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，為了對抗阻塞干擾，提出了系統(tǒng)FCS技術(shù)。利用專用信道進(jìn)行實(shí)時信道質(zhì)量檢測，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)是無線通信終端抗干擾接入的關(guān)鍵技術(shù)。本文基于專用的寬頻段、多信道、有中心組網(wǎng)的跳頻通信系統(tǒng)，開展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CRC校驗)、信道質(zhì)量檢測;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)體對每一段的信道號進(jìn)行隨機(jī)排列，減少基站各段的頻率碰撞。系統(tǒng)每次開機(jī)時RRC層功能實(shí)體得到基站編號，并重新計算和更新頻率表�；竞鸵苿佑脩襞_利用通信過程中邏輯信道的信道質(zhì)量檢測結(jié)果對所有頻率的接收質(zhì)量進(jìn)行排序，將排序結(jié)果保存在列表中，并實(shí)時進(jìn)行更新維護(hù)。
基站和移動用戶臺根據(jù)信道質(zhì)量排序結(jié)果列表，計算出下一次通信使用的最佳信道和備用信道�；矩�(fù)責(zé)計算上行的最佳通信頻率，移動用戶臺負(fù)責(zé)計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)，基于基站與移動用戶臺間通信距離在覆蓋范圍內(nèi)，基站計算的最佳上行通信頻率所有移動用戶臺可以共用，移動用戶臺計算的最佳下行通信頻率只能對應(yīng)本移動用戶臺使用。
在通信過程中基站和移動用戶臺通過控制信道互相交換計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，對其中信道質(zhì)量檢測和信道優(yōu)化技術(shù)作了重點(diǎn)研究。
最后，通過系統(tǒng)實(shí)測試驗，給出不同阻塞干擾情況下的信道丟包率統(tǒng)計表、信道在阻塞干擾下的躲避響應(yīng)時間表。
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，信道掃描過程如下：
(1)基站和移動用戶預(yù)置若干個頻率點(diǎn)作為工作頻率，基站和移動用戶實(shí)時進(jìn)行全頻段信道掃描接收，記錄各頻點(diǎn)的信號場強(qiáng)、誤碼率等信息，同時判斷是有用信號還是干擾信號，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，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)開始時，基站通過信令和廣播的方式為移動用戶分配最佳接收和發(fā)射頻率。通信過程中，基站和移動用戶可實(shí)時掃描信道狀態(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不影響通信業(yè)務(wù)過程。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)量檢測和信道優(yōu)化技術(shù)
對于各個邏輯信道的信道質(zhì)量檢測，主要依靠對同步幀的誤碼統(tǒng)計及FEC解碼結(jié)果的誤碼統(tǒng)計來進(jìn)行檢測。其中，對于同步邏輯信道(同步幀)，依據(jù)卡薩米序列相關(guān)器輸出的錯誤比特數(shù)進(jìn)行信道質(zhì)量統(tǒng)計。對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)計結(jié)果進(jìn)行信道質(zhì)量統(tǒng)計。
信道質(zhì)量檢測和優(yōu)化算法如圖3所示：
圖3信道質(zhì)量檢測和優(yōu)化原理框圖
從空口收到的頻率信號經(jīng)解調(diào)后，在基帶同時進(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)碼卡薩米序列檢測并輸出信道質(zhì)量統(tǒng)計值。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)計值。統(tǒng)計出跳頻信道質(zhì)量等級，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，作為頻率規(guī)劃的評價。
四、測試參數(shù)和結(jié)論
TDMA空中接口結(jié)構(gòu)由突發(fā)跳、時隙、幀、復(fù)幀和超幀組成。1個時隙時長為10ms，由1個同步突發(fā)跳和1個業(yè)務(wù)/接入控制突發(fā)跳組成;1個TDMA幀時長為40ms，由4個時隙組成;1個復(fù)幀時長為160ms，由8個TDMA幀組成;1個超幀時長為8×160=1280ms，由8個復(fù)幀組成。
基站與移動用戶臺中預(yù)置上行和下行兩個頻率表作為FCS的`頻率表，每個頻率表中包含32個頻率，下行頻率表按照合路器的規(guī)則分為4段，每段包含8個頻率。
系統(tǒng)各邏輯信道的前向糾錯編碼(FEC)采用Turbo編碼和CRC校驗方式。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)
通過使用CRC碼對傳輸數(shù)據(jù)塊進(jìn)行快速檢錯和差錯控制，保證誤檢率在規(guī)定范圍以內(nèi)。本系統(tǒng)采用CRC-16 CRC校驗方式，對編碼后的數(shù)據(jù)塊添加CRC。CRC生成多項式如式(2)所示：
G(X)=x16+x15+x2+1(2)
本系統(tǒng)將每個頻率的信道干擾分為5個干擾等級，這5個等級包括了整個信號強(qiáng)度的檢測范圍。干擾等級范圍決定了檢測的精細(xì)程度。但是在不同的通信環(huán)境和用戶需求下，信道質(zhì)量的精細(xì)程度不同，可通過參數(shù)進(jìn)行配置。
基站和移動用戶臺保存4～8對以上最佳通信頻率對，其中下行最佳通信頻率分布在4個頻段內(nèi)。當(dāng)呼叫流程開始時，基站RRC實(shí)體根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯信道對應(yīng)的物理信道和時隙位置，選擇分配其中的一對頻率進(jìn)行通信。
根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐的試驗結(jié)果，對本系統(tǒng)應(yīng)用FCS技術(shù)前后的抗阻塞干擾性能進(jìn)行對比。由表1可知，當(dāng)系統(tǒng)采用FCS技術(shù)時，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，在通信過程中利用干擾車進(jìn)行特定頻段的阻塞干擾時，系統(tǒng)開始進(jìn)行頻率更新過程，如表2所示。由此可知，當(dāng)某一頻點(diǎn)被阻塞干擾時，由CCCH和業(yè)務(wù)信道統(tǒng)計的誤碼率測量結(jié)果較接近理想結(jié)果，干擾等級均為5，頻點(diǎn)更新時間在2s以內(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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