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作者：网站管理员&来源：移动通信技术&阅读次数：&1004&发表日期：& 16:07:18
&&&&&&&& 第二章&第2代&2.5代移动通信商用系统
2.1& &GSM 系 统
GSM即全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication)。
现阶段，GSM包括两个并行的系统：GSM900和 DCS1800，这两个系统功能相同，主要是频率不同。GSM900工作在900 MHz，DCS1800工作在1800 MHz。其自身的优点如下：
&&& (1) 频谱效率高。由于采用了高效调制器，信道编码、交织、均衡和话音编码技术，使系统有较高的频谱效率。
&&& (2) 容量大。由于每个信道传输带宽为200 kHz，使得同频复用载干比(载波功率与干扰功率之比)降低至9 dB，故GSM系统同频复用模式缩小，每小区的可用信道数为12.5个，大大高于模拟移动网。
&&& (3) 话音质量高。GSM系统中，只要在门限值以上，话音质量总是达到相同的水平而与传输质量无关。
(4) 安全性：通过鉴权认证，加密和TMSI号码的使用达到安全的目的。
&&& (5) 在业务方面有一定优势，如可以实现智能业务和国际漫游等。
&&& 我国各地的移动通信系统中大多采用GSM系统，使得GSM系统成为目前我国最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝系统。&
2.1.1& 系统网络结构及接口
GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统，如图2.1所示。基站子系统(BSS)由基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)组成；网络子系统由移动交换中心(MSC)和操作维护中心(OMC)以及归属位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权认证中心(AUC)和设备标志寄存器(EIR)等组成。
&FUploadFile/jiangyi/2.1.swf
1．移动台(MS)
&&& 移动台是移动网中的用户终端，包括移动设备(ME：Mobile Equipment)和移动用户识别模块SIM卡(Subscriber Identity Module，通常称为SIM卡)。
2．基站系统(BSS: Base Station System)
&&& 基站系统(BSS)负责在一定区域内与移动台之间的无线通信。一个BSS包括一个基站控制器(BSC: Base Station Controller)和一个或多个基站收发台(BTS: Base Transceiver Station)两部分组成。
1) 基站收发台(BTS)
&&& BTS是BSS的无线部分，受控于基站控制器BSC，包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、天线、连接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。它完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。
2) 基站控制器(BSC)
&&& BSC是BSS的控制部分，处于基站收发台BTS和移动交换中心MSC之间。一个基站控制器通常控制几个基站收发台，主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台越区切换进行控制等。
3．网络子系统(NSS: Network SubSystem)
网络子系统主要包含GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其他通信网用户之间通信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成，各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过No.7信令系统互相通信。
(1) 移动交换中心MSC是蜂窝通信网络的核心，如6.2节所述，它为本MSC区域内的移动台提供所有的交换和信令功能。
&&& (2) 网关MSC(GMSC：Gateway MSC)是完成路由功能的MSC，它在MSC之间完成路由功能，并实现移动网与其他网的互连。
(3) 归属位置寄存器HLR是一种用来存储本地用户位置信息的数据库。在移动通信网中，可以设置一个或若干个HLR，这取决于用户数量、设备容量和网络的组织结构等因素。每个用户都必须在某个HLR(相当于该用户的原籍)中登记。登记的内容主要有：
● 用户信息：如用户号码、移动设备号码等；
&&& ● 位置信息：如用户的漫游号码、VLR号码、MSC号码等，这些信息用于计费和用户漫游时的接续。这样可以保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时，均可由该移动用户的HLR获知它当时处于哪一个地区，进而建立起通信链路。
&&& ● 业务信息：用户的终端业务和承载业务信息、业务限制情况、补充业务情况等。
(4) 访问位置寄存器VLR是一个用于存储进入其覆盖区的用户位置信息的数据库。当移动用户漫游到新的MSC控制区时，由该区的VLR来控制。当移动台进入一个新的区域时，首先向该地区的VLR申请登记，VLR要从该用户的HLR中查询，存储其有关的参数，并要给该用户分配一个新的漫游号码(MSRN)，然后通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为其他用户呼叫此移动用户时提供路由信息。移动用户一旦由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，移动用户则重新在新的VLR上登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。一般的，一个MSC对应一个VLR，记作MSC/VLR。
(5) 鉴权认证中心AUC与HLR相关联，是为了防止非法用户接入GSM系统而设置的安全措施。AUC可以不断为用户提供一组参数(包括随机数RAND、符号响应SRES和加密键Kc三个参数)，该参数组可视为与每个用户相关的数据，在每次呼叫的过程中可以检查系统提供的和用户响应的该组参数是否一致，以此来鉴别用户身份的合法性，从而只允许有权用户接入网络并获得服务。AUC 只与它相关的HLR之间进行通信。
(6) 设备识别寄存器EIR是存储移动台设备参数的数据库，用于对移动设备的鉴别和监视，并拒绝非法移动台入网。
&&& (7) 操作和维护中心(OMC: Operation & Maintenance Center)对全网中每一个设备实体进行监控和操作，实现对GSM网内各种部件的功能监视、状态报告、故障诊断、话务量的统计和计费数据的记录与传递等功能。
&&& 移动业务的国际漫游要求各个厂家生产的移动设备之间必须能够进行互通。因此，GSM系统在制定技术规范时就对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了比较具体的定义，使不同供应商提供的GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通、组网的目的。
GSM系统的主要接口有A接口、Abis接口和Um接口等。
&&& (1)& A接口定义为网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的互连接口，其物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s的PCM数字传输链路来实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理等。
(2)& Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器BSC和基站收发信台(BTS)之间的通信接口，用于BTS与BSC之间的远端互连，物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s或64 kb/s的PCM数字传输链路来实现。
(3)& Um接口(空中接口)定义为移动台MS与基站收发台BTS之间的通信接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通，其物理链接通过无线方式实现。此接口传递的信息包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等。
&&& 此外还有网络子系统内部接口，这里只作简单叙述：
●& B接口：MSC 和与它相关的VLR之间的接口；
●& C接口：MSC 和HLR之间的接口；
●& D接口：HLR 和VLR之间的接口；
●& E接口：MSC之间的接口；
●& G接口：VLR之间的接口；
●& H接口：HLR 和AUC之间的接口。
2.1.2& 移动通信网中的几种号码
移动通信中，由于用户的移动性，需要有多种号码对用户进行识别、登记和管理。下面介绍几种常用的号码。
1．移动台号簿号码(MSISDN)
&& MSISDN即通常人们所说的呼叫某一用户时所使用的手机号码，其编号计划独立于PSTN／ISDN编号计划，编号结构为
CC + NDC + SN
其中CC为国家码(如中国为86)，NDC为国内地区码，SN为用户号码，号码总长不超过15位数字。
2．国际移动用户标识号(IMSI：International Mobile Subscriber Identification)
&&& 这是网络惟一识别一个移动用户的国际通用号码,对所有的GSM网来说它是惟一的，并尽可能保密。移动用户以此号码发出入网请求或位置登记，移动网据此查询用户数据。此号码也是HLR和VLR的主要检索参数。根据GSM 建议，IMSI最大长度为15位十进制数字。具体分配如下：
MCC&&&&&& + MNC&& +&&&&& MSIN/NMSI
3位数字&&& 1或2位数字&&& 10-11位数字
MCC：移动国家码，3位数字，如中国的MCC为460。
MNC：移动网号，最多2位数字，用于识别归属的移动通信网。
MSIN：移动用户识别码，用于识别移动通信网中的移动用户。
NMSI：国内移动用户识别码，由移动网号和移动用户识别码组成。
&&& IMSI编号计划国际统一，由ITU-T E.212建议规定，以适应国际漫游的需要。它和各国的MSISDN编号计划互相独立，这样使得各国电信管理部门可以随着移动业务类别的增加独立发展其自己的编号计划，不受IMSI的约束。
每个移动台可以是多种移动业务的终端(如话音、数据等)，相应地可以有多个MSISDN，但是IMSI只有一个，移动网据此受理用户的通信或漫游登记请求，并对用户计费。IMSI由电信经营部门在用户开户时写入移动台的EPROM。当任一主叫按MSISDN拨叫某移动用户时，终接MSC将请求HLR或VLR将其翻译成IMSI，然后用IMSI在无线信道上寻呼该移动用户。
3．国际移动台设备标识号(IMEI：International Mobile Equipment Identification)
IMEI是惟一标识移动台设备的号码，又称移动台电子串号。该号码由制造厂家永久性地置入移动台，用户和网络运营部门均不能改变它，其作用是防止有人使用非法的移动台进行呼叫。
根据需要，MSC可以发指令要求所有的移动台在发送IMSI的同时发送其IMEI，如果发现两者不匹配，则确定该移动台非法，应禁止使用。在EIR中建有一张“非法IMEI号码表”，俗称“黑表”，用以禁止被盗移动台的使用。
ITU-T建议IMEI的最大长度为15位。其中，设备型号占6位，制造厂商占2位，设备序号占6位，另有1位保留。我国数字移动网即采用此结构。
4．移动台漫游号码(MSRN：Mobile Station Roaming Number)
这是系统分配给来访用户的一个临时号码，供移动交换机路由选择使用。移动台的位置是不确定的，它的MSISDN中的移动网号和H1H2H3只反映它的原籍地。当它漫游进入另一个移动交换中心业务区时，该地区的移动系统必须根据当地编号计划赋予它一个MSRN，经由HLR告知MSC，MSC据此才能建立至该用户的路由。当移动台离开该区后，访问位置寄存器(VLR)和归属位置寄存器(HLR)都要删除该漫游号码，以便再分配给其他移动台使用。MSRN由被访地区的VLR动态分配，它是系统预留的号码，一般不向用户公开。
5．临时移动用户识别码(TMSI：Temporary Mobile Subscriber Identities)
&&& 为了对IMSI保密，在空中传送用户识别码时用TMSI来代替IMSI。TMSI是由VLR给用户临时分配的，只在本地有效(即在该MSC/VLR区域内有效)。
2.1.3& 信道类型
1．逻辑信道
&& GSM通信系统中，根据所传输的信息不同，将逻辑信道分为业务信道(TCH: Traffic Channel)和控制信道(CCH: Control Channel)。
&& 1) 业务信道TCH
&& 业务信道传输编码的话音或用户数据，按速率的不同分为全速率业务信道(TCH/F)和半速率业务信道(TCH/H)。
2) 控制信道CCH
&& 控制信道传输各种信令信息。控制信道分为以下三类：
&& (1) 广播信道(BCCH)：一种一点到多点的单方向控制信道，用于基站向移动台的下行方向。BS在BCCH中向所有MS广播一系列的信息，用于移动台入网、位置登记和呼叫建立(如同步信息)。
(2) 公共控制信道(CCCH)：一种一点对多点的双向控制信道，用于传送呼叫接续阶段所必需的各种信令信息。其中，CCCH又可以分为以下三种：
&&& ● 随机接入信道(RACH)：上行信道，用于移动台在申请入网时，向基站发送入网请求信息。
&&& ● 接入允许信道(AGCH)：下行信道，用于基站向移动台发送指配专用控制信道DCCH的信息。
&&& ● 寻呼信道(PCH)：下行信道，传送基站对移动台的寻呼信息。
&& (3) 专用控制信道(DCCH)：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。
2．物理信道
GSM系统采用时分多址、频分多址、频分双工方式(TDMA、FDMA、FDD)。采用频段为：上行890～915MHz，下行935～960 MHz；双工间隔45 MHz。首先在25 MHz的频段内进行频分复用，分为125个载频，载频间隔为200 kHz；再在每个载频上进行时分复用，分为8个时隙。这样，共有1000个物理信道，根据需要分给不同的用户使用，移动台在特定的频率上和时隙内，向基站传输信息，基站也在相应的频率上和相应的时隙内，以时分复用方式向各个移动台传输信息。
2.1.4& 呼叫接续与移动性管理
与固定网一样，移动通信网最基本的作用是给网中任意用户之间提供通信链路，即呼叫接续。但与固定网不同的是，在移动网中，由于用户的移动性，就必须有一些另外的操作处理功能来支持。当用户从一个区域移动到另外一个区域时，网络必须发现这个变化，以便接续这个用户的通信，这就是位置登记。当用户在通信过程中从一个小区移动到另一个小区时，即越区切换时，系统要保证用户的通信不中断。这些位置登记、越区切换的操作，是移动通信系统中所特有的，我们把这些与用户移动有关的操作称为移动性管理。下面介绍GSM系统中典型的呼叫接续、位置登记、越区切换等操作过程。
1．位置登记
& &在介绍具体的位置登记过程之前，先介绍两个概念：
&& (1) 位置区：移动台不用进行位置更新就可以自由移动的区域，可以包含几个小区。当呼叫某一移动用户时，由MSC可以追踪移动台究竟处于所在位置区的哪个小区。位置区标识(LAI：Location Area Identifier)是在广播控制信道BCCH中广播的。
&& (2)& MSC区：由该MSC所控制的所有基站的覆盖区域组成。一个MSC区可以包含几个位置区。
位置登记过程是指移动通信网对系统中的移动台进行位置信息的更新过程，它包括旧位置区的删除和新位置区的注册两个过程。
&&& 移动台的信息存储在HLR、VLR两个存储器中。当移动台从一个位置区进入另一个位置区时，就要向网络报告其位置的移动，使网络能随时登记移动用户的当前位置，利用位置信息，网络可以实现对漫游用户的自动接续，将用户的通话、分组数据、短消息和其他业务数据送达漫游用户。
移动台一旦加电开机后，就搜寻BCCH信道，从中提取所在位置区标识(LAI)。如果该LAI与原来的LAI相同，则意味着移动台还在原来的位置区，不需要进行位置更新；若不同，意味着移动台已离开原来的位置区，则必须进行位置登记。
2．呼叫接续
图2.2给出一次成功的移动用户呼出的接续过程，可以概括为以下的步骤：
　& (1) 首先移动台与基站之间建立专用控制信道。MS在“随机接入信道(RACH)”上，向BS发出“请求分配信令信道”信息，申请入网；若BS接收成功，就给这个MS分配一个“专用控制信道(DCCH)”，用于在后续接续中MS向BS传输必需的控制信息；并在“准许接入信
道”(AGCH)上，向MS发送“指配信令信道”消息。
(2) 完成鉴权和有关密码的计算。MS收到“指配信令信道”消息后，利用“专用控制信道(DCCH)”和BS建立起信令链路，经BS向MSC发送“业务请求”信息。MSC向有关的VLR发送“开始接入请求”信令。VLR收到后，经过MSC和BS向MS发出“鉴权请求”，其中包含一随机数，MS按规定算法对此随机数进行处理后，向MSC发回“鉴权响应”信息。若鉴权通过，承认此MS的合法性，VLR就给MSC发送“置密模式”命令，由MSC向MS发送“置密模式”指令。MS收到后，要向MSC发送“置密模式完成”的响应信息。同时VLR要向MSC发送“开始接入请求应答”信息。VLR还要给MS分配一个TMSI号码。
&FUploadFile/jiangyi/2.2.swf&　
(3) 呼叫建立过程。 MS向MSC发送"建立呼叫请求"信息。MSC收到后，向VLR发出“要求传送建立呼叫所需的信息”指令。如果成功，MSC即向MS发送“呼叫进展”的信令，并向BS发出分配无线业务信道的“信道指配”指令，要求BS给MS分配无线信道。
(4) 建立业务信道。如果BS找到可用的业务信道(TCH)，即向MS发出“信道指配”指令，当MS得到信道时，向BS和MSC发送“信道指配完成”的信息。MSC把呼叫接续到被叫用户所在的移动网的MSC或固定网的交换局，并和对方建立信令联系。若对方用户可以接受呼叫，则通过BS向MS送回铃音。当被叫用户摘机应答后，MSC通过BS向MS送“连接”指令，MS则发送“连接确认”进行响应，即进入通话状态。
(5) 话终挂机。通话结束，当MS挂机时，MS通过BS向MSC发送“断开连接”消息，MSC收到后，一方面向BS和MS发送“释放”消息，另一方面与对方用户所在网络联系，以释放有线或无线资源；MS收到“释放”消息后，通过BS向MSC发送“释放完成”消息，此时通信结束，BS和MS之间释放所有的无线链路。
3．越区切换
&&& 越区切换是指当通话中的移动台从一个小区进入另一个小区时，网络能够把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道，而保证用户的通话不中断。移动网的特点就是用户的移动性，因此，保证用户的成功切换是移动通信网的基本功能之一，也是移动网和固定网的重要不同点之一。
&&& 越区切换可能有两种不同的情况：
(1)同一MSC内的基站之间的切换，称为MSC内部切换(Intra-MSC)。这又分为同一BSC控制区内不同小区之间(Intra-BSS)的切换和不同BSC控制区内(Inter-BSS)小区之间的切换。如图2.3所示：
&FUploadFile/jiangyi/2.3.swf&&
&&&& MS周期性地对周围小区的无线信号进行测量，并及时报告给所在小区。当信号强度过弱时，该MS所在的基站(BSS-A)就向MSC发出“越区切换请求”消息，该消息中包含了MS所要切换的小区列表。MSC收到该消息后，就开始向新基站(BSS B)转发该消息，要求新基站分配无线资源，BSS B开始分配无线资源。
BSS B若分配无线信道成功，则给MSC发送“切换请求应答”消息。MSC收到后，通过BS向MS发“切换命令”，该命令中包含了由BSS B分配的一个切换参考值，包括所分配信道的频率等信息。MS将其频率切换到新的频率点上，向BSS B发送“切换接入(Handover-Access)”消息。BSS B检测MS的合法性，若合法，BSS B 发送“切换检测(Handover-Detect)”消息给MSC。同时，MS通过BSS-B送“切换完成”给MSC，MS与BSS-B正常通信。
当MSC收到“切换完成”消息后，通过“清除命令(Clear-Command)”释放BSS-A上的无线资源，完成后，BSS-A送“清除完成”给MSC。至此，一次切换过程完成。
(2)不同MSC的基站之间的切换，称为MSC间切换(Inter-MSC)。
&MSC之间切换的基本过程与Intra-MSC的切换基本相似，所不同的是，由于是在MSC
之间进行的，因此，移动用户的漫游号码要发生变化，要由新的VLR重新进行分配。因此，这里不再给出详细的过程。
越区切换是由网络发起，移动台辅助完成的。MS周期性地对周围小区的无线信号进行测量，及时报告给所在小区，并送给MSC。网络会综合分析移动台送回的报告和网络所监测的情况，当网络发现符合切换条件时，进行越区切换的有关信令交换，然后释放原来所用的无线信道，在新的信道上建立连接并进行通话。
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3.2 GSM系统的无线传输
<font STYLE="FonT-siZe: 14px" COLOR="#.2.1
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。把上面的描述表达成不同的传输平面层，如图3-1所示。
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。
<font STYLE="FonT-siZe: 14px" COLOR="#.2.2
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，如图3-2所示。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。
3.3 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。
3.3.1 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。
3.3.2 语音解码
语音解码可以分成下面几个步骤：
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；
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；
&LPC滤波，根据传递的参数进行处理；
&#9315;&& 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
13kbit/s的语音码按每20ms，260bit分块，其中不含任何另收端可以判别块首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。
3.4 GSM系统的无线信道
3.4.1 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。
还有一些情况，在MS与网络之间虽然没有呼叫要求，但还是需要建立连接，由于信息量很少，用TCH来传输信令就比较浪费，因此GSM又定义了一种仅用于信令的低速信道类型，它等于TCH的1/8，记为TCH/8，在GSM中定义为独立专用控制信道SDCCH其信道特性除速率以外与TCH/F、TCH/H几乎一样，它也有一个对应的SACCH。
3.4.2 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。
3.5 GSM系统的复路接入方法
3.5.1 GSM系统的频分复用
GSM采用频分多路（FDMA）和时分多路（TDMA）的混合技术，具有较高的频谱利用率。每个频率的中心频带为200kHz，将所给频带890—915MHz等间隔（200kHz）分成125个载频，每个载频又分成8个时隙，每个时隙为一个信道，总计为1000个信道。GSM引入的另一项技术是跳频（Frequency
Hopping）。它规则地改变MS到BTS上的传输载频，能提供抗多径衰落的能力，改善传输质量。
GSM无线路径上的传输单位是由大约100个调制bit组成的脉冲串，称“Burst”。“Burst”是有限长度，占据有限频谱的信息，它在一个时间和频率窗口上发送，这个窗口称为“Slot”。“Slot”的中心频率位于系统频带上200kHz的间隔上，并且以15/26ms（约0.577ms）的时间重复。这个由频域和时域构成的空间“Slot”就是FDMA和TDMA在GSM中的应用。在一个小区内，全部“Slot”的时间范围都是一样的，这个相同的时间间隔称为时隙（Time
Slot），把它作为一个时间单位，恰好是一个“Burst”周期，记为BP，如图3-3所示。
由图可知，“Slot”是一个15/26ms长和200kHz宽的矩形，“Slot”在频域上的这个相同的间隔称为频隙（Frequency
Slot），在GSM规范中定义为无线信道。
使用一条指定的信道，其实际意义就是在某个时间和频率段上传输“Burst”。信道就对应“Slot”的概念，是一个二维的矩形。一个信道的“Slot”在时间上是不连续的，因一个信道是由一组临时定义的“Slot”组成，信道在“Slot”的组合上是周期的，也就是说此一组“Slot”组合的重复周期构成了一个信道。
与时隙定义共存的是信道特性的频域定义。信道的频率是指信道构成中每个“Slot”的频率。它可以是一个固定频率，此时信道占据的“Slot”具有相同频率，也可以是不同频率，也就是我们说的跳频情况。对于双向信道（如TCH），在两个方向上可以用不同的方法定义各自的信道。通常，上下行保持固定的45MHz频率间隔（900MHz情况下）或90MHz频率间隔（1800MHz情况下）。同时根据信道类型，保持一个时间偏移，通过这一约定可以很容易地从时间和频率上发现上行和下行的关系。
信道在时域上总是周期性的，周期的长短、“Slot”的数量随信道类型而变，周期的同步可以通过系统同步机制获得每个小区都有一个参考时钟用以定义时隙位置，除此之外还要遵循系统中所有信道周期所规定的时间安排。在GSM系统中，不同频率上的每个时隙都有一个序号，BTS和MS通过对序号的约定取得同步，因此序号也是同步信息的一部分。时隙序号具有一个很长的重复周期，大约是3.5小时，在此周期内任何一个“Slot”都具有一个明确的时隙号和频隙号。
3.5.2 GSM系统的TDMA帧结构
我们把成对分配的TCH/F和SACCH信道冠以TACH/F的名字，TACH/F的周期由8个BP组成，时长为（15/26）&8约等于4.615ms。所有的时隙号可以分解成8&整数＋n，n=0，1，2……7对应于8个BP。我们可以用模8描述一个信道的位置，8个BP组成的周期称为TDMA帧。因此，可以用TN定义8个不同类型的TACH/F，具有相同模8整数倍的两个TACH/F共存于同一个TDMA帧中。在网络一侧不同TN的8个TACH/F可以由一个发信机激励，也就每个TACH/F是时分激励的，这是时分多路概念的核心所在。正因此，可以大大减少收发信机的数量。
TACH/F（或TCH/F与SACCH组）在时间域上是以26个TDMA帧为周期的，时长26&8BP =
120ms。在26个TDMA中，24个用于TCH/F的发送，一个用于SACCH的发送，一个空闲。但它们并不是简单地按TDMA帧号划分，而是复杂地交织在一起，其结构如图3-4所示。
从TDMA0到TDMA11和TDMA13到TDMA24，总计24个TN0时隙构成它所承载的TCH0/F的周期，TDMA12的TN
0为该TCH 0/F对应的SACCH，TDMA25的TN 0为空闲，TN1较TN 0滞后8（
BP）&12＋1个时隙。就是从图3-4中TDMA13的TN1，以及下一个26TDMA帧的前12个TDMA帧的TN1，总计24个时隙构成它承载的TCH/F的周期，该TCH/F对应的SACCH占据TDMA25的TN1。以此类推，TN2的SACCH在TDMA12的TN2，TN3的SACCH在TDMA25的TN3……。按SACCH分布在TDMA12和TDMA25，又可以分为两种TCH/F类型。按照上面的排列结构，SACCH的周期为4&26&8（BP）=
480ms。这种安排的原因出于网络侧的负载考虑。如果SACCH安排在几乎同时送出，BTS势必要在480ms内同时接收来自全部MS的SACCH消息，这就产生了每480ms重复一次的瞬间高负载情况。为了避免这种情况，采用令TN
n ＋1（n = 0，1，……，6）的TACH/F周期较之TNn的TACH/F周期偏移12&8（BP）＋1 =
97BP的安排。这种安排在时隙结构上产生了影响，BTS处理TN0，TN1，……TN7共8个TCH/F的SACCH消息是分布在8个不同的时刻，很好地均匀了负载。
从基站的角度看，下行方向延时3个BP就可以得到上行方向的结构。3BP延时在GSM系统中是一个常数，也就是上行时隙号是其对应下行时隙号的3BP的偏移。这种安排使得可以在两个方向上用一个信道的时隙承载相同的TN。从MS的角度看，这是由于传播时延的影响。MS用一个时间值来补偿传播时延，调整其收发间隔，这个值称为时间提前量（Timing
Advance）。此时，从MS角度看，上下行之间准确偏移量是3BP减去TA，TA值由BTS计算并通过信令方式通知MS，MS延时结构如图3-5。
与TDMA的时隙相同，FDMA的频隙概念是GSM复路方式的另一方面。GSM在900MHz频带所占的基本带宽是两个25MHz，分别是890—915MHz和935—960MHz，用于承载上行和下行。任何一对载频之间的距离是45MHz（上下行对），而两个载频的间隔距离是200kHz，就是与TDMA时隙对应的频隙。频隙的中心频点以200kHz间隔分布，在25MHz上总计有124个频隙，如图3-6所示。
在GSM带的边界保留200kHz间隔。一般0载频保留不用，所以在25MHz上可以存在122个有用频隙。由于调制频谱有时会超过200kHz，产生同频或邻频干扰，这时边界载频会对邻带的非GSM应用产生不希望出现的干扰，所以一般不用频段两端的频隙。
GSM还在无线接口上采用慢速跳频技术（SFH），所谓跳频就是规则地改变一个信道所使用的频隙。GSM引入慢速跳频基于两个原因：频率分集（Frequency
Diversity）和干扰分集（Interference Diversity）。
3.6 GSM系统的信道编码与调制解调
无线发射经过若干处理才能把原始数据变成最终的发射信号，反之，接收端也要进行一系列这样的逆处理直至恢复原始数据，有关语音的处理过程如图3-7。
3.6.1 脉冲串
Burst是GSM的传输单元，它占时长为（576+12/13）us，即（156+1/4）bit位。在这个时间间隔内，激励的幅度由0值快速变到正常值，把信号相位调制成一个发送的bit包，然后幅度迅速回归0值。根据这个时间窗口上的时间——幅度轨迹的不同定义了几种Burst，如标准Burst和接入Burst。用于调制的比特包一般由有用信息，加上一个训练序列&&&&&&&&&&&&&&&&
（Training Sequency）和两端的各三个0
bit组成。理论上，我们可以在一个无限的bit串上应用调制方法得到信号相位。因此，由前面的Burst串与后面的无限1
bit组成这样的无限bit串。加在两端的0 bit用于Burst定义，以避免解调无用的信息而降低解调效率，因为从1
bit到Burst的第一个0 bit，以及Burst最后一个0 bit到1
bit的变化可在Burst幅度曲线的边界产生较陡的变化。
训练序列是一个收端已知的
bit串，带有这种序列的发信号可以使收端准确定位接受窗口中的有用信号，同时也是一种抗干扰的方法，它是获得良好解调的重要信息之一。根据不同的用途，GSM中定义了几种Burst格式：
接入Burst：用于MS建立与BTS的首次连接，此时MS与BTS之间的时延尚未确定。这种情况出现在上行方向的RACH上，是一种短Burst。
F Burst和S Burst：分别用于FCCH和SCH，用于描述小区同步信息，供MS接入使用。
常规Burst：这是一种长Burst，用于除上述几种情况之外的所有其他场合。
&#9312;&&&&
常规Burst由2个58 bit的包和一个26 bit的训练序列组成，并在两端加三个0
bit，如图3-8所示。训练序列插在Burst中间是为了减少它与有用bit之间的距离。这种安排要求接收器在解调Burst之前，先要记录前半部分的内容（前面58
bit包）。注意，两个具有同样干扰的信号，几乎同时到达一个接收器时，如果它们的训练序列一样，就没有办法从收到的信号中区分它们。所以GSM定义了8种训练序列，用不同的序列分配给小区中使用相同频率的不同信道，以克服它们之间产生的干扰。
这是一种较短的Burst，是BTS在上行方向上解调的第一个Burst，结构及曲线如图3-9。它由41bit的训练序列和36bit的信息内容，再加上7bit和3bit的分界标志组成，其中头标志和训练序列要长于标准Burst的相应部分。
&#9313;&&&&
仅用于下行SCH，与标准Burst长度相等，但结构不同，如图3-10所示。S
Burst是MS在下行方向上解调的第一个Burst。
&#9315;& F Burst
是一种很特殊的Burst，长达148bit，且全为0 bit。它主要用于使MS可以定位并解调同一小区中的S Burst。F
Burst经过解调后是一个比载频中心频率高1625/24kHz的正弦波。
&#9316;& 预占
信令块可以插入正在使用中的TCH中，以偷帧的形式与用户数据共用一条TCH。虽然两者都使用标准Burst，但却有不同的信道编码。收端可以在解码之前区分出Burst中的内容是用户数据还是信令。在Burst中使用了一种编址机制，收端在解调之后就可以得到这个信息，从而分别采取不同的解码方式，这个用于区别的信息称为偷帧标志（Stealing
结合以上有关GSM系统的时隙与帧的介绍，可以得出如图3-11所示的GSM系统内数据传输的单位之间的关系。
&3.6.2 交织
交织就是把码字顺序重新排列，以改善实发持续误码状况。它只是改变bit的位置，
不加冗余bit，所以交织前后码速率不变。在实际传输中，比特差错经常是成串发生的。持续较长的衰落谷点会影响到几个相邻的比特，而信道编码仅能检测和校正不太长的差错串。交织技术就是把一条消息中的相继比特隔开传输，以非相继方式被传送。&20ms语音段经信道编码为456bit，它们的传输不是从序号1到456，而是将456bit分为8帧，每帧为57bit，序号为1，9，17，25，……，449为第一帧，如图3-12所示。在没交织前，若连续错码为100bit，假设从序号1到100，这样就有一段消息都错；交织后，还是连续100个错码，此时为第一帧的57bit加上第二帧的43bit，再恢复为原序列后，则只有序号为1，2，9，10，17，18，25，26，……非连续出错，可通过信道编码来纠正。
&&&以上是GSM采用的第一次交织，它还采用了第二次交织，即在构成实发脉冲串burst时进行的交织。因为各信道是时分的，一个信道只在一个时隙中周期性地传输，将信息在一个时隙传输构成一个burst，时长为576μs，共有156.25位，而20ms语音段是分8帧，每帧为57bit，即一个burst可以传输两个帧，计114bit，再加上训练比特26和8个首尾比特，共计为148bit，加上burst之间的间隔时间为156bit。在这种传输方式下，若一个burst出错，则有114bit信息出错，占20ms语音的25%。若进行交织，将一个burst中的两个帧分别为两个语音段的编码，如图3-13所示，此时一个burst出错，对一个语音段来说只错57bit，占12.5%。
&3.6.3& 信道编码
信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响；但它是以增加bit降低信息量为代价的。编码的基本方法是在原始数据上附加一些冗余信息，增加的bit是通过某种约定从原始数据经计算产生的。
GSM中使用的编码方式有：
块卷积码：主要用于纠错。当解调器采用最大似然估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果。
纠错循环码（Fire
Code）：主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常与前一种方法混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。奇偶码：这是一种普遍使用的最简单的检测误码方法。
&3.6.4 调制和解调
GSM使用的调制是BT =
0.3的GMSK，其调制速率为270.833千波特，使用Viterbi算法进行解调。调制的功能就是按照一定的规则把某种特性强加到电磁波上，这个特性就是要发射的数据。GSM系统中承载信息的是电磁场的相位，即调相方式。解调的功能是接收信号，从一个受调的电磁波中还原发送的数据。从发收角度看，首先要完成二进制数据到一个低频调制信号的变换，然后再把它进一步变到电磁波形式。而解调则是一个逆过程。
GSM的基本频带是在900MHz上的两个子频段，分别用于收发方向，频分多路（FDMA）技术把它们分成中心频率相距200kHz的众多频隙，指定载频上的调制信号频谱决定相邻信道上信号之间将产生多少干扰。
典型的调制器包括两个步骤：首先把GMSK信号调制到一个较低的固定频率上，一般情况下是个中频信号；然后再把这个已调信号上调到要求的Burst频隙，也就是载频上，同时调整好要求的功率电平。一般情况下，这个步骤称为频率搬移，它是把信号与一个正弦信号混频，然后滤除不需要的成分，同时保持信号相位不变。
GSM采用带均衡的解调方法称为Viterbi方法，其优点之一是这种算法也可以适用于卷积码的最大似然解码处理，因此可以用一致的方法执行解调和解码。
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