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摘要 分析了无线信号的传输特性，针对现有350兆模拟集群系统所存在的问题，在传统方案基础上，提出了用分集接收技术来改善无线集群系统接收性能的方案。通过测试表明，此方案改善效果明显。
1、引言
目前，350兆无线模拟集群通信网具有单呼、组呼和紧急呼叫等功能，组网灵活、调度快捷，在公安、交通、运输等部门得到广泛应用，成为城市应急通信网不可缺少的重要组成部分。当前，数字集群技术也日趋成熟，并逐步升级替代模拟集群系统。但是，许多无线模拟系统投入运行时间还不长，仍然承担着指挥调度主力军的作用，还没有必要由数字集群完全替代。现有350兆无线集群系统依然采用模拟的大区覆盖方式，基站设在高山或高层建筑的顶端，并使用高功率、高增益的全向天线发射，下行信号（基站至移动台）强，移动台（车载或手持）接收效果好。但是由于移动台MS（特别是手持台）受体积、重量和耗电等设计工艺因素的限制，不可能使用高功率、高增益天线增强发射信号，因此手持台上行信号（移动台至基站）较弱，基站（BS）无法很好地接收到或根本无法接收到移动台（MS）信号，上行和下行信号不平衡，造成无线通信不畅，在郊区边缘和楼宇密集地带尤为明显。分析原因，主要是因为电磁波传输受外界环境影响较大引起的。为此，本文通过分析电磁波的传输特性以及移动通信状态造成的信号衰落，从提高和改善基站接收性能的角度，提出了优化无线集群通信系统的方案，尤其是分集接收优化方案，并通过分析，得出采用分集接收技术来优化无线集群通信系统是较理想的。
2、无线信号传输和衰落特性
我们在使用移动电话、手持电台过程中，收听的声音有漂移和信号强弱的变化，在使用固定电话时就比较稳定。这是什么原因造成的?固定电话以铜缆、光纤为信号传输介质，其物理性能受外界因素影响少，信号质量稳定。而无线通信利用电磁波空间传输，信号传输呈现许多不同的特点。一般情况下，手持台通话时天线的高度一般低于3米，在城市、丘陵等非平坦地形时会产生阻挡，发射的信号要经过直射、反射、散射等多条传播途径才能到达接收端，其信道是一种多径衰落信道。
在移动通话状态下，多径传播路径上的信号幅度、时延以及相位随时随地发生变化，所以接收端的信号电平是起伏、不稳定的，这些多径信号相互叠加引起信号幅度变化，最终形成信号衰落，在移动通信领域称为“瑞利衰落”。根据理论值推算，衰落最快时为每秒2V/λ（V为移动速度，λ为信号波长），严重衰落时深度达20-40 dB，这种衰落随时间急剧变化，称为“快衰落”。除此之外，在实地测试过程中还发现一种“慢衰落”现象，慢衰落持续稳定的过程约为几百米，主要取决于城市建筑密度与平均高度以及郊区的山丘与丛林的宽度等因素，但衰落的中值场强只产生比较平缓的变化，所以又称“慢衰落”。在多径环境中，移动台在行进方向与移动台到基站方向存在一定角度（即不是正对基站方向行进），多径信号迭加就会使接收信号产生一个附加频移。
鉴于使用350兆无线模拟集群通信网较为普遍的情况，本文就从此入手进行论述。350兆无线模拟集群系统内部采用数字交换技术，基站与移动台之间多数采用模拟信道传输方式。比如在公安部门使用的350兆频段的无线模拟集群系统，采用快速频移键控（FFSK）调制方式，传输速率1 200 bit/s、模拟信道间隔为25kHz。使用模拟调制、信道传输速率不高、占用带宽也较低，多径信号先后到达接收机的时延远小于数字信号的码元宽度，属移动通信领域的窄带移动信道。因此，350兆无线模拟集群系统应着重考虑“快衰落”和“慢衰落”等因素，不用考虑在宽带数字移动通信网中多径信号到达接收机所产生的频率偏移和时延。
3、传统优化350兆无线集群系统的方案
350兆无线集群系统采用MPT-1327信令，技术规范和信令标准的制定过程中，充分考虑了多径衰落的因素，采用了适应多传播的快速频移键控（FFSK）调制方式，厂家在系统内部设计开发过程中，也积极引用了分集抗衰落技术，这里就不再累述。
3.1 增设基站
当然，通过增设基站，缩短通信距离是改善上行信号的有效措施。但是，模拟集群系统自身频率利用率不高而造成资源紧张，其位置登记、越区切换、漫游等技术没有达到GSM、CDMA蜂窝网或数字集群系统成熟的技术水平，过多跨基站操作会给使用者带来许多麻烦。
3.2 设置分集接收台
在基站信号覆盖范围内的适当地点设置分集接收台，位于远端移动台的发送信号可由就近的分集接收台接收，再由有线或无线链路传至基站，能够改善上行信号质量。但需考虑到建设、管理、维护和费用等方面的因素。
3.3 设置同频转发器
在基站信号覆盖范围内的适当地点设置同频转发器，整个系统使用相同频道，盲区中的移动台也不必转换频道，工作简单。能够同时改善上行和下行信号质量。但同样需考虑到建设、管理、维护和费用等方面的因素。
4、基站天线分集接收方案
在能够满足当前使用的前提下，我们认为没有必要再投资兴建模拟集群系统基站等，在此，本文提出使用基站天线分集接收技术。
分集接收是利用系统分别接收两个或更多的输入信号，这些信号具有互不相关的随机衰落特性，通过接收处理后达到克服衰落的目的。分集接收技术可分为分集技术和接收技术。
4.1 分集技术
分集技术是克服多经衰落的一个有效方法。采用这种方法，接收机可对多个携有相同信息且衰落特性相互独立的接收信号在合并处理后进行判决。由于衰落有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术包括频率分集、时间分集和空间分集。其中，空间分集技术是现有移动通信中常用的基站分集方式。
以二信道为例，空间分集就是在系统基站设立相距为D的两付天线，用来接收两个信号，由于电磁波传播环境及衰落各不相同，具有不相干或相干性很小的特点，采用分集以及合并技术使其输出更强的有用信号，能降低传播因素的影响。在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的电磁波场强变动。空间的间距越大，多经传播的差异越大，基站所接收场强的相关性就越小。这种情况下，多经信号同时深衰落可能性很小，分集便能把衰落效应降到最小。
基站两付天线所接收的信号的相干性越小，分集接收技术处理信号衰落的性能越好。实验数据表明，两付天线接收的无相关性信号同时衰落大于20 dB的概率为0.01%，仅为单天线接收概率的1%。当相干性参数低于一定数值时，便可以减少衰落影响，获取明显的分集优势。信号的相干性系数与基站天线高度、分集天线间距、两付天线连接方向角度等有明显的关系。因此，两副天线安装时，要充分考虑天线水平间隔、垂直间隔以及近场强的影响等，天线间距应当尽量加宽。
4.2 接收技术
两路天线信号输入后，有4种合并方法：选择合并、开关合并、最大比值合并和等增益合并。
选择合并：选择信噪比最高的支路信号作为输出信号。但需要两个射频接收机，选择开关有瞬间滞后现象，另外一路的信号被完全放弃了。
开关合并：接收端设置门限开关电平，始终保持一支路信号直到该信号电平低于门限电平，才转换到另外一路较强信号上去。这种方法实现比较简单，但性能低于选择分集合并的性能。
最大比值合并：对两支路的接收信号进行加权，控制两支路信号增益，与所接收的信息强度成正比。信号强的支路多作贡献、信号弱的少作贡献，没有信号的噪声支路就抑制掉。这是比较理想的合并方法，但接收电路设计复杂、设备昂贵。
等增益合并：在最大比值合并中，各支路信号的加权系数取相同，便成为等增益合并，其合并性能仅次于最大比值合并，却相差不大，但易于实现。因此，在优化350兆无线集群通信系统时，建议采用此方法。
5、测试效果分析
我们对350兆无线集群通信系统，采用空间分集等增益合并的分集接收方案进行测试，可以得到如图1的改善效果图。
图1 改善效果图
图中，曲线A为在深衰落情况下无分集接收时的相对电平累积分布曲线，曲线B为采用分集接收时的相对电平累积分布曲线。从图中可以看出，0.1%时间百分比时，无分集接收时由曲线A查出此时的衰落深度比自由空间收信电平低30 dB；采用分集接收技术后，由曲线B查出此时的衰落深度仅比自由空间收信电平低16 dB。可见分集接收使衰落深度减轻了14 dB，即意味着分集增益为14 dB
同理，当收信电平低于自由空间收信电平20 dB时，即无分集接收曲线A与分集接收曲线B此时对应于同一收信电平，其衰落的累积时间百分比分别为1%和0.01%，两者的比值为100，亦即分集改善为100。
由此可见，采用基站天线分集接收技术方案，可以提高信号电平，改善基站接收端电磁波信噪比，优化了350兆无线模拟集群通信系统，改善效果明显，此方案是较理想的。另外，分集接收技术还在无线宽带数据、微波传输、移动蜂窝网等有着广泛的应用。
