MF无线接口和信道ISSUE

1、MF000001无线接口与信道ISSUE1.4华为技术目 录课程说明1课程介绍1课程目标1相关资料1第1章 无线接口概述2第2章 语音信号处理过程5第3章 系统技术介绍10第4章 无线逻辑信道14课程说明课程介绍本课程介绍了GSM系统空中接口各个层次的概念，逻辑信道的分类、组成、作用，和物理信道的映射关系。本课程包括无线接口概述、语音信号处理过程、GSM系统技术介绍、无线逻辑信道共四章内容。课程目标完成本课程学习，学员能够： l 掌握无线接口分层结构和接入技术l 掌握帧、突发脉冲、逻辑信道的组成相关资料第1章 无线接口概述在公众陆地移动通信网(PLMN)中，MS通过无线信道与网络的固定部分相连

2、使用户可接入网内得到通信服务。为实现MS和BTS的互联，对无线信道上信号的传输必须作出一系列的规定，建立一套标准。这套关于无线信道信号传输的规范就是所谓的无线接口，又称Um接口。Um接口是空中无线接口，实现了移动台和BTS之间的通信，用于移动台和GSM系统固定部分之间的互通，其物理连接是通过无线电波实现。Um接口是GSM系统的诸多接口中最重要的一个。首先，完整规范的Um接口建立了不同厂家的MS与不同网络之间的完全兼容，这是GSM实现全球漫游的最基本条件之一；其次，无线接口决定了GSM蜂窝系统的频谱利用率。“Um”是套用ISDN网中客户终端和网络的接口U的名称，其中“m”表示移动的意思。第一层是

3、物理层，记为L1，为最底层，提供传送比特流所需的无线链路。它定义了GSM的无线接入能力，为高层信息的传输提供基本的无线信道（逻辑信道），包括业务信道和控制信道。有关逻辑信道的概念将有专门介绍。第二层是数据链路层，记为L2，为中间层，使用LAPDm协议。它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制，保证在移动台和基站之间建立可靠的专用数据链路。LAPDm协议是基于ISDN中D信道链路接入协议（LAPD），考虑了无线传播与控制特性，使它适合于在Um口上传送。第三层为网络应用层，记为L3，是最高层。它包括各类消息和程序，对业务进行控制和管理，即把移动台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

4、的逻辑信道上。L3包括无线资源管理（RR）、移动性管理（MM）和接续管理（CM）3个子层，这就是Um口上传递的主要消息内容。其中接续管理子层中包括三大部分，分别是：CC（呼叫控制业务）、SS（补充业务）和SMS（短消息业务）。GSM系统在空中接口采用多址接入技术，多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现多址的方法基本上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。频分多址频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道

5、可以传输一路话音或控制信息。在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。模拟蜂窝系统是采用FDMA接入技术的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM系统就采用了FDMA。时分多址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，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。此多址方式在数字蜂窝系统中采用，GSM系统也采用了此种方式。码分多址它是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。它不像TDMA、FDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传

6、输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间信息交叠。第2章 语音信号处理过程无线信道具有和有线信道完全不同的特性。首先，无线信道具有显著的时变特性，信号受到各种干扰、多径衰落和阴影衰落的影响，呈现高误码率特性。为了解决无线信道传输带来的问题，从原始的用户数据或信令数据到无线电波所携带的信息，再还原成用户数据或信令数据，需要进行一系列的变换与反变换，实现对所传输信号的必要保护。这些变换大致包括信道编码与解码、交织与去交织、突发脉冲格式化、加密与解密、调制与解调等。对于话音来说，通过一个模/数转换器，实际上是经过8KHZ抽样、量化后变为每125us含有13bit的码流；每20ms为一段，再经语音编码

7、后降低传码率为13Kbit/s；经信道编码变为22.8Kbit/s；再经码字交织、加密和突发脉冲格式化后变为33.8kbit/s的码流，经调制后发送出去。接收端的处理过程相反。现代数字通信系统往往采用话音压缩编码技术，GSM也不例外。它利用语声编码器为人体喉咙所发出的音调和噪声，以及人的口和舌的声学滤波效应建立模型，这些模型参数将通过TCH信道进行传送。语音编码器是建立在残余激励线性预测编码器（REIP）的基础上的，并通过长期预测器（LTP）增强压缩效果。LTP通过去除话音的元音部分，使得残余数据的编码更为有利。语音编码器以20ms为单位，经压缩编码后输出260bits，因此码速率为13kbp

8、s。根据重要性不同，输出的比特分成182bits和78bits两类。较重要的182bits又可以进一步细分出50个最重要的比特。与传统的PCM线路上语声的直接编码传输相比，GSM的13kbps的话音速率要低得多。未来的更加先进的话音编码器可以将速率进一步降低到6.5kbps（半速率编码）。为了检测和纠正传输期间引入的差错，在数据流中引入冗余通过加入从信源数据计算得到的信息来提高其速率，信道编码的结果是一个码字流；对话音来说，这些码字长456比特。由语音编码器中输出的码流为13Kbit/s，被分为20ms的连续段，每段中含有260比特，其中特细分为：50个非常重要的比特132个重要比特78个一般

9、比特对它们分别进行不同的冗余处理，如上图所示。其中，块编码器引入3位冗余码，激变编码器引入2倍冗余后再加4位尾比特。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。具体原理见有关资料，在这里就不再赘述了。语音信号在经过信道编码后，如果直接调制发射出去，则由于移动通信信道的变参作用，持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特，使比特差错经常是成串的发生，也就是说，在编码后，语音组成的是一系列有序的帧。而在传输时的比特错误通常是突发性的，这将影响连续帧的正确性。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，希望找到把一条消息中的连续比特分开的办法，即一条消

10、息的相继比特以非相继的方式被发送，使突发差错信道变为离散信道，这样，即使出现差错，也仅是单个或很短的比特流出错，不会导致整个突发脉冲甚至整个消息块都无法被解码，信道编码就会起作用，将错误比特恢复，这种方法就叫做交织技术。交织技术是分散误码的最有效的组码方法。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。在GSM系统中，采用二次交织方法。由信道编码后提取出的456比特被分为8组，每组57比特，这就是第一次交织，也叫内部交织，如图所示。通过一次交织，组内连续消息被分散

11、打乱。而一个突发脉冲携带有两段57比特的声音信息，显然，如果将一个连续的20ms语音块一次交织后的2组57比特插入到同一突发脉冲序列中，那么，该突发脉冲丢失会使该20ms话音块损失25%的比特，信道编码难以恢复出这么多比特，因此，必须要在两个语音块间再进行一次交织，即块间交织，也就是第二次交织。其中，前后3个尾比特用于消息定界，26个训练比特，训练比特的左右各1个比特作为挪用标志。假设语音块B被分成8组，将前四组（B0，B1，B2，B3）与上一个语音块A的后四组（A4，A5，A6，A7）进行块间交织，形成（B0，A4）、（B1，A5）、（B2，A6）、（B3，A7）四个突发脉冲，为了打破相连比

12、特的相邻关系，A块的比特占用突发脉冲的偶数位置，块B的比特占用奇数位置，如B0占一个突发脉冲的奇数位，A4占偶数位。同理，将B的后四组和下一块C的前四组进行交织。这样，一个20ms的语音块经过二次交织后分别插进了8个不同的突发脉冲序列中，然后一个个的被发送，在传输过程中即使丢失了一个脉冲串，也只影响一个语音块的12.5%，而且他们互不关联，能够通过信道编码进行校正。对控制信息的二次交织有些不同，交织方式为（B0，B4）、（B1，B5）、（B2，B6）、（B3，B7）。有关突发脉冲的概念将在后面叙述。第3章 系统技术介绍信号在空间传输是有延迟的，如移动台在呼叫期间向远离基站的方向移动，则从基站发

13、出的信号将“越来越迟”的到达移动台，与此同时，移动台的信号也会“越来越迟”的到达基站，延迟过长会导致基站收到的某移动台在本时隙上的信号与基站收下一个其它移动台信号的时隙相互重叠，引起码间干扰，因此，在呼叫进行期间，移动台发给基站的测量报告头上携带有移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达的时间，并在下行信道上以480ms一次的频率向移动台发送指令，指示移动台提前发送的时间，这个时间就是TA（时间提前量），TA的值域是063（0233s），它被GSM定时提前的编码063bit所限，使GSM最大覆盖距离为35km，计算如下：1/2*3.7us/bit*63bit*c=35km其中，3.7s/bi

14、t为每bit时长（156/577），63bit为时间调整最大比特数，c为光速（信号传播速度）。1/2考虑了信号的往返。根据上述，1bit对应的距离是554m，由于多径传播和MS同步精度的影响，TA误差可能会达3bit左右（1.6km)。当手机处于空闲模式时，它可以利用SCH信道来调整手机内部的时序，但它并不知道它离基站有多远。如果手机和基站相距30km 的话，那么手机的时序将比基站慢100s 。当手机发出它的第一个RACH信号时，就已经晚了100s ，再经过100s的传播时延，到达基站时就有了200s 的总时延，很可能和基站附近的相邻时隙的脉冲发生冲突。因此，RACH和其它的一些信道接入脉冲将

15、比其它脉冲短。只有在收到基站的时序调整信号后（TA），手机才能发送正常长度的脉冲。在我们的这个例子中，手机就需要提前200s发送信号。在语音信号经处理，调制后发射时，还会采用跳频技术即在不同时隙发射载频在不断地改变（当然，同时要符合频率规划原则）。引入跳频技术，主要是出于以下两点考虑。由于过程中的衰落具有一定的频带性，引入跳频可减少瑞利衰落的相关性。由于干扰源分集特性：在业务密集区，蜂窝的容量受频率复用产生的干扰限制，因为系统的目标是满足尽可能多用户的需要，系统的最大容量是在一给定部分呼叫由于干扰使质量受到明显降低的基础上计算的，当在给定的C/I值附近统计分散尽可能小时，系统容量较好。我们考虑

16、一个系统，其中一个呼叫感觉到的干扰是由许多其它呼叫引起的干扰电平的平均值。那么，对于一给定总和，干扰源的数量越多，系统性能越好。GSM系统的无线接口采用了慢速跳频（SFH）技术。慢速跳频与快速跳频（FFH）之间的区别在于后者的频率变化快于调制频率。GSM系统在整个突发序列传输期，传送频率保持不变，因此是属于慢跳频情况，如图所示。GSM系统允许有64种不同的跳频序列，对它的描述主要有两个参数：移动分配指数偏置MAIO和跳频序列号HSN。MAIO的取值可以与一组频率的频率数一样多。HSN可以取64个不同值。在以后内容中，对跳频和相关参数会有详细介绍。在通信过程中，其实移动用户仅有40%的时间用于通

17、话，大部分时间都没有有用信息传递，如果将这些信息全部传递给网络的话，这不但会对系统资源造成浪费，而且也将使系统内干扰加重。针对这种情况，GSM采用了DTX技术，即在没有话音信号传输时就禁止传送无线信号，从而使干扰电平降低来提高系统的效率。此外，该机制还可以节省移动台电池，从而延长移动台待机时间。当然，在传递数据时，该功能不使用。GSM系统有两种传输模式，一种是正常模式，在这种情况下，噪声将与话音具有同样的传输质量，另一种便是不连续发射模式，在这种情况下，移动台将仅传送噪声信号，这种噪声是人为制造的，原则是不会让听者厌烦，也不会让听者认为通话中断，因此称为“舒适噪声”，舒适噪声的传送满足了系统测

18、量的需要，DTX传送模式，每480ms时间只传送260bit编码，而在正常模式下，每20ms将产生260bit的编码。在DTX模式下，这260bit将生成SID(Silence Descriptor，静音描述)帧，象话音帧一样，经历信道编码、交织、加密和调制，最后在被8个连续的突发脉冲发送出去。在其他时间上，不发送任何消息。DTX模式是可选的，但在DTX模式下，传输质量会稍有下降，特别是通信双方都是移动用户时，由于DTX将在同一路径上使用两次，因此，影响更严重。另外，为了实现DTX功能，信源必须能够指示出什么时候进行不连续传输，什么时候停止，编码器还必须能检测出信号是话音还是噪声，这就要用到V

19、AD技术。VAD算法通过比较测量所得的信号能量和本身所定义的门限值来决定每一输出帧包含的是语音还是背景噪声。判断的原则是：噪声的能量总是要比话音能量低。信号在无线传送过程中，为了减少干扰，提高频谱利用率，延长电池寿命，会改变传送功率，这就叫功率控制。功率控制是指在一定范围内，用无线方式来改变移动台或基站的传输功率，它的目的和不连续发射的目的是相同的。当接收端接收电平和质量很好时，可以适当的降低发端的发射功率，使通信保持在一定的水平上，这样就能减少对周围其它呼叫的干扰。具体过程将结合华为功率控制算法在后续内容中进行描述。第4章 无线逻辑信道GSM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

20、脉冲序列（Burst），简称突发序列，它是一串含有百来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（Slot）。确切地说，在系统频段内，每200KHz设置隙缝的中心频率（以FDMA角度观察），而隙缝在时间上循环地发生，每次占15/26ms 即近似为0.577ms（以TDMA角度观察）。在给定的小区内，所有隙缝的时间范围是同时存在的。这些隙缝的时间间隔称为时隙（Time Slot），而它的持续时间被用作为时间单元，标为BP，意为突发脉冲序列周期（Burst Period）。我们可用时间/频率图把隙缝画为一个小矩形，其

21、长为15/26ms、宽为200KHz，如图所示。类似地，我们可把GSM所规定的200KHz带宽称为频隙（Frequency Slot），相当于GSM规范书中的无线频道（Radio Frequency Channel），也称射频信道。时隙和突发脉冲序列两术语，在使用中带有某些不同的意思。例如突发脉冲序列，有时与“时-频”矩形单元有关，有时与它的内容有关。类似地，时隙含有其时间值的意思，或意味着在时间上循环地使用每八个隙缝中的一个隙缝。使用一个给定的信道就意味着在特定的时刻和特定的频率，也就是说在特定的隙缝中传送突发脉冲序列。通常，一个信道的隙缝在时间上不是连续的。一个TDMA帧包含8个基本的时隙

22、，每一个时隙就是一个基本的物理信道。物理信道（Physical Channel）采用频分和时分复用的组合，它由用于基站（BS）和移动台（MS）之间连接的时隙流构成。这些时隙在TDMA帧中的位置，从帧到帧是不变的。图示出了TDMA帧的完整结构，还包括了时隙和突发脉冲序列。必须记住，TDMA帧是在无线链路上重复的“物理”帧。每一个TDMA帧含8个时隙，共占60/134.615ms。每个时隙含156.25个码元，占15/260.577ms。多个TDMA帧构成复帧（Multiframe），其结构有两种，分别含连贯的26个或51个TDMA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26

23、帧的复合帧其周期为120ms，用于业务信道及其随路控制信道。其中24个突发序列用于业务，2个突发序列用于信令。含51帧的复合帧其周期为3060/13235.385ms，专用于控制信道。多个复帧又构成超帧，（Super frame）它是一个连贯的51×26TDMA帧，即一个超帧可以是包括51个26TDMA复帧，也可以是包括26个51TDMA复帧。超帧的周期均为1326个TDMA帧，即6.12秒。多个超帧构成超高帧（Hyper frame）。它包括2048个超帧，周期为12533.76秒，即3小时28分53秒760毫秒。用于加密话音和数据，超高帧每一周期包含2715648个TDMA帧，这

24、些TDMA真按序编号，依次从0至2715647，帧号在同步信道中传送。帧号在跳频算法中也是必须的。逻辑信道（Logical Channel）是在一个物理信道中作时间复用的，它是根据物理信道上传送的消息类型来划分的。不同逻辑信道用于BS和MS间传送不同类型的信息，例如信令或数据业务。在GSM建议中，对不同的逻辑信道规定了五种不同类型的突发脉冲序列，它们有不同的时间幅值图。如图所示。训练序列位于突发脉冲序列中间，起着中间对位作用，有利于解调。对于FB和DB而言，没有训练序列；对于SB和AB而言，其训练序列是固定的,就是同步比特；对NB而言，规范中规定了8种不同的训练序列。NB的8种不同的训练序列从

25、07编号，称为训练序列号。把有明显差异的训练序列分配给在距离较近、可能相互干扰的小区中使用的相同频率的信道，可以在解调时有效地去除同频干扰的影响。我们知道，每个小区都有若干载频，每个载频都有8个时隙，也就是提供8个基本的物理信道，在无线子系统中，物理信道支撑着逻辑信道，根据物理信道上传送的消息类型，物理信道映射为不同的逻辑信道。在GSM系统中，逻辑信道可分为专用信道（DCH）和通用信道（CCH）两大类，有时也可分为业务信道和控制信道两大类。业务信道（TCH）载有编码的话音或用户数据，它有全速率业务信道（TCH/F）和半速率业务信道（TCH/H）之分，两者分别载有总速率为22.8和11.4kbi

26、t/s的信息。使用全速率信道所用时隙的一半，就可得到半速率信道。因此一个载频可提供8个全速率或16个半速率业务信道。频率校正信道（FCCH），携带有MS和BTS进行频率校正的信息。控制信道（CCH）用于传送信令或同步数据。它主要有三种：广播信道（BCCH）、公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）。l 频率校正信道（FCCH）载有供移动台频率校正用的信息，通过FCCH，MS就可以定位一个小区并解调出同一小区的其它信息。通过FCCH，MS也可以知道该载频是不是BCCH载频。l 同步信道（SCH）在FCCH解码后，MS接着要解出SCH信道消息，该消息含移动台帧同步和基站识别的信息：基站识

27、别码（BSIC），它占有6个比特其中3个比特为07范围的PLMN色码，另3个比特为07 范围的基站色码（BCC）。简化的TDMA帧号（RFN），它占有22个比特。l 广播控制信道（BCCH）通常，在每个基站收发信台中总有一个收发信机含有这个信道，以向移动台广播系统消息，这些系统消息使得MS可以在空闲模式下有效工作。l 寻呼信道（PCH）这是一个下行信道，用于寻呼被叫的移动台，当网络想与某一MS建立通信时，它会根据MS当前所登记的LAC向该LAC区域内所有小区通过PCH信道发寻呼消息，标示为TMSI或IMSI。l 准予接入信道（AGCH）这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网请求作出应答，即分

28、配一个SDCCH或直接分配一个TCH。l 随机接入信道（RACH）上行信道，用于移动台随机提出入网申请，请求分配一个SDCCH，请求包括3bit的建立原因（呼叫请求、寻呼响应、位置更新请求以及短消息请求等）和5bit的参考随机数供MS区别属于自己的接入允许消息。l 独立专用控制信道（SDCCH）是双向专用信道，传送建立连接的信令消息、位置更新消息、短消息、鉴权消息、加密命令、信道分配消息、以及各种附加业务等。可分为独立专用控制信道（SD/8）与CCCH相组合的专用控制信道（SD/4）。l 慢速随路控制信道（SACCH）与业务信道或SDCCH联用，在传送用户信息期间带传某些特定信息，上行链路主要

29、传递无线测量报告，下行链路主要传递部分系统消息。这些消息包括通信质量、LAI、CELL ID、邻区BCCH信号强度、NCC限制、小区选项、TA、功率控制级别等。l 快速随路控制信道（FACCH）与TCH联用，用于在传输过程中给系统提供比慢速随路控制信道（SACCH）速度和及时性高得多的信令信息。通过从业务信道借取帧来实现接续，传送如“越区切换”等指令信息。由于话音译码器会重复最后20ms的话音，所以这种偷帧中断不会被用户察觉。除了上述三类控制信道外，还有一种小区广播控制信道（CBCH），它用于下行线，载有短消息业务小区广播（SMSCB）信息，使用像SDCCH相同的物理信道。其中CCCH=PCH

30、+RACH+AGCH；对于下行CCCH=PCH+AGCH，对于上行CCCH=RACH；上述组合的第3和第4种，必须分配到小区配置的BCCH载频的时隙0位置上，第五种必须配置到BCCH载频的2、4、6时隙。FACCH工作在偷帧模式，不固定分配时序。另外，SACCH/C4和SACCH/C8的循环复帧周期为102帧。GSM的TDMA/FDMA复路接入，MS对BTS的同步所需要的信息是由FCCH+SCH提供的。MS通过寻找FCCH上发送的频率校正Burst来确定BCCH载频所在频点，然后根据SCH与FCCH的关系找到SCH同步信道，译码出当前帧号以及BSIC，与BTS同步，并确定当时的小区是否是被允许

31、接入的合法小区。进而解码出BCCH上的系统消息，确定小区结构。在扩展BCCH中，除F、S时隙为Idle时隙外，其余结构同主BCCH相同。l 用于低密度、小容量小区的配置，只配置在时隙0l 信道组合：FCCHSCHBCCH CCCH+SDCCH/4+SACCH/4l SDCCH/4：独立专用控制信道，每51帧TDMA复帧有4个SDCCHl SACCH/4：慢速、SDCCH/4随路控制信道与主BCCH信道相比，增加了4条信令信道，这4条信令信道的功能与SDCCH8信道的功能相同。因此这个信道组合可以看作是以上两种信道的功能的一种组合。这种组合带来的影响表现在两个方面：一是CCCH上的AGCH+PCH的数量减少，只能支持小容量的系统；二是提供了一定数量的信令信道，在小容量的系统中不再需要增加SDCCH8信道。这种适用于小容量系统的信道支持也是GSM灵活组网的一种体现。信道组合：S