复用系数，而且要作全面的频率规划和优化，分析可能存在的干扰（同频干扰、邻频干扰等），调整频率资源的分配，同时必须采用跳频技术。

４ 两种跳频实现方式的比较

合成器跳频和基带跳频比较如下：

     从硬件需求来看，如果采用基带跳频方式，合路方式可采用窄带空腔合路器，降低合路以后的功率损耗，并可提供多达１６个收发信机的合路输出；如果采用合成器跳频方式，只能采用宽带混合合路器，所以经过合路后的功率损耗较大，原理上每经过一个二合一的合路器，功率就要下降３ｄＢ。

     从ＢＣＣＨ载波上的跳频方式来看，如果采用基带跳频，完全可实现在ＢＣＣＨ载波上的其余时隙进行跳频；如果采用合成器跳频，ＧＳＭ规范规定ＢＣＣＨ所在的收发信机上的载波频率是不能参与跳频的。

     从网络质量上来看，如果采用基带跳频，其跳频的频率集受每小区的载频数所限；而合成器跳频原则上可在除ＢＣＣＨ载波频率以外的所有频点上进行跳频，因此合成器能获得比基带跳频更高的分集增益，从而提高网络质量。

     从网络容量来看，由于采用合成器跳频可以有更高的频率复用系数，所以要比采用基带跳频得到的网络容量大。

     从网络的频率规划和优化来看，由于采用合成器跳频，所关心的只是ＢＣＣＨ的频率规划即可，而基带跳频必须考虑每个小区的频率分配，并要通过网络规划软件进行分析，特别在频率资源有限的地区，其工作量较大。

     从网络扩展性来看，如果采用合成器跳频的话，由于跳频不依赖于小区内不同载频，因此扩容时很容易增加站点或载频数；而采用基带跳频就不行，增加载频或站点将会影响原先的频率规划，有可能要重新进行全网的频率规划。

     从经济角度来看，采用合成器跳频显然要比基带跳频的经营成本低。以不跳频为基准来算，基带跳频可降低投资约２５％，合成器跳频可降低投资约５０％。

同样以一个２０万用户容量、ＧＯＳ＝０．０２／０．０２５Ｅｒｌ／用户、４８个频率资源、共占９．６ＭＨｚ带宽的ＧＳＭ网络来分析，可得到如表２的数据。

５ 结论

    目前国内ＧＳＭ网采用的各家厂商设备中，有采用基带跳频的，也有采用合成器跳频的。综合以上分析，不难看出采用合成器跳频在ＧＳＭ网络中有其一定的综合优势，相信今后的ＧＳＭ网络建设将以合成器跳频技术为跳频主要采用的方式。

（收稿日期：２０００－０６－１４）

[摘要] 文章主要阐述了在ＧＳＭ系统中跳频的基本原理和实现方式，同时介绍了深圳市中兴通讯股份有限公司移动事业部开发的ＧＳＭ基站ＺＸＧ１０－ＢＴＳ中跳频技术的具体实现。另外，文章还讨论了跳频在频率规划中的作用，并列出了不同跳频方式在ＧＳＭ网络中应用的优缺点，可供运营商建网参考。

[关键词] 全球移动通信系统 合成器跳频 基带跳频 频率复用 广播控制信道

[Abstract] Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉ-ｐｌｅｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｗａｙｓ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐｐｉｎｇ： ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａ-ｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｎ ＺＴＥ＇ｓ ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ — ＺＸＧ１０－ＢＴＳ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ： ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｏｐ-ｅｒａｔｏｒｓ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋｓ： ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐｐｉｎｇ ｉｎ ｆｒｅ-ｑｕｅｎｃｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ： ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｆｒｅ-ｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐｐｉｎｇ ｍｏｄｅｓ： ｗｈｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ａ ＧＳＭ ｎｅｔｗｏｒｋ： ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．

[Keywords] ＧＳＭ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐ-ｐｉｎｇ Ｂａｓｅ ｂａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐｐｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｕｓｅ ＢＣＣＨ