GSM数字移动通信

第一讲 GSM数字移动通信发展史 第一讲 GSM数字移动通信发展史 1.1 GSM系统历史背景 GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的化 委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。  蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS(先进的移动电话业务)模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT(Nordic 移动电话)系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C－450系统等。见表1-1。  表1-1 1991年欧洲主要蜂窝系统 国家 系统 频带 建立日期 用户数(千) 英国 TACS 900 1985 1200 瑞典、挪威 芬兰、丹麦 NMT 450 900 1981 1986 1300 法国 Radiocom2000 NMT 450,900 450 1985 1989 300 90 意大利 RTMS TACS 450 900 1985 1990 60 560 德国 C-450 450 1985 600 瑞士 NMT 900 1987 180 荷兰 NMT 450 900 1985 1989 130 奥地利 NMT TACS 450 900 1984 1990 60 60 西班牙 NMT TACS 450 900 1982 1990 60 60 蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点： 1.          各系统间没有公共接口； 2.          很难开展数据承载业务； 3.          频谱利用率低无法适应大容量的需求； 4.          安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。 尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，对客户之间造成很大的不便。 GSM数字移动通信系统史源于欧洲。早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组＼Group SpecialMobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。 1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。 1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见。同年，欧洲17个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。与此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。 1990年完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套12系列。 1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（Global system for Mobile communications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCSI800系统。该系统与 GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCSI800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为GSM系统。 1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50％。 1993年欧洲第一个DCSI800系统投入运营。到1994年已有6个运营者采用了该系统。  1.2 GSM系统技术规范 GSM系统技术规范中只对功能和接口制定了详细规范，未对硬件做出规定。这样做目的是尽可能减少对设计者限制，又使各运营者有可能购买不同厂家的设备。   GSM系统技术规范共分12章： 系列01 概述 02 业务方面 03 网路方面 04 MS-BS接口与协议 05 无线路径上的物理层 06 话音编码规范 07 MS的终端适配器 08 BS-MSC接口 09 网路互通 10 业务互通 11 设备和型号认可规范       12             操作和维护  这些系列规范都是由ETSI组建的不同工作组和专家组编写而成的。1988年春天完成第一阶段标准的第一个版本，以支撑当时的投标活动。后来修改过几次，1990年以后除了传真方面的规范外，其它很少作改动，1992年底基本冻结。第二阶段标准到1993年底也基本完成了主要部分，并与1994年底冻结，为了提高系统的性能，从1994年6月又开始考虑第2＋阶段的有关标准的定义，后并入第二阶段标准，并宣布还会有第三阶段的标准。实际上由于第三代移动通信系统的提出，已中止第三阶段标准。  为了保证GSM网路内现有的和将来的业务开展，在制定标准时必须考虑兼容性的要求。 第二讲 GSM通信系统 2.1 系统的组成 蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统 (BSS)和移动台（MS）三大部分组成，如图2－1所示。其中NSS与BSS之间的 接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的限制。因此，各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。也就是说，NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备，而MS可用不同厂家的设备。                         图2－1 蜂窝移动通信系统的组成         由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范，运营公司当然喜欢花最少的投资，用最好的设备来建最优良的通信网，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。也就是说，各接口都是开放式接口。  GSM系统框图如图2-2，A接口往右是NSS系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往左Um接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。                         图2－2 GSM系统框图  在GSM网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。   2.2 交换网路子系统 交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。 NSS 由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：  MSC：是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS、还应能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。  VLR：是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。  HLR：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。  AUC：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。  EIR：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。  2.3 无线基站子系统 BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。  BSC：具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。  BTS：无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。     2.4 移动台 移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡（SIM）。  移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。  SIM卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入进网，但SIM卡本身不是代金卡。  2.5 操作维护子系统 GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。OMC与MSC之间的接口目前还未开放，因为CCITT对电信网路管理的Q3接口标准化工作尚未完成。   第三讲   GSM关键技术 3.1 工作频段的分配 （1）工作频段 见图3-1。我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段： 905～915（移动台发、基站收） 950～960（基站发、移动台收） 随着业务的发展，可视需要向下扩展，或向1.8GHz频段的DCSI800过渡，即1800MHz频段： 1710～1785（移动台发、基站收）   1805～1880（基站发、移动台收）                          图3-1 我国陆地蜂窝移动体系系统频段分配图  （2）频道间隔 相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）。每信道占用带宽200kHz／8=25kHz，同模拟网TACS制式每个信道占用的频率带宽。从这点看二者具有同样的频谱利用率。 将来GSM采用半速率话音编码后，每个频道可容纳16个半速率信道。  （3）频道配置 采用等间隔频道配置，频道序号为76～124，共49个频点（见图3-2）。频道序号和频点标称中心频率的关系为：   图3-2 900MHz频段数字蜂窝移动通信网的频道配置 fl(n)= 890.200MHz ＋（n-1） 0.200MHz 移动台发，基站收 fh(n)= fl(n) ＋ 45MHz 基站发，移动台收 n= 76～124频道  （4）双工收发间隔：45kHz。与模拟TACS系统相同。 发射标识：业务信道发射标识为271KF7W；控制信道发射标识为271KF7W。 271K F 7 W     必要带宽271kHz     主载波调制方式： 调频 调制主载波的信号性质： 包含量化或数字信息的双信道或多信道 被发送信息的类型： 电报传真数据、遥测、遥控、电话视频的组合  （5）干扰保护比 载波干扰保护比（C／I）就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其它一些因素如天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等所造成的。 GSM规范中规定： 同频道干扰保护比： C/I  9dB 邻频道干扰保护比： C/I - 9dB 载波偏离400kHz时的干扰保护比： C/I - 41dB  （6）频率复用方式 频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。  频率复用方式就是指将可用频道分成若干组，若所有可用的频道N（如49）分成F组（如9组），则每组的频道数为N／F（49/9 5.4即有些组的频道数为5个，有些为6个，见图3-3）。                               图3-3 900MHz 3／9方式频道分配图  因总的频道数N是固定的，所以分组数F越少则每组的频道数就越多。但是，频率分组数的减少也使同频道复用距离减小，导致系统中平均C／I值降低。因此，在工程实际使用中是把同频干扰保护比C／I值加3dB的冗余来保护，采用12分组方式，即4个基站，12组频率(见图3-2和图3-4所示)。                             图3-4 频率复用方式  对于有向天线而言，天线可采用120或60的定向天线，形成三叶草小区，即把基站分成3个扇形小区。如采用4／12复用方式，每个小区最大可用到5个频道，一般的也可用到4个频道。如采用3／9复用方式，则每个小区可用到6个或5个频道。  对于无方向性天线，即全向天线建议采用7组频率复用方式，其7组频率可从12组中任选，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用(见图3-5)。业务量较大的小区可借用剩余的频率组，如使用第9组的小区可借用第2组频率等。                                  图3-5 7小区分组   以上所谈每小区可用频道数都是在可用频段为10MHz情况下，目前10MHz中4MHz为邮电部使用，另6MHz为“中国联通公司”使用。从频道序号来看，76～95为邮电部使用，95～124为“中国联通公司”使用。这样，邮电部建的GSM数字移动通信网如采用4／12频率复用方式时，每小区可用频道数最大仅有2个(16个信道)，有些只能用到1个(8个信道)。为此，邮电部下属大部分邮电管理局将4MHz带宽向下端扩展2MHz，即占用模拟B网2MHz，使GSM数字移动通信网从可用频道76～95(20个)扩展到66～95(30个)，4／12方式每个小区一般可用3个频道(24信道)，最小也能用到2个频道(16个信道)。  (7)  保护带宽：400kHz 当一个地区数字移动通信系统与模拟移动通信系统共存时，两系统之间(频道中心频率之间)应有约400kHz的保护带宽，通常是由模拟B网预留。邮电部的数字移动通信系统与“中国联通公司”的数字移动通信系统之间也应有400kHz的保护带宽，即它们之间少用一个频道，或由邮电部一方预留，或由“中国联通公司”一方预留。 3.2 时分多址技术（TDMA） 多址技术就是要使众多的客户公用公共通信信道所采用的一种技术。实现多 址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常 称它们为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。在传统的无线电广播中，均采用频分多址（FDMA ）方式，每个广播信道都有一个频点，如果你要收听某一广播信道，则必须把你的收音机调谐到这一频点上。模拟蜂窝移动系统也采用了此技术，某一小区中的某一客户呼叫占用了一个频点，即一个信道（实际上是占用两个，因为是双向连接，即双工通信），则其它呼叫就不能再占用。  在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。每一频点（频道或叫载频TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道，因此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用，见图3－6所示。          图3－6 频分多址和时分多址方式  图中所示（a为FDMA，b为TDMA）是一个方向的情况，在相反方向上必定有一组对应的频率（FDMA）／时隙（TDMA）。  TDMA系统具有如下特性： (1)  每载频多路。如前所述，TDMA系统形成频率时间矩阵，在每一频率上产生多个时隙，这个矩阵中的每一点都是一个信道，在基站控制分配下，可为任意一移动客户提供电话或非话业务。  突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的，只是在规定的时隙内发射脉冲序列。  传输速率高，自适应均衡。每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高，但数字传输带来了时间色散，使时延扩展量加大，则务必采用自适应均衡技术。  传输开销大。由于TDMA分成时隙传输，使得收信机在每一突发脉冲序列上都得重新获得同步。为了把一个时隙和另一个时隙分开，保护时间也是必须的。因此，TDMA系统通常比FDMA系统需要更多的开销。  (5)  对于新技术是开放的。例如当话音编码算法的改进而降低比特速率时，TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。      共享设备的成本低。由于每一载频为许多客户提供业务，所以TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了。 移动台较复杂。它比FDMA系统移动台完成更多的功能，需要复杂的数字信号处理。   3.3 时分多址(TDMA)帧结构 （1）TDMA信道概念 GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就为一个时隙(TS)，而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道映射到物理信道上传送。从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。  逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。 ① 业务信道（TCH）：用于传送编码后的话音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点（BTS对一个MS，或反之）方式传播。 ② 控制信道：用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道，它们又可细分为： 广播信道（BCH）: ---频率校正信道（FCCH）：携带用于校正MS频率的消息，下行信道，点对多点（BTS对多个MS）方式传播。 ---同步信道（SCH）：携带MS的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，下行信道，点对多点方式传播。 ---广播控制信道（BCCH）：广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。下行，点对多点方式传播。  公共控制信道（CCCH） : ---寻呼信道（PCH）：用于寻呼（搜索）MS。下行，点对多点方式传播。 ---随机接入信道（RACH）：MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH），可作为对寻呼的响应或MS主叫／登记时的接入。上行信道，点对点方式传播。 ---允许接人信道（AGCH）：用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。下行信道，点对点方式传播。 专用控制信道(DCCH)： ---独立专用控制信道（SDCCH）：用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。你是例如登记和鉴权在此信道上进行。上行和下行信道，点对点方式传播。 ---慢速随路控制信道（SACCH）：它与一个TCH或一个SDCCH相关，是一个传送连续信息的连续数据信息，如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台参与切换功能是必要的。它还用于MS 的功率管理和时间调整。上行和下行信道，点对点方式传播。 ---快速随路控制信道（FACCH）：它与一个TCH相关。工作于借用模式，即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速 度传送信令信息，则借用20ms的话音（数据）来传送。这一般在切换时发生。由于语音译码器会重复最后20ms的话音，因此这种中断不被用户查觉。  控制信道的配置是依据每小区（BTS）的载频（TRX）数而定的，见图3-7所示。在使用6MHz带宽的情况下，每小区最多两个控制信道，当某小区配置一个载频时，仅需一个控制信道。                       图3－7 小区信令信道配置   （2）TDMA帧 在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，相当于FDMA系统中的一个频道，每帧包括8个时隙（TS0-7），要有TDMA 帧号，这是因为GSM的特性之一是客户保密性好，是通过在发送信息前对信息进行加密实现的。计算加密序列的算法是以TDMA帧号为一个输入参数，因此每一帧都必须有一个帧号。有了TDMA帧号，移动台就可判断控制信道TS0上传送的是哪一类逻辑信道。  TDMA帧号是以3.5小时（2715648个TDMA帧）为周期循环编号的。每2715648个TDMA帧为一个超高帧，每一个超高帧又可分为2048个超帧，一个超帧持续时间为6.12s，每个超帧又是由复帧组成。复帧分为两种类型（见图3-8所示）。                 图3－8 帧结构图 26帧的复帧---它包括26个TDMA帧，持续时长120ms,51个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带TCH（和SACCH加FACCH）。 51帧的复帧---它包括51个TDMA帧，持续时长3060／13ms。26个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带BCH和CCCH。  （3）突发脉冲序列（Burst） TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。共有五种类型。 ① 普通突发脉冲序列（NB）：用于携带TCH及除RACHA，SCH和FCCH以外的控制信道上的信息，图3-9所示，“57个加密比特”是客户数据或话音，再加“1”个比特用作借用标志。借用标志是表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用。“26个训练比特”是一串已知比特，用于供均衡器产生信道模型（一种消除时间色散的方法）。 “TB”尾比特总是000帮助均衡器判断起始位和中止位。“GP”保护间隔，8.25个比特（相当于大约30s），是一个空白空间。由于每载频最多8个客户，因此必须保证各自时隙发射时不相互重迭。尽管使用了时间调整，但来自不同移动台的突发脉冲序列彼此间仍会有小的滑动，因此8.25个比特的保护可使发射机在GSM建议许可范围内上下波动。                          图3－9 普通突发脉冲序列       ② 频率校正突发脉冲序列（FB）：用于移动台的频率同步，它相当于一个带频移的未调载波。此突发脉冲序列的重复称FCCH，见图 3-10。图中“固定比特”全部是0，使调制器发送一个未调载波。“TB”和“GP”同普通突发脉冲序列中的“TB”和“GP”。                  图3－10 频率校正突发脉冲序列 ③ 同步突发脉冲序列（SB）：用于移动台的时间同步，它包括一个易被检测的长同步序列并携带有TDMA帧号和基站识别码（BSIC）信息。这种突发脉冲序列的重复称为SCH，见图3－11所示。            图3－11 同步突发脉冲序列 ④ 接入突发脉冲序列（AB）：用于随机接入，它有一个较长的保护间隔，这是为了适应移动台首次接入（或切换到另一个BTS）后不知道时间提前量而设置的。移动台可能远离BTS，这意味着初始突发脉冲序列会迟一些到达BTS，由于第一个突发脉冲序列中没有时间调整，为了不与下一时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲序列必须短一些，见图3－12所示。                图3－12 接入突发脉冲序列 ⑤ 空闲突发脉冲序列（DB）：此突发脉冲序列在某些情况下由BTS发出，不携带任何信息。它的格式与普通突发脉冲序列相同，其中加密比特改为具有一定比恃模型的混合比特。  （4）逻辑信道到物理信道的映射 谈过TDMA信道、TDMA帧和突发脉冲序列之后，我们就可以谈谈逻辑信道映射到物理信道的方法。我们知道每小区有若干个载频，每个载频都有8个时隙，我们定义载频数为C0，C1，…，Cn，时隙数为T30，T51，···，T87。 ① 控制信道的映射 对某小区超过1个载频时，该小区C0上的TS0就映射广播和公共控制信道，具体映射方法见图3－13。图中所示： F（FCCH）--- 移动台依此同步频率，它的突发脉冲序列为FB。 S（SCH）--- 移动台依此读TDMA帧号和BSIC码，突发脉冲序列为SB。 B（BCCH）--- 移动台依此读有关此小区的通用信息。突发脉冲序列为NB。 I（IDEL）--- 空闲帧，不包括任何信息。突发脉冲序列为DB。 C（CCCH）--- 移动台依此接受寻呼和接入，突发脉冲序列NB。 即便没有寻呼或接入进行，BTS也总在C0上发射，用空位突发脉冲序列代之。 我们从帧的分级结构知道，51帧的复帧是用于携带BCH和CCCH，因此51帧的复帧中共有51个TS0，所携带的控制信道排列的序列如图3-13下面的序列。此序列在第51个TDMA帧上映射一个空闲帧之后开始重复下一个51帧的复帧。             图3－13 BCCH与CCCH在TS0上的复用 以上叙述了下行链路C0上的TS0的映射。对上行链路C0上映射的TS0是不包含上述各信道的，它只含有随机接入信道（RACH），用于移动台的接入，如图3－14所示，它给出了51个连续TDMA帧的TS0。               图3－14 TS0上RACH的复用 下行链路C0上的TS1用于映射专用控制信道。它是102个TDMA帧复用一次，三个空闲帧之后从D0开始，见图3－15所示。                 图3－15 下行SDCCH和SACCH在TS1上的复用   Dx（SDCCH）--- 此处移动台X是一个正在建立呼叫或更新位置或与GSM交换系统参数的移动台。Dx只在移动台X建立呼叫时使用，在移动台X转到TCH上开始通话或登记完释放后，Dx可用于其它MS。 Ax（SACCH）--- 在传输建立阶段（也可能是切换时）必须交换控制信令，如功率调整等信息，移动台X的此类信令就是在该信道上传送。 由于是专用信道，所以上行链路C0上的TSI也具有同样的结构，即意味着对一个移动台同时可双向连接，但时间上有个偏移，如图3-16所示。 Dx、Ax含义与下行链路的相同。                   图3－16 上行SDCCH和SACCH在TS1上的复用 某个小区仅一个载频时，就只有8个时隙，这时的TS0即可用作公共控制信道又可用作专用控制信道，映射方法如图3－17所示。102个TDMA帧重复一次，图中仅描述了102个TDMA帧的TS0上映射的信令信息。字符含意同上述某小区多个载频时的C0上的TS0和TS1映射字符含意。                  图3－17 仅有一个收发单元时控制信道在TS0上的映射 ② 业务信道的映射 除映射控制信道以外的时隙均映射业务信道（TCH），映射方法如图3－18所示。图中仅给出了下行C0上的TS2映射构成。              图4－18 TCH的复用 T（TCH）--- 编码话音或数据，用于通话。突发脉冲序列为NB。 A（SACCH）--- 控制信号。用于移动台接受命令改变输出功率、了解应监视那些BTS的BCCH、向系统报告从周围BTS接收到的信号强度等，突发脉冲序列NB。 I（IDEL）：空闲帧。通常对于分配到TS2的移动台，每个TDMA帧的每个TS2都包含此移动台的信息。只有空闲帧是个例外，它不包含任何信息。 上行链路的结构与下行的一样的，唯一不同的是有一个时间的偏移，也就是说上下行的TS2是在不同时间出现，时间偏移约为3个时隙。 用于携带TCH的复帧是26帧的，因此有26个TS2，第26TS2 时隙是空闲时隙，空闲时隙之后序列从头开始。 携带TCH的复帧相对携带控制信道的复帧要加一个滑动，因为携带TCH的复帧是26个TDMA帧重复一次，而携带控制信道的复帧要每51个TDMA帧重复一次，所以空闲帧在51复帧所有不同的控制信道上均有一个滑动。     3.4  空间分集 多径衰落和阴影衰落产生原因是不相同的。随着移动台的移动，瑞利衰落 随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。这两者是构成 移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化，虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。而采用分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。 分集的方法有空间分集、频率分集、极化分集、角度分集、时间分集和分量分集等多种。在移动通信中，通常采用空间分集，因此这里也就此方法进行讨论。 我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集，见图3－19所示。空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，即d＞0．6，并且最好选在/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到/4，也能起到相当好的分集效果。                    图3-19 空间分集 3.5  时间色散和均衡 数字传输的引入带来了另一问题是时间色散。这一问题也起源于反射，但与多径衰落不同，其反射信号来自远离接收天线的物体约在几千米远处，图3－20为时间色散一例。由基站发送“1”、“0”序列，如果反射信号的达到时间刚好滞后直射信号一个比特的时间，那么接收机将在从直射信号中检出“0”的同时，还从反射信号中检出“1”，于是导致符号“1”对符号“0”的干扰。                          图3－20 时间色散 在GSM系统中，比特速率为270kbit／s，则每一比特时间为3.7s。因此，一比特对应1.1km。假如反射点在移动台之后lkm，那么反射信号的传输路径将比直射信号长2km。这样就会在有用信号中混有比它迟到两比特时间的另一个信号，出现了码间干扰。时间色散似乎是个很棘手的问题，不过在GSM系统中采用了自适应均衡技术，这一问题的严重性得以缓解。 均衡有两个基本途径：一为频域均衡，它使包括均衡器在内的整个系统的总传输满足无失真传输的条件。它往往是分别校正幅频特性和群时延特性，序列均衡通常采用这种频域均衡法。二为时域均衡，就是直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。目前我们面临的信号是时变信号，因此需要采用第二个均衡途径时域均衡来达到整个系统无码间串扰。 时域均衡系统的主体是横向滤波器，也称横截滤波器，它由多级抽头延迟线、加权系数相乘器（或可变增益电路）及相加器组成，如图3-21。                 图3－21 横向滤波器 自适应均衡器所追求的目标就是要达到最佳抽头增益系数，是直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益，因而能适应信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的工作状态，有更好的失真补偿性能，自适应均衡器需有三个特点：快速初始收敛特性、好的跟踪信道时变特性和低的运算量。因此，实际使用的自适应均衡器系统除在正式工作前先发一定长度的测试脉冲序列，又称训练序列，以调整均衡器的抽头系数，使均衡器基本上趋于收敛，然后再自动改变为自适应工作方式，使均衡器维持最佳状态。自适应均衡器一般还按最小均方误差准则来构成，最小均方算法采用维特比（“Viterbi）算法。维特比算法其实质就是最大似然比算法，维特比均衡器的方框图如图3-22。                 图3－22 维特比均衡器 GSM数字移动通信系统中的训练序列如表3-1，它们具有很好的自相关性，以使均衡器具有很好的收敛性。 表3-1 GSM系统的训练序列 序数 十进制 八进制 十六进制 二进制 1 9898135 45604227 970897 00100101110000100010010111 2 12023991 55674267 B778B7 00101101110111100010110111 3 17754382 103564416 10EE90E 01000011101110100100001110 4 18796830 107550436 11ED11E 01000111101101000100011110 5 7049323 32710153 6B906B 00011010111001000001101011 6 20627770 116540472 13AC13A 01001110101100000100111010 7 43999903 247661237 29F629F 10100111110110001010011111 8 62671804 357045674 3BC4BBC 11101111000100101110111100   下面简单介绍一下均衡技术的原理。信道可以是金属线、光缆、无线链路等，每种信道有其自己的特性，如带宽、衰减等等。因此，最佳接收机应适合用于特殊类型传输信道，这就意味着该接收机应知道信道是什么样的，否则就不是最佳接收机：我们要做的事情就是建立一个传输信道（即空中接口）的数学模型，计算出最可能的传输序列，这就是均衡器。传输序列是以突发脉冲串的形式传输，在突发脉冲串的中部，加有已知方式的且自相关性强的训练序列，利用这一训练序列，均衡器能建立起该信道模型。这个模型随时间改变，但在一个突发脉冲串期间被认为是恒定的。建立了信道模型，下一步是产生全部可能的序列，并把它们馈入通过信道模型，输出序列中将有一个与接收序列最相似，与此对应的那个输入序列便被认为是当前发送的序列，见图3-23。           图3-23 均衡器工作原理 例中序列长度N ＝ 3，接收序列为010。N ＝ 3给出了馈入信道模型的8种可能的输入系列： 输入000，输出100； 输入001，输出010； 输入010，输出：110等等。 显然，第二个输入系列001产生了最相似输出序列010，因此认为001＝为发送序列。 这看起来似乎很简单，不过问题是通常不会有N＝3的情况。例如在GSM中，N ＝ 116，这就需要相当大量的比较。假如每秒钟比较1千万个组合，计算全部组合将要花费1029年。由此导致的话音时延是绝对不能容忍的，所以实际使用的均衡器中使用了维特比算法就是这个道理。 GSM规范要求均衡器应能处理时延高达15s左右的反射信号，15s约对应4比特时间。此外，由于近区（相对于接收机）反射，反射信号本身易受到瑞利衰落的影响。然而，与直射信号相比，反射信号具有不相关性衰落图形，困而能被均衡器利用，从而改善性能。因此只要反射信号的时延不超过15s就可以得到很好的信号质量。     3.6 基站与移动台间的时间调整 由于在空中接口采用了TDMA技术，那么某一移动台必须在指配给它的时隙内 发送，而在其余时间又必须保持寂静，否则它会干扰使用同样载频上不同时隙的 另一些移动客户。   从图3－24可见，收发之间是间隔3个时隙。假如某移动台占用了时隙2（TS2），可它在呼叫期间向远离基站方向移动，因此从基站发出的信息，将会越来越迟地到达移动台。与此同时移动台的应答信息，也会越来越迟地到达基站。如果不采取措施，该时延长至使该移动台在TS2发送的信息与基站在TS3接受到的另一个呼叫信息重迭起来。所以，在呼叫进行期间，必须监视呼叫到达基站的时间，并由系统向移动台发送指令，随着移动台离开基站的距离，逐步指示移动台提前发送的时间，这就是时间的调整。                图3-24 TCH上下行偏移 时间调整的提前是0～63个比特之间的任意值。如0个比特就表示不必调整，表明MS和BTS在一起。63个比特是调整的最大量，也就是BTS与BS之间最长距离。所以我们说，GSM系统最大覆盖范围是： 3.7s 63 3 108m／s = 70km 3.7s：每个比特的时长。 63：时间调整的最大比特数。 3 108m／s ：电波速度。 其覆盖半径是35km。 当一个特定连接建立时，BTS不断测量自己脉冲时隙与收到的MS时隙之间的时间偏移量。基于这个测量，它可以向MS提供要求的时间提前量，并在SACCH上以每秒2次的频度通知MS。 3.7 话音编码 由于GSM系统是一种全数字系统，话音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把话音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。 我们对PCM编码比较熟悉，它是采用A律波形编码，分为3步： --- 采样。在某瞬间测量模拟信号的值。采样速率8kHz/s。 --- 量化。对每个样值用8个比特的量化值来表示对应的模拟信号瞬间值，即为样值指配256（28）个不同电平值中的一个。 --- 编码。每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。 用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为64kbit／s （8kbit／s 8）。如果GSM系统也采用此种方式进行话音编码，那么每个话音信道是64kbit／s，8个话音信道就是512kbit／s。考虑实际可使用的带宽，GSM规范中规定载频间隔是200kHz。因此要把它们保持在规定的频带内，必需大大地降低每个话音信道的编码的比特率，这就要靠改变话音编码的方式来实现。 声码器编码可以是很低的速率（可以低于5kbit／s，虽然不影响话音的可懂性，但话音的失真性很大，很难分辨是谁在讲话。波形编码器话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。因此GSM系统话音编码器2是采用声码器和波形编码器的混合物--- 混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器），见图3-25所示。LPC+LTP为声码器，RPE为波形编码器，再通过复用器混合完成模拟话音信号的数字编码，每话音信道的编码速率为13kbit／s。                  图3－25 GSM话音编码器框图 声码器的原理是模仿人类发音器官喉、嘴、舌的组合，将该组合看作一个滤波器，人发出的声音使声带振动就成为激励脉冲。当然“滤波器” 脉冲 m频率是在不断地变换，但在很短的时间（10ms～30ms）内观察它，则发音器官是没有变换的，因此声码器要做的事是将话音信号分成20ms的段，然后分析这一时间段内所相应的滤波器的参数，并提取此时的脉冲串频率，输出其激励脉冲序列。相继的话音段是十分相似的，LTP将当前段与前一段进行比较，相应的差值被低通滤波后进行一种波形编码。 LPC十LTP参数：3.6 kbit/s。 RPE参数：9.4kbit/s。 因此，话音编码器的输出比特速率是13kbit。   3.8 信道编码 采用数字传输时，所传信号的质量常常用接收比特中有多少是正确的”来表示，并由此引出比特差错率(BER)概念。BER表明总比特率中有多少比特被检测出错误，差错比特数目或所占的比特要尽可能小。然而，要把它减小到0，那是不可能的，因为路径是在不断变化的。这就是说必须允许存在一定数量的差错，但还必须能恢复出原信息，或至少能检测出差错，这对于数据传输来说特别重要，对话音来说只是质量降低。 为了有所补益，可使用信道编码。信道编码，能够检出和校正接收比特流中的差错。这是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，但有效地减少差错。 为了便于理解，我们举一简单例子加以。 假定要传输的信息是一个“0”或是一个“l”，为了提高保护能力，各添加3个比特： 信息 添加比特 发送比特 O 000 0000 1 111 1111 对于每一比特(0或1)，只有一个有效的编码组(0000或l111)。如果收到的不是0000或1111，就说明传输期间出现了差错。比例关系是1：4，必须发送是必要比特4倍的比特。保护作用如何? 接收编码组可能为： 0000 0010 0110 0111 1111 判决结果： 0 0 X 1 1 如果4个比特中有1个是错的，就可以校正它。例如发送的是0000，而收到的却是0010，则判决所发送的是0。如果编码组中有两个比特是错的，则能检出它，如0ll0表明它是错的，但不能校正。最后如果其中有3个或4个比特是错的，则既不能校正它，也不能检出它来。所以说这一编码能校正1个差错和检出2个差错。 图3-26表示了数字信号传输的这一过程，其中信源可以是话音、数据或图像的电信号“s”，经信源编码构成一个具有确定长度的数字信号序列“m”，人为地在按一定规则加进非信息数字序列，以构成一个一个码子“c(信道编码)，然后再经调制器变换为适合信道传输的信号。经信道传输后，在接收端经解调器判决输出的数字序列称为接收序列“R”，再经信道译码器译码后输出信息序列“m”，而信源译码器则将“m”变换成客户需要的信息形式“s”。                  图3-26 数字信息传输方框图 移动通信的传输信道属变参信道，它不仅会引起随机错误，而更主要的是造成突发错误。随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否是无关的。突发错误则不然，一个码元的错误往往影响前后码元的错误概率。或者说，一个码元产生错误，则后面几个码元都可能发生错误。因此，在数字通信中，要利用信道编码对整个通信系统进行差错控制。差错控制编码可以分为分组编码和卷积编码两类。 分组编码的原理框图见图3-27。分组编码是把信息序列以k个码元分组，通过编码器将每组的k元信息按一定规律产生r个多余码元(称为检验元或监督元)，输出长n＝k十r的一个码组。因此，每个码组的r个检验元仅与本组的信息元有关而与别组无关。分组码用(n，k)表示，n表示码长，k表示信息位数目，R＝k／n称为分组编码的效率，也称编码率或码率。           图3-27 分组编码 卷积编码的原理框图见图3-28。卷积编码就是将信息序列以ko个码元分段，通过编码器输出长为no的一段码段。但是该码的no - ko个检验码不仅与本段的信息元有关，而且也与其前m段的信息元有关，故卷积码用(no，ko，m)表示，称No＝(2n十1)no为卷积编码的编码约束长度。与分组编码一样，卷积编码的编码效率也定义为R＝ko／no，对于具有良好纠、检错性能并能合理而又简单实现的大多数卷积码，总是ko＝l或是(no - ko)＝l，也就是说它的编码效率通常只有l／5，1／4，1／3，1／2，2／3，3／4，4／5……。                 图3-28 卷积编码 在GSM系统中，上述两种编码方法均在使用。首先对一些信息比特进行分组编码，构成一个“信息分组十奇偶(检验)比特”的形式，然后对全部比特做卷积编码，从而形成编码比特。这两次编码适用于话音和数据二者，但它们的编码方案略有差异。采用“两次”编码的好处是：在有差错时，能校正的校正(利用卷积编码特性)，能检测的检测(利用分组编码特性)。 GSM系统首先是把话音分成20ms的音段,这20ms的音段通过话音编码器被数字化和话音编码，产生260个比特流，并被分成： ·50个最重要比特 ·132个重要比特 ·78个不重要比特 如图3-29，对上述50个比特添加上3个奇偶检验比特(分组编码)，这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一起卷积编码，比率1：2，因而得378个比特，另外78个比特不予保护。                            图3-29 GSM数字话音的信道编码 3.9 交织技术 在陆地移动通信这种变参信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持 续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。然而，信道编码仅在检测和 校正单个差错和不太长的差错串时才有效。为了解决这一问题，希望能找到 把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。这种方法就是交织技术。   1．交织技术的一般原理 假定由一些4比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第1个比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作第一帧，4个消息分组中的比特2～4，也作同样处理，如图3-30所示。 然后依次传送第1比特组成的帧，第2比特组成的帧，……。在传输期间，帧2丢失，如果没有交织，那就会丢失某一整个消息分组，但采用了交织，仅每个消息分组的第2比特丢失，再利用信道编码， 全部分组中的消息仍能得以恢复，这就是交织技术的基本原理。概括地说，交织就是把码字的b个比特分散到n个帧中，以改变比特间的邻近关系，因此n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大，所以在实际使用中必须作折衷考虑。      图3-30 交织原理 2．GSM系统中交织方式 在GSM系统中，信道编码后进行交织，交织分为两次，第一次交织为内部交织，第二次交织为块间交织。 话音编码器和信道编码器将每一20ms话音数字化并编码，提供456个比特。首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特，见图3-31所示。                 图3-31 GSM 20ms话音编码交织 如果将同一20ms话音的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中(见图3-32)，那么该突发脉冲串丢失则会导致该20ms的话音损失25％的比特，显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特。因此必须在两个话音帧间再进行一次交织，即块间交织。                 图3-32 普通突发脉冲串 把每20ms话音456比特分成的8帧为一个块，假设有A、B、C、D四块，见图3-33所示，在第一个普通突发脉冲串中，两个57比特组分别插入A块和D块的各1帧(插入方式如图3-34所示，这就是二次交织)，这样一个20ms的话音8帧分别插入8个不同普通突发脉冲序列中，然后一个一个突发脉冲序列发送，发送的突发脉冲序列首尾相接处不是同一话音块，这样即使在传输中丢失一个脉冲串，只影响每一话音比特数的12.5％，而这能通过信道编码加以校正。                   图3-33 话音信道编码   图3-34 二次交织   二次交织经得住丧失一整个突发脉冲串的打击，但增加了系统时延。因此，在GSM系统中，移动台和中继电路上增加了回波抵消器，以改善由于时延而引起的通话回音。   3.10 跳频技术    采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性，它首先被用于军事通信， 后来在GSM标准中也被采纳。 跳频功能主要是： (1) 改善衰落。 (2) 处于多径环境中的漫速移动的移动台通过采用跳频技术，大大改善移动台的通信质量，相当于频率分集。 (3) 跳频相当于频率分集 GSM系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种。 基带跳频的原理是将话音信号随着时间的变换使用不同频率发射机发射，其原理图如图3-35所示，实施的方框图如图3-36所示。              图3-35 基带跳频原理   图3-36 基带跳频实施框图   射频跳频是将话音信号用固定的发射机，由跳频序列控制，采用不同频率发射，原理图如图3-37所示，实施框图如图3-38所示。需要说明的是，射 频跳频必须有两个发射机，一个固定发射载频Fo，因它带有控制信道BCCH；另一发射机载波频率可