ch6 信道编码.doc

第六章 空中接口上的信道编码

第六章

空中接口上的信道编码GSM突发脉冲序列（Burst）
对面图示的是一个GSM突发脉冲序列（Burst），它包括以下几个部分：
l 信息
即话音，数据或控制信息。
l 保护带
BTS和MS接收信息时都必须在分配给它的时隙这一短暂的时间段内接收和解码突发脉冲序列，所以对于定时精确性的要求极高。采用保护带之后，允许有一小段空白的时间误差，一定程度上降低了定时精确性的要求。准确的说，时隙的长度是0.577ms，脉冲序列的长度是0.546ms，允许时隙中突发脉冲序列有0.031ms时间上的误差。
l 偷帧标志
当话务信道突发脉冲序列被FACCH(Fast Associated Control Channel)盗用时,这两个比特将被设置.只设置了一个比特表示突发脉冲序列只有一半被盗用。
l 训练序列
供接收均衡器评估BTS和MS之间物理通路的传输质量,训练比特长26比特.
l 尾比特
用于指示突发脉冲序列的开始和结束。
GSM 突发脉冲序列和TDMA帧

常规突发脉冲序列
尾比特
偷帧标志
尾比特
信息
训练序列
信息
保护带
保护带
GSM突发脉冲序列…
突发脉冲序列类型（Burst Types）
对面图示了GSM空中接口用到的五种脉冲序列。所有的脉冲序列，不管是什么类型的，必须在时间上准确定时到给定的时隙。
突发脉冲序列Burst是BTS或MS发送的比特序列，时隙则是一个固定的时间段，脉冲序列必须顺序准确的到达这一时间段，以便接收器能正确接收解码。
l 常规突发脉冲序列（Normal Burst）
常规突发脉冲序列传送业务信道和除以下所说的各种控制信道以外的控制信道。（双向的）
l 频率校正突发脉冲序列（Frequency Correction Burst）
该突发脉冲序列传送下行的FCCH，使MS能校正自己振荡器的频率并锁定到BTS的频率。
l 同步突发脉冲序列（Synchronization Burst）
用来传送下行的SCH，使MS同步到BTS。
l 填充突发脉冲序列（Dummy Burst）
当BCCH载频中没有用到的时隙中没有信息可发送时，发送填充突发脉冲序列（仅在下行方向）
l 接入突发脉冲序列（Access Burst）
这种突发脉冲序列比其它类型的脉冲序列短很多。因为MS试图接入到系统时还不知道发射定时，所以要增加保护带。MS发送该突发脉冲序列时，BTS并不知道MS的位置，所以来自MS的消息的定时也无法准确计算（接入突发脉冲序列仅为上行）
GSM突发脉冲序列类型

频率校正突发脉冲序列(FB)
常规突发脉冲序列(NB)
同步突发脉冲序列
填充突发脉冲序列
接入突发脉冲序列
时间
加密比特
同步序列
固定比特
训练序列
固定比特
编码过的比特
同步序列
编码过的比特
固定比特
信息
训练序列
信息
差错保护与检测
为保护逻辑信道，避免逻辑信道在无线通路上发送时出现差错，系统采用了多种编码方案。对面图示了话音，控制和数据信道的编码处理，外理的顺序非常复杂。
采用何种编码和交织方案取决于被编码的信道，所有的逻辑信道都需要经过某种形式的卷积编码，但由于不同的逻辑信道对信息保护的要求不同，所以编码速率也会不同。
有三种编码保护方案：
l 对话音信道编码
将每20ms的话音信息块分到8个GSM Burst，这样当空中接口上的干扰导致Burst丢失时，仍然可以准确的恢复出话音信息。
l 对通用控制信道编码
20ms的控制信息块被分到了4个Burst，比如BCCH，这使得这些突发脉冲序列可以插到一个TDMA复帧中。
l 对数据信道编码
数据信息被展开到了22个Burst。因为数据每一个比特的信息都是很重要的，把数据信息分到22个Burst使得在接收端恢复数据信息时，如果有一个脉冲序列丢失，20ms的数据信息块中只有很小的一部分丢失，通过差错编码机制可以将这一部分丢失的信息恢复出来。

20ms
信息块 0.577ms
信息突发脉冲序列
话音（260bit） 话音（8个Bursts）
控制信息（184bit） 编码 交织 控制信息（4个Bursts）
数据（240bit） 数据（22个Bursts）

差错保护与检测
话音信道编码
BTS从Abis接口接收来自BSC的压缩编码后的话音信息，在这里这些话音信息被BTS放到了各自的逻辑信道。这些逻辑信道的信息在发送到空中接口前先要经过信道编码。
压缩编码过的信息也是成帧接收的，每帧有260个bit，这260个bit根据对差错的敏感度被分成了三组，对话音信息的可理解性越重要的比特，敏感度越高。
l Class la
这一级对差错最敏感。从la级的50个比特中生成3个校验比特。Class 1a的比特对于话音信息的可理解性是关键的，不容出错。有了校验比特后，话音解码器可以检测到Class la比特中不可纠正的错误，如果Class la比特中出现错误，一般整个信息块都会被丢弃。
l Class lb
132个比特的lb级比特没有差错校验位，但和la级比持和校验比特卷积到了一起。加上了4个尾比特是为了将接收器的寄存器设置到解码状态。
l Class2
这72个比特对差错最不敏感，根本没有任何加保护措施。

最后得到的456个比特在发送到空中接口前还要经过交织。

注：
在A bis链路上如果采用的是全速率话音编码，那么260个比特在20ms内发送，数据速率是13Kbit/s。如果采用的是增强型全速率编码（EFR，Enhanced Full Rate），A bis链路上每20ms内将传送244个比特。EFR的信息在经过和全速率话音信息同样的信道编码之前要经过预编码，使之从244比特变成260比特。

编码后的话音占456比特，但仍在20ms内发送，所以数据速率提高到了22.8kbit/s。
话音信道编码

卷积编码
尾比特
校验比特
增强型全速率EFR( Enhanced Full Rate)话音的信道编码
增强型全速率话音编码将话音压缩编码生成每帧244bit，时长20ms的话音信息。将244bit的信息经过预编码后加上了16个比特，变成260比特，然后将EFR话音信息按照全速率话音信息相同的编码方式进行信道编码。
另外加上的16个比特中有8个比特是从1a级的50个比特和1b级中最重要的15个比特生成的CRC校验码。另外8个比特是从原244bit的帧中选出来的4个比特的重复。

EFR 的信道预编码

EFR话音帧：
50 Class1a+124 Class1b+70 Class2=244 bit

预编码：
从50 Class1a+15 Class1b中生成的8bitCRC加入到Class1b中。8个重复比特加入到Class2中。

预编码后得到：
50 Class1a+132 Class1b+78 Class2=260 bit

经过预编码之后得到260比特的EFR帧，再接下来的信道编码处理与全速率话音相同。

对增强型全速率话音的预编码

244bits

Class 1a Class 2b Class 2
50 bits 124bits 70 bits

8bit的CRC加到 8个重复bits
Class 1b中 加到Class 2 中

Class 1a Class 1b Class 2
50bits 132bits 78bits

260 bits 差错保护与检测

控制信道编码

对面图示的是控制信道的差错保护方法。这种方法用在所有的逻辑信令信道、同步信道SCH和随机接入信道RACH，只是在某些数字上有些不同。

送到BTS待发送的控制信息是184bit的信息块，这184bit信息块首先经过称为Fire Code的循环块编码,并加上了40bit的校验比特，对于突发脉冲序列差错的检测与校正非常有利。卷积前另外还加上了4比特的尾比特，用于将接收仪器的寄存器置为解码状态。
每184bit的信令数据信息块经过编码处理后得到456bit，与话音编码后得到的比特数相同。456bit的信息块块在空中接口发送前还要经过交织。

控制信道的编码

校验比特
尾比特
卷积编码
差错保护与检测
数据信道编码
对面图示的是9.6kbit/s数据信道的差错保护方法。 4.8kbit/s和2.4kbit/s数据信道的编码略有不同，但基本编码的方法是相同。
数据信道编码只采用了卷积编码。9.6kbit/s的数据在编码后有一些比特在交织前被去掉了，使其比特数同编码后的话音和控制信道一样，每20ms有456bit。
数据业务信道要求有比实际发送速率更高的净速率（‘净速率’是指加入编码比特前的比特率），例如9.6kbit/s的业务将需要12kbit/s的传输速率，因为同时还要传送一些状态信号（比如RS-232 DTR（Data Terminal Ready））。
每240bit的数据业务信息块编码后得到456bit的信息块，与话音和控制信息编码后得到的比特数相同。456bit的信息块在发送到空中接口前要经过交织。

注：
PCM链路上240bit的信息在20ms内传送，其传输速率相当于是12kbit/s，其中9.6kbit/s是数据，另外2.4kbit/s是信令信息。
编码后的信息有456bit，但仍在20ms内发送，所以传输速率升至22.8kbit/s。

数据信道的编码

截短
卷积编码
尾比特

数据信道 9.6 kbit/s
逻辑信道映射到TDMA帧结构中
交织
逻辑信道经过编码或差错保护之后，应将比特流放入突发脉冲序列中，在TDMA帧中发送，交织处理正是在这一阶段进行的。交织处理是将一个业务块分成多块，放到多个TDMA时隙中，交织深度分别为：
i话音 8块
i控制信息 4块
i数据 22块
交织处理对于保护空中接口无线信道环境中的数据是很重要的。
由于无线通路上的干扰、噪音或物理中断，MS和BTS之间发送的突发脉冲序列可能会受到破坏，大约只有10-20%的突发脉冲序列完全正常.交织的目的是为了使每个突发脉冲序列只包含业务块的一小部分数据,这样当某个突发脉冲序列没有正常接收时,不会影响到整体的传输质量,因为差错校正技术可以将丢失的数据恢复出来。如果系统简单的让一个突发脉冲序列对应一个业务块的话,难以用差错校正技术恢复出丢失的数据,传输质量将受影响.
因为采用了交织,所以也使得GSM空中接口的抗噪声性能大大提高,保证了提供给用户的服务质量。

交织

TRAU帧类型
所扩展到的GSM突发脉冲序列数
话音
8
控制
4
数据
22

注:
TRAU = Transcoder Rate Adaption Unit 压缩编码适配单元
逻辑信道映射到TDMA帧中
交叉交织----话音
对面图示的是全速率话音信道交织原理的简化示意图。
如图中所示，同一用户的通话信息经过编码处理后得到一系列的‘话音块’，每块有456比特，这456比特又分被成8小块，每小块57比特，且每小块中要么全是奇数位置的比特，要么全是偶数位置的比特。
系统将用这些小块的话音比特生成GSM突发脉冲序列（Burst）。前4个小块被放到前4个突发脉冲序列中的偶比特位置，后4个小块被放到后4个突发脉冲序列中的奇比特位置。
因为一个突发脉冲序列有114个业务比特，所以一个突发脉冲序列将被两个话音块共用。每一个话音块与前一个话音块共用前4个突发脉冲序列，与后一个话音块共用后4个突发脉冲序列。图中话音块5，即BLOCK5，它与BLOCK4共用前4个突发脉冲序列，与BLOCK6共用后4个突发脉冲序列。

对角交织 － 话音

来自一路通话编码后的全速率编码话音块
每个话音块有456比特
5和6话音块共用
话音块6 偶比特
话音块5 奇比特
4和5话音块共用
话音块5 偶比特
话音块4 奇比特
奇
偶
奇
偶
奇
偶
奇
偶
话音块

逻辑信道映射到TDMA帧中
发射----话音
交织深度为8时，每个脉冲序列将在8个连续TDMA帧中指定的时隙发射。
对面图示了某个用户的通话信息发射的例子。系统为该用户分配的是TDMA帧中的时隙4，该用户最多可以和7个其它用户共用这个TDMA帧。
应该注意的是该载频上的每个时隙都可能被不同的信道组占用，如：业务信道组，广播信道组，专用信道组或组合信道组。

注：因为FACCH是从用户信道中“偷帧”的，所以会替代它所占用的话音数据，经过与其它话音数据同样的交织（交织深度=8）。FACCH偷用一个456比特的比特块，并与其他话音信息一起交织。每个含有FACCH块的突发脉冲序列中都会设置对应的偷帧标志。

如图中所示，Burst 1到3与其他7个逻辑信道在一个RF载频上组成TDMA帧。
本路通话占用的是时隙4
话音块
来自一路通话编码后的全速率话音块
对角交织 － 话音
TDMA帧

将逻辑信道映射到TDMA帧中
矩形交织-----控制信息
对面图示的是简化的交织原理示意图，这种交织方法用于大多数的控制信道。
在图中有一系列经过前面所述编码处理后的控制信息块。每块含有465比特，这些块每块都被分成了114比特的小块，每小块中要么全是偶数位置的比特，要么全奇数位置的比特。
系统将利用这些控制信息比特块生成突发脉冲序列。
发射-----控制信息
交织深度为4时，每个突发脉冲序列将在4个连续TDMA帧中的指定时隙发射。
控制信息没有象话音和数据那样做交叉交织，因为每个复帧中只有有限的控制信息要发送。如果将控制信息也做斜交织，那么接收方要在至少收到两个复帧之后才能将控制消息解码出来，这样时延将太长。

对角交织 － 信令

奇
偶
奇
偶
信令块
逻辑信道映射到TDMA帧中
交叉交织-----数据
对是9.6kbit/s数据信道交叉交织的简化原理示意图。
图中有一系列经过前面所述的信道编码处理后的数据块，这些数据块都来自同一移动用户。每个数据块有456比特，这些数据块每块都被分成了4个小块，每小块有114比特，然后这些小块将被交织在一起。
第一小块的前6个比特被放到了第一个突发脉冲序列。第二小块的前6个比特被放到了第二个突发脉冲序列。这样每个114比特的信息块将被扩展到了19个突发脉冲序列中，总共456比特的信息块将被扩展到22个突发脉冲序列中。
一般认为数据信道的交织深度是22，但有时候也认为它的交织深度是19。

发射-----数据
数据比特被扩展到了大量的突发脉冲序列中。这样可以较好的保护数据信息，因为当某个脉冲序列丢失时，一个数据块中只有很小一部分的数据丢失，利用差错保护机制，完全可以在接收端将丢失的数据恢复出来。
数据发射时较深的交织深度虽然提供了好的差错纠正能力，但时延也相应的大了。对数据传输而言，稍微有些时延不会影响接收质量，但对话音就不同了，稍大的时延用户是都是很容易觉察到的，这就是为什么话音交织深度不太深的原因。

对角交织 － 数据

数据块

J

25 of 26