GSM-R专业书--6空中接口的物理链路层new1.pdf

第 6 章 空中接口的物理链路层 102 第第6章章 空中接口的物理链路层 空中接口的物理链路层 空中接口 Air interface 为移动台与基站收发信台 BTS 之间的通信接口 又称为 Um 接口 用于移动台与 GSM 系统的固定部分之间的互通 其物理链接通过无线链路实现 此接 口传递的信息包括无线资源管理 移动性管理和接续管理等 本章主要介绍空中接口物理链路层的无线技术 共分三个部分 首先对主要接口和协议作 简单介绍和描述 然后分别介绍信道与帧 无线信道编码与交织以及 LAPDm 6 1 概述概述 6 1 1 GSM 系统的主要接口系统的主要接口 GSM 系统在制定技术规范时对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议给出了比较 具体的定义 这样就使不同供应商提供的 GSM 系统基础设备能够达到互通和组网的目的 GSM 系统的主要接口包括 A 接口 Abis 接口和 Um 接口 如图 6 1所示 图 6 1 GSM 系统的主要接口 A 接口定义为网路子系统 NSS 与基站子系统 BSS 之间的通信接口 从系统的功能 实体来说 就是移动业务交换中心 MSC 与基站控制器 BSC 之间的互连接口 其物理链 接通过采用标准的 2 048Mb s PCM 数字传输链路来实现 此接口传递的信息包括移动台管理 基站管理 移动性管理 接续管理等 Abis 接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器 BSC 和基站收发信台 BTS 之间的通信接口 物理链接通过采用标准的 2 048Mb s 或 64kbit s PCM 数字传输链路来实现 此接口支持所有向用户提供的服务 并支持对 BTS 无线设备的控制和无线频率的分配 MS BTS BSCMSC Um 接口 Abis接口A 接口 移动台 MS 基站子系统 BSS 网络子系统 NSS 第 6 章 空中接口的物理链路层 103 Um 接口 空中接口 定义为移动台与基站收发信台 BTS 之间的通信接口 用于移动台与 GSM 系统的固定部分之间的互通 其物理链接通过无线链路实现 此接口传递的信息包括无线 资源管理 移动性管理和接续管理等 6 1 2 接口协议描述接口协议描述 GSM 规范对各接口所使用的分层协议作了详细的定义 协议是各功能实体间的共同语言 通过各个接口传递有关的信息 为完成 GSM 系统的全部通信和管理功能建立起有效的信息传 送通道 不同的接口可能采用不同形式的物理链路 完成各自特定的功能 传递各自特定的 消息 这些都由相应的信令协议来实现 GSM 系统各接口采用的分层协议结构是符合开放系 统互连 OSI 参考模型的 分层的目的是允许隔离各组信令协议功能 按连续的独立层描述协 议 每层协议在明确的服务接入点对上层协议提供它自已特定的通信服务 图 6 2 给出了 GSM 系统主要接口所采用的协议分层示意图 Um A L 1 LAPDm M S B TS MSC VLR BSC L 1 L 1 M T P S C C P BSS A P R R M M S S C C S M S L 1 L A P D m L1 LAPD R R B TSM L1 LAPD L1 MTP BTSM SCCP BSSAP 图 6 2 GSM 系统主要接口的信令结构 1 信号层 1 也称物理层 这是无线接口的最低层 提供传送比特流所需的物理链路 例如无线链路 为高层提供各 种不同功能的逻辑信道 包括业务信道和控制信道 每个逻辑信道有它自己的服务接入点 2 信号层 2 主要目的是在移动台和基站之间建立可靠的专用数据链路 L2 协议基于 ISDN 的 D 信道 链路接入协议 LAP D 但作了更动 因而在 Um 接口中的 L2 协议称之为 LAP Dm 3 信号层 3 这是实际负责控制和管理的协议层 把用户和系统控制过程的特定信息按一定的协议分 组安排到指定的逻辑信道上 L3 包括三个基本子层 无线资源管理 RR 移动性管理 MM 第 6 章 空中接口的物理链路层 104 和接续管理 CM 其中一个接续管理子层中含有多个呼叫控制 CC 单元 提供并行呼叫 处理 为支持补充业务和短消息业务 在 CM 子层中还包括补充业务管理 SS 单元和短消息业 务管理 SMS 单元 6 1 3 空中接口的基本概念 空中接口的基本概念 空中接口是无线个人通信的核心问题之一 它主要研究在各种无线环境 如 室内 室外 步行和车载等 条件下 如何在移动用户和固定网络之间有效地传输各种速率的业务 以实现 高的用户容量和频谱效率以及业务质量 1 空中接口的协议体系 空中接口对应于 OSI 模型的低三层 分为物理层 PHL 介质接人控制层 MAC 数据链 路控制层 DLC 和网络层 它们与 OSI 的分层模型不是严格对应的 物理层 PHL 确定无线电参数 如 频率 定时 功率 码片 比特或时隙同步 调制解 调 收发信机性能等 物理层将无线电频谱分成若干个物理信道 划分的方法可以按频率 时隙 码字或它们的组合进行 如 FDMA TDMA CDMA 等 物理层在 MAC 层的控制下 负责数据或数据分组的收发 介质接入控制层 MAC 的主要功能有介质访问管理和数据封装等 具体地讲 第一功能是 它首先选择物理信道 然后在这些信道上建立和释放连接 第二个功能是 它将控制信息 高层的信息和差错控制信息复接 和分接 成适合物理信道传输的数据分组 介质接人控制层通 过形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务 数据链路控制层 DLC 的主要功能是为网络层提供非常可靠的数据链路 为内部控制信令 和有限数量的用户信息提供非常可靠的传输链路 提供完全的差错控制 提供了一组可供选 择的业务 网络层主要是信令层 它确定了用于链路控制 呼叫控制 附加业务 面向连接的消息 业务 无连接的消息业务和移动性管理等各种功能 2 多址协议 多址协议 MuItiple Access Protocol 主要解决网络的各种业务如何有效地共享给定的频谱 它基本对应于空中接口协议中的物理层和介质接入控制层 由于网络层和数据链路控制层的 研究有很多成熟的协议可以借鉴 如在网络层的呼叫控制可采用简化的 ISDN 呼叫协议 在数 据链路控制层可采用修正的 LAPD 协议等 这就使得多址协议的设计和选择在空中接口中占 有极其重要的地位 也是目前关于空中接口协议争论的汇聚点 常规的多址方式有三种 频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 和码分多址 CDMA FDMA 是将规定的频谱划分为若干个规定带宽的信道 每个用户在通信时占用一个信道 FDMA 是最成熟也是最早得到广泛应用的多址技术 它已应用在 AMPS TACS 等第一代模拟 移动通信系统和第一代模拟无绳电话系统中 第 6 章 空中接口的物理链路层 105 TDMA 是将规定带宽的信道在时间轴上分成一个个时隙 若干个时隙组成一帧 每一帧 中的若干时隙构成一个物理信道 TDMA 已在第二代数字蜂窝系统 如 DAMPS GSM PDC 等 和第二代数字无绳电话系统 如 DECT 中得到广泛应用 CDMA 的物理信道在时间和频谱上是重叠的 它是利用码字的正交性来区分不同的物理 信道 CDMA 已受到广泛的重视 它已应用在第一个 CDMA 蜂窝移动通信系统标准 IS 95 中 并且受到第三代移动通信系统的青睐 其商用系统已投入运营 6 2 信道与帧信道与帧 6 2 1 信道配置信道配置 GSM 系统频带分配如表 6 1 所示 表 6 1 GSM 系统频带分配 GSM 制式 上行链路 下行链路 频带 双工间隔 双工信道数 GSM 900 GSM 900 E GSM 900 R GSM 900 890 915 880 915 876 915 935 960 925 960 921 960 2 x 25 2 x 35 2 x 39 45 45 45 124 174 194 E GSM 900 R GSM 900 890 915 880 915 876 915 935 960 925 960 921 960 2 x 25 2 x 35 2 x 39 45 45 45 124 174 194 GSM 1800 GSM 1900 1710 1785 1850 1910 1805 1880 1930 1990 2 x 75 2 x 60 95 80 374 299 GSM 1800 GSM 1900 1710 1785 1850 1910 1805 1880 1930 1990 2 x 75 2 x 60 95 80 374 299 GSM900 以及 GSM R 系统工作在如下射频频带 上行 移动台发 基站收 890 915MHz 下频段 下行 基站发 移动台收 935 960MHz 上频段 双工间隔为 45MHz 载频间隔为 200kHz GSM900 系统整个工作频段分为 124 对载频 其序号用 n 表示 则上 下两频段中序号为 n 的载频频率可用下式计算 Fl n 890 0 2n MHz 下频段 Fu n F1 n 45 935 0 2n MHz 上频段 式中 n 1 124 n 值称为绝对射频信道号码 ARFCN 图 6 3 为无线信道的示意图 第 6 章 空中接口的物理链路层 106 图 6 3 无线信道的示意图 6 2 2 物理信道与逻辑信道物理信道与逻辑信道 1 物理信道 基于 TDMA 的 GSM 系统的物理信道是指频率和时间域上的时一频隙 如图 6 4 所示 890 MHz 915 MHz935 MHz960 MHz 上行上行下行下行 例如例如 第第48信信道道 0 124 信道号信道号 0124 信道号信道号 频率频率 频率频率 BTS 890 MHz 915 MHz935 MHz960 MHz 上行上行下行下行 例如例如 第第48信信道道 0 124 信道号信道号 0124 信道号信道号 0 124 信道号信道号 0124 信道号信道号 频率频率 频率频率 BTS BTS 第 6 章 空中接口的物理链路层 107 图 6 4 时间和频率域的物理信道 2 逻辑信道 逻辑信道 是在一个物理信道中时间复用的 不同的逻辑信道用于基站和移动台间传送 不同类型的信息 例如信令信息或数据信息 逻辑信道分为业务信道 TCH 和控制信道 CCH 两大类 1 业务信道 TCH 业务信道 TCH 是用于传送用户的话音和数据业务的信道 它依交换方式可分为电路交换 信道和分组交换信道 依传输速率可分为全速率信道 Bm 和半速率信道 Lm 计有 全速率话音业务信道 TCH F 半速率话音业务信道 TCH H 全速率数据业务信道 TCH F9 6 全速率数据业务信道 TCH F4 8 半速率数据业务信道 TCH H4 8 全速率数据业务信道 TCH F2 4 半速率数据业务信道 TCH H2 4 上列符号中 F 代表全速率 H 代表半速率 例如 F4 8 表示全数据率为 4 8kbps H4 8 表示半数据率为 4 8kbps 2 控制信道 CCH 控制信道 CCH 是用于传送信令信息和短的分组数据的信道 依信道的功能不同控制信道 可分为公共控制信道和专用控制信道两大类 依信道传送信号的方式不同 公共控制信道又 分为 单方向的广播信道和双方向的控制信道 图 6 示出了控制信道的类型 图中的双箭 头表示双向信道 单箭头表示单向信道 箭头向上表示 MS 到 BS 方向 箭头向下表示 BS 到 MS 方向 NB 等表示突发的类型 共有 5 种 NB 标准突发 Normal Burst AB 接人突发 Access Burst SB 同步突发 Synchronization Burst FB 频率突发 Frequency Burst TN9 TN8TN7TN6TN5TN4TN3TN2TN1 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 t 频隙 f TDMA帧 时隙 15 26ms 200KHZ 时 频隙 第 6 章 空中接口的物理链路层 108 DB 虚拟突发 Dummy Burst 关于各种突发的格式将在后面给出 现将控制信道 CCH 的用 途介绍如下 图 6 5 控制信道的类型 1 广播信道 BCH 广播信道 BCH 是从基站到移动台的单向信道 它包括下列三种信道 用于基站播发频率校正信息的频率校正信道 FCCH FCCH 的信息由频率突发携带 移动台在该信道接收频率校正信息并用来校正移动用户自己的时基频率 同时允 许检测带有精密同步信息的同步信道 用于基站播发基站识别信息和帧同步信息的同步信道 SYCH SYCH 的信息由同步 突发携带 供移动台识别基站及完成 TDMA 帧同步 达到时隙定时 SYCH 携带的信 息为 基站站址识别码 BSIC 帧号和帧同步信息 用于基站播发一般控制信息的广播控制信道 BCCH 在该信道上播发本小区和邻 近小区 最多 16 个 的信息以及播发同步信息 频率和时间信息 移动台周期地监 听 BCCH 以获取 BCCH 携带下列信息 相邻小区一览表 本小区使用的频率表 小区识别 功率控制指示 间断传输允许 接入控制 例如 紧急呼叫 禁止呼叫 CBCH 小区广播控制信道 的说明 BCCH 载波是由基站以固定功率发射 其信号强度被所有移动台测量 BCCH 的信息由标准 突发携带 当无可传信息时 以虚拟突发代替 移动用户还将监听来自相邻小区 BCCH 的信息 并存储其中 6 个最好的小区的信息 同时 还存储这些小区的 SYCH 信息 以便移动用户进入相邻小区时能快速再同步 ABNBNB NB DB SB 控制信道 CCH 专用控制信道 DCCH 公共控制信道 CCCH 广播控制信道 BCCH SDCCH SCH BCCH CBCH PACH AGCH RACH ACCH SACCH FACCH SYCH FCCH NB NB AB FB 第 6 章 空中接口的物理链路层 109 2 公共控制信道 CCCH 公共控制信道 CCCH 是基站与移动台间的一点对多点的双向信道 它由下列四种单向信 道组成 用于基站播发寻呼移动台信息的寻呼信道 PACH 该信息是由标准突发携带的 用于移动台随机入网时向基站发送信息的随机接人信道 RACH 包括两种情况 移动 用户初始发起呼叫 移动用户对基站播发寻呼信息的应答 RACH 信息是由接人突发携带的 用于基站向随机接入成功的移动台发送专用控制信道分配信息的准许接人信道 AGCH 该信息是由标准突发携带的 用于基站给小区内移动台广播消息的信道 CBCH 在此信道 对小区覆盖内的所有移 动用户播送消息 例如业务信息 CBCH 信息是由标准突发携带的 其实 CBCH 是盗用 SDCCH 中的时隙来建立其广播信道的 网内激活的所有移动用户必须不断地监听 BCCH 和 CCCH 信道 这两类信道在同一载被中 3 专用控制信道 DCCH 专用控制信道 DCCH 是基站与移动台间的点对点的双向信道 它包括下列三种信道 用于传送基站与移动台间的指令和信道指配信息的独立专用信道 SDCCH 该信道在呼 叫建立期间 支持双向数据传输 它还携带呼叫转移和短消息信息 伴随信道 ACCH 伴随信道 ACCH 既能伴随独立专用信道 SDCCH 也能伴随业务信道 TCH 换句话说 伴 随信道是与一条业务信道或者一条 SDCCH 联用 ACCH 被用来携带在 SDCCH 或 TCH 执行过程有 关的信息 伴随信道又分为慢速和快速两种 慢速伴随信道 SACCH 用于基站向移动台传送功率控制信息 帧调整信息 以及移动 台向基站传送接收信号的强度数据和链路质量报告 快速伴随信道 FACCH 用于传送执行用户鉴权和越区切换的信息 慢速伴随信道 SACCH 是与业务信道 TCH 或独立专用信道 SDCCH 一起被指配和使用的 3 下行信道和上行信道 在工程中 将基站到移动台方向的信道叫做下行信道 而将移动台到基站方向的信道叫 做上行信道 1 下行信道 下行信道包括下列逻辑信道 1 下行业务信道 TCH 2 广播信道 BCH 包括 频率校正信道 FCCH 同步信道 SYCH 广播控制信道 BCCH 3 公共控制信道 CCCH 中的寻呼信道 PACH 和准许接人信道 AGCH 4 专用控制信道 DCCH 包括 独立专用信道 SDCCH 快速伴随信道 FACCH 慢速伴 随信道 SACCH 2 上行信道 上行信道包括下列逻辑信道 1 上行业务信道 TCH 第 6 章 空中接口的物理链路层 110 2 公共控制信道 CCCH 中的随机接入信道 RACH 3 专用控制信道 DCCH 包括 独立专用信道 SDCCH 快速伴随信道 FACCH 慢速伴 随信道 SACCH 6 2 3 物理信道时隙结构与逻辑信道配置物理信道时隙结构与逻辑信道配置 1 时帧结构 GSM 时隙结构有高帧 hyperframe 超帧 superframe 复帧 multiframe TDMA 帧 frame 和时隙 time slot 5 个层次 时隙是构成物理信道的基本单元 由时隙组成的 TDMA 帧是占据 频道带宽的基本单元 由 TDMA 帧构成的复帧是业务信道和控制信道进行组合的基本单元 由 复帧构成的超帧其时长是两类复帧的最小公倍数 因此超帧是两类复帧的基本单元 由超帧 构成的高帧是 TDMA 帧编号的基本单元 即在高帧内对 TDMA 帧顺序进行编号 当给定 TDMA 帧 号和时隙号时 则唯一地确定了突发的时隙 图 6 6 所示是它们的时隙结构关系 即有 第 6 章 空中接口的物理链路层 111 图 6 6 时帧结构 1 高帧 2048 个超帧 2715648 个 TDMA 帧 高帧时长为 3 小时 28 分 53 秒 760ms l 超帧 1326 个 TDMA 帧 超帧时长为 6 12 秒 复帧有两种结构 一种是由 26 个 TDMA 帧构成的复帧 用于业务信道 一种是由 51 个 TDMA 帧构成的复帧 用于控制信道 这样 1 超帧 51 个 26 帧的复帧 或 1 超帧 26 个 51 帧的复 帧 1 个 26 帧的业务信道复帧 26 个 TDMA 帧 时长为 120ms 1 个 51 帧的控制信道复帧 51 个 TDMA 帧 时长为 235 38ms 这样设计的两种复帧 使 2 个业务信道复帧的时长与 1 个控制 信道复帧的时长之差恰好等于 1 个 TDMA 的帧长 为 4 615ms 其目的在于使业务信道复帧的 0 557 毫秒 1TDMA 帧 8 个时隙 4 615 毫秒 控制信道复帧 235 38 毫秒 业务信道复帧 120 毫秒 47 1 超帧 1326 帧 6 12 秒 51 个 26 帧的 复帧或 26 个 51 帧的 复帧 0 1 特帧 2048 超帧 2715648 帧 3 小时 28 分 53 秒 760 毫秒 1 2 3 2044204520462047 0 1 24 25 484950 012345 01223242501248 49 50 01234567 时隙 第 6 章 空中接口的物理链路层 112 定时对控制信道复帧定时作相对移动 以便移动用户接收并解出来自周围小区的 BCCH 信息以 及监听和报告多达 6 个目标小区的射频信号强度信息 由此可见这样设计两个复帧定时关系 是特别重要的 1 个 TDMA 帧 8 个时隙 TDMA 帧长为 4 615ms 1 个时隙 156 25bits 时隙长为 0 577ms 相当 lbit 的持续时间约为 3 69us 在时隙内传 送的脉冲串叫突发 burst 突发的时长应小于时隙的时长 2 突发与逻辑信道配置 在时隙中传送的脉冲序列信号叫突发 Burst 突发是构成逻辑信道的基础 通过不同逻 辑信道的组合配置 可形成各种组合信道 用来传送业务信息和控制信息 1 突发的功能与结构 为了传送业务信息和控制信息 有如图 6 7 所示的 5 种突发结构 分述如下 a 常规突发 NB b 频率校正突发 FB c 同步突发 SB d 接入突发 AB e 虚拟突发 DB 尾尾 3 加密信息 加密信息训练序列保护时间尾位 尾位 F F 3 57 571 126 8 25 突发 0 546ms TDMA帧 0 57ms 156 25bit 持续时间 突发 0 546ms 3 3 组 3 142 固定比特尾位 尾位 保护时间 3 加密比特 加密比特训练序列保护时间尾位 尾位 3 39 39648 25 突发 0 546ms 8 加密比特 训练序列保护时间 尾位 尾位 341 3668 25 突发 0 3249ms 第 6 章 空中接口的物理链路层 113 图 6 7 突发结构 1 常规突发 Normal Burst 常规突发 NB 用于构成业务信道 TCH 以及除 FCCH SYCH RACH 和虚拟突发 DB 之外的所有控制信息信道 携带它们的业务信息和控制信息 常规突发 NB 是由加密信息 2 57bit 训练序列 26bit 尾位 2 3bit 借用 盗用 标志 F Stealing Flage 2 1bit 和保护时间 GP Guard Period 8 25bit 构成 总计 156 25bit 每 bit 持续时间为 3 6923us 共占用的时间为 0 577ms 恰等于一个时隙的时长 其中 训练序列是供信道均衡之用 尾位 TB 是此突发的开始与结束的标志 保护时间 是用来防止因定时误差造成突发间的重叠 加密信息中 包括语音 数据或控制信息 借用 盗 用 标志 F 的功能是 当业务信道被 FACCH 借用 盗用 时 竖起此标志以表示借用 盗用 一半 信道资源 2 频率校正突发 Frequency Correction Burst 频率校正突发 FB 用于构成频率校正 突发信道 FCCH 并携带频率校正信息 频率校正突发除含尾位和保护时间外 主要传送固 定的频率校正信息 142bit 3 同步突发 Synchronization Burst 同步突发 SB 用于构成同步信道 SYCH 并携带 系统的同步信息 同步突发 SB 的内容由加密信息 2 39bit 和同步序列 64bit 组成 训练 序列是供信道均衡之用 加密信息位中含有 TDMA 帧号 TN 信息和基站识别码 BSIC 信息 4 接人突发 Access Burst 接人突发 AB 用于构成移动台的随机接入信道 RACH 并 携带随机接人信息 接人突发 AB 由同步序列 41bit 加密信息 36bit 尾位 8 3bit 和 保护时间构成 其中 保护时间比上述突发的都长 占 68 25bit 即长达 252us 加密信息 和训练序列较短而保护时间较长的目的 是使移动台在不知道定时提前量的情况下能容易地 接人移动通信网 当保护时间长达 252us 时 允许小区半径为 35km 而保证小区内移动台的 随机入网 5 虚拟突发 Dummy Burst 虚拟突发 DB 的结构与常规突发 NB 相同 仅是将常规突发 中的加密信息位换成固定比特 虚拟突发 DB 的功能是 在无用户加密信息传送时 就用虚 拟突发来代替常规突发 因为 在 BCCH 载波的 0 时隙中 永远含有控制信道信息 其余的 7 个时隙是提供控制信道和业务信道之用 当这 7 个时隙是空闲时 则必须以虚拟突发 DB 来 填充 因此 虚拟突发不含有用信息 它是由固定比特和训练序列组成 如图 6 7 e 所示 2 逻辑信道的配置 逻辑信道的配置是在复帧中进行的 换句话说 复帧是逻辑信道配置的基本单元 复帧 有两种结构 即 26TDMA 帧的复帧和 51TDMA 帧的复帧 前述的逻辑信道可构成各种信道组合 常见的有全速率业务信道组合 Full RateTraffic Channel Combination TCH8 FACCH SACCH 广播信道组合 Broadcast Combination BCCH CCCH 专用信道组合 Dedicated Channel Combination SDCCH8 SACCH8 混 合 信 道 组 合 Combined Channel Combination BCCH CCCH SDCCH4 十 SACCH4 现分述如下 l 业务信道与伴随控制信道的组合 3 固定比特 固定比特训练序列保护时间尾位 尾位 F F 3 57 571 1 26 8 25 突发 0 546ms 第 6 章 空中接口的物理链路层 114 全速率业务信道组合 全速率业务信道组合信道 TCH8 FACCH SACCH 是建立在 26TDMA 帧的复帧上 下行信道和上行信道相同 如图 6 8 a 所示 为全速率业务信道 TCH F 与慢速 伴随控制信道 SACCH 的组合结构 慢速伴随控制信道 SACCH 占用第 13 帧 第 26 帧为空闲 帧 I 图 6 8 b 为两个半速率业务信道 TCH H 与慢速伴随控制信道 SACCH 的组合结构 两 个慢速伴随控制信道 SACCH 分别占用第 13 帧和第 26 帧 而全速率业务信道 TCH F 与快速 伴随控制信道 FACCH 的组合 是通过预先占用其相应业务信道 TCH 突发中的一半信息位来 实现的 半速率业务信道组合 半速率业务信道组合与全速率业务信道组合十分相似 即有 TCH16 FACCH SACCH 图 6 8 业务信道与伴随控制信道的组合 2 控制信道的组合 控制信道是建立在 51TDMA 帧的复帧上 它可有多种方式的信道组合 现分述如下 广播信道与公共控制信道的组合 广播信道与公共控制信道的组合 即 BCCH CCCH 依下行和上行信道功能的不同 它们对广播信道 BCH 与公共控制信道 CCCH 的组合也不相 同 图 6 9 示出的广播信道与公共控制信道的组合为 1BCCH 9CCCH 其中图 a 为其下行信道 组合 它是在复帧内由 FCCH F SYCH S BCCH B CCCH C 组成的 每复帧有 5 组 FCCH SYCH 共占 10 帧 1 组 BCCH 占 4 帧 9 组 CCCH 占 36 帧 BCCH CCCH 共占 40 帧 空 1 帧 I 总计 51 帧 根据系统的要求 BCCH 和 CCCH 信道配置是允许改变的 例如增多 BCCH 占用的帧数并 减少 CCCH 占用的帧数而保持共占 40 帧不变 图 b 为其上行信道组合 即 BCCH CCCH 其实 它就是全部由 RACH R 信道构成的 a b 复帧 120ms 26TDMA帧 AT T T T TT T T T TTTTTTTTTTT T T IT T 13 1 26 复帧 120ms 26TDMA帧 AT t T t Tt T t T tTtTtTtTtTt T t aT t 131 26 a b 复帧 235 38ms 51TDMA 帧 FSS C 4 C 4C 4C 4 C 4 FF F S S C 4 C 4C 4C 4B 4 F S I 组 1 10 帧 组 2 10 帧 组 3 10 帧 组 4 10 帧 组 5 11 帧 第 6 章 空中接口的物理链路层 115 图 6 9 广播信道与公共控制信道的组合 专用控制信道的组合 专用控制信道的组合即独立专用信道 SDCCH 与慢速伴随信道 SACCH 的组合 SDCCH8 SACCH8 下行信道如图6 10 a 所示 在第一个复帧中 8个SDCCH 占 32 帧 4 个 SACCH 占 16 帧 空 3 帧 计 51 帧 在第二个复帧中 仍然是 8 个 SDCCH 加 4 个 SACCH 和 3 空帧 实际上专用控制信道的组合是在 2 个 51 帧的复帧总计 102 帧中 构成的 上行信道如图如图 6 10 b 所示 它也是在 2 个复帧中构成的 图 6 10 独立专用信道与慢速随路信令信道的组合 广播信道 公共控制信道与专用控制信道的组合 广播信道 公共控制信道与专用控 制信道的组合也称混合信道组合 即 BCCH CCCH SDCCH4 SACCH4 下行信道如图 6 11 中上图 所示 它是由频率校正信道 FCCH 同步信道 SYCH 广播控制信道 BCCH 公共控制信道 CCCH 独立专用信道 SDCCH 慢速伴随信道 SACCH 组合而成的 上行信道如图 6 11 中下图所示 它是由公共控制信道中的独立专用信道 SDCCH 慢速 伴随信道 SACCH 和公共控制信道 CCCH 中的随机接人信道 RACH 组合而成的 15 RRR R R R R R R R R R R R R R R R RR RR 复帧 235 38ms 51TDMA 帧 1 2 515044 A5 4 A6 4 A7 4 I I I D0 4 D1 4 D7 4 A0 A1 4 A2 4 A3 4 I I I D0 4 D1 4 D7 4 A4 D0 4 D1 4 D7 4 A0 4 A1 4 A3 4 I I I D0 4 D1 4 D7 4 A4 4 A5 4 A7 4 I I I 复帧 235 38ms 51TDMA 帧 a b 第 6 章 空中接口的物理链路层 116 图 6 11 混合信道组合 3 信道组合与时隙 逻辑信道组合与所占时隙的关系如表 6 2 所示 表 6 2 信道组合方式与占用的时隙 信道组合方式 占用的时隙 业务信道组合 0 7 任何时隙 广播信道组合 0 2 4 6 时隙 0 时隙必须首先占用 专用信道组合 0 7 任何时隙 混合信道组合 只占用 0 时隙 系统容量与信道组合在 TDMA 帧中时隙的分配 当系统的小区为低用户容量时 采用低容量小区的时隙分配方式 如图 6 12 a 所示 即 在每一个 TDMA 帧中 混合信道 BCCH CCCH SDCCH4 SACCH4 组合只占用 0 时隙 而业务信道 组合占用 1 7 时隙 当系统的小区为高用户容量时 采用如图 6 12 b 所示的高容量小区时隙分配方式 即在 每两个 TDMA 帧中 广播信道组合占用 0 时隙 专用信道组合占用 1 时隙 业务信道组合占用 第一帧中的 2 7 时隙和第二帧中的 0 7 时隙 F D3 4 R R A2 4 A3 4 R R D0 4 D1 4 R R D2 4 D0 4 R R A2 4 A3 4 R R D0 4 D1 4 R R D2 4 4 4 4 4 4 4 1 1 1 1 23 F F F F F F F F F S S S S S S S S S S I I B 4 C 4 C 4 C 4 D0 4 D1 4D2 4 D3 4 A0 4 A1 4 B 4 C 4 C 4 C 4 D0 4 D1 4D2 4 D3 4 A0 4 A1 4 10 帧 10 帧 10 帧 10 帧 10 1 帧 第 6 章 空中接口的物理链路层 117 图 6 12 TDMA 帧中时隙的分配 6 2 4 帧偏离与定时提前量帧偏离与定时提前量 1 帧偏离 TDMA 帧 0 1 2 3 45 6 7 a 混合信 道组合 混合信 道组合 业务信道组合 TDMA 帧 0 1 2 3 45 6 7 b 混合信混合信 道组合道组合 业务信道组合 专用信专用信 道组合道组合 TDMA 帧 0 1 2 3 45 6 7 c 业务信道组合 第 6 章 空中接口的物理链路层 118 下行信道的 TDMA 帧定时和上行信道的 TDMA 帧定时的固定时间偏差称为帧偏离 GSM 中规 定帧偏离为 3 个时隙 如图 6 13 所示 帧偏离 3 个时隙的目的是简化设计 并避兔移动台同 一时隙发送和接收的必要性 而保持发送和接收的时隙号不变 图 6 13 帧偏离与定时提前量示意图 2 定时提前量 在 GSM 系统中 突发的发送和接收必须严格地在实时的时隙中进行 因此 必须保证系 统的严格同步 但是 移动用户是在小区内随机移动的 当移动台与基站距离远近不同时 其突发信号的传输时延也不同 为了克服突发信号传输时延的变化带来的定时不确定性 基 站指示移动台以一定的定时提前量来发送突发 用以补偿增加的传输时延 定时提前量是与 3 时隙帧偏离相重叠的 参见图 6 13 与定时提前量相关联的是功率控制 功率控制与通信距离有关 距离越远移动台所需发 的信号射功率越大 移动台距离基站的远近 反映在传播时延的大小 即定时提前量的大小 因此 定时提前量不仅补偿定时 而且可用来使基站和移动台调节它们的功率输出 6 3 信道编码和交织信道编码和交织 6 3 1 信道编码信道编码 信道编码用于检测和修正误比特 用于 GSM 系统的信道编码方法有三种 卷积码 分组 码和奇偶码 前向信道 TDMA 帧 1 0 1 2 3 4567 帧偏离帧偏离 3个时隙个时隙 0 123456 7 反向信道 TDMA 帧 1 定时提前量 第 6 章 空中接口的物理链路层 119 1 卷积码 卷积码仅用于纠错目的 当它们与解调器的似然估计相结合时 效果更为明显 卷积码的生成多项式有如下四种 分别用于不同的传输信道 G0 1 D 3 D4 TCH FS TCH F9 6 TCH F4 8 SDCCH BCCH PCH SACCH FACCH AGCH RACH SCH G1 1 D D 3 D4 TCH FS TCH F9 6 TCH F4 8 SACCH FACCH SDCCH BCCH PCH AGCH RACH SCH TCH F4 8 G2 1 D 2 D4 TCH F4 8 TCH F2 4 TCH H2 4 G3 1 D D 2 D3 D4 TCH F4 8 TCH F2 4 TCH H2 4 2 分组码 GSM 系统采用的法尔码 就是通常的线性分组码 进一步分类的话 法尔码属于线性分组 码中的一个重要子类 循环码 确切地说 GSM 系统所用的法尔码是缩短了的循环码 其生成 多项式为 g x x 23 1 x17 x3 1 x40 x26 x23十 x17 x3 1 该多项式的次数为 40 余数有 40 个系数 因此有 40 个冗余比特 此码的特性能检测和 纠正直至 11 位的错误群 在 GSM 系统中 此码用于检错 3 奇偶码 GSM 规范中有三种奇偶码 实际上 它们也都是线性分组码 并象法尔码一样 皆出自于 循环码 对于话音 3 位冗余码用来估计话音帧中对错误最敏感的那部分比特的正确性 其检测能 力是相当有限的 所有的一位错误型式都能被检测 但两位错误型式不能被检测 该奇偶码 的生成多项式为 g x x 3 x 1 对于 RACH 和 SCH 突发脉冲序列 分别采用 6 位和 10 位冗余编码 目的在于检错 虽然 它们具有纠错的性能 最小距离为 4 这意味着它们能检测 3 位错误 或纠正单个错误 我们 给出它们的生成多项式及因子分解如下 RACH x 6 x5 x3 x2 x 1 x 1 x5 x2 1 SCH x 10 x8 x6 x4 x2 1 x4 x3 x2 x 1 x3 x 1 x3 x2 1 x5 1 x7 1 x 1 x 1 7 3 2 交织 第 6 章 空中接口的物理链路层 120 交织的要点是把码字的 b 个比特分散到 n 个突发脉冲序列中 以改变比特间的邻近关系 n 值越大 传输特性越好 但传输时延也越大 因此必须作折衷考虑 这样 交织就与信道的 用途有关 所以在 GSM 系统中规定了几种交织方法 为了避免复杂的交织方法 最好的 b n 和每突发序列的比特数 114 之间有简单的算术交 关系 例如 b 456 比特 即 4 114 比特的一个码字可以展开成 4 组 每组 114 比特 填满整个突发序列 8 组 每组 57 比特 填满突发序列的一半 24 组 每组 19 比特 使用突发序列的 1 6 76 组 每组 6 比特 使用突发序列的 1 19 对于这些例子 一个突发序列分别包含来自 1 2 6 19 个不同码字的比特内容 表 6 3 概括了用于不同传输类型的编码和交织方法 第一列给出了信道和传输类型 输入码块 这 一列 表示信道编码前数据块的大小 以比特表示 而 输出码块 列 表示最后的编码块长 度 也以比特表示 在 编码 列中 所列参数的次序与编码次序相同 其中尾比特皆为 0 最后一列表明输出码块在突发序列上的交织深度 对于译码 则按相反次序进行 为了避免过多内容载入本书 我们仅分析全速率话音传输一种情况 据此 读者就会容 易地理解规范书中所述的其他情况 表 6 3 不同传输类型的编码和交织 编码 信 道 和 传 输类型 输 入 速 率 kbit s 输 入 码 块 比特 校验比特 尾比特 卷积码率 输出码块 比 特 交织度 突发序 列 Ia 13 50 奇偶 3 4 1 2 456 8 半速率 Ib 13 132 4 1 2 456 8 半速率 TCH FS II 13 78 456 8 半速率 TCH F9 6 TCH H4 8 12 6 240 4 60 4 1 2 收缩 32 位 每 15 删 1 456 22 复合 TCH F4 8 6 120 2 60 32 2 16 1 3 456 22 复合 TCH F2 4 3 6 72 4 1 6 456 8 半序列 TCH H2 4 3 6 144 2 72 8 2 4 1 3 456 22 复合 SCH 25 奇偶 10 4 1 2 78 1 同步序列 RACH 8 奇偶 6 4 1 2 36 1 接入序列 FACCH 184 法尔码 40 4 1 2 456 8 半序列 SACCH 184 法尔码 40 4 1 2 456 4 完整序列 第 6 章 空中接口的物理链路层 121 SDCCH BCCH AGCH PCH 6 3 2 全速率话音业务信道编码和交织全速率话音业务信道编码和交织 全速率话音业务信道 TCH FS 的输入速率为 13kbit s 即每2Oms 的一个码块含 260 比特 编码话音的信息比特在进入信道编码器之前 已按其主观评估的重要性次序作了重新安排 分为 Ia Ib 和 II 不同的类别 信道编码 则也根据它们的重要性而采用如下不同的保护方 法 I 类的 182 比特 对传输误差敏感 受编码效率为 1 2 的卷积码保护 182 比特中 有 5 0 比特为 Ia 类 它对误差最敏感 因此再外加 3 位冗余检测码作 保护 这 3 位冗余比特又受上述卷积码的保护 另外 132 比特为 Ib 类 其他 78 比特为 II 类 对传输误差不敏感 因此不受保护 1 信道编码 1 奇偶比特和尾比特 1 奇偶比特 如果 Ia 类的任一比特有差错 则用户就会听到很大的噪声 替代 2Oms 的话音段 因此 其错误的检测是很重要的 并且允许坏的码块被其他受干扰小的码块所取代 例如外插先前 的码块 Ia 类的 50 比特送入循环码编码器 进行 53 50 2 截短循环码编码 该码的生成多项 式为 g x x 3 x 1 循环码编码器的输入为 d 0 d 49 输出为 d 0 d 49 p 0 p 1 p 2 编得 的系统码 其多项式为 d 0 x52 d 1 x51 d 49 x3 p 0 x2 p 1 x p 2 其中 p O p 1 p 2 是奇偶校验位 当上式被 g x 除时 所得余式为 1 x x 2 2 尾比特和重排 将 I 类的 182 比特 d O d 181 和 3 位奇偶比特 p O p 1 p 2 进行重排 偶 数和奇数信息比特分别置于两边 奇偶比特居中 再增加 4 位 0 作为尾比特 便得到 189 比 特的输出码 u 0 u 1 u 188 其中 u k d 2k 和 u 184 k d 2k 1 k 0 1 90 u 91 k p k k 0 1 2 u k 0 尾比特 k 185 186 187 188 2 卷积编码 上述所得的 189 比特 需经码率为 1 2 的卷积码编码 其生成多项式为 第 6 章 空中接口的物理链路层 122 G0 1 D 3 D4 G1 1 D D 3 D4 图 6 14 示出了该编码器的原理框图 图 6 14 话音信道卷积码编码原理图 卷积码输出378比特 再加入II类的78比特 最后的编码输出为 c O c 1 c 455 其中 I 类 c 2k u k u k 3 u k 4 c 2k 1 u k u k 1 u k 3 u k 4 k 0 1 188 并如果 k 0 有 u k 0 II 类 c 378 k d 182 k k 0 1 77 到此 2Oms260 比特的话音帧 经信道编码后成为 2Oms456 比特 即速率为 22 8kbit s 图 6 15 示出了全速率话音的误差保护示意图 图 6 15 全速率话音的误差保护 2 交织 全速率话音码块在 8 个突发脉冲序列上进行交织 一个码块的 456 比特分成 8 组 每组 57 比特 并载于一个突发序列中 因此一个突发序列包含两个接连的话音码块 A 和 B 为了 破坏连贯比特间的邻近关系 码块 A 的比特使用突发序列中的偶数位置 而码块 B 的比特则 使用奇数位置 对于一个话音码块的传输 跨越了 8 个不同的突发序列 即交织度为 8 交织的主要缺点是相应的时延 一个码块从突发序列的第一个至最后一个的传输时间 再考虑外加一个用于 SACCH 的突发序列 则时延等于 9 8 7 65 个突发序列持续时间 即约 37 5ms C 0 C 2 C 376 C 1 C 3 C 377 u 0 u 1 u 188 输入比特 a 类 50bit b 类 132bit 类 78bit 50 132 78 3 4 奇偶校验 37878 卷积码 r 1 2 K 5 第 6 章 空中接口的物理链路层 123 交织的进行如表 6 4 所示 左栏表示编码块中序号 0 至 455 的比特位置 而右拦表示它们 在突发序列中的位置 表 6 4 全速率话音交织规则 0 8 448 突发序列 N 的偶数比特 1 9 449 突发序列 N 1 的偶数比特 2 10 450 突发序列 N 2 的偶数比特 3 11 451 突发序列 N 3 的偶数比特 4 12 452 突发序列 N 4 的偶数比特 5 13 453 突发序列 N 5 的偶数比特 6 14 454 突发序列 N 6 的偶数比特 7 15 455 突发序列 N 7 的偶数比特 57 列 因此 一个突发序列载有下述 116 比特的编码数据 取自码块 B 的 57 比特 奇数比特位置 1 比特表示这一半突发序列是否包含用户数据或用于快速随路信令方式 取自 B 1 码块的 57 比特 偶数比特位置 1 比特表示这第二个一半序列是否包含用户数据或用于快速随路信令方式 信令码块与编码话音块具有相同的长度 并且快速随路信令方式中的码块与话音码块的 设置完全相配 最后 提供图 6 16 和图 6 17 以进一步帮助读者对全速率话音码块交织的理解 其中 图 6 16 物理时隙中的 挪用 标志 SF Stealing Flag 为 0 表示业务信道 为 1 时表示控制信道 第 6 章 空中接口的物理链路层 124 图 6 16 话音帧交织到 TDMA 帧 0 1 2 3 4 5 67 0123456 7 0 1234567 码块 n 1 456 b