移动语音通信系统相对频谱效率调查

R.J. 麦克森 美国商务部罗纳德·H·布朗部长 拉里·欧文，通信与信息助理国务卿 1994年7月 本页故意留空 前言 本文将某些商业无线电系统作为移动语音通信系统的实例进行说明。在任何情况下，这种说明均不意味着国家电信与信息行政管理部门的推荐或认可，也不意味着该系统一定是为此目的而最佳可用的系统。任何系统之间的比较也不意味着这些系统提供同等水平的性能，也不应从本研究中得出关于此类系统相对适用性或可取性的任何其他结论。尽管我们已尽极大努力核实本报告中讨论的系统的特性，但我们不保证此类系统描述 necessarily 必然正确。 本页故意留空 目录 图目录 ................................................................... vi 3. 移动服务描述 ..................................... 173.1 单通道、单用户系统 ................................................ 183.2 中继器 ................................................................ 19 4.1 对比方法 ................................................ 264. 移动无线电服务的相对效率 ........................................................ 25 4.2 各种移动系统的相对频谱效率 ........................................................ 27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7. 参考文献 ............................................................ 426. 结论与建议 .......................................................... 395. 摘要 图例 图1. 总线系统阻塞概率 ..................................... 12 表格 表1.商业通信（15 kHz带宽） ...................................... 28表2. 政府通信（25 kHz/12.5 kHz带宽） .............................. 29 移动语音通信系统相对频谱效率调查 罗伯特·J·马修森1 本文为通用通信系统提供了频谱效率的定义，然后简化了这些定义，以便能够轻松比较几种当代移动无线电系统的频谱效率。将当前正在使用以及提议近期部署的各种系统与模拟调频调度无线电进行了比较。计算结果表明，所考虑系统中效率最高与效率最低的系统之间比率高达一百万。基于这些计算，可以对各种技术在提供具有非常高频谱效率的通信系统方面的能力进行比较。 关键词：蜂窝无线电，频率复用，移动无线电，个人通信系统，频谱效率，频谱政策，集群无线电系统，语音编码器 1. 简介 1992年法案授权为国家电信与信息管理局（NTIA）的1993财年预算，该法案中包含一项要求，即NTIA需制定一份“联邦机构现有移动无线电系统使用更频谱效率技术的计划”，这些技术至少应与现成的商用移动无线电系统一样频谱高效且经济。1991年，美国联邦通信委员会启动了一项为期数年的研究项目，名为移动无线电“再分配”，旨在提高非联邦移动无线电系统的效率，以便在不为移动无线电分配大量额外频谱的情况下缓解当前的严重拥挤问题。由于联邦和非联邦频谱管理者都在努力解决移动频谱效率问题，因此审视频谱效率的理论基础，以及考察现有系统频谱效率的某些方面，似乎是恰当的。 本报告中所述的“频谱效率”在以往报告中被称为“技术频谱效率”。这意味着我们仅描述频谱效率的“技术”方面，而不考虑成本、可靠性或甚至执行特定功能所需的最小适用性等非常重要的实际考量。因此，比较两个系统的频谱效率不应期望表明哪个系统“更好”。相反，频谱效率的比较应期望仅表明哪个系统具有更大的技术频谱效率，正如本文中的方程所定义的那样。例如，在本文的后续部分，比较了空中交通管制（ATC）信道和蜂窝电话的频谱效率。尽管根据此处建立的定义，蜂窝电话的效率要高得多，但无意暗示蜂窝电话比空中交通管制信道“更好”。这两个系统执行截然不同的功能，在差异极大的环境中运行，并面临非常不同的约束条件。 同样地，对于那些彼此差异不如手机和ATC信道那么明显的系统，读者应当记住，这种比较仅仅是基于狭隘的技术频谱效率标准。在得出哪个系统更适合特定功能的结论之前，需要考虑许多其他因素。这些其他因素的部分清单可能包括设备成本、基础设施成本、技术复杂性、可靠性、部署所需时间、特定情况下的鲁棒性、维修时间、尺寸、重量、功耗、所需传输距离、消息隐私/加密、空中加密密钥分发、操作便捷性、频谱可用性、运营成本、全双工操作、群组呼叫能力、对现有协议的兼容性、所需客户密度、可扩展性/灵活性、法律限制、与其他系统的兼容性、生物危害、消费者偏好、政府法规、开发成本、历史先例、优先接入权、运行环境/地形等，等等。这些其他因素超出了本报告的范围，如果考虑了这些因素，可能得出的更普遍的结论也同样超出了本报告的范围。 第二部分包含频谱效率的定义，其中包括一些简化这些定义的方法，以便进行粗略的比较频谱效率估算。第三部分包含联邦政府和其他非联邦用户使用的某些移动通信系统的描述，涵盖了多种传统和拟议中的系统。本节对移动无线电系统的描述主要是为了更充分地描述第四部分中相当简略的系统描述。第四部分将相对频谱效率的简化定义应用于第三部分描述的许多移动系统类型，并将它们与传统的模拟调频移动无线电进行比较。本节显示，在效率最低和最高系统之间存在着非常广泛的频谱效率范围（超过100万:1）。 第五节总结了第四节的研究成果。第六节则基于频谱效率的总结，提出了未来移动系统可能发展的若干方向。 本文采用的方法依赖于便捷的近似和简单的假设，这可能引发对结果准确性的担忧。尽管由于近似和假设，结果确实可能存在更高的不确定性，但这并不实质性影响论文的结论，并且它们允许轻易地比较许多系统，即便在缺乏许多系统的技术和部署参数的详细信息的情况下也是如此。 2. 谱系效率的定义 本节定义了与频谱效率相关的若干量。其中一些量难以定义，对于实际系统而言，甚至更难计算。因此，我们也将定义一些相对指标，其中某些有问题的术语可能会相互抵消，使得有用的计算更容易进行。最后，我们将退一步，将通信过程作为一个整体来看，包括一些 2 这些定义与CCIR报告662-3[1]中的定义紧密一致。它们已得到扩展，以包含一些更符合更广泛无线电系统功能需求的替代定义。 通信工程师可能未予考虑，但会严重影响通信系统使用的因素。 2.1 一般定义 我们将首先定义频谱利用率，即特定情况下被使用的无线电频谱量。接下来，我们将定义频谱利用效率，它是每单位频谱空间所实现的通信量的比率。由于频谱利用效率信息的主要用途之一是比较两个系统的效率，因此我们还将定义相对频谱效率。 2.1.1 频谱利用 一个无线电系统在特定的频率（实际上是在特定的频带内）和给定的地点、特定的时间运行。在足够接近该工作频率的频率上，其他附近的无线电系统可能无法运行，否则就会产生干扰或受到干扰。然而，无线电系统的覆盖范围并非无限；在超出一定距离之外，另一个无线电系统可以在相同的频率上运行，而不会产生干扰或受到干扰。最后，有些无线电系统并非一直使用；在未使用时，它们不会产生或受到干扰。因此，无线电系统与时间因素相关。 我们将频谱利用率定义为带宽、几何（地理）空间以及被拒绝授予其他潜在用户的时长的乘积。该指标是 U是频谱利用率，B是射频带宽，S是几何空间，T是时间。 哪里 利用率公式是一个通用概念公式，在应用于具体案例时需要将其具体化。将此概念应用于给定系统可能相当困难，部分原因是数学变得非常复杂，部分原因是必须做出若干判断/假设。在做出假设之前，该公式不代表任何具体数值，并且没有明显的默认值，甚至没有可使用的“理想”值。本节剩余部分关于定义的讨论，将主要处理为特定系统做出合理选择的问题。 发射机和接收机都使用频谱空间。发射机通过禁止附近接收机（除预期接收机外）使用该空间来使用频谱空间，这些接收机会受到发射机的干扰。这个空间被称为“发射机禁止空间”，或简称“发射机空间”。 接收器通过拒绝将此空间用于其他发射器来使用频谱空间（假设接收器有权免受干扰）。在该空间内运行的发射器将导致 对接收机预定操作的干扰。这个空间被称为“接收机拒绝空间”，或简称“接收机空间”。 对于大多数通信系统而言，接收机和发射机的频谱空间都很重要。然而，对于某些系统来说，其中一个空间可能比另一个空间重要得多。例如，射电天文学只利用接收机空间。射电天文接收机的存在，会禁止附近频谱空间被其他发射机使用。换句话说，射电天文接收机被“接收机禁止”的频谱空间所包围。由于所谓的“发射机”位于我们关注区域的遥远天文距离，因此不存在相应的实际发射机空间。另一方面，ISM 3 发射机可能只被“发射机禁止”的频谱空间所包围，而其他接收机可能会受到干扰。 计算所使用的频谱空间量可能是一项艰巨的任务。计算覆盖范围可能需要传播模型和地形数据库。必须使用发射机发射特性和接收机敏感度特性来确定带宽因子。对于移动系统，必须知道传输时间统计和发射机/接收机位置统计。发射机和接收机天线方向图对许多系统都很重要。必须就特定类型系统能够接收的容许干扰水平做出选择。最后，必须为给定操作区域内的所有接收机和发射机组合进行这些计算。即使使用快速计算机进行计算，数据库限制和其他实际问题也要求在执行计算时使用简化假设。即使复杂性问题得到解决，仍然存在为许多参数选择适当值的问题。对于其中许多参数，存在广泛的、有说服力的选择范围，这些选择会显著影响结果，并严重挑战结果的可信度。 2.1.2 频谱利用效率 频谱利用效率被定义为信息传输量与频谱利用量的比值。该指标是 Q 是频谱利用效率，I 是信息传输速率，U 是频谱利用量= 使用的频谱空间 B 是带宽，S 是几何空间，T 是时间。 哪里 既然使用频谱的目的是传输信息，那么频谱利用效率就是衡量频谱使用效率的技术指标。（当然，除了效率之外，还需要考虑许多其他因素——例如成本、可靠性、设备可用性、特殊运营要求等）。U（频谱利用）值计算难度已在上一节讨论，现在仅剩下关于如何为I（系统传输的信息量）选择现实假设的问题。 对于某些数字系统，信息传输速率可以用比特率轻松描述。对于其他系统，可能存在确定传输了多少确切数据的问题。电视图像中包含多少数据？如果图像帧与帧之间没有变化呢？与好的电视图像相比，糟糕的电视图像中少多少信息？雷达或洪水预警报警系统的信息速率是多少？雷达屏幕上没有飞机，与有飞机相比，是否传递了等量的信息？当没有洪水时，洪水预警报警系统传输了多少信息？尽管这些问题暗示了在信息速率上赋予数字的困难，但在计算Q的值之前，必须先确定一个数值。 即使是对于“简单”的语音系统，对其信息速率也可能存在相当大的分歧。如果一个人使用包含8000个词的基本词汇，每秒说3个词，那么语音信道的基本数据速率将是39比特/秒（假设在8000个词的词汇中，每个词都可以用一个特定的13比特码来指定）。另一方面，对一个3千赫兹的音频信道进行8比特量化时的奈奎斯特采样，至少需要48,000比特/秒的数据速率。这两种答案（以及两者之