主頁（http://www.by236.com）：用分集接收技術優化無線集群通信系統

摘要　分析了無線信號的傳輸特性，針對現有350兆模擬集群系統所存在的問題，在傳統方案基礎上，提出了用分集接收技術來改善無線集群系統接收性能的方案。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具有單呼、組呼和緊急呼叫等功能，組網靈活、調度快捷，在公安、交通、運輸等部門得到廣泛應用，成為城市應急通信網不可缺少的重要組成部分。當前，數字集群技術也日趨成熟，并逐步升級替代模擬集群系統。但是，許多無線模擬系統投入運行時間還不長，仍然承擔著指揮調度主力軍的作用，還沒有必要由數字集群完全替代。現有350兆無線集群系統依然采用模擬的大區覆蓋方式，基站設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、重量和耗電等設計工藝因素的限制，不可能使用高功率、高增益天線增強發射信號，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，提出了優化無線集群通信系統的方案，尤其是分集接收優化方案，并通過分析，得出采用分集接收技術來優化無線集群通信系統是較理想的。

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，其物理性能受外界因素影響少，信號質量穩定。而無線通信利用電磁波空間傳輸，信號傳輸呈現許多不同的特點。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生阻擋，發射的信號要經過直射、反射、散射等多條傳播途徑才能到達接收端，其信道是一種多徑衰落信道。

在移動通話狀態下，多徑傳播路徑上的信號幅度、時延以及相位隨時隨地發生變化，所以接收端的信號電平是起伏、不穩定的，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，在移動通信領域稱為“瑞利衰落”。根據理論值推算，衰落最快時為每秒2V/λ(V為移動速度，λ為信號波長)，嚴重衰落時深度達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現一種“慢衰落”現象，慢衰落持續穩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的山丘與叢林的寬度等因素，但衰落的中值場強只產生比較平緩的變化，所以又稱“慢衰落”。在多徑環境中，移動臺在行進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)，多徑信號迭加就會使接收信號產生一個附加頻移。

鑒于使用350兆無線模擬集群通信網較為普遍的情況，本文就從此入手進行論述。350兆無線模擬集群系統內部采用數字交換技術，基站與移動臺之間多數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，采用快速頻移鍵控(FFSK)調制方式，傳輸速率1 200 bit/s、模擬信道間隔為25kHz。使用模擬調制、信道傳輸速率不高、占用帶寬也較低，多徑信號先后到達接收機的時延遠小于數字信號的碼元寬度，屬移動通信領域的窄帶移動信道。因此，350兆無線模擬集群系統應著重考慮“快衰落”和“慢衰落”等因素，不用考慮在寬帶數字移動通信網中多徑信號到達接收機所產生的頻率偏移和時延。

3、傳統優化350兆無線集群系統的方案

350兆無線集群系統采用MPT-1327信令，技術規范和信令標準的制定過程中，充分考慮了多徑衰落的因素，采用了適應多傳播的快速頻移鍵控(FFSK)調制方式，廠家在系統內部設計開發過程中，也積極引用了分集抗衰落技術，這里就不再累述。

3.1　增設基站

當然，通過增設基站，縮短通信距離是改善上行信號的有效措施。但是，模擬集群系統自身頻率利用率不高而造成資源緊張，其位置登記、越區切換、漫游等技術沒有達到GSM、CDMA蜂窩網或數字集群系統成熟的技術水平，過多跨基站操作會給使用者帶來許多麻煩。

3.2　設置分集接收臺

在基站信號覆蓋范圍內的適當地點設置分集接收臺，位于遠端移動臺的發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量。但需考慮到建設、管理、維護和費用等方面的因素。

3.3　設置同頻轉發器

在基站信號覆蓋范圍內的適當地點設置同頻轉發器，整個系統使用相同頻道，盲區中的移動臺也不必轉換頻道，工作簡單。能夠同時改善上行和下行信號質量。但同樣需考慮到建設、管理、維護和費用等方面的因素。

4、基站天線分集接收方案

在能夠滿足當前使用的前提下，我們認為沒有必要再投資興建模擬集群系統基站等，在此，本文提出使用基站天線分集接收技術。

分集接收是利用系統分別接收兩個或更多的輸入信號，這些信號具有互不相關的隨機衰落特性，通過接收處理后達到克服衰落的目的。分集接收技術可分為分集技術和接收技術。

4.1　分集技術

分集技術是克服多經衰落的一個有效方法。采用這種方法，接收機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，因此分集技術包括頻率分集、時間分集和空間分集。其中，空間分集技術是現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基站設立相距為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較大的電磁波場強變動。空間的間距越大，多經傳播的差異越大，基站所接收場強的相關性就越小。這種情況下，多經信號同時深衰落可能性很小，分集便能把衰落效應降到最小。

基站兩付天線所接收的信號的相干性越小，分集接收技術處理信號衰落的性能越好。實驗數據表明，兩付天線接收的無相關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%。當相干性參數低于一定數值時，便可以減少衰落影響，獲取明顯的分集優勢。信號的相干性系數與基站天線高度、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，天線間距應當盡量加寬。

4.2　接收技術

兩路天線信號輸入后，有4種合并方法：選擇合并、開關合并、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，選擇開關有瞬間滯后現象，另外一路的信號被完全放棄了。

開關合并：接收端設置門限開關電平，始終保持一支路信號直到該信號電平低于門限電平，才轉換到另外一路較強信號上去。這種方法實現比較簡單，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行加權，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、信號弱的少作貢獻，沒有信號的噪聲支路就抑制掉。這是比較理想的合并方法，但接收電路設計復雜、設備昂貴。

等增益合并：在最大比值合并中，各支路信號的加權系數取相同，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。因此，在優化350兆無線集群通信系統時，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，采用空間分集等增益合并的分集接收方案進行測試，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。可見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方案，可以提高信號電平，改善基站接收端電磁波信噪比，優化了350兆無線模擬集群通信系統，改善效果明顯，此方案是較理想的。另外，分集接收技術還在無線寬帶數據、微波傳輸、移動蜂窩網等有著廣泛的應用。