版权说明

本书为作者精校开源版，版权归作者所有。

作者允许读者在注明来源后引用内容，并通知作者。

前 言

在移动通信系统中，空中接口无疑是最神秘莫测的了：由于利用无线电波传播，看不见摸不着。本书就想揭开空中接口的神秘面纱，让大家一探究竟。本书集中展示PHS空中接口是什么（What），PHS空中接口是怎样工作的（hoW）和为什么要这样工作（Why）。

本书不是PHS空中接口规范——RCR STD-28的翻译，也不是照本宣科。因为即使将RCR STD-28协议原原本本地翻译过来，也不见得比原版好懂多少。就象许多人手头有V5协议，却从来也没有能完整地读一遍。

本书的阅读对象是：

对移动通信感兴趣的人

对小灵通系统工作原理好奇的人

您可以通过一个小测试决定是否应当读此书。

对于以下的问题，请回答“对”或“错”。

1. PHS的使用频段是 1.895~1.918GHz。
2. 手机的机身码是10位数字。
3. PHS空中接口结构可以归结到OSI的7层结构。
4. 帧误码率是指一帧中错误的比特的比例。
5. PHS基站的功率可以超过500mW。
6. CRC正确表明没有误码。
7. 控制时隙上的信道和通信时隙上的信道结构是不同的。
8. TDD意味着基站分时使用同一频点。
9. 手机位置登记不需要鉴权。
10. 终端切换需要经过基站的同意。

如果以上问题的答案是‘不知道’，恭喜你，此书中有上述问题的答案。

如果以上问题的答案是‘对’, 祝贺你，看过此书后你就会了解上述问题的正确答案。

如果以上问题的答案是‘错’或‘不一定’，如果不是猜的，那么看不看此书随你。

本书的主要内容由三部分组成，第一部分包括第一、二、三章，关于PHS的概述以及移动通信系统的技术基础；第二部分包括第四、五章，介绍了PHS空中接口的特点和结构；第三部分包括第六、七、八、九章，深入分析了PHS空中接口的处理机制和流程。

第一章：主要介绍了PHS系统的特点、应用和系统结构， PHS空中接口标准RCR STD-28的版本、基本参数和频率分布表。

第二章：主要介绍了影响无线电波传输的因素和无线信道的特点。

第三章：主要介绍了移动通信系统语音传递的流程，语音编码、信道编码和调制与解调的特点，移动通信系统的工作方式和多址方式，最后介绍了分析移动通信系统的OSI七层参考模型。

第四章：主要介绍了PHS空中接口信号的调制方法，PHS空中接口的主要特性，物理层的功能，链路层和网络层的协议。

第五章：主要介绍了PHS空中接口的结构，包括空中接口的帧结构、时隙的结构、时隙的时间和频率选择机制，逻辑信道的种类和功能，超帧的结构和逻辑控制信道的结构。

第六章：主要介绍了PHS空中接口的链路通道建立过程，包括建立链路通道所需的参数、消息以及系统参数收发机制和建立链路通道的过程。

第七章：主要介绍了PHS空中接口的业务通道建立过程中所需的链路通道的特点，包括链路通道的物理层、链路层和网络层的结构，链路层的工作方式和网络层的结构。

第八章：主要介绍了PHS空中接口的基本协议流程，包括主叫、被叫、呼叫释放和位置登记等协议流程。

第九章：介绍了PHS空中接口的切换机制和切换流程。

本书还将PHS空中接口协议的主要数据结构、术语和缩略语作为附录，以方便读者阅读时参考。

读者有任何问题，可以与笔者联系。

孙宇彤

于2002年新春

第一章 PHS概述

1.1 引言

本章与接下去的第二、三章，是PHS空中接口基础知识的介绍。

本章主要介绍移动通信系统的特点，PHS和空中接口是什么，包括PHS系统的特点、应用和结构，空中接口的定义，PHS空中接口标准RCR STD-28的版本，PHS空中接口的业务特点、基本参数和频率分布。

下一章将介绍PHS空中接口的工作环境。

第三章将介绍空中接口是怎样工作的。

1.2 移动通信系统

电话也许是人们最常用的一种通信方式。全世界每天都会发生无数次的电话呼叫，而此起彼伏的电话铃声，也成了我们工作和生活的背景。很难想象离开了电话，现代人将如何生活。

电话机是人们能看到的通信设备，技术上称为用户终端，即用户使用的通信设备。但在人们看不到的地方，还有很多设备，它们支撑着人们通过电话的互相联系，这些设备构成了通信网络。

用户终端和通信网络组成了通信系统。人们利用用户终端得到通信网络的服务。常见的用户终端有两种：固定使用的电话（简称电话）和可移动使用的手机。使用固定用户终端的是固定通信系统，使用移动用户终端的是移动通信系统。

移动通信就是帮助人们摆脱电话线束缚的通信方式。在介绍移动通信之前，先要区分两个容易混淆的概念：无线通信与移动通信。无线通信利用无线电波来传递信息，摆脱了线路的束缚。移动通信是无线通信中的一种，但是移动通信更进一步，用户可以行动自如，甚至到另外一个城市或国家使用。GSM就是一种典型的移动通信系统。

移动通信系统中通信网络的位置一般是固定的，陆地上的移动通信系统基本上如此。利用卫星的移动通信系统，其通信网络的位置也是移动的，比如赫赫有名的‘铱星’。本书介绍的PHS系统就属于陆地移动通信系统。

为移动的用户提供通信服务是件非常复杂的工作，移动通信系统与固定通信系统相比，至少需要增加如下一些处理：

1. 移动的用户如何与通信网络联系

   移动通信系统的终端是通过无线电波与通信网络相联系的，由于终端位置不固定，因此终端找到通信网络是移动通信的首要问题。

2. 通信网络如何找到移动的用户

   反过来，通信网络也需要找到用户，比如通信网络呼叫用户的时候，如果找不到用户，也就无法为用户提供相应的服务。

3. 通信网络如何为移动的用户提供恰当的服务

   在固定通信系统中，用户都有固定的位置，确定用户的身份非常简单。移动通信系统中情况就大不相同了，由于用户位置的可移动性，确定用户的身份相当麻烦。而确定用户的身份，是为用户提供恰当服务的前提。

4. 通信网络如何保证移动的用户通信的可靠性

   无线电波是开放的，容易被监听，因此移动通信系统需要保证用户通信的可靠性，即安全性。

5. 通信网络如何保证移动的用户通信的连续性

   用户在通话过程中位置会不断的变动，环境各不相同，保证用户通话连续不中断也是一项艰巨的任务。

由于移动通信如此复杂，因此直到20世纪80年代初，随着半导体、集成电路和计算机技术的飞速发展，才实现了人们移动通信的理想。

1979年美国开通了模拟移动通信系统，开创了移动通信的先河。模拟移动通信系统是第一代的移动通信系统，简称1G。模拟移动通信系统基本实现了移动用户之间的通信，具有划时代的意义。但模拟移动通信系统在功能上有明显的缺点，比如安全保密性差等等。

于是人们开始研究下一代的移动通信系统——数字移动通信系统。欧洲行动最为迅速，在20世纪90年代初完成了GSM的标准，并成功实施，从此，移动通信进入了第二代，简称2G。同属于第二代移动通信系统还有由日本发展的PHS和美国发展的窄带CDMA （空中接口IS-95A，以下CDMA不加说明，都指IS-95A）等移动通信系统。

第二代移动通信系统是非常成功的通信系统，比较完美地解决了移动中的语音通信，是目前主流的移动通信技术，在不少国家其用户之多甚至超过了固定电话用户的数目。

21世纪人们对移动通信的期待更高，宽带化成为移动通信系统发展的下一个方向，这就是第三代移动通信系统，简称3G。目前3G还在标准化的过程中，离正式投入商用还有一段时间，其市场价值还需要验证。3G已经发展出三大流派：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。

以上种种移动通信系统中，用户终端通过基站与通信网络相连。基站是通信网络中专门与用户终端打交道的部分。用户终端有时也称为手持终端，以下简称为终端。

1.3 PHS简介

PHS是日本发展的一种移动通信系统，采用数码通信技术，与目前广为使用的GSM、窄带CDMA等移动通信系统同属于第二代移动通信系统。

PHS是个人便携电话系统（Personal Handy phone Systems）的缩写。日本无线电研发中心RCR负责制定PHS空中接口的标准，并于1993年通过，称为RCR STD-28。1994年，RCR发展为无线电产业协会ARIB，因此PHS空中接口的标准转而由ARIB制定。

1994年日本推出PHS系统实验网，1995年PHS系统正式投入商用。PHS用户主要集中在日本，约有600万，目前中国国内也有超过500万使用PHS空中接口的小灵通用户。

PHS来源于数字无绳电话系统，因此终端发射功率很小，终端小巧、轻便、环保。基站覆盖半径小，用户可在慢速移动中使用。PHS系统的设计方针是尽量使用成熟的技术，系统接口基本上采用了已经标准化的ISDN和IN（智能网）接口，与GSM系统形成了鲜明的对比。这样，PHS系统部署相对简单得多。

图1.1是PHS系统的框图。图中PS定义为用户终端（Personal Station），相当于手机；CS(Cell Station)是PHS系统的基站；RS（Relay Station）是PHS系统的中继站。PHS交换中心具有呼叫、交换、切换等功能；业务控制点具有位置登记、鉴权等功能。

图1.1 PHS系统的结构

PHS系统可以与PSTN、ISDN等通信网络相连，PHS系统有如表1.1所示的4种标准化接口。

表1.1 PHS系统接口一览表

名称	位置	特点
接口1	PS与CS之间	空中接口
接口2	CS与PHS交换中心之间	ISDN协议
接口3	PHS交换中心与其他通信网络之间	ISUP协议
接口4	业务控制点与其他通信网络之间	INAP协议

与PHS空中接口相关的是CS（基站）、RS（中继站）、PS（终端）三种设备，其中CS和PS相对重要。

注意： 版本3以下的PHS系统没有RS。

1.4 PHS空中接口

通信系统由多个部分或模块组成，各个模块之间不可避免地需要进行信息交换。模块之间通过接口相互连接，传递信息，这些接口可以分成系统接口和用户接口两类。系统接口是通信网络内部各个模块之间以及通信网络之间的接口，用户接口是通信网络与用户终端之间的接口，如图1.2所示。

图1.2 通信系统的接口示意图

接口之间传递的信息需要按照一定的格式来表达，这样双方才能理解，这些格式的定义称为协议。协议与语言类似，语言的格式就是语法，比如汉语与日语，语法就大相径庭。就像我们平时说话一样，只有使用同一种语言才能互相理解，否则就是对牛弹琴。因此接口两端设备必须使用同一协议。

在系统设计时，模块的功能是确定的，处理的信息格式也是确定的，因此它们之间的接口协议可以规范和标准化。采用规范和标准化的协议的最大优点是兼容性，只要符合同一标准的接口就可以互联，就像电器统一使用220V交流电一样。兼容性为运营商提供了最大的方便，同时也引入了竞争，运营商可以在不同的制造商中间进行选择，最大程度地保障了自己的利益。

通信系统的接口标准化是相当普遍的，比如交换机和交换机之间的SS7信令以及交换机和接入网之间的V5协议等都是标准化的接口。当然，移动通信系统中这样的接口更多，比如GSM系统，就有A接口、Abis 接口、B接口、C接口、D接口和E接口等标准化的系统接口。

空中接口是移动通信系统基站和用户终端之间的接口，可以看作用户接口。与普通用户接口不同，空中接口采用无线电波传递信息，而不是利用用户线传递信息，所以空中接口又称为无线接口（在国标中就称为无线接口）。通信系统往往使用参考点作为划分功能的概念性参照点，空中接口的参考点为Um，代表移动用户的U接口（U接口是ISDN系统中网络和用户之间的接口）。

空中接口具有用户接口的基本特点：广泛性和多样性。所谓广泛性，是指空中接口是移动通信系统中唯一与用户相连的接口，由于用户众多，因此空中接口无处不在；所谓多样性，在于用户终端多种多样，使用环境多种多样。可以看到空中接口是与用户关系最密切的接口，它的特性大大影响了用户的使用，地位相当重要。

由于终端的种类众多，为了保证基站和终端的正常工作，各种移动通信系统的空中接口普遍进行了标准化，都制定了相应的空中接口的规范。例如CDMA空中接口的规范为IS-95，而GSM更是使用了04、05和06等多个系列的建议书。

PHS空中接口的规范为RCR STD-28标准。该标准经历了三个版本发展的过程，以版本2（V2）及版本3（V3）比较常见，其发展过程如下：

V1.0 1993.12.20

V1.1 1995.3.3

V2.0 1995.12.26

V2.1 1996.5.29

V2.2 1996.6.25

V3.0 1997.11.27

V3.1 1998.3.17

V3.2 1999.2.2

V3.3 2000.3.2

RCR STD-28标准各个版本之间的主要差异是：

V2与V1相比主要改进是增加了对32kbit/s数据通信业务的支持；

V3与V2相比，主要增加了对64kbit/s数据通信业务的支持，频率分布做了扩展，增加了中继设备RS。

RCR STD-28标准面向两大应用：公用系统（相当于PHS移动电话系统）和私用系统（相当于数字无绳电话）。

它们之间的主要区别是使用的频段和频点数目不同，公用系统频点相对较多，频段相对较宽，如表1.2所示。

表1.2 公用系统和私用系统区别一览表

版本	应用	频段	频点
V2	公用	1895MHz~1918.1MHz	77
	私用	1895MHz~1906.1MHz	37
V3	公用	1893.5MHz~1919.6MHz	87
	私用	1893.5MHz~1906.1MHz	42

注意： 本书内容以RCR STD-28 V3.2为蓝本，如版本间有不同将会特别注明。

本书以下内容不做特别注明，指的都是公用系统。

1.5 PHS业务

PHS空中接口借鉴了ISDN的业务能力及分类，支持三类业务：承载业务(bearer services)、电信业务(teleservices)和补充业务(supplementary services)。所谓业务，也就是通信网络为用户提供的服务。ISDN开数字业务的先河，因此许多后来的数字业务系统，包括第二代移动通信系统都借鉴了ISDN的设计和概念。

承载业务在用户之间实时传递信息，而不改变信息本身所包含的内容，可以看作透明传输。

电信业务包括网络提供的通信能力和终端本身所具有的通信能力。电信业务可以理解为用户通过终端通信而所获得的业务。

承载业务和电信业务统称为基本业务。

由网络提供的额外功能称为补充业务。补充业务不能独立向用户提供，它必须随基本业务一起提供。通常情况下，一个补充业务可以与一个或多个基本业务结合供用户使用。利用补充业务可以给用户通信带来许多方便。

PHS空中接口支持如下业务：

1. 承载业务：支持语音、3.1 kHz音频、32 kbit/s和64 kbit/s的数据业务。
2. 电信业务：RCR STD-28没有做规定。
3. 补充业务：支持DTMF信号传递和终端之间信息传递。

呼叫处理与通信过程密切相关。一般情况下，呼叫处理可以分成两个阶段：呼叫建立和通信。但是为了让PHS空中接口的体系结构能够方便地支持多种业务，RCR STD-28将整个通信过程分为三个阶段：链路信道建立阶段、业务信道建立阶段和通信阶段。

它们之间的关系如图1.3：

图1.3 PHS的业务和协议分段

链路信道建立阶段负责在基站和终端之间建立联系，是整个通信过程的起始阶段。链路信道建立阶段是实现业务的第一步。链路信道建立阶段着重解决基站和终端之间要不要联系的问题。

业务信道建立阶段负责根据业务要求，选择合适的业务通道和系统参数。在这个阶段，基站和终端需要利用前一阶段建立的链路信道来联系。业务信道建立阶段着重解决基站和终端之间怎样联系的问题。

通信阶段负责基站和终端之间通信内容的传送，基站和终端之间通过业务信道传送信息。通信阶段着重解决基站和终端之间联系什么的问题。

1.6 PHS空中接口参数

PHS空中接口的参数如表1.3所示，这些项目内容将在第三、四章详细介绍：

表1.3 PHS空中接口参数表

项目	参数
使用频段	1893.5 MHz ~ 1919.6 MHz
波长	16 cm
载波间隔	300 kHz
频点数	87
多址方式	TDMA
工作方式	TDD
调制方式	π/4-QPSK
语音编码	32 kbit/s ADPCM
每载波信道数	4
传输速率	384 kbit/s

PHS空中接口频点使用分成两类：控制载频和通信载频。控制载频承载信令，通信载频上主要承载业务。值得注意的是，RCR STD-28只规定了私用系统的控制载频，而且将日本和其他国家私用系统的控制载频频点做了区分。然而RCR STD-28并没有规定公用系统的控制载频，换句话说，公用系统的控制载频可以由运营商自行确定。

日本PHS系统就分配了71、73、75和77号频点作为公用系统的控制载频，而国内小灵通系统以26、28号频点为控制载频。控制载频周围的频点保留作保护之用。

通信载频使用控制载频以外的频点，公用系统比私用系统可用的频带范围要大。

频点与载波频率之间有如下计算公式：

F_c = F₀ － 0.15 ＋ 0.3N   (1 ≤ N ≤ 82， F₀=1895MHz)
F_c = F₀ － 76.65 ＋ 0.3N   (251 ≤ N ≤ 255， F₀=1895MHz)

式中F_c代表载波频率，N代表频点。值得注意的是PHS空中接口版本3以前只有第1~77号频点，第251~255号和第78~82号共十个频点是PHS空中接口版本3扩充的。

1.7 小结

PHS是由日本发展的一种移动通信系统，采用数码通信技术，与目前广为使用的GSM、窄带CDMA等移动通信系统同属于第二代移动通信系统。

空中接口是移动通信系统基站和终端之间的接口，PHS空中接口的规范为RCR STD-28标准，常见的是版本2及版本3。

RCR STD-28标准版本3规定PHS系统采用1.9GHz的频段，有87个频点，分控制载频和通信载频两种。

第二章 射频基础

2.1 引言

前面一章我们了解了PHS和空中接口是什么。

本章与第一章和第三章一样，是PHS空中接口基础知识的介绍。

移动通信系统与固定通信系统的显著差别就是用户使用可以移动的终端，借助空中接口与通信网络相连。而空中接口，顾名思义就是利用无线电波传递信号。因此，我们需要了解无线电波传递信号的特点。本章主要分析影响无线电波传输的因素、无线信道的特点和天线的原理。

下一章将介绍空中接口是怎样工作的。

2.2 无线电波传输特性

为了方便地研究通信系统，人们引入了如图2.1的抽象模型：通信就是信源和信宿之间通过信道传递信息，信息在传递过程中会受到噪声的干扰。对移动通信系统的空中接口而言，由于利用无线电波传递信号，因此信源就是发射机，信宿就是接收机，信道是无线电波。当然，由于移动通信系统是双向通信的，因此无论基站还是终端，都是发射机和接收机的结合。

图2.1 通信模型

空中接口的信道是开放的，很容易引入干扰。这一点我们收听过中波和短波广播，就深有体会了。由于干扰的存在，会影响我们接收有用信号，妨碍通信的进行。下面将探讨如何在有干扰的情况下，有效地传递信息。

无线电波是电磁波，传播速率是每秒钟300000千米，无线电波的频率有一定的范围，从低频的长波、中波、短波（10 MHz以下）到高频的微波（10 GHz以上）等。根据我们熟悉的公式，

无线电波的波长 = 无线电波的速率 ÷ 无线电波的频率
1.9 GHz的电磁波，其波长约16厘米。

不同频率的无线电波的波长不一样，如中波、短波的波长单位是米，微波单位就是厘米了。电磁波的传播特性与波长密切相关，不同波长的无线电波，其传播方式和特点是不相同的，尤其是在遇到障碍物的时候。当障碍物的尺寸与波长相近或小于波长时，电磁波可以绕过障碍物，即绕射；当障碍物的尺寸远大于波长时，电磁波要么透过障碍物，即透射；要么被障碍物阻挡，即反射或折射，这时障碍物相当于一面镜子。

PHS系统利用1.9GHz的无线电波，频率较高，波长远远小于一般障碍物，而且功率也不强，因此传播的方式主要是直射波、反射波以及它们的合成波。

2.2.1 空间效应

对于无线电波传输，人们关心的是在给定发射机的发射功率和接收机的接收位置后，影响接收机接收信号强度的主要因素。计算接收机接收信号强度有如下公式：

接收机接收信号强度 = 发射机的发射信号强度 ÷ 信号在传输过程中衰耗

由于信号的衰耗很大，实际应用时，将上式取对数后使用。

衡量信号强度有两种物理量：电平（电压）和功率。

接收信号强度一般用电平测量，dBuV是衡量信号电平的单位，计算公式为：

dBuV = 20 lg 电平值（以uV为单位，16 dBuV = 6.4 uV）

发射信号强度一般用功率测量，功率单位是dBm，计算公式为：

dBm = 10 lg 功率值（以mW为单位，27 dBm =500 mW ）

dBm与dBuV之间有换算关系，在阻抗为50 Ω的情况下，dBm = dBuV －107，因此16 dBuV相当于－91 dBm。

dBm与dBuV都是衡量物理量绝对值大小的单位，dB则是衡量物理量相对值大小的单位。dB也是一个对数量纲，可以看作两个物理量之间的比值。根据物理量不同而计算公式不同：

dB = 20 lg （电平值1 ÷ 电平值2）

或 dB = 10 lg （功率值1 ÷ 功率值2）

如果一个信号比另外一个信号的电平高46dB，相当于前者的电平比后者强200倍；如果一个信号比另外一个信号的功率高46dB，相当于前者的功率比后者强40000倍。信号的衰耗以dB为单位。

接收机都有灵敏度指标，接收信号的强度要高于此灵敏度，接收机才能正确接收信号。发射机的发射功率一般是确定的，这样信号在传输过程中衰耗的大小就影响了接收信号的强度，从而影响了信号的接收。链路预算是发射机的发射功率和接收机灵敏度的差值，很明显，若接收机能正常工作，传输过程中衰耗的大小应该小于链路预算。

无线电波在自由空间（真空）中传播，接收信号的强度与发射机和接收机间距离的平方成反比，其损耗有如下的公式：

L₀ = 32.45 + 20lg d + 20lg f（L₀单位为dB，d为km，f为MHz）。

从上面的公式可以看出，频率越高，衰耗越大。

假设d = 0.1（100 m），f = 1900（1.9 GHz），损耗L₀ = 78dB；发射机功率为500 mW，接收机灵敏度为16 dBuV，可以算出其链路预算为116dB，线路的衰耗在允许范围内。

当然，无线电波是在大气中传播的，大气会吸收无线电波的能量，增大无线电波的损耗，因此接收信号的强度与距离的立方甚至更高次幂成反比，自然在实际应用中要求更多的链路预算。

2.2.2 阴影效应

高大建筑和山峰会成为无线电波传播的障碍，丛林也会成为无线电波传播的障碍，这些效应称为阴影衰减，属于慢衰落，也就是接收信号的强度随空间变化，随时间变化不大。

阴影衰减服从对数正态分布。

2.2.3 多径效应

由于直射波、反射波的传递路径不同，而且移动通信系统中终端是移动的，这就构成了发射机到接收机的不同传输路径，称为多径效应。多径效应是影响接收效果的主要因素，包括三个方面：接收信号的延迟分布、信号强度的快速衰落——瑞利衰落和多普勒效应。

图2.2 多径的示意图

信号的传播路径如图2.2，由于信号的反射路径一定比直射路径长，接收到的反射信号必然延迟于直射信号，形成接收信号的延迟分布，这样就产生了码间干扰。

如果反射信号的相位与直射信号的相位不同，当相位相差180°时，就有可能造成信号的抵消，引起接收信号强度的大幅度下降，即瑞利衰落。瑞利衰落是快速衰落，可以用瑞利分布来描述。快速衰落与时间有密切关系。瑞利衰落是移动信道最常遇到的问题。

多普勒效应在高速移动中比较明显，是频率的移动。

2.3 无线信道特点

移动通信系统的特殊性在于利用无线电波传递信息，因此移动通信系统使用无线信道。与其他通信信道相比，无线信道是最为复杂的一种。无线信道的特点如下：

1. 干扰强

   无线信道是无线的，也是开放的，自然就容易引入干扰。例如在有线信道中，可以保证信号电平远远高于噪声电平，典型的信噪比约为46dB，也就是说，信号电平要比噪声电平高200倍。而在无线信道中，由于干扰的存在，有时信号电平要比噪声电平还要弱。

2. 不稳定

   由于用户在移动中通信，环境不断发生变化，因此信号传输质量非常不稳定。例如对有线信道来说，通过选择合适的材料与精心加工，可以确保信噪比的波动通常不超过2 dB，也就是信号强度基本稳定。与此相对照，无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生的，衰落深度可达30 dB。在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的终端的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信的可靠性。

在移动通信中，同频干扰是一个必须考虑的问题。当发生衰落时，有用的信号也许比同频的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号上。对于数字传输来说，衰落将使比特误码率(BER)大大增加。

无线信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的无线信道特性也大相径庭。而传播环境的复杂性，也使得无线信道的特性十分复杂。复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征，这是移动通信这一通信方式本身所决定的。对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。要在这样的传播条件下保持可以接受的业务质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。这就需要使用各种抗衰落技术，包括分集、扩频／跳频、均衡、交织和纠错编码等。另外，信号的调制方式对信道的衰落也要有一定的适应能力。

2.4 天线

天线是发射机发射无线电波和接收机接收无线电波的装置，实现了无线电波的发射和接收。因此，天线性能的好坏将直接影响移动通信系统的特性。

2.4.1 天线原理

无线电波是电磁波，因此电磁场理论是研究天线的重要工具。

根据电磁场理论，当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生交替变化的电场与磁场。电磁场根据距离不同有不同的空间分布特性。当距离远大于波长时，称为远场；相对的区域就是近场了。

天线是由传输线演变而来的。传输线可以看作两个平行的导体，通有方向相反的电流。为了使平行的传输线上只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离远小于波长。这样两个平行的导体产生的电磁场会互相抵消。

而要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如把两个导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉，都能使导体对称性被破坏而产生辐射。

如图2.3将传输线的导体分开，导体的长度为四分之一波长，此时导体上的电流已不是反相而是同相的了，从而使该段导体在空间点的辐射场同相叠加，构成一个有效的辐射系统。这就是最基本的天线，称为半波对称振子天线，其特性阻抗为73.1 Ω，一般称75 Ω。

电磁波从发射天线辐射出来以后，向四面传播出去，形成了电磁场。如果在电磁场中放置一个对称振子，在电磁波的作用下，对称振子上就会产生感应电动势。如果对称振子与接收设备相连，在接收设备输入端就会产生高频电流，这样对称振子就将电磁波转化为高频电流，也就是说此时对称振子起着接收天线的作用。接收效果的好坏除了电磁波的强弱外，还取决于天线的方向性以及对称振子与接收设备的匹配。

2.4.2 天线参数

2.4.2.1 天线的方向性
通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的，它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下，无方向性天线总辐射功率P_F0与定向天线总辐射功率P_F的比值。天线的方向系数常用“D”来表示，即D = P_F / P_F0。

显然定向天线沿各个方向辐射的电场强度是不相同的，因而定向天线的方向系数也将随着观测点的位置不同而有所不同。其中方向系数最大的地方，即辐射最强的方向，称主射方向。通常人们用天线的方向图来表示天线对各个方向的方向系数大小，如图2.4所示。

图2.4 天线的方向图

一副方向性良好的天线，要求主叶尽量尖锐，后叶瓣和副叶瓣尽可能小。必须指出，天线性能指标中给出的天线方向性以及通常人们所说的天线方向性，都是指辐射场强为最大主射方向时的天线方向性。

衡量天线方向性采用dBi为单位，计算公式为：

dBi = 10 lg（D÷D₀）（D₀是均匀辐射体）。

半波对称振子天线的天线方向性为2.15 dBi。

2.4.2.2 天线的增益
所谓天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向发射的能力。天线增益定义为：取定向天线主射方向上的某一点，在该点场强保持不变的情况下，此时用无方向性天线发射时天线所需的输入功率P_i0，与采用定向天线时所需的输入功率P_i之比称为天线增益，常用“G”表示，即G = P_i0 / P_i。

根据天线增益的定义，天线增益可以理解为：为了使在观察点获得相等的电磁波功率密度，具有方向性天线所需的发射功率要比无方向性天线所需的发射功率小G倍。

另外天线具有互易性，即同样一副天线既可以作为发射天线，也可以作为接收天线。因此从天线接收的角度看，天线增益也可以用定向天线的有效接收面积A_e与各向同性（无方向性）天线的有效接收面积A₀之比来表示，即G = A_e / A₀。

必须指出，天线性能指标中给出的天线增益以及通常人们所说的天线增益，都是指辐射场强为最大主射方向时的天线增益。然而当天线的主射方向偏离接收方向时，其实际的增益将随偏离程度的不同而变化。总之天线的增益反映了定向天线对某一方向辐射电磁波或接收电磁波的能力。

2.5 小结

PHS系统利用1.9GHz的载波，频率较高，属于射频，传播的方式主要是直射波、反射波以及它们的合成波。

影响接收信号强度的主要因素有：空间效应、阴影衰减和瑞利衰落。对抗瑞利衰落是移动通信系统的主要课题。

复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。

天线性能的好坏将直接影响到移动通信系统的特性，天线的方向性和增益是天线的关键参数。

第三章 空中接口基础

3.1 引言

第一章我们了解了PHS和空中接口是什么，第二章我们了解了PHS空中接口的工作环境。本章与第一章和第二章一样，仍是PHS空中接口基础知识的介绍。

目前移动通信系统的主要业务是传递语音，本章主要介绍业务的处理流程，语音编码、信道编码和调制与解调的特点，空中接口的工作方式和多址方式，最后介绍用来分析空中接口的OSI七层参考模型。

下一章将介绍PHS空中接口的具体特性。

3.2 业务的处理流程

采用数码技术的第二代移动通信系统，基本上可以看作是一个数字通信系统。目前，第二代移动通信系统主要处理语音业务，兼顾数据业务，其空中接口业务处理一般要经过如图3.1所示的一些流程，目的是提高数字通信的可靠性，充分利用频率资源。

图3.1 业务的处理流程

3.3 语音编码

语音编码是将语音数码化，是语音业务的第一步，实际上是一个将模拟信号转换为数字信号的过程。数字信号与模拟信号相比具有很多优点：

1. 数字信号容易用DSP（数字信号处理）芯片处理。
2. 数字信号易于压缩，如目前流行的mp3、MPEG4等技术，可以将原始信号成十倍地压缩。
3. 数字信号易于加密，防止了非法获得。
4. 数字信号抗干扰力强，容易恢复，可以实现高保真。

以上这些优点对移动通信系统是非常重要的，因此随着DSP芯片的普及，数字信号已经成为移动通信系统的主角，目前广为使用的第二代移动通信系统（简称2G）都数码化了。

模拟信号转换为数字信号需要经历三个阶段：采样、量化和编码。

1. 采样

   采样是在固定的时间周期（采样周期），获得模拟信号的幅度，这是将连续的模拟信号在时间上离散化的过程，其原理如图3.2。根据奈奎斯特定理，只要采样周期小于模拟信号周期的一半，就可以保证采样的离散信号反映模拟信号的信息。语音通信中，语音频率一般限制在3 kHz以下，因此采样频率选8 kHz。


图3.2 采样原理图
2. 量化

   量化将采样得到的模拟信号的幅度数值化，并且归并到若干幅度等级。这是将在幅度上连续的模拟信号离散化的过程。量化结果是二进制数，每位相当于1比特。量化用位来表示精度，例如8位量化相当于有256种幅度等级。量化会引入量化误差。

3. 编码

   编码是将量化的结果转换为数码。语音信号编码的方法有很多种，可以分成两大类：时域编码和频域编码。时域编码又称波形编码，只处理信号幅度，是直接编码；频域编码又称参数编码，需要分析信号的相关性，比较复杂，但降低了信号速率。

时域编码的代表是脉冲编码调制（PCM），每秒采样8000次，每次量化结果为8位，因此其速率为64kbit/s。自适应差分脉码编码调制（ADPCM）是对PCM技术的改进，速率为32kbit/s，下降了一半，效果却相当接近。

PHS采用了ADPCM，符合ITU-T的G.726规范。PHS还计划支持半速率（16k bit/s）和四分之一速率（8k bit/s）。

频域编码有线性预测码等。GSM系统使用了规则脉冲激励―长期预测码（RPE―LTP），每秒采样8000次，速率为13k bit/s。CDMA系统使用了码本激励线性预测码（CELP），速率为8k bit/s。

语音解码是语音编码的逆变换，如果确定了语音编码的方式，那么语音解码的方式也就确定了。语音解码后经过D/A转换，将数字信号还原为模拟信号。

3.4 信道编码

语音编码属于信源编码，为了让信号更加适应信道传输的特点，还需要做信道编码。移动通信系统由于信道的特殊性，为了达到一定的比特误码率指标，对信道编码要求更高。一般信道编码采用循环冗余校验（CRC）、卷积、交织和扰码等技术。信道编码主要是差错控制编码，也称为纠错编码。

差错控制编码的基本方法是：发送端在发送的信息上附加一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联（约束）。接收端按照既定的规则检查信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输过程中发生差错，信息码元与监督码元之间的约束关系就会受到破坏，接收端从而可以发现错误乃至纠正错误。

循环冗余校验和卷积是利用增加多余的码元来对抗干扰，用牺牲效率来提高传输的可靠性。

循环冗余校验利用循环码，不仅可以用于纠正独立的随机错误，而且也可以用于纠正突发错误。循环码硬件上很容易用带反馈的移位寄存器实现，正是由于循环码所特有的码的代数结构清晰、性能较好、编译码简单和易于实现的优点，成为数据通信中最常用的一种抗干扰方式。

卷积可以纠正随机的差错，卷积编码后的码元不仅与当前的码元信息有关，还与前面的码元信息有关。卷积的参数有码率和约束长度，如码率1/2指输入1比特信息，输出2比特信息；约束长度9指当前输出比特与前9比特的信息相关。

CRC和卷积码有纠正错误能力的限制，对于突发连续性错误比较难应付。交织是对抗突发性连续错误的方法，简单地说是采用矩阵的方式，将码元按一定规律写入矩阵，然后按另外规律读出，一般是“行存列取”。

交织后码元次序被打乱，这样即使是突发连续性错误，也会被切割为小片段，落入卷积和循环冗余校验的校正范围。

扰码用来减少连1码（或0），以保证定时恢复。扰码采用一个伪随机序列与原始信息做异或运算，减少了连码的出现。这种随机化是有规律的，接收端根据同样的随机算法可以将信息还原。处理的过程称为扰码和解扰。

PHS采用了循环冗余校验和扰码。

3.5 调制与解调

3.5.1 调制
经过语音编码和信道编码处理后的信号是数字信号，还需要被转换为适合用无线电波传递的信号。调制可以把基带数字信号变为适合传输的高频带通信号（高频信号称为载波）。之所以要把数字信号通过调制转换为高频模拟信号，主要有两方面的原因。一方面直接传输基带信号效率太低，经过调制而成的高频带通信号可以多路复用，从而提高了传输效率；另外一方面基带信号频率较低（如PHS为384k bit/s），需要的天线尺寸太大，不经济。

载波是正弦波，描述一个正弦波需要三个参数：幅度、频率和相位，其中任何一个参数的改变，都会改变正弦波的特性。因此信号调制到载波上的方法有三种：调幅、调频和调相。数字信号只有‘0’和‘1’，比较简单，信号调制称为键控。调幅方式称为移幅键控（ASK），调频方式称为移频键控（FSK），调相方式称为移相键控（PSK）。

选择调制方法主要衡量调制的效率（频带利用率）和抗噪声性能（或功率利用率）。一般希望在最小的带宽范围，传送最高的数据量。移相键控是相对较好的调制方法，信号能量基本集中在载频附近。

QPSK是正交移相键控，又称四相键控，它是用载频的四种相位对应二进制的00，01，10和11，提高了频带利用率。

π/4-QPSK：是在QPSK基础上相位旋转π/4，缓和了相位的突变，频谱特性较好，支持高功率的功放。

PHS采用了π/4-QPSK的调制方法。

3.5.2 解调
调制的逆过程称解调。解调将高频带通信号还原为基带信号，从模拟信号转换为数字信号。

解调与调制息息相关，一般可以分成相干解调和非相干解调两种。所谓相干解调，指利用乘法器，输入一路与载频相干（同频同相）的参考信号与载频相乘，其原理如图3.3所示：

原始信号A与载频cos(ωt+θ)调制的结果得到Acos(ωt+θ)；

解调时候引入参考信号cos(ωt+θ)；

Acos(ωt+θ)* cos(ωt+θ) = A/2 + Acos(2ωt+2θ)/2；

利用低通滤波器将高频信号滤除，就得到了原始信号A。

图3.3 相干解调的原理图

相干解调需要接收机与载波同步，非相干解调不使用乘法器，不需要接收机与载波同步。

3.6 工作方式

前面介绍的语音通信流程是单向的，事实上人们的通信往往是双向的，不光要发送，还需要接收。

移动通信系统根据解决收、发问题的方式，分为单工、半双工和双工三种工作方式。单工指信息单向传递，只收或发，如广播；双工即信息双向传递，收、发可以同时进行。显然，为了避免收、发之间的相互影响和干扰，需要收、发各行其道，在传输路径上予以分离。

移动通信系统都采用双工方式，一般按发送路径分成下行通道（基站到终端，又称前向链路）和上行通道（终端到基站，又称反向链路）两种。通道的一方为发送方，对方自然就是接收方。根据收、发分离的方法，双工方式可以分成FDD（频分双工）和TDD（时分双工）两类。FDD下行通道的频率与上行通道的频率不同，TDD的下行通道和上行通道时间上是不同的。

FDD要求移动通信设备同时具有两个无线通道（即物理通道），一个通道发射，另外一个通道接收。FDD的优点是处理简单，主要的缺点是需要占用成对的频率，而且两个无线通道提高了成本。

TDD是通信设备由一个无线通道分时进行发射和接收。TDD主要的优点是可以在单一载频上实现发射和接收，不需要两个载频。TDD由于只使用一个无线通道，降低了成本。TDD的主要缺点是由于分时使用一个无线通道，与FDD的两个无线通道相比，容量上受到了限制，满足不了大规模系统的容量要求。

PHS采用的是TDD（时分双工）的工作方式。

3.7 多址方式

在移动通信系统中，终端和终端之间一般通过系统通信，而不是直接通信，这与对讲系统有显著的区别。负责连接终端和系统的是基站，终端和基站通过空中接口相连。

很显然，一个基站只服务一个终端既不经济也无必要，因此一个基站可以支持多个终端。多个终端共用一个物理通道与一个基站通信，共用的方法称为多址方式。常见的多址方式有FDMA（频分多址）、TDMA（时分多址）和CDMA（码分多址）。

PHS采用的是TDMA（时分多址）的方式。

TDMA将载频（某一频点）划分成许多等长的时间片段——时隙，每个时隙传输一路突发式信息。TDMA在用户端表现得更加明显，每个用户被分配一个时隙，用户只能在特定的时间与基站通信。

TDMA系统的基本特点如下：

1. 每个载频可以传输多个用户的信息。
2. 频率切换。
3. 猝发式传播。
4. 发射和接收的时隙交错。
5. 传输带宽较宽。
6. 传输的额外开销高。

与FDMA系统相比，具有以下特点：

1. TDMA系统的基站只用一部发射机，可以避免像FDMA系统那样，因为多部不同频率的发射机同时工作而产生互调干扰。
2. TDMA系统不存在频率分配问题。与对频率的管理与分配相比，对时隙的管理和分配通常要简单而经济。因此，TDMA系统更容易进行时隙的动态分配。如果采用话音检测技术，实现有话音时分配时隙，无话音时不分配时隙，还有利于提高系统容量。
3. 因为终端只在指定的时隙中接收基站发给它的信息，因而在一帧的其他时隙中，可以测量其他基站发送的信号强度，或检测系统发送的广播信息和控制信息，这对于加强通信系统的控制功能和保证终端的越区切换都是有利的。
4. 当需要使用高速率的业务时，终端可以占用连续的几个时隙，使通信速率成倍增长。
5. TDMA系统必须有精确的定时和同步，保证各终端发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。

3.8 OSI七层结构

在分析通信系统协议时，人们常使用OSI（Open Systems Interconnect）七层结构作为参考模型。OSI七层结构如图3.4所示。

图3.4 OSI七层结构

OSI七层从上到下分别是：应用、表示、会话、传输、网络、链路和物理层，每层都有自己的功能。其中通信系统通常处于低三层结构中，即网络、链路和物理层，因此探讨空中接口也主要关心网络、链路和物理层。

OSI采用了如图3.5所示分层的原则，每层有多个实体，这些实体提供并接受服务，实现本层的功能。每一层的实体为且只为上一层的实体提供服务，每一层的实体向也只向下一层的实体发送服务请求。例如链路层只为网络层服务，链路层只接受物理层的服务。

每一层所处理的数据都来自相邻的一层，每一层所提供的功能都建立在下一层功能的基础之上，是下一层功能的增强和提高。例如网络层在链路层提供的可靠的点对点通信的基础上，实现了网络内任意两个设备间的通信。

分层是一种结构化的技术，这样每层的功能都可以标准化，为通信系统的设计和实施提供了很大的便利。

OSI中采用了一些术语来描述服务过程。层与层之间的接口称为服务访问点SAP（Service Access Point），上一层的实体透过SAP得到下一层实体的服务。SAP是一对一的，但每个实体可以提供多个SAP，因此可以为多个上一层的实体服务。

服务原语是SAP上传递的信息的抽象表达。面向连接的服务有四种原语：

请求原语：上层实体要求下层实体服务的信息。

确认原语：下层实体对请求原语的回应信息。

指示原语：下层实体告知上层实体的信息。

响应原语：上层实体对指示原语的回应信息。

图3.5 OSI分层原则

不同系统互通时，同一层次实体之间的信息才能互相理解。为了传递这些信息，需要有下一层次的信息互通。例如，如果网络层互通，前提是链路层互通；而链路层互通，前提是物理层互通。物理层互通是实现不同系统互通的基础。

3.8.1 物理层

物理层负责将物理信号转换为数据流，数据流是一串二进制数据，数据单位是比特（bit），如‘001100111…’。

常见的物理信号是电信号，对空中接口而言，物理信号是电磁波。

E1、双绞线是常见的物理层接口。

物理层是OSI7层中最下面一层，又称为第一层。

3.8.2 链路层

链路层解释物理层收到的数据流，为相邻两个设备间提供可靠的通信连接，数据单位是帧（frame）。

HDLC（High Level Data Link Control）协议是通信系统最常见的链路协议。HDLC是面向比特的链路协议，效率较高。

HDLC协议有很多子集，如LAPD（ISDN使用）、LAPV（V5协议使用）、MTP2（SS7使用）。

链路层又称第二层。

3.8.3 网络层

网络层解释从链路层收到的数据，为网络内任意两个设备间提供通信服务。

常见的网络层协议有IP协议、V5协议和MTP3协议。

网络层又称第三层。

3.9 小结

移动通信系统的业务处理需要经过语音编码、信道编码和调制与解调处理流程。

语音编码属于信源编码，实际上是一个模拟信号转换为数字信号的过程。

信道编码让信号更加适应信道传输的特点，信道编码主要是差错控制编码。

调制把基带数字信号变为适合传输的高频带通信号。

移动通信系统常见的工作方式有TDD和FDD两种。

移动通信系统常见的多址方式有FDMA、TDMA和CDMA三种。

移动通信系统结构一般基于OSI七层参考模型。

PHS空中接口语音编码采用ADPCM，信道编码采用循环冗余校验和扰码，调制采用π/4-QPSK，工作采用TDD/TDMA方式。

第四章 PHS空中接口

4.1 引言

前三章是PHS空中接口基础知识的介绍。本章和下一章，将介绍PHS空中接口的特性和结构。

本章主要介绍PHS空中接口信号的调制方法，PHS空中接口的主要特性，信号的处理流程，物理层的功能，链路层的特点和网络层的协议。

下一章将介绍PHS空中接口的结构。

4.2 调制

PHS空中接口信号调制采用π/4-QPSK，其原理如图4.1：

图4.1 π/4－QPSK调制原理图

图4.1中a_n代表输入二进制信号流，经过串并转换后，变成X_K和Y_K信号，分别是二进制信号流中连续的两位。

X_K和Y_K信号按照以下公式转换为I_K（代表同相信号）和Q_K（代表正交相信号）。

I_K = I_K-1 cos(Δθ) - Q_K-1 sin(Δθ)
Q_K = I_K-1 sin(Δθ) + Q_K-1 cos(Δθ)

其中：

XK	YK	Δθ
1	1	-3π/4
0	1	3π/4
0	0	π/4
1	0	-π/4

I_K和Q_K信号经过平方根升余弦滚降滤波（低通滤波）后再被调制。平方根升余弦滚降滤波可使传输信号具有较大的功率且收敛快，减小了码间干扰，在数字通信领域有广泛的应用。滚降系数（roll-off rate）a表示平方根升余弦滚降滤波（低通滤波）的滤波特性，PHS系统取0.5。

ω_c是载波，最终信号为S(t)，输出到射频功放，转换为射频信号发射出去。

从图中可以看出：

1. 信号调制的实质是信号相乘，当上图中的X_K和Y_K输入为1或0时，合成器有4种相位不同的调相信号输出，因此称为π/4-QPSK为四相位移相键控调制。
2. π/4-QPSK输出为幅度固定的单频信号，由于输入信号被调制在载波的确定相位上，只要噪声对该相位相移不超过±45°，就不会影响解调结果，所以π/4-QPSK调制方式抗幅度干扰性能较好，对信道信噪比要求较低。

解调是调制的逆过程，经过解调后得到同相信号I_K和正交相信号Q_K，其原理如图4.2。

图4.2 π/4-QPSK解调原理图

4.3 无线特性

RCR STD-28规定了PHS空中接口的无线特性，主要有：发射功率、灵敏度、手机显示场强、误码率门限等指标。为了使指标具有指导意义，RCR STD-28还规定了测试指标的方法。

4.3.1 发射功率

RCR STD-28规定了基站和终端的最大射频发射功率，如下表。功率允许有 +20%，－50%的误差。

表4.1 PHS的发射功率表

类型	频率范围	频点范围	最大功率
公用基站	1893.65 MHz~1905.95 MHz	No.1 ~ 37， No.251 ~ 255	20 mW以下
	1906.25 MHz~1915.55 MHz	No.38 ~ 69	500 mW以下
	1915.85 MHz~1918.25 MHz	No.70 ~ 78	2 W以下
	1918.55 MHz~1919.45 MHz	No.79 ~ 82	500 mW以下
私用基站	1893.65 MHz~1905.95 MHz	No.1 ~ 37， No.251 ~ 255	10 mW以下
终端	1893.65 MHz~1919.45 MHz	No.1 ~ 82， No.251 ~ 255	10 mW以下

4.3.2 灵敏度

指标：低于16 dBuV，相当于－91 dBm。
方法：在TCH中传输至少2556位数据，保证比特误码率（BER）＜0.01时的接收电平。

4.3.3 手机显示场强精度

范围：16 dBuV~60 dBuV。
精度：±6 dB。

4.3.4 误码率门限

指标：低于25 dBuV。
方法：在TCH中传输511位的伪随机噪声，保证比特误码率（BER）＜1×10^-5时的接收电平。

4.4 信号的处理过程

PHS空中接口根据传递的信息的不同：业务信息（语音）或控制信息（信令消息）而有不同的信号处理流程，具体流程见图4.3。

图4.3 PHS信号处理流程

4.4.1 CRC

国际电信联盟的通信标准化部门ITU-T定义了很多CRC的算法，PHS选用了16bit的CRC算法，CRC计算公式为：

1 + X⁵ + X¹² + X¹⁶

CRC产生流程见图4.4：

图4.4 CRC产生流程

S0～S15的初值为‘1’，当数据（见第五章相关内容）顺序输入完毕后，根据CRC算法，得到CRC数据。

4.4.2 扰码

PHS采用了统一的信道扰码机制来保证定时的恢复，此外还对业务内容做了用户加扰，用户加扰的目的是为了加密。

4.4.2.1 信道扰码

信道加扰采用的伪随机序列（PN）长度为10位，伪随机序列是m序列（最长线性移位寄存器序列，CDMA中也采用），其产生规则如图4.5：

图4.5 伪随机序列产生流程

m序列基本结构为n级移位寄存器，其输入由移位寄存器中若干级的输出经过模2加后得到，相当于反馈输入，这些输出级至少包括最后一级的输出。反馈输入可以用公式来描述，比如图4.5可以用m序列的（10,3）表示，相当于：

反馈输入 = 第3级输出 + 第10级输出

为了方便研究，一般采用多项式来表达反馈输入，称为m序列的生成多项式。有了生成多项式，加上知道m序列的起始值，m序列可以很快推算出来。

m序列的特点是产生方便，周期为2ⁿ－1，10级的m序列周期为1023。

控制时隙PN起始值为“1111111111”。

通信时隙的PN起始值最高位为‘1’，余下9位是基站编号（CS-ID，参见下一章介绍）的最低9位。

例如，控制时隙PN起始值为“1111111111”，根据伪随机序列产生的方法，PN下一个值为“0111111111”，如此类推。

4.4.2.2 用户扰码

用户加扰采用的伪随机序列（PN）长度为16位，伪随机序列规则是m序列的（16，12，3，1）。

PN起始值是终端的密码，为4位16进制数，相当于16位二进制码。

4.4.3 语音编码

PHS采用了自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）的语音编码技术，符合ITU-T的G.726规范，速率为32kbit/s。图4.6为ADPCM编码的原理图。

图4.6 ADPCM编码原理

ADPCM处理的数据是PCM信号，但ADPCM不直接对原始PCM信号编码，而是用相邻两个PCM信号的差值即增量来进行编码，这也就是差分的来历。一般情况下，信号具有相关性，在采样频率较高时（8KHz）更是如此。因此相邻信号之间的幅度差别不会很大，要达到与PCM同样的量化精度，差分所需的量化比特就可以少用几位。比如ADPCM输入为8比特的PCM信号，输出为4比特的ADPCM信号，量化比特少了一倍，效果却相仿，大大降低了数据量，提高了效率。当然差分使得ADPCM信号反映的是信号的变化，而不是信号的本身。

ADPCM还采用了自适应技术。所谓自适应，是指根据信号大小自动改变量化幅度。本次采用的量化幅度为上次量化幅度上乘一个系数(0.9 ~ 1.75)。上次的幅度大，系数就小，上次的幅度小，系数就大。自适应使得ADPCM信号能更加准确地反映信号的变化。

4.5 物理层功能

PHS空中接口物理层的主要功能是：

1. 同步：利用超帧、帧、位，建立帧同步和位同步。
2. 识别：基站和终端之间的识别。
3. 差错检测：保证传送信息的可靠。
4. 公共信道发射和接收：也就是控制信息的发送和接收。
5. 用户信息发射和接收：主要是语音信息的发送和接收。
6. 扰码：抗干扰和直流均衡。
7. 加密：用户信息的加密。
8. VOX：语音激活功能，当话音停顿时，终端发射暂停。公用系统较少使用。

简单地说，物理层的主要功能就是在指定的时间找到指定的频率，接收信息供链路层使用。

4.6 链路层特点

PHS采用了LAPDC（数字无绳电话链路接入规程）协议作为链路层协议，LAPDC是HDLC（高级数据链路控制）协议的子集。与HDLC相比，特点有：

1. 不带误码检测。由于物理层已经做了CRC校验，链路层不再进行CRC校验。
2. 无Flag标识，因为物理层已经做了同步。

4.7 网络层协议

PHS空中接口承载三种网络协议：

1. RT（Radio frequency Transmission Management）：无线传输管理，主要功能包括激活通信、信道释放和信道建立。
2. MM（Mobility Management）：移动管理，主要功能包括认证和位置登记。
3. CC（Call Control）：呼叫控制，主要功能包括呼叫建立和呼叫清除。

4.8 小结

PHS空中接口信号调制采用π/4-QPSK。

RCR STD-28规定了PHS空中接口的无线特性，主要有：发射功率、灵敏度、手机显示场强、误码率门限等指标。

PHS空中接口根据业务信息和控制信息差别而有不同的信号处理流程。

PHS空中接口物理层的主要功能是同步、差错检测和识别等功能。

PHS采用了HDLC协议的子集LAPDC协议作为链路层协议。

PHS空中接口承载三种网络协议：RT、MM和CC。

第五章 空中接口的结构

5.1 引言

前一章我们了解了PHS空中接口的一些特性。

本章主要介绍PHS空中接口的结构，包括物理结构和逻辑结构。本章主要内容有空中接口的帧结构、时隙的结构、时隙的时间和频率选择机制，逻辑信道的种类和功能，系统标识，超帧的结构和逻辑控制信道的结构。

下一章将介绍PHS空中接口的链路信道建立过程。

5.2 空中接口的物理结构

5.2.1 空中接口的帧结构

PHS系统空中接口采用TDD的工作方式，物理通道分成下行通道（基站到终端，又称前向链路）和上行通道（终端到基站，又称反向链路）两种。

PHS系统空中接口采用TDMA的多址接入方式，空中接口的物理通道以帧为单位，一帧为5ms，包含8个时隙（每个时隙625us），下行通道占用其中连续的4个时隙，其余4个时隙保留给上行通道。帧结构如图5.1所示。

图5.1 PHS的帧结构

PHS帧的每个时隙都有编号，下行和上行对应时隙（间隔2.5 ms）编号相同。0代表第一号时隙，1代表第二号时隙，如此类推。

PHS帧的每个时隙包含240bit的数据，因为每秒钟有200*8=1600个时隙，传输1600*240 bit=384k bit的数据，因此PHS空中接口传输速率为384k bit/s。

每个PHS帧的时隙可以看作一个物理通道，根据所使用的载频分成两种：使用控制载频的称为控制时隙，用于信令的传输；使用通信载频的称为通信时隙，主要用于业务。PHS帧中必须有一对控制时隙，其余三对为通信时隙。

控制时隙下行采用广播方式，由一个基站向其覆盖范围内所有的终端广播，即一对多的模式；控制时隙上行采用时间片ALOHA算法，由多个终端分时占用，即多对一的模式。

通信时隙由基站和指定的终端进行点对点的通信，即一对一的模式。

对终端而言，控制时隙与通信时隙的最大区别在于：控制时隙是与其他终端公用的，而通信时隙是单独使用的。

5.2.2 时隙的结构

PHS系统空中接口的控制时隙和通信时隙在结构上有明显区别，其结构见图5.2。

(a) 控制时隙

(b) 通信时隙
图5.2 PHS的时隙结构

表5.1 时隙各个组成部分列表

缩写	名称	长度（比特）	用途
R	上升/下降	4	相邻时隙间的缓冲间隔，供终端和基站打开发射机所需的时间，可取任何值
SS	初始码元	2	帧同步码字，供解调器建立相位，用于同步，为‘10’
PR	前导码	62或6	用于位时钟同步，详细介绍见下文
UW	识别字	32或16	特定的码元，详细介绍见下文
CAC	公共接入信道	108	控制时隙内容
I	信息	180	通信时隙内容
CRC	循环冗余校验	16	为检错编码产生的监督位
GT	保护时间	16	用于防止同步不良时相邻时隙数据的重叠，取16个“0”，持续时间为41.7us

PR：

由于控制时隙上传输的是信令，而且对终端而言，接收控制时隙的信息是语音通信的前提，自然对准确度要求高，因此每个控制时隙都加入了相当多的前导码（62bit），前导码持续较长的时间，以帮助终端更好地实现位时钟同步。控制时隙的前导码为‘01100110011001100110011001100110011001100110011001100110011001’。

而通信时隙以传输语音为主，对准确度的要求相对低一些，因此每个通信时隙的前导码较少（6bit），基站和终端双方通过同步突发序列来一次性同步，以提高传输效率。通信时隙的前导码为‘011001’。

UW：

是一组特定的码元，与CRC一起，作为接收情况的指标。此外根据控制时隙和通信时隙不同的UW，终端还可以区分控制时隙和通信时隙。

控制时隙选用了较长的UW（32bit）：

上行为01101011 10001001 10011010 11110000

下行为01010000 11101111 00101001 10010011

通信时隙选用了较短的UW（16bit）：

上行为11100001 01001001

下行为00111101 01001100

5.2.3 时隙的时间和频率选择机制

时隙是PHS系统空中接口实现通信任务的最基本的物理单位，是系统运作的关键资源。PHS时隙有时间和频率两个关键参数，时间参数就是时隙在帧中的位置——编号，频率参数就是载频。这一点可以借助收听广播来说明，收听一个节目，我们需要知道节目开始的时间和节目所使用的波段，这就是时间和频率参数。

时隙的时间和频率参数由基站统一选择。

5.2.3.1 时间选择机制

在PHS系统空中接口中，由基站设定控制时隙和通信时隙在每帧中的位置。控制时隙并不要求是第一号时隙，事实上一到四号时隙都可以，剩下的三个时隙就作为通信时隙。终端可以通过接收到的不同的UW，区别控制时隙和通信时隙。

下行和上行时隙是对应的，时隙号相同，间隔2.5 ms。

控制时隙和通信时隙的时间选择机制可参考图5.3。

图5.3 时隙的时间选择示意图

5.2.3.2 频率选择机制

PHS系统空中接口的控制时隙和通信时隙在频率选择方面有区别。

控制时隙使用控制载频，因此是固定的。

通信时隙的载频可以不固定，由基站根据信号的强度和干扰等情况在频点范围内灵活选择，当然控制载频及其保护载频是不能选择的。此外，由于PHS系统空中接口采用TDD，因此，其上下行对应时隙还是使用同一频点。

在基站选择频点之前，基站通过监测每个频点的信号强度，产生一个可用频点的列表。如果某个频点的信号电平低于26dBuV，基站就认为该频点是空闲的，可以使用。如果实在找不到电平低于26dBuV的频点，那么电平低于44dBuV的频点也是可用的。

通信时隙载频的不固定可以提高系统的射频特性：减少瑞利衰落的影响，避免信号的过度集中。

图5.4是通信时隙的频点选择示意图。

图5.4 通信时隙的频点选择示意图

5.3 PHS的逻辑信道种类

在控制时隙和通信时隙两种物理通道上可以承载多种逻辑信道，换句话说，就是不同的逻辑信道复用同一物理通道。逻辑信道是指具有某种功能的数据组合，如用于用户信息的信道和呼叫控制的信道。为了完成通信任务，需要多个逻辑信道的相互配合。

这与城市的交通有类似之处，城市有快车道和慢车道，如同物理通道；快车道上可以走卡车、轿车、面包车等等，慢车道上可以走自行车、三轮车等等，不一而足，这些车辆如同逻辑信道。而在重大活动时，我们常看到前面是警车开道，后面跟着轿车、面包车和大客车。

5.3.1 逻辑信道的分类

PHS系统空中接口的逻辑信道根据功能分为如下六类：

广播控制信道（BCCH）、公用控制信道（CCCH）、用户分组数据信道（UPCH）、语音信道（TCH）、随路控制信道（ACCH）和同步突发序列。其中，在公用控制信道（CCCH）、用户分组数据信道（UPCH）和随路控制信道（ACCH）三种小类中，还包含了具体的逻辑信道。

PHS空中接口的逻辑信道的详细说明如表5.2：

表5.2 PHS空中接口逻辑信道列表

时隙	逻辑信道	方向	功能
控制时隙	广播控制信道（BCCH）	CS→PS	广播系统信息
	寻呼信道（PCH）	CS→PS	广播终端寻呼消息
	信号控制信道（SCCH）	CS←→PS	用于呼叫建立过程中双向传送系统信令，如信道分配等
	用户分组控制信道（USCCH）	CS←→PS	用于控制信号和分组数据的双向传送
通信时隙	业务信道（TCH）	CS←→PS	双向传输用户话音和数据
	同步突发序列（Synchronization burst）	CS←→PS	在呼叫建立过程和切换时建立通信时隙的频率和时间同步
	慢速随路控制信道（SACCH）	CS←→PS	双向传输信息
	快速随路控制信道（FACCH）	CS←→PS	全部占用通信时隙，传输信令
	用户特定分组信道（USPCH）	CS←→PS	全部占用通信时隙，双向传输控制信号和分组数据

从上表可以看出，控制时隙采用分时复用的方式，复用了如下几类逻辑信道：广播控制信道（BCCH）、公用控制信道（CCCH）、寻呼信道（PCH）和用户分组数据信道（UPCH）。

通信时隙上的主要的逻辑信道是语音信道（TCH），此外还复用了随路控制信道（ACCH）、用户特定分组信道（USPCH）和同步突发序列。

5.3.2 协议分段与逻辑信道

第一章介绍了PHS空中接口的协议分成链路信道建立阶段、业务信道建立阶段和通信阶段三个阶段，每个阶段所使用的逻辑信道也各不相同。我们可以把每个阶段所使用的逻辑信道集合成一类。

在链路信道建立阶段使用的称为逻辑控制信道（LCCH）。逻辑控制信道的使用可以参考第六章的相关内容。在业务信道建立阶段使用的称为链路信道（LCH）。链路信道的使用可以参考第七、八、九章的相关内容。在通信阶段使用的称为业务信道（SCH）。它们具体使用的逻辑信道见图5.5。

图5.5 逻辑信道与协议分段的关系

从图5.5不难发现，逻辑控制信道所使用的逻辑信道都在控制时隙上；链路信道和业务信道所使用的逻辑信道基本上都在通信时隙上。因此，看到逻辑控制信道，必然会联想到控制时隙；而看到链路信道和业务信道，第一反应应该是通信时隙。

5.4 标识

PHS系统空中接口在结构定义时，用到了区域、设备和逻辑信道的标识等标识。

5.4.1 区域定义

在PHS系统中由基站实现业务覆盖。由于基站功率有限，每个基站都有其业务覆盖范围。业务覆盖范围可以分成基站区（Radio Zone）和寻呼区(Paging Zone)。

基站区是单个基站的覆盖范围，使用本地信息。本地信息是在本基站区内有效的参数。

寻呼区是若干相邻基站的组合，使用全局信息。全局信息是在寻呼区内所有基站区有效的参数。

基站区和寻呼区的定义可参考图5.6。

图5.6 寻呼区与基站区示意图

基站会向覆盖范围内的终端广播本地信息和全局信息，这些信息的广播机制在下一章将详细介绍。

终端收到这些信息后，会检查寻呼区的状态。如果发现寻呼区发生了改变，就会触发终端重新在系统中登记位置信息，位置登记的过程可参考第八章的相关内容。

另外一方面，如果系统呼叫终端的话，也会在终端登记的寻呼区内所有的基站广播，以确保终端能尽可能地响应。其寻呼的机制可参考下一章被叫一节。

5.4.2 设备号

设备号是设备的唯一标识，用来在系统中识别设备，有些类似于网卡的MAC地址，与GSM的IMEI很接近。

PHS空中接口中，基站和终端都具有设备号，分别称为CS-ID和PS-ID。

基站设备号CS-ID是42位的二进制数。CS-ID有特定的结构，其前9位代表运营商编号，后33位由寻呼区编码和附加编码组成。公用系统运营商编号的最高位必须为‘1’，寻呼区编码的位数由参数n_p决定。值得注意的是，终端要实现不同寻呼区切换，寻呼区的n_p必须相同。如果终端发现自己的运营商编号与基站不同，终端就不会与基站通信，包括位置登记和呼入、呼出。

CS-ID和n_p的关系非常类似IP地址和子网掩码的关系。寻呼区编码可以看作网络码，而附加编码可以看作主机号。

以下是n_p = 19 的例子：

实际运用中，CS-ID往往用11位十六进制数表示。例如，基站的CS-ID为9E011160B08，其运营商编号为‘100111100’，寻呼区编码为‘0000001000100010110’，附加编码为‘00001011000010’，注意最后两个比特是要被忽略的。因此，CS-ID为9E011160B08的基站与CS-ID为9E01116087C的基站属于同一寻呼区，与CS-ID为9E011220504的基站处于不同的寻呼区。

终端设备号PS-ID是28位的二进制数，由制造厂商设置，不可修改，俗称机身码。实际运用中，PS-ID往往用9位十进制数表示。例如，‘000000129’相当于PS-ID为‘0000000000000000000010000001’。

与PS-ID这种物理标识对应，终端还使用了逻辑标识——终端号码（PS Number）。终端号码通过烧号写到终端里，可以修改。公用系统终端号码一般就是用户的电话号码。PS Number一般用BCD码表示，也可以用十六进制数表示，最多十三位，具体结构参考附录一1.3。例如，PS Number为‘05715914861’。

PS-ID与终端号码之间没有关系，双方是独立的，就像每个人的姓名和身份证号码没有关系一样。

基站和终端还有一个关键的标识——国家代码。国家代码是16位的二进制数。如果终端发现自己的国家代码与基站不同，终端就不会与基站通信，包括位置登记和呼入、呼出。

5.4.3 CI

CI是逻辑信道标识，用来区别物理通道上的逻辑信道。CI采用4bit编码，取值如表5.3。

表5.3 CI列表

时隙	逻辑信道	CI
控制时隙	BCCH	0100
	SCCH	1010
	PCH	1011
	USCCH	1110
通信时隙	TCH	0000
	FACCH	0001
	USPCH	0011
	Synchronization burst	1001

5.5 PHS的逻辑信道结构

PHS空中接口逻辑信道的结构各不相同，以下就逐一介绍。

5.5.1 BCCH的结构

图5.7 BCCH的结构

图5.7中CI是逻辑信道标识，BCCH为‘0100’。

由于BCCH是基站向终端广播的，所以其主叫设备号就是基站设备号。

信息是BCCH传递的内容，包括消息类型和消息内容，具体介绍见下一章。

CRC是根据PR以及CAC共170bit数据产生的。

信道扰码（具体介绍参见4.4）只处理CAC以及CRC共120bit的数据。

5.5.2 PCH的结构

图5.8中CI是逻辑信道标识，PCH为‘1011’。

由于PCH是基站向终端广播的，所以其主叫设备号就是基站设备号。

信息是PCH传递的内容，只有消息内容，具体介绍见下一章。

CRC是根据PR以及CAC共170bit数据产生的。

信道扰码只处理CAC以及CRC共120bit的数据。

图5.8 PCH的结构

5.5.3 SCCH的结构

图5.9 SCCH的结构

图5.9中CI是逻辑信道标识，SCCH为‘1010’。

SCCH是双向的，因此从基站向终端的下行方向，设备号1是主叫设备号（基站设备号CS-ID），设备号2是被叫设备号（终端设备号PS-ID）；从终端向基站的上行方向，设备号1是被叫设备号（基站设备号CS-ID），设备号2是主叫设备号（终端设备号PS-ID）。

信息是SCCH传递的内容，包括消息类型和消息内容，具体介绍见下一章。

CRC是根据PR以及CAC共170bit数据产生的。

信道扰码只处理CAC以及CRC共120bit的数据。

5.5.4 同步突发序列的结构

图5.10 同步突发序列的结构

图5.10中CI是逻辑信道标识，同步突发序列为‘1001’。

同步突发序列是双向的，因此从基站向终端的下行方向，设备号1是主叫设备号（基站设备号CS-ID），设备号2是被叫设备号（终端设备号PS-ID）；从终端向基站的上行方向，设备号1是被叫设备号（基站设备号CS-ID），设备号2是主叫设备号（终端设备号PS-ID）。

同步突发序列不携带信息，因此信息部分全是‘0’。

CRC是根据PR以及CAC共170bit数据产生的。

信道扰码只处理CAC以及CRC共120bit的数据。

5.5.5 TCH的结构

图5.11 TCH的结构

图5.11中CI是逻辑信道标识，TCH为‘0000’。

TCH是点对点通信，因此没有设备号。

I是TCH的内容，已经做过用户扰码了。

SA代表SACCH的信息，附加在TCH中一起传递。

CRC是根据CI+SA+I共180bit数据产生的。

信道扰码只处理I+CRC共176bit的数据。

5.5.6 FACCH的结构

图5.12 FACCH的结构

图5.12中CI是逻辑信道标识，FACCH为‘0001’。

FACCH是点对点通信，因此没有设备号。

I是FACCH的内容。

SA代表SACCH的信息，附加在FACCH中一起传递。SACCH和FACCH的详细结构可以参考第七章的相关内容。

CRC是根据CI+SA+I共180bit数据产生的。

信道扰码只处理I+CRC共176bit的数据。

5.6 超帧结构

建立逻辑控制信道是终端与基站联系的第一步，也是后续建立链路信道和业务信道的前提。为了建立终端与基站的联系，关键就是同步，同步又分频率同步和时间同步。

PHS系统控制载频是全网统一的，基站与终端只要守候在控制载频上，就可以方便地实现频率同步。

时间同步相对复杂，显然基站是时间同步的主导者，考虑到时间同步的需要，基站将逻辑控制信道组合成复帧（LCCH frame）和超帧（superframe）。复帧在公用系统中，由20个帧组成，相当于100ms。超帧在公用系统中，由12个复帧组成，相当于240个帧，1200ms。

基站在每个复帧中，只选取一个时隙发射，也就是说对一个基站而言，每个复帧只有一个下行控制时隙，这样做目的是为了减少基站之间的干扰。前面提到，下行控制时隙是广播控制信道（BCCH）、寻呼信道（PCH）和信号控制信道（SCCH）等逻辑信道复用的。因此，每个复帧的下行逻辑控制信道可能是上述三种逻辑信道中的一种。图5.13是复帧下行逻辑控制信道的结构示意图。

图5.13 复帧的下行逻辑控制信道

从图5.13可以看出，首先下行逻辑控制信道在控制时隙上，由于控制时隙的时间选择机制，控制时隙在帧中的位置不固定，一到四号时隙都可以，如上图的基站1和基站2就使用不同的时隙；其次复帧有20个帧，并不是20个帧中每个帧都有下行逻辑控制信道，而是其中的任意一个帧，如上图的基站2和基站3就使用不同的帧。

复帧的下行逻辑控制信道的位置有80种可能，因此复帧的下行逻辑控制信道的位置是可选的，也是可变的。基站选择位置的方法是：相邻基站之间，逻辑控制信道的位置应该互不相同，以避免干扰。

复帧的上行逻辑控制信道只能是信号控制信道（SCCH），而且终端也不能随便占用上行逻辑控制信道，要接受基站的管理。复帧的上行逻辑控制信道的结构如图5.14：

图5.14 复帧的上行逻辑控制信道

从图5.14可以看出，基站有两种接收终端上行逻辑控制信道的方式。一种只是在当前下行逻辑控制信道2.5ms后，基站接收上行逻辑控制信道，基站一个复帧内只接收一次上行逻辑控制信道；另外一种是在当前下行逻辑控制信道2.5ms后，基站每隔5 ms接收一次上行逻辑控制信道，基站一个复帧内可以接收20次上行逻辑控制信道。上行逻辑控制信道的方式由上行逻辑控制信道定时参数决定（一种全局参数）。

下行和上行逻辑控制信道的对比见表5.4：

表5.4 下行和上行逻辑控制信道的对比表

项目	下行逻辑控制信道	上行逻辑控制信道
一个复帧内数量	1	1或20
逻辑信道种类	BCCH、PCH和SCCH	SCCH
位置	可选	跟随下行逻辑控制信道
来源	基站	终端

公用系统中超帧由十二个复帧组成，超帧的第一个复帧的下行逻辑控制信道必须为BCCH，其余十一个复帧的下行逻辑控制信道有规律地出现，十二个复帧构成一个周期，如此循环。因此终端只要收到BCCH，就找到了超帧的起始点，实现时间同步，这就是所谓的超帧同步。

寻呼信道是超帧的主要组成，寻呼信道会分成若干组，每组的寻呼信道依次称为P1、P2、P3 ……，在BCCH或SCCH后连续出现。BCCH或SCCH与连续的寻呼信道构成一个超帧的基本单位。寻呼组的使用将在下一章说明。

如下参数决定了超帧的结构：

n_PCH：基本单位中PCH的个数，公用系统中n_PCH≤7。

n_SUB：基本单位的复帧个数，n_SUB ≥ n_PCH＋1。

n_SG：寻呼组的重复次数，公用系统此参数为1。

n_GROUP：寻呼组的因子，n_PCH * n_GROUP = 超帧中的寻呼信道的数量，必然小于12。

n_SG * n_GROUP = 超帧中的基本单位的数量 = 12 / n_SUB。

公用系统中n_SUB * n_GROUP = 12。

图5.15是超帧结构的例子，图中以复帧为单位，BC代表BCCH，SC代表SCCH，Pi（i=1，2，3……）代表第i个PCH。

1）n_PCH = 4，n_SUB = 6，n_SG =1，n_GROUP =2

2）n_PCH = 2，n_SUB = 3，n_SG = 1，n_GROUP = 4

图5.15 超帧的典型结构

根据以上关系可以得到公用系统的超帧参数取值范围，如表5.5。

表5.5 公用系统的超帧参数取值范围表

序号	nPCH	nSUB	nSG	nGROUP
1	1	2	1	6
2	1	3	1	4
3	1	4	1	3
4	1	6	1	2
5	2	3	1	4
6	2	4	1	3
7	2	6	1	2
8	3	4	1	3
9	3	6	1	2
10	4	6	1	2
11	5	6	1	2

5.7 小结

PHS空中接口的帧结构包括帧、复帧和超帧。每个帧5ms，包含8个时隙。20个帧构成一个复帧，12个复帧构成一个超帧。

时隙分控制时隙和通信时隙两种，结构和功能不同，时隙的时间和频率选择机制也不同。

控制时隙和通信时隙两种物理通道上可以承载多种逻辑信道，这些逻辑信道可以根据其功能分为广播控制信道（BCCH）、公用控制信道（CCCH）、用户分组数据信道（UPCH）、语音信道（TCH）、随路控制信道（ACCH）和同步突发序列六类。

PHS空中接口使用了区域、设备和逻辑信道等标识。

第六章 建立链路信道

6.1 引言

前两章我们已经了解了PHS空中接口的特点和结构。

从本章开始，本书将介绍PHS空中接口的运行机制，包括建立链路信道、建立业务通道和通信三阶段的运行机制。

本章主要介绍PHS空中接口的链路信道建立过程，包括建立链路信道所需的参数、消息以及系统参数收发机制和建立链路信道的过程。

下一章将介绍PHS空中接口的链路信道的结构特点。

6.2 链路信道建立的前提

6.2.1 系统参数类型

前文已经指出，基站和终端建立链路信道是实现通信的第一阶段。为了建立链路信道，终端必须获得系统参数，这就好比为了看《新闻联播》，我们必须首先知道中央台的频道。这些参数由基站利用BCCH逻辑信道，通过BCCH的各种消息，向所有在此基站区内的终端广播。

BCCH的消息根据广播的参数不同而分成如表6.1的四种消息，消息类型编码对应BCCH结构（5.5.1）中的消息类型。所有的消息都包含了本消息当前的时隙号，为终端同步提供指南。

表6.1 BCCH消息一览表

消息名称	消息类型编码	缩写
无线信道信息广播	00001001	CH
系统信息广播	00001010	SYS
第二系统信息广播	00001011	SYS2
第三系统信息广播	00001111	SYS3

这些消息广播如表6.2的系统参数，表中全局指参数在寻呼区内有效，本地指参数在基站区内有效。

表6.2 系统参数一览表

内容	属性	BCCH消息类型
无线信道结构	全局	CH
控制载频结构	本地	CH
系统运行信息	本地	SYS
业务管制信息	本地	SYS
国家代码和系统类型	全局	SYS2
第二系统运行信息	本地	SYS2
第三系统运行信息	本地	SYS3

6.2.2 系统主要参数

系统主要参数的说明如表6.3。BCCH消息的详细内容和系统主要参数的应用请参考附录一1。

表6.3 系统参数说明

属性	BCCH类型	内容	项目
全局	CH	超帧结构	超帧中的复帧数、寻呼组的因子nGROUP、寻呼组的重复次数nSG、寻呼组的PCH的个数nPCH、基本单位的复帧个数nSUB等
		寻呼区结构	寻呼区编码的位数np
		上行LCCH定时	上行LCCH定时
	SYS2	国家代码和系统类型	国家代码和系统类型
本地	SYS	广播状态	广播状态
		LCH	LCH类型、协议类型、其他协议类型
		流量管制信息	流量管制组、管制状态和接入超帧周期
	SYSI	消息状态	mi
		广播接收指引	广播接收指引

6.3 系统参数收发机制

6.3.1 系统参数广播机制

前面提到，系统参数包括全局信息和本地信息两类。无线信道信息广播消息和第二系统信息广播消息主要广播全局信息；系统信息广播消息、第三系统信息广播消息主要广播本地信息。因此无线信道信息广播消息和第二系统信息广播消息是必须广播的，系统信息广播消息可广播也可不广播，第三系统信息广播消息一般不用广播。系统信息广播消息、第二系统信息广播消息、第三系统信息广播消息由广播状态参数决定是否广播。

无线信道信息广播消息和第二系统信息广播消息每4个超帧至少广播一次。一般信息广播的顺序为CH→SYS→CH→SYS2→ CH→SYS→CH……如此循环。

PHS系统有系统参数的标识——全局信息花样和本地信息状态mi（i=1~3，对应系统信息、第二系统信息、第三系统信息）。一旦全局信息发生改变，全局信息花样随即改变；一旦相应的本地信息发生改变，mi随即改变。

全局信息花样和本地信息状态mi可以有从0~7八种取值，每改变一次状态，数值自动加1，超过7后回复到0，如此循环。系统在BCCH和PCH广播消息中提供了一些附加信息——广播接收指引，供终端判断是否要接收相应的广播信息。广播接收指引包括全局信息指引和本地信息指引两类，该指引一次只能传送全局信息指引或本地信息指引中一种。

全局信息指引用来告诉终端下一个BCCH将要广播的信息的全局信息花样。

本地信息指引用来告诉终端下一个BCCH将要广播的信息类型和此信息的状态mi，供终端接收准备。

图6.1是一次系统参数的广播过程的示例。

终端都会监听PCH的消息，因此PCH中也有广播接收指引。这里广播接收指引为本地信息指引，类型是系统信息。

接着在系统信息广播中，也发送了广播接收指引。这里广播接收指引为本地信息指引，类型是第二系统信息。

第二系统信息广播中，广播接收指引为全局信息指引，并发送了全局信息花样。

最后是无线信道信息广播。

6.3.2 系统参数接收机制

终端开机后，首先是超帧同步，找到超帧后，就开始系统参数接收过程。

一般系统参数不会频繁变动，为了提高终端的工作效率，PHS系统不要求终端接收每次系统参数广播的内容，而是接收需要的内容，这样做的前提是终端内部有一些寄存器，可以保存系统参数。

终端利用了系统参数的标识——全局信息花样和本地信息状态mi的有效性来判断是否需要接收系统参数。

在基站广播的消息中（BCCH或PCH）的广播接收指引，包含了下一个BCCH将要广播的信息类型和标识。终端收到广播接收指引后，会比较寄存器内保存的相关标识，如果相关标识无效，就需要重新接收，如果有效就可以不必接收相应的广播信息。

对本地信息状态mi而言，其参数与基站区相关，因此mi与CS-ID联合决定了mi的有效性。在mi相同，CS-ID相同的情况下，mi有效；在mi相同，CS-ID不同的情况下（终端移动到另外一个基站区），mi是无效的。此外，mi有时效性，如果60秒内终端没有收到过BCCH或PCH消息，mi也会失效。

同一寻呼区内全局信息一致，因此同一寻呼区内全局信息花样应该一致。全局信息花样与CS-ID中的寻呼区编码联合决定了全局信息花样的有效性。

6.4 建立链路信道的相关消息

链路信道都是由终端发起建立的，在建立过程中，需要SCCH和PCH逻辑信道的配合。当然，终端发起建立链路信道的前提是终端与基站的运营商编号和国家代码相同。

PCH信道是基站用来寻呼终端，广播终端被叫消息的信道，可以触发终端被动建立链路信道。终端当然也可能主动建立链路信道，这就是主叫的情形。

PCH消息包括3bit寻呼业务类型、52bit被叫终端的终端号码（PS number）和6 bit广播接收指示。每4bit的终端号码构成一位，共十三位BCD或十六进制终端号码。

终端建立链路信道，需要和基站通过SCCH信道交换信息，这些消息即SCCH消息。SCCH消息有5种，如下表。下行表示从基站到终端的消息，上行表示从终端到基站的消息。这些消息都是点对点的，因此需要保证可靠性。SCCH消息比较简单，通过等待、重发来保证可靠性。终端发出SCCH消息后的等待时间为1200ms，超过等待时间判定超时，终端会重发SCCH消息。SCCH消息最多重发3次。

表6.4 SCCH消息一览表

消息名称	消息类型编码	方向
空闲	00000000	下行
链路信道指配	00000001	下行
链路信道拒绝	00000010	下行
链路信道建立请求	00000001	上行
链路信道重新建立请求	00000010	上行

SCCH消息和PCH的详细内容请参考附录一2.和3.

6.5 链路信道建立流程

建立链路信道的过程分主叫和被叫两种情况。

6.5.1 主叫

终端做主叫会在SCCH信道上发送链路信道建立请求消息。基站收到后，检查可用的信道情况。有可用的信道，回应链路信道指配消息，包括指配的信道的频点和时隙的位置；无可用信道，回应链路信道拒绝消息，附加拒绝原因。

当终端收到基站的链路信道指配消息后，如果发现信道不可用，还可以发链路信道重新建立请求消息，请求重新建立信道。正常情况下，终端会在指配的信道上发送同步突发序列，同时基站会守候在此信道上，等待终端的同步突发序列。而基站收到终端的同步突发序列后，回应同步突发序列。经过这样的流程后，转入建立业务信道阶段。

如果终端收不到基站的链路信道指配消息，则要根据前文所述的等待、重发机制处理，直到成功收到基站的链路信道指配消息或放弃呼叫。

此外，终端做主叫时，还会受到基站流量管制的影响，包括位置登记和/或呼出的限制。

公用系统有八个流量管制组，每个终端属于其中一个流量管制组。终端所属流量管制组与终端号码（PS Number）有关，利用以下的计算公式得到。为了简化计算，PS Number如果是BCD方式，只取最后4位（填充位不算）；如果是16进制表示，只取最后16bit。
终端所属流量管制组 = (PS Number) MOD 8 + 1
例如，PS Number为5715914861，则流量管制组为（4861 mod 8 + 1）= 6。

在过载的情况下，基站会在系统信息广播（SYS）中，通告限制类型（位置登记和/或呼出的限制）和受到流量管制的组号。每限制一个流量管制组，基站的负荷平均会下降12.5%。因此基站可以根据过载的程度，灵活控制受限流量管制组的数目。为了公平起见，在流量管制的时候，基站要轮流对八个流量管制组进行流量管制，做到八个流量管制组一视同仁。

终端如果发现属于受流量管制的组，就无法发起位置登记和/或呼出了。当然，等管制时间过去，又可以正常工作了。

6.5.2 被叫

第五章5.5中提到，PCH信道分成了若干寻呼组，寻呼组数量由超帧的参数n_PCH * n_GROUP决定。

每个终端属于一个寻呼组，终端所属寻呼组与终端号码（PS Number）有关，有以下的计算公式。为了简化计算，PS Number如果是BCD方式，只取最后4位；如果是16进制表示，只取最后16bit。
终端所属寻呼组 = (PS Number) MOD (超帧中PCH的数目) + 1
例如，PS Number为5715914861，超帧中PCH的数目为8，则寻呼组为（4861 mod 8 + 1）= 6。

现在考虑超帧结构为n_PCH = 2，n_SUB = 3，n_SG = 1，n_GROUP = 4的情况，如果基站从网络侧依次收到如下终端的被叫消息：

序号	PS number	末四位	寻呼组
1	05715907836	7836	5
2	05715952894	2894	7
3	05715931436	1436	5
4	05715968461	8461	6

基站的下行LCCH上将会按图6.2的规律发送PCH消息。

图6.2 PCH消息发送示例

由图6.2可见，不同寻呼组的PCH消息互不影响，相同寻呼组的PCH消息按顺序发送。因此终端只需要在所属寻呼组的广播时间打开接收机，其余时间可以关闭接收机，这样就节省了电力。

一旦终端发现被寻呼，就会在SCCH信道上发送链路信道建立请求消息。基站收到后，检查可用的信道情况。有可用的信道，回应链路信道指配消息，包括指配的信道的频点和时隙的位置；无可用信道，回应链路信道拒绝消息，附加拒绝原因。

当终端收到基站的链路信道指配消息后，如果发现信道不可用，还可以发链路信道重新建立请求消息，请求重新建立信道。正常情况下，终端会在指配的信道上发送同步突发序列，同时基站会守候在此信道上，等待终端的同步突发序列。而基站收到终端的同步突发序列后，回应同步突发序列。经过这样的流程后，转入建立业务信道阶段。

6.5.3 链路信道建立流程

图6.3 链路信道建立流程

图6.3是链路信道建立流程，其中有几个关键的地方：

1）超时处理

基站和终端接收等待都有定时器，除了链路信道建立等待外，都是100ms，一旦超时，链路就会释放。链路信道建立等待比较特殊，是1200ms，而且超时后还有两次重发的机会。

2）干扰检测

基站收到终端的链路信道建立请求后，会找一个可用的信道（频点/时隙）。

终端收到基站指配的信道（频点/时隙）后，会检测此时隙的信号强度，如果发现高于44dBuV，认为此时隙有干扰不可用，将会向基站发送链路信道重新建立请求，要求重新分配链路信道。

3）对传

为了保证通信质量，基站和终端之间对传同步突发序列和空闲突发序列。

6.6 小结

在PHS空中接口的建立链路信道阶段，终端首先需要接收建立链路信道所需的参数，而这些系统参数分全局和本地参数两种，有其特有的收发机制。

建立链路信道的过程分主叫和被叫，具体流程有区别。建立链路信道的过程需要使用SCCH和PCH信道的相关消息。

第七章 链路信道

7.1 引言

前一章我们了解了PHS空中接口的链路信道建立过程。

本章还是聚焦在PHS空中接口的运行机制，主要介绍PHS空中接口的链路信道的结构特点，包括链路信道的物理层、链路层和网络层的结构，链路层的工作方式和网络层的结构。

下一章将介绍PHS空中接口的基本协议流程。

7.2 链路信道的层次结构

在链路信道建立后，将在链路信道上展开后续的协议流程，最终将建立业务通道。链路信道与逻辑控制信道结构不同，逻辑控制信道在控制时隙上，没有明显的OSI分层结构；链路信道在通信时隙上，有如图7.1明显的OSI分层结构。

在第三章已经提到，PHS空中接口链路信道的链路层采用LAPDC协议，网络层包括RT、MM和CC三个协议。而链路信道的物理层有两种：FACCH和SACCH。

图7.1 链路信道的三层结构

7.2.1 SACCH的结构

每个通信时隙中，都包含16比特的SACCH信息，这就是SACCH物理层，其结构如图7.2。SACCH物理层第一字节的标志位代表时隙顺序，‘0’代表第一时隙，‘1’代表第二时隙。

图7.2 SACCH物理层结构

两个通信时隙的SACCH内容合成一个SACCH上的链路帧，层次结构如图7.3所示。

图7.3 SACCH三层结构（单位为比特）

SACCH的链路帧共30比特，结构如图7.4所示。

图7.4 SACCH二层帧结构

控制域代表链路层协议的命令和参数，下节将详细说明。

信息代表链路层承载的网络层消息，每帧中有16比特的信息。而网络层的消息往往会超过16比特，就需要多帧传送。第2字节的第1比特就指示当前帧是否是多帧中的一帧，是中间帧或最后帧。‘0’代表起始帧或中间帧，‘1’代表最后帧。例如，如果网络层的消息的长度为104比特，就需要七个SACCH链路帧传递。前六个链路帧的第2字节的第1比特为‘0’，最后一个链路帧为‘1’。第2比特代表帧中三层信息的长度（以字节为单位）。‘0’代表三层信息的长度为1个字节，‘1’代表三层信息的长度为2个字节。还是上面104比特的例子，前六个链路帧的第2字节的第1比特为‘2’，最后一个链路帧为‘0’。

SAPI（Service Access Point Identifier，业务接入点识别码）为001（Connect Control，连接控制）。SAPI用来识别用户―网络接口的网络侧或用户侧的服务接入点，相当于第二层数据链路的地址。由于基站与终端点对点连接，因此SAPI是不变的。

C/R（Command/Response，命令/响应）表明链路帧的特性，可根据表7.1确定消息的来源和类型。

表7.1 C/R取值表

C/R	方向	状态
1	CS －＞ PS	命令
0	PS －＞ CS	命令
0	CS －＞ PS	响应
1	PS －＞ CS	响应

图7.5给出了SACCH物理层与链路层数据关系的实例。

图中原码‘7E 12 01 00’，经过去标志位和组合后，得到其包含的链路帧内容为‘3F 09 00 00’。以下是获取过程，请注意二进制表达和组合时字节的顺序。

图7.5 SACCH数据获取示例

又如原码‘E6 12 01 00’，包含二层帧内容为‘73 09 00 00’。

7.2.2 FACCH的结构

FACCH与TCH分时占用通信时隙。一个通信时隙对应FACCH一个链路帧，长度是160比特，即20字节。

FACCH的层次结构如图7.6所示。

图7.6 FACCH三层结构（单位为字节）

FACCH的帧结构如图7.7所示。

图7.7 FACCH二层帧结构

可见FACCH结构与SACCH类似，只是信息长度字段位数增加；增加了一帧中承载的网络层消息的长度，最多可达17个字节。当然，有些三层消息内容会超过17个字节，第2字节的第1比特依旧指示当前帧是否是多帧中的一帧，是中间帧或最后帧。‘0’代表起始帧或中间帧，‘1’代表最后帧。

SACCH的效率很低，刚超过50%，大量的比特被控制参数占用；FACCH的效率较高，达到了85%。例如，传递长度为104比特的网络层的消息，SACCH需要传递14次，而FACCH只需要一次。当然，SACCH不会占用业务通道。

根据SACCH和FACCH的不同特点，一般数据量大的消息往往利用FACCH传送，这样速度快，效率高；数据量小的消息利用SACCH传送，不影响业务。

7.3 链路层的工作方式

7.3.1 多帧传输机制

基站和终端在链路信道上是点对点通信。点对点通信是收发双方信息交互的过程，由于通信信道的不确定性，链路层需要进行流量控制和差错控制。链路层传递信息以帧为单位，为了确保通信的可靠性，一种方法是发送方每发送一次信息（即一帧），就等待接收方的确认。收到接收方的确认后，再发送下一帧。这种方法非常可靠，缺点是效率太低。

改进的方法是允许发送方顺序发送多个帧，每一帧都编号。接收方回应一个帧编号，表明此编号以前的帧已经成功接收。这样，接收方可以一次应答多个帧，提高了通信效率。这种方法称为滑动窗口法，滑动窗口的长度是发送方在无应答时最多可发送的帧的数量。

采用滑动窗口法后，必须考虑遇到差错时的处理方法。一般采用后退N帧的ARQ（自动请求重发）协议，即发送方收到接收方的出错消息后，从出错的帧开始，顺序重发。

链路层最经典的多帧传输协议HDLC，就采用了滑动窗口法 + 后退N帧的ARQ协议。

HDLC协议多帧的传输过程见图7.8，有以下的参数：

NS：帧的发送序号；

NR：期待接受的帧的发送序号。

图7.8 多帧传输流程示意图

启始状态NS，NR=0，在发送方B发送了3个帧后，接收方A回应NR=4，表明前3个帧已经正确接收，希望接收第4帧。发送方B收到后，继续发送过程。当发送到第5帧时，由于种种原因接收失败，尽管随后的第6帧仍然被正确接收，接收方A回应NR=5，表明第5帧接收失败，希望接收第5帧。于是发送方B又从第5帧开始重新发送。

按上述流程，通信过程持续到通信内容发送完毕。当然，这里给出的是单向的流程，通常通信过程都是双向的，机制与单向一样。

7.3.2 LAPDC的帧类型

PHS链路信道的链路层采用了基于HDLC协议的LAPDC协议，面向点对点的多帧通信。

HDLC协议定义了链路层的三种工作模式：

1. 正常响应方式（NRM）：有主从节点之分，主节点控制通信。
2. 异步平衡方式（ABM）：无主从节点之分，任何节点都可启动通信。
3. 异步响应方式（ARM）：有主从节点之分，主节点不控制通信。

HDLC协议定义了三种格式的帧：信息帧（I）、管理帧（S）和无编号帧（U）。

信息帧承载数据（网络层的信息），捎带一些状态信息。信息帧的功能是通过数据链路连接有序地传送包含上层信息的编号帧。

管理帧用于流量管理和差错控制。

无编号帧用于链路控制，没有顺序编号。

LAPDC协议是HDLC协议的子集，面向点对点通信，只使用异步平衡方式（ABM），因此基站和终端是对等的，都可以发起通信。

LAPDC帧结构与HDLC帧结构也有显著的差别：

1. LAPDC帧没有F（标志）。由于LAPDC帧的长度固定（30或160比特），不需要F。
2. LAPDC帧没有FCS（帧校验）。由于物理层已经做了校验，链路层可以忽略。

LAPDC协议选用了如表7.2所示的帧。

表7.2 LAPDC帧类型一览表

格式	命令	响应	用途
信息帧	I		传递上层信息
管理帧	RR	RR	信息帧接收允许
	RNR	RNR	信息帧接收不允许
无编号帧	SABM		设置异步平衡方式
	UI		无编号信息
	DISC		拆除连接
		DM	非连接模式
		UA	无编号帧确认
		FRMR	收到不能接受的帧

由上表可见，有些帧只能是命令或响应，有些帧既可以是命令又可以是响应。

以上帧的详细用途如下：
I：采用多帧传输模式传递网络层信息的信息帧。
RR：表明链路层实体准备接收I帧。
RNR：表明链路层实体接收缓冲区已满，无法接收I帧。
SABM：启动多帧传输模式。
DISC：结束多帧传输模式。
UI：无确认机制传递网络信息的信息帧。
UA：对SABM和DISC命令的响应。
DM：表示无法进入多帧传输模式，是对SABM命令的响应。
FRMR：收到有错误的帧，并且无法恢复。
LAPDC帧结构如表7.3：

表7.3 LAPDC帧结构一览表

格式	命令	响应	8	7	6	5	4	3	2	1
信息帧	I		N(R)			P	N(S)			0
管理帧	RR	RR	N(R)			P/F	0	0	0	1
	RNR	RNR	N(R)			P/F	0	1	0	1
无编号帧	SABM		0	0	1	P	1	1	1	1
	UI		0	0	0	P	0	0	1	1
	DISC		0	1	0	P	0	0	1	1
		DM	0	0	0	F	1	1	1	1
		UA	0	1	1	F	0	0	1	1
		FRMR	1	0	0	F	0	1	1	1

在帧结构的控制域中包含帧的参数，包括：

P/F(Poll/Final)：命令帧表示P（询问），响应帧表示为F（终止）。

命令帧P设为‘1’，表示要求对方响应；P设为‘0’，不要求对方响应。

响应帧的应答有多帧时，最后一帧的F设为‘1’，其他帧的F设为‘0’。

接受序号NR：下一个期待接受的I帧的发送序号。无编号帧没有NR。

发送序号NS：所发送的I帧序号。只有信息帧有NS。

LAPDC的滑动窗口的长度为7。

7.3.3 链路层通信流程

链路层上的通信流程分三个阶段：
1）建链过程

为了多帧传输I帧，需要建链过程，也就是在收发双方建立多帧传输模式。

2）信息传递过程

多帧传输I帧的过程。

3）释放过程

释放数据链路的过程。

图7.9是一个多帧传输的实例，首先A点发SABM命令，表示选择异步平衡方式通信。对方接受后回UA，表示认可，于是多帧通信建立，建链过程结束，接下去双方可以交换信息帧。如果对方不接受，回DM，表示拒绝，多帧通信建立失败。

图7.9 二层多帧传输流程

每次发送信息帧时，信息帧都有编号NS。接收方会根据接收情况（接收成功、接收错误、缓冲区满）回应RR或RNR帧。因此在多帧通信过程中，NR是由管理帧处理的，信息帧中的NR与多帧通信过程无关。

链路释放过程是发DISC命令，对方回应UA后，链路释放完毕，通信过程就此结束。

SABM、UA和DISC都属于无编号帧，传递无须建链。

值得注意的是UI帧也可以承载信息，与I帧不同，UI帧不需要建链路过程，可高速传递第三层信息，但链路层无流量和差错控制，差错控制只能由上层协议来解决。比如通信阶段FACCH信道已经释放，如果要在此时利用FACCH信道，就只能使用UI帧。

7.4 网络层结构

PHS空中接口承载三种网络协议：RT（Radio frequency Transmission Management）、MM（Mobility Management）和CC（Call Control）。RT和MM结构相同，CC结构比较特别，它们利用协议鉴别语来区别，协议鉴别语如表7.4。

表7.4 协议鉴别语一览表

协议	协议鉴别语
RT	01000011
MM	01000100
CC	01000101

在通信系统中，通信设备的主要功能是处理相应的协议。为了设计方便，往往把通信设备的协议处理实体抽象为一个黑箱，只考虑实体的输入和输出，而屏蔽了实现这些功能的物理细节。这是一种面向对象的描述方法。

黑箱即通信设备的实体会处于不同的状态，这些状态是有限的，称为有限状态。RT、MM和CC的状态可参考附录二，例如，RT有17种状态。实体在任意给定的时刻，必然有惟一确定的状态。实体的当前状态和输入决定了实体的下一个状态（输出），当然也应该是确定的。因此实体又可称为有限状态机。

有限状态机会发生状态的改变，在一种状态下必须依赖于外部输入的特定消息触发，才能引起状态转移或执行某种任务。因此，有限状态机是以消息驱动的。

协议处理实体利用有限状态机原理，可以方便地实现通信协议的逻辑表达。因此，协议处理实体也是以消息驱动的。为了实现状态转移，协议处理实体内部会使用定时器，借助定时器和输入的消息，来决定转移的状态。

7.4.1 RT、MM结构

RT、MM消息的结构如图7.10。可见一条消息由协议鉴别语、消息类型、信息单元三个部分组成。一条消息往往有多个信息单元，这些信息单元在同一种消息内顺序是固定的。

图7.10 RT、MM消息结构

信息单元相当于消息的参数，一般由信息单元类型、信息单元长度和信息单元内容三个部分组成，也有一些信息单元没有信息单元长度。

信息单元有两种格式：单字节和多字节。单字节信息单元的高4位代表信息单元类型，低四位代表信息单元内容。多字节信息单元的信息单元类型用一个字节表示，长度与信息单元有关。

RT、MM消息的数据结构参考附录二1.和2.2。

7.4.2 CC结构

图7.11 CC消息结构

从图7.11可以看出，CC与RT、MM消息结构不同，增加了呼叫参考值。呼叫参考值是系统处理呼叫的唯一标识，在整个呼叫和通信过程中有效。

在RCR STD-28中，呼叫参考值为一个字节，因此呼叫参考值长度为1。

呼叫参考值的标志‘0’表示消息来自主叫，‘1’表示消息来自被叫。

CC的结构是Q.931协议消息结构的翻版。

CC的消息类型基本上是Q.931协议消息的子集，增加了一条Q.932的Facility（设施）消息。

信息单元基本上是Q.931协议信息单元的子集，增加了一个Q.932的Facility（设施）信息单元。

CC消息的数据结构参考附录二3。

7.5 小结

PHS空中接口的链路信道符合OSI七层结构。

物理层有SACCH和FACCH两种。

链路层采用了基于HDLC协议的LAPDC协议。

网络层有RT、MM和CC三种协议。

第八章 协议流程

8.1 引言

第六章我们了解了PHS空中接口的链路信道建立过程。

第七章我们了解了PHS空中接口的链路信道的结构特点。

本章还是聚焦在PHS空中接口的运行机制，主要介绍PHS空中接口的基本协议流程，包括主叫、被叫、呼叫释放、位置登记和异常呼叫等协议流程。

下一章将介绍PHS空中接口的切换机制。

8.2 主叫

PHS空中接口上的一个完整的通信流程分为链路信道建立阶段、业务信道建立阶段和通信阶段三个阶段。链路信道建立阶段发生在控制时隙上，业务信道建立阶段和通信阶段发生在通信时隙上。

主叫协议流程也是如此，图8.1提供了一个简化的主叫协议流程。

在链路信道建立阶段，终端首先在SCCH信道上发送链路信道建立请求消息。基站收到后，检查可用的信道情况。有可用的信道，回应终端链路信道指配消息，包括指配的信道的频点和时隙的位置；无可用信道，回应终端链路信道拒绝消息，附加拒绝原因。

当终端收到基站的链路信道指配消息后，如果发现信道不可用，还可以发链路信道重新建立请求消息，请求重新建立信道。正常情况下，终端会在指配的信道上发送同步突发序列，同时基站会守候在此信道上，等待终端的同步突发序列。而基站收到终端的同步突发序列后，回应同步突发序列。

同步突发序列互通后，表明终端和基站在通信时隙上物理层已经建立联系。接着，通过发送SABM和UA，链路层也完成了建链过程，终端和基站在通信时隙上多帧传输模式也建立了。注意：两种物理层SACCH和FACCH上都要有建链过程。

在链路层上，三种网络层协议RT、MM和CC的消息可以方便地传递。

接下来是网络层协议的处理过程，注意这里使用的是通信时隙。

终端首先发送Setup（CC）消息，主要包含了Bearer capability、Facility、Calling party number、Called party number（承载能力、设施、主叫号码和被叫号码）等信息单元。Setup消息是建立呼叫的初始信息，也是建立呼叫最关键的信息。

网络侧（相当于基站的上级）收到基站转发的Setup消息并开始处理后，会通过基站回应终端一个CALL PROCeeding（CC）消息，让终端知道网络侧已经开始处理Setup消息。

终端一旦收到CALL PROCeeding（CC）消息，就会触发鉴权过程。

鉴权过程的第一步是终端将自己的密钥通过Encryption key set（RT）消息传给网络侧。

图8.1 简化的主叫协议流程

网络侧收到此密钥后，就会产生一个随机花样（随机数），通过Authentication request（MM）消息下发到终端。终端利用自己的密钥和特定的加密算法对随机花样加密，并将加密结果通过Authentication response（MM）消息由基站返回给网络侧。

图8.2 复杂的主叫协议流程

网络侧利用终端的密钥、随机花样和加密算法，可以得到标准的加密结果。网络侧比较终端的加密结果和标准的加密结果，如果两者不吻合，鉴权不通过，终端无权呼叫，呼叫过程就此结束；如果两者吻合，鉴权通过，终端有权呼叫，呼叫过程继续进行。

由上面过程可以看出，鉴权过程成功的关键是网络侧和终端使用相同的加密算法、密钥和随机花样。

鉴权过程结束后，FACCH上已经不再需要传递消息了，因此基站和终端在FACCH的链路层上发DISC和UA，释放了FACCH。

呼叫过程继续，当网络侧检测到对方振铃后，通过基站向终端发送Alerting（CC）消息，告知终端对方已经振铃，于是终端听到回铃音。

当网络侧检测到对方摘机后，发送Connect（CC）消息，双方通话就可以进行了，这时，进入了通信阶段。

当然，实际主叫协议流程可以复杂一些，包括一些附加信息的传递，如图8.2所示，增加了RT和MM的Function request及Function request response消息，RT的Definition information request和Definition information acknowledge消息。下一章有Function request及Function request response消息应用的详细介绍。

8.3 被叫

被叫协议流程与主叫协议流程大体相似，其流程如图8.3。

首先是终端收到来自寻呼信道的寻呼消息后，发起链路信道的建立过程。链路信道建立后，终端首先向基站发送应答信息——Paging response（RT）消息，以后的协议流程与主叫协议流程基本类似。

值得注意的是，Setup（CC）消息和CALL PROCeeding（CC）消息发送方向与主叫协议流程不同，这也是主叫与被叫的必然差别。

此外，被叫协议流程还增加了Connect acknowledge（CC）消息，作为Connect（CC）消息的响应。

附录二4.提供了被叫协议流程的详细协议分析，以供对照。

图8.3 复杂的被叫协议流程

8.4 挂机

挂机分PS发起和CS发起两种情况。两种情况协议流程都是一样的，只是方向不一样。注意Radio channel disconnect（RT）和Radio channel disconnect complete（RT）消息都使用UI帧，因为此时FACCH链路已经释放。

图8.4 PS侧挂机协议流程
图8.5 CS侧挂机协议流程

8.5 位置登记

由于移动通信系统的终端是移动的，因此系统需要利用终端登记的位置找到终端。位置登记可以看作一个完整的呼叫建立和释放的过程。

图8.6 位置登记协议流程

8.6 异常呼叫

异常呼叫是呼叫不成功的情况，原因多种多样，例如流量管制、鉴权失败和呼叫拒绝等情形。

图8.7是主叫呼叫拒绝的协议流程，拒绝原因在CC Disconnect（RT）中。

图8.7 呼叫拒绝协议流程

8.7 小结

PHS空中接口上的一个完整的通信流程分为链路信道建立阶段、业务信道建立阶段和通信阶段三个阶段。链路信道建立阶段发生在控制时隙上，业务信道建立阶段和通信阶段发生在通信时隙上。

主叫协议流程还包括鉴权过程。

被叫、挂机、位置登记和异常呼叫等协议流程可以参考主叫协议流程。

第九章 切换

9.1 引言

第六章我们了解了PHS空中接口的链路信道建立过程。

第七章我们了解了PHS空中接口的链路信道的结构特点。

第八章我们了解了PHS空中接口的基本协议流程。

本章还是聚焦在PHS空中接口的运行机制，主要介绍PHS空中接口的切换机制和切换流程。

9.2 切换机制

9.2.1 终端状态

由于移动通信系统的终端是移动的，而每个基站都有其覆盖范围，因此终端就不可避免地发生切换，从一个基站覆盖的范围变换到另外一个基站覆盖的范围，即从一个基站区切换到另外一个基站区，这种切换发生在不同基站之间。

此外，移动通信系统还存在干扰问题。为了抗干扰，终端也需要切换，从有干扰的信道切换到无干扰的信道，这种切换往往发生在同一基站的不同时隙。

切换与终端密切相关，根据终端状态的不同而有不同的切换机制。

常见的固定电话终端有两种状态：挂机态（on-hook）和摘机态（off-hook）。平时处于挂机态，通话时处于摘机态。

PHS的终端有三种状态：关机状态（power-off）、待机状态（standby）和通信状态（in use），状态之间会互相转换。关机状态终端不工作；待机状态是终端开机但不通信，是最常见的状态；通信状态终端利用TCH进行业务通信。

关机状态下终端不存在切换。

待机状态下终端也会切换，下一节有介绍。

通信状态下终端有两类切换方式：TCH切换型和重新呼叫型。TCH切换型比较简单。重新呼叫型等于是重新发起呼叫，过程复杂。

终端的状态以及状态迁移参看图9.1。

图9.1 终端状态图

9.2.2 切换模式

基站通过TCH switching信息单元通知终端切换模式。此消息参数长度为一个字节，每位代表的含义如下表：

表9.1 切换模式一览表

位	项目
1	本CS内通信时隙的时隙切换
2	本CS内通信时隙的载频切换
3	重新呼叫型连接同一寻呼区内其他CS
4	TCH切换型连接同一寻呼区内其他CS
5	重新呼叫型连接不同寻呼区CS
6	TCH切换型连接不同寻呼区CS

如果对应位取‘1’，表示允许此模式切换；如果取‘0’，表示不允许此模式切换。

切换模式决定了此基站区下终端的切换方式。

TCH switching信息单元可以通过Function request（RT）和Function request response（RT）消息获得。

9.2.3 区域信息

由于切换发生在不同基站之间，因此切换与寻呼区也有密切的关系。基站会通过区域信息（Area information）设定终端切换的参数。区域信息属于全局系统参数，因此必须在寻呼区内保持一致。终端保存了区域信息的索引，在链路信道建立请求消息中向基站报告保存的区域信息的索引。基站如果发现索引不一致，就会在链路信道指配消息中的LCH扩展协议类型项目中设置接收指示。

终端收到接收指示后，在链路信道建立后，会发送Definition information request（RT）消息，向基站申请接收区域信息。基站通过Definition information response（RT）消息，向终端通告区域信息。区域信息结构如下：

信息单元（00000001）								字节1
Standby zone selection level								字节2
Standby zone hold level								字节3
Recalling-type Handover process level								字节4
Recalling-type Handover destination zone selection level								字节5
TCH switching-type handover process level								字节6
Channel switching FER threshold value								字节7
Reserved					Area information report status number			字节8

Standby zone selection level：
待机区域选择电平。这是控制时隙上的电平，以dBuV为单位，10dBuV用44（二进制00101100）表示，80 dBuV用114（二进制01110010）表示，如此类推。缺省值为10dBuV，以下同。
Standby zone hold level：
待机区域保持电平。这是控制时隙上的电平，表示方法同上。
Recalling-type Handover process level：
重新呼叫型切换电平。这是通信时隙上的电平，表示方法同上。
Recalling-type Handover destination zone selection level：
重新呼叫型切换目标基站区选择电平。这是控制时隙上的电平，表示方法同上。
TCH switching-type handover process level：
TCH切换型切换电平。这是通信时隙上的电平，表示方法同上。
Channel switching FER threshold value：
240帧内的误帧数的门限值。这是通信时隙上的门限值。如果误帧率为10%，此值应该设为24。
Area information report status number：
区域信息的索引。

9.3 待机切换

终端开机后，一般情况下，在控制载频上应该可以收到多个基站的信号，终端会在其中选择合适的基站。如果终端和基站能够同步，且接收到的基站的控制时隙电平高于待机区域选择电平（Standby zone selection level），终端就选定了基站，进入待机状态。否则，终端还要继续寻找合适的基站。

终端在待机状态时主要完成如下工作：

1）接收基站广播的系统参数。
2）呼入或呼出，这样就转入了通信状态。
3）监测控制时隙电平，一旦发现电平低于待机区域保持电平（Standby zone hold level），就会退出待机状态，重新选择一个基站区，以便与另外的基站同步。
4）发送位置登记信息。位置登记信息主要包含终端的PS number。位置登记成功后，基站会回应确认消息。

9.4 通信切换

9.4.1 切换原因

基站和终端通过检测通信时隙的误帧率来发现干扰，误帧率用1.2s（相当于一个超帧的时间，240帧）内错误帧的比率来定义。所谓错误帧是指帧中UW不正确或有CRC错误。

一旦误帧率超过门限，基站和终端就会认为有干扰，将执行如下动作抗干扰：

1）更换时隙。
2）更换频点。
3）切换到其他基站。
4）重新呼叫。
5）如果4秒中内连续出现误帧，终端将停止发射，直到误帧率低于门限。如果60秒内持续误帧，通话自然中断，通道被释放。

由此可见，误帧率是决定切换的关键因素。

9.4.2 切换方式

基站和终端都可以发起切换，但终端首先需要知道基站的区域信息和切换模式。切换有一个处理过程，触发切换处理过程的原因是接收质量下降（误帧率高于门限值）或接收电平下降（接收电平低于门限值）。

前文提到，通信切换分TCH切换型切换和重新呼叫型切换两类。基站或终端选择切换方式的过程是，首先检查FER，如果FER低于门限值，不必切换；如果FER高于门限值，再比较通信信道的电平。如果通信信道的电平低于重新呼叫型切换电平，执行重新呼叫型切换；如果通信信道的电平高于TCH切换型切换电平，执行TCH切换型切换。

切换方式包括两种：同一基站下和不同基站下。如果是不同的基站之间，目标基站接收电平应该要高于重新呼叫型切换目标基站区选择电平，而且要实现终端在不同寻呼区之间切换，不同寻呼区的n_p和上行LCCH定时必须相同。同一基站下切换显然比较简单，因此基站处理切换时优先考虑本基站内切换。

切换过程使用TCH switching request/indication（RT）消息，TCH switching indication（RT）消息由基站发出，终端收到后，立刻实施切换。

终端也可以发出TCH switching request（RT）消息请求切换，基站收到后，回应TCH switching indication（RT）消息进行切换；当然基站也可以回应TCH switching request reject（RT）消息拒绝。

只有当TCH switching indication（RT）消息的信息单元（CS-ID、Carrier number、Slot number）都提供了，且CS-ID不是原来的基站，终端才执行TCH切换型切换，否则终端执行重新呼叫型切换。

图9.2是终端切换处理的具体流程。

图9.2 终端切换处理流程

9.4.3 切换流程

9.4.3.1 TCH切换:同一CS
此种切换分CS发起和PS发起两类，图9.3是CS发起的流程。

图9.3 CS发起的同一CS下TCH切换型切换流程

图9.4是PS发起切换的流程，与CS发起的流程相比，多了TCH switching request（RT）消息。

图9.4 PS发起的同一CS下TCH切换型切换流程

9.4.3.2 TCH切换:不同CS
此种切换分CS发起和PS发起两类，图9.5是CS发起的流程。

图9.5 CS发起的不同CS下TCH切换型切换流程

图9.6是PS发起的流程，与CS发起的流程相比，多了TCH switching request（RT）消息。

图9.6 PS发起的不同CS下TCH切换型切换流程

9.4.3.3 重新呼叫：PS发起
重新呼叫与主叫的协议流程基本接近，区别是在Setup（CC）消息中，必须要有Facility参数，参数设为Recalling-type channel switching。网络侧收到Setup（CC）消息后，会比较保存的加密结果，如果一致，就鉴权通过，切换流程继续，如图9.7所示。

图9.7 PS发起的不同CS下重新呼叫型切换流程

9.4.3.4 重新呼叫：PS申请
此种切换分CS发起和PS发起两类，图9.8是CS发起的流程。

图9.8 CS发起的不同CS下重新呼叫型切换流程

图9.9是PS发起的切换流程，与CS发起的切换流程相比，多了TCH switching request（RT）消息。

图9.9 PS发起的不同CS下重新呼叫型切换流程

9.5 小结

PHS空中接口的终端因为通信环境的变化会实施切换，根据终端状态的不同和终端所处基站区域的不同，切换分为待机切换和通信切换两种。通信切换又可以分为TCH切换型和重新呼叫型两类。TCH切换型比较简单。重新呼叫型等于是重新发起呼叫，过程复杂。