GSM系统的时帧结构

GSM系统的时帧结构第一章TDMA概述1.1TDMA简介TDMA：TimeDivisionMultipleAccess--时分多址接入FDMA：TrequencyDivisionMultipleAccess--频分多址接入时分制是把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息，把N个话路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。与此同时，其它设备与通道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM通信常称为时分多路通信。时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。TDMA较之FDMA具有通信口号质量高，保密较好，系统容量较大等优点，但它必须有精确的定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信，技术上比较复杂。TDMA在美国通常也指第二代(2G)移动电话标准,具体说是象IS-136或者D-AMPS这些标准使用TDMA技术分时共享载波的带宽。TDMA把一个射频分成多个时隙，再把这些时隙分给多组通话。这样，一个射频可以同时支持多个数据频道，目前该技术已成为今天的D-AMPS和G*系统的基础。TDMA通信系统主要有以下主要特点：（1）TDMA通信系统的基站只用一部发射机，可以避免FDMA通信系统中多部不同频率发射机同时工作而产生的互调干扰。（2）TDMA通信系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配比对频率的管理和分配简单而经济。（3）移动台只在指定的时隙中接收信息，有利于通信网络的控制和管理，可保证移动台的越区切换功能可靠的现实。（4）可同时提供多种业务，使系统的通信容量和通信速率成倍增长。（5）TDMA通信系统具有精确的定时和同步功能，可保证各移动台发送的信号不会再基站发生重叠和混淆。1.2TDMA特性（1）每载频多路信道。如前所述，TDMA系统形成频率时间矩阵，在每一频率上产生多个时隙，这个矩阵中的每一点都是一个信道，在基站控制分配下，可为任意一移动客户提供电话或非话业务。（2）利用突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的，只是在规定的时隙内发射脉冲序列。（3）传输速率高，自适应均衡。每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高，但数字传输带来了时间色散，使时延扩展加大，故必须采用自适应均衡技术。（4）传输开销大。由于TDMA分成时隙传输，使得收信机在每一突发脉冲序列上都得重新获得同步。为了把一个时隙和另一个时隙分开，保护时间也是必须的。因此，TDMA系统通常比FDMA系统需要更多的开销。（5）对于新技术是开放的。例如当话音编码算法的改进而降低比特速率时，TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。（6）共享设备的成本低。由于每个载频为多个客户提供服务，所以TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了。（7）移动台设计较复杂。它比FDMA系统移动台完成更多的功能，需要复杂的数字信号处理。1.3TDMA信道概念GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就为一个时隙(TS)，而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道映射到物理信道上传送。从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。逻辑信道又分为两大类：业务信道和控制信道。①业务信道（TCH）：用于传送编码后的话音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点（BTS对一个MS，或反之）方式传播。业务信道用于携载语音或用户数据，可分为话音业务信道和数据业务信道。话音业务信道TCH/FS:全速率语音信道，13kbit/sTCH/HS:半速率语音信道，5.6kbit/sTCH/EFR:增强型全速率语音信道，12.2kbit/s数据业务信道TCH/9.6:全速率数据信道，9.6kbit/sTCH/4.8:全（半）速率数据信道，4.8kbit/sTCH/2.4:全（半）速率数据信道，2.4kbit/s图1.3（a）②控制信道：用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道，它们又可细分为：广播信道（BCH）:——频率校正信道（FCCH）：携带用于校正MS频率的消息，下行信道，点对多点（BTS对多个MS）方式传播。——同步信道（SCH）：携带MS的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，下行信道，点对多点方式传播。——广播控制信道（BCCH）：广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。下行，点对多点方式传播。公共控制信道（CCCH）:——寻呼信道（PCH）：用于寻呼（搜索）MS。下行，点对多点方式传播。随机接入信道（RACH）：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主叫允许接人信道（AGCH）：用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。下行信道，点对点方式传播。专用控制信道(DCCH)：——独立专用控制信道（SDCCH）：用在分配TC；——慢速随路控制信道（SACCH）：它与一个TC；——快速随路控制信道（FACCH）：它与一个TC；图1.3（b）控制信道；第二章TDMA帧与脉冲序列；2.1TDMA帧结构；在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，相；TDMA帧号是以3.5小时（2715648个TD；图2.1(a)26帧结构图；如图2.——独立专用控制信道（SDCCH）：用在分配TCH之前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。上行和下行信道，点对点方式传播。——慢速随路控制信道（SACCH）：它与一个TCH或一个SDCCH相关，是一个传送连续信息的连续数据信息，如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台参与切换功能是必要的。它还用于MS的功率管理和时间调整。上行和下行信道，点对点方式传播。——快速随路控制信道（FACCH）：它与一个TCH相关。工作于借用模式，即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速度传送信令信息，则借用20ms的话音（数据）来传送。这一般在切换时发生。由于语音译码器会重复最后20ms的话音，因此这种中断不被用户查觉。图1.3（b）控制信道第二章TDMA帧与脉冲序列2.1TDMA帧结构在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，相当于FDMA系统中的一个频道，每帧包括8个时隙（TS0-7），要有TDMA帧号，这是因为GSM的特性之一是客户保密性好，是通过在发送信息前对信息进行加密实现的。计算加密序列的算法是以TDMA帧号为一个输入参数，因此每一帧都必须有一个帧号。有了TDMA帧号，移动台就可判断控制信道TS0上传送的是哪一类逻辑信道。TDMA帧号是以3.5小时（2715648个TDMA帧）为周期循环编号的。每2715648个TDMA帧为一个超高帧，每一个超高帧又可分为2048个超帧，一个超帧持续时间为6.12s，每个超帧又是由复帧组成。如图2.1(a)所示，26帧的复帧，它包括26个TDMA帧，持续时长120ms。图2.1(a)26帧结构图如图2.1(b)所示51个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带TCH（和SACCH加FACCH）。51帧的复帧，它包括51个TDMA帧，持续时长3060／13ms。26个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带BCH和CCCH。图2.1(b)51帧的复帧结构图2.2突发脉冲序列（Burst）TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列,共有五种类型：消息比特（informationbits）:用于描述业务消息和信令消息，空闲突发脉冲序列和频率校正突发脉冲序列除外。训练序列（trainingsequence）:它是一串已知序列，用于供均衡器产生信道模型（一种消除色散的方法）。训练序列是发送端和接收端所共知的序列，它可以用来确认同一突发脉冲其它比特的确定位置，它对于当接收端收到该序列时来近似的估算发送信道的干扰情况能起到很重要的作用。值得注意的是，它在普通突发脉冲序列可分为8种，但在接入突发脉冲和同步突发脉冲序列是固定的而并不随着小区的不同而不同。保护间隔（guardperiod）:它是一个空白空间，由于每个载频的最多同时承载8个用户，因此必须保证各自的时隙发射时不相互重叠，尽管使用了定时提前技术，但来自不同移动台的突发脉冲序列仍会有小的滑动，因而就采用了保护间隔。采用了这种手段后，可允许发射机在GSM规范许可的范围内上下波动。从另一角度来讲，GSM规范要求MS在一个突发脉冲的有用比特(不包括保护比特的其它比特)应保持恒定的传输幅度，并要求MS在两个突发脉冲之间传输幅度适当衰减，因此需要保护比特。相邻两个突发脉冲之间的幅度衰减并应用适当的调制比特流，将会减小对其它RF信道的干扰。“TB”尾比特：总是000帮助均衡器判断起始位和中止位。“GP”保护间隔，8.25个比特（相当于大约30ms），是一个空白空间。由于每载频最多8个客户，因此必须保证各自时隙发射时不相互重迭。尽管使用了时间调整方案，但来自不同移动台的突发脉冲序列彼此间仍会有小的滑动，因此8.25个比特的保护可使发射机在GSM建议许可范围内上下波动。图2.2GSM比特类型频率校正突发脉冲序列（FB）：用于移动台的频率同步，它相当于一个带频移的未调载波。此突发脉冲序列的重复称FCCH。同步突发脉冲序列（SB）：用于移动台的时间同步，它包括一个易被检测的长同步序列并携带有TDMA帧号和基站识别码（BSIC）信息。接入突发脉冲序列（AB）：用于随机接入，它有一个较长的保护间隔，这是为了适应移动台首次接入（或切换到另一个BTS）后不知道时间提前量而设置的。移动台可能远离BTS，这意味着初始突发脉冲序列会迟一些到达BTS，由于第一个突发脉冲序列中没有时间调整，为了不与下一时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲序列必须短一些。空闲突发脉冲序列（DB）：此突发脉冲序列在某些情况下由BTS发出，不携带任何信息。它的格式与普通突发脉冲序列相同，其中加密比特改为具有一定比恃模型的混合比特。第三章逻辑信道到物理信道的映射；3.1控制信道的映射；谈过TDMA信道、TDMA帧和突发脉冲序列之后，；对某小区超过1个载频时，该小区C0上的TS0就映；(0区中0对应F；1区中0对应S;2区中0对应B；图3.1（a）BCCH与CCCH在TS0上的复用；F（FCCH）---移动台依此同步频率，它的突发；S（SCH）---移动台依此读TDMA帧号和BS；C（C第三章逻辑信道到物理信道的映射3.1控制信道的映射谈过TDMA信道、TDMA帧和突发脉冲序列之后，我们就可以谈谈逻辑信道映射到物理信道的方法。我们知道每小区有若干个载频，每个载频都有8个时隙，我们定义载频数为C0，C1，?，Cn，时隙数为T30，T51，T87。对某小区超过1个载频时，该小区C0上的TS0就映射广播和公共控制信道，见图3.1（a）图中所示：(0区中0对应F；1区中0对应S;2区中0对应B)图3.1（a）BCCH与CCCH在TS0上的复用F（FCCH）---移动台依此同步频率，它的突发脉冲序列为FB。S（SCH）---移动台依此读TDMA帧号和BSIC码，突发脉冲序列为SB。B（BCCH）---移动台依此读有关此小区的通用信息。突发脉冲序列为NB。I（IDEL）---空闲帧，不包括任何信息。突发脉冲序列为DB。C（CCCH）---移动台依此接受寻呼和接入，突发脉冲序列NB。即便没有寻呼或接入进行，BTS也总在C0上发射，用空位突发脉冲序列代之。我们从帧的分级结构知道，51帧的复帧是用于携带BC