GSM系統(tǒng)的時(shí)幀結(jié)構(gòu)[互聯(lián)網(wǎng)+]

1、移動(dòng)通信原理GSM系統(tǒng)的時(shí)幀結(jié)構(gòu)余春聯(lián)093200229709通信技術(shù)（2）班指導(dǎo)老師：陳添蘭目錄第一章TDMA概述21.1TDMA簡(jiǎn)介21.2TDMA特性31.3TDMA信道概念3第二章TDMA幀與脈沖序列62.1TDMA幀結(jié)構(gòu)62.2突發(fā)脈沖序列（Burst）7第三章 邏輯信道到物理信道的映射103.1控制信道的映射10結(jié)束語(yǔ)13參考文獻(xiàn)14第一章TDMA概述1.1TDMA簡(jiǎn)介TDMA：Time Division Multiple Access - 時(shí)分多址接入 FDMA： Trequency Division Multiple Access-頻分多址接入 時(shí)分制是把一個(gè)傳輸通道進(jìn)行時(shí)間分

2、割以傳送若干話路的信息，把N個(gè)話路設(shè)備接到一條公共的通道上，按一定的次序輪流的給各個(gè)設(shè)備分配一段使用通道的時(shí)間。當(dāng)輪到某個(gè)設(shè)備時(shí)，這個(gè)設(shè)備與通道接通，執(zhí)行操作。與此同時(shí)，其它設(shè)備與通道的聯(lián)系均被切斷。待指定的使用時(shí)間間隔一到，則通過(guò)時(shí)分多路轉(zhuǎn)換開關(guān)把通道聯(lián)接到下一個(gè)要連接的設(shè)備上去。時(shí)分制通信也稱時(shí)間分割通信，它是數(shù)字電話多路通信的主要方法，因而PCM通信常稱為時(shí)分多路通信。時(shí)分多址是把時(shí)間分割成周期性的幀(Frame)每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以分別在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)終端的信號(hào)而不混擾。同時(shí)，基站發(fā)向多個(gè)移動(dòng)終端的信號(hào)都按順序安排在予定的時(shí)

3、隙中傳輸，各移動(dòng)終端只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在合路的信號(hào)中把發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分并接收下來(lái)。TDMA較之FDMA具有通信口號(hào)質(zhì)量高，保密較好，系統(tǒng)容量較大等優(yōu)點(diǎn)，但它必須有精確的定時(shí)和同步以保證移動(dòng)終端和基站間正常通信，技術(shù)上比較復(fù)雜。TDMA在美國(guó)通常也指第二代(2G) 移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn),具體說(shuō)是象IS-136或者D-AMPS這些標(biāo)準(zhǔn)使用TDMA技術(shù)分時(shí)共享載波的帶寬。TDMA把一個(gè)射頻分成多個(gè)時(shí)隙，再把這些時(shí)隙分給多組通話。這樣，一個(gè)射頻可以同時(shí)支持多個(gè)數(shù)據(jù)頻道，目前該技術(shù)已成為今天的D-AMPS和G*系統(tǒng)的基礎(chǔ)。TDMA通信系統(tǒng)主要有以下主要特點(diǎn)：（1）TDMA通信系統(tǒng)的基站只用一部發(fā)射機(jī)，

4、可以避免FDMA通信系統(tǒng)中多部不同頻率發(fā)射機(jī)同時(shí)工作而產(chǎn)生的互調(diào)干擾。（2）TDMA通信系統(tǒng)不存在頻率分配問(wèn)題，對(duì)時(shí)隙的管理和分配比對(duì)頻率的管理和分配簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)。（3）移動(dòng)臺(tái)只在指定的時(shí)隙中接收信息，有利于通信網(wǎng)絡(luò)的控制和管理，可保證移動(dòng)臺(tái)的越區(qū)切換功能可靠的現(xiàn)實(shí)。（4）可同時(shí)提供多種業(yè)務(wù)，使系統(tǒng)的通信容量和通信速率成倍增長(zhǎng)。（5）TDMA通信系統(tǒng)具有精確的定時(shí)和同步功能，可保證各移動(dòng)臺(tái)發(fā)送的信號(hào)不會(huì)再基站發(fā)生重疊和混淆。1.2TDMA特性 （1）每載頻多路信道。如前所述，TDMA系統(tǒng)形成頻率時(shí)間矩陣，在每一頻率上產(chǎn)生多個(gè)時(shí)隙，這個(gè)矩陣中的每一點(diǎn)都是一個(gè)信道，在基站控制分配下，可為任意一移動(dòng)客

5、戶提供電話或非話業(yè)務(wù)。 （2）利用突發(fā)脈沖序列傳輸。移動(dòng)臺(tái)信號(hào)功率的發(fā)射是不連續(xù)的，只是在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)射脈沖序列。 （3）傳輸速率高，自適應(yīng)均衡。每載頻含有時(shí)隙多，則頻率間隔寬，傳輸速率高，但數(shù)字傳輸帶來(lái)了時(shí)間色散，使時(shí)延擴(kuò)展加大，故必須采用自適應(yīng)均衡技術(shù)。 （4）傳輸開銷大。由于TDMA分成時(shí)隙傳輸，使得收信機(jī)在每一突發(fā)脈沖序列上都得重新獲得同步。為了把一個(gè)時(shí)隙和另一個(gè)時(shí)隙分開，保護(hù)時(shí)間也是必須的。因此，TDMA系統(tǒng)通常比FDMA系統(tǒng)需要更多的開銷。（5）對(duì)于新技術(shù)是開放的。例如當(dāng)話音編碼算法的改進(jìn)而降低比特速率時(shí)，TDMA系統(tǒng)的信道很容易重新配置以接納新技術(shù)。 （6）共享設(shè)備的成本低。由

6、于每個(gè)載頻為多個(gè)客戶提供服務(wù)，所以TDMA系統(tǒng)共享設(shè)備的每客戶平均成本與FDMA系統(tǒng)相比是大大降低了。 （7）移動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)較復(fù)雜。它比FDMA系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)完成更多的功能，需要復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理。1.3TDMA信道概念GSM中的信道分為物理信道和邏輯信道，一個(gè)物理信道就為一個(gè)時(shí)隙(TS)，而邏輯信道是根據(jù)BTS與MS之間傳遞的信息種類的不同而定義的不同邏輯信道。這些邏輯信道映射到物理信道上傳送。從BTS到MS的方向稱為下行鏈路，相反的方向稱為上行鏈路。#I$K4%J/Z9b)J(6s4)yMSCBSC 移動(dòng)通信論壇8x.R%l:g%i/邏輯信道又分為兩大類：業(yè)務(wù)信道和控制信道。 業(yè)務(wù)信道（TCH）：

7、用于傳送編碼后的話音或客戶數(shù)據(jù)，在上行和下行信道上，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（BTS對(duì)一個(gè)MS，或反之）方式傳播。業(yè)務(wù)信道用于攜載語(yǔ)音或用戶數(shù)據(jù)，可分為話音業(yè)務(wù)信道和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道。話音業(yè)務(wù)信道TCH/FS:全速率語(yǔ)音信道，13kbit/sTCH/HS:半速率語(yǔ)音信道，5.6kbit/sTCH/EFR:增強(qiáng)型全速率語(yǔ)音信道，12.2kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道TCH/9.6:全速率數(shù)據(jù)信道， 9.6kbit/sTCH/4.8:全（半）速率數(shù)據(jù)信道， 4.8kbit/sTCH/2.4:全（半）速率數(shù)據(jù)信道， 2.4kbit/s圖1.3（a） 控制信道：用于傳送信令或同步數(shù)據(jù)。根據(jù)所需完成的功能又把控制信道定義成廣播、公

8、共及專用三種控制信道，它們又可細(xì)分為：廣播信道（BCH）: 頻率校正信道（FCCH）：攜帶用于校正MS頻率的消息，下行信道，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（BTS對(duì)多個(gè)MS）方式傳播。同步信道（SCH）：攜帶MS的幀同步（TDMA幀號(hào)）和BTS的識(shí)別碼（BSIC）的信息，下行信道，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式傳播。廣播控制信道（BCCH）：廣播每個(gè)BTS的通用信息（小區(qū)特定信息）。下行，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式傳播。公共控制信道（CCCH） : 尋呼信道（PCH）：用于尋呼（搜索）MS。下行，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式傳播。隨機(jī)接入信道（RACH）：MS通過(guò)此信道申請(qǐng)分配一個(gè)獨(dú)立專用控制信道（SDCCH），可作為對(duì)尋呼的響應(yīng)或MS主叫允許接人信道（AGCH

9、）：用于為MS分配一個(gè)獨(dú)立專用控制信道（SDCCH）。下行信道，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳播。專用控制信道(DCCH)：獨(dú)立專用控制信道（SDCCH）：用在分配TCH之前呼叫建立過(guò)程中傳送系統(tǒng)信令。例如登記和鑒權(quán)在此信道上進(jìn)行。上行和下行信道，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳播。慢速隨路控制信道（SACCH）：它與一個(gè)TCH或一個(gè)SDCCH相關(guān)，是一個(gè)傳送連續(xù)信息的連續(xù)數(shù)據(jù)信息，如傳送移動(dòng)臺(tái)接收到的關(guān)于服務(wù)及鄰近小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)試報(bào)告。這對(duì)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)參與切換功能是必要的。它還用于MS 的功率管理和時(shí)間調(diào)整。上行和下行信道，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式傳播。快速隨路控制信道（FACCH）：它與一個(gè)TCH相關(guān)。工作于借用模式，即在話音傳輸過(guò)程中如

10、果突然需要以比SACCH所能處理的高得多的速 度傳送信令信息，則借用20ms的話音（數(shù)據(jù)）來(lái)傳送。這一般在切換時(shí)發(fā)生。由于語(yǔ)音譯碼器會(huì)重復(fù)最后20ms的話音，因此這種中斷不被用戶查覺(jué)。圖1.3（b） 控制信道第二章TDMA幀與脈沖序列2.1TDMA幀結(jié)構(gòu)在TDMA中，每個(gè)載頻被定義為一個(gè)TDMA幀，相當(dāng)于FDMA系統(tǒng)中的一個(gè)頻道，每幀包括8個(gè)時(shí)隙（TS0-7），要有TDMA 幀號(hào)，這是因?yàn)镚SM的特性之一是客戶保密性好，是通過(guò)在發(fā)送信息前對(duì)信息進(jìn)行加密實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算加密序列的算法是以TDMA幀號(hào)為一個(gè)輸入?yún)?shù)，因此每一幀都必須有一個(gè)幀號(hào)。有了TDMA幀號(hào)，移動(dòng)臺(tái)就可判斷控制信道TS0上傳送的是哪

11、一類邏輯信道。TDMA幀號(hào)是以3.5小時(shí)（2715648個(gè)TDMA幀）為周期循環(huán)編號(hào)的。每2715648個(gè)TDMA幀為一個(gè)超高幀，每一個(gè)超高幀又可分為2048個(gè)超幀，一個(gè)超幀持續(xù)時(shí)間為6.12s，每個(gè)超幀又是由復(fù)幀組成。如圖2.1(a)所示，26幀的復(fù)幀，它包括26個(gè)TDMA幀，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)120ms。 圖2.1(a) 26幀結(jié)構(gòu)圖如圖2.1(b)所示51個(gè)這樣的復(fù)幀組成一個(gè)超幀。這種復(fù)幀用于攜帶TCH（和SACCH加FACCH）。51幀的復(fù)幀，它包括51個(gè)TDMA幀，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)306013ms。26個(gè)這樣的復(fù)幀組成一個(gè)超幀。這種復(fù)幀用于攜帶BCH和CCCH。圖2.1(b) 51幀的復(fù)幀結(jié)構(gòu)圖2.2

12、突發(fā)脈沖序列（Burst）TDMA信道上一個(gè)時(shí)隙中的信息格式稱為突發(fā)脈沖序列,共有五種類型：消息比特（information bits）:用于描述業(yè)務(wù)消息和信令消息，空閑突發(fā)脈沖序列和頻率校正突發(fā)脈沖序列除外。訓(xùn)練序列（training sequence）:它是一串已知序列，用于供均衡器產(chǎn)生信道模型（一種消除色散的方法）。訓(xùn)練序列是發(fā)送端和接收端所共知的序列，它可以用來(lái)確認(rèn)同一突發(fā)脈沖其它比特的確定位置，它對(duì)于當(dāng)接收端收到該序列時(shí)來(lái)近似的估算發(fā)送信道的干擾情況能起到很重要的作用。值得注意的是，它在普通突發(fā)脈沖序列可分為8種，但在接入突發(fā)脈沖和同步突發(fā)脈沖序列是固定的而并不隨著小區(qū)的不同而不同。

13、保護(hù)間隔（guard period）:它是一個(gè)空白空間，由于每個(gè)載頻的最多同時(shí)承載8個(gè)用戶，因此必須保證各自的時(shí)隙發(fā)射時(shí)不相互重疊，盡管使用了定時(shí)提前技術(shù)，但來(lái)自不同移動(dòng)臺(tái)的突發(fā)脈沖序列仍會(huì)有小的滑動(dòng)，因而就采用了保護(hù)間隔。采用了這種手段后，可允許發(fā)射機(jī)在GSM規(guī)范許可的范圍內(nèi)上下波動(dòng)。從另一角度來(lái)講，GSM規(guī)范要求MS在一個(gè)突發(fā)脈沖的有用比特(不包括保護(hù)比特的其它比特)應(yīng)保持恒定的傳輸幅度，并要求MS在兩個(gè)突發(fā)脈沖之間傳輸幅度適當(dāng)衰減，因此需要保護(hù)比特。相鄰兩個(gè)突發(fā)脈沖之間的幅度衰減并應(yīng)用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制比特流，將會(huì)減小對(duì)其它RF信道的干擾?！癟B”尾比特：總是000幫助均衡器判斷起始位和中止位。

14、“GP”保護(hù)間隔，8.25個(gè)比特（相當(dāng)于大約30ms），是一個(gè)空白空間。由于每載頻最多8個(gè)客戶，因此必須保證各自時(shí)隙發(fā)射時(shí)不相互重迭。盡管使用了時(shí)間調(diào)整方案，但來(lái)自不同移動(dòng)臺(tái)的突發(fā)脈沖序列彼此間仍會(huì)有小的滑動(dòng)，因此8.25個(gè)比特的保護(hù)可使發(fā)射機(jī)在GSM建議許可范圍內(nèi)上下波動(dòng)。圖2.2 GSM比特類型 頻率校正突發(fā)脈沖序列（FB）：用于移動(dòng)臺(tái)的頻率同步，它相當(dāng)于一個(gè)帶頻移的未調(diào)載波。此突發(fā)脈沖序列的重復(fù)稱FCCH。 同步突發(fā)脈沖序列（SB）：用于移動(dòng)臺(tái)的時(shí)間同步，它包括一個(gè)易被檢測(cè)的長(zhǎng)同步序列并攜帶有TDMA幀號(hào)和基站識(shí)別碼（BSIC）信息。接入突發(fā)脈沖序列（AB）：用于隨機(jī)接入，它有一個(gè)較長(zhǎng)的

15、保護(hù)間隔，這是為了適應(yīng)移動(dòng)臺(tái)首次接入（或切換到另一個(gè)BTS）后不知道時(shí)間提前量而設(shè)置的。移動(dòng)臺(tái)可能遠(yuǎn)離BTS，這意味著初始突發(fā)脈沖序列會(huì)遲一些到達(dá)BTS，由于第一個(gè)突發(fā)脈沖序列中沒(méi)有時(shí)間調(diào)整，為了不與下一時(shí)隙中的突發(fā)脈沖序列重疊，此突發(fā)脈沖序列必須短一些。空閑突發(fā)脈沖序列（DB）：此突發(fā)脈沖序列在某些情況下由BTS發(fā)出，不攜帶任何信息。它的格式與普通突發(fā)脈沖序列相同，其中加密比特改為具有一定比恃模型的混合比特。第三章 邏輯信道到物理信道的映射3.1控制信道的映射 談過(guò)TDMA信道、TDMA幀和突發(fā)脈沖序列之后，我們就可以談?wù)勥壿嬓诺烙成涞轿锢硇诺赖姆椒āＮ覀冎烂啃^(qū)有若干個(gè)載頻，每個(gè)載頻都有

16、8個(gè)時(shí)隙，我們定義載頻數(shù)為C0，C1，Cn，時(shí)隙數(shù)為T30，T51，T87。對(duì)某小區(qū)超過(guò)1個(gè)載頻時(shí)，該小區(qū)C0上的TS0就映射廣播和公共控制信道，見(jiàn)圖3.1（a）圖中所示： (0區(qū)中0對(duì)應(yīng)F；1區(qū)中0對(duì)應(yīng)S; 2區(qū)中0對(duì)應(yīng)B)圖3.1（a）BCCH與CCCH在TS0上的復(fù)用 F（FCCH）- 移動(dòng)臺(tái)依此同步頻率，它的突發(fā)脈沖序列為FB。 S（SCH）- 移動(dòng)臺(tái)依此讀TDMA幀號(hào)和BSIC碼，突發(fā)脈沖序列為SB。B（BCCH）- 移動(dòng)臺(tái)依此讀有關(guān)此小區(qū)的通用信息。突發(fā)脈沖序列為NB。 I（IDEL）- 空閑幀，不包括任何信息。突發(fā)脈沖序列為DB。 C（CCCH）- 移動(dòng)臺(tái)依此接受尋呼和接入，突發(fā)

17、脈沖序列NB。即便沒(méi)有尋呼或接入進(jìn)行，BTS也總在C0上發(fā)射，用空位突發(fā)脈沖序列代之。我們從幀的分級(jí)結(jié)構(gòu)知道，51幀的復(fù)幀是用于攜帶BCH和CCCH，因此51幀的復(fù)幀中共有51個(gè)TS0，所攜帶的控制信道排列的序列如圖3-13下面的序列。此序列在第51個(gè)TDMA幀上映射一個(gè)空閑幀之后開始重復(fù)下一個(gè)51幀的復(fù)幀。以上敘述了下行鏈路C0上的TS0的映射。對(duì)上行鏈路C0上映射的TS0是不包含上述各信道的，它只含有隨機(jī)接入信道（RACH），用于移動(dòng)臺(tái)的接入，如圖3.1(b)所示，它給出了51個(gè)連續(xù)TDMA幀的TS0。 圖3.1(b) TS0上RACH的復(fù)用下行鏈路C0上的TS1用于映射專用控制信道。它是

18、102個(gè)TDMA幀復(fù)用一次，三個(gè)空閑幀之后從D0開始，見(jiàn)圖3.1（c）所示。圖3.1（c）下行SDCCH和SACCH在TS1上的復(fù)用MSCBSC圖3.1（c）下行SDCCH和SACCH在TS1上的復(fù)用Dx（SDCCH）- 此處移動(dòng)臺(tái)X是一個(gè)正在建立呼叫或更新位置或與GSM交換系統(tǒng)參數(shù)的移動(dòng)臺(tái)。Dx只在移動(dòng)臺(tái)X建立呼叫時(shí)使用，在移動(dòng)臺(tái)X轉(zhuǎn)到TCH上開始通話或登記完釋放后，Dx可用于其它MS。 Ax（SACCH）在傳輸建立階段（也可能是切換時(shí)）必須交換控制信令，如功率調(diào)整等信息，移動(dòng)臺(tái)X的此類信令就是在該信道上傳送。 由于是專用信道，所以上行鏈路C0上的TSI也具有同樣的結(jié)構(gòu)，即意味著對(duì)一個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)可雙向連接，但時(shí)間上有個(gè)偏移，如圖3.1（d）所示。 Dx、Ax含義與下行鏈路的相同。 圖3.1（d） 上行SDCCH和SACCH在TS1上的復(fù)用