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1、MF000001无线接口与信道ISSUE1.4华为技术MF000001 无线接口和信道 ISSUE1.4目 录目 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14iiMF000001 无线接口和信道 ISSUE1.4课程说明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
2、冲、逻辑信道的组成相关资料1MF000001 无线接口和信道 ISSUE1.4第1章 无线接口概述第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
3、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
4、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
5、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
6、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输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间信息交叠。26MF000001 无线接口和信道 ISSUE1.4第2章 语音信号处理过程第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
7、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
8、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13kbps。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
9、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
10、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
11、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，2
12、6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
13、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。MF000001 无线接口和信道 ISSUE1.4第3章 系统技术介绍第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
14、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/bit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
15、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
