主頁(yè)（http://www.130131.com）：用分集接收技術(shù)優(yōu)化無(wú)線集群通信系統(tǒng)

摘要　分析了無(wú)線信號(hào)的傳輸特性，針對(duì)現(xiàn)有350兆模擬集群系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，在傳統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，提出了用分集接收技術(shù)來(lái)改善無(wú)線集群系統(tǒng)接收性能的方案。通過(guò)測(cè)試表明，此方案改善效果明顯。

1、引言

目前，350兆無(wú)線模擬集群通信網(wǎng)具有單呼、組呼和緊急呼叫等功能，組網(wǎng)靈活、調(diào)度快捷，在公安、交通、運(yùn)輸?shù)炔块T(mén)得到廣泛應(yīng)用，成為城市應(yīng)急通信網(wǎng)不可缺少的重要組成部分。當(dāng)前，數(shù)字集群技術(shù)也日趨成熟，并逐步升級(jí)替代模擬集群系統(tǒng)。但是，許多無(wú)線模擬系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)間還不長(zhǎng)，仍然承擔(dān)著指揮調(diào)度主力軍的作用，還沒(méi)有必要由數(shù)字集群完全替代�，F(xiàn)有350兆無(wú)線集群系統(tǒng)依然采用模擬的大區(qū)覆蓋方式，基站設(shè)在高山或高層建筑的頂端，并使用高功率、高增益的全向天線發(fā)射，下行信號(hào)(基站至移動(dòng)臺(tái))強(qiáng)，移動(dòng)臺(tái)(車(chē)載或手持)接收效果好。但是由于移動(dòng)臺(tái)MS(特別是手持臺(tái))受體積、重量和耗電等設(shè)計(jì)工藝因素的限制，不可能使用高功率、高增益天線增強(qiáng)發(fā)射信號(hào)，因此手持臺(tái)上行信號(hào)(移動(dòng)臺(tái)至基站)較弱，基站(BS)無(wú)法很好地接收到或根本無(wú)法接收到移動(dòng)臺(tái)(MS)信號(hào)，上行和下行信號(hào)不平衡，造成無(wú)線通信不暢，在郊區(qū)邊緣和樓宇密集地帶尤為明顯。分析原因，主要是因?yàn)殡姶挪▊鬏斒芡饨绛h(huán)境影響較大引起的。為此，本文通過(guò)分析電磁波的傳輸特性以及移動(dòng)通信狀態(tài)造成的信號(hào)衰落，從提高和改善基站接收性能的角度，提出了優(yōu)化無(wú)線集群通信系統(tǒng)的方案，尤其是分集接收優(yōu)化方案，并通過(guò)分析，得出采用分集接收技術(shù)來(lái)優(yōu)化無(wú)線集群通信系統(tǒng)是較理想的。

2、無(wú)線信號(hào)傳輸和衰落特性

我們?cè)谑褂靡苿?dòng)電話、手持電臺(tái)過(guò)程中，收聽(tīng)的聲音有漂移和信號(hào)強(qiáng)弱的變化，在使用固定電話時(shí)就比較穩(wěn)定。這是什么原因造成的?固定電話以銅纜、光纖為信號(hào)傳輸介質(zhì)，其物理性能受外界因素影響少，信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定。而無(wú)線通信利用電磁波空間傳輸，信號(hào)傳輸呈現(xiàn)許多不同的特點(diǎn)。一般情況下，手持臺(tái)通話時(shí)天線的高度一般低于3米，在城市、丘陵等非平坦地形時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻擋，發(fā)射的信號(hào)要經(jīng)過(guò)直射、反射、散射等多條傳播途徑才能到達(dá)接收端，其信道是一種多徑衰落信道。

在移動(dòng)通話狀態(tài)下，多徑傳播路徑上的信號(hào)幅度、時(shí)延以及相位隨時(shí)隨地發(fā)生變化，所以接收端的信號(hào)電平是起伏、不穩(wěn)定的，這些多徑信號(hào)相互疊加引起信號(hào)幅度變化，最終形成信號(hào)衰落，在移動(dòng)通信領(lǐng)域稱(chēng)為“瑞利衰落”。根據(jù)理論值推算，衰落最快時(shí)為每秒2V/λ(V為移動(dòng)速度，λ為信號(hào)波長(zhǎng))，嚴(yán)重衰落時(shí)深度達(dá)20-40 dB，這種衰落隨時(shí)間急劇變化，稱(chēng)為“快衰落”。除此之外，在實(shí)地測(cè)試過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)一種“慢衰落”現(xiàn)象，慢衰落持續(xù)穩(wěn)定的過(guò)程約為幾百米，主要取決于城市建筑密度與平均高度以及郊區(qū)的山丘與叢林的寬度等因素，但衰落的中值場(chǎng)強(qiáng)只產(chǎn)生比較平緩的變化，所以又稱(chēng)“慢衰落”。在多徑環(huán)境中，移動(dòng)臺(tái)在行進(jìn)方向與移動(dòng)臺(tái)到基站方向存在一定角度(即不是正對(duì)基站方向行進(jìn))，多徑信號(hào)迭加就會(huì)使接收信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)附加頻移。

鑒于使用350兆無(wú)線模擬集群通信網(wǎng)較為普遍的情況，本文就從此入手進(jìn)行論述。350兆無(wú)線模擬集群系統(tǒng)內(nèi)部采用數(shù)字交換技術(shù)，基站與移動(dòng)臺(tái)之間多數(shù)采用模擬信道傳輸方式。比如在公安部門(mén)使用的350兆頻段的無(wú)線模擬集群系統(tǒng)，采用快速頻移鍵控(FFSK)調(diào)制方式，傳輸速率1 200 bit/s、模擬信道間隔為25kHz。使用模擬調(diào)制、信道傳輸速率不高、占用帶寬也較低，多徑信號(hào)先后到達(dá)接收機(jī)的時(shí)延遠(yuǎn)小于數(shù)字信號(hào)的碼元寬度，屬移動(dòng)通信領(lǐng)域的窄帶移動(dòng)信道。因此，350兆無(wú)線模擬集群系統(tǒng)應(yīng)著重考慮“快衰落”和“慢衰落”等因素，不用考慮在寬帶數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)中多徑信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所產(chǎn)生的頻率偏移和時(shí)延。

3、傳統(tǒng)優(yōu)化350兆無(wú)線集群系統(tǒng)的方案

350兆無(wú)線集群系統(tǒng)采用MPT-1327信令，技術(shù)規(guī)范和信令標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中，充分考慮了多徑衰落的因素，采用了適應(yīng)多傳播的快速頻移鍵控(FFSK)調(diào)制方式，廠家在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也積極引用了分集抗衰落技術(shù)，這里就不再累述。

3.1　增設(shè)基站

當(dāng)然，通過(guò)增設(shè)基站，縮短通信距離是改善上行信號(hào)的有效措施。但是，模擬集群系統(tǒng)自身頻率利用率不高而造成資源緊張，其位置登記、越區(qū)切換、漫游等技術(shù)沒(méi)有達(dá)到GSM、CDMA蜂窩網(wǎng)或數(shù)字集群系統(tǒng)成熟的技術(shù)水平，過(guò)多跨基站操作會(huì)給使用者帶來(lái)許多麻煩。

3.2　設(shè)置分集接收臺(tái)

在基站信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置分集接收臺(tái)，位于遠(yuǎn)端移動(dòng)臺(tái)的發(fā)送信號(hào)可由就近的分集接收臺(tái)接收，再由有線或無(wú)線鏈路傳至基站，能夠改善上行信號(hào)質(zhì)量。但需考慮到建設(shè)、管理、維護(hù)和費(fèi)用等方面的因素。

3.3　設(shè)置同頻轉(zhuǎn)發(fā)器

在基站信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)置同頻轉(zhuǎn)發(fā)器，整個(gè)系統(tǒng)使用相同頻道，盲區(qū)中的移動(dòng)臺(tái)也不必轉(zhuǎn)換頻道，工作簡(jiǎn)單。能夠同時(shí)改善上行和下行信號(hào)質(zhì)量。但同樣需考慮到建設(shè)、管理、維護(hù)和費(fèi)用等方面的因素。

4、基站天線分集接收方案

在能夠滿(mǎn)足當(dāng)前使用的前提下，我們認(rèn)為沒(méi)有必要再投資興建模擬集群系統(tǒng)基站等，在此，本文提出使用基站天線分集接收技術(shù)。

分集接收是利用系統(tǒng)分別接收兩個(gè)或更多的輸入信號(hào)，這些信號(hào)具有互不相關(guān)的隨機(jī)衰落特性，通過(guò)接收處理后達(dá)到克服衰落的目的。分集接收技術(shù)可分為分集技術(shù)和接收技術(shù)。

4.1　分集技術(shù)

分集技術(shù)是克服多經(jīng)衰落的一個(gè)有效方法。采用這種方法，接收機(jī)可對(duì)多個(gè)攜有相同信息且衰落特性相互獨(dú)立的接收信號(hào)在合并處理后進(jìn)行判決。由于衰落有頻率、時(shí)間和空間的選擇性，因此分集技術(shù)包括頻率分集、時(shí)間分集和空間分集。其中，空間分集技術(shù)是現(xiàn)有移動(dòng)通信中常用的基站分集方式。

以二信道為例，空間分集就是在系統(tǒng)基站設(shè)立相距為D的兩付天線，用來(lái)接收兩個(gè)信號(hào)，由于電磁波傳播環(huán)境及衰落各不相同，具有不相干或相干性很小的特點(diǎn)，采用分集以及合并技術(shù)使其輸出更強(qiáng)的有用信號(hào)，能降低傳播因素的影響。在移動(dòng)通信中，空間略有變動(dòng)就可能出現(xiàn)較大的電磁波場(chǎng)強(qiáng)變動(dòng)。空間的間距越大，多經(jīng)傳播的差異越大，基站所接收?qǐng)鰪?qiáng)的相關(guān)性就越小。這種情況下，多經(jīng)信號(hào)同時(shí)深衰落可能性很小，分集便能把衰落效應(yīng)降到最小。

基站兩付天線所接收的信號(hào)的相干性越小，分集接收技術(shù)處理信號(hào)衰落的性能越好。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，兩付天線接收的無(wú)相關(guān)性信號(hào)同時(shí)衰落大于20 dB的概率為0.01%，僅為單天線接收概率的1%。當(dāng)相干性參數(shù)低于一定數(shù)值時(shí)，便可以減少衰落影響，獲取明顯的分集優(yōu)勢(shì)。信號(hào)的相干性系數(shù)與基站天線高度、分集天線間距、兩付天線連接方向角度等有明顯的關(guān)系。因此，兩副天線安裝時(shí)，要充分考慮天線水平間隔、垂直間隔以及近場(chǎng)強(qiáng)的影響等，天線間距應(yīng)當(dāng)盡量加寬。

4.2　接收技術(shù)

兩路天線信號(hào)輸入后，有4種合并方法：選擇合并、開(kāi)關(guān)合并、最大比值合并和等增益合并。

選擇合并：選擇信噪比最高的支路信號(hào)作為輸出信號(hào)。但需要兩個(gè)射頻接收機(jī)，選擇開(kāi)關(guān)有瞬間滯后現(xiàn)象，另外一路的信號(hào)被完全放棄了。

開(kāi)關(guān)合并：接收端設(shè)置門(mén)限開(kāi)關(guān)電平，始終保持一支路信號(hào)直到該信號(hào)電平低于門(mén)限電平，才轉(zhuǎn)換到另外一路較強(qiáng)信號(hào)上去。這種方法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但性能低于選擇分集合并的性能。

最大比值合并：對(duì)兩支路的接收信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，控制兩支路信號(hào)增益，與所接收的信息強(qiáng)度成正比。信號(hào)強(qiáng)的支路多作貢獻(xiàn)、信號(hào)弱的少作貢獻(xiàn)，沒(méi)有信號(hào)的噪聲支路就抑制掉。這是比較理想的合并方法，但接收電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、設(shè)備昂貴。

等增益合并：在最大比值合并中，各支路信號(hào)的加權(quán)系數(shù)取相同，便成為等增益合并，其合并性能僅次于最大比值合并，卻相差不大，但易于實(shí)現(xiàn)。因此，在優(yōu)化350兆無(wú)線集群通信系統(tǒng)時(shí)，建議采用此方法。

5、測(cè)試效果分析

我們對(duì)350兆無(wú)線集群通信系統(tǒng)，采用空間分集等增益合并的分集接收方案進(jìn)行測(cè)試，可以得到如圖1的改善效果圖。

                                       圖1　改善效果圖

圖中，曲線A為在深衰落情況下無(wú)分集接收時(shí)的相對(duì)電平累積分布曲線，曲線B為采用分集接收時(shí)的相對(duì)電平累積分布曲線。從圖中可以看出，0.1%時(shí)間百分比時(shí)，無(wú)分集接收時(shí)由曲線A查出此時(shí)的衰落深度比自由空間收信電平低30 dB;采用分集接收技術(shù)后，由曲線B查出此時(shí)的衰落深度僅比自由空間收信電平低16 dB�？梢�(jiàn)分集接收使衰落深度減輕了14 dB，即意味著分集增益為14 dB

同理，當(dāng)收信電平低于自由空間收信電平20 dB時(shí)，即無(wú)分集接收曲線A與分集接收曲線B此時(shí)對(duì)應(yīng)于同一收信電平，其衰落的累積時(shí)間百分比分別為1%和0.01%，兩者的比值為100，亦即分集改善為100。

由此可見(jiàn)，采用基站天線分集接收技術(shù)方案，可以提高信號(hào)電平，改善基站接收端電磁波信噪比，優(yōu)化了350兆無(wú)線模擬集群通信系統(tǒng)，改善效果明顯，此方案是較理想的。另外，分集接收技術(shù)還在無(wú)線寬帶數(shù)據(jù)、微波傳輸、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)等有著廣泛的應(yīng)用。