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GSM系统中的干扰分析

时间:2010-08-21


毕业设计(论文)文献翻译
(2010 届)





GSM 系统中的干扰分析









计算机与信息学院

专 业 (班 级)

通信工程 06-1 班

姓 名 (学 号)

许爽( 许爽(20062284) )

指 导 教 师



永 宣

系(教研室)负责人 教研室)



志 中

GSM 系统中的干扰分析
摘要:在无线网络信息规划阶段,要得到期望小区间无线干扰的信息需要很多次测量。下
面介绍一个新的方法预测 GSM 中的无线干扰,不是通常在规划模拟系统中所使用的载干比 c/i,而提出了一个适当的算法来规划数字系统。该算法包括移动无线信道中的衰落统计,计 算的概率是就误码率(BER)方面而言,数字质量门限超过了的可能性大小。在 GSM 不连 续发射(DTX)的好处在减少干扰方面已经被研究了,另外不连续发射 DTX 对业务负载干 扰小区的影响进行了分析。分析结果显示,不连续发射 DTX 和业务负载因子的使用,可以 使干扰由 75%下降到 63%。

Ⅰ 引言
自从 1991 年推出 GSM 系统以来,用户数量有了大幅度的增加。许多网络运营商面临 着频率稀缺的问题,特别是在频率必须与邻国之间进行协调的城市或国家的边界地区。 一方面,可用的频率资源是有限的,另一方面高用户数量,这两方面都提高了有效频率 分配的难度,而且不能在没有收到预期的无线电干扰的可靠信息下进行。因此,规划一个高 容量的无小区线网络如 GSM 系统,最准确的可能干扰分析是一个重要的先决条件。 下面提供了一种预测 GSM 网络中干扰的算法, 为简单起见只考虑下行信道的干扰问题, 另外邻频信道干扰分析和同频信道干扰分析具有相同的准则。

Ⅱ 规划过程

BTS 选择

覆盖

邻小区 BTS 选择

小区格式化

干扰分析

频率分配

图 1 在无线网络规划过程中干扰分析的作用

图 1 描述的是一个简化的规划过程流程图。GSM 无线网络规划过程可以大致分为六个 步骤。首先,基站收发信台(BTS 站点)被选中。然后对每个基站覆盖范围进行了预测。 第三步,根据基站的覆盖信息,GSM 网络中小区的相邻关系被确定。第四、五步,在小区 格式化过程中考虑到小区间的相互作用。 第六步, 确定每一个在规划区内地理位置上的基站 收发信台 BTS 的概率。分配给给美国基站收发信台 BTS 的概率决定了这个地理位置上的移 动台和给定的 BTS 相互间通信的概率。在接下来的干扰分析中,可生成干扰矩阵,其中包 含了小区间的平均干扰情况,随着数据的输入,干扰矩阵的频率可以被分配。

局部干扰频率 Ⅲ 局部干扰频率 描述
图 2 描述的是考虑干扰的情况,移动台 MS 与服务器 BTS 通信。它们之间的无线通信 受另一个使用相同频率的基站收发信台 BTS 的干扰。描述干扰情况的是这两个参数:服务 器信号强度 c 和干扰信号强度 i。这两个信号强度取决于在移动台 MS 所在的位置,移动台 MS 的移动可导致这两个信号的强度随时间发生变化。

图 2 考虑干扰的情况

信号统计
有用信号和干扰信号的变化是双重的,这里有慢衰落组件(阴影效应)和叠加 - 快速 衰落组件(瑞利衰落)[1]。 由于阴影效应而导致信号发生的变化遵循对数正态分布[2],因此,短期平均每服务器 信号 c 遵循以下表达式:
( c C )2
2σ 2

Pc ( c ) =

1 2πσ 2

e



(1)

C 描述了长期平均服务信号,这是由规划工具的场强预测算法预测的, σ 表示该对数 正态分布的标准差取决于 MS 附近的空间的利用结构。 对数正态分布也符合短期平均干扰信号 i 的变化情况:

Pi ( i ) =

1 2πσ
2

e



( i I )2
2σ 2

(2)

I 描述了长期平均干扰信号,这也是由规划工具的场强预测算法预报的。服务器和干扰

信号到达的 MS 在同一点。因此,这两个信号使用相同的标准偏差。 由于事实上该规划工具的场强预测算法无法预测在特定地点的场强的精确值, 而只是对 数正态衰落,意味着在干扰分析使用非确定性的统计方法,这将影响长期干扰的概率。

质量门限
GSM 是第一个数字移动无线电系统,语音传输出现之前 GSM 系统是是数字化传输, 语音质量同误码率 BER 是相关联的。在模拟系统无线网络规划工具中,载干扰比 C / I 在描 述干扰量方面是广泛使用的参数,在数字系统中更准确的测量值是误码率 BER。从主观角 度来看,特定语音质量的误码率超过门限 BER0 ,则该语音质量是不理想的。 因此, 本地长期干扰信号概率定义的是当前误码率超过了质量门限 BER0 的误码率的概 率。 这个概率不仅取决于这两个有用信号和干扰信号, 也由于他们的变化和阴影衰落的水平。 另一方面的变化是与土地利用结构。 因此, 长期本地干扰概率是由当前误码率超过了质量门限的误码率定义的。 这个概率不 仅取决于有用信号和干扰信号的强度, 而且也取决与随阴影和衰落发生的变化。 另一方面概 率的变化与空间利用结构是有关的。

测量
通过干扰测量来确定误码率 BER 取决于服务器信号 c 和干扰信号 i 的程度。由[5]所描 述的典型的多径效应,无线移动信道被模型化。当得到一些不同的 c 和 i 的值的时候,c 和 i 的功率自适应调整,其中 c 和 i 是不相关的。 图 3 描述了多径效应模型 TU50 的情况。 从横坐标可以看到短期内有用信号 c 的强度的 平均功耗在-110 dBm 到-86 dBm 的范围内变化,纵坐标显示的是误码率 BER。曲线参数是 有用信号 c 和干扰信号 i 平均值的比例,c/i 的比值范围是从 4dB 到 19dB。此外,如灵敏度 曲线所示,它描述了无干扰的情况,即误码率只由噪声和多径效应引起,当 c /i 比例下降的 时候预期的误码率会变得更高。另一方面,可以看到有用信号的依赖程度,在电平值较低时 很重要。在电平值较高时,约为-94 dBm 时,误码率 BER 与常数 c/i 运行进入饱和状态。

图 3 多径模型 TU50 的误码率与载干比 C / I 和服务器的水平。

GSM 要求的最低干扰比是参考载干比 c/i = 9 dB [5]. 由于[5]这一比例适用于有用信号 强度 C = -85 dBm 的水平,此时可以得到一个特定的误码率。从图 3 可以看出,在有用 信号电平值较低时要想得到同样的误码率 BER,所需的 c/i 比率要求更高。这表明,只 考虑载干比 c/i 是不够的,除了 c/i 也得考虑 c。

算法
下面列举了在确定本地干扰的算法中所需的输入: C 代表的是有用信号的对数正态分布 I 代表的是干扰信号的对数正态分布 统计有用信号和干扰信号 数字质量门槛 BERo 这样做的干涉测量只会给出基于短期平均信号 c 和 i 的干扰信息,另外必须考虑 长期变化的阴影效应。 下面的这个概率是联合概率所描述的 c 和 i 为特定值的不相关的假设

P( c ,i ) ( c, i ) =

1 2πσ
2

e



( c C )2 + ( i I )2
2σ 2

(3)

BER(c, i ) 是一个函数, 它提供了误码率依赖于短期平均信号 C 和 I。 BER(c, i ) 是 由图 3 测量结果得出的。 门限函数

δ ( c, i, BER0 ) =
可以得到计算本地干扰的概率的公式

0 : BER ( c, i ) ≤ BER0 1: BER ( c, i ) > BER0

(4)

pglob =

( int )

+∞ +∞

∞ ∞

∫ ∫ p( ) ( c, i ) δ ( c, i, BER ) dc di
c ,i 0


(5)

联合公式(4)可以推导出:

pglob =

( int )

+∞ +∞

∞ ∞

∫ ∫ 2πσ

1

2

e

( c C )2 + ( i I )2
2σ 2

δ ( c, i, BER0 ) dc di

(6)

至目前为止,本地干扰的概率,即干扰的概率,已得到考虑。现在,在小区间干 扰概率的基础上,全局干扰概率都已得到了考虑。 全局干扰的概率是由对服务小区面积平均计算的本地干扰概率获得[3],小区面积 是由取值大于零的当地分配概率 ap 定义的,因为干扰在高用户业务量的位置比在很少 或没有用户的位置更重。当地干扰的概率是由业务密度 td 负荷的,此外当地的干扰概 率也是由当地分配概率 ap 负荷的。因此,全局干预的概率是:

pglob

( int )

∫∫ p ap td dxdy = ∫∫ ap td dxdy

( int ) loc

(7)

全局干扰概率计算的是每个基站收发信台 BTS,结果存储在干扰矩阵中。

Ⅴ 减少干扰机制

GSM 系统提供了很多较少干扰的机制: ● 不连续发射(DTX) ● 自适应功率控制(PC) ● 跳频(FH) ● 话务负载(TL) 不连续发射 DTX 技术是指发射机只有在用户处于通话状态时才有功率发射[7], 用 户静音时发射机停止发射而只是传输少量的信令。话音激活因子 υ 给出了发射机处于 发射状态所占的时间比例,测量结果显示 υ 可以取值的范围是 50%和 70%之间。不连 续发射 DTX 的好处是无线信道的干扰得到有效的降低, 从而使网络的平均通话质量得 到改善;同时 DTX 的应用可以减少基站和移动台的处理器负载和功耗。因此在可能的 情况下,建议在网上使用下行 DTX。 功率控制 PC 的意思是无线发射机的发射功率根据基站收发信台 BTS 和移动台 MS 之间对功率的需要进行自动的调节[6], 如果接收到的信号的强度和质量达到了要求值, 则发射机会减小发射功率至一个较小的合适的值。 跳频(FH)可以均化干扰,事实上所有的呼叫都受到或多或少的同样的干扰。由 于干扰是均化在所有的呼叫上,也可能是由信道编码时重建的错误比特位。跳频算法 的详细描述可见[4]。 为了解释干扰在话务负载中的影响,图 4 显示了在 GSM[4]中所使用的时分多址 (TDMA)时隙表。在每个射频 RF 信道上时间在长度上被分成了每 0.577 毫秒为一个 时隙,8 个时隙构成一个 TDMA 帧(时长为 4.615 毫秒) ,时隙编号为 0 到 7。如果干 扰小区是完全加载的,则每个 TDMA 帧的时隙都被占用而且干扰基站的干扰时间可持 续。如果干扰小区是部分加载,干扰会产生子集短脉冲串和一些可以不损坏的服务脉 冲到达移动台 MS,被破坏的比特可以在信道编码的时候得到修复。

图 4 GSM 中的 TDMA 帧结构 在这里,干扰在不连续发射 DTX 和业务负载 DL 的影响都得到了验证。在 GSM 系统中我们必须要会区分业务射频信道(TCH)和广播射频信道(BCCH) 。 在这篇论文里一个 BCCH 信道描述的是逻辑信道 BCCH[4]可以被找到的射频信 道,而业务信道 TCH 只是包含了 TCHs。每一个小区只有一个广播信道 BCCH, 通常有几个额外的业务信道 TCH。广播控制信道 BCCH 连续发射,不管有没有呼 叫的存在,而且是以满功率进行发射。因而由广播控制信道 BCCH 产生的干扰时 无法减少的。 现在业务信道频率的减少干扰已被分析,图 5 描绘的是服务器和干扰使用 TDMA 帧的一个例子。 在服务器侧只有呼叫建立是 TDMA 帧才被标记, 干扰减少 作用于每个时隙,这与服务小区是否满载没有关系。 有用的呼叫分配给了两个时隙,根据干扰方面哪个时隙被占用,有用时隙可

以是重叠的或者被干扰突发脉冲序列所覆盖。作为一个最坏假设的情况下,即使 它本来自由一小部分重叠也会破坏有用的突发脉冲序列。因为移动台 MS 是移动 的,有用的 TDMA 帧序列和干扰 TDMA 帧序列的时间偏移是一直在变化的,此 外假设在一帧中被占用的时隙是均匀分布的:

图 5 在服务和干扰 TDMA 帧结构中时隙占用的例子 易损期时隙持续时间的两倍,干扰 TDMA 帧的时隙占用数目越大,有用突发脉冲序列 与干扰突发脉冲序列碰撞的可能性就越大。8 个可用时隙碰撞的概率是:

p ( call ) ( ) = 1

( 7 )(8 )
56

(8)

代表的是干扰帧时隙的数目,N 代表的是可用时隙的数目,如果干扰信道超过一个,
可用时隙的数目 N 就会增加,可以归结如下:

p(

call )

( , N ) = 1


( N 1 )( N ) N ( N 1)
( i )

(9)

现在考虑不连续发射 DTX,将话音激活因子包括进去:
( pDTX ) ( , N , v ) = 1 ∑ ( i ) (1 v )
call i =0

vi

( N 1 i )( N i ) N ( N 1)

(10)

现在将干扰小区的业务负载也考虑进去同时假设系统损失[1],我们可以得到干扰减少 因子ηtraff ( A, N , v ) 如下: traff η
N N A A ( call ( A, N , v ) = ∑ ∑ pDTX ) ( , N , v ) = 0 ! =0 ! 1

(11)

其中 A 代表的是 Erl 中的业务。 联合(10) ,干扰减少因子可化为:

ηtraff

N N A A ( i ) i ( N 1 i )( N i ) A, N , v ) = ∑ ∑ ∑ ( i ) (1 v ) v ( (12) N ( N 1) =0 ! =0 ! i =0

1

例子

在使用和不使用不连续发射 DTX 的情况下,分析干扰减小因素的一个典型的例子。假 设干扰基站收发信台 BTS 有四个导频三十二个时隙,其中两个时隙用作信令,其余的三十 个时隙用作业务传输。假设阻塞率是 5%,可以传输的业务量为 24.8Erl。在图 6 中描述了干 在不连续发射 DTX 的情况下话音激活因素被分 扰减小因素ηtraff ( A, N , v ) 对实际业务量 A。 别设置为 v = 0.5, v = 0.6, v = 0.7 。 满载的干扰小区即使在最坏的假设的情况下,其中使用不连续发射 DTX 的话音激活因 子取值为 v = 0.6 ,干扰减小因子 ηtraffic = 0.72 。这只是适用于业务信道而且广播控制信道 BCCH 的干扰并没有减小,可以得到平均干扰减小因子ηtraffic =

( 3 0.72 + 1.00 )

4

= 0.79 ,

业务负载因子的 75%可以达到平均的干扰减小因子为 ηtraffic = 0.63 。 由于干扰减小因子与其在小区中的位置是没有关联的,它的值同当地干扰的概率和全 局干扰的概率是相关的。

图 6 干扰基站收发信机 BTS 包含四个射频信道且阻塞率为 5%,业务 A 的话音激活因子设置为

v = 0.5, v = 0.6, v = 0.7, v = 1.0 (不使用不连续发射 DTX)

Ⅵ 结论
以上描述的是基于误码率 BER 和移动无线信道统计的预测 GSM 系统干扰的一种新的 算法,其中考虑了不连续发射 DTX 和小区业务负载并能得到显著的干扰减小。


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