（通信与信息系统专业论文）gsm侦听器的设计与实现.pdf

一 白名单一存贮已分配给可参与运营的g s m 各国的所有设备识别标识i m e i 。2 黑名单一存贮所有应被禁用的设备识别标识i m e i 。3 灰名单一存贮有故障的以及 未经型号认证的设备识别标识i m e i ，由网路运营者决定。 ( 8 ) 操作维护中心( o m c ) ：o m c 中的各功能实体。依据厂家的实现方式可 分为o m c r ( 无线子系统的操作维护中心) 和o m c s ( 交换子系统的操作维护 中心) 。 3 2g s m 系统的信道 3 2 1 物理信道 g s m 系统采用频分多址接入( f d m a ) 和时分多址接入( t d m a ) 混合技术， 具有较高的频带利用率。f d m a 就是说在g s m 9 0 0 频段的上行8 9 0 9 1 5 m h z 或下 行9 3 5 9 6 0 m h z 频率范围内分配了1 2 4 个载波频率，即载频。各个载频之间的间 隔是2 0 0 k h z 上行与下行载频是成对的，即是所谓的f d d 双工通信方式。双工 收发载频对的间隔是4 5 m h z ( 这时为了抑制小区内的上下行干扰) 。t d m a 是说 在g s m 9 0 0 的每个载频上按时间分为8 个时间段，即8 个时隙，这样的每个时隙 就是一个物理信道。 个载频上联系的8 个时隙组成一个t d m a 帧，也就是说 g s m 系统的每一个载频可提供8 个物理信道。 为了更好地理解目前我国正在广泛使用的g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 的频率配置 r 3 1 情况，下面给我国g s m 技术体制对频率配置所做的规定一。 ( 1 ) 工作频段 g s m 网络采用9 0 0 1 8 0 0 m h z 频段，其中g s m 9 0 0 中8 9 0 9 1 5 m h z 频段用于上 行，9 3 5 9 6 0 m h z 频段用于下行；g s m l 8 0 0 中1 7 1 0 1 7 8 5 m h z 频段用于上行， 18 0 5 18 8 0 m h z 频段用于下行。 ( 2 ) 频道间隔 相邻频道间隔2 0 0 k h z 。每个频道采用t d m a 方式分为8 个时隙，即为8 个物 北京邮l u 人学顾f j 学位论义 理信道。 ( 3 ) 双工收发问隔 在9 0 0 m h z 频段，双工收发间隔为4 5 m h z ；在1 8 0 0 m h z 频段，双工收发i 日j 隔 为9 5 m h z 。 ( 4 ) 频道配置 采用等间隔频道配置方法。 在9 0 0 m h z 频段，频道序号为1 1 2 4 ，共1 2 4 个频道。频道序号与频道标称中 心频率的关系为 上行： z ( 疗) = 8 9 0 2 m h z + ( n 一1 ) 宰0 2 m h z 下行： z ( ，1 ) = f 。( n ) + 4 5 m h z 其中n = l 1 2 4 。 在1 8 0 0 m h z 频段，频道序号为5 1 2 8 8 5 ，共3 7 4 个频道。频道序号与频道标称 中心频率的关系为 上行： z ( ，z ) = 1 7 1 0 2 m h z + ( n - 5 1 2 ) 宰0 2 m h z 式( 3 - 3 ) 下行： 乃( 疗) = z ( n ) + 4 5 m h z 其中n = 5 1 2 8 8 5 。 式( 3 - 4 ) g s m 网络采用9 0 0 1 8 0 0 m h z 频段，其中g s m 9 0 0 中8 9 0 9 1 5 m h z 频段用于上 行，9 3 5 。9 6 0 m h z 频段用于下行；g s m l 8 0 0 中1 7 1 0 1 7 8 5 m h z 频段用于上行， 18 0 5 18 8 0 m h z 频段用于下行。 ( 5 ) 频率复用方式【4 】 一般建议在建网初期使用4 * 3 的复用方式，i i j n = 4 ，采用定向天线，每个基 站用3 个1 2 0 度方向性天线构成3 个扇形小区。业务量较大的地区，根据设备的能 力采用其他复用的方式，女h 3 3 、2 * 6 、1 3 复用方式等。若采用全向天线，建议 采用n = 7 的复用方式，为便于频率协调，其7 组频率可从4 * 3 复用方式所分的1 2 组 中任选7 组，频率不够用的小区可以从剩余频率组借用频道，但相邻频率组尽量 不在相邻小区使用。在话务密度高的地区，应根据需要适当采用新技术提高频谱 利用率。可采用的技术主要有：同心圆小区覆盖技术、智能双层网技术、微蜂窝 技术等。 1 2 北京邮i u 人学颂l j 学位论文 ( 6 ) 保护频带 保护频带设置的原则是确保数字蜂窝移动通信系统能满足上面所述的干扰 保护比要求。 当一个地方g s m 9 0 0 系统与模拟蜂窝移动电话系统共存时，两系统之间( 频 道中心频率之间) 应保留4 0 0 k h z 的保护带宽。 当一个地方g s m l 8 0 0 系统与其他无线电系统的频率相邻时，也应留出足够 的保护频带。 3 2 2 逻辑信道 上小节所说t d m a 帧每个时隙就是一个物理信道，每个物理信道传输的内容 就是逻辑信道。逻辑信道是指依据移动网通信的需要，为传送的各种控制信令和 话音或数据业务在各个时隙所分配的控制逻辑信道或话音、数据逻辑信道。 逻辑信道按功能分为控制信道和业务信道两大类【5 1 。控制信道主要用来传送 各种控制信令，业务信道用来传送话音和数据业务。图3 2 即为g s m 的各种逻辑 信道。 ( 1 ) 业务信道( t c h ) 图3 - 2g s m 逻辑信道结构 1 3 北京邮1 1 1 人学硕i j 学位论文 话音业务信道按速率的不同，可分为全速率话音业务信道( t c h f s ) 、半 速率话音业务信道( t c h h s ) 以及增强全速率业务信道。 同样，数据业务信道按速率的不同，也分为全速率数据业务信道( 如 t c h f 9 6 ，t c h f 4 8 ，t c h f 2 4 ) 和半速率数据业务信道( 如 t c h h 4 8 ，t c h h 2 4 ) ( 这里的数字9 6 ，4 8 和2 4 表示数据速率，单位为k b s ) 。 ( 2 ) 控制信道( c c h ) 控制信道分为三类： 1 ) 广播控制信道组( b c c hg r o u p ) 是一种“一点对多点”的单方向控制信道， 用于基站向所有移动台广播公用信息。传输的内容是移动台入网和呼叫建立所需 要的各种信息。其中又分为： a 、频率校正信道( f c c h ) ：传输供移动台校正其工作频率的信息； b 、同步信道( s c h ) ：传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息； 包括t d m a 帧号以及b t s 识别码； c 、广播控制信道( b c c h ) ：传输通用信息，包括本小区和相邻小区的信 息以及基站信息等。 2 ) 公共控制信道组( c c c hg r o u p ) 是一种“一点对多点”的双向控制信道， 其用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息。其中又分 为： a 、寻呼信道( p c h ) ：传输基站寻呼移动台的信息，是下行信道； b 、随机接入信道( r a c h ) ：m s 随机接入网络时用此信道向基站发送信息。 发送的信息包括：对基站寻呼信息的应答、m s 始呼时的接入等，是上行信道； c 、准许接入信道( a g c h ) ：基站在呼叫接续丌始时，向移动台发送分配 专用控制信道的信令，是下行信道。 d 、小区广播信道( c b c h ) ：这是一个临时的逻辑信道。 3 ) 专用控制信道组( d c c hg r o u p ) 是一种“点对点”的双向控制信道，其用 途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中，在移动台和基站之l 日j 传输必需的控制信 息。其中又分为： a 、独立专用控制信道( s d c c h ) ：传输移动台和基站连接和信道分配的信 令： 1 4 北京邮电人学硕j ：学位论文 b 、慢速辅助控制信道( s a c c h ) ：在移动台和基站之问，周期地传输一些 特定的信息，如功率调整、帧调整和测量数据等信息；s a c c h 是安排在业务信 道和有关的控制信道中，以复接方式传输信息。安排在业务信道时，以s a c c h t 表示，安排在控制信道时，以s a c c h c 表示，s a c c h 常与s d c c h 联合使用。 c 、快速辅助控制信道( f a c c h ) ：传送与s d c c h 相同的信息。使用时要 中断业务信息( 4 帧) ，把f a c c h 插入，不过，只有在没有分配s d c c h 的情 况下，才使用这种控制信道。这种控制信道的传输速率较快，每次占用4 帧时间， 大约1 8 5 m s 。 3 2 3 逻辑信道到物理信道的映射 由前面的介绍可知，g s m 系统逻辑信道数量已经超过了g s m 一个载波所提 供的8 个物理信道，因此无法把每一个逻辑信道都配置一个物理信道。所以这样 逻辑信道与物理信道一一对应的映射方法是不可行的。解决这一问题的方法是， 将公共控制信道复用，即在一个或两个物理信道上复用公共控制信道。 g s m 系统按照下面的方法建立物理信道和逻辑信道之间的映射的。 一个基站有n 个载频，每个载频8 个时隙。我们仅用一个载波( 具体来说就 是b c c h 载波，每个小区必然有一个b c c h 载波) 的时隙0 来承载b c c hg r o u p 和c c c hg r o u p 的逻辑信道。这样就用一个物理信道承载了b c c h 、f c c h 、s c h 、 p c h 、a g c h 、r a c h 以及c b c h 逻辑信道，而本设计所关注的就是这些公共控 制信道，至于其他逻辑信道到物理信道的映射，限篇幅所限，不再列出，有兴趣 者可以查阅参考文献 1 】 3 3g s m 系统的时隙及复帧结构 上一节我们论述了g s m 的信道，本节将在此基础上介绍g s m 的时隙帧结构， g s m 的时隙帧结构有5 个层次，即时隙、t d m a 帧、复帧、超帧和超高帧【5 】。 具体结构见图3 3 ，时隙是物理信道的基本单元。t d m a 帧有8 个时隙组成， 是占据频道带宽的基本单元。即每个载频有8 个时隙。 复帧有两种类型，2 6 个t d m a 帧组成的复帧用于承载t c h 、s a c c h 和 f a c c h ；5 1 个t d m a 帧组成的复帧用于承载上节所说的广播控制信道组和公共 控制信道组。 北京l l l j i 乜人学硕i ：学化论义 | 7i 鹄l4 9i 靳 图3 - 3g s m 系统分级帧结构 鉴于本文着重介绍的是广播控制信道组，在这里主要讨论一下5 1 控制复帧 结构，如图2 4 所示。图中第一排从左到右帧号依次是o 到9 ，第二排序号是 1 0 - - 1 9 ，依次类推，第5 0 帧是i d l e 帧，没有任何信息，只是5 l 复帧结束的标志。 需要注意的是：图中标出的各逻辑信道只是占用了5 l 复帧中每一帧的时隙0 ， 即第一个时隙；还有就是每个小区的b c c h 载波用于承载5 1 控制复帧。 超帧是由5 1 个2 6 复帧或2 6 个5 l 复帧组成。超高帧有2 0 4 8 个超帧。在g s m 系统中，超高帧的周期是与加密和调频有关的，每经过一个超高帧的周期，即循 环长度是2 7 1 5 6 4 8 ，相当于3 小时2 8 分钟5 3 秒7 6 0 毫秒，系统将重新启动密码 及调频算法。 f sb bb bcccc fscccccccc fscccccccc f sc cc c c ccc f sc cc c cccc i 滓：图中f 楷f c c h s 指s c h b 指r c c h c 楷 c c c h 组，i 指i d l e 帧，作为复帧结束的标志，不 承载任何信息。 图3 _ 45 l 控制复帧结构 1 6 ， t d m a 信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。即突发脉冲是以 不同的信息格式携带不同逻辑信道的信息，在一个时隙中传输由1 0 0 多个调制比 特组成的脉冲序列。因此可以将突发脉冲看成是逻辑信道在物理信道传输的载 体。根据逻辑信道不同，突发脉冲共有五种类型5 1 。 ( 1 ) 普通突发脉冲序列( n b ，n o r m a lb u r s t ) ：用于携带t c h 及除r a c h a ， s c h 和f c c h 以外的控制信道上的信息，如图2 5 所示，“5 7 个加密比特”是客 户数据或话音，再加“1 ”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f a c c h 信令借用。“2 6 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) 。 t b ”尾比特总是0 0 0 帮助均衡器判断起 始位和终止位。“g p ”保护间隔，8 2 5 个比特( 相当于大约3 0 m s ) ，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叠。尽 管使用了时间调整方案，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 2 5 个比特的保护可使发射机在g s m 建议许可范围内上下波动。 t bl 加密比特i li 训练序列lll 加密比特1t b g p 3 5 7 i i 2 6 1 5 73 8 2 5 图3 5 普通突发脉冲序列 ( 2 ) 频率校正突发脉冲序列( f b ，f r e q u e n c yc o r r e c t i o nb u r s t ) ：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f c c h ， 见图2 5 。图中“固定比特”全部是0 ，使调制器发送一个未调载波。t b ”和“g p ” 同普通突发脉冲序列中的t b ”和“g p ”。 图3 - 6 频率校正突发脉冲序列 ( 3 ) 同步突发脉冲序列( s b ，s y n c h r o n i z a t i o nb u r s t ) ：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t d m a 帧号和基站识别码 ( b s i c ) 信息。这种突发脉冲序列的重复称为s c h 。 1 7 北京邮i 【1 人学硕i j 学位论文 t b加密比特 3 一 3 9 训练序列加密比特t b g p “ 一3 9 一3 8 2 5 一 图3 7 同步突发脉冲序列 ( 4 ) 接入突发脉冲序列( a b ，a c c e s sb u r s t ) ：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b t s ) 后不知道 时间提前量而设置的。移动台可能远离b t s ，这意味着初始突发脉冲序列会迟一 些到达b t s ，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。 图3 - 8 接入突发脉冲序列 ( 5 ) 空闲突发脉冲序列( d b ，d u m m yb u r s t ) ：此突发脉冲序列在某些情况 下由b t s 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特模型的混合比特。 t b 固定比特j 训练序列；1 固定比特；t b g p 3 5 7 2 6 5 7 3 8 2 5 图3 - 9 空闲突发脉冲序列 3 5g s m 系统调制与信道编码 3 5 1g m s k 调制 1 9 7 9 年由日本国际电报电话公司提出的g m s k 调制方式。有较好的功 率频谱特性，较优的误码性能，特别是带外辐射小，很适用于工作在v h f 和u h f 频段的移动通信系统，越来越引起人们的关注。g m s k 调制方式的 理论研究已较成熟，实际应用却还不多，主要是由于高斯滤波器的设计和 制作在工程上还有一定的困难。 一数 图3 1 0g m s k 信号的产生 1 8 m s k 僻蟹- 北京邮l 【i 人学坝l j 学位论文 调制前高斯滤波的最小频移键控简称g m s k ，基本的工作原理是将基带 信号先经过高斯滤波器成形，再进行最小频移键控( m s k ) 调制( 见图3 1 0 ) 。 由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此频谱特性优于m s k 信号的频谱特性。 r 6 1 g s m 的调制方式是0 3 g m s k 。0 3 表示了高斯滤波器的带宽和比特率之间 的关系。g s m k 是一种特殊的数字调频方式，它通过在载波频率上增加或者减少 6 7 7 0 8 k h z ，来表示0 或1 ，利用两个不同的频率来表示0 和l 的调制方法称为 f s k 。在g s m 中，数据的比特率被选择为正好是频偏的4 倍，这可以减小频谱的 扩散，增加信道的有效性，比特率为频偏4 倍的f s k ，称为m s k 最小频移键控。 通过高斯预调制滤波器，可以进一步压缩调制频谱。高斯滤波器降低了频率变化 的速度，防止信号能量扩散到邻近信道频谱。 0 3g s m k 并不是一个相位调制，信息并不是像q p s k 那样，由绝对的相位来 表示。它是通过频率的偏移或者相位的变化来传送信息的。有时把g m s k 画在 i q 平面图上是非常有用的。如果没有高斯滤波器，m s k 将用一个比载波高 6 7 7 0 8 k h z 的信号来表示一个待定的脉冲串1 。如果载波的频率被作为一个静止 的参考相位，我们就会看到一个6 7 7 0 8 k h z 的信号在i q 平面上稳定地增长相位， 它每秒种将旋转6 7 ，7 0 8 次。在每一个比特周期，相位将变化9 0 0 。一个1 将由 9 0 0 的相位增长表示，两个1 将引起1 8 0 0 的相位增长，三个1 将引起2 7 0 0 的相位 增长，如此等等。同样地，连续的0 也将引起相应的相位变化，只是方向相反而 已。高斯滤波器的加入并没有影响0 和l 的9 0 0 相位增减变化，因为它没有改变 比特率和频偏之间的四倍关系，所以不会影响平均相位的相对关系，只是降低了 相位变化时的速率。在使用高斯滤波器时，相位的方向变换将会变缓，但可以通 过更高的峰值速度来进行相位补偿。如果没有高斯滤波器，将会有相位的突变， 但相位的移动速度是一致的。 3 5 2 信道编码 信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响。信 道编码的基本方法是在原始数据的基础上附加一些冗余信息。增加的数据比特是 通过某种约定从原始数据经计算产生的，发送端则将原始数据和增加的数据比特 一起发送，这就是所谓的信道编码。接收端的译码过程是利用这些冗余信息检测 误码并尽可能地纠正错误。如果收到的数据经过同样的计算得到的冗余与收到的 不一致时，就可以确定传输有误。根据传输模式不同，在无线传输中使用不同的 码型。实际上，大多数情况下是把几种编码方式组合在一起应用，最终的冗余码 1 9 北京邮i u 人学硕i j 学位论文 是多种编码的混合结果。 g s m 系统中使用的编码方式嘿 块卷积码：主要用于纠错。当编码器采用最大似然估计方法时，可以产 生很好的纠错效果。 循环纠错码：它是利用除法及余数的原理来作错误侦测( e r r o r d e t e c t i n g ) 的。实际应用时，发送装置计算出c r c 值并随数据一同 发送给接收装置，接收装置对收到的数据重新计算c r c 并与收到的 c r c 相比较，若两个c r c 值不同，则说明数据通讯出现错误。通常 与卷积码组合使用。 奇偶码：最简单的检错方法，对一段码字追加一个奇偶校验值。接 收端同样对这段码字做奇偶验证，以确定传输中是否出错。 2 0 北京l | | i ：i u 人学硕i j 学位论文 第四章g s m 侦听器的逻辑设计 介绍了g s m 系统的结构及物理层概念之后，本章将从g s m 下行广播信息 接收机的角度探讨侦听器的工作方法，进而给出侦听器的总体设计框架。 4 1 侦听器工作模式 由于本课题所实现的g s m 侦听器主要的任务是完成是g s m 下行广播信息的 接收并且要不断地进行频率偏移估计进而训练本地晶振。因此可以想象，当其开 始工作时，首先是进行g s m 全频段的小区搜索，进而锁定其所在小区，当完成 对所在基站的同步之后，跟踪b c c h 广播信道，解析广播信息，发送给其用户； 另外还要在同步的过程中要把得到的频偏信息报告上层。 而作者在进行设计时，就是基于这样的思考，把侦听器的工作模式分为：小 区搜索模式、小区捕获模式( 进行同步，定位f c c h 帧头等) 、小区跟踪模式。 而这些工作模式之间的调度由a p i 模块来控制，a p i 模块作为一个状态机，接受 上层( 链路层) 发来的请求，把当前状态( 代表了当前侦听器的工作状态) ，转 化到下一个状态。 根据需求，将a p i 的状态确定为i d l e ( 代表侦听器空闲状态) 、m e a s u r e ( 小 区搜索状态) 、a c q u i s i t i o n ( 小区捕获状态) 、t r a c k i n g ( 小区跟踪状态) 。其具体 的工作方式及工作内容见表4 1 ： 表4 1g s m 侦听器工作机制 a p i 状态对应的侦听器物理层的工作 i d l e侦听器处理空闲状态，刚丌机时，侦听器必然处于这一状态。 m e a s u r e当前侦听器对整个g s m 系统的全部b c c h 载波进行全扫描，并把每 个载波的功率报告给a p i ，通过对这些载波的功率进行排列，找出 功率最大的一个载波，即认为该载波为当前所处基站的b c c h 载波。 这样就完成了小区搜索过程。 a c q u i s i t i o n 在该状态下，侦听器不断地捕获f cb u r s t ，即定位f c c h 帧的帧头， 进而进行频率同步和符号同步，同步完成以后还要对s c h 军i b c c h ( 如果有) 进行解码。 t r a c k i n g这是侦听器稳定工作的状念，跟踪当前基站，不断解析广播信息并 2 l 图4 1a p i 状态机 图中描述的状态之间转化的条件由上层发给a p i 模块。而具体来说三种工作 模式 撇a p i 过程如图4 - 2 、图4 - 3 、图4 4 所示，图e p h o s ta p p l i c a t i o n 代表上层， g s md lr e c e i v e r 代表物理层处理单元。a p i 模块在硬件实现时占用一个m e m 2 类 型的a e 。而本课题的主要工作就是g s md lr e c e i v e r 的设计。 v e s i g n a l p o w v e s i g n a l p o w 图4 - 2 小区搜索模式a p i q ：作过程 囹 印一 蒜一 北京l | f | j i u 人学硕l ：学位论文 一+ 一_ 。_ 。 s ta p p l i c a t i o n l 删裂罢 。r-一一一i 一 一，一一一一一。r ” 厂一一1a c q u i s i t i o n ；h 吼仇em ? s ! ? 唑_ s y s n c c h h r o d n e i z a d t i o e n ，l 1 f r e q o f f s e t ! _ a m e = o _ _ f f s e t , _ s c h c r cr e s u l t 。1 1 s t o r e 一。 j u d g e s c h c r c i f ： f a i l 一一c o n t r o lm e s s a g e st os u bb l o c k so fp h y s i c a l 1 奄s tt h e 彳n e s s a g ep o r t , i fh a sg e tr e s u l t i i l 口th a c q u i s i t i o n g e t g s m c e l l s e a r c h r e s u l t s。一 s y n c h r o n i z a t i o n 。 i o a da l i s c hd e c o d e r e s u l t s 卜咖即i 垤s i g n a i p o 懈1 呐。胁，t i m e o f f s e t , s c hc r cr e s u l t i j u d g ，f ；k i 鲁队i _ 乒s ：宝爿n 冉宴t n 冀h 。l n f 殳n fn h v 譬i r ：a i 一l 一一一。r ，一 r l - l ；o ； n 、- 。j 、。1 ”， f r e q o f f s e t t i m e o f f s e t , s c hc r cr e s u l t h i , u i e j u d g e s c h c r c ，i f e ，r k e 一一一 、- l l ， - ：- l ：l 。t f s tt 唧”ep o r t , a n d 咧嗽m 9 1 = t _ d o q o r r e s p o n d i n g p r o c e s s 赢g ，：c hd e c o d e f f e o o f f s e tt i m e o f f s e t s c hc r c r e s , u l t r - s 腓，铂m w - i u u im e s s a g e st os u db l o c k so tp n y s i c a l 一一l a y e r ( t r a c k i n g ) 一一一 f r e q o f f s e t 。t i m e o f f s e t , s c hc r c r e s u l t t “, ) l u i t ；，饥 m e l - - - - - - n u m b e re o r t r o lm e s s a g e st os u bb l o c k so fp h y s i c a l i 一 二一l a y e r ( t r a d d n g ) t e s tt h em e s s a g ep o r t 【 t r a c k i n g s c hd e c o d e s t o p g s m c e l l s e a r c h 一1 一。一。一。 g e n e n c r e s p o n s 哆f r e q o f f s e t , t i m e o f f s e t 。s c hc r cr e s u l t 1- a b a n d 一 ur e s l f r a m en u m 姨舯t r o i 一 ) ， 图小区捕获模式a p i 工作过程 h o s ta 图4 4 小区跟踪模式a p i t 作过程 4 2g s m 侦听器的整体设计 基于第一节所述侦听器的工作机制以及a p i 的介绍，我们侦听器的整体逻辑 设计如图4 5 ： 2 4 北京邮i 乜人学f 哆! l j 学位论义 图4 5g s m 侦听器逻辑结构 该设计q hg s md lr e c e i v e r 包括g s m d r s w i t c h 、g s m d r m e a s u r e 、g s m d r a c q 、 g s m d r f t s y n 、g s m d r b u r s t 、g s m d r b l o c k 六个大的模块，各个模块的功能介 绍如下： 4 2 1g s m d r s w i t c h 充当一个数据流开关，进行数据流向选择，受a p i 模块控制，一般地，当上 层开始小区搜索时a p i 会进入小区搜索状态，这时它发控制给g s m d r s w i t c h ， g s m d r s w i t c h 来选择数据流向g s m d r m e a s u r e 来做测量。测量结束后，侦听器将 定位到当前小区基站进行广播数据解析，这时g s m d r s w i t c h 将控制数据流向数据 通路。在p i c o a r r a y 上，该模块由一个s t a n 2 类型的a e 实现。 北京邮l 也人学硕i j 学位论文 4 2 2g s m d r m e a s u r e 该模块测量接收的当前b c c h 载波的信号功率，并且每隔一定的帧数就向 a p i 报告当前功率( 以d b 为单位) 。具体设计方案如图4 _ 6 。由图可以看出该模块 由2 个s t a n 2 类型的a e 实现。 十 m s o u t 图铴g s m d r m e a s u r e 结构 其中信号值从d a t a i n 端口输入，c t r l l n 端口输入一些来自于a p i 模块的控制信 息，包括测量长度，以帧为单位( 假设测量长度为5 帧，贝, l j g s m d r m e a s u r e 以5 帧长的数据为单位计算平均功率，并每隔5 帧向a p i 报告此功率值) 。r e s o u t 作为 输出端1 2 1 向a p i 报告测量结果。g s m d r l o g 模块把信号的功率变为d b 值， g s m d r p o w e r m e a s u r e m a c 模块实现与g s m d r l o g j ( 莫块的交互以及功率值的计算。 4 2 3g s m d r a c q 根据g s m 广播信道的复帧结构，我们知道每个复帧有5 个f c c h 帧( 频率校 正帧) ，f c c h 帧的第一个时隙是f b ( 频率校正突发) ，根据f b 数据全为0 的特 点，我们可以大致确定f b 的起始位置，即实现粗略的帧同步。 同时该模块还要负责筛选把f c c h 、s c h 、b c c h 时隙0 的数据送给 g s m d r f t s y n 模块。 g s m d r a c q 模块的设计方法对整个模块的设计起决定作用，因为它是整个数 据处理链路的起点，而本设计的方法是以每个f c c h 帧为每一轮处理的标志，也 就是蜕每一轮都要把筛选出f c c h 、s c h 、b c c h 时隙0 的数据送给g s m d r f t s y n 模块。本模块的设计思路及实现是此次毕业设计的难点之一，我们将在第五章进 行详述。 北京i i l l l 也人学倾i ：学位论文 4 2 4g s m d r f t s y n 根据捕获的结果获得了大致的f b 的起始，就可以来估计每个符号上平均的 相位偏差，也就是估计出由于接受和发送端的晶振的不完全匹配导致的频差。根 据此频率偏差，我们可对接收到的数据序列进行就地频率偏移补偿。实现频率上 的同步。 根据g s m 的帧结构，每个f c c h 帧后紧跟一个s c h 帧，s c h 帧的第一个时隙 是s b ( 同步突发) ，可以根据s b 的特点完成符号级的同步。 而在具体实现的方法上，同样是每个f c c h 帧为一轮处理的标志，每一轮都 要使用频率校正突发做频偏估计进而作频偏补偿，接着用f c c h 帧紧接着的s c h 帧中的同步突发来确定符号偏移进而进行符号同步。 最终该模块把完成频率和符号同步的s c h 和b c c h 时隙0 ( 如果有) 的数据 送给g s m d r b u r s t 模块。 该部分同样将在第五章予以具体介绍。 4 2 5g s m d r b u r s t c h a i n 根据g s m d r f t s y n 输出的序列首先进行信道估计，而后进行均衡。最后根据 b c c h 和s c h 的不同的突发组装模式进行解突发变成数据块。并把数据向下送给 g s m d r b l o c k c h a i n 模块。该部分的详细设计方案见第六章。 4 2 6g s m d r b l o c k c h a i n 对各个解调过的数据块进行解码，这里主要涉及s c h 和b c c h 信道，把解码 后的数据连同错误信息一并汇报给a p i 。该部分将在第六章具体介绍。 北京邮i u 人学倾i j 学位论文 第五章同步过程的设计 本章是本论文的核心，主要涉及到上一章所提到的g s m d r a c q 和 g s m d r f t s y n 两大模块，本章就这两个模块的设计方案进行详细的介绍，并对所 用到的同步算法进行分析，最后给出了几个关键算法基于p i c o 加r a y 的硬件实现方 法。 5 1g s m d r a c q 模块的设计 5 1 1f l 丌算法实现捕获 该模块主要实现f c c h 帧的捕获，即确定f c 突发的大致起始位置。在设计时 充分利用了f c 突发的特点。因为f c 突发中数据为全“0 ，经过g m s k 调制后是频 率为r b 4 = 6 7 7 k h z 的正弦波( r b 是g s m 的码元速率，值为2 7 0 8 3 3 k ) ，有明显的 频率峰值，所以可以用f f t 的方法来检测证弦波的到达。 f 1 对输入的符号序列进行3 2 点f f t 运算一，窗长为3 2 。其中第9 个频点对应 最精确的2 7 0 3 2 * 8 = 6 7 k h z 。如果经f f t 运算后频点的峰值连续4 次出现在8 、 9 、1 0 点中的某个点( 实际中很难出现频偏在2 7 0 3 2 * 1 5 = 1 2 6 9 k h z 以上) 并且 此最大值高过门限( f - j 限我们设定为除去此三点，剩余2 9 点分量平均值的1 4 倍) ，我们就认为找到了f c c h 帧，并以其中第一次出现峰值的3 2 点作为f c c h 的帧头，这就完成了时间上的粗同步( 误差在正负3 1 个符号之内) 。 首先我们对f f t 算法实现捕获的可行性进行了仿真验证。第一种验证的方 法是对g s m 的d u m m y 突发数据用此算法进行捕获，主要就能验证错误捕获的 概率，对此模型搭建m a t l a b 平台，进行仿真，仿真条件是：发送端构造纯d u m m y 突发数据，进行信道编码，g m s k 调制，经过a w g n 信道( 考虑到g s m 侦听 器所工作的，接收到用此算法进行捕获。对于信道的信噪比的取值，因为实际情 况下接收信号的信噪比在9 d b 以上，仿真中我们选取的是o 到1 5 d b 。本文下面 的章节中所涉及到的仿真的信噪比均从0 d b 或3 d b 起始，取到1 5 d b 。结果如图 5 1 所示。 北京邮i u 人学硕i j 学位论文 图5 - 1f c c h 捕获错误率与s n r 关系 第二种要验证的是对正确的f c 突发进行捕获，用f f r 算法而漏掉该f c 突 发的情况，仿真条件及环境同上( 只是此时发送端发送的是f c 突发的数据) ， 结果见图5 2 。 謦 c a p l u t as k i p t a t s ( f a r l 0 0 0 0b l o c k ) ? 2 s n r ( d b ) 北京邮i 【1 人学顾i ：学位论文 图5 2 捕获时漏掉f c c h 概率与s n r 关系 考虑到我们设计的g s m 侦听器在捕获以后要进行解码，如果解码出错会重 新捕获，所以这样低的捕获错误概率完全可以接受，设计时我们就采取t f f t 算 法。 5 1 2g s m d r a c q 的逻辑设计 具体设计时，考虑到基于a p i 控制的灵活性，我们不但要求g s m d r a c q 模块 能实现捕获f c c h 侦听的功能，还要实现数据筛选的功能，因为捕获以后整个 g s m 侦听器关注的只是同步突发以及b c c h 帧的0 时隙，所以g s m d r a c q 模块要 把a d i 过来的数据进行筛选后，再送给下游的g s r l l d r f t s y i l 模块。 图5 - 3g s m d r a c q 的结构图 图5 3 即为设计的g s m d r a c q 模块，它包括g s m d r a c q f f t 、 g s m d r a c q f i f o 、g s m d r p e a k s e a r c h 、g s m d r a c q c t r l 和g s m d r s t o r e d a t a 五个小 模块。在p i c o a r r a y 上占用3 个s t a n 2 类型a e 、1 个m e m 2 类型a e 、1 个f a u 。 从结构上可明显看出数据被分成两个流向，上面一行的数据流定义为流一，把下 面的数据流定义为流二，这两个数据流是完全同步的。g s m d r a c q 整体的功能又 依据侦听器的工作模式而不同。 当侦听器处于捕获工作模式时，它一方面实现f c 突发的定位即捕获，这由 g s m d r a c q f f t 、g s m d r a c q f i f o 、g s m d r p e a k s e a r c h 、g s m d r a c q c t r l 模块对数 据流一进行处理来实现。首先g s m d r a c q f f t 对输入的数据进行3 2 点f f t 计算 北京邮i u 人学颂l j 学位论文 ( 这个模块使用了p i c o c h i p 内在的硬件加速单元即f a u ) ，并把结果送给 g s m d r a c q f i f o ，进而送至l jg s m d r p e a k s e a r c h 模块，接下来g s m d r p e a k s e a r c h 模块每次连续取3 2 个频值进行比较，选出峰值的位置( 大小从0 到3 1 ) ，把此 位置报告给g s m d r a c q c t r l 模块。g s m d r a c q c t r l 对连续到来的峰值按照上一小节 所述的方法进行判断，判断是否为f c 突发；同时还要对峰值进行计数。另一方 面g s m d r a c q 还要实现数据的筛选，这一功能由g s m d r s t o r e d a t a 和 g s m d r a c q c t r l 来实现，g s m d r s t o r e d a t a 对到来的数据流二进行存储。上面说到 g s m d r a c q c t r l - - 直在对峰值进行计数，每个峰值代表3 2 个数据，因此通过记录 f c 突发的峰值位置就能确定f c 突发的数据位置，把此位置发给 g s m d r s t o r e d a t a ，g s m d r s t o r e d a t a 就能筛选刚才存入的数据送给下游。实现的 关键就是g s m d r s t o r e d a t a 要维护一个读指针，一个写指针。举例来说，假设 g s m d r s t o r e d a t a 模块开辟了一个8 1 9 2 个数据的缓冲区，不断的写入数据，同时 对数据流一进行3 2 点f f t 运算，并把每个峰值位置报告给g s m d r a c q c t r l ，假设 第1 9 、2 0 、2 1 、2 2 个峰值点均出现在第9 个位置并通过门限，贝, l j g s m d r a c q c t r l 就认为第1 9 段数据段( 每段长3 2 个数据) 是f c 突发的开始，并把1 8 * 3 2 = 5 7 6 送给g s m d r s t o r e d a t a ，g s m d r s t o r e d a t a 就把读指针设置为m o d ( 5 7 6 ，8 1 9 2 ) = 5 7 6 ， 接下来就要把读位置起始的数据发送给下一个模块。但要注意的是由于这样捕获 的帧头有3 1 个符号的误差，所以s c h 帧的时隙0 即同步突发要前后各拓展3 1 个 符号，要选取2 2 0 个符号，而由于下面处理方法的问题，对频率校正突发并不拓 展，即只发送1 5 6 个数据。 当侦听器处于跟踪工作模式时，这时已经完成了捕获，g s m d r a c q 仅仅需要 实现数据筛选的功能。通过上一轮对s c h 的解码，可以获得完整的帧位置的信息， 所以就能确定下一个f c 突发相对上次捕获的f c 突发相隔多少个符号( 注意此时 除了考虑隔了多少帧，还要加上符号偏移量) ，以及下一个s c h 下面有没有紧跟 着b c c h ，所有这些信息a p i 都要通过c t r l i n 端口发给g s m d r a c q c t r l 。 g s m d r a c q c t r l 得到这些信息以后，发送给g s m d r s t o r e d a t a ，g s m d r s t o r e d a t a 更 新读指针，并且发送2 个( 下一个s c h 后面没有紧舔! b c c h ) 或6 个时隙( 下一个 s c h 后紧跟着b c c h ) 的数据给下游。此时还要注意的：只有前一次s c h 解码正确， 系统才会进入跟踪状态，所以在跟踪状态下，误差就没有3 2 个符号那么大了， 在具体实现时，我们选择此时只需前后拓展5 个符号即可，即一个“时隙”的数据 长度是1 6 6 ，同样f c c h 的时隙0 即频率校正突发不做拓展。 北京邮l 【1 人学硕l j 学位论义 5 2g s m d r f t s y n 模块的设计 g s m d r f t s y n 模块主要