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发信人: freshwind (浮云流水|生命何物), 信区: Communication
标  题: FHMA系统与GSM系统的技术比较
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月20日19:03:36 星期三), 站内信件

FHMA系统与GSM系统的技术比较
及其系统容量的分析
Comparison between FHMA and GSM Systems and Analysis of the System 
Capacity

罗汉文　孙剑　李进良

　　[摘要]：本文对GSM系统与FHMA系统在多址技术、编码和调制、网络拓扑、功
率控制等方面作了较详细的技术比较，并从中得出FHMA系统相对于GSM系统可能的
容量增益。
　　[关键词]：FHMA系统　GSM系统　容量　多址技术　编码　调制　网络拓扑


　　FHMA技术最初用于保密通信，70年代初用于陆地移动通信［1、2］。从本质上
看，FHMA是一种跳频多址技术，属于宽带通信，因此FHMA系统也可以认为是一种扩
频系统。而目前已得到广泛应用的GSM系统，却主要是应用了TDMA的多址技术，虽
然在系统中有跳频的方案［3］，但并没有改变其窄带通信系统的本质。根据
Nettleton的研究［1］，FHMA技术能够使系统容量达到FM系统容量的30倍。本文对
GSM系统与FHMA系统作一些比较，并从中得出FHMA系统相对于GSM系统可能的容量增
益。
1　多址技术
　　GSM和FHMA系统都是数字通信系统。GSM采用的是TDMA＋FH［3］，其中跳频只
是为了提高系统(C／I)比性能，小区内跳频序列正交，各同频小区之间的跳频序列
分配相互独立，这样在频点数目不多的情况下，发生碰撞的可能性很大。在GSM标
准的建议中，即使分配了25MHz的带宽，仍只有64个跳频频点。在实际应用的系统
中，由于系统带宽的限制(一般为10MHz)，频点数更少，使用跳频技术的意义就更
小。在GSM系统中，加入跳频只能使系统的(C／I)比性能改善2dB～3dB［4］。
　　FHMA系统使用的多址技术是FHMA，这是一种扩频通信技术，与传统的窄带通信
技术有本质的区别。应用窄带通信技术的系统，如TDMA、FDMA系统，其容量在系统
设计时就已经确定了，如果需要增加容量，对于蜂窝通信系统则必须进行小区分裂
或增加新的信道。而宽带系统，如CDMA、FHMA系统，其容量主要是受到系统内部干
扰(多址干扰)的限制，只要能降低多址干扰，就能使系统容量进一步提高，即具有
软容量的特性。当然宽带系统也能在信道中划分时隙，这是一种利用信道进行数字
通信的方法，为了适应信道要求，有时我们可以把好几路信号合并起来在一个信道
上传输，不同的用户使用不同的时隙，但整个系统仍然是宽带系统。FHMA作为一种
扩频通信技术，当然系统容量也受到所选跳频序列数的限制，这与算法有关，在这
里不做进一步的讨论，具体跳频方案请参阅文献［7］。
2　编码和调制
　　(1)编码
　　GSM采用RPE－LTP声码器，编码速率13kbps，加入前向纠错、交织等编码后，
码率达到33.85kbps，由GMSK调制(BT=0.3)在等效25kHz的信道上传输。
　　FHMA采用AMBE(Advanced IMBE)声码器，编码速率4.4kbps，经信道编码，三路
总速率为36.9kbps，用π／4SQPSK调制在25kHz信道上传输三路信号。在这一点上
，FHMA系统有高于GSM系统的三倍增益。
　　　　　　　　　　　Gc=3　　　　　　　　　　　　　　(1)
　　(2)调制
　　GMSK是一种恒包络调制技术，具有最小频移特性。根据实验结果，可以用下式
来近似GMSK系统的性能［8］，即
　　　　　　　　　　　　
式中，α=0.68，是滤波器的滚降因子，
　　BbTb=0.25，是调制器的归一化3dB带宽，
　　，是每比特的信噪比。
　　在准静态的慢Rayleigh衰落条件下，误比特率为：
　　　　　　　　　　　
式中，Γ为平均Eb／No，γ是每个比特内的瞬时信噪比Eb／No，P(γ)是γ的概率
密度函数，且可以表示为［8］：
　　　　　　　　　　　
将式(2)、(4)代入(3)可得慢衰落条件下的误比特率性能为：
　　　　　　　　　　　
其结果如图1。



1　理论值　　　2　fD=4Hz
　　3　fD=12Hz4　fD=40Hz

图1　GMSK在不同Doppler频移下的误码率性能

　　其中
　　　　　　　　　　　　　fD=(v／λ)cosθ　　　　　(6)
θ是入射电波与移动台运动方向的夹角，当θ取0时，Doppler频移达到最大值，称
为最大频移，v是运动速度，λ是电波波长。
　　π／4QPSK是在QPSK和Offset QPSK基础上发展起来的一种调制方式，它综合了
这两种调制方式的优点，降低了QPSK信号的包络波动，并可以进行有效的非相干解
调。π／4QPSK是线性调制，它与恒包络的数字调制GMSK相比，具有更高的频谱效
率，并且实现起来非常简单。
　　在π／4QPSK基带差分检测时，在发射端采用升余弦滤波器，在接收端采用矩
形滤波器，信号载频为850MHz，信息速率为48kbps，滚降因子α=0.2，通过理论分
析和数值计算，得到π／4QPSK基带差分检测时的误比特率为：
　　　　　　　　　　　
式中，γb=Eb／No是每比特的信噪比，
Ik是第一类k阶修正Bessel函数。
计算结果如图2所示。



1　理论值　　　2　v=40km／h
　　3　v=80km／h4　v=120km／h

图2　π／4QPSK在不同Doppler频移下的误码率性能

　　综上所述，π／4QPSK具有频谱特性好，功率效率高，抗多径干扰能力强等优
点，可以在25kHz带宽内传输32kbps～42kbps的数字信息，从而有效地提高频谱利
用率，有利于提高系统的容量。FHMA系统就是采用了这种高效的数字调制解调器。

3　网络拓扑
　　(1)基本拓扑结构
　　FHMA系统是一种数字集群系统，可以根据需要确定其拓扑结构，选择组成蜂窝
网或其它结构。系统最基本的单位是服务区，一个服务区的覆盖范围可以根据具体
需要来确定。某些地区，如阴影区或是远离基站的用户较集中的区域，可以相应地
建立微小区或远端单元(直放站)。为了便于比较，FHMA系统的拓扑也采用蜂窝形式
，接收机前端载干比C／I=8dB。
　　与CDMA系统类似，FHMA技术也有频率复用为1的能力。假设系统总带宽为W，信
道间隔为B，则总的信道数为N=W／B。这N个信道是被所有的服务区共同使用的。每
个用户被分配以互相正交的载频序列，以保证彼此互不干扰。而由于实际的碰撞概
率的存在，不可避免地会产生用户间干扰，称为多址干扰。在下行信道中，多址干
扰对某一用户来说应该包括所属小区基站向本小区其他用户发送的信号以及邻区基
站发射的信号：而在上行信道中，多址干扰就是基站所接收到的本基站和邻区基站
其它移动用户发射的信号的干扰。
　　(2)扇区化模型
　　在GSM系统中可以使用扇区化技术来减少同道干扰和邻道干扰的影响。FHMA系
统也可以使用扇区化，这与TDMA系统的扇区化截然不同，它可以大幅度地提高系统
容量。通常使用的定向天线为120°或60°，如果能保证不同扇区之间的隔离度，
就可以降低同频干扰，实现码字复用，提高系统容量3～6倍。
　　一般地，当采用120°定向天线，即3扇区化时，考虑到天线方向图旁瓣的影响
，容量增益设定为
　　　　　　　　　　　　　Gs=2.55　　　　　　　　　(8)
4　功率控制
　　(1)无功率控制
　　宽带扩频系统必须具有精确的功率控制，这直接影响到系统的容量。GSM系统
也使用了功率控制，但其控制方式比较简单，暂不考虑其对容量的影响。
　　仿照William C.Y.Lee对CDMA容量所做的估计［5］，我们首先建立了一个蜂窝
网络的拓扑模型，如图3所示。在多址干扰最严重的情况下，用户处于六边形小区
的交界处，图中，用户属于1号小区，受到临近小区基站信号的干扰。21、22两个
小区基站距离为R，R是小区半径：31、32、33三个小区基站距离为2R，41、42、
43、44、45、46六个小区基站距离为2.67R，此外的小区干扰可以忽略不计。在没
有进行功率控制的情况下，我们得到以下关系式：
　　　　　　　　　　　
其中，α是常数，与移动通信信道有关，代表着信道的多径衰落特性，是时变的，
并且假设对每个小区这个常数相同；



图3　蜂窝网络拓扑模型

　　β是常数，与用户使用的码字碰撞概率有关。按照文献［5］的算法，β的数
量级为10－2。实际上，β就是扩频处理增益的具体体现，在本节末尾将进行深入
讨论。
　　传播路径衰减服从反4次方律。
　　M是每小区的业务信道数，由于在编码中取得的增益，即(1)式，实际业务信道
数为m=3M。
经过化简，我们得到：
　　　　　　　　　　　　　　
假设β取0.01，总信道带宽W=5MHz，信道间隔B=25kHz，
　　C／I=8dB，M=4.785，m=GcM=14.36；
　　C／I=4dB，M=12.02，m=GcM=36.06。
如果加入扇区化，由(8)式，Gs=2.55，则FHMA系统
　　C／I=8dB，m=GcGsM=36.62；
　　C／I=4dB，m=GcGsM=91.95。
与此同时，GSM系统的系统容量为
　　总可用信道数N=200，
　　频率复用因子k=4，
　　每小区可用信道数m=50。
　　(2)加入功率控制
　　为了实施合适的功率控制，我们必须建立用户在小区内分布的模型，即用户在
小区内分布的统计规律。同样仿照William C.Y.Lee的分析［5］，我们假用户在小
区内均匀分布，分布密度与用户和小区基站的距离成正比，我们得到以下功率控制
策略。
　　基站向第j个移动用户发送的功率为Pj，为使移动用户接收的功率保持不变，
随rj的增大，Pj也必须增大(rj是基站与移动台之间的距离)，并有如下关系：
　　　　　　　　　　　　Pj=PR(rj／R)2　　　　　　　　(11)
其中，PR是处于边界R处的移动台需要达到的信号功率。M条业务信道服务的M个移
动用户在蜂房中均匀分布。
　　　　　　　　　　　　p(Ml)=krl　　0rlR　　　　(12)
其中
　　　　　　　　　　　
共有L组移动用户，L中的每一个都平均分布在基站周围，Ml是按照分布确定的第1
组中移动用户的数目。k是常数。(12)式说明在靠近基站的地区分布较少的移动用
户。设r0是从基站到某一指定移动用户的距离，则基站的发射功率Pt为：
　　　　　　　　　　　
rL是基站到小区边缘的距离，
　　　　　　　　　　　　　　　　rL=R　　　　　　　　(15)
因而(14)式变为
　　　　　　　　　　　
而小区内的移动用户数为
　　　　　　　　　　
(17)式代入(16)得
　　　　　　　　　　　　
如果没有使用功率控制，在每个信道上的发射功率都是PR，则
　　　　　　　　　　　　　　Pt=MPR　　　　　　　　(19)
比较(18)和(19)两式，并由(10)式可以看出，使用(11)式的功率控制策略时，总的
发射功率节省了一半，这与DS／CDMA系统的情况是一样的，在功率控制方面获得的
系统容量增益
　　　　　　　　　　　　　　　　　　Gpc=2
　　FHMA系统作为一个宽带系统，在讨论其系统性能时必须考虑扩频处理增益的影
响。在跳频系统中，扩频处理增益不如在DS／CDMA系统中那样容易理解。实际情况
是：用户同时使用同一载波频段，用户之间通过分配的码字进行区别。由于采用跳
频和相干接收，背景噪声干扰可以忽略不计，则主要的干扰即多址干扰，是由于码
字重叠使得不同用户在一个周期的某一时隙使用同一载波频率，衡量碰撞概率的标
准即(9)式中的β值。β值越小，碰撞的可能性越小，产生的多址干扰也就越小，
可以获得更好的通信效果或是扩大系统容量。从(9)式可以看到，小区可用信道数
是与β值成正比的。所以在FHMA系统中，设计用户码字对于有效利用频谱资源来说
至关重要，这与DS／CDMA系统必须使用正交特性良好的伪随机序列是一致的。一般
来说，如果假设序列周期为p，在一个周期中没有重复的数字，如：
　　9　6　1　4　5　8　3　7
则序列的任意t(t=1，2，…，p－1)次移位序列之间是相互正交的。因此很容易保
证同一服务区内的用户码字互相正交。而合理设计码字序列能够保证不同序列碰撞
概率小于1／p，p＞10，这样就能保证β值为10－2数量级［1］。如FHMA系统中就
采用了以下码字序列：
　　9　6　1　4　5　8　3　7　9
　　7　4　3　5　6　9　0　8　7
　　4　3　5　6　9　0　8　7　4
　　3　5　6　9　0　8　7　4　3
　　5　6　9　0　8　7　4　3　5
　　6　9　0　8　7　4　3　5　6
　　9　0　8　7　4　3　5　6　9
　　0　8　7　4　3　5　6　9　0
　　8　7　4　3　5　6　9　0　8
序列中，第一和第二行互相正交，以下各行是第二行的逐列移位，与第二行正交，
而与第一行有碰撞，碰撞的次数为每周期一次，即图中加下划线的数字。
5　其他技术
　　(1)分集技术
　　使用分集技术也是提高接收机前端信噪比的一种手段［4］。例如空间分集可
以提供4dB的增益，而频率分集可提供4dB的增益。计入这些因素，只要有足够多的
频率分配序列，FHMA系统容量还会有进一步的增加［7］。如上一节的讨论，当(C
／I)比下降6－8dB时，
　　C／I=2dB，m=GsGcM=208.7；
　　C／I=0dB，m=GsGcM=330.8。
　　(2)话音激活周期
　　按照人们的发音规律，在人们交谈时，谈话的任意一方只有约25%～35%的时间
在说话，这就是所谓的话音激活周期。数字语音系统可以利用这一规律增加系统的
频率利用率。利用话音激活周期有两种方法。一种是话音数字插空技术(DSI)，声
码器测量出是否有话音信号，在间隙中插入其他用户的语音信号。另一种是不连续
发射技术(DTO)，即在用户静默时关闭发射机。这两种方法的原理大致相同，可以
根据实现的难易程度进行选择。在FHMA系统中使用了DTO技术，可以使多址干扰降
低到35%～45%。也就是能够提供2～3倍的容量增益。
6　结　　论
　　通过以上的讨论，我们可以得出这样的结论：FHMA系统由于应用了FHMA的多址
方式以及与此相适应的数字通信技术，能够获得比GSM等TDMA系统更高的系统容量
。在系统参数相同的条件下，如果FHMA系统使用频率复用为1以及3扇区化，并且应
用功率控制，则相对于GSM系统的容量增益为
　　C／I=8dB，m=GcGsGpcM=73.24，
　　FHMA与GSM比较的增益G=1.46
如果FHMA系统还使用了分集技术获得了约4dB的增益，加上话音激活周期等因素，
则容量增益为
　　C／I=4dB，m=GcGsGpcM÷45%=2×91.95÷45%=408.6，
　　G=8.2
　　在我们所做的分析中不难看出，FHMA系统容量与实际所采用的技术密切相关，
这是宽带通信系统的共同特点。因此，实际应用中的宽带通信系统与理论上的分析
结果可能有相当大的出入。宽带系统能充分地利用频谱资源，获得了更高的频谱效
率，FHMA系统和GSM系统最根本的区别就在这里。在完全理想(不存在干扰、噪声，
信道之间完全正交)的情况下，各种多址方式的单个服务区容量并无明显差别，但
是在无线信道的各种恶劣的传播条件面前，宽带系统显示了更强的能力。各种数字
通信技术可以灵活地应用于宽带系统，这在一定程度上使得扩频通信系统具有了难
以抗拒的竞争力。

作者简介：李进良电子部七所科技委主任上海交通大学电子工程系兼职教授，博士
生导师广州510310
作者单位：罗汉文　孙剑(上海交通大学电子工程系　上海　200030)
　　　　　李进良(电子部七所科技委　广州　510310)


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