（通信与信息系统专业论文）基于mcs9的gsmedge系统物理层算法实现.pdf

摘要 g s m 是目前全球应用最为广泛的通信系统。本文主要从软件无线电的角度研 究g s m e d g e 系统物理层相关算法，研究依托的理论背景是3 g p p 关于g s m 的 0 5 系列协议。 本文主要任务是用m a t l a b 对基于p d t c h m c s 9 业务的g s m e d g e 系统 进行物理层仿真。由于移动无线信道受到各种干扰、多径衰落和阴影衰落等影响， 传输数字信号时，会造成突发性误码和随机性错误。把用户数据转换成适合无线 信道传输的信息，以及再从接收到的信息还原出用户数据，并实现对所传输信号 的必要保护，需要进行一系列的变换和反变换。这些变换大致包括：信道编码与 解码、交织与解交织、调制以及均衡等部分。本文在对上述各部分依次进行实现 时，依据协议g s m 0 5 0 3 的编码方案对数据进行检、纠错编码，以及为防止成块 错误导致连续数据丢失而采用了交织重排等手段。此外还采用8 p s k 调制、信道 均衡和v i t e r b i 译码等处理方法，以提高传输效果和通信质量。 本文的重点是r s s e 均衡器的实现，均衡的作用是去除码间干扰，正确解调 信号。最后一章是对整个系统仿真结果的分析，包括不同信道模型( 静态、t u 5 0 等) 下均衡解调b e r 性能曲线和整个系统的误块率曲线。仿真结果显示，在规定 的几种信道模型下的系统性能均达到协议规定的要求。 关键词：e d g e8 p s k 调制r s s e 均衡v i t e r b i 译码 a b s tr a c t g s mi st h em o s tw i d e l yu s e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt o d a y t h ea l g o r i t h m si nt h e p h y s i c a ll a y e ro ft h eg s ms y s t e ma l ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a l lt h er e s e a r c hw o r k h e r ei sb a s e do ng s m0 5s e r i e ss p e c i f i c a t i o n sr e l e a s e db y3 g p e t h eg s m e d g es y s t e mb a s e do np d t c h m c s 9c h a n n di ss i m u l a t e di n m a t l a b h o w e v e r , t h ev a r i o u si n t e r f e r e n c e s ，m u l t i p a t hf a d i n ga n ds h a d o wf a d i n gi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w i l lr e s u l ti nt h eb u r s te r r o ra n dr a n d o m6 t r o t t o c o n v e r tt h eu s e l sd a t ai n t os i g n a l sw h i c ha r es u i t a b l et ot r a n s m i ti nr fc h a n n e l ，a n d t h e nt or e c o v e rt h eu s e r sd a t af r o mt h er e c e i v e ds i g n a l s ，as e r i e so ft r a n s f o r m a t i o n sa n d c o n t r a - t r a n s f o r m a t i o n si s i m p l e m e n t e d t o p r o t e c t t h et r a n s m i t t e d s i g n a l s t h e s e t r a n s f o r m a t i o n sc o n t a i n ：c h a n n e lc o d i n ga n dd e c o d i n g ，i n t e r l e a v i n ga n dd e i n t e r l e a v i n g , m o d u l a t i o n ，e q u a l i z a t i o na n d s oo n b a s e do nt h eg s m0 5 0 3 s p e c i f i c a t i o n s ， e r r o r - d e t e c t i n ga n de r r o r - c o r r e c t i n gc o d ea r eu s e d ， a n di no r d e rt op r e v e n tl o s t c o n t i n u o u sd a t af i o mb l o c ke r r o r s ，i n t e r l e a v i n ga n dd e i n t e r l e a v i n ga r ei n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，8 p s km o d u l a t i o n ，c h a n n e le q u a l i z a t i o na n dv i t e r b id e c o d i n ga r ea l s o u s e dt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y t h er s s e e q u a l i z a t i o ni st h ek e yp o i n ti nt h i st h e s i s ，w h i c hi su s e dt oe l i m i n a t e t h ei s ia n dd e m o d u l a t et h es i g n a l s t h ea n a l y s i so ft h es y s t e m sp e r f o r m a c ei si nt h e l a s tc h a p t e r , i n c l u d i n gt h ee q u a l i z a t i o nb e r p e r f o r m a n c eu n d e rs t a t i c ，t u 5 0c h a n n e l s a n dt h ef e ro ft h es y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e m a n ds p e c i f i e di ng s m s p e c i f i c a t i o n si ss a t i s f i e d k e y w o r d ：e d g e 8 p s k - m o d u l a t i o n r s s e - e q u a l i z a t i o nv i t e r b i - d e c o d i n g 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：么；2 埔 日期二丛! 星必 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：么豳! 缸日期丞型呈：竺! ! 多 导师签名：襁 - 第一章绪论 第一章绪论 g s m 数字蜂窝移动通信系统( 简称g s m 系统) 是完全依照欧洲通信标准化 委员会( e t s i ) 制定的g s m 规范研制而成的，任何g s m 蜂窝移动通信系统都必 须符合g s m 技术规范。 图l1 g s m 系统结构及接1 2 g s m 系统由一系列的功能单元组成，其具体组成如图l1 所示，分别为m s ( 移动台) 、n s s ( 网络子系统) 、b s s ( 基站子系统) 、o m s ( 操作维护于系统) 等几个主要部分。 g s m 系统是一种典型的开放式结构，作为一种面向未来的通信系统，他具有 下面主要特点： g s m 系统由几个分系统组成各分系统之间都有定义明确且详细的标准 化接口方案，保证任何厂商提供的g s m 系统设备可趴互连。同时，g s m 系统与各种公用通信网之间也都详细定义了标准接口规范，使g s m 系统 基于m c s 一9 的g s m e d g e 系统物理层算法实现 可以与各种公用通信网实现互连互通； g s m 系统除了可以开放基本的话音业务外，还可以开放各种承载业务、 补充业务以及与i s d n 相关的各种业务； g s m 系统采用t d m a f d d 及跳频的复用方式，频率复用利用率高，同时 他具有灵活方便的组网结构，可以满足用户的不同容量需求； g s m 系统具有较强的鉴权和加密功能，能确保用户和网络的安全需求： g s m 系统抗干扰能力较强系统的通信质量较高。 1 2 1 g p r s 技术 1 2e d g e 的发展现状 移动通信技术作为当今通信领域发展的热点技术，尤其是第三代移动通信，倍 受运营商、设备制造商，广大用户的关注。那么，作为全球最大的g s m 移动通信 网络。它的大多数业务都是话音及增值业务，而第三代技术则是为综合多媒体通 信而设计，话音仅是一项业务。面对3 g 技术的发展，g s m 网现在的规模及用户 业务的需求，如何适应第三代移动通信的发展，搞好过渡工作是一个非常关键性 的问题。 s ( - 、h 图1 2 g p r s 系统结构框图 第一章绪论 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 2 1 是g s m 系统的发展，又是向3 g 系统 过渡的重要一环，g p r s 的数据传输速率最高为1 7 0 k b p s ，巨大的吞吐量使得包括 图片、语音和视频在内的多媒体业务成为现实( 但g p r s 实际值要小得多，一般 为1 4 “3 2 k b p s ) 。g p r s 具有“永远在线的特点：即用户可随时与网络保持联 系。用户访问互联网时，占用无线信道发送和接收数据；当没有数据传送，手机 就进入准休眠状态，释放所用的无线频道。这时，网络与用户之间还保持一种逻 辑上的连接，当用户再次点击，手机立即向网络请求无线频道用来传送数据。 g s m 升级为g p r s 系统主要是软件上的更新【3 】，以及少量的网络设备改进。 这样可以使尽量减少运营商的成本投入，而且可以无缝的与原有网络的对接。在 网络侧需要增加s g s n ( g p r s 服务支持节点) 和g g s n ( g p r s 网关支持节点) 以 及新增节点与其它设备相连接的接口，系统结构如图1 2 所示。 其中，s g s n 为本服务区内的g p r s 用户提供分组路由；g g s n 提供与其他 g p r s 网络及外部数据网的接口；p c u 用于分组数据的信道管理和信道接入控制。 g p r s 使用于突发性的数据业务、小数据量的频繁传送、偶然出现的大数据量 业务，如网页浏览等。 但是g p r s 也存在局限性： 小区总容量有限。它不能增加网络现存小区的总容量，只能有效的使用现 有的资源。 实际传输速率和理论值之间存在着较大的差距。g p r s 网络理论值为 1 7 0 k b p s 左右。要求单一用户同时占用载波的8 个时隙，网络运营商不可能让一个 g p r s 用户占用所有8 个时隙，同时，所有网络条件完全不用纠错措施来保证传输 质量是达不到的。 g p r s 使用的调制方式还有待改进。g p r s 使用g m s k 调制方式，这并不 是最好的调制方式。采用更好的调制方式可允许更高的比特速率通过空中接口。 传输时延。 针对以上局限性，g p r s 需要改进与完善。 1 2 2e d g e 技术 e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 是一种有效提高g p r s 信道编 码效率的高速移动数据标准，能提供基于i p 的多媒体业务【4 1 。它允许高达3 8 4 k b p s 的传输途率，可充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求。e d g e 提供了一个从 g p r s 到3 g 的过渡方案，使现有的网络运营商能运用现有的网络设备，在3 g 网 络商业化之前，为用户提供个人多媒体通信业务5 1 。 4 基于m c s 9 的g s m e d g e 系统物理层算法实现 与传统的g s m 相比，e d g e 建立时间更快、带宽更宽，可以将g p r s 的优点 发挥得更好。把g p r s 与e d g e 结合起来，对现有的无线网络提供数据服务可以 起到巨大的促进作用。由于e d g e 是基于g s m 的，推广e d g e 没有技术上的问 题，它对现网硬件和软件的改动很少，运营商无需改变现网的结构。与现行的g s m 一样，e d g e 采用t d m a 帧结构、逻辑信道和2 0 0 k h z 载波带宽，现行的小区规 划可继续运行，以致采用该技术的好处非常明显，运营商可以很经济地迅速在全 网实现为用户提供宽带服务。 通过e d g e ，运营商可为普通用户和商业用户提供许多无线数据应用，包括无 线多媒体、e m a i l 、网站浏览和视频会议等。使用e d g e 还可把对w c d m a 的投 资推迟，从而减少网络投资，赢得时间，并能为运营商控制市场走向，判断用户 对新服务的接受程度。很明显，e d g e 能继续使用g s m 的大部分设备，充分发挥 g s m 余热，延长g s m 生存周期，保护运营商投资，应该说是一条向3 g 过渡的好 途径f 6 】。 表1 1 给出了g p r s 系统和e d g e 系统的主要技术参数的比较。 表1 1g p r se d g e 技术参数比较 y_j 穿 ： r7 +7 ，? jj ，jq 蛩酝蕊一 。 一琵嗡。7 一。 ? j j=g 调铡方式 ，g m s k8 p s k 调翻码速率 募 2 7 0k s y m s2 7 0k s y m s 诞潮逮率； 2 7 0 k b s8 1 0 k b s i每时隙无陨传输速率 ； 2 2 8k b s6 9 2k b s i每对隙耀户传输速率 j 2 0k b s ( c s 4 )5 9 2k b s ( m c s 9 1 象、，靥户速率( 游隰) ，毒 1 6 0 k b s4 7 3 6k b s e d g e 的一个主要目标就是提供比g p r s 更高的传输速率、更高的频谱利用 率。为了实现这一目标，在e d g e 中采用了三种关键技术，即8 p s k 调制方式、 自适应调制编码技术和递增冗余忉。 e d g e 中的9 种编码方式对比如表1 2 。 表1 29 种编码调制方式对比 ； ；编码码速头码调每个伞无粪b 潞：尾有 珏 速率。 ；调制率速率 制 无线线块包效载 c ( 鞫毵 ；方式 方 块的含的原蒋 s 酞 s i 式 眦 始数据 耘。：。一 ，7 t ； 块数 ? | ，螬 2 一i毛，7 ，”。谚 m c s 91 oo 3 68 p s k22 x 5 9 2a85 9 2 m c s 一80 9 20 3 622 5 4 4a2 x 1 22 x 65 4 4 m c s 70 7 60 3 622 x 4 4 8b4 4 8 m c s 一60 4 91 3 1 5 9 2 a 2 9 6 1 26 2 7 2 第一章绪论 5 ， ；编码码速头码谖。每个一个无类 b c s 尾有 珏速率 ；调制率速率 制 无线线块包效载 c，( 珏：。 ；，方式 方 块的含的原荷 s i t s ) ： 鸯， 式。 r l c始数据， 块数 鬣珐? 纽，- 掰；，一锄糍“矗：一“赫瓿溉喘o ? 川、一。：? 二；ii j；7 易，o ：。# ；：i 每* 二o a二? 二渤_ tt ：一 5 4 4 + 4 8 m c s 5o 3 71 314 4 8b 2 2 4 m c s 41 0 00 5 3l3 5 2c1 7 6 m c s 一30 8 5o 5 312 9 6 a 1 4 8 g m s k 2 7 2 + 2 4 1 3 6 m c s 2o 6 60 5 3l2 2 4b 1 1 2 m c s 10 5 3 o 5 311 7 6c8 8 1 2 3g s m 网络演进的技术路线 g s m 在包括中国在内的全球市场上运营了1 5 年之后，网络日益成熟，但日益 加剧的市场竞争和逐年下降的a r p u ( a v e r a g er e v e n u ep e r u s e r ) 值，加之u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 的来临，运营商越来越关注如何降 低c a p e x ( c a p i t a le x p e n d i t u r e ) 和o p e x ( o p e r a t i o ne x p e n d i t u r e ) ，进而提高盈 利能力。 如果说e d g e 解决了g s m 运营商的高速率数据业务支撑能力，使得运营商以 最小的代价展开3 g 业务，那么g s m 制式3 g 化则将成为全球迈向移动宽带融合 口网络的基石。 e d g e 及其演进具备高效率的频谱资源利用率，允许运营商利用现有频谱提供 更多的更高速率的语音数据业务，提升消费者体验，驱动移动多媒体业务，从而获 得更高的收益。g s m - - ) e d g e - - ) e n h a n c e de d g e - - ) e d g el t e 的自然演进成为移动 宽带技术最具平滑性的家族，成为无线数据通讯市场的最佳架构，是g s m 运营商 的自然演进选择【8 】。 1 3 研究的主要内容 第二章g s m e d g e 系统的无线接口技术，主要是该系统信道组合、物理信道、 帧结构以及g s m 采用的主要技术。 第三章上行链路研究及实现。由于对于下行3 g p p 已经作了比较严格的规范， 没有多少创新点。主要内容是对由随机函数得到的二进制序列( 信号源) 进行信 道编译码、交织和解交织，8 p s k 调制，建立协议0 5 0 5 中的6 种信道模型，最后 6 基于m c s 9 的g s m e d g e 系统物理层算法实现 得到经过信道的基带符号序列。 第四章上行链路关键技术研究。该章是本文的核心。主要包括分块r s s e 均 衡解调技术的研究和实现、信道译码和仿真结果。均衡接收是重点，其中包含信 道估计( 本文提出的最大似然信道估计与传统的自相关信道估计算法的比较) ，时 间提前量的搜索，创新地使用分块的均衡解调技术( 把一个突发从中间分开分别 均衡估计，最后左右两部分结合得到完整的突发比特信息) 可以一定程度上消除 衰落对一个较长突发的持续影响。最后第五章在完成整个算法的基础上，得到不 同信道模型下的b e r 性能曲线。仿真中还会对两种信道估计算法进行比较得到不 同的性能曲线图，并得出结论。 主要创新点： 1 、结合传统的自相关信道估计提出最大似然的信道估计算法，首先使用自相 关的信道估计得到初步的信道估计参数，并由此得到时间提前量t a ，然后采用最 大似然算法得到精确的信道估计参数，通过该法最大能提高系统性能0 7 d b ( 静 态模型，s n r = 7d b ) 。 2 、分块的r s s e 均衡解调技术，能一定程度上减小衰落对信号的影响。 通过研究本课题，可以更好把握当前移动通信的发展方向，深入理解数字移 动通信系统基带处理过程。从当前的移动通信市场看，3 g 牌照颁发的一再延迟， 使得e d g e 的出现和在全球的成功商用是一个必然，而且有可能成为一个新的3 g 演进方向。随着全球对数据业务需求的增大，以后可能会考虑使用基于3 2 q a m 、 6 4 q a m 的m c s l 0 1 1 编码调制方式( 增强型e d g e 技术) ，满足视频电话等高速 率的数据业务要求，提高e d g e 的竞争力。所以对e d g e 这种比较有竞争优势新 技术的研究有很好的现实意义。 第二章g s m e d g e 系统的无线接口 7 第二章g s m e d g e 系统的无线接口 2 1g s m 工作频段划分 g s m 蜂窝系统根据所用频段可以分为g s m 9 0 0 m h z 和d c s l 8 0 0 m h z 系统，载 频间隔为2 0 0 k h z 。其上、下行频率划分见表2 1 【。 表2 1g s m 频率划分 绍+一“ ， 一，+一 ，j，二+“ 辔 i 系统频段( m h z )带宽( 她)频道号载频数( 对) ； 馨，_ 。，一二o g s m 9 0 0 上行8 9 0 9 1 5 2 51 1 2 41 2 4 下行9 3 5 9 6 0 d c s l 8 0 0上行1 7 1 0 1 7 8 57 55 1 2 8 8 53 7 4 下行1 8 0 5 1 8 8 0 上下行以基站为参照物，基站发一移动台收为下行；移动台发一基站收为上行。 其中上行链路是本文关注的方向。 另外，为了业务的进一步需要，g s m 协议对g s m 9 0 0 m h z 频段进行了扩充， 分别为e g s m ( 扩展的g s m 频段) 和r g s m ( 包含了铁路业务的g s m 扩展频段) ， 其频段划分见表2 2 ： 表2 2e g s m r g s m 频率划分 ，。7 谚 ；系统频段( 凇带宽( m 频道号载频数( 对x e g s m 上行8 8 0 9 1 5 3 50 1 2 41 7 4 下行9 2 5 9 6 0 9 7 5 1 0 2 3 r g s m上行8 7 6 9 1 54 00 1 2 41 9 4 下行9 2 1 9 6 0 9 5 5 1 0 2 3 2 2 时分多址技术 2 1 1t d m a 信道的概念 g s m 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，而逻 8 基于m c s 9 的g s m e d g e 系统物理层算法实现 辑信道是根据b t s 与m s 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b t s 到m s 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。 业务信道( t c h ) 载有编码的话音或用户数据，它有全速率业务信道( t c h f ) 和半速率业务信道( t c h h ) 之分，也可分为话音业务信道和数据业务信道。 控制信道( c c h ) 用于传送信令或同步数据。它主要有3 种：广播信道( b c c h ) 、 公共控制信道( c c c h ) 和专用控制信道( d c c h ) 。 广播信道可以分为频率校正信道( f c c h ) 、同步信道( s c h ) 和广播控制信 道( b c c h ) 。 公共控制信道可以分为寻呼信道( p c h ) 、准予接入信道( a g c h ) 和随机接 入信道( r a c h ) 。 专用控制信道可以分为独立专用控制信道( s d c c h ) 、慢速随路控制信道 ( s a c c h ) 和快速随路控制信道( f a c c h ) 1 】。 2 1 2t d m a 帧结构及突发脉冲序列 时分多址是在一个宽带的无线载波上，按时间( 或称为时隙) 划分为若干时 分信道，每一个用户占有一个时隙，并且只在这一指定的时隙内接收( 或发送) 信号，故称为时分多址。此多址方式在数字蜂窝系统中采用，g s m 系统也采用了 此种方式。 g s m 系统采用了f d m a 和t d m a 相结合的方式。 g s m 系统在无线路径上传输要涉及的基本概念最主要的是突发脉冲序列 ( b u r s t ) ，简称突发序列，它是一串含有1 0 0 多个调制比特的传输单元。突发脉 冲序列有一个限定的持续时间和占有限定的无线频谱。它们在时间和频率窗上输 出，而这个窗被人们称为隙缝( s 1 0 0 。确切地说，在系统频段内，每2 0 0 k h z 设置 隙缝的中心频率( 以f d m a 角度观察) ，而隙缝在时间上循环的发生，每次占 1 5 2 6 m s 即近似0 5 7 7 m s ( 以t d m a 角度观察) 。这些隙缝的时间间隔称为时隙 ( t s ：t i m es l o t ) ，而它的持续时间被用作时间单元，称为突发脉冲序列周期b p ( b u r s tp e r i o d ) 。 利用时间频率图可以更加直观地表示隙缝的概念，即一个隙缝可以表示为一 个小矩形，其长为1 5 2 6 m s 、宽为2 0 0 k h z ，如图2 1 所示。类似地，可把g s m 所规定的2 0 0 k h z 带宽称为频隙( f r e q u e n c ys l o t ) ，相当于g s m 协议中规定的无 线频道( r a d i of r e q u e n c yc h a n n e l ) ，也称射频信道。 物理信道( p h y s i c a lc h a n n e l ) 采用频分和时分复用的组合，它由用于基站( b s ) 第二章g s m e d g e 系统的无线接口 9 和移动台( m s ) 之间连接的时隙流构成。这些时隙在t d m a 帧中的位置，从帧 到帧是不变的。 频宰 ， 1 2 0 0 k h z 个 ) l 、p 、。 冬 、 ，b p 、 、 舌i 铜 1 5 2 6 m s 隙k p 4 l 图2 时隙不意图 一个帧包含8 个基本的时隙，共占 。每一个时隙就是 一个基本的物理信道，每个时隙含 个码元，共占。 多个帧构成复帧，其结构有两种，分别含连贯的2 6 个 或5 1 个帧。当不同的逻辑信道复用到一个物理信道时，需要使用这些复 帧。 含2 6 帧的复帧其周期为，用于业务信道及其随路控制信道。其中2 4 个突发序列用于业务，2 个突发序列用于信令。 含5 1 帧的复帧其周期为 ，专用于控制信道。 多个复帧又构成超帧(。它是一个连贯的 帧，即 一个超帧可以是包括5 1 个复帧，也可以是包括2 6 个 复帧。 超帧的周期均为 个帧，即6 。 多个超帧构成超高帧。它包括 个超帧，周期为 ， 即。用于加密的话音和数据，超高帧每一周期包含 个 帧，这些帧按序编号，依次从0 至，帧号在同步信道中传 送。 帧结构如图2 2 。 信道上一个时隙中的消息格式被称为突发脉冲序列，也就是说每个突 发脉冲被发送在帧的其中一个时隙上。因为在特定突发脉冲上发送的消息 内容不同，也就决定了它们格式的不同。 可分为5 种突发脉冲序列： l 、普通突发脉冲序列：用于携带 、 、 s d c c h 、b c c h 、和a g c h 信道的消息。 2 、接入突发脉冲序列用于携带信道的消息。 1 0 基于m c s 9 的g s m e d g e 系统物理层算法实现 3 、频率校正突发脉冲序列( f r c q u c n c yc o r r e c t i o nb u r s t ) ：用于携带f c c h 信道的消息。 4 、同步突发脉冲序列( s y n c h r o n i z a t i o nb u r s t ) ：用携带s c h 信道的消息。 5 、空闲突发脉冲序列( d u m m yb u r s t ) ：当系统没有任何具体的消息要发送时 就传送这种突发脉冲序列。 在每种突发脉冲的格式中，都包括以下内容： 1 、尾比特( t a i lb i t s ) ：它总是0 ，以帮助均衡器来判断起始位和终止位以避 免失步。 2 、消息比特( i n f o r m a t i o nb i t s ) ：用于描述业务消息和信令消息，空闲突发脉 冲序列和频率校正突发脉冲序列除外。 3 、训练序列( t r a i n i n gs e q u e n c e ) ：它是一串已知序列，用于供均衡器产生信 道模型( 一种消除色散的方法) 。训练序列是发送端和接收端所共知的序列，它可 以用来确认同一突发脉冲其它比特的确切位置，是接收端进行信道估计中重要参 数。值得注意的是，它在普通突发脉冲序列可分为8 种，但在接入突发脉冲和同 步突发脉冲序列是固定的而并不随着小区的不同而不同。 4 、保护间隔( g u a r dp e r i o d ) ：它是一个空白空间，由于每个载频最多同时承 载8 个用户，因此必须保证各自的时隙发射时不相互重叠，尽管使用了定时提前 技术，但来自不同移动台的突发脉冲序列仍会有小的滑动，因而就采用了保护间 隔让发射机在g s m 规范许可的范围内上下波动。 1 超高帧= 2 0 1 8 超帧= 2 7 1 5 6 4 8 t d m a 帧( 3 h2 8 m i n5 3 s7 6 0 m s ) 图2 2t d m a 帧结构 下面介绍与本文有关的普通突发脉冲序列( n b ) 的结构和内容( 如图2 3 ) 。 第二章g s m e d g e 系统的无线接口 n b 有2 个5 8 比特的分组用于消息字段，具体的说有两个的5 7 比特用于消 息字段来发送用户数据或话音再加上2 个偷帧标志位，它用于表述所传的是业务 消息还是信令消息，如用来区分t c h 和f a c c h 。当t c h 信道需用做f a c c h 信 道来传送信令时，它所使用的8 个半突发脉冲相应的偷帧标志须置1 ，在t c h 以 外的信道上没有什么用处但可被认为是训练序列的扩展，总是置为1 的。它还包 括两个3 比特的尾位及8 2 5 比特的保护间隔。n b 的训练序列( t s c ) 总共有2 6 个比特，这种训练序列共有八种( 该八种序列的相关联性最小) ，它们分别和不同的 基站色码( b c c ，3 比特) 相对应，目的是用来区分使用同一频点的两个小区。 e d g e 中由于采用8 p s k 的调制方式，一个调制符号包含了3 比特的信息， 所以8 p s k 的n b 长度是g m s k 调制时n b 的3 倍，即信息为2 个5 8 3 比特的 信息。训练序列也是把g m s k 的t s c 每1 比特扩展为3 比特，长度变为2 6 x 3 比 特，对应有八种。其脉冲结构同图2 3 ，只是每一比特块长度变为原来的3 倍。 囫t a i lb i t _ d a t a 圈t s c 圜g u a r d b i t 图2 3 普通突发脉冲序列 2 3 移动台与基站的时间调整 移动台收发信号要求有3 个时隙的间隔，这是由于移动台是利用同一频率合 成器来进行发射和接收的，因而在接收和发送信号之间应有一定的间隔。从基站 的角度上来看，上行链路的编排方式可由下行链路的编排方式延迟3 个突发脉冲 获得，这3 个突发脉冲的延时对于g s m 网络是个常数。 时间调整问题与传播有关，当空中接口采用t d m a 方式时，基站b t s 中的 接收机是按时隙分配给不同移动用户的，即移动台必须在指定的时隙内发送信息， 其他时间此用户必须保持静止( 不发送) 状态，否则将对使用同一载频的其他移 动台造成干扰。在时间上各移动台保持严格关系，但它们距基站的距离不等，距 离远的，电波传播时间长，信号到达接收基站的时间错后，必须让该移动台提前 发送信号，才能使各移动台在基站的时隙中各就各位。在呼叫进行期间，基站要 监视呼叫到达基站的时间，并向移动台发出指令，使其定时提前，即发送时间提 前。 时间提前量值可以由0 2 3 3 u s ，该值会影响到小区的无线覆盖。g s m 小区的 无线覆盖半径最大可以达到3 5 k i n ，这个限制值是由于g s m 定时提前的编码是在 0 6 3 之间【9 】。 第三章上行链路系统研究及实现 1 3 第三章上行链路系统研究及实现 3 1 信道编译码及交织技术 信道编码的目的在于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影 响。其基本方法是按照某种约定在用户数据上附加一些冗余信息，在接收端利用 这些冗余信息检测误码并尽可能地纠正错误。在g s m 无线蜂窝移动通信系统中， 为了提高通信性能，差错控制编码采用的是循环分组码与卷积码相级联的级联码。 在编码端，先对数据进行循环分组码编码，然后再进行卷积编码；在解码端，则 以相反的顺序进行译码，即先进行卷积码的译码，再进行分组码的译码。由于这 个顺序关系，人们把卷积编码称为内编码( 简称内码) ，而把分组码编码称为外编 码( 简称外码) 。g s m 0 5 0 3 给出了信道编码规范，并在外码和内码之间插入尾比 特o 以改善编码性能，最后为对抗突发干扰造成的连续误码并进一步提高编码增 益，在上述两种编码的基础上还采用了交织。信道编译码框图见图3 1 。 图3 1 信道编译码框图 分组码主要包括简单的奇偶校验码和f i r e 码。奇偶校验码用于差错检测，f i r e 码用于“突发性 差错( 即成群的差错) 的检测和纠正，它被级联用于卷积码之 后，因为卷积码的残余差错通常成组出现。卷积码只用于差错纠正，可以有效的 纠正随机错误。 根据g s m 协议0 5 0 3 中所描述的各逻辑信道的编码方法，对于绝大多数信道 而言，编码可按如下四个步骤来完成： 外编码( 分组编码- - b l o c ke o c l i n g ) ：( du ) d ( k ) ：进行外编码的输入数据； u ( k ) ：外编码输出数据 内编码( 卷积编码- - e o n v o l u t i o n a lc o d i n g ) ：( uc ) 基于m c $ - 9 的g s m e d g e 系统物理层算法实现 u ( k ) ：进行内编码的输入数据； c ( k ) ：内编码输出数据 交织：( c j ) c ( k ) ：需要进行交织的数据： i ( b ，k ) ：交织块序列，每一块1 1 4 比特 形成b u r s t ：( l e ) i ( b ，k ) ：交织序列，每一块1 1 4 比特； e ( b k ) ：填充了偷帧比特的交织序列，每一块1 1 6 比特 根据协议要求e d g e 要实现m c s i m c s 9 共9 种方案的数据业务编解码，每 种编解码的输入数据比特数不同。本文只对上行链路进行仿真实现，对应的数据 组成结构如图3 2 。 图3 2 上行数据组成结构 按照编程的方便将编码分为3 大类，每类中的每种编码方案仅为数据比特的 不同，三类为：m c s i m c s 4 为第一类，m c s 5 m c s 6 为第二类，m c s 7 一m c s 9 为 第三类埘。每类中分选一种编码方法图示如下： ，b h 图3 3m c s i 的编码凿孔图 第三章上行链路系统研究及实现 日 b h4 6 8 h b 1 3 9 2b i t s 图3 4m c s 5 的编码凿孔冒 4 56 1 2 撼 国3 5m c $ 9 的编码凿孔图 输入到编码模块的数据分为3 部分，u s f 为3 b i t ：h e a d e r 不同的编码方案数 据比特数不同，三种格式分别应用在m c s i m c s 4 ，m c s 5 州c s 6 ，m c s 7 m c s 9 ， 该部分具有很强的保护能，独立编码，h c s 为其8 b i t 分组编码后的校验序列；d a t a 不同的编码方案数据比特数不同，在m c s 7 一m c s 9 ，数据也分为两部分分别编 码，凿孔，b c s 为其1 2 b i t 分组编码后的校验序列，t b 为其6 b i t 尾比特。 本文的研究对象是m c s 9 编码调制方式，故只介绍第三类的信道编码，更多 的资料可以参考3 g p p 协议的0 5 0 3 规范l 。 m c s 5 - m c s 9 编码过程大致分为如下几步： 1 6 基于m c s 9 的g s m e d g e 系统物理层算法实现 1 u s f 预编码 d u ( k ) ：u s f 输入数据 u u ( k ) ：u s f 预编码输出数据 2 外编码( 分组编码- - b l o c kc o d i n g ) ： d h ( k ) - 进行外编码的h e a d e r 输入数据； u h ( k ) ：h e a d e r 外编码输出数据 d d ( k ) ：进行外编码的d a t a 输入数据； u d 依) ：d a t a 外编码输出数据 3 内编码( 卷积编码- - c o n v o l u t i o n a lc o d i n g ( 处理过程包括打孔) ) ： u n ( k ) ：进行内编码的h e a d e r 输入数据； h c ( k ) ：h e a d e r 内编码输出数据 u d ：进行内编码的d a t a 输入数据； h d ：d a t a 内编码输出数据 4 数据交织映射 将数据单元u u ( k ) ，h c ( k ) ，h d ( k ) 和偷帧比特组合成e ( b j ) 单元，b = 0 3 ， 每个e 单元3 4 8 比特。在组合过程中h c ( k ) ，h d ( k ) 分别进行交织。组合好后每 个e 单元中的部分比特进行互换。 5 形成b u r s t 根据协议形成4 个b u r s t ，每个b u r s t 中每部分的数据均为m c s l m c s 4 的3 倍，因为这里的调制方式为8 p s k 方式。 3 。1 1 分组码的编译码 3 1 1 1 分组码的编码 以下简单介绍分组码原理【1 2 1 。 一个( 毛聆) 线性分组码是由一组k 位的信息经过编码器变成为一组1 位的生成 码组。设信息比特为( i n k - l ，m k - 1 ，m l ，m o ) ，则信息多项式： = 一i x h + 他一2 x 七- 2 + + 强工1 + p ( 3 1 ) 分组码的生成多项式为：g ，是，z k 维多项式；分组码的校验位多项式为： 删，是刀k 维多项式；最后得到的生成码组为：a ，是以维多项式。在d c l 8 0 0 中，采用的是循环码中的系统码编码方法，即： c ( 工) = m ( x ) x ”一+ ，( z )( 3 2 ) 而且要求c 除以g 得到的余式为工胁一+ 工”扣24 - - + x 1 + l 。根据编码理论， 第三章上行链路系统研究及实现 1 7 得到： ，( 工) 童m ( x ) x 肛( m o dg ( x ) )( 3 3 ) 所以，只要让m ( x ) x ”通过一个g 的除法电路，将得到的余式取反即可得 到分组码的校验位多项式删。 编码电路：设g ( x ) = g r x 7 + 毋一l x ”1 + + 岛z + 醌，r = n - k ，编码电路如图3 6 所 示： 图3 6 系统循环码的编码电路 3 1 1 2 分组码的译码 原理：基偶校验码主要是为了检错之用。由编码原理可知：c 能够整除酬 因此译码是让接收码字经过一个g 的除法电路，若余式为0 则认为未出错；若 余式不为0 ，则认为有错。当校验位较长时，也可进行纠错。由于是系统码，信息 位在前，冗余位在后。因此可取前若干位即可得到信息位。 译码电路与上面的编码电路相同，只是输入的数据应包含编码时的奇偶校验 位。校验结果与0 比较，为o 则正确。 3 1 2 卷积码的编译码 在无线通信系统中，卷积码是被优先采用的信道编码方法。作为一种比特级 的编码方法，卷积码与r s 码等分组码相比有以下几个优点【1 2 】： 1 ) 利用软判决数据，卷积码系统的性能表现出随着信噪比的降低而逐渐下降的 “优雅 特性；分组码则存在一个门限效应，当信噪比下降到某一个门限值之 后，系统性能会急剧下降。 2 ) 卷积码的译码可以在收到一个任意长度的数据段之后进行，而分组码必须在收 满一个完整的数据块之后才能开始译码。 3 ) 卷积码不要求有块同步，而分组码必须有块同步。 当然，卷积码不能抵