陳健劉晶晶

無線傳輸在GSM全球移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳健1劉晶晶2

1.內(nèi)蒙古新聞出版廣電局501臺內(nèi)蒙古呼和浩特市010050

2.內(nèi)蒙古新聞出版廣電局配電中心內(nèi)蒙古呼和浩特市010050

GSM全球移動通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)、語音傳輸采用的是無線傳輸技術(shù)，本文從蜂窩無線通信系統(tǒng)、GSM系統(tǒng)的無線傳輸、GSM系統(tǒng)的語音編碼和GSM系統(tǒng)的無線信道，論述GSM全球移動通信系統(tǒng)中無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用。

蜂窩無線通信系統(tǒng)GSM系統(tǒng)的無線傳輸語音編碼無線信道

1 無線通信系統(tǒng)的定義

頻分雙工（FDD）中，一對有著固定頻率間隔的單向信道用作系統(tǒng)中的特定無線信道。在美國的AMPS標準中，反向信道比前向信道的頻率低45MHz（即手機的發(fā)比收低45MHz）。模擬無線系統(tǒng)只采用FDD。

時分雙工（TDD）方式，在時間上分享一條信道，將其一部分時間用于從基站向用戶發(fā)送信息，而其余的時間用于從用戶向基站發(fā)送信息。如果信道內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率遠大于終端用戶的數(shù)據(jù)速率，就可以存儲用戶數(shù)據(jù)，即使在同一時刻不存在兩條同步無線傳輸信道，仍能給用戶提供全雙工操作。TDD只在數(shù)字傳輸和數(shù)字調(diào)制時才可以使用。

2 蜂窩無線通信系統(tǒng)

蜂窩概念是解決頻率不足和用戶容量問題的一個重大突破，是一種系統(tǒng)級的概念。其思想是用許多小功率的發(fā)射機（小覆蓋區(qū)）來代替單個的大功率發(fā)射機（大覆蓋區(qū)），每一個小覆蓋區(qū)只提供服務(wù)范圍內(nèi)的一小部分覆蓋。每個基站分配整個系統(tǒng)可用信道中的一部分，相鄰基站則分配另外一些不同的信道，這樣基站之間（以及在它們控制下的移動用戶之間）的干擾就最小。只要基站間的同頻干擾在可以接受的范圍以內(nèi)，可用信道就可以盡可能的復(fù)用。

2.1頻率復(fù)用

蜂窩無線系統(tǒng)依賴于整個覆蓋區(qū)域內(nèi)信道的

劉晶晶內(nèi)蒙古新聞出版廣電局配電中心助理工程師分配及復(fù)用。每一個蜂窩基站分配一組無線信道，這組無線信道作用于一個小區(qū).給相鄰小區(qū)的基站分配一個信道組，所包含的信道全部不能在相鄰小區(qū)內(nèi)使用.通過將基站天線的覆蓋范圍限制在小區(qū)邊界以內(nèi)，相同的信道組就可用于覆蓋不同的小區(qū)，只要距離足夠遠，相互間的干擾就可以接受.為整個系統(tǒng)中的所有基站選擇和分配信道組的設(shè)計過程就叫做頻率復(fù)用（Frequency Reuse）.

表1　無線通信系統(tǒng)要素定義

蜂窩系統(tǒng)的容量直接與簇在某一固定范圍內(nèi)復(fù)制的次數(shù)成正比。因數(shù)N叫做簇的大小，典型值為4、7、12。如果簇的大小N減小但是小區(qū)的數(shù)目保持不變，則需要更多數(shù)目的簇來覆蓋原來給定的范圍，從而獲得了更大的容量。M變大N變小意味著小區(qū)半徑與同頻小區(qū)間距離之比變大，M變小N變大則意味著小區(qū)半徑與同頻小區(qū)間距離之比變小。從設(shè)計的角度來看，N盡可能的取最小值，以便獲得某一給定覆蓋范圍內(nèi)的最大容量，但是一定要顧及到使用相同頻率的小區(qū)距離過近而引起的同頻干擾必須限制在可以接受的范圍以內(nèi)。蜂窩系統(tǒng)的頻率復(fù)用因子為1/N，因為一個簇中的每個小區(qū)都只能使用所有可用信道的1/N。

說明了蜂窩頻率復(fù)用的思想。標有相同字母的小區(qū)使用相同的頻率，相同顏色的小區(qū)組成一個簇，并在覆蓋區(qū)域上進行復(fù)制。

2.2越區(qū)切換

當一個移動臺正在通話的時候，從一個基站移動到另一個基站，為了使通話不被中斷，系統(tǒng)自動地將呼叫轉(zhuǎn)移到新基站的信道上。這種切換操作不僅要識別一個新基站，而且要求將話音和信令信號分派到新基站的信道上，此過程不需要用戶的介入。

在小區(qū)內(nèi)分配空閑信道時，許多切換策略都使切換請求優(yōu)先于呼叫初始請求。系統(tǒng)設(shè)計者必須要指定一個啟動切換最恰當?shù)男盘枏姸?，一旦將某個特定的信號強度指定為基站接收機中可接受的話音質(zhì)量的最小可用信號（一般在90dBm到100dBm之間），稍微強一點的信號強度就可作為啟動切換的門限，兩者之間信號強度之差值選擇必須慎重。

在決定何時切換的時候，很重要的一點是要保證所檢測到的信號電平的下降不是因為瞬時的衰減，而是由于移動臺正在離開當前服務(wù)的基站，所以基站在準備切換之前先對信號監(jiān)視一段時間。

2.3信道分配

信道分配策略可以分為兩類：固定的和動態(tài)的。

在固定的信道分配策略中，每個小區(qū)分配給一組預(yù)先確定好的語音信道。小區(qū)中的任何呼叫都只能使用該小區(qū)中的空閑信道，如果該小區(qū)的所有信道都已被占用，則出現(xiàn)呼叫阻塞。有一種借用策略，就是當某小區(qū)的所有信道都已被占用，則允許它從相鄰小區(qū)中借用信道并且不影響借出小區(qū)的任何一個正在進行的呼叫，該過程由移動交換中心（MSC）來管理。

在動態(tài)的信道分配策略中，語音信道不是固定地分配給各個小區(qū)。每次呼叫請求來的時候，為它服務(wù)的基站就向MSC請求一個信道，交換機則根據(jù)一種算法給發(fā)出請求的小區(qū)分配一個信道，當然這種算法必須考慮到避免同頻干擾。動態(tài)的信道分配策略可以減小阻塞的可能性，系統(tǒng)中的所有可用信道對于所有小區(qū)都可用。

2.4干擾

干擾是蜂窩無線系統(tǒng)性能的主要限制因素，是系統(tǒng)增加容量的重要瓶頸。蜂窩系統(tǒng)中兩種主要的干擾是：同頻干擾和鄰頻干擾。

2.4.1同頻干擾

使用同一組頻率的同頻小區(qū)之間的信號干擾叫做同頻干擾，減小同頻干擾必須在物理上隔開一個最小的距離。

假設(shè)每個小區(qū)的大小都差不多，基站也都發(fā)射相同的功率，則同頻干擾比例與發(fā)射功率無關(guān)，而變?yōu)樾^(qū)半徑R和相距最近的同頻小區(qū)的中心之間距離D的函數(shù)。增加D/R的值，同頻干擾減小。參數(shù)Q叫做同頻復(fù)用比例，與簇的大小有關(guān)。0對于六邊形來說，Q表示為：Q = D/R =N3.Q的值越小，則容量越大；但是Q的值大則同頻干擾小。

2.4.2鄰頻干擾

來自所使用信號頻率的相鄰頻率的信號干擾叫做鄰頻干擾。鄰頻干擾是由于接收濾波器不理想，使得相鄰頻率的信號泄漏到了傳輸帶寬內(nèi)而引起的。

鄰頻干擾可以通過精確的濾波和信道分配而減到最小。通過使小區(qū)中的信道間隔盡可能的大，鄰頻干擾會減小。通過順序地將連續(xù)的信道分配給不同的小區(qū)，許多分配方案可以使得在一個小區(qū)內(nèi)的鄰頻信道間隔為N個信道帶寬，其中N是簇的大小，有些信道分配方案還通過避免在相鄰小區(qū)中使用鄰頻信道來阻止一些次要的鄰頻干擾。

2.5小區(qū)分裂

隨著服務(wù)需求的提高，實際中使用了小區(qū)分裂、裂向和覆蓋區(qū)域逼近等技術(shù)來增大蜂窩系統(tǒng)容量。

小區(qū)分裂是將擁塞的小區(qū)分成更小小區(qū)的方法，每個新小區(qū)都有自己的基站并相應(yīng)地降低天線高度和減小發(fā)射機功率。通過設(shè)定比原小區(qū)半徑更小的新小區(qū)和在原有小區(qū)間安插這些小區(qū)，使得單位范圍內(nèi)的信道數(shù)目增加，提高了信道的復(fù)用次數(shù)，因此能提高系統(tǒng)容量。

實際上，不是所有的小區(qū)都同時分裂，不同規(guī)模的小區(qū)將同時存在。這時需要特別注意保持同頻小區(qū)間所需的最小距離，頻率分配將變得更為復(fù)雜，而且發(fā)射機的功率也不盡相等。

3 GSM系統(tǒng)的無線傳輸

3.1語音傳輸

移動臺（MS）首先把發(fā)話方的聲音信號變換成13kbit/s的GSM中的數(shù)字化語音信號.數(shù)字信號經(jīng)過高頻調(diào)制、功率放大等處理，以電磁波的形式發(fā)送到自由空間?；臼瞻l(fā)信臺（BTS）的天線檢測到這個信號后，經(jīng)過一系列的處理，再現(xiàn)13kbit/s的數(shù)字語音信號形式。為了與固定網(wǎng)的傳輸標準一致，經(jīng)過一種碼型變換器（TC—Transcoder），把13kbit/s變換成64kbit/s速率.移動交換局（MSC）以64kbit/s標準格式經(jīng)過不同鏈路的傳輸，直至收話人的端局。如果受話方是PSTN用戶，它就可以按PCM解碼規(guī)則從64kbit/s數(shù)字信號流中恢復(fù)發(fā)話方的語音。

如果把GSM看成是一個整體，則從MS到MSC為一個本地段，中間路徑所涉及的PSTN、ISDN為長途段，從端局到被叫用戶看成是另一個本地段，當被叫是MS用戶時，兩個本地段具有相同的意義。為了適應(yīng)與其他網(wǎng)絡(luò)的互連以及GSM內(nèi)部傳輸?shù)男枰?，要?yīng)用到網(wǎng)絡(luò)交互功能IWF（Interworking—Function）。在移動端由于限制于語聲平面時比較簡單的，而在網(wǎng)絡(luò)一側(cè)，IWF就要取決于互連網(wǎng)的語音傳輸模式。PSTN和ISDN都是采用數(shù)字化傳輸，對語音信號的采樣經(jīng)64kbit/s PCM編碼而使其數(shù)字化。64kbit/s PCM編碼是電信領(lǐng)域的基本碼型。由于語音信號的帶寬小于4kHz，根據(jù)Nyquist定律，8kHz的采樣速率可以使采樣信號無失真的恢復(fù)。每個采樣值經(jīng)量化壓縮編碼為8bit碼。其輸出為64kbit/s。這個從模擬到數(shù)字的過程包括預(yù)加重和采樣。采樣值線性量化成13bit的數(shù)字值，最后13bit經(jīng)A律壓縮為8bit碼。這就是PCM碼，是數(shù)字傳輸中的基本碼型，收端可以經(jīng)過一套對應(yīng)的逆變換，恢復(fù)語音信號。

3.2 GSM內(nèi)部的傳輸

在MS一側(cè)，一般把直接與用戶相關(guān)的部分稱為終端設(shè)備TE，可以是語音也可以是數(shù)據(jù)終端；另一部分稱為TAF。MS中所有業(yè)務(wù)共用的部分稱為移動終端（MT），用于語音業(yè)務(wù)類的就是MT0，即手機形式。

在MS與IWF之間的傳輸路徑包括MS與BTS之間的無線接口。信息承載在900MHz或1800MHz頻段。BTS經(jīng)BSC到MSC的傳輸為有線路徑，它的劃分與信令結(jié)構(gòu)有關(guān)。MSC與BSC的主要功能在于控制和交換，而不是傳輸。傳輸鏈上另一個重要的部分是碼變換/速率適配單元（TRAU），這是一個完整的傳輸設(shè)備，包括幾個功能實體。MSC中的傳輸規(guī)范很接近ISDN的規(guī)范，不僅電路交換的基礎(chǔ)是64kbit/s，而且A接口的低層規(guī)范也與ISDN相應(yīng)規(guī)范一致。由于GSM中傳輸信道小于16kbit/s，為提高效率，在64kbit/s電路中引入子復(fù)用概念，允許幾個小于64kbit/s的數(shù)據(jù)流復(fù)用到64kbit/s的信道中（如32kbit/s、16kbit/s和8kbit/s等），這樣做的缺點是引入了附加的傳輸時延，降低了話音質(zhì)量。為保證MSC具有ISDN的交換能力，TRAU可以放在傳輸鏈中BTS與MSC之間的不同的地方。功能上它是屬于BTS，但在實現(xiàn)上通常是把它放在MSC，這樣BTS的功能通過BSC延伸到MSC。

4 GSM系統(tǒng)的語音編碼

與其他通信一樣，MS首先要把語音信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，以及其反變換，這就是話筒和聽筒的功能。MS再把這個模擬電信號變成13kbit/s數(shù)字信號（或反變換），用于無線傳輸。BTS或TRAU執(zhí)行13kbit/s到64kbit/s的變換，以適應(yīng)固定網(wǎng)的傳輸，這樣在GSM系統(tǒng)中就存在兩個碼變換點。

無線路徑上的語音傳輸設(shè)計需要特別注意的是頻譜效率，以盡可能低的數(shù)據(jù)速率得到可接受的通話質(zhì)量。目前無線路徑上有兩種并行的信道類型，分別是“全速”和“半速”信道。

4.1語音編碼

GSM采用的編碼方案是13kbit/s RPE—LTP碼（規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測）。首先把語音分成20ms為單位的段，每個段編成260bit的數(shù)據(jù)塊；塊之間依靠外同步，塊內(nèi)部不含同步信息，這樣無線接口上20ms一幀的數(shù)據(jù)流，也就是13kbit/s流中不包括任何幫助收端定位幀標志的信息。收端把收到的信號塊（激勵信號）經(jīng)過LTP（長期預(yù)測）和LPC（線性預(yù)測編碼）濾波重組，最后經(jīng)過一個預(yù)先設(shè)計好的去加重網(wǎng)絡(luò)加以復(fù)原，恢復(fù)語音信號。

LTP濾波器是把一個信號與其Nr次延時采樣br倍延時相加的輸出，Nr和br值在語音幀中每5ms傳一次。LPC濾波器是一個倒置的8階線性濾波器，線性n階濾波器是把一個信號與其1，2，……n次采樣的時延相加。每一幀的濾波系數(shù)各不相同，由語音幀傳遞。

激勵信號自身的編碼把一組參數(shù)復(fù)合到260bit幀之中，包括上面提到的濾波器參數(shù)和激勵信號自身描述碼，激勵信號是按8/3kHz的速率規(guī)則采樣的，收端可以精確地恢復(fù)激勵信號中帶寬小于1.3kHz的信息內(nèi)容。激勵信號在濾波器輸入端通過插入空值采樣而重組，使它變成8kHz采樣的信號，導(dǎo)致從1.3kHz中恢復(fù)原信號中高于1.3kHz的特殊成分。8/3kHz采樣變到8kHz采樣時，相位將發(fā)生變化，需要每5ms傳遞一次相位信息。

信號采樣值按自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制方式編碼（ADPCM），它需要按最大幅度的比值分別編碼，而PCM是按固定尺度直接編碼。

4.2語音解碼

語音解碼可以分成下面幾個步驟：

（1）把13個ADPCM采樣值還原成實際值，根據(jù)相位指示，增加27個空樣值，組成8kHz采樣信號；

（2）LTP濾波，涉及當前5ms塊中的樣值和這之前的三個5ms塊中的樣值；

（3）LPC濾波，根據(jù)傳遞的參數(shù)進行處理；

（4）去加重濾波，恢復(fù)語音信號。

GSM語音傳輸方面還引入了一個非連續(xù)傳輸模式概念，即DTX。其目的是通過限制無用信息的無線發(fā)送，減少干擾，提高了系統(tǒng)概率。DTX模式下，當用戶有效講話時編碼成13kbit/s，而在其他時候僅保持在500bit/s，用于模擬背景噪聲，使收端能產(chǎn)生連續(xù)信號以避免聽者以為連接中斷。對于話音，編碼器要能區(qū)別什么是有效話音，這個功能稱為話音活性檢測VAD。

在系統(tǒng)設(shè)備一側(cè)完成13kbit/s與64kbit/s之間變換的功能實體稱為TRAU單元。當TRAU與BTS分離配置時，它們之間的承載是13kbit/s的碼流，使用16kbit/s的標準數(shù)字電路，多出的可以提供一些輔助信息，或用于BTS控制遠端碼變換器的工作，統(tǒng)稱為帶內(nèi)信息。

13kbit/s的語音碼按每20ms260bit分塊，其中不含任何收端可以判別塊首bit的信息，這個同步需要另外提供。在無線傳輸一個塊的開始時刻與從16kbit/s鏈路上收到一個塊的結(jié)束時刻之間存在一個時間差。如果這個時間差沒有調(diào)整好，就會在傳輸上產(chǎn)生一個附加時延，最大可達20ms。BTS要通過帶內(nèi)信息控制TRAU產(chǎn)生的20ms塊的輸入相位，它所占用的比特稱為時間校準量（Time Alignment）。帶內(nèi)信息使TRAU可以知道收到信息的種類（全速語音、半速語音、數(shù)據(jù)等），以及采用何種適用的方法用于上行或下行傳輸。

5 GSM系統(tǒng)的無線信道

5.1 GSM系統(tǒng)的無線業(yè)務(wù)信道

無線系統(tǒng)中的頻譜效率是衡量一個系統(tǒng)的主要經(jīng)濟依據(jù)，效率越高，小區(qū)數(shù)量越少。多路接入技術(shù)是實現(xiàn)無線資源共享的普遍方法，GSM采用頻分多路（FDMA）和時分多路（TDMA）混合技術(shù)，具有較高的頻譜利用率。

為了更好地把通信業(yè)務(wù)與傳輸方案對應(yīng)，引進了信道（Channel）的概念。不同的信道可以同時傳輸不同的流，這種比特流是按照傳輸方案復(fù)合而成的。GSM系統(tǒng)為了在有限頻譜條件下，實現(xiàn)無線路徑上的雙向語音傳輸，采用了有效的語音編碼方案，把實際速率限制在13kbit/s以內(nèi)。同樣，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的速率也被限制在12kbit/s、6kbit/s 和3.6kbit/s之內(nèi)，分別對應(yīng)于PSTN中MODEM的9.6kbit/s、4.8kbit/s和2.4kbit/s速率。從多路接入的概念說，一個用戶在指定的時刻進行通信時，就是占有一個特定的信道，稱之為業(yè)務(wù)信道TCH，規(guī)定把全速信道記為TCH/F，用于傳輸13kbit/s的語音或12kbit/s、6kbit/s、3.6kbit/s的數(shù)據(jù)，把半速信道記為TCH/H，用于傳輸7kbit/s的語音或6kbit/s、3.6kbit/s的數(shù)據(jù)。

除了用戶數(shù)據(jù)，還有另一類信息需要傳送，這就是信令流。信令消息用于MS與網(wǎng)絡(luò)之間功能控制和業(yè)務(wù)管理。為了實現(xiàn)信令流與用戶數(shù)據(jù)的同時傳輸，GSM系統(tǒng)為此提供了兩種方法。

其一，是讓每個TCH與一個用于傳輸信令的低速率信道成對出現(xiàn)，這個低速率信道稱為慢速隨路控制信道SACCH，這個雙向信道每秒大約可以傳送2個控制信息（一個方向上），傳輸時延大約為0.5秒。這種方式多用作為不緊要的控制消息的傳輸，如無線測量數(shù)據(jù)的傳送。

其二，是把TCH用于信令傳輸，這樣的TCH稱為快速隨路控制信道FACCH，主要用于那些緊急的和必不可少的信令處理，如呼叫處理、用戶鑒權(quán)、切換處理等.實際上，F(xiàn)ACCH不是一個獨立的信道，只是用戶TCH的一部分，接收端可以通過TCH信息中的一個特定bit來區(qū)分它們。在初始化和釋放階段，沒有用戶數(shù)據(jù)傳輸，因此信令可以使用這條TCH而不會影響用戶數(shù)據(jù)的傳輸.而在呼叫期間，把FACCH幀代替TCH上的用戶數(shù)據(jù)，形同用戶數(shù)據(jù)丟失而產(chǎn)生傳輸錯誤，因此我們把它稱為“偷”幀。

5.2 GSM系統(tǒng)空閑模式下的信道

由于無線頻譜資源有限，在GSM系統(tǒng)中不可能每個用戶獨立占有一條TCH。系統(tǒng)僅在用戶需要時才分配一條TCH，用畢后釋放.因此TCH就有專用和空閑兩個基本模式。

當MS與網(wǎng)絡(luò)建立雙向點到點傳輸時，如呼叫建立和位置更新處理，TCH與SACCH定義為專用信道。

當MS處于激活狀態(tài)（開電源）而未進入專用模式時，稱其為空閑模式。但實際上MS也要保持與BTS的聯(lián)系，收聽BTS對它的尋呼，監(jiān)視當前無線環(huán)境，以便選擇最佳的BTS.除此之外，在空閑狀態(tài)下還要向MS提供小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)CBSM。

從空閑模式到專用模式的變化需要在MS與BTS之間交換信息，這就是接入過程。MS通知網(wǎng)絡(luò)它需要呼叫，網(wǎng)絡(luò)返回一個指示，令MS占據(jù)一條指定的專用信道。用于完成接入過程指令的信道定義為公共控制信道CCCH，它是面向全體MS的，為它們同時提供接續(xù)的信道類型。

為了保持與BTS通信，MS首先要與其所在的BTS同步，每個BTS有兩個信道以廣播方式通知MS本小區(qū)的特征，這就是頻率校準信道FCCH和同步信道SCH。空閑模式下的MS可以接收幾個小區(qū)的廣播信息，并從中選擇一個接收質(zhì)量最好的小區(qū)作為當前小區(qū)。每個小區(qū)都有一個廣播控制信道BCCH，用于傳遞那些使MS能決定所在小區(qū)選擇的信息，并發(fā)出讓本小區(qū)空閑模式下的MS收聽的其他信息。在接續(xù)過程中，小區(qū)首先向本小區(qū)廣播尋呼被叫MS。尋呼消息和向MS分配初始化信道的消息，分別在尋呼信道PCH和接入允許信道AGCH上傳送。上面提及的FCCH、SCH、BCCH、PCH和AGCH都是下行的公共控制信道。MS向網(wǎng)絡(luò)要求接入的信道稱為隨機接入信道RACH，是唯一的上行信道。

空閑模式下另一類信息是CBSM，它是由網(wǎng)絡(luò)每兩秒向MS傳送的一個約80字節(jié)的消息。這大約是一個下行TCH/8信道的一半容量。每個小區(qū)為了支持這一業(yè)務(wù)，需要配置一個小區(qū)廣播信道CBCH，MS在收聽CBCH的同時還可以收聽BCCH 和PCH上的信息。

審稿人：徐振媛內(nèi)蒙古廣播電影電視科研所正高級工程師

責任編輯：王學(xué)敏

TN383

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2096-0751（2016）03-0016-06

陳健內(nèi)蒙古新聞出版廣電局501臺高級工程師