同频同播通信的同步方法(刘虎著)

技术领域
    本发明涉及一种无线电通信技术，具体的说是涉及同频同播通信系统中的一种实现交叉覆盖区调制同步的方法。

背景技术
    模拟无线电通信系统又称为无线电对讲通信系统。通常，当系统覆盖的范围较广，系统内的对讲机相距过远，以至于信号不能直接传达时，则通过在覆盖区附近的较高地方建立基站来对信号进行接力。模拟通信基站接力的过程是：接收对讲机发出的无线电波（称为上行信号），解调得到话音（或低速数据），送入发射机以广播的方式发送出去（称为下行信号），使其覆盖范围内的所有对讲机都能够加以接收。由于基站建立在有利于无线电传播的地方，例如高大建筑物或高山顶上，所以它能够接收到远方对讲机传来的微弱信号，同时它发出的无线电波也能传输到较远的地方。因此，通过基站的接力，模拟无线电通信系统的覆盖范围可以扩大。
    随着社会对应急通信要求的不断提高，对模拟无线电通信系统的覆盖范围的要求也越来越高。一个基站的覆盖范围主要受电波传播特性的影响，不可能做到无限大。当需要覆盖大片地区的时候，就需要多个基站进行覆盖。为了从一个基站的覆盖区，将话音传递到通信系统内的其它基站的覆盖区，通常采取的办法是由一个基站在进行前述接力的同时，专门发送一路针对其它基站的信号，其它基站接收到这路信号后，再把它接力给自己覆盖区内的对讲机。这种专门发送给其它基站的信号，称为链路信号；发送链路信号的基站，称为主发基站；接收链路信号并将其接力给自己覆盖区内的对讲机的基站，称为从发基站。在大多数模拟无线电通信系统中，每个基站都既可以作为主发基站，又可以作为从发基站；但是在同一个时间，只能有一个主发基站，相应的，其它基站在这时都是从发基站。
    由于无线电频率日渐拥挤，以及不希望在通信系统内移动时更换频率，人们通常希望所有基站都采用相同的收发频率。但是，基站之间可能存在重叠覆盖区。在重叠覆盖区内，对讲机可以同时收到两个或多个基站广播的信号，这些信号如果采用相同的频率，就有可能相互影响，导致对讲机无法良好的还原话音。导致无法良好还原话音的原因主要有两个：
    （一）虽然基站的标称频率相同，但是不可能没有误差，这就会在对讲机的接收机中产生差拍，如果差拍产生的低频信号正好落入音频放大器的通带之内，人们就能听到啸叫声。
    （二）由于从主发站到从发站，从不同的从发站到对讲机所经过的路径不一样，无线电波传播所需要的时间也就不一样；主发站发出的链路信号，经过不同的从发站转发后，当到达对讲机时，其调制的话音信号就会有相位差。经过对讲机解调，不同相位的音频会相互叠加，导致严重的失真。
    通过合理的调整基站的布局可以减少重叠覆盖区，基本消除3个及3个以上基站同时重叠覆盖一个地方的情况。但是，2个基站重叠覆盖的情况是不可避免的，否则，就必须让基站之间的距离尽量远，这样就会出现大量没有覆盖的地方。为了消除重叠覆盖区的影响，人们通过研究，提出了具有三个要素的解决方案：
    （a）每个基站的发射频率要尽量相同，其误差要使得差拍信号的频率低于音频通带的最低频率。
    （b）每个基站发射的信号，其音频调制相位要一致或有专门设定的差别，使得在重叠覆盖的中心位置，从两个基站来的信号，其调制的相位基本一致。使调制相位一致的方法，称为同步方法。
    （c）系统要对上行信号的质量进行判断，让收到上行信号最好的基站成为主发基站，其它基站都转发它的信号。
    上述解决方案依次简称同频、同步、同播，在无线电通信领域统称同频同播技术，采用这一技术构建的无线电通信系统称为同频同播通信系统。有关同频同播通信系统的理论依据，在下列文献中有较为全面的论述：
    （1）梁大为：《同频同播系统组网实现技术的研究》，天津大学硕士学位论文，2006.
    （2）陈健：《基于DSP的集群移动通信同播系统的开发》，北京邮电大学硕士学位论文，2004.
    但是，上述文献均没有提及同步方法的具体实现。中国专利公开说明书200610037084.1中，虽然提到了可以利用GPS时钟来计算信号延迟量，从而进行同步调整，但并没有提及具体如何计算及调整。需要指出，采用GPS时钟，对于通信系统而言，实际上就是利用了本系统无权控制的“外部”信号，一旦这个“外部”信号发生中断，通信系统就会受到严重不利影响。

发明内容
    本发明的任务是提供一种依据同频同播通信系统本身的性质，通过话音延迟实现重叠覆盖区话音调制信号同步的同步方法，该方法不依耐GPS时钟等“外部”信号，可靠性远优于现有技术。
    根据对基站覆盖区的无线电传播预测，划定重叠覆盖区的中心位置。重叠覆盖区的中心位置的意义，是指在该位置，相邻两个基站的信号，强度相等且最大。根据上述中心位置、基站的地理位置和基站本身导致的话音信号相位移动，计算对于第 个基站（本基站）而言，信号从其它任何一个基站 传送到本基站涉及的重叠覆盖区的中心位置所需要的时间，以 表示。这个时间分为两部分，其一是无线电波在空中传播所需要的时间，用 表示；其二是信号经过基站接力时，如果基站不对调制信号做任何同步处理，基站本身对调制信号造成的相位移动所等效的时间的折算值，以 表示。有：
  
令从第 个基站到第 个基站所涉及的重叠覆盖区中心位置的无线电波传播距离为 ，有：

其中， 可以根据无线电波传播路径，从地图上测量得出， 为无线电波传播速度，可按光速取值。
    相位移动与时间的折算方法：令基站本身给信号造成的相位移动为 ，该数值与话音的频率有关，在实际条件下，统一以人耳较为敏感的1KHz纯音为测试频率。测试送入基站接收机的信号与从基站发射机发出的信号的调制相位差，即为 值，单位为度（°）。那么：

    计算整个通信系统所有的 ，取与其中最长的一个相比，相同或更长的时间为系统的基准延迟 ：

那么，第 个基站需要对从第 个基站发来的话音信号进行的延迟时间为：

    将 存储在第 个基站的调制信号延迟长度表中，当这个基站收到第 个基站（主发站）发来的链路信号时，立即对话音信号进行长度等于 的延迟。当每个基站都按该规律进行延迟时，整个通信网各个重叠覆盖区的话音调制相位就保持了一致，并且都比主发站链路调制延迟了 。
    作为上述原理的一个特例，主发基站如果还要向附近发送下行信号，亦即还担任本地覆盖任务，那么需要对下行信号的调制进行延迟。令延迟长度为 ，主发基站的信号到自己涉及的交叉覆盖区的中心位置所需要的时间为 ，有

    对于每个基站而言， 是固定的，因此每个基站的 是固定的。
    在实际的通信系统中，往往一个基站涉及两个或两个以上的重叠覆盖区，只有这样才能形成大范围、连续的覆盖。在这种情况下，对于一个基站而言，到每个重叠覆盖区的距离可能会不一致，那么 也就不唯一，无法求出 ，本发明提出的解决办法如下：
    考虑到一般情况下，重叠覆盖区的中心位置十分接近相邻两个基站之间的中心位置，所以当出现一个基站涉及两个或以上重叠覆盖区时，让基站下行的调制相位同步就可以了。这时， 的定义变为第 个基站到第 个基站的无线电波传播距离。 的定义变为对于第 个基站而言，信号从其它任何一个基站 传送到本基站并由本基站发出所需要的时间。
    主发站必须告诉从发站具体是哪一个站发来的链路，从发站才能确定 的具体值从而查得应该延迟多久。本发明采用的办法是给每个基站分配一个唯一的编号，这个编号就是 或者与 具有一一对应关系，主发站在发射链路信号的最初一段时间，首先发送自己的编号。从发站在收到链路信号时，先对链路信号中传送的编号进行读取，在完全取得这个编号之前，可以先不对调制加以延迟；当取得编号后，立即根据编号查询调制信号延迟长度表，或者先依据编号确定 ，再查询调制信号延迟长度表，并根据查得的延迟数据，开始对调制信号的延迟。传送编号所需要的数据量和传送速率都很小，可以利用适用于模拟通信系统的任何一种低速数据传输方式，例如用业界公知的双音多频、移频键控等来传送。
    每个基站都有一个适用于本基站的调制信号延迟长度表，该表体现 与 的一一对应关系，等价于体现主发站编号与 的一一对应关系。该表存储在基站中依据本发明揭示的原理而研制的同步装置内。对于由微处理器或其它类型的计算机组成的数字信号处理器而言，这个表存储在它的数据库中。对于其它各种形式的同步装置，只要能够以任意方式储存调制信号延迟长度表并体现 与 的一一对应关系，均可以采用本发明所述同步方法。
    在本发明所述同步装置中，语音的延迟是依靠数字信号处理器实现的。在把语音送进数字信号处理器前，首先由模拟/数字转换器（A/D）将语音信号转换为数据。这个数据由数字处理器推入高速数据存储器中暂存。经过 时间以后，数字处理器再将数据读取出来，送入数字/模拟转换器（D/A）中还原为话音，通过发射机发射出去。
    A/D转换器的采样速率应当满足奈奎斯特采样定理的要求，数字处理芯片和D/A转换器的处理速率应能胜任按上述采样速率采得的数据的处理任务，器件选用和程序设计应尽量减少不确定的延迟误差和各种失真。显然，这是每个相关领域技术人员都熟知的设计原则，满足这一原则的方法亦是公知的，不需特别强调。在符合该设计原则的前提下，可以选用任意A/D、D/A芯片和数字处理器。
    需要注意，在设计同步装置时，应当对A/D、D/A和数字处理器本身可能导致的相位误差做充分考虑，并加以修正。一种简单的办法是，将同步装置安装在基站中，同时设置延迟为0，用这种状态下测得的 作为计算 依据。
    对于有中心链路站的通信系统，实际上不论主发站是哪一个站，信号都将经过中心链路站转发到从发站，亦即延时长度不受主发站的影响，只需要依据中心链路站与从发站之间的无线电波传播距离就可确定。对于这种简单情况，可以不传送主发站编号，而由从发站进行固定的延迟。
    由于本发明所揭示的方法依据通信系统本身的信号延迟量确定延迟时间，并利用基站存储的延迟长度表，根据主发站的不同，个别确定每个基站应当进行的话音延迟，从而在完全不依靠外部授时的前提下实现了重叠覆盖区话音同步。
附图说明
    下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
    附图1是典型同频同播通信系统的信号流程图
    附图2是 的测量作图实例
    附图3是依据本发明揭示的原理组成的同步装置的框图

具体实施方式
    图1描述了一个由n个基站组成的同频同播通信系统的信号流程。主叫对讲机A发出呼叫，基站1将其放大后转发给本基站覆盖区内的对讲机B，同时发送无线链路信号。基站2直至基站n均可以收到该链路信号，并将他们转发给自己覆盖区内的对讲机C、D。显然，对讲机B、C、D所接收到的信号经过的传播路径是不同的，如果不经过同步处理，话音到达的时间就不一致。图1所表达的是一种典型的情况。由于基站通常建立在较高的位置上，故在一般情况下，所有基站的无线链路信号均能直达。如果不能直达，可以在适当位置进行链路接力，接力的办法是业界公知的。需要注意的是，如果链路信号经过了接力，在计算 时，应逐段计算路程并求总和；在计算 时，应当将接力站也考虑在内。
    图2描述的是在由4个基站组成的同频同播通信系统中，为求取 所进行的作图。基站1～4的位置是已知的，将他们按照有利于准确测量距离的方式标注在图中，例如标示在带有经纬度分划的，依比例尺绘制的地形图中。图中，最大的圆圈表示基站的覆盖范围，圆圈相互重叠的地方是重叠覆盖区，黑色方块表示重叠覆盖区中心位置，即相邻两个基站的场强相等且最大的点。不论是覆盖区的范围还是中心位置，都可以通过无线电波传播预测、实测的办法求得。每个基站到与之相关的中心位置或基站的距离用小写的拉丁字母标示在图中。
    按照本发明对一般原理的揭示，对于基站1，信号从基站2传播到它的交叉覆盖区中心位置所经过的路径为：
                                S12=基站1、2之间的距离+a或h
    在本例中，对于这种有两个及以上重叠覆盖区的基站，除非a=h，无法求出唯一的S12，没有办法分别照顾好每个重叠覆盖区。这时应当采取让所有基站下行信号的调制同相位的办法，所以：
    S12=基站1、2之间的距离
    S13=基站1、3之间的距离
    S14=基站1、4之间的距离=m
    S21=基站2、1之间的距离=S12
    S23=基站2、3之间的距离=k
    S24=基站2、4之间的距离
    S31=基站3、1之间的距离=S13
    S32=基站3、2之间的距离=k
    S34=基站3、4之间的距离
    S41=基站4、1之间的距离=m
    S42=基站4、2之间的距离=S24
    S43=基站4、3之间的距离=S34
    图3是同步装置的框图。
    基站链路接收机输出的话音和低速数据混合信号首先进入编号解码器，分离语音和数据，解码得到主发基站编号并送给数字信号处理器，将纯净的话音送给模拟/数字转换电路。数字信号处理器根据主发基站编号，在延迟长度表存储器中查询对应的延迟长度，根据延迟长度合理调度暂存器中的话音数据，将经过适当延迟的话音数据送入数字/模拟转换电路，转换为话音信号，再经过电平变换，送往发射机发送给对讲机。
    按照图3所表示的信号流程，相关领域的技术人员可以选用任意适当的具有同等功能的芯片和电路，从而设计出适合于各种应用场合的同步装置。