用分集接收技術(shù)優(yōu)化無線集群通信系統(tǒng)

摘要　分析了無線信號的傳輸特性，針對現(xiàn)有350兆模擬集群系統(tǒng)所存在的問題，在傳統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，提出了用分集接收技術(shù)來改善無線集群系統(tǒng)接收性能的方案。通過測試表明，此方案改善效果明顯。

1、引言

目前，350兆無線模擬集群通信網(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、運輸?shù)炔块T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，并逐步升級替代模擬集群系統(tǒng)。但是，許多無線模擬系統(tǒng)投入運行時間還不長，仍然承擔(dān)著指揮調(diào)度主力軍的作用，還沒有必要由數(shù)字集群完全替代�，F(xiàn)有350兆無線集群系統(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（基站至移動臺）強，移動臺（車載或手持）接收效果好。但是由于移動臺MS（特別是手持臺）受體積、重量和耗電等設(shè)計工藝因素的限制，不可能使用高功率、高增益天線增強發(fā)射信號，因此手持臺上行信號（移動臺至基站）較弱，基站（BS）無法很好地接收到或根本無法接收到移動臺（MS）信號，上行和下行信號不平衡，造成無線通信不暢，在郊區(qū)邊緣和樓宇密集地帶尤為明顯。分析原因，主要是因為電磁波傳輸受外界環(huán)境影響較大引起的。為此，本文通過分析電磁波的傳輸特性以及移動通信狀態(tài)造成的信號衰落，從提高和改善基站接收性能的角度，提出了優(yōu)化無線集群通信系統(tǒng)的方案，尤其是分集接收優(yōu)化方案，并通過分析，得出采用分集接收技術(shù)來優(yōu)化無線集群通信系統(tǒng)是較理想的。

2、無線信號傳輸和衰落特性

我們在使用移動電話、手持電臺過程中，收聽的聲音有漂移和信號強弱的變化，在使用固定電話時就比較穩(wěn)定。這是什么原因造成的?固定電話以銅纜、光纖為信號傳輸介質(zhì)，其物理性能受外界因素影響少，信號質(zhì)量穩(wěn)定。而無線通信利用電磁波空間傳輸，信號傳輸呈現(xiàn)許多不同的特點。一般情況下，手持臺通話時天線的高度一般低于3米，在城市、丘陵等非平坦地形時會產(chǎn)生阻擋，發(fā)射的信號要經(jīng)過直射、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。

在移動通話狀態(tài)下，多徑傳播路徑上的信號幅度、時延以及相位隨時隨地發(fā)生變化，所以接收端的信號電平是起伏、不穩(wěn)定的，這些多徑信號相互疊加引起信號幅度變化，最終形成信號衰落，在移動通信領(lǐng)域稱為“瑞利衰落”。根據(jù)理論值推算，衰落最快時為每秒2V/λ（V為移動速度，λ為信號波長），嚴(yán)重衰落時深度達(dá)20-40 dB，這種衰落隨時間急劇變化，稱為“快衰落”。除此之外，在實地測試過程中還發(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，但衰落的中值場強只產(chǎn)生比較平緩的變化，所以又稱“慢衰落”。在多徑環(huán)境中，移動臺在行進(jìn)方向與移動臺到基站方向存在一定角度（即不是正對基站方向行進(jìn)），多徑信號迭加就會使接收信號產(chǎn)生一個附加頻移。

鑒于使用350兆無線模擬集群通信網(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)，基站與移動臺之間多數(shù)采用模擬信道傳輸方式。比如在公安部門使用的350兆頻段的無線模擬集群系統(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，多徑信號先后到達(dá)接收機(jī)的時延遠(yuǎn)小于數(shù)字信號的碼元寬度，屬移動通信領(lǐng)域的窄帶移動信道。因此，350兆無線模擬集群系統(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)字移動通信網(wǎng)中多徑信號到達(dá)接收機(jī)所產(chǎn)生的頻率偏移和時延。

3、傳統(tǒng)優(yōu)化350兆無線集群系統(tǒng)的方案

350兆無線集群系統(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)計開發(fā)過程中，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，通過增設(shè)基站，縮短通信距離是改善上行信號的有效措施。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，過多跨基站操作會給使用者帶來許多麻煩。

3.2　設(shè)置分集接收臺

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

3.3　設(shè)置同頻轉(zhuǎn)發(fā)器

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

4、基站天線分集接收方案

在能夠滿足當(dāng)前使用的前提下，我們認(rèn)為沒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)分別接收兩個或更多的輸入信號，這些信號具有互不相關(guān)的隨機(jī)衰落特性，通過接收處理后達(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)衰落的一個有效方法。采用這種方法，接收機(jī)可對多個攜有相同信息且衰落特性相互獨立的接收信號在合并處理后進(jìn)行判決。由于衰落有頻率、時間和空間的選擇性，因此分集技術(shù)包括頻率分集、時間分集和空間分集。其中，空間分集技術(shù)是現(xiàn)有移動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，用來接收兩個信號，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，采用分集以及合并技術(shù)使其輸出更強的有用信號，能降低傳播因素的影響。在移動通信中，空間略有變動就可能出現(xiàn)較大的電磁波場強變動。空間的間距越大，多經(jīng)傳播的差異越大，基站所接收場強的相關(guān)性就越小。這種情況下，多經(jīng)信號同時深衰落可能性很小，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的相干性越小，分集接收技術(shù)處理信號衰落的性能越好。實驗數(shù)據(jù)表明，兩付天線接收的無相關(guān)性信號同時衰落大于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，便可以減少衰落影響，獲取明顯的分集優(yōu)勢。信號的相干性系數(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，要充分考慮天線水平間隔、垂直間隔以及近場強的影響等，天線間距應(yīng)當(dāng)盡量加寬。

4.2　接收技術(shù)

兩路天線信號輸入后，有4種合并方法：選擇合并、開關(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作為輸出信號。但需要兩個射頻接收機(jī)，選擇開關(guān)有瞬間滯后現(xiàn)象，另外一路的信號被完全放棄了。

開關(guān)合并：接收端設(shè)置門限開關(guān)電平，始終保持一支路信號直到該信號電平低于門限電平，才轉(zhuǎn)換到另外一路較強信號上去。這種方法實現(xiàn)比較簡單，但性能低于選擇分集合并的性能。

最大比值合并：對兩支路的接收信號進(jìn)行加權(quán)，控制兩支路信號增益，與所接收的信息強度成正比。信號強的支路多作貢獻(xiàn)、信號弱的少作貢獻(xiàn)，沒有信號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，但易于實現(xiàn)。因此，在優(yōu)化350兆無線集群通信系統(tǒng)時，建議采用此方法。

5、測試效果分析

我們對350兆無線集群通信系統(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分集接收時的相對電平累積分布曲線，曲線B為采用分集接收時的相對電平累積分布曲線。從圖中可以看出，0.1%時間百分比時，無分集接收時由曲線A查出此時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查出此時的衰落深度僅比自由空間收信電平低16 dB�？梢姺旨�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，即無分集接收曲線A與分集接收曲線B此時對應(yīng)于同一收信電平，其衰落的累積時間百分比分別為1%和0.01%，兩者的比值為100，亦即分集改善為100。

由此可見，采用基站天線分集接收技術(shù)方案，可以提高信號電平，改善基站接收端電磁波信噪比，優(yōu)化了350兆無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)還在無線寬帶數(shù)據(jù)、微波傳輸、移動蜂窩網(wǎng)等有著廣泛的應(yīng)用。