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TMSG-CP02 V1.0 第五章 空中接口上的信道 内部资料 不得外传
第五章目标
通过本章学习，学生应该能够：
1．理解调制GSM信号的GMSK调制方式。
2．说出四种最常用的组合信道并理解采用的原因。
3．理解采用复帧、超帧和巨帧的原因。

模拟和数字信号的发射

GSM采用数字空中接口的主要原因：
i 抗噪声能力强，能增加频率复用率，减小干扰。
i 可采用差错校正技术，保证传输话务的可靠性。
i 为移动用户增加了保密性，为系统操作员增加了安全性。
i 可与ISDN兼容，使用标准化开放式接口，并能为用户提供范围更广的业务。

调制技术
信号要在空中发送需要经过调制，有三种调制技术：
i幅度调制
对于模拟信号来说易于实现，但抗噪声性能差。
i频率调制
实现起来复杂一些，但是抗噪声性能较好。
i相位调制
抗噪声性能最好，但是对于模拟信号来说实现起来过于复杂，
所以也很少使用。

数字信号可以采用以上任何一种调制方式，其中，相位调制的抗噪声性能最好。因为相位调制对数字信号而言易于实现，所以GSM空中接口采用了这种调制方法。相位调制对于数字信号而言也称为相移键控PSK（Phase Shift Keying）。

调制技术

1. 幅度调制 (AM- Amplitude Modulation)

2. 频率调制 (FM- Frequency Modulation)

3.相移键控 (PSK- Phase Shift Keying)
数字信号的发射
虽然相位调制抗噪声性能很好，但是还存在一个问题，当信号突然改变相位时，会产生高频分量，需要较宽的发射带宽。
GSM系统必须有效的利用有限的频段，所以在GSM空中接口没有简单的采用这种相位调制技术，而是采用一种更有效的、改进型的相位调制技术，称为高斯最小相移键控GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying）

高斯最小相移键控GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying）
如果采用二进制相移键控BPSK（Binary Phase Shift Keying），当数字信号从“1”到“0”或从“0”到“1”时，载频的相位随之立即变化，采用GMSK后，相位的变化需经过一个时间段，这样减少了高频分量。
采用GMSK时，数字信号首先经过一个高斯滤波器，使之变形，减少信号的锐变。变形后的信号再用于载波的相位调制，这样载波的相位就不会即时的变化，而是缓慢的变化。

频谱

功率

频率
发射的信号
高斯数字滤波器
相位调制
物理和逻辑信道
物理信道是指传输信息的媒介，在陆地接口中就是指电缆。逻辑信道由物理信道上传输的信息组成。

GSM物理信道
单个GSM RF载频可以支持8个移动用户同时通话。如对面图所示，每个通话的信道占用载频的八分之一的时间，这种技术称为时分复用。
时间被分成了多个时间段，每个时间段称为一个“时隙”，时隙按顺序排列，并编号为0到7。每这样的8个时隙序列称为一个“TDMA帧”。
每个移动电话通话都会占用一个时隙，直到通话结束或发生切换。根据信道类型TDMA帧被组建成了多种结构。在后面将会讲到空中接口的信息如何在帧与复帧中发送，以及相关的定时。
与移动台之间收发信号的定时对于系统正常工作非常关键。移动台和基站都必须在适当的时间发射和接收信号，否则就会错过它应该所在的时隙，一个时隙里所传的信息也称为一个突发脉冲序列（Burst）。
每个数据突发脉冲序列在TDMA帧中对应一个分配给它的时隙，能提供一个GSM物理信道，而一个物理信道可以用于传送MS和BTS之间的多种逻辑信道。

时隙和TDMA帧

Timeslot(时隙)
Burst(突发脉冲序列)
GSM逻辑信道
GSM空中接口有两种逻辑信道：业务信道（Traffic Channel）和控制信道（Control Channel）。

业务信道TCH（Traffic Channel）
业务信道用于传送话音和数据信息。共有以下几种业务信道：
l 全速率（Full rate）
TCH/FS: 话音 ( 业务信息13kbit/s , 全部信息
22.8kbit/s gross )
TCH/EFR: 话音 ( 业务信息12.2kbit/s , 全部信息
22.8kbit/s gross )
TCH/F9.6: 9.6kbit/s – 数据
TCH/F4.8: 4.8kbit/s – 数据
TCH/F2.4: 2.4kbit/s – 数据
l 半速率（Half rate）
TCH/HS: 话音（业务信息6.5kbit/s，全部信息
11.4kbit/s）
TCH/H4.8 4.8kbit/s – 数据
TCH/H2.4 2.4kbit/s – 数据

缩略语：
TCH Traffic Channel 业务信道
TCH/FS Full rate speech channel 全速率业务信道
TCH/HS Half rate speech channel 半速率业务信道
TCH/9.6 Data channel 9.6kb/s9.6kb/s 数据信道
TCH/4.8 Data channel 4.8kb/s4.8kb/s 数据信道
TCH/2.4 Data channel 2.4kb/s2.4kb/s 数据信道

话音信道
话音信道有两种不同的编码方法：全速率FR（Full Rate）和增强型全速率EFR（Enhanced Full Rate）。在相同空中接口带宽的条件下，增强型全速率编码与全速率话音编码相比，能提供更好的话音质量。EFR采用了一种新的话音编码算法，能提供更好的话音质量，但是只有Phase 2+以上的移动台才支持EFR。
空中接口的信道

TCH
Traffic Channels(业务信道)

NB
NB

Data(数据)
Speech(话音)

TCH/HS
TCH/FS

TCH/2.4
TCH/9.6

TCH/4.8
TCH/EFR

TCH

FACCH
SACCH

缩略语
NB = 常规突发脉冲序列
SACCH = 慢速随路控制信道
FACCH = 快速随路控制信道

GSM控制信道
GSM控制信道包括：广播控制信道BCCH (Broadcast Control Channel);通用控制信道CCCH (Common Control Channel);专用控制信道DCCH (Dedicated Common Control Channel).
BCCH类
广播控制信道仅是下行信道(从基站到移动台),包括:
iBCCH广播控制信道,用来发送网络相关的信息。该信道是连续发射的,供周围小区中的移动台测量其信号强度。
iSCH（Synchronizing Channel）同步信道，用来发送帧同步信息和BSIC码。
iFCCH（Frequency Control Channel）频率控制信道，发射载波同步信息。
CCCH类
通用控制信道类是双向的，即包括上行和下行两个方向：
iRACH（Random Access Channel）随机接入信道是上行信道用于移动台接入系统。
iPCH（Paging Channel）寻呼信道和AGCH（Access Granted Channel）接入允许信道都是下行的，AGCH用于给MS分配资源，如SDCCH。PCH用于系统寻呼移动台。PCH和AGCH从不同时使用。
iCBCH（Cell Broadcast Channel）小区广播信道，用于向小区内所有的移动台广播信息，如话务信息等。
DCCH类
专用控制信道在移动台呼叫建立或用户身份验证时，唯一的分配给该移动台。DCCH包括：
iSDCCH（Standalone Dedicated Control Channel）独立专用控制信道，用于移动台在呼叫建立或做用户身份验证时，向移动台发送或接收数据。
i随路控制信道（Associated Control Channel），包括慢速随路控制信道SACCH（Slow Associated Control Channel）和快速随路控制信道FACCH（Fast Associated Control Channel）。SACCH用于无线链路功率测量及传送功率控制消息。FACCH用于传送“事件”型消息，如切换消息。FACCH和SACCH都工作在上行和下行两个方向。
缩略语
NB = 常规突发脉冲序列 FB = 频率校正突发脉冲序列
AB = 接入突发脉冲序列 DB = 填充突发脉冲序列
SB = 同步突发脉冲序列
控制信道

CCH
Control Channel(控制信道)

NB

NB/AB

BCCH
仅为下行
DCCH

NB/DB
ACCH
SDCCH

同步信道
BCCH

SB
FB
SACCH
FACCH

SCH
FCCH

CCCH

AB

NB

CBCH
-下行
RACH
-上行

NB

PCH/AGCH
-下行

名词缩写
BCCH Broadcast Control Channel CCCH Common Control Channel
DCCH Dedicated Control Channel PCH Paging Channel
RACH Random Access Channel CBCH Cell Broadcast Channel
ACCH Associated Control Channel AGCH Access Granted Channel
SDCCH Standalone Dedicated Control Channel

GSM逻辑信道
控制信道
广播控制信道BCCH（Broadcast Control Channel）
BTS在所有时间都发送广播控制信道，用来载送BCCH的无线载频称为BCCH载频，当移动台开机但没有通话时，会周期性的监测BCCH中的信息（至少每30秒）

广播控制信道BCCH中传送的信息有：
i位置区识别号LAI （Location Area Identity）
i移动台应监测的相邻小区列表
i本小区使用的频率列表
i小区识别号
i功率控制指示
i是否允许不连续发射DTX（Discontinuous Transmission）
i接入控制（如紧急呼叫、呼叫阻断）
i小区广播信道描述。

BCCH总是在所有的时刻以恒定功率发射，使所有可能会用到它的移动台能测量它的信号强度。当BCCH没有信息发送时就发送填充比特，或称为填充突发脉冲序列。
l 频率校正信道FCCH（Frequency Correction Channel）
该信道在BCCH时隙频繁发送，使移动台能同步到基站的频率。FCCH只会在BCCH载频的时隙0发射，相当于时隙0的标志，使移动台能识别到时隙0。
l 同步信道SCH（Synchronizing Channel）
SCH传送的信息使移动台能同步到TDMA帧结构，以及使移动台能知道时隙的定时。另外还包括以下信息：
Ø 帧号
Ø 基站身份识别码BSIC（Base Site Identity Code）

移动台将会监视相邻小区中BCCH的信息，并存储信号最强的6个小区的信息。这些小区的SCH信息也被存了下来，以便移动台到了一个新小区时，可以快速的与之同步。
广播控制信道 BCCH
(Broadcast Control Channel)

CCH
控制信道
FCCH
SCH
BCCH
同步信道
BCCH
广播控制信道
-仅为下行
GSM逻辑信道
控制信道
通用控制信道CCCH（Common Control Channel）
通用控制信道用于在BTS和移动台之间传送控制信息，完成呼叫建立和呼叫寻呼功能
通用控制信道包括：
l 随机接入信道RACH（Random Access Channel）
移动台在发起呼叫或响应寻呼时须接入到系统，这时将使用到RACH信道。
l 寻呼信道PCH（Paging Channel）
用来寻呼MS。（可以通过IMSI、TMSI或IMEI来寻呼移动台）
l 接入允许信道AGCH（Access Grant Control Channel）
BTS在RACH上收到MS的接入消息后，通过AGCH给MS分配专用控制信道，MS再转到专用信道上继续呼叫处理。MS的呼叫处理可能是呼叫建立、寻呼响应、位置更新或短消息业务。
l 小区广播信道CBCH（Cell Broadcast Channel）
该信道用来传送需要广播到小区中所有移动台的信息。CBCH用专用控制信道来发送信息，但被看作是通用信道，因为小区中所有的移动台都能收到它发送的消息。

激活的移动台必须频繁的监视BCCH和CCCH，CCCH和BCCH在相同载频上发送。

名词缩写
CCCH Common Control Channel 公共控制信道
RACH Random Access Channel 随机接入信道
PCH Paging Channel 寻呼信道
AGCH Access Granted Channel 接入允许信道
CBCH Cell Broadcast Channel 小区广播信道

CCH
控制信道
公共控制信道 CCCH
(Common Control Channel)
PCH/AGCH
－下行
CBCH
－下行
RACH
－上行
CCCH
公共控制信道
-双向
GSM逻辑信道
控制信道
专用控制信道DCCH（Dedicated Control Channel）
DCCH是RF载频中的一个时隙，该时隙用来传送8个独立专用控制信道SDCCH(Stand-alone Dedicated Control Channels)。一个SDCCH可以供一个MS做呼叫建立、鉴权、位置更新和点到点的短消息。
后面我们将会看到，在BCCH/CCCH时隙中也会有SDCCH，但这种配置只允许有4个SDCCH。

随路控制信道ACCH（Associated Control Channel）
ACCH可以和SDCCH或TCH用在一起，随SDCCH或TCH发送一些相关信息。
l 慢速随路控制信道SACCH（Slow Associated Control Channel）在下行方向传送功率控制和定时信息，在上行方向传送RSSI和链路质量报告。
l 快速随路控制信道FACCH（Fast Associated Control Channel）FACCH在TCH上发送。FACCH从TCH“偷”一个突发脉冲序列（Burst），插入自己的信息发送出去。FACCH用于传送用户鉴权和切换信息。

不同的用户可以在不同的时隙共用同一个无线信道，多个控制信道可以在不同时间共用一个无线信道的一个时隙，这样可以有效的传送控制信息而不会降低网络容量，所以我们需要把业务信道的时隙和控制信令的时隙很好的组织在一起。

名词缩写：
SDCCH Standalone Dedicated Control Channel
独立专用控制信道
SACCH Slow Associated Control Channel
慢速随路控制信息
FACCH Fast Associated Control Channel
快速随路控制信道

CCH
控制信道
SACCH
FACCH
ACCH
SDCCH
DCCH
专用控制信道
-双向
专用控制信道
GSM逻辑信道
信道组
前面讲到的各种逻辑信道总是组合在一起，成为信道组，共有四种最常见的组合组：
l 全速率业务信道组----TCH8/FACCH+SACCH
l 广播信道组-----BCCH+CCCH
l 专用信道组-----SDCCH8+SACCH8
l 组合信道组-----BCCH+CCCH+SDCCH4+SACCH4

半速率信道组(如果采用的话)和全速率信道组相似。
l 半速率业务信道组----TCH16/FACCH+SACCH

信道组与时隙
以上所说的信道组通过一个选定的时隙在空中接口发送。有的信道组可以在任意时隙发送,但有的信道必须在特定时隙发送,以下这张表中是信道组与时隙的对应关系.

信道组
时隙
业务(Traffic)
任意时隙
广播(Broadcast)
0,2,4,6,(必须先用0)*
专用(Dedicated)
任意时隙
组合(Combined)
只能用0

对面图示了信道组映射到TDMA帧中的结构。
* 如果广播信道组被分配到了时隙2、4或6，那么FCCH和SCH将被填充突发脉冲序列代替，因为这些信道只能在时隙0 出现。

注：
每个小区只需要一个BCCH/CCCH 时隙（不是RF载频）
时隙和TDMA帧

低容量小区
高容量小区
复帧与定时
每个TDMA帧有8个时隙，使8个物理信道共用一个无线载频。多个逻辑控制信道和业务信道可以共用一个物理信道。
要理解多个不同的逻辑信道如何共用一个物理信道，须先介绍GSM复帧结构。

26帧业务信道复帧
对面图示了时隙、TDMA帧及26帧复帧与时间之间的关系。某些时间是近似值，因为GSM规范中是用分数来确切规定时间值的，如：一个时隙的确切时长是15/26ms。

注：
在26帧业务信道复帧中，帧12（第13帧）被用作慢速随路控制信道SACCH，用来在MS和BTS之间传送链路控制信息。小区给每个业务信道分配的时隙都是这种格式，也就是说最开始是12个突发脉冲序列（Burst）的业务信息，接下来是1个Burst的SACCH，然后是12个Burst的业务信息和一个空闲的Burst。
一个26帧业务信道复帧持续的时长是120ms（共有25个TDMA帧）。
当采用半速率时，26帧业务复帧中每个用来传业务的帧可以传两路MS用户通话（空中接口中MS的数据速率是原来的一半）。尽管业务数据速率减半了，但SACCH信息没有少，所以要把原来空闲的帧25也用作SACCH。
26帧业务信道复帧

空闲
帧
时隙

复帧

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复帧与定时

51帧控制信道复帧
用于控制信道的51帧复帧结构比用于业务信道的26帧复帧要复杂得多。根据控制信道类型及网络提供者的要求，51帧的控制信道复帧有几种不同的形式。
51帧控制信道复帧

时间
复帧
帧
时隙

复帧与定时
51帧控制信道复帧----BCCH/CCCH
对面图示的是BCCH/CCCH 51帧复帧结构，这种结构用在BCCH载频（小区中BCCH所在的载频）每个TDMA帧的时隙0中，图中垂直方向每一格表示一次时隙的重复（经过了一个TDMA帧），最底下一格是最先一次发送的时隙，编号为0。
图中可见，在上行方向（MS到BSS），所有的时隙0都分配给了RACH，很显然，因为RACH是BCCH/CCCH信道组中唯一工作在上行方向的控制信道。在下行方向（BSS到MS），从51帧结构的帧0开始，帧0的时隙0用于发送频率突发脉冲序列（Frequency Burst，图中用“F”表示），帧1的时隙0用于发送同步突发同步脉冲序列（Synchronizing Burst图中用“S”表示），接下来4帧，即帧2到帧5的时隙0用作了BCCH（图中用“B”表示），发送BCCH数据。再接下来4帧。帧6到帧9的时隙0用作了CCCH（图中用“C”表示），也就是PCH（移动台寻呼信道）或AGCH（接入允许信道），帧10和帧11的时隙0再次重复频率和同步突发脉冲序列（F和S），另外再加4个CCCH突发脉冲序列，如此反复，最后一帧的时隙0（第51帧，即帧50）是空闲的。
BCCH/CCCH复帧

空闲
上行
下行
复帧与定时
51帧控制信道复帧--DCCH/8（SDCCH和SACCH）
对面图示是有8个SDCCH的51帧复帧结构，要完成整个序列需要用到2个51帧复帧，逻辑上可把它看作是102帧的复帧结构。这种结构可以在任意时隙上发送。
图中阴影部分的SACCH是与SDCCH对应的，每个SDCCH就和业务信道一样对应一个SACCH。
如： D0对应A0
D1对应A1
D2对应A2
D3对应A3
D4对应A4
D5对应A5
D6对应A6
D7对应A7

注：下行和上行信道是错开的，以便使移动台有足够的时间处理接收到的消息和作出响应。
DCCH/8 复帧

上行
下行

复帧与定时
51帧控制信道复帧--组合结构
如对面图所示，各种类型的控制信道都在一个时隙上，能有效使用小区的MS数相应减少了，这种结构中只有3组CCCH和4组SDCCH，所以同时能进行的寻呼和呼叫建立也就少了。
这种类型的控制信道一般用于农村地区等话务密度低的地方。
组合复帧

KEY

R = TACH (Random)
B = BCCH(Broadcast)
F = FCCH(Frequency)
S = SCH(Sync)
C = CCCH(Common)
D = SDCCH/8(Dedicated)
A = SACCH/C8(Associated)
I = 空闲
下行
上行
超帧和巨帧
控制信道复帧的帧数不正好是业务信道复帧帧数的一倍是有原因的。从对面图中可以看到，51个26帧的复帧或者26个51帧的复帧组成了一个有1326个帧的“超帧”，业务信道复帧和控制信道复帧中相同的帧号每1326个TDMA帧才会同时出现一次。发送一个超帧需要6.12秒，这样做使得业务信道复帧与控制信道复帧之间的时间对应关系不断改变，这样使MS能接收周围小区的BCCH信息。
如果业务信道和控制信道复帧的帧数正好一个是另一个的整数倍的话，控制信道和业务信道帧在时间上的对应关系不会变化，这就好比控制信道的时隙被业务信道的时隙永久的屏蔽掉了。两种复帧之间不停变化的对应关系是很重要的，例如，一个MS需要监视和报告相邻小区的RSSI值，它就必须能“看到”其他小区所有的BCCH。
一个“巨帧”由2048个超帧组成，巨帧与加密和跳频有关系。一个巨帧持续3个多小时，每新的一个巨帧开始时，加密和跳频算法也重新开始。
超帧(Superframe）和巨帧(Hyperframe)

控制信道
业务信道
51帧 复帧
26帧 复帧
移动台监测相邻小区－发送和接受时隙
移动台在它自己的物理信道（一般包括TCH和SACCH）发射和接受信息只占用TDMA帧八分之一的时间，在其余的时间，移动台监视相邻小区的BCCH信道，移动台每480ms的时间，或经过4个26帧业务信道复帧时完成一次监视测量工作。移动台发射给BSS（通过SACCH，上行信道）的消息中包括有相邻小区的接受信号强度指示值RSSI（Receive Signal Strength Indication）、本BSS的RSSI以及指示当前通信质量的测量值。通信质量测量类似于比特差错率测量。每当移动台完成一系列测量时，上次的测量结果也已发送完毕，并开始发送最新获得的测量结果，同时开始新一轮测试，如此反复。

移动台监测相邻小区

消息发送

J

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