（信号与信息处理专业论文）gsm手机综合测试仪信令和接收测量的实现.pdf

摘要 摘要 博年来，三! 二旦的g s m 移动用户以惊人的速度增加，国内各电子厂家 争先恐后地加入了手机研制的大潮中；而与之相平行的测试仪器的国产化 进程却刚刚丌始，本课题涉及的项目就是丌发用于维修的g s m 手机综合 测试仪。本课题负责综测仪基带部分的处理，采用了d s p s + f p g a 的结构， 凼而使该系统的具有结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计等特点； 同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。l 本论文的任务是用d s p 实现基带处理中的无线接口信令、接收和实时 测量。 无线接口信令的实现大致遵照基站分系统的工作过程，再根据综合测 试的实际需要对信令进行简化而得到的，即省去了一些功能模块。在综测 仪的信令部分主要实现的是位置更新、m s 主叫综测仪、综测仪主叫m s 、 短消息业务、回声测试和综测仪环回等功能。 接收部分主要完成g m s k 解调和解码的功能。艉调采用的是2 b i t 差 分解调；不同信道的数据采用不同的解码方式，其与发射时的信道编码过 程是对应的。 测试模块根据x 8 6 平台发出的命令对表征手机性能的参数进行测试： 功率斜坡、定时误差、频率相位误差和误码率等。f 该实时测量除了对各参 数计算方法的实现，而且在计算过程中需要对若干语音帧或突发脉冲进行 _ h 一一一 数据组织。1 卜 v7 关键词：g s m ，信令，突发脉冲；r r ，m m ，c m ，x 8 6 t d s p ，功率斜镶 坡，频率误差，相位误差rg m s k 调制。 a 转s t r a c 丁 t h en u m b e ro fg s mm o b i l e p h o n e s c o n s u m e r si s i n c r e a s i n g i na n i n c r e d i b l e s p e e dt h e l a s ty e a r s ，s o m a n ye l e c t r o n i cc o m p a n i e st r a n s f e rt o d e v e l o pm o b i l ep h o n e s ，s t r i v i n gt ob et h ef i r s t 。o nt h eo t h e rh a n d ，t h e p r o g r e s so fp r o d u c i n go f j rc o u n t r y so w nm o b i l es t a t i o nt e s ts e t sj u s te n t e r s p r i m a r yp h r a s e t h ep r o j e c ti s t o d e v e l o pt h eg s m m o b i l es t a t i o nt e s ts e t u s e dd rm a i n t e n a n c e ，m a i n l yd e v e l o p i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e p a r to fb a s eb a n d i t sd s p s + f p g a s t r u c t u r em a k e st h es y s t e mf l e x i b l e 、 u n i v e r s a la n ds u i t a b l ef o rm o d u l a r i z a t i o n i na d d i t i o n ，t h es t r u c t u r em a k e st h e p e r i o do fd e v e l o p m e n tm o r es h o r t e r ，t h es y s t e me a s yt om a i n t a i na n ds u i t a b l e f o rr e a l t i m es i g n a lp r o c e s s i n g t h et a s ko ft h e t h e s i si st o d e v e l o pt h er a d i o i n t e r f a c e s i g n a l l i n g 、 r e c e p t i o na n dt h er e a l t i m em e a s u r ew i t hd s pa s s e m b l yl a n g u a g e r a d i oi n t e r f a c es i g n a l l i n go ft h et e s ts e tm a i n l y o b e y st h ep r o c e s so f g s m b s s s u b * s y s t e m ，a n do n l yd o e ss o m es i m p l i f i c a t i o no n t h eb a s eo ft h et e s ts e t ， o m i t t i n gs o m eu n n e c e s s a r yf u n c t i o n s ，t h em a i nm o d u l e s o ft h et e s ts e ti n c l u d e l o c a t i o nu p d a t e 、m sc a l l 、b sc a l l 、s h o r tm e s s a g ea n de c h ot e s te t c t h em a i nt a s ko ft h er e c e p t i o ni sg m s kd e m o d u l a t i o na n dc h a n n e l d e c o d i n g i n c l u d i n gd e i n t e r w e a v i n g ) 。w e u s et h e2 b i td i f f e r e n c e d e m o d u l a t i o n ，b u td i f f e r e n td e c o d i n gw a y sa r eu s e di nd i f f e r e n tl o g i cc h a n n e l s ， c o r r e s p o n d i n gw i t h t h ec h a n n e lc o d i n gi nt h et r a n s m i s s i o np a r t t h em e a s u r em o d u l ei st o c o m p u t et h ep a r a m e t e r sw h i c hp r e s e n tr e p e r f o r m a n c eo fm o b i l ep h o n e su n d e rt h eo r d e ro fx 8 6 。t h e s ep a r a m e t e r sa r e p o w e r r a m p 、t i m ee r r o r 、f l e q u e n c ya n dp h a s e e r r o ra n db e r 、r b e re t c t h e r e a lt i m em e a s u r ei n c l u d e sn o to n l yt h ea l g o r i t h mo fe v e r yp a r a m e t e rb u ta l s o t h eo r g a n i z a t i o no ft h e s et d m af l a m e so rb u r s t sw h i c ha r eu s e dt oc o m p u t e t h e s ep a r a m e t e r s a b s t r a c t k e y w o r d s ：g s m ，s i g n a l l i n g ，b u r s t ，r r ，m m ，c m ，x 8 6 ，d s p ，r a m p f r e q u e n c ye r r m ，p h a s ee r r o r ，g m s k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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作了明确的 说明并表示谢意。 签名：整堕i 塑1 日期：年月e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：杰! 塑! 盟 导师签名： e t 期：炒 第一章引言 第一章引言 互联网应用和移动通信的迅速发展，推动着通信测试仪器向前发展。 据统计，通信测试仪器已占整个电子测量仪器市场的3 0 左右，并已成 为电子测量仪器市场中增长最快的一部分，其中最引人注目的是网络测 试、移动通信测试和光通信测试。 移动通信综合测试仪可分为开发研究用综测仪、生产用综测仪、安装 维护用综测仪。由于应用场合不同，功能要求有较大区别，价格也有较大 差异。 开发研究用综测仪 h p 8 9 2 2 m ，包括一台g s m 基站仿真器及所有必备的信号源，可单独 对移动台提供模拟g s m 基站，进行单个小区内手机参数全方位测试。 h p 8 9 2 2 r p 具有双频段测试的操作功能。h p 8 9 2 3 b ，可用于测试数字无 绳电话标准的多种参数，它可通过h p i b 接口连成自动测试系统。h p 8 9 2 4 c 为c d m a 综测仪，它可按i s 一9 5 和j s t d 空中接口协议进行双模式c d m a 的测试，通过h p 8 3 2 1 7 自动测试软件，此仪器还可实现a m p s 、n a m p s 、 t a c s e t a c s 的测试。c d m s 0 ( t e k t r o n i x 公司) 能完成c d m a 基站模拟 功能，对c d m a 手机进行多参数测试。m t 8 8 0 2 a ( 日本安立公司) 综测仪 能实现i s 一9 5 标准的收、发信参数测试。m s 一8 6 0 7 发射机测试仪可用 j 第三代移动通信体制w c d m a 发射参数测试。 生产用综测仪 典型的有h p 8 9 2 2 m ，其功能和精度可满足开发需要，其测试速度又 可以满足g s m 制造厂生产线上的检测需要。h p 8 9 2 3 b 可按c t r - - 0 6 标 准对d e c t 数字无绳电话体制进行载波功率等多种参数测试，并有较高 的测试速度。 净安装维护用综测仪 典型的有h p 8 9 2 2 s ，用于检查和维护g s m 手机。h p 8 9 3 5 a 用于测 c d m a 及d c s 基站设备，具有较大显示屏幕，方便室外读数，有良好的 用户界面，使用w i n d o w s 操作系统下拉菜单，有安装维护培训软件。德 第章引言 国r & s 公司的c t s 5 5 也是用来检查g s m 手机性能的综测仪。 近年来我国手机用户以惊人的速度猛增，一些电子界大型企业很自 然地把视线转向手机市场。它们大体走以下程序：第一步，从国外厂商购 买大部或全部技术，贴上本企业招牌，打出民族工业旗帜，争取国家列项， 争取国家拨巨款支持，占领市场；第二步，与国外有开发能力的技术商人 合作，派出自己的技术人员联合开发新产品，巩固业内优势；第三步，用 自己的技术人员，开发出自己的新产品推向市场。但是在手机国产化的进 程中，人们忽视了个重要问题：国内市场还没有自行研制的g s m 手机 测试仪器，基本都是国外的产品充斥市场，而且价格昂贵。因此其开发不 仅可以弥补国内的这一空白，其社会与经济价值也是明显的。测试仪本身 的性质决定了其与手机国产化的道路不同，它的着眼点不只是市场，更重 要的是技术，所以直接进入第三步程序：用自己的技术开发自己的新产品。 本论文涉及的课题是开发用于安装维护手机的“g s m 手机综合测试 仪”。它是一个国家重点攻关项目，由我们实验室和有关单位合作开发。 本论文在该课题中完成三部分的任务： 1 无线接口信令的实现。该综合测试仪是带通信协议的，相当于一 个简单的基站系统，和手机建立起连接后在通信过程中进行测试。所以其 协议完全遵守g s m 的信令协议规范，只是在功能上进行简化，省去测试 仪没有用到的部分。 2 ，接收模块的主控程序。本部分所完成的任务是采样手机送来的中 频模拟信号，经过g m s k 解调、信道解码恢复出信令消息或语音数据， 再送给信令处理模块，还要把测试手机各参数需要的数据送给测试模块。 另外，存在一些定时同步处理以保证接收数据的正确性。 3 测试模块的实现。该模块是测试仪的最终目的，计算表征手机性 能的几个参数：功率斜坡、频率误差、相位误差、定时误差和误码率灵敏 度等。 2 第二章g s m 手机综合测试仪系统介绍 第二章g s m 手机综合测试仪系统介绍 2 1g s m 通信系统简介 g s m 体系结构主要可以分为以下几个部分 1 ) 移动台( m s ) 2 ) 基站子系统( b s s ) 3 ) 网络子系统( n s s ) 4 ) 操作和维护子系统( o m c ) 图2 ，1g s m 系统组成部分及其相互关系 移动台( m s ) ：移动台的主要功能是：1 ) 能通过无线接入进入通 信网络，完成各种控制和处理以提供主叫或被叫通信。2 ) 具备人机接口。 移动台必须包含用户识别模块( s i m ) ，s i m 卡和硬件设备一起组成移动台e 基站子系统( b s s ) 由基站收发台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 组成。 基站收发台( b t s ) 包括无线发射和接收设备、无线和所有无线接口 特有的信号处理部分。信号处理部分将实现多址复用所需的帧和时隙的形 成和僻f ! 以及为改善无线传输所需的信道编泽码和加密解密等功能。 第二璋g s m 手机综合测试仪系统介绍 基站控制器( b s c ) 是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也 为基站收发台和操作维修中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通 常控制几个基站收发台，其主要功能是通过对b t s 和m s 的指令进行无线 接口管理，主要是进行无线信道的分配、释放以及越区切换的管理等。 网络子系统( n s s ) 包括移动交换中心( m s c ) 和存储用户数据和 移动管理信息的数据库。n s s 负责管理g s m 系统内部的用户之间以及与 其它电信网用户之间的通信。 操作和维护中心( o m c ) 的任务是对全网进行监控和操作，例 如系统的自检、报警与备用设备的激活、系统的故障诊断与处理、话务量 的统计和计费数据的记录与传递，以及各种资料的收集、分析与显示等。 g s m 手机综合测试仪在功能上相当于一个简单的基站子系统( b s s ) 。 其主要目的就是与手机建立通信，通过数据的交互测试手机的性能。它和 b s s 不同之处主要在于： 1 收发台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 在综测仪中合为一体，功能 由不同的d s p 区分开。 2 测试过程中，测试仪和手机是一对一关系，不存在和其他用户的交 互。另外，手机通过一根不到l 米的同轴电缆接入，不存在越区切换。 3 不需要语音编、解码功能。它测试语音，只是将g s m 手机传来的 语音重新发送给手机( m s ) ，称为“回声”测试。这样，语音的编、解码 只在手机中完成的，综测仪本身并不需要语音编、解码功能。 4 信令处理中不需要加密、解密过程。因为综测仪测试的手机指标， 与加、解密过程无关，所以没有必要。 2 2 综合测试仪的硬件结构 g s m 手机综合测试仪是基于x 8 6 平台，结合d s p 处理技术的多模块 结构的台式仪器。x 8 6 平台实际就是一个操作控制器，射频处理板、基带 处理板、主控制管理板三部分插在x 8 6 的i s a 插槽内。- n 板2 _ 间通过硬 盘连接线进行通信。 第二章g s m 手机综合测试仪系统介绍 射频处理模块单元主要完成将基带信号变频到9 0 0 多兆的射频上进行 发射，接收时将9 0 0 多兆的信号变频到基带。同时还要完成功率斜坡信号 对发射的控制等功能。 主控制管理模块以x 8 6 平台为基础，完成手机测试的操作控制，测试 结果的显示。 基带处理模块。该模块共使用了4 块d s p ，结合f p g a 、a d c 、d a c 等外围芯片完成信令处理、发送、接收和实时测量的功能。d s p 采用的是 t 1 公司的定点d s p f m s 3 2 0 c 5 4 0 9 。 1 信令模块：实现无线接1 3 信令，包括o s i 模型底三层的处理：第三 层组织信令消息；第二层进行数据链路层帧的组织；物理层实现信道编码 交织，突发脉冲格式化。另外还要负责部分语音信息的处理。 2 发送模块：将信令模块传送过来的数据进行g m s k 调制，并交由 d a 模块发送出去。 3 接收模块：在a d 采样数据后，进行g m s k 解调，解码去交织，将 还原出的信令消息送给信令d i p ；如果是语音信息解调还原后直接通过信 令d s p 环回发送。在测试过程中还要把采样的i 、q 信号和r a m p 信号通 过缓冲串口送给测量d i p 以计算各性能参数。 4 测量模块：根据x 8 6 的测试命令，完成相位误差、频率误差、定时 误差以及功率斜坡的实时测试工作。g s m 手机综合测试仪主要的技术指标 为： 0 3g m s k 调制：相位误差2 。有效值； 8 。峰值 相位误差测量精度：相位误差l 。有效值：4 。峰值 频率误差测2 , 7 i 围：+ _ _ 9 k h z ( 0 3 g m s k 调制，在突发脉冲连续发送的 情况下) 图2 2 给出了g s m 手机综合测试基带模块的硬件结构。从图中可以看 出每块d i p 都有h p i 口和x 8 6 t i t t i 。h p i 有个重要的作用是在上电时x 8 6 通过它把运行程序导入到各个d s p 中，而x 8 6 发送命令和各个d s p 向x 8 6 传送数据都是通过x 8 6 和信令d s p 的h p i 口。 第二：章g s m 手机综合测试仪系统介绍 在信令d s p 和其余d s p 之间有双口r a m 和中断资源，是它们相互进 行数据交换的重要途径。如信令d s p 准备好了时隙数据就放在双口r a m 中等待发射d s p 来取；接收d s p 把解调解码恢复出来的信令消息或语音 信息通过双口r a m 传给信令d s p ；信令d s p 通过双1 3r a m 向测量d s p 发送测试命令和消息类型等信息，测量d s p 把需要x 8 6 显示的测试结果 也通过双口r a m 传给信令d s p 。 接收d s p 有大量的数据需要传递给测量d s p ，这种传递是单向的，所 以没有必要使用较贵的双口r a m ，而用5 4 0 9 自己的片内外设，多通道缓 冲串口进行连接。 图2 2 基带部分硬件结构 6 一 箜三童鱼! 坚望笪墨堑垂垡堡旦焦全盟坌堑塑塞堡 第三章g s m 通第信系统无线接口信令的分析和实现 本章结合g s m 手机综合测试仪来分析g s m 通信系统无线接口的信令 体系，并给出用d s p 实现信令的思想。 3 1 无线接口信令体系 按照o s l 模型，g s m 无线接口信令分为不同的层面，分别为物理层、 数据链路层和第三层。 每一对等的层与层之间都有各自的协议规约。每一层都通过服务接入 点向高层提供服务，这两层之间通过服务原语进行交流，以进行某种操作 或者表示处于某种状态。 在g s m 信令系统中，第三层( l 3 ) 完成电路交换连接、无线资源管 理、移动管理等功能，l 3 层的数据以消息的形式组织，交给数据链路层 ( l 2 ) ；数据链路层( l 2 ) 将l 3 消息包含在第二层帧中，按帧进行发送， 遵守l a p d m 协议；物理层( l i ) 把l 2 帧进行编码交织，打包成物理块， 然后按比特发送。 3 1 1 物理层规范 3 1 1 1 多址方案 g s m 系统采用的是频分多址接入( f d m a ) 和时分多址接入( t d m a ) 混合技术，具有较高的频率利用率。在这里我们只讨论9 0 0 m h z 频率范 围的g s m 。f d m a 是说在g s m 频段的上行链路( 即移动台到基站建立 的通路，包括所有上行信道) 所采用8 9 0 m h z 9 15 m h z 的频带范围内， 或者下行链路( 即基站到移动台建立的通路，包括所有下行信道) 所采用 的9 3 5 m h z 9 6 0 m h z 频率范围内分配了1 2 4 个载波频率，简称载频，各 个载频之间的问隔为2 0 0 k h z 。上行链路与下行链路的载频是成对的，即 所谓的双工通信方式。双工收发的对载频的间隔为4 5 m h z 。t d m a 是 第三章g s m 通信系统无线接口信令的分析和实现 说在g s m 的每个载频上按时间分为8 个时间段，每个时间段称为一个时 隙，称这样的时隙为信道，或物理信道。也就是说g s m 的一个载频上可 提供8 个物理信道，而每个信道分配给一个用户。8 个连续的时隙称作一 个t d m a 帧。 3 1 1 2 信道结构 t d m a 帧的每个时隙看作为物理信道，那么在物理信道所传输的内容 就是逻辑信道。逻辑信道是指依据移动网通信的需要，为所传送的各种控 制信令和语音或数据业务在t d m a 的8 个时隙分配的控制逻辑信道或语 音、数据逻辑信道。逻辑信道如图3 1 所示分为两大类：专用信道和公共 信道。 一专用信道分为业务信道和专用控制信道： 1 业务信道( t c h ) 是用于传送用户的话音和数据业务的信道。在g s m 综测仪中，我们采用的是全速率业务信道( t c h f ) 2 专用控制信道( d c c h ) 是基站与移动台间的点对点的双向信道，包 括： 独立专用控制信道( s d c c h ) 用于传送基站和移动台间的指令 与信道指配信息，如鉴权、登记信令消息等。此信道在呼叫建立 期间支持双向数据传输，支持短消息业务信息的传送。 慢速随路信道( s a c c h ) ，基站用此信道向移动台传送功率控制 信息、帧调整信息。另一方面，基站用此信道接收移动台发来的 信号强度报告和链路质量报告。 快速随路信道( f a c c h ) ，主要用于传送基站与移动台间的越区切 换的信令消息。使用时，中断4 个t d m a 帧业务信息来传送信令 消息。 二公共信道分为广播信道和公共控制信道： 1 广播信道( b c h ) ，是从基站到移动台的单向信道。它包括： 第三章g s m 通信系统无线接口信令的分析和实现 频率校正信道( f c c h ) ，用于给用户传送校正m s 频率的信息。移动 台在该信道接收频率校正信息并用来校正移动台用户自己的时钟频 率。 同步信道( s c h ：，用于传送帧同步( t d m a 帧号) 信息和b t s 识别 码( b s i c ) 信息给m s 。 广播控制信道( b c c h ) ，用于向每个b t s 广播通用的信息。例如在 该信道上广播本小区和相邻小区的信息以及同步信息( 频率和时间信 息) 。 2 公共控制信道( c c c h ) ，是基站与移动台间的一点对多点的双向信道。 它包括： 寻呼信道( p c h ) ，用于广播基站寻呼移动台的寻呼消息，是下行信 道。 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：对基站寻呼消息的应答；m s 始呼时的接入。 并且m s 在此信道还向基站申请指配一独立专用控制信道s d c c h 。 此信道是上行信道。 允许接入信道( a g c h ) ，用于基站向随机接入成功的移动台发送指配 了的独立专用控制信道s d c c h ，它是下行信道。 逻辑信道 l 竺苎竺兰i 芊= l 一 广播信道ll 公共控制信道 釜幕鏊ll 同步信遒ii 广# 薹制 独立专用ll 慢速髓路ll 快速随 控制信道ll 信道ll 路信道 寻呼信i 艟机接ji 接a 允fj 全速率j 半速率ji 增强型全 道 1i 入信道l l 许倍道li 信道i l 信道il 速率信道 图3 1 逻辑信道分类 根据允许的信道组合，我们使用了以下几种基本逻辑信道组合 9 最 第三章g s m 通信系统无线接口信令的分析和实现 1 t c h f s + f a c c h + s a c c h 2 。f c c h + s c h + b c c h + c c c h( c c c h = p c h + r a c h + a g c h ) 3 s d c c h + s a c c h 接下来由复帧的概念引出信道结构。g s m 系统中存在两类复帧：1 ) 2 6 帧的复帧：包含2 6 t d m a 帧，用于t c h ，s a c c h ，f a c c h ，s d c c h 。 图3 2 给出了2 6 帧的信道结构；2 ) 5 1 帧的复帧：包含5 1 t d m a 帧，用 于b c c h ，c c c h ( a g c h ，p c h ，r a c h ) 。图3 3 给出了5 1 帧的信道 结构。 全速率 t c h ttt1 1tttttttatttttttttttt 图3 22 6 帧的信道结构 t ，t c h 的t d m a 帧a ，s a c c h 的t d m a 帧 一，空闲的t d m a 帧 在语音传送之前的握手过程中，s d c c h + s a c c h 也采用这种信道结构。 b c c h + c c c h ( 下行) b c c h + c c c h ( 上行) f ，频率校正脉冲序列t d m a 帧 s ，同步脉冲序列t d m a 帧 c ，用于c c c h 的t d m a 帧 311 3 突发脉冲 r ，用于r a c h 的t d m a 帧 b ，用于b c c h 的t d m a 帧 图3 35 1 帧的信道结构 0 第三章g s m 通信系统无线接口信令的分析和实现 g s m 基本的无线资源为一个时隙，长度为o 5 7 7 m s ，调制速率为 2 7 0 8 3 3 k b s 。因此每个时隙间隔( 包括保护时间) 包含15 6 2 5 b i t ，其物 理内容称为一个突发脉冲。突发脉冲分类如下，如图3 4 所示： 普通突发脉冲( n b ) ：用于携载业务和控制信道( 除r a c h 外) 的信 息。 频率校正突发脉冲( f b ) ：用于m s 的频率同步，在频率校正信道上 传送，内容是1 4 8 b i t 全0 ，再加上8 2 5 的保护比特。 同步突发脉冲( s b ) ：用于m s 的定时同步，在同步信道上传送。它 包含一个很长的训练序列，携载t d m a 帧号( f n ) 和基站识别码 ( b s i c ) 。 接入突发脉冲( a b ) ：用于随机接入信道，有较长的保护时间 ( 6 8 2 5 b i t ) ，以便不知道时间提前量的m s 在做第一次接入时( 或切 换后) 的突发脉冲传输。 空位突发脉冲：不代表任何的有用信息，其内容是固定数据比特。 团! 婴卫翌工雯盈 阻团二二玉巫互二二圈 s b ：陌3p 密信3 息比特l 扩展训6 练序4 列l 加密信息3 9 比特l ? 旧2 5iillii 3 i 8 图3 4 各种突发脉冲 3 1 1 4 无线收发信的参考结构 综测仪物理层信号处理流程相当于一个简化的g s m 通信系统，其参 考结构如图3 5 所示( 以发送为例) 。物理层的处理按照这个流程进行。 堕三至q ! 塑堕焦丕堑垂鎏堡旦焦全盟坌堑塑塞塑 下面对各部分作简单解释。 1 信道编码。 信道编码的目的是提高信道纠错能力，以便当信号遇到干扰时能保证 传输的质量。其要点是在源数据基础上加上一些由源数据计算得到的冗余 信息。解码就利用这些歹l 余来检测差错和纠错，并进行信道解码。如图3 6 所示，在g s m 中通常使用三类编码方式或它们的“级联”：奇偶校验码， f i r e 码，1 2 卷积码。 图3 5 无线收发信的参考结构 2 交织 交织就是把一条消息中的相继比特分散开的方法，即把一条消息中的 相继比特扩展到n 个突发脉冲中去发送。这样，在传输过程中即使发生 了成串差错，恢复成条相继比特串的消息时，差错也就变成单个b i t ( 或 长度很短) 。这时，再用信道编码纠错功能就可以纠正差错，恢复原消息。 我们采用的交织方式为块对角交织。 不同的信道采用的编码交织方案不同。t c h f s 和f a c c h 交织在8 个 连续的b u r s t 中，即交织的结果在8 个块中重新分布，具体来讲n ( 4 5 6 b i t ) 组成8 块中的前4 块( 4 n + 0 ，1 ，2 ，3 ) 的偶数比特和后4 块( 4 n + 4 ，5 ，6 ，7 ) 的奇数比特，n + 1 ( 4 5 6 b i t ) 组成前4 块( 4 ( n + 1 ) + o ，1 ，2 ，3 ) ，也就是4 n + 4 ，5 ，6 ，7 ( 相对于n 的后4 块) ) 的偶数比特和后4 块( 4 ( n + i ) + 4 ，5 ，6 ，7 ，也就 1 2 燕三霉g s m 递信系统无线接珏偿令的分褥和实现 是4 ( n + 2 ) + 0 ，1 ，2 ，3 ) 的奇数比特。这里的块，指的是交织后组合成的b u r s t 。 n 指的楚第n 块输入的信息院特，奇数( 偶数) 院特粥指缀合在一个b u r s t 中豹两块加密比特的蓊 + l ，那么麓分方 式虢应交为= 靠。国g 。显然缮至l 载续粜考懋是一榉戆。 4 调制 g m s k 调铡方式县蠢较好憝功率港特性，其误比特性也比较优越，特 别是具有较小的带外辐射能量，很适合v h f 和u h f 频段的移动通信系统。 g m s k 调翻信号躺表这妓受： s t ) = c o s 叫象 。 坟g ( 五一孚料耕氏为输入数据。 _ 在g s m 综测仪中我们采用波彤存储正交调制方案如图3 7 所示，其基 本原理如下： g m s k 懿信号霹汉表示藏为： y ( t ) = c o s t a , 。t + 妒( f ) 】 = c o s 移( f ) 】c o s 蛾tq n 和梵如蛾t 。 式中 娴= 象i 。降坟文r 嘱一约 r 根据b 。麴值可以计算出c o s ( 伊( f ) ) 和s i n 劬0 ) ) 的值，创建余弦和正弦两个表： 在调制时根据输入值套表。 燕三鼗g s m 通信系统无线接口偿令的分辑和实现 3 1 2 数据链路层结构 3 1 2 1 帧结构 图3 7 波形存储正交调铺方繁 正交调制器 数据链路朦采弱d 。通遂上酶链潞接入秘议( l a p d 。) 。l a p d 。支持a ) b c c h 信令，b ) p c h 信令，c ) a g c h 信令，d ) d c c h 信令( 包括s d c c h ， f a c c h 和s a c c h ) 。r a c h 不使糟l a p d 。，值数据链路基可程l 3 与物 理层之闽起髓极接入豹协议接口作用。接下来介缨上述几种信邋用到的帧 结构。 一专蠲控潮信遂( d c c h ) 弱较缝掏 l地址字段 i控制字段 i长度指零字段 l填充字段 格式a 地址字段 控制字段 长度指示字段 倍患字段 填充字段 格斌b 蛰3 8 专用控制信道的帧结构1 格式b 包括信息字段，格式a 的帧没有信息字段。d c c h 中的信惠， 。一 簦兰童垒釜楚叠堡篓篓垂垡辇壁堡垒塑坌堑塑塞銎 大部分是鬻要证实的，但s a c c h 传送的信息无须证实。 二。b c c h ，p c h ，a g c h 豹顿结构： 格式a 格式b 蚕3 , 9 专丽控稍僖遂静赣结构2 这三静信邋中传输的信息是无诞实信息。 三r a c h 的帧结构 876543 2l 鋈3 1 0 r a c h 翡蓣结梅 在l a p d 。中，根撮物理层上已有的块概念，我们选择帧长度铸于一 个物理块的大小，也就蹙1 8 4 b i t ( 2 3 b y t e ) ，荐除去黻头，虢褥蜀个最 大兔诲懿消息长发。虫予实际的信息长度常小于这个最大值，就在臌面填 充空闲字节“0 0 1 0 1 0 1 l ”，长度指示字段就来寝示有用信息的长度。 s a c c h 比较特殊，宅豹嵇式是： 87654321 备用fm s 的功率毫平 i 备用定时提前 i第二滕帧 3 1 ，2 ，2 操作类型 霞3 + 1 1s a c c h 装结擒 1 2 2 3 为传送l 3 信息，数据链路层( d l l ) 商两种操作类型：无证实操作 鞠复赣搽律。 无证实操作 1 6 签三童堡兰坚超焦墨丝蒌垡鳖望焦全鳖坌楚塑塞望 在该操作形式下，第三层信息以无编号信息帧( u i ) 传送，接收方对 t i 不丽以证实，不避行流量控秘和麓错莰簧。在公鬻控裁信遂( c c c h ： 包括p c h 、a g c h 、r a c h ) 和广播信道( b c h ：包括s c h 、f c c h 、b c c h ) 上传输的消息郁是无证实的消息，它通过发送超时笈位、委复发送镎视镧， 实现蓑锩控锻麴功能。d c c h 中的s a c c h 在通信已建立的情况下所传送 的消息是无证实的。 二 证实揉作 在该形式下，l 3 信息在由d l l 证实的帧中传送。证实操作通过重发 未得到证实的帧来实现麓错恢复积流潼控翻。该搽幸筝蘑予d c c h ( s a c c h ，s d c c h 和f a c c h ) 。接下来介绍复帧操 乍的概念，即仅定义 一种证实的佰息传送。对予复帧操作，l 3 信息在编号信惠帧( i 帧) 中笈 送，确谈可以揆萤在 峻中。多令 帧可以一次确认，但在信令中我们采 用大小为1 的滑动衡口协议，实质上就悬发送等待协议，即发送一帧后 要等符对方确谈委这方憝发下一犊。复骥搽撵捷臻鬟异步警餐模袋 ( s a b m ) 命令启动。 3 ，1 3 第三屡( l 3 ) 规范 第三层的协议模型如图3 1 2 所示，分为三个子层： r r 予层：无线资源管理( 缭m m 予层提供服务鼠使用l 2 的服务) 酝酝予篡：移凌栏譬璎( 绘c m 子缀提供黢务) c m 予层：连接管理( 包括c c 实体、s s 实体、s m s 实体) 连接管理( 硼) ，”、 、 s 赫sc c s s r 移动性管理( 删) 无线蘩添管瑾( r 黔 ， l p d i l l 物疆层搂块 l 3 屡 l 2 屡 l l 瑶 3 1 2g s m 无线接口信令的分层模型 第三章g s m 逶缤象统无线绥墨谊令麴分据帮实现 第三层信令以消息的方式传送，g s m 标准采用类似于i s d n 的可变格 式，如图3 1 3 所示。消息头包描协议辨识码( p d ) 、处理识剿码( t i ) 和 澄怒类型( m t ) 。消息体可分为必选部分和自选部分，两部分的长度都是 可变的。 处理识别码( t i )协议辩识码( p d ) o消息类型 必选单元 可选单诧 图3 1 3 第三滕信令格式 3 1 3 1 无线资源管理( r r ) r r 实体完成的功能有：无线资源的连接建立和释放；信令信遂和语 音信遂憨建立和释放；毙线售道连接的维持，包括信道模式修改、频率的 再分配；系统信息的广播。以下介绍r r 管理程序。 系统信惫广播 网络方无论照处在空闲模式还是在通信过程中，都在不停地在向m s 发广播信息，以使m s 能够同步和监听。在综测试中，娩定第0 时隙( t n 0 ) 弱寒广援，按照强3 35 1 帧的傣道结搦循环发送。 1 ) 在f c c h 上发送全0 的频率校难信息，便于m s 查找广播信道a 2 ) 在s c h 上发送黼步信爨，自m s 提供缝对t d m a 峻号，2 6 4 5 l 为 一超帧，2 0 4 8 个超帧即2 0 4 8 * 2 6 * 5 1 = 2 7 1 5 6 4 7 个t d m a 为计数周期。 3 ) 谯b c c h 上循环发送系统消息类型l 4 ，广播本小醚的控制倍道、 业务痿遂以及邻近小区黝情况，通知m s 是孬可以接入及如何接入。 二r r 连接酌建立 ( 1 ) m s 主叫的r r 逡接建立( 如图3 1 4 ) 1 8 第三章g s m 通信系统无线接口信令的分析和实现 图3 1 4 m s 主叫的r r 建立 其中信道请求是一条在r a c h 信道上的8 比特的随机接入信息。立即 指配是指配一条物理信道( 包括其时隙和绝对频道号) 传送信令。 ( 2 ) 网络侧发起的r r 连接建立( 如图3 1 5 所示) 图3 1 5 网络发起的r r 连接 其中寻呼请求消息中的移动识别单元可以选择i m s i 或i m e i 来寻呼 m s ；寻呼响应包含在第二层的s a b m 消息中，用于复帧操作的建立，s a b m 帧需用u a 帧确认。 三r r 连接的维持 ( 1 ) s a c c h 用来传输m s 的测试结果( m s 一 网络) 和系统信息类型5 、 6 ( 网络一 m s ) 。信道结构如图3 2 ( 2 ) 信道改变( 如图3 】6 所示) 第三章g s m 通信系统无线接口信令的分析和实现 图3 1 6 指配过程流程 重新指配一条新的信道( 时隙，频道号) 。m s 收到指配命令后d l l 本端释放，断开物理层，然后切换到新信道。指配完成是在新信道上建立 起信令链路后发送给网络。 ( 3 ) 信道模式修改用于提供编码解码和码换模式。在综测仪中，编解 码码模块的调用由人工控制，这里不再详细介绍。 ( 4 ) 加密模式设置( 见图3 1 7 ) 图3 1 7 加密模式设置流程 在综测仪中不使用加密，所以在加密模式命令消息的加密模式设置单 元s c 比特为0 。表示不启动数据流的加密。 3 1 3 2 移动性和安全性管理( m m ) m m 子层的功能是支持用户终端移动性，如通知网络m s 的目前位置 及提供用户鉴权，并为c m ( 连接管理) 子层提供服务。m m 程序只有在 r r 连接已存在的情况下才能执行。在综测仪中，主要用到了鉴权程序、 识别程序、位置更新程序和m m 连接管理程序。 一鉴权程序( 如图3 1 8 ) 图3 18 鉴权程序流程 箜三望鱼! 坚望堡丕堑垂垡壁旦堕全塑坌堑塑塞望 系统在鉴权请求消息中包含一个1 2 8 b i t 的随机数( 鉴权参数r a n d ) ， m s 的s i m 卡上的用户加密钥匙k 与r a n d 经加密算法a ，的计算产生一 个3 2 b i t 的应答数( 鉴权参数s r e s ) 由鉴权响应消息送给网络。网络方 用合法的k i 也计算了s r e s ，两者一比较就可以识别该用户是否有权接 入。 二 识别程序( 如图3 1 9 ) 图3 1 9 识别程序流程 在g s m 手机综合测试仪中需显示m s 的i m s i 和i m e i 。i m s i 可以在 “位置更新请求”命令中得到，但是要得到i m e i 必须启动识别程序。 三位置更新程序 当m s 开机或在b c c h 上收到的目前业务区的位置区识别( l a d 不 同于存储值时，就会启动正常位置更新程序。在综测仪中，位置更新是各 种测试方式必须完成的第步。如图3 2 0 所示。 3 1 3 3 连接管理( c m ) g s m 体系中c m 子层包括三个实体：呼叫控制( c c ) 、补充业务( s s ) 管理和短消息业务( s m s ) 管理。其中补充业务管理主要是通过该种业务 使用可以在某些方面介入通信的接续管理，对呼叫控制功能施加影响，如 呼叫前转、呼叫等待等等；该功能在g s m 手机综合测试中不需要，下面 介绍呼叫控制( c c ) 和短消息业务( s m s ) 管理。 31 3 3 1 呼叫控制( c c ) 一呼叫建立程序 第三章g s m 通信系统无线接口信令的分析和实现 和 在g s m 综合测试仪中，并不是两个m s 之间进行通信，而是在m s 图3 2 0 一次完整的位置更新流程 网络之间分配一个信道，完成“回声”或者“环回”测试。因此其呼叫建 立的过程，相对于g s m 通信系统中的呼叫建立过程只是其流程的半( 只 考虑一个m s 和网络的建立流程，。所谓“回声测试”，是指呼叫建立之后， m s 发送到网络的语音信息，由网络方不作任何处理回送回来a “环回” 就是指呼叫建立之后由测试仪连续发送数据( 作为语音) 给手机，手机接 收到后不进行信源解码直接回传回去的过程。图3 2 l ，3 2 2 给出了两种 呼叫建立的流程。该流程是包含r r 、m m 的建立以及c c 建立，不过已 经进行了位置更新，否则就需要鉴权的过程。 二呼叫清除 2 2 一箜三童鱼