无线通信零基础学习记录（2）——GSM空中接口物理层的设计

本章解释清楚了之前未搞懂的名词，如时隙等，以及各种信道类型，在此一并总结。

TDMA空中接口技术

时分多址（TDMA，Time Division Mutiple Access）

TDMA是在一个宽带的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干个时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收发信号，故称之为时分多址。

GSM是 FDMA与TDMA的混合，不但有时分，也有频分。

时隙的定义：（我的理解，一段由特定时间和频率组成的块，就是一个时隙）

GSM 在无线路径上的传输单位是由 GMSK 调制的比特组成的脉冲串，称为"Burst"——突发脉冲。突发脉冲的长度有限——只有156.25bit；占据的频谱有限——每时隙所占的频谱资源只有 200kHz，所谓频分就是把 25MHz的频段分成每条 200kHz。
突发脉冲在一个时间和频率的窗口上发送，这个窗口称为**“time slot”——时隙。时隙的中心频率位于系统频带为200kHz **的间隔上，并以 **0.577ms （15/26ms）**的时间重复。这个由频域和时域组成的空间"time slot"，就是FDMA 和 TDMA 在 GSM中的应用，如图所示。

突发脉冲的应用

英文缩写

接下来重点梳理一下让人头疼的各个缩写（重点是控制信道）：

英文缩写	中文释义
[TCH](#### TCH)	携带业务信号
TB(Tail Bit)	尾比特
GP(Gurad Period)	保护间隔
MS（mobile station）	移动台
BTS（Base Transceiver Station）	基站收发台
CCH（Commontransportchanne）	公共传输信道
FCCH（Frequency Correction Channel）	频率校正信道
SCH（Synchronization Channel）	同步信道
BCCH（Broadcast Control CHannel）	广播控制信道
RACH（Random Access Channel）	随机接入信道
AGCH（Access Grant CHannel）	独立专用控制信道
CCCH（Common Control CHannel）	公共控制信道
PCH(Paging CHannel)	寻呼信道
CBCH(Cell Broadcast CHannel)	小区广播信道
SDCCH(Stand-Alone Dedicated Control Channel)	独立专用控制信道
SACCH（Slow Associated Control CHannel）	慢速随路控制信道
FACCH（Fast Associated Control CHannel）	快速随路控制信道
DCCH（DedicatedControlCHannel ）	专用控制信道
ACCH(Associated Control CHannel)	随路控制信道

TCH

携带业务信号，业务信道（TCH）载有编码的话音或用户数据，TCH 根据发送速率的不同，分为全速率语音信道（TCH/F）和半速率语音信道（TCH/H），全速率语音信道的传输速率为 22.8kbit/s，半速率语音信道的传输速率为11.4kbit/s。
全速率语音信道上可以有两种不同的编码方式，第一种就是常见的语音编码，称为TCH/FR（Full Rate），语音信源编码后速率为 13kbit/s，经过信道编码后速率为22.8kbit/s；第二种称为增强型语音编码 TCH/EFR（Enhanced Full Rate）。语音编码后速率为12.2kbit/s，经过信道编码后速率也是 22.8kbit/s。EFR采用了一种新的语音编码算法，可以提供更好的语音质量。
除此之外，TCH 也可以传递数据业务，速率分别为9.6kbit/s、4.8kbit/s、2.4kbit/s，可以用TCH/9.6、TCH/4.8、TCH/2.4来表示。

TB

TB(Tail Bit)是尾比特的意思，TB 的数值总是 000，以帮助均衡器识别起始位和终止位。普通突发脉冲序列有一个 26bit 的训练序列，这是一串特定的比特序列，共有 8种。

GP

GP(Gurad Period)保护间隔，共8.25bit，大约 30ms，这是一段空白信息，防止有时隙交错时，有用的比特信息不会交错。

MS

移动台（mobile station）移动用户的终端设备

BTS

BTS（Base Transceiver Station）（基站收发台）一个完整的BTS包括无线发射/接收设备、天线和所有无线接口特有的信号处理部分。BTS可看作一个无线调制解调器，负责移动信号的接收和发送处理。

CCH

CCH（Commontransportchanne）公共传输信道。控制信道（CCH）是用于传送信令信息和短的分组数据的信道。

FCCH

FCCH（Frequency Correction Channel）**频率校正信道：**初步同步向移动台传递频率校正信号，使移动台能调到相应的频率上。

FCCH属于下行信道，携带用于校正MS频率的信息，作用使MS可以定位并调制出同一小区的其他信息。

手机开机时依次同步上的信道是：FCCH、SCH、BCCH。

SCH

SCH（Synchronization Channel）同步信道为移动台提供关键的时间同步数据。同步信道上的信息含有移动台校准时间所必需的信息，同时还含有网络空中接口修正，系统数据，寻呼信道数据率的信息。SCH携带MS的帧同步信息（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，用作下行信道，在 BCCH载频的下行链路的0号时隙发送。

移动台用同步信道(SCH)进行时间校准。一旦移动台定时被校准，它要到一次通话结束或重新上电才会再使用同步信道。同步信道消息分成帧，以1200bit/s的速率传输。帧就是短PN码的长度。并在时间上与导频PN序列起始位对齐。

BCCH

BCCH（Broadcast Control CHannel）广播控制信道是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向移动台广播公用的信息，传输系统公用控制信息，广播以下信息：位置区识别号（LAI）；小区识别号（CGI）；本小区使用的频率列表；邻近小区描述；随机接入控制信息；小区选择参数；控制信道描述；小区选项。

RACH

RACH（Random Access Channel）即随机接入信道，是一种上行传输信道。MS 通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH），可作为对寻呼的响应或MS 主叫/登记时的接入。RACH在上行 BCCH载频的0号时隙上传送。

AGCH

AGCH（Access Grant CHannel）允许接入信道，用于为 MS 分配一个独立专用控制信道（SDCCH），AGCH在下行BCCH 载频的0号时隙上传送。

CCCH

CCCH（Common Control CHannel）公共控制信道是控制信道的一种，公共控制信道CCCH（Common Control CHannel）是一种“一点对多点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息。在 GSM中，CCCH用于在 BTS和移动台之间传递控制信息，完成呼叫建立和寻呼功能。其中又分为：

a、寻呼信道（PCH）：传输基站寻呼移动台的信息；

b、随机接入信道（RACH）：移动台申请入网时，向基站发送入网请求信息；

c、准许接入信道（AGCH）：基站在呼叫接续开始时，向移动台发送分配专用控制信道的信令。

d、小区广播控制信道（CBCH）

PCH

**寻呼信道（PCH，Paging CHannel）**用于寻呼MS（可以通过IMSI、TMSI、IMEI来寻呼移动台），PCH在下行 BCCH载频的0时隙上传送。

CBCH

小区广播信道（CBCH，Cell Broadcast CHannel）PCH 消息是以位置区进行寻呼的，而CBCH消息是以小区来进行广播的。该信道用来传递需要广播到小区中所有移动台的信息。CBCH 用专用控制信道（SDCCH）来发送信息，但是通常被看作是通用信道，因为小区内所有的移动台都能收到其发送的信息。

SDCCH

独立专用控制信道SDCCH(Stand-Alone Dedicated Control Channel)。用在分配TCH之前在呼叫建立过程中传送系统信令，例如登记和鉴权在此信道上进行，空闲状态下的短消息和小区广播也在 SDCCH上传送。运营商一般默认将 BCCH载频的第2时隙用来传送SDCCH。
在 SDCCH上传送的信令消息和事件如下∶

（1）位置更新（Location Updating）;

（2）周期性位置更新（Periodic Registration）;

（3）IMSI分离与附着（IMSI attach/detach）——不妨先粗浅地理解为开关机;

（4）呼叫建立（Call setup）;

（5）点对点短消息（SMS，Short Message Service Point to Point）。

SACCH

慢速随路控制信道SACCH（Slow Associated Control CHannel），是慢速的、周期性的服务。所谓慢速服务，就是不需要立刻执行的服务，属于不那么急的。SACCH 与一个TCH或一个 SDCCH 相关，在上行方向，传递 MS 接收到的当前服务小区以及相邻小区的信号强度的测试报告，以及链路质量的报告，这对 MS 的切换而言相当重要，BSC要根据这些信息来判断把它切换到哪个小区上去。在下行方向，它传递功率控制和定时信息。

FACCH

快速随路控制信道FACCH（Fast Associated Control CHannel）

引入快速随路控制信道的原因：

是因为慢速随路控制信道（SACCH）实在是太慢，能传递的信息量也太少。对于SACCH 的编码，一个LAPDm 帧是23Byte，合184bit，SACCH的有用信息也是184bit。但这只是原始信息，我们还要经过信道编码，经过信道编码后就成了 456bit。每个突发脉冲可以传递 57×2=114bit。那么456bit 就需要4个突发脉冲才能传完。每 26 帧中共有 25个TCH帧和1个SACCH帧，那么要传完4个SACCH帧一共需要的时间是4×26×4.615ms=480ms。480ms才能传完184bit 的有效信息，那么 1s 可以传递184bit×1s/480ms=383bit。SACCH 的速率为 383bit/s，要传完一个完整的信息，延迟达到 480ms.

如果使用快速随路控制信道，就不能等语音信号传完到空闲的时候再传信令。通常选择"偷帧"的方式，借用TCH 的帧来传递信息。
下图的两个Flag 位，就是偷帧位，我们将前后两个 Flag 位都设为1，那么该TCH帧就整个变成FACCH帧了。如果只将1个Flag 位设为1，另一个还是0的话，就只有一半的帧归FACCH所用。

总结一下控制信道CCH

图中，上文未提及的缩写：

DCCH

专用控制信道DCCH（DedicatedControlCHannel ），是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。其中又分为：

a、独立专用控制信道（SDCCH）：传输移动台和基站连接和信道分配的信令；还携带呼叫转移和短消息信息。

b、伴随信道（ACCH），既能伴随SDCCH，也能伴随业务信道（TCH），换句话说，它是与一条TCH或者SDCCH联用。

ACCH

随路控制信道ACCH(Associated Control CHannel) 包括：SACCH（慢速随路控制信道）和 FACCH（快速随路控制信道）。

CBCH

小区广播信道（CBCH，Cell Broadcast Channel）是将信息（如地理位置、天气状况等信息）传到手机，再由用户选择接收的一种功能，通过此功能可向用户提供位置信息，天气预报等服务。

突发脉冲序列

突发脉冲序列分为5种类型∶普通突发（NB，Normal Burst）脉冲序列、空闲突发（DB，Dummy Burst）脉冲序列、频率校正突发（FB，Frequency Correction Burst）脉冲序列、同步突发（SB，Synchronization Burst）脉冲序列和接入突发（AB，Access Burst）脉冲序列。

普通突发脉冲

尾比特的数值总是 000，以帮助均衡器识别起始位和终止位。普通突发脉冲序列有一个 26bit 的训练序列，这是一串特定的比特序列，共有 8种。
保护间隔8.25bit，大约30ms，这是一段空白信息，防止有时隙交错时，有用的比特信息不会交错。采用保护带之后，允许有一小段空白的时间误差，这在一定程度上降低了定时精确性的要求。准确地说，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，因此8.25bit 的保护可以使发射机有一定的余地。
语音信号经过 A5算法加密后就填充进了上述两段比特信息中，每段 57bit。F是借用标志的意思，打电话的时候，一直占用的是TCH，信令都没地方传了，如果出现了比较紧急的信令要传递，比如说切换信息，那就把两个F 位"偷帧信号"置为1，说明此时突发脉冲序列已经被FACCH信令借用。如果只设置了一个比特，表示突发脉冲序列只有一半被盗用。其中，"0"表示是 TCH，"1"表示是 FACCH。

频率校正突发脉冲序列

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，它相当于一个特定频率的未调制的载波在 FCCH上发送。

频率校正突发脉冲序列也有前后各 3bit 的尾比特和 8.25bit 的保护比特，其作用和普通突发脉冲序列相同。142 个固定比特全为 0，这个信息很特殊，便于 MS 识别并锁定载波频率。

同步突发脉冲序列

同步突发脉冲序列用于 MS 和 BTS 间的时间同步，这里含有一个长同步序列已经TDMA 帧号（FN，Frame Number）以及基站识别码（BSIC）的相关信息。同步突发脉冲序列在 [SCH](####SCH（Synchronization Channel）)上发送。

可以看出，同步突发脉冲序列包含前后各 3bit 的尾比特（TB），8.25bit 的保护空间。与突发脉冲序列有所不同的是，它有长达 64bit 的同步序列。这个同步序列是固定的，也可以看作是训练序列，此时网络还未建立连接，需要更多的比特位用于信道均衡来确保信息传递的有效性。78bit 的加密比特也有其特定的出处。

接入突发脉冲序列

接入突发脉冲序列用于 MS 的随机接入（RACH）。这种突发脉冲序列设置了一个较长的保护间隔（GP），所以其有用信息比其他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 消息的定时也无法准确计算（接入突发脉冲序列仅为上行）。由于第一个突发脉冲序列中没有时间调整，MS 接入与后一个串有一定的交错，基站可以根据交错码个数来计算 TA值。

空闲突发脉冲序列

在其他信道不发送突发脉冲序列时，基站收发信机须在小区配置中C0的下行信道的每个时隙发送一个突发脉冲。因为 MS是要不断监视 BCCH射频的功率的，以便于进行小区选择（监测信号强度）。如果 BCCH 载频的 TCH 时隙有时候不发送信号，就会影响周围的 MS 对该载频信号强度的评估，因为评估信号强度是根据采样点取平均值而得来的。

TDMA帧

在GSM的TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，每个帧包含8个时隙（TS0~TS7），需要定义 TDMA 帧号。TDMA 帧号需要用来做MS与BTS的同步以及语音信号的加密，同步用在 SCH上。

通过 TDMA 帧号，MS也可以判断当前载频到底是 BCCH载频还是 TCH 载频，由于 BCCH 载频包含了 SCH，SCH 告知了BCCH的 TDMA 帧号，根据载频的性质可以分辨0号时隙传递的到底是 BCCH 信号还是 TCH信号。

GSM规范定义了两种不同的复帧结构，即含 26 帧持续时间为120ms 和含 51帧持续时间为235.8ms 的两种。这两种帧都有各自的用途。

26帧的复帧

26 帧的复帧包括 26个 TDMA 帧，持续时间为 120ms，一般用于 TCH（以及跟随TCH的SACCH 和 FACCH），作为话音信道及其随路控制信道。

在 26帧业务信道复帧中，帧12（帧从0号帧算起，所以是第 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个突发脉冲序列的业务信息，接下来是1个Burst 的 SACCH（Slow Associated Control CHannel），然后是 12个Burst 的业务信息和一个空闲的 Burst。
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。

51帧的复帧

51 帧的复帧包括51个TDMA帧，持续时间为235.385ms。这种复帧用于携带 BCH 和 CCCH，专用于控制信道。

超帧（Superframe）

51 帧和 26帧之间是没有公约数的，要设置一种帧可以容纳这两种帧，那么这个帧的容量就必须要达到51×26=1326 帧。这种帧称为超帧，1326个TDMA帧相当于6.12s的时间。

巨帧（Hyperframe）

除了超帧之外，人们还定义了巨帧，一个巨帧包含了2048个超帧结构。巨帧结构含26×51×2048=2715648个TDMA 帧，持续时间为 3h28min53s760ms。每个TDMA帧由帧计数器（FN）来标记。这些TDMA帧按照顺序排列，依次从0到2715647，帧号在同步信道中传送。

以上为本周总结内容，通过总结，加深学习印象，本周学习了第3至第5章，时间关系，只总结了最为重要的部分，其余部分下周总结。

复帧的应用

26 帧的 TCH 复帧，除了24个TCH帧外，只有一个SACCH帧以及一个空闲帧，相对而言比较简单。

51 帧的控制信道复帧相对复杂，它可能包含 FCCH帧、SCH帧、BCCH 帧、CCCH帧、SDCCH帧、SACCH帧以及空闲帧。

每小区有若干块载频，定义为 C0_{Cn，每个载频有8个时隙，定义为TS0}TS8。除了 C0号载频的 TS0是控制信道外，其余的通通为 TCH（这种说法不太严谨，C0载频的1号时隙可能为SDCCH）。

从图5.17中我们可以看出， 51帧是由 51个 TDMA 帧的0号时隙组成的。

（可以这么理解，控制信道是由51帧的复帧信道组成的，每一帧的头一个时隙是控制信道，其余时隙另有他用）

有两种比较常见的信道组合：

（1）广播信道组（用于C0载频的0号时隙）———BCCH+CCCH;

（2）专用信道组（通常用于C0载频的1号时隙）——SDCCH8+SACCH8。

由图5.18可见，在上行方向，所有的时隙0都分配给了RACH(随机接入信道)，因为 RACH 是广播信道和公共信道中唯一工作在上行方向的。

还可以看到，BCCH 其实是个小容量的信道，51帧的复帧，只有 4帧是留给 BCCH 的。BCCH 和 SACCH同是传递 184bit 的有效信息（经过信道编码后为 456bit）。SACCH需要 26×4=104帧，而 BCCH需要51帧，那么 BCCH的速率就是（184bit×1s）/（51×4.615ms）=782bit/s。差不多是话务信道上的 SACCH 的383bit/s 速率的两倍。

通用控制信道的参数

GSM网络中常见的几个关于通用控制信道的参数。

通用信道配置（CCCH CONF）

这个参数用来指示配置了几个 CCCH 消息块，图5.18举例是配置了9个块。其中 4个帧为 1个块，因为184bit 的 CCCH信息经过信道编码后是 456bit。1个帧能容纳 114bit（57bi×2=114bit），那么要 4个帧才能组成一个消息块完成184bit 的信息。

接入准许保留数（BS AG BLKS RES）

其作用是告诉用户这9个 CCCH块里面有多少个是留给AGCH（接入允许）用的，所以称之为接入允许保留数。
除去接入允许占用的块数，剩下的就是PCH了。这样就得出了下面的公式：
PCH块数目=CCCHCONF(CCCH信道配置数)−BSAGBLKSRES(AGCH占用的数目)PCH 块数目=CCCH CONF(CCCH信道配置数)-BS AG BLKS RES(AGCH 占用的数目) PCH块数目=CCCHCONF(CCCH信道配置数)−BSAGBLKSRES(AGCH占用的数目)

寻呼信道复帧数（BS PA MFRMS）

如果说 BS AG BLKS RES定义了51帧的 BCCH复帧有多少个PCH的话，那么 BS PA MFRMS就定义了总共有多少个子信道。因此有

PCH子信道数目=PCH块数目×BS PA MFRMS

根据GSM规范，每个移动用户（即对应每个IMSI）都属于一个寻呼组，在每个小区中，每个寻呼组都对应于一个寻呼子信道。在实际网络中，移动台只收听它所属的寻呼子信道的内容而忽略其他寻呼子信道的内容，甚至在其他寻呼子信道期间关闭某些硬件设备的电源以节约移动台的功率开销。（例子见书本）

专用信道组

专用信道组——SDCCH8+SACCH8的组成，如图 5.20所示。该种信道一般用于0号载频的1 号时隙，紧跟在 BCCH时隙之后，但其实是可以配置在任何时隙。

如图所示是一个 **8个SDCCH(独立专用控制信道)**的 51帧复帧结构，要完成整个序列需要用到2个51帧复帧，逻辑上可把它看作一个102帧的复帧结构。图中的 SACCH(慢速随路控制信道)和 SDCCH 是一一对应的，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：上下行错开三个时隙

SCH的测量

将业务信道设置成 26 帧，控制信道设置成51帧，并且两者之间没有公约数，是有其深意的。26帧业务信道中设置了一个空闲帧，也有其目的。

手机在通话的时候（占用TCH 时隙）还要对周围6个信号最强的邻小区的接收电平进行测量，以用于切换。为了防止测到了非相邻小区的同频频率（非相邻小区你要切换的时候是切换不过去的），那么就需要读这6个邻小区的 BSIC号，以免搞错。所以，同频同BSIC是要绝对避免的，否则会造成掉话!

手机占用TCH 的时候是没有时间来读周围邻小区的 BSIC 的，只有靠空闲（Idle）帧来读 BSIC号。问题是，当且仅当手机处在空闲帧，周围的 BTS 在 SCH帧上时才有机会读取它。

将控制信道设为51帧和将业务信道设置成 26 帧，其目的是为了让业务信道的复帧和控制信道的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 FCCH、SCH 和 BCCH信息，这对手机通话过程中的切换很重要。如果业务信道和控制信道复帧的帧数一个正好是另一个的整数倍的话，那么控制信道和业务信道帧在时间上的对应关系就永远不会变化。

移动台在通话时，只有通过TCH信道26复帧的空闲帧对SCH 进行解码。除了读取邻区的 BSIC信息和 TDMA帧号信息之外，移动台还需要测量本小区的接收电平和邻小区的接收电平。

①移动台在"接收结束~发送开始"这段时间内，测量本小区的接收电平和信号质量；这里大约有3个时隙的时间。

② 移动台在"发送结束~接收开始"这段时间内不仅可以测量本小区的接收电平和信号质量，还可以测量邻小区的接收电平。

③移动台在空闲帧的时候解码邻小区的SCH，读取 BSIC 和 TDMA 帧号。（注：SCH携带MS的帧同步信息（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，用作下行信道，在 BCCH载频的下行链路的0号时隙发送。）

此章完。2022年1月30日