跳頻通信系統(tǒng)FCS技術(shù)研究

連秋華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

跳頻通信系統(tǒng)FCS技術(shù)研究

連秋華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

在有中心組網(wǎng)的跳頻通信系統(tǒng)中，為了對(duì)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(shí)信道質(zhì)量檢測(cè)，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。

跳頻通信 空閑信道掃描 最優(yōu)信道 抗阻塞干擾

1 引言

空閑信道掃描（FCS，F(xiàn)ree Channel Scan）是無(wú)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(kāi)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中黃色區(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(yàn)CRC校驗(yàn)）、信道質(zhì)量檢測(cè)；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(duì)每一段的信道號(hào)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(kāi)機(jī)時(shí)RRC層功能實(shí)體得到基站編號(hào)，并重新計(jì)算和更新頻率表?；竞鸵苿?dòng)用戶臺(tái)利用通信過(guò)程中邏輯信道的信道質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果對(duì)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(shí)進(jìn)行更新維護(hù)。

基站和移動(dòng)用戶臺(tái)根據(jù)信道質(zhì)量排序結(jié)果列表，計(jì)算出下一次通信使用的最佳信道和備用信道?；矩?fù)責(zé)計(jì)算上行的最佳通信頻率，移動(dòng)用戶臺(tái)負(fù)責(zé)計(jì)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(dòng)用戶臺(tái)間的通信距離在覆蓋范圍內(nèi)，基站計(jì)算的最佳上行通信頻率所有移動(dòng)用戶臺(tái)可以共用，移動(dòng)用戶臺(tái)計(jì)算的最佳下行通信頻率只能對(duì)應(yīng)本移動(dòng)用戶臺(tái)使用。

在通信過(guò)程中基站和移動(dòng)用戶臺(tái)通過(guò)控制信道互相交換計(jì)算的最佳上下行通信信道，并保存在列表中。

其次，概述FCS基本原理，對(duì)其中信道質(zhì)量檢測(cè)和信道優(yōu)化技術(shù)作了重點(diǎn)研究。

圖1 基于TDMA的通信系統(tǒng)層間邏輯圖

最后，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)，給出不同阻塞干擾情況下的信道丟包率統(tǒng)計(jì)表、信道在阻塞干擾下的躲避響應(yīng)時(shí)間表。

2 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(guò)程如下：

（1）基站和移動(dòng)用戶預(yù)置若干個(gè)頻率點(diǎn)作為工作頻率?；竞鸵苿?dòng)用戶實(shí)時(shí)進(jìn)行全頻段信道掃描接收，記錄各頻點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)、誤碼率等信息，同時(shí)判斷是有用信號(hào)還是干擾信號(hào)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(kāi)始時(shí)，基站通過(guò)信令和廣播的方式為移動(dòng)用戶分配最佳接收和發(fā)射頻率。通信過(guò)程中，基站和移動(dòng)用戶可實(shí)時(shí)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的備份頻率進(jìn)行通信。信道掃描和頻率更新不影響通信業(yè)務(wù)過(guò)程。結(jié)束后，釋放該信道，雙方重新退回到信道掃描狀態(tài)。

圖2 空閑信道掃描示意圖

3 信道質(zhì)量檢測(cè)和信道優(yōu)化技術(shù)

對(duì)于各個(gè)邏輯信道的信道質(zhì)量檢測(cè)，主要依靠對(duì)同步幀的誤碼統(tǒng)計(jì)及FEC解碼結(jié)果的誤碼統(tǒng)計(jì)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。其中，對(duì)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(cuò)誤比特?cái)?shù)進(jìn)行信道質(zhì)量統(tǒng)計(jì)。對(duì)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(jì)結(jié)果進(jìn)行信道質(zhì)量統(tǒng)計(jì)。

信道質(zhì)量檢測(cè)和優(yōu)化算法如圖3所示。

圖3 信道質(zhì)量檢測(cè)和優(yōu)化原理框圖

從空口收到的頻率信號(hào)經(jīng)解調(diào)后，在基帶同時(shí)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(cè)并輸出信道質(zhì)量統(tǒng)計(jì)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(jì)值。統(tǒng)計(jì)出跳頻信道質(zhì)量等級(jí)，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(cè)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(jì)，作為頻率規(guī)劃的評(píng)價(jià)。

4 測(cè)試參數(shù)和結(jié)論

TDMA空中接口結(jié)構(gòu)由突發(fā)跳、時(shí)隙、幀、復(fù)幀和超幀組成。1個(gè)時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)為10ms，由1個(gè)同步突發(fā)跳和1個(gè)業(yè)務(wù)/接入控制突發(fā)跳組成；1個(gè)TDMA幀時(shí)長(zhǎng)為40ms，由4個(gè)時(shí)隙組成；1個(gè)復(fù)幀時(shí)長(zhǎng)為160ms，由8個(gè)TDMA幀組成；1個(gè)超幀時(shí)長(zhǎng)為8×160＝1280ms，由8個(gè)復(fù)幀組成。

基站與移動(dòng)用戶臺(tái)中預(yù)置上行和下行兩個(gè)頻率表作為FCS的頻率表，每個(gè)頻率表中包含32個(gè)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(gè)頻率。

系統(tǒng)各邏輯信道的前向糾錯(cuò)編碼（FEC）采用Turbo編碼和CRC校驗(yàn)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：

通過(guò)使用CRC碼對(duì)傳輸數(shù)據(jù)塊進(jìn)行快速檢錯(cuò)和差錯(cuò)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(yàn)方式，對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)塊添加CRC。CRC生成多項(xiàng)式如式（2）所示：

本系統(tǒng)將每個(gè)頻率的信道干擾分為5個(gè)干擾等級(jí)，這5個(gè)等級(jí)包括了整個(gè)信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)范圍。干擾等級(jí)范圍決定了檢測(cè)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(guò)參數(shù)進(jìn)行配置。

基站和移動(dòng)用戶臺(tái)保存4～8對(duì)以上最佳通信頻率對(duì)，其中下行最佳通信頻率分布在4個(gè)頻段內(nèi)。當(dāng)呼叫流程開(kāi)始時(shí)，基站RRC實(shí)體根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯信道對(duì)應(yīng)的物理信道和時(shí)隙位置，選擇分配其中的一對(duì)頻率進(jìn)行通信。

根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)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(duì)比。由表1可知，當(dāng)系統(tǒng)采用FCS技術(shù)時(shí)，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。

表1 抗阻塞性能的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

當(dāng)系統(tǒng)采用FCS技術(shù)時(shí)，在通信過(guò)程中利用干擾車進(jìn)行特定頻段的阻塞干擾時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行頻率更新過(guò)程，如表2所示。由此可知，當(dāng)某一頻點(diǎn)被阻塞干擾時(shí)，由CCCH和業(yè)務(wù)信道統(tǒng)計(jì)的誤碼率測(cè)量結(jié)果較接近理想結(jié)果，干擾等級(jí)均為5，頻點(diǎn)更新時(shí)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>

表2 頻點(diǎn)替換和躲避時(shí)間

綜合上述試驗(yàn)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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Research on Free Channel Scanning Technique for Frequency Hopping Communication System

LIAN Qiu-hua
(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

In frequency hopping communication system with central networking, free channel scanning (FCS) technique was proposed to tackle blocking interference. Real-time channel quality detection was implemented using a dedicated channel to select optimal channel. Engineering practice demonstrates that FCS effectively enhances the capability of anti-blocking interference, decreases packet loss ratio and improves communication quality.

frequency hopping communication free channel scan optimal channel anti-blocking

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.014

TN914.41

A

1006-1010(2015)14-0069-04

連秋華. 跳頻通信系統(tǒng)FCS技術(shù)研究[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(14): 69-72.

2015-04-29

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

連秋華：助理工程師，現(xiàn)任職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，長(zhǎng)期從事移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備研制、跳頻抗干擾技術(shù)等工作。