CME20小区参数与系统功能设置.ppt
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1、CME20小区参数与系统功能 设置,GSM,第一部分 GSM 无线接入原理 一、时分多址(TDMA) GSM中:上行频率: 890915MHZ 下行频率: 935960MHZ 共分为124对双工载频,载频间隔为200KHZ。 每载频共分8个时隙,即为8个信道。 总信道数为1248992个信道。 124个频点中包含了联通,邮电GSM和TACS。,关于 “下行链路”和 “上行链路”的概念,手机,基站,上行链路,下行链路,在GSM中,无线路径上传输的是编码后的数字话音, 与模拟话音不同,数字话音是不连续的信号,可采用时 分的方式传送,所以,在GSM中,无线路径上采用的是 时分多址(TDMA)方式。每
2、一个载频上有8个时隙,每一 个时隙相当于模拟系统中的一个信道,可提供一个移动台 通话,最多可有8个移动用户使用同一频带,他们使用不 同的时隙。如图所示,8个移动台分别工作在一个载频上 的8个不同的时隙上。,在频率资源较紧的地方可采用多频复用模式: 如在系统中如果有50频率可用,则在进行频率分组时不进行规则的 分配,而采用不等的方式进行分配:如12/12/10/10/6规律来进行频率 分配。其规律由理论及网络实际干扰的情况来分析得出的。,二、GSM信号处理 (一)GSM中的技术难点 1、时间色散 2、时间提前 3、话音编码-压缩话音数据的比特速率 4、误码处理 采用信道编码、交织、跳频等技术。,
3、1、时间色散,010101,010101 010101,在接收端,由于射频信号的反射作用,接收机接收 到的信号是多种多样的,其中有的反射信号来自远离接 收天线的物体,比直射的信号经过的路程长很多,因而 形成相邻符号间的相互干扰。这种现象称为时间色散。 如图所示: 基站发射101010的数字序列,一路是直射至移动台, 一路经物体反射至移动台,可见反射信号比直射信号经 过路程长。在GSM系统中,比特速率为270Kbit/s,则每 一比特时间为3.7us,也即是一比特对应1.1Km。假若反射 信号经过的路程比直射信号经过的路程长1.1公里,则移 动台就会在接收到的有用信号中混有比它迟到一个比特 时间
4、的一个信号,即移动台同时会收到一个为“1”的信号 和一个为“0”信号,这种现象会使移动台接收时的误码率 升高。,3,2,2、时间提前,由于采用了TDMA技术,因此要求移动台必须在指配 给它的时隙内发送,而在其余时间则必须保持沉默。否则 它将对使用同一载频上不同时隙的另一些移动台的呼叫造 成干扰。如图所示: 某一移动台非常靠近基站,指配给它的是时隙2 (TS2),它只能利用该时隙进行呼叫,在该移动台呼叫 期间,它向远离基站的方向移动。因此,从基站发出的信 息,将会越来越迟地到达移动台,与此同时,移动台的应 答信息也将越来越迟地到达基站。如果不采取任何措施, 则该时延将会长到使该移动台在TS2发送
5、的信息与基站在 TS3接收到的信息相重迭起来,引起相邻时隙的相互干扰 。所以,在呼叫期间,要监视呼叫到达基站的时间,并向 移动台发出指令,使移动台能够随着它离开基站距离的增 加,逐渐提前发送信号,这个移动台提前发送信号的时间 称为定时提前时间(TA)。,(二)、话音编码 GSM中话音编码采用混合编码器,其编码过程分为: 第一阶段:话音分段。 64KBITS的话音分成20MS一段进行编码。 第二阶段:编码。 每20MS话音编成260BIT的数码。 即比特速率为:26020=13KBITS,在GSM系统中,由于无线信道的带宽只有200KHZ,且 无线信道为变参信道,传输数字信号的误码率高,因此,
6、话音信号在无线信道上传送之前应进行处理,使话音数字信 号能够适合无线信道的高误码、窄带宽的要求,本节主要讲 述CME 20系统对话音的处理过程,包括PCM编码技术、话 音编码技术、信道编码技术、交织技术、突发脉冲形成技 术、均衡技术、分集接收技术和移动台的构成框图。 PCM编码方式是一种波形编码器,这类编码方式传送的 是实际波形的直接信息,其编码过程是先对模拟信号进行取 样,再对取样值进行量化,然后进行编码形成数字信号,即 是我们较为熟识的取样、量化、编码的过程。在现在的公用 电话中通常采用这种编码方式,它质量相应较高,但需要很 的比特速率,公用电话中每个话路的比特速率为64Kbit/s。 这
7、样高的比特速率不适应在GSM系统中的无线信道中传输。,在公用电话网中用户电路的模拟信号经PCM抽样、量 化、编码后形成每个话路的数字信号速率为64Kbit/s,在 GSM系统中,无线信道也采用数字信号,但每载频的带 宽只有200KHZ,如果采用传统的PCM编码方式,则每个 移动台的数字话音比特速率为64Kbit/S,8个用户至少为 512Kbit/S,调制后的频带远远大于200KHZ,因此必须采 用其它的编码方式来降低每个话路信息编码所需的比特率。 当前的话音编码方式主要有三种:波形编码、声音编码和 混合编码。CME 20系统中采用了混合编码方式。 波形编码器具有音质好的特点,但比特速率要求高
8、; 声音编码器具有编码比特速率低的特点,但音质较差;混 合编码器为波形编码器和声音编码器两者的结合,吸取两 种编码器的优点,使话音编码后的比特速率能够满足GSM 系统中无线信道的传输要求,而又能保证一定的话音质量, 但话音质量比公用电话的PCM编码方式差。,其编码过程为:先对64Kbit/S的数字话音进行分段, 每段20ms,然后再进行混合编码,每20ms的话音编成 260个比特,即比特速率为260bit/20ms=13Kbit/S,这样 每路话音的比特速率从64Kbit/S降至13Kbit/S。,(三)、信道编码 作用是克服无线信道中传输过程的误码。 由于在GSM系统中的无线信道为变参信道,
9、传输时的 误码较为严重,采用信道编码能够检出和校正接收比特流 中的差错,克服无线信道的高误码缺点。信道编码的纠错 和检错原理可以从下面简单的例子看出: 假定要发送的信息是一个“0”或是一个“1”。为了提高 保护能力,以这样简单的方式添加3个比特,对于每一个比 特(0或1),只有一个有效的编码组(0000或1111)。如 果收到的不是0000或1111,就说明传输期间出现了差错, 差错的情况有三种,错一个比特、错二个比特和错三或四个 比特。由图例可见,错一个比特可以校正;错二个比特时不 能够校正,但能够检出;错三或四个比特才发生误码。所以, 这个简单的编码方式能够校正一个差错和检出二个差错。由
10、此例可见信道编码可以纠错和检错。,在CME 20系统中,信道编码采用了卷积编码和分组 编码两种编码方式。卷积编码具有纠错的功能;分组编 码具有检错的功能。同时由于编码时要添加比特,而使 话音信号的比特速率升高,所以不能对全部的话音比特 进行编码,而是只对部分重要的比特进行编码。 GSM中采用分组编码和卷积编码两种编码方式。 把话音编码产生的260比特分成 50个最重要比特 132个重要比特 78个不重要比特 对50个比特先添加3个奇偶检验比特(分组编码)。 再与132比特和4 个尾比特一起卷积编码,比率为12, 形成378个比特。另外78个不重要比特不予保护。,2:1,信道编码的过程是:50个
11、最重要的比特先加入3个比特 进行分组编码,再与132个重要比特一起加入4个比特进行 第二次分组编码,然后再按1:2的比率进行卷积编码,形 成378个已编码比特,78个不重要比特不进行编码。这样, 260个比特的数字话音信号经信道编码后成为456个比特。,(四)交织 在实际应用中,比特差错经常成串发生。这是由于 持续时间较长的衰落谷点会影响到几个边续的比特。而信 道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才是 最有效的。采用交织技术,即是将码流以非连续的方式发 送出去,使成串的比特差错能够被间隔开来,再由信道编 码进行纠错和检错。 在GSM系统中,由于采用了TDMA技术,所以移动台 接收到的
12、信号不是连续的,而是每帧接收到一串数据,信 息量为257bit,所以信道编码后的20ms的话音要分成 857bit,即分成8组,要4个帧才能送完。,为克服比特差错经常成串发生,而信道编码只在检测和 校正不太长的差错串时才最有效,利用交织可把一条消息中 相继比特隔开,将它们以非相继的方式发送,从而使成串的 差错化为较短的差错串。 一次交织在20MS话音内进行 二次交织在相邻的两个20MS话音间进行,在GSM系统中,信道编码器为每一段20ms的话音提 供456个比特,根据上述的交织原理,把456个比特分成 八组,每组57个比特,在4个TDMA帧发送。发送时按非 连续的方式发码,即对它们作交织处理,
13、其发码规律如 图所示,这个比特的处理过程称为第一次交织。第一次 交织是在20ms的话音中进行的。 设某个用户进行通话,每20ms产生一个456bit的话音 帧,假设现有A、B、C、D四帧,每帧第一次交织后形成 8组,每组57个比特,如果每帧的257个比特是取自同一 话音帧并插入同一突发脉串,那么该突发脉冲串如果丧失 将会导致总共丧失25%的比特,而信道编码难以对付丢失 这么多的比特,所以必须在两个话音帧间再来一次交织。,第二次交织是在两个20ms的话音之间进行的,其原理 如图所示,第二次交织后,每串突发脉冲串发送相邻两个 20ms各57个比特的信息,每20ms的话音要分成8个TDMA 帧才能送
14、完。 二次交织将增加系统的时延,但却能经得住丧失整个突 发脉串的打击。因为丧失一个脉冲串只影响每个话音帧比特 数的12.5%,而这是能通过信道编码加以校正的。 (五)调制 采用高斯滤波最小频移键控(GMSK),比普通的 MSK更窄的带宽,但代价是减小了对噪声的抵抗能力。,(六)跳频 瑞利衰落的衰落图形是与频率相关的,即衰落谷点将 因频率不同而发生在不同的地点。这样如果在呼叫期间, 让载波频率在几个频率点上变化,并假定只在一个频率上 有一衰落谷点,那么仅会损失呼叫的一小部分,而采用复 杂的信号处理过程能重新恢复全部信息内容。这种方法称 为跳频。 在呼叫期间,载波频率在几个频率上变化,以克服瑞 利
15、衰落。因瑞利衰落谷点只是对某一个频点有效,对另一 个频点无效。 另外,跳频与不连续发射可以降低干扰,但当大负荷时, 所有的发信机都同时打开,碰撞的机会很大,跳频的作用 体现不出来。若按照4/12分组方案,邻频碰撞也无妨,但 若采用多频复用技术,邻频的距离小于12,彼此干扰变大, 若采用跳频技术,且负荷不大时,可以减小碰撞机会。,(七)天线(空间)分集接收 GSM中的实现分集的方法是使用两个接收天线,它们 受到的衰落影响是不相关的。它们两者在某一时该经受某 很深衰落点影响的可能性很小。利用两付接收天线来接收 信号,它们独立接收同一信号,并因此受到衰落包络的不 同影响,当合成来自两付天线的信号时,
16、衰落的程度能被 减小。在900MHZ频段,天线间距5米6米,可得到6dB左 右的增益。在1800MHZ频段,由于波长较短,所以天线间 距可以缩短。 (八)均衡器 用于消除时间色散,当出现反射信号时,移动台收到 的可能是直射信号和反射信号,按一比特1.1公里计算,两 种信号的路径差距是1.1公里时,移动台收到的可能是两个 比特,如0和1,这时移动台无法取舍。,最小值 原则,接收码输出,信道模型,相关器,3,57,1,26,3,1,3,?,1,26,?,3,1,比较,57,RBS,基站发信序列 M,移动台接收序列 N,移动台码发生器,假设基站的发信序列为A(t),无线信道的规律为 G(t),移动台
17、的接收到的序列为B(t)。如果我们知 道了无线信道的规律G(t),并且知道移动台的接收序 列B(t),那么可以计算出基站的发信序列A(t)。 基站的发信序列A经无线信道的传输后到达移动台, 移动台所接收的序列为B,B序列中的26个训练比特被提 出来后经相关器的计算形成信道模型的控制参数去控制 信道模型,使道模型与实际的无线信道相似,然后码发 生器产生可能出现的基站发信序列经信道模型后与接收 到的实际接收序列相比较,经比较后,差值最小的码发 生器所产生的序列作为接收到的数据输出。,(九)突发脉冲串的形成 在GSM系统中,一个TDMA帧每时隙只能送出257 个比特,并以不连续的脉冲串形式在无线信道
18、上传送,因 此除了257个比特的话音数据外,还必须加入其它的一 些比特,这些比特包括前后各3个尾比特(TB),用于帮 助均衡器知道突发脉冲串的起始位和停止位;26个训练比 特,用于均衡器计算信道模型;两个1比特的借用标志,用 于表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用。插入这些 比特后,信号的数码率从22.8Kbit/s升至33.8Kbit/S。,话,音,编,码,信,道,编,码,突,发,脉,冲,串,形,成,调,制,器,发,射,机,A,/,D,分,段,交,织,加,密,均,衡,解,码,均,衡,器,接,收,解,调,D,/,A,话,音,解,码,去,交,织,解,密,1,3,K,B,/,S,2,.,8,
19、K,B,/,S,3,3,.,8,K,B,/,S,话音先要经A/D电路的数字化处理,分成20ms的音 段。此后是话音编码,以降低比特率,信道编码以控制 差错。经交织处理和加密,然后,这些比特形成8个1/2 突发脉冲串(对应每20ms的话音)。最后,它们填充在 适当的时隙内,以约270Kbit/s的速率发送。 接收机的工作流程是:接收突发脉冲串,在均衡器 中计算评估比特序列的同时,还建立起信道模型。在全 部8个1/2突发脉冲串接收齐和解密之后,它们被 重新装 配成456个比特的消息。该消息序列被解码,以便检测和 校正传输期间的差错。解码器使用来自均衡器的、能改 善差错校正功能的软信息,即比特正确的
20、概率。最后是 对该比特流进行话音解码,把它转换成模拟话音。,(十)用户识别卡(SIM卡) SIM卡是含有微处理器的智能卡。在它的存储器中含 有SIM卡本身序号、状态、鉴权键、密钥、IMSI用户密码 等信息,有两个密码PIN码及PUK码。,三、 无线数字信道 物理信道是指一个载频上一个TDMA帧的一个时隙,它 相当于FDMA系统中的一个频道。用户通过某一个载频上 的个信道接入系统通信。用户在该入道上,即该时隙上发 出的信息比特流被称为突发脉冲序列。 逻辑信道是从信息内容的性质角度定义划分的。把信 道上传递的内容分成业务信息(话音、数据等)和控制信 息(控制呼叫进程的信令)两大类。定义与之对应的逻
21、辑 信道称为业务信道和控制信道。 业务信道(TCH)-用于传送编码后的话音或数据 信息。 控制信道(CCH)- 用于传递控制信息如控制呼叫 进程的信令的信道传送控制信息,1、控制信道(CCH) 控制信道分为广播信道、公共控制信道和专用控制信道 三种。 1、广播信道包括FCCH、SCH、BCCH三种信道。其特 点为下行信道,且是点对多点的方式,用于向移动台传递小 区的各项广播信息,使移动台与基站取得同步。 频率校正信道向移动台传递频率校正信号,使移动台能 调到相应的频率上。 同步信道用于向移动台传送帧同步号,即TDMA帧号, 同时也传送基站识别码BSIC。 广播控制信道用于向移动台传送所有小区的
22、通用消息。 如LAI、小区内允许MS最大输出功率、相邻小区的BCCH载 频等。,2、公共控制信道包括PCH、RACH、AGCH三种信道。 该类信道主要用于寻呼被叫,以及完成移动台所需专 用控制信道的申请和分配。所以移动通信的实现不仅要 有传递话音的业务信道,而全要相应的控制信道配合才行。 寻呼信道用于在小区内寻呼移动台,是下行信道。 PCH含有被叫移动台的号码信息,故只有相应的移动台才 会响应。 随机接入信道是一个点对点的下行信道。当移动台经 RACH申请到专用信道后,系统经AGCH将分配给该移动 台的专用信道通知移动台。所以AGCHRACH成对使用。 3、 专用控制信道由SDCCH、SACC
23、H、FACCH三种信道 组成,用于向特定的呼叫提供专门的信道来传递其专用信 令信息。是点对点的双向信道。,独立专用控制信道是一个点对点的双向信道,主要 用于在移动台呼叫建立之前,即在使用TCH之前,传送 系统信息:如登记和鉴权呼在此信道上进行。 慢速随路控制信道,它与一个业务信道或一个独立 专用控制信道相关,用于传送有关连接信息的点对点的双 向连接数据信道。如传送服务小区及相邻小区的信号强 度,移动台功率等级管理等信息。 快速随路控制信道与一个TCH相关,用于传送速度 (实时)要求高的信令信息,它工作于借用模式,每当 需要传送该类信息时,例如需要完成一次切换,则需借 用TCH,即当前的一个20
24、ms的话音信息位置被借用来传 送这些信息。由于译码器会重复最后20ms的话音,故这 种中断不会让用户感觉到。,系统信息共有8大类,分别是1、2、3、4、5、6、7、8,其中2中含有:2、2bis、2ter, 5中含有5、5bis、5ter,所以总共有12种系统信息,系统信息1仅用于跳频,所以称为选择项。 其中1、2、3、4、 2bis、 、2ter 、7、8都在BCCH上发送,由IDLE模式下的移动台接收。 5、5bis、5ter、6在SACCH上发送,由ACTIVE模式下的移动台接收。 一般来说所有系统信息在连续的8个51复帧中发送完,如下图示:,上图中的TC表示复帧序列号,可以看出,当TC
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