无线传输在GSM全球移动通信系统中的应用

陈健刘晶晶

无线传输在GSM全球移动通信系统中的应用

陈健1刘晶晶2

1.内蒙古新闻出版广电局501台内蒙古呼和浩特市010050

2.内蒙古新闻出版广电局配电中心内蒙古呼和浩特市010050

GSM全球移动通信系统中的数据、语音传输采用的是无线传输技术，本文从蜂窝无线通信系统、GSM系统的无线传输、GSM系统的语音编码和GSM系统的无线信道，论述GSM全球移动通信系统中无线传输技术的应用。

蜂窝无线通信系统GSM系统的无线传输语音编码无线信道

1 无线通信系统的定义

频分双工（FDD）中，一对有着固定频率间隔的单向信道用作系统中的特定无线信道。在美国的AMPS标准中，反向信道比前向信道的频率低45MHz（即手机的发比收低45MHz）。模拟无线系统只采用FDD。

时分双工（TDD）方式，在时间上分享一条信道，将其一部分时间用于从基站向用户发送信息，而其余的时间用于从用户向基站发送信息。如果信道内的数据传输速率远大于终端用户的数据速率，就可以存储用户数据，即使在同一时刻不存在两条同步无线传输信道，仍能给用户提供全双工操作。TDD只在数字传输和数字调制时才可以使用。

2 蜂窝无线通信系统

蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破，是一种系统级的概念。其思想是用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。每个基站分配整个系统可用信道中的一部分，相邻基站则分配另外一些不同的信道，这样基站之间（以及在它们控制下的移动用户之间）的干扰就最小。只要基站间的同频干扰在可以接受的范围以内，可用信道就可以尽可能的复用。

2.1频率复用

蜂窝无线系统依赖于整个覆盖区域内信道的

刘晶晶内蒙古新闻出版广电局配电中心助理工程师分配及复用。每一个蜂窝基站分配一组无线信道，这组无线信道作用于一个小区.给相邻小区的基站分配一个信道组，所包含的信道全部不能在相邻小区内使用.通过将基站天线的覆盖范围限制在小区边界以内，相同的信道组就可用于覆盖不同的小区，只要距离足够远，相互间的干扰就可以接受.为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程就叫做频率复用（Frequency Reuse）.

表1　无线通信系统要素定义

蜂窝系统的容量直接与簇在某一固定范围内复制的次数成正比。因数N叫做簇的大小，典型值为4、7、12。如果簇的大小N减小但是小区的数目保持不变，则需要更多数目的簇来覆盖原来给定的范围，从而获得了更大的容量。M变大N变小意味着小区半径与同频小区间距离之比变大，M变小N变大则意味着小区半径与同频小区间距离之比变小。从设计的角度来看，N尽可能的取最小值，以便获得某一给定覆盖范围内的最大容量，但是一定要顾及到使用相同频率的小区距离过近而引起的同频干扰必须限制在可以接受的范围以内。蜂窝系统的频率复用因子为1/N，因为一个簇中的每个小区都只能使用所有可用信道的1/N。

说明了蜂窝频率复用的思想。标有相同字母的小区使用相同的频率，相同颜色的小区组成一个簇，并在覆盖区域上进行复制。

2.2越区切换

当一个移动台正在通话的时候，从一个基站移动到另一个基站，为了使通话不被中断，系统自动地将呼叫转移到新基站的信道上。这种切换操作不仅要识别一个新基站，而且要求将话音和信令信号分派到新基站的信道上，此过程不需要用户的介入。

在小区内分配空闲信道时，许多切换策略都使切换请求优先于呼叫初始请求。系统设计者必须要指定一个启动切换最恰当的信号强度，一旦将某个特定的信号强度指定为基站接收机中可接受的话音质量的最小可用信号（一般在90dBm到100dBm之间），稍微强一点的信号强度就可作为启动切换的门限，两者之间信号强度之差值选择必须慎重。

在决定何时切换的时候，很重要的一点是要保证所检测到的信号电平的下降不是因为瞬时的衰减，而是由于移动台正在离开当前服务的基站，所以基站在准备切换之前先对信号监视一段时间。

2.3信道分配

信道分配策略可以分为两类：固定的和动态的。

在固定的信道分配策略中，每个小区分配给一组预先确定好的语音信道。小区中的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道，如果该小区的所有信道都已被占用，则出现呼叫阻塞。有一种借用策略，就是当某小区的所有信道都已被占用，则允许它从相邻小区中借用信道并且不影响借出小区的任何一个正在进行的呼叫，该过程由移动交换中心（MSC）来管理。

在动态的信道分配策略中，语音信道不是固定地分配给各个小区。每次呼叫请求来的时候，为它服务的基站就向MSC请求一个信道，交换机则根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道，当然这种算法必须考虑到避免同频干扰。动态的信道分配策略可以减小阻塞的可能性，系统中的所有可用信道对于所有小区都可用。

2.4干扰

干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素，是系统增加容量的重要瓶颈。蜂窝系统中两种主要的干扰是：同频干扰和邻频干扰。

2.4.1同频干扰

使用同一组频率的同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰，减小同频干扰必须在物理上隔开一个最小的距离。

假设每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为小区半径R和相距最近的同频小区的中心之间距离D的函数。增加D/R的值，同频干扰减小。参数Q叫做同频复用比例，与簇的大小有关。0对于六边形来说，Q表示为：Q = D/R =N3.Q的值越小，则容量越大；但是Q的值大则同频干扰小。

2.4.2邻频干扰

来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰。邻频干扰是由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的。

邻频干扰可以通过精确的滤波和信道分配而减到最小。通过使小区中的信道间隔尽可能的大，邻频干扰会减小。通过顺序地将连续的信道分配给不同的小区，许多分配方案可以使得在一个小区内的邻频信道间隔为N个信道带宽，其中N是簇的大小，有些信道分配方案还通过避免在相邻小区中使用邻频信道来阻止一些次要的邻频干扰。

2.5小区分裂

随着服务需求的提高，实际中使用了小区分裂、裂向和覆盖区域逼近等技术来增大蜂窝系统容量。

小区分裂是将拥塞的小区分成更小小区的方法，每个新小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安插这些小区，使得单位范围内的信道数目增加，提高了信道的复用次数，因此能提高系统容量。

实际上，不是所有的小区都同时分裂，不同规模的小区将同时存在。这时需要特别注意保持同频小区间所需的最小距离，频率分配将变得更为复杂，而且发射机的功率也不尽相等。

3 GSM系统的无线传输

3.1语音传输

移动台（MS）首先把发话方的声音信号变换成13kbit/s的GSM中的数字化语音信号.数字信号经过高频调制、功率放大等处理，以电磁波的形式发送到自由空间。基站收发信台（BTS）的天线检测到这个信号后，经过一系列的处理，再现13kbit/s的数字语音信号形式。为了与固定网的传输标准一致，经过一种码型变换器（TC—Transcoder），把13kbit/s变换成64kbit/s速率.移动交换局（MSC）以64kbit/s标准格式经过不同链路的传输，直至收话人的端局。如果受话方是PSTN用户，它就可以按PCM解码规则从64kbit/s数字信号流中恢复发话方的语音。

如果把GSM看成是一个整体，则从MS到MSC为一个本地段，中间路径所涉及的PSTN、ISDN为长途段，从端局到被叫用户看成是另一个本地段，当被叫是MS用户时，两个本地段具有相同的意义。为了适应与其他网络的互连以及GSM内部传输的需要，要应用到网络交互功能IWF（Interworking—Function）。在移动端由于限制于语声平面时比较简单的，而在网络一侧，IWF就要取决于互连网的语音传输模式。PSTN和ISDN都是采用数字化传输，对语音信号的采样经64kbit/s PCM编码而使其数字化。64kbit/s PCM编码是电信领域的基本码型。由于语音信号的带宽小于4kHz，根据Nyquist定律，8kHz的采样速率可以使采样信号无失真的恢复。每个采样值经量化压缩编码为8bit码。其输出为64kbit/s。这个从模拟到数字的过程包括预加重和采样。采样值线性量化成13bit的数字值，最后13bit经A律压缩为8bit码。这就是PCM码，是数字传输中的基本码型，收端可以经过一套对应的逆变换，恢复语音信号。

3.2 GSM内部的传输

在MS一侧，一般把直接与用户相关的部分称为终端设备TE，可以是语音也可以是数据终端；另一部分称为TAF。MS中所有业务共用的部分称为移动终端（MT），用于语音业务类的就是MT0，即手机形式。

在MS与IWF之间的传输路径包括MS与BTS之间的无线接口。信息承载在900MHz或1800MHz频段。BTS经BSC到MSC的传输为有线路径，它的划分与信令结构有关。MSC与BSC的主要功能在于控制和交换，而不是传输。传输链上另一个重要的部分是码变换/速率适配单元（TRAU），这是一个完整的传输设备，包括几个功能实体。MSC中的传输规范很接近ISDN的规范，不仅电路交换的基础是64kbit/s，而且A接口的低层规范也与ISDN相应规范一致。由于GSM中传输信道小于16kbit/s，为提高效率，在64kbit/s电路中引入子复用概念，允许几个小于64kbit/s的数据流复用到64kbit/s的信道中（如32kbit/s、16kbit/s和8kbit/s等），这样做的缺点是引入了附加的传输时延，降低了话音质量。为保证MSC具有ISDN的交换能力，TRAU可以放在传输链中BTS与MSC之间的不同的地方。功能上它是属于BTS，但在实现上通常是把它放在MSC，这样BTS的功能通过BSC延伸到MSC。

4 GSM系统的语音编码

与其他通信一样，MS首先要把语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，这就是话筒和听筒的功能。MS再把这个模拟电信号变成13kbit/s数字信号（或反变换），用于无线传输。BTS或TRAU执行13kbit/s到64kbit/s的变换，以适应固定网的传输，这样在GSM系统中就存在两个码变换点。

无线路径上的语音传输设计需要特别注意的是频谱效率，以尽可能低的数据速率得到可接受的通话质量。目前无线路径上有两种并行的信道类型，分别是“全速”和“半速”信道。

4.1语音编码

GSM采用的编码方案是13kbit/s RPE—LTP码（规则脉冲激励长期预测）。首先把语音分成20ms为单位的段，每个段编成260bit的数据块；块之间依靠外同步，块内部不含同步信息，这样无线接口上20ms一帧的数据流，也就是13kbit/s流中不包括任何帮助收端定位帧标志的信息。收端把收到的信号块（激励信号）经过LTP（长期预测）和LPC（线性预测编码）滤波重组，最后经过一个预先设计好的去加重网络加以复原，恢复语音信号。

LTP滤波器是把一个信号与其Nr次延时采样br倍延时相加的输出，Nr和br值在语音帧中每5ms传一次。LPC滤波器是一个倒置的8阶线性滤波器，线性n阶滤波器是把一个信号与其1，2，……n次采样的时延相加。每一帧的滤波系数各不相同，由语音帧传递。

激励信号自身的编码把一组参数复合到260bit帧之中，包括上面提到的滤波器参数和激励信号自身描述码，激励信号是按8/3kHz的速率规则采样的，收端可以精确地恢复激励信号中带宽小于1.3kHz的信息内容。激励信号在滤波器输入端通过插入空值采样而重组，使它变成8kHz采样的信号，导致从1.3kHz中恢复原信号中高于1.3kHz的特殊成分。8/3kHz采样变到8kHz采样时，相位将发生变化，需要每5ms传递一次相位信息。

信号采样值按自适应脉冲编码调制方式编码（ADPCM），它需要按最大幅度的比值分别编码，而PCM是按固定尺度直接编码。

4.2语音解码

语音解码可以分成下面几个步骤：

（1）把13个ADPCM采样值还原成实际值，根据相位指示，增加27个空样值，组成8kHz采样信号；

（2）LTP滤波，涉及当前5ms块中的样值和这之前的三个5ms块中的样值；

（3）LPC滤波，根据传递的参数进行处理；

（4）去加重滤波，恢复语音信号。

GSM语音传输方面还引入了一个非连续传输模式概念，即DTX。其目的是通过限制无用信息的无线发送，减少干扰，提高了系统概率。DTX模式下，当用户有效讲话时编码成13kbit/s，而在其他时候仅保持在500bit/s，用于模拟背景噪声，使收端能产生连续信号以避免听者以为连接中断。对于话音，编码器要能区别什么是有效话音，这个功能称为话音活性检测VAD。

在系统设备一侧完成13kbit/s与64kbit/s之间变换的功能实体称为TRAU单元。当TRAU与BTS分离配置时，它们之间的承载是13kbit/s的码流，使用16kbit/s的标准数字电路，多出的可以提供一些辅助信息，或用于BTS控制远端码变换器的工作，统称为带内信息。

13kbit/s的语音码按每20ms260bit分块，其中不含任何收端可以判别块首bit的信息，这个同步需要另外提供。在无线传输一个块的开始时刻与从16kbit/s链路上收到一个块的结束时刻之间存在一个时间差。如果这个时间差没有调整好，就会在传输上产生一个附加时延，最大可达20ms。BTS要通过带内信息控制TRAU产生的20ms块的输入相位，它所占用的比特称为时间校准量（Time Alignment）。带内信息使TRAU可以知道收到信息的种类（全速语音、半速语音、数据等），以及采用何种适用的方法用于上行或下行传输。

5 GSM系统的无线信道

5.1 GSM系统的无线业务信道

无线系统中的频谱效率是衡量一个系统的主要经济依据，效率越高，小区数量越少。多路接入技术是实现无线资源共享的普遍方法，GSM采用频分多路（FDMA）和时分多路（TDMA）混合技术，具有较高的频谱利用率。

为了更好地把通信业务与传输方案对应，引进了信道（Channel）的概念。不同的信道可以同时传输不同的流，这种比特流是按照传输方案复合而成的。GSM系统为了在有限频谱条件下，实现无线路径上的双向语音传输，采用了有效的语音编码方案，把实际速率限制在13kbit/s以内。同样，数据业务的速率也被限制在12kbit/s、6kbit/s 和3.6kbit/s之内，分别对应于PSTN中MODEM的9.6kbit/s、4.8kbit/s和2.4kbit/s速率。从多路接入的概念说，一个用户在指定的时刻进行通信时，就是占有一个特定的信道，称之为业务信道TCH，规定把全速信道记为TCH/F，用于传输13kbit/s的语音或12kbit/s、6kbit/s、3.6kbit/s的数据，把半速信道记为TCH/H，用于传输7kbit/s的语音或6kbit/s、3.6kbit/s的数据。

除了用户数据，还有另一类信息需要传送，这就是信令流。信令消息用于MS与网络之间功能控制和业务管理。为了实现信令流与用户数据的同时传输，GSM系统为此提供了两种方法。

其一，是让每个TCH与一个用于传输信令的低速率信道成对出现，这个低速率信道称为慢速随路控制信道SACCH，这个双向信道每秒大约可以传送2个控制信息（一个方向上），传输时延大约为0.5秒。这种方式多用作为不紧要的控制消息的传输，如无线测量数据的传送。

其二，是把TCH用于信令传输，这样的TCH称为快速随路控制信道FACCH，主要用于那些紧急的和必不可少的信令处理，如呼叫处理、用户鉴权、切换处理等.实际上，FACCH不是一个独立的信道，只是用户TCH的一部分，接收端可以通过TCH信息中的一个特定bit来区分它们。在初始化和释放阶段，没有用户数据传输，因此信令可以使用这条TCH而不会影响用户数据的传输.而在呼叫期间，把FACCH帧代替TCH上的用户数据，形同用户数据丢失而产生传输错误，因此我们把它称为“偷”帧。

5.2 GSM系统空闲模式下的信道

由于无线频谱资源有限，在GSM系统中不可能每个用户独立占有一条TCH。系统仅在用户需要时才分配一条TCH，用毕后释放.因此TCH就有专用和空闲两个基本模式。

当MS与网络建立双向点到点传输时，如呼叫建立和位置更新处理，TCH与SACCH定义为专用信道。

当MS处于激活状态（开电源）而未进入专用模式时，称其为空闲模式。但实际上MS也要保持与BTS的联系，收听BTS对它的寻呼，监视当前无线环境，以便选择最佳的BTS.除此之外，在空闲状态下还要向MS提供小区广播短消息业务CBSM。

从空闲模式到专用模式的变化需要在MS与BTS之间交换信息，这就是接入过程。MS通知网络它需要呼叫，网络返回一个指示，令MS占据一条指定的专用信道。用于完成接入过程指令的信道定义为公共控制信道CCCH，它是面向全体MS的，为它们同时提供接续的信道类型。

为了保持与BTS通信，MS首先要与其所在的BTS同步，每个BTS有两个信道以广播方式通知MS本小区的特征，这就是频率校准信道FCCH和同步信道SCH。空闲模式下的MS可以接收几个小区的广播信息，并从中选择一个接收质量最好的小区作为当前小区。每个小区都有一个广播控制信道BCCH，用于传递那些使MS能决定所在小区选择的信息，并发出让本小区空闲模式下的MS收听的其他信息。在接续过程中，小区首先向本小区广播寻呼被叫MS。寻呼消息和向MS分配初始化信道的消息，分别在寻呼信道PCH和接入允许信道AGCH上传送。上面提及的FCCH、SCH、BCCH、PCH和AGCH都是下行的公共控制信道。MS向网络要求接入的信道称为随机接入信道RACH，是唯一的上行信道。

空闲模式下另一类信息是CBSM，它是由网络每两秒向MS传送的一个约80字节的消息。这大约是一个下行TCH/8信道的一半容量。每个小区为了支持这一业务，需要配置一个小区广播信道CBCH，MS在收听CBCH的同时还可以收听BCCH 和PCH上的信息。

审稿人：徐振媛内蒙古广播电影电视科研所正高级工程师

责任编辑：王学敏

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2096-0751（2016）03-0016-06

陈健内蒙古新闻出版广电局501台高级工程师