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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

TDMA技术的空中接口技术是移动通信系统的主要技术。本书围绕采用TDMA技术的空中接口，集中展示TDMA空中接口是什么，TDMA空中接口是怎样工作的和为什么要这样工作，力求让读者能了解TDMA空中接口的方方面面。

本书各个章节的内容如下：

第一章：主要介绍了通信系统的特点、应用和结构，移动通信系统的特点、应用和发展，空中接口的定义。

第二章：主要介绍了影响无线电波传输的因素、无线信道的特点和天线的原理。

第三章：主要介绍了移动通信系统业务处理的流程，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：主要介绍了空中接口的处理机制，包括终端如何发现基站、网络如何发现终端、鉴权、加密和切换。

第五章：主要介绍了PHS系统的特点、应用和结构，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表，分层协议。

第六章：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。

第七章：主要介绍了PHS空中接口的信号处理方法，包括语音编码、信道编码和调制方法。

第八章：主要介绍了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。

第九章：主要介绍了PHS空中接口的业务信道建立过程中所需的链路信道的特点，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。

第十章：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。

第十一章：主要介绍了PHS空中接口的切换机制和切换流程。

第十二章：主要介绍了GSM系统的特点、应用和系统结构，GSM空中接口标准的版本、基本参数和频率分布表。

第十三章：主要介绍了GSM空中接口的关键技术，包括频率规划、跳频、自适应和功率控制技术。

第十四章：主要介绍了GSM空中接口的结构，包括空中接口的帧结构、时隙的结构、时隙的时间和频率参数，逻辑信道的种类和功能，复帧、超帧和超高帧的结构。

第十五章：主要介绍了GSM空中接口的信号处理方法，包括语音编码、信道编码、调制和解调。

第十六章：主要介绍了GSM空中接口的信令，包括协议的物理层结构、链路层结构和网络层结构以及相应的功能。

第十七章：主要介绍了GSM空中接口的处理机制，包括系统信息的广播、寻呼消息的广播以及RR、MM和CC实体的处理机制。

第十八章：主要介绍了GSM空中接口的呼叫流程，包括主叫、被叫、挂机和位置登记的协议流程。

第十九章：主要介绍了GSM空中接口的切换种类，切换的机制和切换的协议流程。

第二十章：主要介绍了GSM空中接口的短消息业务，短消息的机制和短消息的协议流程。

本书选择PHS空中接口作为讲解TDMA空中接口的起点，因为PHS空中接口相对简单，便于理解。当然GSM空中接口是本书的重点，相信通过PHS空中接口的介绍，读者能够更加容易掌握GSM空中接口的相关内容。

读者有任何问题，可以与笔者联系（Email:ytsun@utstar.com）。

孙宇彤

于2002年暮春

第十二章  GSM概述

12.1 引言

本章主要介绍GSM系统的特点、应用和系统结构，GSM空中接口标准的版本、基本参数和频率分布表。

下一章将介绍GSM空中接口的关键技术。

12.2 GSM简介

GSM是由欧洲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PHS、窄带CDMA等移动通信系统同属于第二代移动通信系统，简称2G。GSM是全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications）的缩写。

GSM来源于模拟移动电话系统，当时欧洲模拟移动电话系统是国内系统，不支持国外漫游使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的移动电话系统，即GSM。为此，欧洲电信标准化委员会ETSI（European Telecommunications Standards Institute）下属的特别移动组SMG（Speical Mobile Group）开始制定GSM的标准和建议书。

1987年5月GSM成员国就数字移动电话系统采用时分多址TDMA、RPE-LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式等关键技术参数达成一致意见。1990年特别移动组完成了GSM900的规范，共产生大约130项建议书，分为12个系列的技术规范。这些规范涵盖GSM系统各个接口，包括MS-BS接口与协议、MS的终端适配器、BS-MSC接口和网络、业务互通 。

1991年欧洲开通了第一个GSM系统。同年，移动特别组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，即DCS1800系统。该系统与GSM900具有同样的基本功能特性，只是使用频段不同，两系统均可通称为GSM系统。

GSM系统是第一种商用的数字移动电话系统，由于系统良好的设计以及数字技术的应用，具有模拟移动电话系统无可比拟的优势，因此很快就在全球普及开来。目前全球GSM用户数以亿计，国内仅中国移动就有上亿的GSM用户，中国是全球GSM用户最多的国家。GSM是全球也是国内最为广泛使用的移动通信系统，也是商业上最为成功的移动通信系统。据统计，2002年全球超过10亿的移动用户中，71%是GSM用户。

GSM在语音业务方面相当成功，短消息业务也很蓬勃，但在数据业务方面就乏善可陈，无线数据接入速率仅9.6k bit/s。随着用户宽带化需求的提升，GSM也在不断发展演进中。通用分组无线业务GPRS（General Packet Radio Service）是GSM的下一个发展方向，俗称为2.5G，可以为用户提供几十kbit/s的无线数据接入速率，而且还可以永远在线，是GSM过渡到3G的桥梁。在3G的时代，GSM将发展为WCDMA，支持几百k bit/s甚至2M bit/s的无线数据接入速率。

GSM系统结构如图12.1所示。GSM系统分成四大部分：运行支持系统OSS、网络子系统NSS、基站系统BSS和用户终端MS。

 

图12.1   GSM系统的结构

1）OSS

运行支持系统OSS是集中的网络管理和数据处理中心，包括安全性管理中心、用户识别卡个人化中心、数据后处理系统和集中的网络管理。

2）NSS

网络子系统NSS含有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。NSS组成部分包括移动业务交换中心（MSC）、拜访用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）、移动设备识别寄存器（EIR）和操作维护中心（OMC）。

MSC是GSM系统的核心，负责控制BSS和完成话路交换，并与其他通信网络连接。

VLR是拜访用户位置寄存器，存储有本地提供服务的移动用户的数据，主要存储两类信息：一类是用户的参数，来自相关HLR；另外一类是用户目前所处位置的信息。VLR是动态的数据库，一旦用户离开，其数据将被删除。

HLR存储有在本地注册的移动用户的参数，是静态的数据库。

AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。

EIR存储有用户终端的设备参数，可以避免用户终端的非法使用。

OMC负责网络设备的管理和维护。

3）BSS

基站系统BSS(Base Station System)由基站BTS和基站控制器BSC组成。

BTS又称为BS，是用户终端的接口设备。

BSC可以控制多个基站，与MSC紧密联系，以完成通信业务，当然也要接受OMC的管理。

4）MS

MS定义为用户终端（Mobile Station），相当于手机。MS中还有SIM卡，用来识别用户。

GSM的应用系统往往用PLMN（公用陆地移动电话网络）来代表，与PSTN或ISDN网络相对应。就国内而言，中国移动与中国联通是不同的PLMN。

GSM相关建议书定义了GSM系统的规范，这些建议书的制定经历了三个阶段，称为Phase 1、 Phase 2和 Phase 2+。Phase 1是第一阶段，有关标准已经于1992年底基本冻结；Phase 2是第二阶段，有关标准也已经于1994年底冻结。Phase 2+阶段有关标准的定义从1994年6月开始，目前由于3G的出现，GSM规范已经不再更新。

Phase 2与Phase 1相比，在空中接口方面的主要改进是增加了DCS1800。本书将以Phase 1，即GSM900为蓝本介绍空中接口。

与PHS系统相比，GSM系统的规范的结构非常宏大，而且自成一体。例如PHS系统只定义了四种系统接口，其中三种是通用接口；而GSM系统定义了如表12.1的九种系统接口，这些接口都是GSM系统专用的。

表12.1  GSM系统接口列表

名称	位置
空中接口	BTS（基站）与MS（终端）之间
A接口	网络子系统NSS 与基站子系统BSS 之间
Abis 接口	基站控制器BSC 和基站收发信台BTS 之间
B接口	访问用户位置寄存器VLR 与移动业务交换中心MSC 之间
C接口	归属用户位置寄存器HLR 与移动业务交换中心MSC 之间
D接口	归属用户位置寄存器HLR 与访问用户位置寄存器VLR之间
E接口	相邻区域的不同移动业务交换中心MSC 之间
F接口	移动业务交换中心MSC 与移动设备识别寄存器EIR
G接口	访问用户位置寄存器VLR 之间的接口

中华人民共和国邮电部根据以上建议书制定了中国的GSM标准，属于中华人民共和国通信行业标准。

12.3 GSM空中接口规范

GSM空中接口存在于MS和BSS之间，主要涉及两种设备：BTS（基站）、MS（终端）。GSM空中接口的规范由ETSI GSM的如下系列建议书规定：

04          MS-BSS接口与协议

05          无线路径的物理层

06          话音编码规范

具体的建议书如下：

GSM 04.01          MS-BSS接口：概述和原理

GSM 04.03          MS-BSS接口：信道结构和接入能力

GSM 04.04          MS-BSS接口：一般要求

GSM 04.05          MS-BSS接口数据链路层：概述

GSM 04.06          MS-BSS接口数据链路层：规范

GSM 04.07          移动无线接口第三层：概述

GSM 04.08          移动无线接口第三层：规范

GSM 04.09          移动无线接口第三层补充业务：概述

GSM 04.10          移动无线接口第三层补充业务：规范

GSM 04.11          移动无线接口点对点短消息广播支持

GSM 04.12          移动无线接口小区短消息广播支持

GSM 05.01          无线路径的物理层概述

GSM 05.02          无线路径的复用和多址接入

GSM 05.03          信道编码

GSM 05.04          调制

GSM 05.05          无线发射和接收

GSM 05.08          无线子系统链路控制

GSM 05.10          无线子系统同步

GSM 06.01          话音处理功能：概述

GSM 06.10          全速率话音编解码

可以看出，与PHS空中接口的规范集中在一个标准不同，GSM空中接口的规范分散在许多建议书中。

中国的GSM标准中与空中接口有关的是：

YD/T 855·21—1996   900MHz TDMA数字蜂窝移动通信 无线接口信令部分

YD/T 855·22—1996   900MHz TDMA数字蜂窝移动通信 无线接口物理层规范

YD/T 855·21—1996标准相当于04系列建议书的集合，YD/T 855·22—1996标准相当于05系列建议书的集合，这些标准针对Phase 1，即GSM900。本书有关GSM空中接口部分的内容参考了以上的建议书和标准。

12.4 GSM业务

GSM系统支持三类业务：承载业务(bearer services)、电信业务(teleservices)和补充业务(supplementary services)。

承载业务方面，除了支持语音业务外，GSM还支持速率为9.6k bit/s、4.8k bit/s及低于2.4k bit/s的数据业务。

电信业务方面，包括电话、紧急呼叫、传真和短消息服务等。

补充业务方面，包括呼叫前转、呼叫限制、呼叫等待、会议电话和计费通知等。

对空中接口，我们也关心终端支持的业务。GSM终端支持的业务一般分以下三类：

基本功能：对应于基本电信业务；

补充功能：对应于补充业务的操作；

附加功能：有别于基本功能和补充功能的业务操作。

以上的功能又分为必备项和可选项。必备项是指终端应该具备的功能项，而可选项由制造厂家自己决定。

（1）基本功能

必备项：

   1) 被叫号码的输入和显示。

   2) 环境进程信号提示音。

   3) 地区／PLMN指示：

       漫游时所登记的地区／PLMN指示。

       同一时间／地点可以使用的几种不同PLMN指示。

       当自动登记到另外PLMN时的指示。

   4) 地区／PLMN选择。

   5) 签署识别管理：当SIM卡从终端中抽出时，不能进行正常的呼叫。

   6) PIN输入错误指示。

   7) 业务指示：登记成功时的一种指示。

   8) 短消息指示和应答。

   9) 短消息溢出指示。

可选项：

   1) DTE／DCE接口：数据业务中终端与DTE／DCE之间的标准连接器。

   2) ISDN‘S’接口：用于终端与ISDN网络按标准连接的标准连接器。

   3) 模拟接口：用于终端与外部设备之间提供模拟连接。

   4) 国际接续功能(‘＋’) ：终端利用‘＋’键实现国际接续。

   5) 自动呼叫限制 ：当终端呼叫尝试失败时，需要重新尝试。

（2）补充功能

必备项：

   终端可对补充业务进行控制。一旦运营部门拒绝提供服务时，终端能提供明确指示。

可选项：

   终端能显示来自PLMN的每次通话的费率信息。

（3）附加功能

必备项：

   自检功能。终端开机后，在进入网络之前必须进行自检，以便为正常运行做准备。

可选项：

    1) 缩位拨号。

    2) 固定号码呼叫。

    3) 号码重拨。

    4) 免提功能。

    5) 禁止呼出选择。

    6) 鉴权保护。

    7) 耳机音量调整。

    8) 自动开机，定时关机。

    9) 接收质量指示。

    10) 呼叫费率计量。

12.5 GSM空中接口参数

GSM空中接口的参数如表12.2。

表12.2  GSM空中接口参数表

项目	指标
下行频段	890 MHz～915 MHz
上行频段	935 MHz～960 MHz
上、下行间隔	45 MHz
波长	约33 cm
载波间隔	200 kHz
频点数	124
多址方式	TDMA
工作方式	FDD
调制方式	0.3 GMSK
语音编码	RPE-LTP
语音编码速率	13k bit/s
帧长	4.615 ms
每载波信道数	8
传输速率	270.8k bit/s
比特时长	3.7 μs
最大发射功率	0.8 W ~ 20 W
覆盖半径	最大35km

GSM系统在典型的城区衰落模式下（即多径延迟不超过5 μs），全速话音质量门限约为9 dB（相当于信号与干扰的比值——载干比）。车载台和基站的最大灵敏度为－104 dBm，手持台为－102 dBm和－100 dBm。

表12.3是GSM空中接口频率分配表，由于GSM是从模拟移动电话系统发展而来，因此保留了模拟移动电话的1~75号频点。此外，GSM采用了FDD，上下行使用不同的频率，但频点一样，频率相差45 MHz。

表12.3  GSM系统频率分配表

频点	下行载波频率(MHz)	上行载波频率(MHz)	备注
1	890.2	935.2	模拟
2	890.4	935.4	模拟
3	890.6	935.6	模拟
4	890.8	935.8	模拟
5	891.0	936.0	模拟
6	891.2	936.2	模拟
7	891.4	936.4	模拟
8	891.6	936.6	模拟
9	891.8	936.8	模拟
10	892.0	937.0	模拟
11	892.2	937.2	模拟
12	892.4	937.4	模拟
13	892.6	937.6	模拟
14	892.8	937.8	模拟
15	893.0	938.0	模拟
16	893.2	938.2	模拟
17	893.4	938.4	模拟
18	893.6	938.6	模拟
19	893.8	938.8	模拟
20	894.0	939.0	模拟
21	894.2	939.2	模拟
22	894.4	939.4	模拟
23	894.6	939.6	模拟
24	894.8	939.8	模拟
25	895.0	940.0	模拟
26	895.2	940.2	模拟
27	895.4	940.4	模拟
28	895.6	940.6	模拟
29	895.8	940.8	模拟
30	896.0	941.0	模拟
31	896.2	941.2	模拟
32	896.4	941.4	模拟
33	896.6	941.6	模拟
34	896.8	941.8	模拟
35	897.0	942.0	模拟
36	897.2	942.2	模拟
37	897.4	942.4	模拟
38	897.6	942.6	模拟
39	897.8	942.8	模拟
40	898.0	943.0	模拟
41	898.2	943.2	模拟
42	898.4	943.4	模拟
43	898.6	943.6	模拟
44	898.8	943.8	模拟
45	899.0	944.0	模拟
46	899.2	944.2	模拟
47	899.4	944.4	模拟
48	899.6	944.6	模拟
49	899.8	944.8	模拟
50	900.0	945.0	模拟
51	900.2	945.2	模拟
52	900.4	945.4	模拟
53	900.6	945.6	模拟
54	900.8	945.8	模拟
55	901.0	946.0	模拟
56	901.2	946.2	模拟
57	901.4	946.4	模拟
58	901.6	946.6	模拟
59	901.8	946.8	模拟
60	902.0	947.0	模拟
61	902.2	947.2	模拟
62	902.4	947.4	模拟
63	902.6	947.6	模拟
64	902.8	947.8	模拟
65	903.0	948.0	模拟
66	903.2	948.2	模拟
67	903.4	948.4	模拟
68	903.6	948.6	模拟
69	903.8	948.8	模拟
70	904.0	949.0	模拟
71	904.2	949.2	模拟
72	904.4	949.4	模拟
73	904.6	949.6	模拟
74	904.8	949.8	模拟
75	905.0	950.0	模拟
76	905.2	950.2
77	905.4	950.4
78	905.6	950.6
79	905.8	950.8
80	906.0	951.0
81	906.2	951.2
82	906.4	951.4
83	906.6	951.6
84	906.8	951.8
85	907.0	952.0
86	907.2	952.2
87	907.4	952.4
88	907.6	952.6
89	907.8	952.8
90	908.0	953.0
91	908.2	953.2
92	908.4	953.4
93	908.6	953.6
94	908.8	953.8
95	909.0	954.0
96	909.2	954.2
97	909.4	954.4
98	909.6	954.6
99	909.8	954.8
100	910.0	955.0
101	910.2	955.2
102	910.4	955.4
103	910.6	955.6
104	910.8	955.8
105	911.0	956.0
106	911.2	956.2
107	911.4	956.4
108	911.6	956.6
109	911.8	956.8
110	912.0	957.0
111	912.2	957.2
112	912.4	957.4
113	912.6	957.6
114	912.8	957.8
115	913.0	958.0
116	913.2	958.2
117	913.4	958.4
118	913.6	958.6
119	913.8	958.8
120	914.0	959.0
121	914.2	959.2
122	914.4	959.4
123	914.6	959.6
124	914.8	959.8

12.6 小结

GSM是由欧洲发展的一种移动通信系统，属于第二代移动通信系统。GSM是全球也是国内最为广泛使用的移动通信系统，也是商业上最为成功的移动通信系统。

GSM系统分四大部分：运行支持系统OSS、网络子系统NSS、基站系统BSS和用户终端MS。

GSM 04、05、06系列的建议书规定了GSM空中接口的规范。

GSM终端支持业务的基本功能、补充功能和附加功能。

GSM空中接口的工作频率为900 MHz，工作方式为TDMA/TDD。

 

第十三章  GSM空中接口的关键技术

13.1   引言

上一章介绍GSM和GSM空中接口的概况。

本章主要介绍GSM空中接口的关键技术，包括频率规划、跳频、自适应和功率控制技术。

下一章将介绍GSM空中接口的结构。

13.2   频率规划

频率规划是GSM系统极为关键的技术，要了解频率规划，首先要从频率复用谈起。

移动通信系统使用无线电波传递信息，无线电波最重要的参数是频率。无线电波是一种公共的资源，不光是通信业务要使用，广播、导航和气象等业务都要使用。为了避免各种业务系统之间的互相干扰，国际上对无线电波的使用做了管制，规定了各种业务使用的频率范围，移动通信系统只能使用其中一小段频带。

表12.2规定了GSM系统使用的频带范围，从表12.2可知GSM系统的频点数是有限，而每个频点最多可同时支持8个用户，因此系统的容量受到了无线电波的频带限制。随着GSM的日益普及，GSM系统就必须在有限的频率范围，尽可能地满足越来越多的用户需求。

最简单的方法是扩充频带，但是调整频带范围可能会牵涉多个业务系统的设备，牵一发而动全身，因此不到万不得已，频带范围是很难调整的。目前来看，也只为3G业务做了频带调整，而且困难很大。调整频带范围这种方法非常难实现，眼下唯一可行的就是扩充已经退网的模拟移动通信系统的频带。即使是这样，GSM系统的频点数最多为124个，考虑到不同运营商的存在，增加的频带基本上是杯水车薪。

另外一种比较可行的方法是频率复用，相同的频点可以在不同的地方同时使用，变相地扩充了频带。这有点类似酒店，同一餐桌在不同的时间可以供不同的顾客使用。频率复用通过蜂窝技术实现。

蜂窝技术与基站的布设有关。从第一章我们已经知道，移动通信系统采用基站来实现业务的覆盖。基站实现业务的覆盖的方法很多，一种方法是利用几个大功率的基站覆盖整个业务区域，这种方式称为大区制。但是由于基站能使用的频带有限，无法支持大容量的用户，在人口相对密集的地区就无能为力了。

另外一种方法是利用众多的基站将整个业务地区覆盖，看上去仿佛是一个个蜂房构成的一个蜂窝。因此，这种覆盖方式就可以形象地描述为蜂窝。蜂窝技术由于基站的覆盖范围较小，有时基站的覆盖区域也称之为小区。蜂窝技术以小功率的基站为主，带来最大好处是可以频率复用，提高了频率利用率，大大提高了系统的容量。

蜂窝技术是贝尔实验室提出的，而且从模拟移动通信系统开始，蜂窝技术就在移动通信系统中广泛应用，为移动通信的普及做出了贡献。GSM系统也使用了蜂窝技术。

频率复用是不同基站使用同一工作频率，由第二章可知，这样会引入严重的系统内干扰——同频干扰，影响系统的正常工作。因此蜂窝技术的频率复用有一个前提，即基站的功率较小，由于前文提到的无线电波的传输损耗，基站的信号覆盖范围不会很大，这样经过一段距离的损耗后，基站发射的无线电波基本上对其他基站已经没有太大的影响了，这时，其他基站再使用同一频率，不至于影响彼此的正常工作。

这种效应与路灯有些类似，如果我们晚上沿着有路灯的道路行走时，可以观察到我们的影子的变化：虽然周围的路灯都会产生影子，但距离我们最近的路灯产生的影子最清晰，当我们离路灯很近时，其他路灯产生的影子都可以忽略不计了。

因此，利用无线电波的传输损耗，可以做到不同地理位置的基站隔离，从而实现频率复用，这也是典型的化害为利的案例。当然，蜂窝技术也会带来一些副作用，如增加了终端切换的机率，不过这是可以克服的。

基站实施频率复用时，需要遵循一定的规则，这就是频率规划。为了设计方便，在频率规划中假设基站的覆盖范围为六边型，且大小一致。频率规划首先要求相邻的基站频率不相同，不然就互相干扰了；其次相邻的基站的频率种类由复用模式K决定，一般K=3、4、7，当然还有其它复用方式如K=9、12等。模拟移动通信系统K=7，GSM系统K=3或4。图13.1是不同复用模式下基站频率分配的示意图，注意图中编号代表一组频点。GSM基站使用的频点不止一个，分别标识为C₀、C₁…，其中C₀是最重要的频点，这些频点统称小区配置CA（Cell Allocation）。

     

图13.1  复用模式

基站频率复用时，使用同一频率基站之间的距离是很重要的参数，一般用频率复用距离D来表示。D可以由下式确定：

D = √3K R

式中K是复用模式，R是基站的覆盖半径。

因此，当K=7时，D=4.58 R；K=4时，D=3.46 R；K=3时，D=3 R。

D越大，同频基站之间的干扰就越小，但同时K也就越大，每个基站可使用的频点数减少，相应的容量也会下降。因此K的选择需要平衡多种因素。

基站使用的天线分全向天线和定向天线两种，现在的基站多采用定向天线。一般一个基站使用三个120°三叶草天线，每个天线覆盖范围构成一个扇区。在工程中最典型的复用方式是采用12分组方式，即4个基站，12组频率，又称4×3复用模式，如图13.2所示，4×3复用模式下D=3.46 R。

 

图13.2  4×3复用模式

复用模式和频带范围决定了单个基站可使用的频点数，而基站使用的频点数关系到基站的容量。频点配置3/2/2表示基站的三个扇区分别使用3、2、2个频点，频点配置5/5/5表示基站的三个扇区分别使用5、5、5个频点，显然后者基站的容量比前者大很多，目前容量最高的基站频点配置为8/8/8。

频率规划可以有多种方案，衡量频率规划方案优劣的指标是频率复用效率和频率复用距离。目前常用的GSM频率规划方案除了4×3复用模式外，还有同心圆（Concentric Cell）方案与多重复用MRP（Multiple frequency Reuse Pattern）方案等等，这些方案在频率规划时比较复杂，需要根据基站使用频率的重要程度，予以不同的频率规划。例如C₀是最重要的频点，复用距离D应该尽可能大；其他频点承载话路，复用距离D可以小一点，频率复用效率就高了。比较流行的频率规划方案在频率规划时要分两次甚至多次规划，当然多花了功夫，结果自然比4×3复用模式的频率复用效率更高，支持的用户容量更大。

频率规划是GSM系统所特有的技术。频率规划是非常复杂的工作，加上还要考虑地形等因素，工作量相当大。尤其是在GSM系统不断发展的情况下，如何保证原有的基站和新增的基站都能正常工作，达到设计要求，是频率规划的重点。

PHS系统不做频率规划，基站使用的频率是动态选择的，互不冲突就可以了。

CDMA系统也不做频率规划，因为CDMA系统基站本身就是同频的。

13.3   跳频技术

跳频是指载频的频率按特定的规律变化，即不同的时刻，载频的频率不同。跳频扩展了发射信号的频谱。跳频通信首先被用于军事通信，GSM系统也可以采用跳频技术。

对接收方而言，跳频技术的主要优点是：

1）抗干扰

由于移动信道的干扰具有一定的频带性，引入跳频后可减少瑞利衰落的相关性。此外根据扩频通信的理论，频谱越宽，相同功率信号的信噪比就越高。换句话说，达到相同信噪比所需的信号功率就较低。

2）频率分集

跳频相当于频率分集，提高了接收质量。

对发送方而言，跳频技术的主要优点是将连续的同频干扰转变为间断的同频干扰。由于频率复用，发送方现在使用的频率其他发送方也会使用，不跳频就会持续干扰。实施跳频后，即使有干扰也是短时的干扰，接收方处理起来相对简单。从跳频方法也可以看到，跳频的效果与可跳频点数量有关，数量越多，跳频的效果越好。

GSM系统的跳频主要应用于终端，终端的跳频是慢速跳频，载频的频率变化以时隙为单位，同一时隙内载频的频率不会改变，直到下一时隙载频再改用别的频率。跳频的过程如图13.3所示。终端的跳频次数为每秒217次。

 

图13.3  跳频示意图

终端跳频使用的频点用MA描述，MA是基站的小区配置CA的子集，MA可以包含N个频点（1≤N≤64）。

终端的跳频方法由跳频算法决定，可以用两个主要参数描述：跳频序列号HSN和移动分配指数偏置MAIO。HSN的取值为0~63，MAIO的取值为0~N-1。因此，跳频算法允许有64种不同的跳频序列，HSN的取值决定了具体使用的跳频序列，MAIO相当于跳频序列中的起始位置。

跳频序列有两种：循环跳频和伪随机序列跳频。HSN=0时为循环跳频；当HSN≠0时，为伪随机序列跳频，可以根据一个伪随机表求出相应的跳频序列。

通常在一个小区内不同的终端使用同样的HSN和不同的MAIO，这样可以避免小区内不同的终端之间的信道干扰。相邻小区的基站不会有干扰，因它们使用不同的频率组。使用同样频率组的其他小区应使用不同的HSN。

GSM系统中C₀是不允许跳频的，相当于N=1，MAIO=0的情形。

13.4  自适应技术

GSM小区的最大覆盖半径可以达到35 km，因此不同的终端与基站距离可能有较大差别，极端的例子，离基站距离最远的终端将比离基站距离最近的终端远35 km。这段距离无线电波会产生116 μs的时延，考虑到基站与终端信息的一来一回，时延最大可达200 μs。

由于GSM采用TDMA技术，每个终端只能占用一个时隙，而且不允许重叠，也就是要求时隙精确定位。基站下行链路由于只有一个发射源，各个时隙采用同一参考源来定位，精确定位非常容易实现。基站上行链路就复杂多了，由于是来自多个终端的信号，而且终端的时延各不相同，如图13.4所示，精确定位相当困难。

图13.4  终端时延示意图

GSM采用自适应的时序调整来实现精确定位。考虑到从终端发出的信号需要经过一定时间才能到达基站，因此终端采取提前发送信号的方法，抵消掉信号的延时，提前的时间由基站测量出来，并通知终端。这样当终端接近基站时，基站就会通知终端减少发射前置的时间；而当终端远离基站时，基站就会要求终端加大发射前置时间。利用自适应的时序调整技术，不管终端与基站距离如何变化，基本上可以实现信号准时达到、精确定位。

终端的时间调整以比特为单位，调整范围是0~63比特。由于GSM系统的比特时长为3.7μs，终端的时间调整最多可达233μs。

GSM系统还采用了自适应均衡技术以克服时间色散。时间色散是由于多径效应引起的接收信号的延迟分布，即码间串扰。

自适应均衡器主体是横向滤波器，它由多级抽头延迟线、加权系数相乘器（或可变增益电路）及相加器组成。自适应均衡器所追求的目标就是要达到最佳抽头增益系数，方法是从实际传输的数字信号中根据某种算法不断调整增益，从而能适应物理信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的工作状态，有更好的失真补偿性能。

自适应均衡器有三个特点：快速初始收敛特性、好的跟踪信道时变特性和低的运算量。因此，实际使用的自适应均衡器系统在正式工作前先接收一定长度的测试脉冲序列，又称训练序列，以调整均衡器的抽头系数，使均衡器基本上趋于收敛，然后再自动改变为自适应工作方式，使均衡器维持最佳状态。自适应均衡器一般还按最小均方误差准则来构成，最小均方算法采用维特比（‘Viterbi’）算法。

自适应均衡器能处理时延高达15μs左右的反射信号，15μs约对应4比特时间，符合GSM规范要求。

13.5  功率控制技术

当终端在小区内移动时，它的发射功率需要进行变化：当它离基站较近时，需要降低发射功率，以减少对其它用户的干扰；当它离基站较远时就应该增加功率，克服增加了的路径衰耗。

GSM终端发射功率的调整范围从最大输出功率到最低输出功率20 mW（13 dBm），发射功率以2 dB为一等级来调整，一共有16个等级，每改变一个等级需要60 ms。GSM终端的最大输出功率有五个种类，从0.8 W到20 W，一般的GSM手机最大输出功率为0.8 W，GSM终端缺省使用最大输出功率工作。

GSM系统由于终端使用的时隙不同，又采用了自适应技术精确定位，基本保证了信号时间上的分离，因此功率控制的要求不象CDMA系统那样严格。

PHS系统由于终端本身发射功率就很低，没有必要做功率控制。

13.6  小结

GSM空中接口有一些特有的技术，如频率规划、跳频、自适应和功率控制技术等，这些技术对GSM的特性有很大的影响。

 

第十四章  GSM空中接口的结构

14.1  引言

前一章介绍了GSM空中接口的关键技术。

本章主要介绍GSM空中接口的结构，包括空中接口的帧结构、时隙的结构、时隙的时间和频率参数，逻辑信道的种类和功能，复帧、超帧和超高帧的结构。

下一章将介绍GSM空中接口的信号处理方法。

14.2    空中接口的物理结构

14.2.1 空中接口的帧结构

GSM空中接口采用FDD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。

GSM空中接口的物理通道以帧为单位，一帧为4.615ms，包含8个时隙（每个时隙576.9μs）。GSM空中接口的传输速率为270.833k bit/s，每个时隙占用576.9 μs，相当于承载156.25比特的数据。由于GSM空中接口采用TDMA多址接入方式，帧又称为TDMA帧，时隙的内容称为突发脉冲。

TDMA帧中的时隙都有编号TN，从0编号到7。在基站侧，上行TDMA帧比下行TDMA帧固定落后3个时隙。每个TDMA帧也有编号FN，从0到2715647。GSM空中接口的帧结构如图14.1所示，可以看到每个基站上使用多个频点。

 

图14.1   GSM的帧结构

14.2.2 突发脉冲的结构

GSM空中接口的时隙上有四种不同功能的突发脉冲：普通突发脉冲（NB）、频率校正突发脉冲（FB）、同步突发脉冲（SB）和接入突发脉冲（AB）。普通突发脉冲上承载业务和控制信息，频率校正突发脉冲用于终端的频率同步，同步突发脉冲用于终端的时间同步，接入突发脉冲用于接收终端的随机接入请求。这些突发脉冲在结构上也有明显区别，其结构见图14.2。

图14.2   GSM突发脉冲结构

TB：

拖尾比特，总是‘000’，用来帮助均衡器判断起始位和中止位。

扩展TB：

扩展拖尾比特，为‘00111010’，用来帮助均衡器判断起始位和中止位。

GP：

保护间隔，间隔长度为8.25个比特或68.25个比特，相当于30 ms或252 ms的时间，是一段空白时间。由于每帧8个时隙不允许重叠，因此保护间隔相当于分割符，保证了每个时隙时间上互不重叠。接入突发脉冲的保护间隔较长，是考虑到终端离基站距离远近而引入的延迟。

加密信息：

普通突发脉冲上的加密信息由57比特的信息（语音或数据）和1比特的借用标志（语音或FACCH使用）组成。

训练：

普通突发脉冲上的训练比特有八种，是一串长26比特，内容已知数据，供接收机的均衡器产生信道模型（一种消除时间色散的方法）。相邻的基站使用的训练比特不同。

扩展训练：

同步突发脉冲上的训练比特，长度为64比特，扩展训练比特的作用与训练比特类似，内容是1011100101100010000001000000111100101101010001010111011000011011’。

同步：

接入突发脉冲上的训练比特，长度为41比特，同步比特的作用与训练比特类似，内容是‘01001011011111111001100110101010001111000’。

14.2.3 时隙的时间和频率参数

时隙是GSM系统空中接口实现通信任务最基本的单位，是系统运作的关键资源。GSM空中接口时隙有时间和频率两个关键参数，时间参数就是时隙在TDMA帧中的位置——时隙编号和所在TDMA帧的帧编号，频率参数就是载频。这一点可以借助收听广播来说明，收听一个节目前，我们首先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。

与PHS系统不同，GSM同一TDMA帧内的8个时隙都使用相同的频率，该频率即频点ARFCN。GSM系统基站使用的频点即基站的小区配置CA是由频率规划决定的，GSM基站往往使用一组多个频点。

14.3 GSM的逻辑信道

GSM空中接口的每个时隙可以看作一个物理通道，在一个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可以复用在同一物理通道上。逻辑信道是指具有某种功能的数据组合，如用于传递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。

14.3.1 逻辑信道的种类

GSM逻辑信道可以根据其功能分为业务信道（TCH）和控制信道（CCH）两大类。业务信道包括语音业务信道、数据业务信道和小区广播信道，用于承载语音和用户数据；控制信道包括广播、公共和专用控制信息三类信道，用于承载信令。控制信道又称为信令信道。

14.3.2 逻辑信道的功能

GSM空中接口逻辑信道的功能如表14.1。

表14.1  GSM的逻辑信道

逻辑信道	突发脉冲	方向	功 能
频率校正信道（FCCH）	频率校正	BS→MS	广播用于校正终端频率的信息
同步信道（SCH）	同步	BS→MS	广播终端的帧同步（TDMA帧号）和基站的识别码（BSIC）的信息
广播控制信道（BCCH）	普通	BS→MS	广播基站的一般信息
寻呼信道（PCH）	普通	BS→MS	用于终端寻呼广播
随机接入信道（RACH）	接入	BS←MS	用于终端随机提出入网申请，即请求分配一个SDCCH
接入允许信道（AGCH）	普通	BS→MS	用于基站对终端的入网请求作出应答，即分配一个SDCCH或直接分配一个TCH
独立专用控制（SDCCH）	普通	BS←→MS	分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令
慢速随路控制（SACCH）	普通	BS←→MS	伴随TCH或SDCCH，双向传输信息
快速随路控制（FACCH）	普通	BS←→MS	全部占用TCH，传输信令，主要用于切换
语音业务信道（TCH）	普通	BS←→MS	传送语音业务
数据业务信道（TCH）	普通	BS←→MS	传送数据业务
小区广播信道（CBCH）	普通	BS→MS	传送短消息小区广播的信息

TCH有多种，对应不同速率和不同的业务（语音或数据）。

SDCCH有SDCCH/4和SDCCH/8两种，具体应用见下一节。

SACCH有两类，一类跟随TCH，另外一类跟随SDCCH。

CBCH与SDCCH使用相同的物理信道。

14.3.3 逻辑信道的时间和频率特性

GSM空中接口中不同的逻辑信道具有不同的时间和频率特性。也就是说，不同的逻辑信道对载频和时隙位置有不同的要求，详细情况见表14.2。

表14.2   GSM的逻辑信道的特性

14.4   GSM的复帧、超帧和超高帧

通信业务需要多种逻辑信道的配合，而这些逻辑信道共同使用一个物理通道，因此逻辑信道需要按一定的规则复用在同一物理通道上，这样发送方的信息才不至于互相冲突，接收方处理起来才方便。当不同的逻辑信道复用到一个物理信道时，就形成了TDMA帧的组合：复帧、超帧和超高帧，这些组合规定了逻辑信道的复用方法。

14.4.1 复帧

复帧（Multi frame）由多个TDMA帧构成。复帧有两种，分别包含26个或51个TDMA帧。26帧的复帧主要用于业务，51帧的复帧主要用于信令。

复帧是从TDMA帧中抽取相同时隙号的时隙内容而组成的，因此以下提到复帧中帧的内容实际上是TDMA帧中对应时隙，而不是一个完整的TDMA帧。图14.3展示了TDMA帧与复帧的对应关系。

 

图14.3   TDMA帧与复帧的对应关系

含26帧的复帧周期为120 ms，其结构如图14.4。这种复帧用于业务信道及其随路控制信道，其中24个时隙用于业务信道，图中用‘T’表示；1个时隙固定用于慢速随路信令信道SACCH，图中用‘A’表示；1个时隙空闲，图中用‘—’表示。当需要使用快速随路信令信道FACCH时，快速随路信令信道会占用其中连续的8个帧，这种情况下时隙要设置借用标志（参见15.4.5）。慢速随路信令信道SACCH的循环周期是104帧，也就是每4个26帧的复帧中的SACCH构成一个完整的SACCH数据块（见第15章）。

 

图14.4   26帧的复帧结构

含51帧的复帧周期为235.385 ms，专用于控制信道，其结构有多种可能，如图14.5所示。(a)下行BCCH+CCCH的复帧或(c)下行BCCH+CCCH+4 SDCCH/4的复帧必须安排在C₀载频的第0号时隙，(b)上行BCCH+CCCH的复帧发生在C₀载频，必须是第0、2、4、6号时隙。由于C₀载频上承载了BCCH信道的内容，因此不能跳频，而且基站C₀载频必须保证持续发射。

图14.4中(c)下行BCCH+CCCH+4 SDCCH/4的复帧的结构中，D0、D1、D2和D3代表4个独立的SDCCH信道，对应4个不同的终端。A0、A1、A2和A3代表4个独立的SACCH信道，对应于SDCCH信道。注意SACCH信道的循环周期是102帧。同理(e)下行SDCCH/8的复帧中有8个独立的SDCCH信道和对应的SACCH信道。

 

(a)           下行BCCH+CCCH

 

(b)           上行BCCH+CCCH

 

(c)           下行BCCH+CCCH+SDCCH/4

(d)           上行BCCH+CCCH+SDCCH/4

 

(e)            下行SDCCH/8

 

(f)            上行SDCCH/8

F：FCCH  S：SCH  B：BCCH  C：CCCH

    R：RACH  D：SDCCH  A：SACCH  —：空闲

图14.5   51帧的复帧结构

从图14.5看到，51帧的复帧的结构有多种可能，其具体的结构由CCCH_CONF、BS_AG_BLKS_RES和BS_PA_MFRMS三个参数决定，这些参数会在BCCH中广播，这样终端就可以方便地了解基站的复帧结构。

1） CCCH_CONF：

该参数为公共控制信道结构，可以看作BS_CC_CHANS和BS_CCCH_SDCCH_COMB两个参数的组合，如表14.3。

表14.3  CCCH_CONF参数表

CCCH_CONF	BS_CC_CHANS	BS_CCCH_SDCCH_COMB
000	1	否
001	1	是
010	2	否
100	3	否
110	4	否

BS_CC_CHANS：表明承载CCCH的物理信道的数量。承载CCCH的物理信道必然在C₀上，称为CCCH组。如果BS_CC_CHANS=4，CCCH组将分别使用C₀的第0、2、4、6号时隙。终端分别属于其中一个CCCH组。

BS_CCCH_SDCCH_COMB：表明CCCH与SDCCH是否合用一个物理信道。如果CCCH与SDCCH不合用，可以看成图14.4中(a)的情况，51帧的复帧中有9个CCCH数据块；如果CCCH与SDCCH合用，可以看成图14.4中(c)的情况，51帧的复帧中只有3个CCCH数据块。显然，后者51帧的复帧中CCCH的数量大大减少了，好处是提供了4个SDCCH数据块和相应的SACCH数据块。

2） BS_AG_BLKS_RES：

该参数为CCCH数据块中保留给接入允许消息的数据块数量，长三比特，取值范围为0~7。我们知道上行链路中CCCH就是RACH，下行链路中CCCH为PCH和AGCH的组合。PCH和AGCH由于分享下行的CCCH，设置BS_AG_BLKS_RES参数可以保证有足够的接入允许消息。PCH和AGCH的具体安排见表14.4。

表14.4  BS_AG_BLKS_RES参数表

BS_CCCH_SDCCH_COMB	图14.4	BS_AG_BLKS_RES	AGCH的数据块	PCH的数据块（指数=0,1…8）
否	（a）	0		B0,1,2,3,4,5,6,7,8
		1	B0	B1,2,3,4,5,6,7,8
		2	B0,1	B2,3,4,5,6,7,8
		3	B0,1,2	B3,4,5,6,7,8
		4	B0,1,2,3	B4,5,6,7,8
		5	B0,1,2,3,4	B5,6,7,8
		6	B0,1,2,3,4,5	B6,7,8
		7	B0,1,2,3,4,5,6	B7,8
是	（c）	0		B0,1,2
		1	B0	B1,2
		2	B0,1	B2

考虑图14.6（相当于图14.4中(a)）的情况，51帧的复帧中一共有9个CCCH数据块，如果BS_AG_BLKS_RES参数为2，则从第0号开始（从左到右），先是2个AGCH的数据块，剩下的为PCH的数据块。PCH的数据块有指数0~6，以确定PCH的数据块的位置。

 

图14.6   AGCH与PCH配置示例图

3）BS_PA_MFRMS：

该参数为扫描寻呼组所需要的51帧的复帧数量，长三比特，取值范围2~9。该参数不影响51帧的复帧结构，具体应用见第十六章相关内容。

基站选择51帧的复帧的结构与基站使用的频点数有关。如果基站使用的频点数较少，相对用户数少时，可以配置如图14.5中(c)型的51帧的复帧。如果基站使用的频点数较多，相对用户数多时，可以配置如图14.5中(a)型再加上(e)型的51帧的复帧。随着频点数的增多，(a)型和(e)型51帧的复帧的数量还可以增加。

14.4.2 超帧和超高帧

多个复帧构成超帧（Super frame）。超帧是一个连贯的51/ 26TDMA帧，一个超帧可以包括51个26帧的复帧，也可以包括26个51帧的复帧。因此每个超帧包含1326个TDMA帧，持续时间6.12秒。

2048个超帧构成超高帧（Hyper frame），超高帧的周期为12533.76秒，即3小时28分53秒760毫秒。每个超高帧包含2715648 个TDMA帧，这些TDMA帧依次从0 编号至2715647，帧号（FN）主要用做加密时的参数。

帧、复帧、超帧和超高帧的关系见图14.7。

 

图14.6   帧、复帧、超帧和超高帧

14.5   小结

GSM空中接口的帧结构包括帧、复帧、超帧和超高帧。每个帧4.615 ms，包含8个时隙，承载156.25比特的数据。复帧包括两种：26帧的复帧，主要用于承载语音和用户数据；51帧的复帧，主要用于承载信令。复帧之上还有超帧和超高帧。

时隙的内容是突发脉冲，突发脉冲分四种：普通突发脉冲（NB）、频率校正突发脉冲（FB）、同步突发脉冲（SB）和接入突发脉冲（AB），它们结构和功能不同。

时隙这种物理通道上可以承载多种逻辑信道，GSM逻辑信道可以根据其功能分为业务信道（TCH）和控制信道（CCH）两大类。业务信道包括语音业务信道、数据业务信道和小区广播信道，用于承载语音和用户数据；控制信道包括广播、公共和专用控制信息三类信道，用于承载信令。

 

第十五章  GSM的信号处理

15.1   引言

前一章介绍了GSM空中接口的结构。

本章主要介绍GSM空中接口的信号处理方法，包括语音编码、信道编码、调制和解调。

下一章将介绍GSM空中接口的信令。

15.2   信号的处理过程

GSM空中接口根据语音业务信息、数据业务信息和控制信息（信令消息）的不同而有不同的信号处理流程，具体流程见图15.1。

 

图15.1 GSM信号处理流程

15.3   语音编码

15.3.1 语音编解码流程

语音信号要经过如图15.2所示的处理流程。

 

(a) 语音编码

 

(b) 语音解码

图15.2  语音编解码流程图

从图15.2可以看出语音信号有两个来源：终端（A/D转换）或网络（编码转换）。值得注意的是语音编解码采用十三位PCM信号，因此当信号从网络而来，由于是A-律或μ-律的八位PCM信号，需要转换为十三位PCM信号；信号送到网络，也需要从十三位PCM信号转换为A-律或μ-律的八位PCM信号。A/D转换的采样频率为8 kHz，采样结果经过语音编码后，变成20 ms一帧的数据，称为语音帧，包含260比特的数据，相当于每160次采样的结果生成一个语音帧。

据统计，人们在通话过程中有70%停顿的时间。利用这个特点，间断发射器DTX 在说话时输出语音信号，当语音停顿时，输出背景噪声的编码。这样做一来可以节约发射时的消耗电能，延长终端的工作时间；二来可以减少不必要的无线电波，降低终端的相互干扰，可谓一举数得。为了实现以上的机制，需要有语音激活模块检测语音是否停顿；噪声产生模块产生背景噪声的描述码。语音编码的结果输出到信道编码模块。

语音解码部分接收信道解码模块送来的数据帧，将其转换为13位PCM信号。由于干扰或其他原因，在接收时可能会丢失语音帧，丢帧恢复模块利用以前的语音帧来恢复语音。当然，如果出现连续的丢帧，系统只好静音了。如果对方发送的是背景噪声，语音解码部分根据背景噪声的描述码恢复背景噪声。

15.3.2 语音编码方法

GSM系统话音编码器采用了混合编码器（参数编码和波形编码的混合物），全称为规则脉冲激励编码—长期预测编码器（RPE-LTP编码器），混合编码器的处理流程如图15.3所示。LPC（线性预测编码）和LTP（长期预测编码器）为参数编码器，RPE（规则脉冲激励编码）为波形编码器，编码结果再通过复用器混合完成话音信号的编码。

 

图15.3  GSM语音编码器框图

参数编码器模仿了人类发音器官的组合，其工作原理是将该组合看作一个滤波器，人发出的声音相当于激励脉冲。当然滤波器的参数是在不断地变换，但在很短的时间（10 ms～30 ms）内观察它，则参数基本不变。

因此参数编码器首先将话音信号分成20 ms的段，相当于160次采样的数据，然后进行短期LPC分析，得到这一时间段内滤波器的参数LAR。接着短期分析滤波器利用LAR过滤话音，得到短期残余信号。短期残余信号被均分为4段，每段5 ms。

LTP接着分析每段短期残余信号，将当前段与前一段进行比较，得到长期预测参数，长期分析滤波器利用长期预测参数过滤短期残余信号（注意此短期残余信号是利用RPE解码后再生的），得到的残余信号被RPE进行波形编码。

话音编码器的输出比特速率是13k bit/s，20 ms的语音段被转换为260比特的数据，包含76个长度不等的参数。前面提到语音信号是13比特/8 kHz的信号，因此话音编码器的压缩率高达8：1。

15.3.3 语音解码方法

RPE-LTP话音解码器是编码的逆过程，其原理如图15.4所示。

 

图15.4  GSM语音解码器框图

15.4   信道编码

GSM信道编码根据语音、数据信号与信令消息的不同而有不同的处理流程，如图15.5所示。尽管输入信息不同，但均需要做卷积，最后再做交织处理。交织处理的数据为456比特，交织后的数据以块为单位，每块数据有456比特。在TCH语音业务时，该数据块携载一个语音帧的信息；在控制信道的情况下，一般它携载一条消息。

RACH和SCH消息比较特殊，不用做交织。

 

图15.5  GSM信道编码方法

15.4.1 语音的信道编码

语音信道编码的信号来自语音编码器输出的260比特数据，这260比特数据根据参数的高位比低位重要的原则，分成两个级别，级别不同，处理方法不同，如图15.6所示。

 

图15.6  语音信道编码流程

182个重要比特属于第一级，其中前50个比特非常重要。78个一般比特，属于第二级。

第一级前50个比特需要经过奇偶检验处理，再与后132比特和尾4比特（全‘0’）共189比特经过1：2卷积（卷积的约束长度为5），得到378比特数据；再与第二级数据一起共456比特数据进行交织的处理。

15.4.2 数据的信道编码

GSM支持符合V.110协议的多种数据速率：9.6k bit/s、4.8k bit/s和小于2.4k bit/s数据，不同速率的数据信号其信道编码的方法也有差别。

9.6k bit/s的数据（TCH/F9.6）先要转换为12k bit/s的数据，每20 ms的数据（240比特）作为一个处理单位。240比特数据和尾4比特（全‘0’）共244比特经过1：2卷积（卷积的约束长度为5），得到488比特数据。488比特数据被筛选掉32比特，最后得到的456比特数据，再进行交织的处理，信道编码流程如图15.7。

 

图15.7  9.6k bit/s数据的信道编码流程

4.8k bit/s的数据（TCH/F4.8）先转换为6k bit/s的数据，每10 ms的数据（60比特）作为一个处理单位。60比特数据和尾16比特（全‘0’）共76比特重复一次，变成152比特的数据，再经过1：3卷积（卷积的约束长度为5），得到的456比特数据，最后再进行交织的处理，信道编码流程如图15.8。

 

图15.8  4.8k bit/s数据的信道编码流程

低于2.4k bit/s的数据（TCH/F2.4）先转换为3.6k bit/s的数据，每20 ms的数据（72比特）作为一个处理单位。72比特数据和尾4比特（全‘0’）共76比特经过1：6卷积（卷积的约束长度为5），得到的456比特数据，最后再进行交织的处理，信道编码流程如图15.9。

 

图15.9  低于2.4k bit/s数据的信道编码流程

不同速率的数据信号的信道编码特点如表15.1。

表15.1  数据信号信道编码的特点

项目	9.6k bit/s	4.8k bit/s	低于2.4k bit/s
原始速率	12k bit/s	6k bit/s	3.6k bit/s
分段时长	20 ms	10 ms	20 ms
分段数据	240比特	60比特	72比特
尾比特	4	16	4
卷积	1:2	1:3	1:6

15.4.3 信令的信道编码

多数控制信道的信令以184比特的数据作为一个处理单位，这些信道包括FACCH、SACCH、BCCH、PCH、AGCH和SDCCH。

图15.10  信令的信道编码流程

184比特的数据先经过缩短的二进制循环码（FIRE码）编码，得到的224比特数据和尾4比特（全‘0’）共228比特经过1：2卷积（卷积的约束长度为5），得到的456比特数据，最后再进行交织的处理，信道编码流程如图15.10。

RACH和SCH的信令处理方法与以上控制信道有较大差别。

RACH信道编码流程见图15.11。BSIC为6比特的随机接入基站的识别码（见第17章），RACH的内容为8比特。经过1：2卷积（卷积的约束长度为5），得到的36比特数据经过加密后，就是接入突发脉冲的信息内容。

 

图15.11  RACH的信道编码流程

SCH信道编码流程见图15.12。25比特的SCH数据内容（19比特的RFN以及6比特的BSIC）经过奇偶检验处理，得到35比特数据，再和尾4比特（全‘0’）共39比特数据经过1：2卷积（卷积的约束长度为5），得到78比特数据。78比特数据经过加密后，就是同步突发脉冲的信息内容。

 

图15.12  SCH的信道编码流程

15.4.4 数据块特点

语音、数据和信令等信息经过信道编码后得到了数据块，其特点见表15.2。

表15.2  数据块信道编码的特点

注意：

CCCH为一个小区的所有用户共用；每重复周期的块的数目（n，p，r）根据不同小区和在BCCH 上广播的参数和BS_CC_CHANS、BS_CCH_SDCCH_COMB、BS_AG_BLKS_RES可以进行调整。（参考14.4.1）

15.4.5 交织

除了RACH和SCH信道外，其他逻辑信道的信息都需要经过交织处理，处理时以数据块为单位。换句话说，凡是普通突发脉冲上的数据，均是交织处理过的数据。交织处理前是456比特的数据块；交织处理后输出还是456比特的数据，但其顺序已经大不相同了，而且变成了多块数据。

交织有三种处理方法：块对角交织、块正方交织和对角交织。

15.4.5.1 块对角交织

语音数据块采用块对角交织，块对角交织需要经过如图15.13所示的处理流程。

 

图15.13  块对角交织处理流程

分组是块对角交织的第一步，首先将数据块内456比特数据按顺序从0编号到455，根据数据序号与8模的结果分成八个组，每组有57比特的数据。例如（178 模 8）＝2，因此序号178的比特属于第二组。

接着按如下的计算公式确定数据在分组中的位置i：

i = (49k模 57) = 57 – (8k模 57)

式中：  i为数据在组中的位置，k为数据的序号。

例如，第50号数据的位置为57 — (400 mod 57)= 56；第178号数据的位置为57 —(1424 mod 57)= 1，如图15.14所示。

 

图15.14  块对角交织的分组

分组后的数据再映射到突发脉冲上。考虑如图15.15的普通突发脉冲的结构，每个普通突发脉冲有114比特数据，被两个借用标志和训练比特分割为两个部分，每部分的数据和借用标志对应前文提到的加密信息。如果突发脉冲中两个部分的数据都来自相同的数据块，一旦这个突发脉冲发生传输错误，语音数据块的数据损失率最高可达25%。由于语音数据块没有重发机制，恢复起来相当麻烦，块间交织就是为了解决这一问题而设计的。

 

图15.15  普通突发脉冲结构

所谓块间交织，即让每个普通突发脉冲中的两个部分的数据来自不同的数据块，具体地说，来自顺序两个数据块，如图15.16所示。图中有三个顺序数据块A、B、C，在第一个普通突发脉冲中，数据分别来自A块的第4组和B块的第0组，A、B数据块在普通突发脉冲中各有1组数据，这样一个数据块的八个数据组将分别顺序插入八个不同普通突发脉冲中。

 

图15.16  块间交织

采用块间交织后，即使发生单个突发脉冲传输错误，数据块的数据损失率最高也只有12.5%，恢复起来相对容易一些，这是块间交织的最大优点。当然块间交织也会产生一个副作用：带来了信号处理的延迟。不过由于延迟不超过20 ms，影响不大。

块间交织的数据映射方法是：每个数据块前4组数据占用普通突发脉冲的偶数比特，后4组数据占用普通突发脉冲的奇数比特；后一个数据块依次类推。因此普通突发脉冲中总是包含来自前一块的57个比特和后一块的57个比特数据，分别占用偶数比特和奇数比特。例如图15.16中的第一个普通突发脉冲是来自A数据块的第4组和B数据块的第0组数据，因此来自B数据块的第0号比特将映射为第一个比特，来自A数据块的第228号比特将映射为第二个比特，如此类推，直到来自A数据块的第164号比特将映射为第114个比特，映射过程如图15.17所示。

数据映射后产生的114比特的数据将切分为57比特的两组数据，配合借用标志，装配到突发脉冲中。

借用标志的含义如下：

       h₁＝0且h_u＝0，表示突发脉冲上的所有比特为语音。

       h_u＝1，表示所有偶数比特用于FACCH信令。

       h₁＝1，表示所有奇数比特用于FACCH信令。

FACCH信令的交织方法与语音相同。FACCH信令也是以数据块为处理单位，假定图15.16中的B数据块承载FACCH信令，则图15.16中前四个突发脉冲的h₁＝0且h_u＝1，后四个突发脉冲的h₁＝1且h_u＝0。

 

图15.17  块对角交织数据映射

15.4.5.2 块正方交织

信令（FACCH除外）采用块正方交织，块正方交织需要经过如图15.18所示的处理过程。

 

图15.18  块正方交织处理流程

块正方交织分组时，首先将数据块内456比特数据按顺序从0编号到455，根据序号与4模的结果分成四个组，每组有114比特的数据。例如（178 模 8）＝2，因此序号178的比特属于第二组。

接着按如下的计算公式确定数据在分组中的位置i：

i = (49k模 57) = 57 – (8k模 57)

式中：  i为数据在组中的位置，k为数据的序号。

例如，第356号数据的位置为57 -(2848 mod 57)= 2；第128号数据的位置为57 -(1024 mod 57)= 2，如图15.19所示。因此，同一组的同一位置上将有两个数据，图中背景较浅的数据其序号与8模的结果大于或等于4，图中背景较深的数据其序号与8模的结果小于4。

 

图15.19  块正方交织的分组

分组后的数据再映射到突发脉冲上。与块对角交织不同，块正方交织采用块内交织，数据映射方法是：每个组的数据映射到一个普通突发脉冲，图15.19中的背景较深的数据占用普通突发脉冲偶数比特；背景较浅的数据占用普通突发脉冲的奇数比特，映射过程如图15.20所示。

 

图15.20  块正方交织的映射

块正方交织采用块内交织，主要是考虑到信令有较完善的差错校验和重发机制，即使发生了突发脉冲传输错误，丢掉的也只是一条消息，还可以补救。因此，没有采用复杂的块间交织。

数据映射后产生的114比特的数据将切分为57比特的两组数据，配合借用标志，装配到突发脉冲中。

借用标志的含义如下：

       h₁＝1且h_u＝1，表示突发脉冲上的所有比特为信令。

15.4.5.3 对角交织

数据信息（TCH/F2.4除外）采用对角交织，对角交织需要经过如图15.21所示的处理过程。

 

图15.21  对角交织处理流程

对角交织分块时，首先将数据块内456比特数据按顺序从0编号到455，根据下面的算法分成114个子块，每个子块有4比特的数据，按数据的序号从小到大的顺序排列，如图15.22所示。

B=（k模19）＋19×（k模6）

式中：  B为数据的子块号，k为数据的序号。

 

图15.22  对角交织的分块

从图15.22看出，每个子块数据的序号与114模的结果相同。

分块后的数据再映射到普通突发脉冲上。对角交织也采用块间交织，先将普通突发脉冲的114比特的内容均分成6个部分，每个部分长度为19比特。然后针对其中一个部分，将一个子块的数据映射到连续4个普通突发脉冲的相同比特位，子块号与普通突发脉冲的比特位置相同。后一个子块比前一个子块落后一个普通突发脉冲，这样，映射完普通突发脉冲的1个部分需要19个子块的数据，映射过程如图15.23所示。普通突发脉冲其余5个部分也采用同样的映射方法，起始的普通突发脉冲相同，结构也完全相同。

后一个数据块的数据映射从前一个数据块的使用的第一个普通突发脉冲，延后4个普通突发脉冲开始。图15.23中用不同背景来区别不同的数据块，可以看出一个数据块的数据形成了对角结构，这也是对角交织的由来。

 

图15.23  对角交织的映射方法

从图15.23中可以看到，一个数据块的数据会映射到连续的22个普通突发脉冲中。如果把映射到同一突发脉冲中的数据称为一组，那么一个数据块的数据被分为22组，每组分别包含6个、12个、18个或24个比特的数据，其中有16个包含24个比特的数据组，其余包含6个、12个和18个比特数据的均为2个组。因此，采用对角交织后，同一数据块的数据不但分散在突发脉冲间，而且在突发脉冲中也非常分散。

图15.24反映了多个数据块的整体映射效果，图中用不同背景来区别不同的数据块，平行横线表示一个个突发脉冲。

数据信号采用对角交织处理主要是考虑到数据传输的以下特点：对误码率要求高，但对处理延迟不敏感。采用对角交织后，即使发生单个突发脉冲传输错误，数据块的数据损失率最高也只有5.3%。如果是突发脉冲中部分内容出错，由于同一数据块内的数据在一个突发脉冲相当分散，恢复起来更加容易。可靠性高是对角交织的最大优点，当然也会产生一个副作用，这就是带来了100 ms左右的信号处理延迟。不过由于数据信号对延迟不敏感，影响不大。

 

图15.24  对角交织的映射示意图

数据信号借用标志的含义与语音交织相同，可以参考前节内容。

低于2.4k bit/s的数据（TCH/F2.4）采用与语音相同的块对角交织。

15.4.6 信道编码特点

表15.3总结了信道编码的特点。

表15.3  信道编码的特点

交织处理是信道编码的最后一道流程。经过信道编码处理过的数据以突发脉冲为单位，送到加密模块中，由加密模块继续处理，加密模块的处理方法没有公开。加密处理过的数据将被调制。

信道解码是信道编码的逆向处理，只要知道了信道编码的方法，信道解码也就不难实现了。

15.5   调制

调制的信号来自复用成帧模块，复用成帧的方法见第十四章的相关内容。

GSM空中接口信号调制采用0.3 GMSK，高斯滤波最小频移键控GSMK（Gaussian filtered Minimum Shift Keying）是一种特殊的数字调频方式，其调制过程如图15.25所示，GMSK 调制是以牺牲BER性能而得到良好的功率效率和频谱效率。

 

图15.25  0.3GMSK调制过程图

差分编码将连续的两个码元异或后，变成双极性信号（0，1转变为+1，－1）。

通过高斯滤波器可以进一步压缩调制频谱，高斯滤波器降低了频率变化的速度，防止信号能量扩散到邻近信道频谱。0.3代表高斯滤波器的参数。

最小频移键控称为MSK，是一种特殊的调频方式。在GSM空中接口中用载波频率上增加或者减少67.708 KHz（即频偏） 来表示0或1。数据的比特率（270.83k bit/s）正好是频偏的4倍，这样可以防止相位突变，减小频谱的扩散，增加信道的有效性。

15.6   小结

GSM空中接口语音编码采用参数编码和波形编码的混合物——混合编码器。

GSM空中接口信道编码需要经过卷积和交织的处理，语音、信令和数据有各自的卷积和交织方法。

GSM空中接口的复用成帧的过程见第14章。

GSM空中接口信号调制采用0.3 GMSK，GSMK是一种特殊的数字调频方式。

 

第十六章  GSM空中接口的信令

16.1   引言

前一章介绍了GSM空中接口的信号处理方法。

本章主要介绍GSM空中接口信令，包括协议的物理层结构、链路层结构和网络层结构以及相应的功能。

下一章将介绍GSM空中接口的信息广播。

16.2   物理层

GSM空中接口的不同逻辑信道具有不同的功能，因此也使用不同的信令。GSM空中接口的信令可以看成不同协议，它们设计时都遵循OSI的分层结构，有物理层、链路层和网络层之分。

不同的逻辑信道由于功能不同，相应的物理层结构上也有一些差异，图16.1是SACCH的物理层结构，可见SACCH的物理层中夹带了功率控制和自适应的时序调整信息。

8	7	6	5	4	3	2	1	八位组
空闲			设定的终端功率等级					1
空闲		设定的终端定时提前量						2
二层帧（21八位组）								3
								…
								23

(a) 下行SACCH

8	7	6	5	4	3	2	1	八位组
空闲			实际的终端功率等级					1
空闲		实际的终端定时提前量						2
二层帧（21八位组）								3
								…
								23

(b) 上行SACCH

图16.1  SACCH的物理层

图16.2是SCH物理层的结构，图中BSIC代表基站的识别码，T1、T2和T3是缩减TDMA帧号（RFN）的三部分。其中T1代表TDMA帧所在的超帧在超高帧中的编号，T1长11比特，取值范围为0~2047。T2代表TDMA帧所在的复帧（51帧的复帧）在超帧中的编号，T2长5比特，取值范围为0~25。T3代表TDMA帧在复帧中的位置，省略了个位，只保留十位，T3长3比特，取值范围为0~4。图中T1（高）代表T1的高位比特，如此类推。

8	7	6	5	4	3	2	1	八位组
BSIC						T1（高）		1
T1（中）								2
T1	T2					T3（高）		3
						T3		4

图16.2  SCH的物理层

图16.3、图16.4和图16.5是其他逻辑信道的物理层结构，相对比较简单。

8	7	6	5	4	3	2	1	八位组
二层帧（23八位组）								1
								…
								23

图16.3  下行FACCH/SDCCH/BCCH/CCCH/CBCH的物理层

8	7	6	5	4	3	2	1	八位组
二层帧（23八位组）								1
								…
								23

图16.4  上行FACCH/SDCCH的物理层

8	7	6	5	4	3	2	1	八位组
内容								1

图16.5  RACH（上行）的物理层

16.3   链路层

GSM空中接口信令的链路层采用了基于Dm通道的LAPDm协议，该协议也是HDLC协议的子集。第九章有HDLC协议功能、结构和协议流程的详细介绍，这里就不再复述。LAPDm协议采用帧结构，使用无编号UI帧、信息帧和管理帧三种链路帧。

BCCH、CCCH逻辑信道上的信令因为是基站向终端广播的缘故，无法得到反馈，因此都采用UI帧。

DCCH（SDCCH、FACCH、SACCH）逻辑信道上的信令因为是基站和终端之间点对点的通信，因此可以采用多帧传输，当然也可以使用UI帧。

LAPDm协议比较特别一点是SABM和UA命令可以携带上层的信息，原本用于二层建链的命令同时携带三层信息，提高了通信效率。只有由终端发出的SABM携带有信息，主要应用于接入信道RACH上，如寻呼响应和业务请求。收到终端发出的携带有信息SABM后，基站回应的UA命令重复终端发出的信息。

链路帧有一定的结构，如图16.6所示。SAPI=0的BCCH、PCH和AGCH的链路帧无控制字段。N201的取值与逻辑信道种类有关，如FACCH和SDCCH的N201=20，N201+3对应物理层中二层帧的长度。

8	7	6	5	4	3	2	1	八位组
地址								1
控制								2
长度指示								3
信息								4
填充								N201+3

图16.6 链路帧的格式

16.3.1 地址

8	7	6	5	4	3	2	1
备用	LPD		SAPI			C/R	EA

图16.7  地址字段格式

地址字段格式见图16.7。图中EA=1（结束位），表示地址字段只有一个八位组。

C/R的含义见表16.1。

SAPI可以取‘000’，表示上层协议为CC、MM或RR（见下一节）；SAPI取‘011’，表示上层协议为SMS。

LPD固定为‘00’，表明是GSM空中接口的规范，使用LAPDm协议。

备用位为固定为‘0’。

表16.1   C/R取值表

C/R	方向	状态
1	BS －＞ MS	命令
0	MS －＞ BS	命令
0	BS －＞ MS	响应
1	MS －＞ BS	响应

16.3.2 控制

控制字段的格式参看表9.3。

16.3.3 长度指示

8	7	6	5	4	3	2	1
L						M	EL

图16.8  长度指示字段格式

长度指示字段格式见图16.8。图中EL=1（结束位），表示长度指示字段只有一个八位组。

M指示当前帧是否是多帧中的一帧，是起始帧、中间帧还是最后帧。‘0’代表起始帧或中间帧，‘1’代表最后帧。

L代表信息字段的长度，如果L=0，则当前帧不包含信息字段。

16.3.4 信息

当前帧承载的网络层消息。

16.3.5 填充

如果信息字段长度不足N201，需要填充到N201个八位组，好凑成一个数据块。填充内容为‘00101011’，如果是终端还可以用‘11111111’。

16.4   网络层

GSM空中接口信令的网络层分三个子层：无线资源管理RR（Radio Resource management）、移动性管理MM（Mobility Management）和连接管理CM（ Connection Management）。

RR子层负责管理公共传输资源，控制无线通道的建立、操作和释放，功能包括：

¨    系统信息的广播。

¨    无线资源连接的建立。

¨    无线资源连接的转移（切换）。

¨    无线资源连接的释放。

MM子层负责支持用户的移动性，如位置更新、鉴权和TMSI的再分配。

CM子层负责业务的实施，包括CC（Call Control）、SS（Supplementary Service）和SMS（User Short Message）三个独立的实体，CC实体的功能包括电路交换型呼叫的建立、维持和释放等相关内容；SS实体的功能包括呼叫的运营管理，如呼叫前转和计费；SMS实体负责短消息业务。

它们之间的关系如图16.9所示的网络层模型。图中可以看到，RR子层负责与链路层的接口，并为MM子层提供服务，而MM子层又为CM子层的三个实体CC、SS和SMS提供服务。

 

图16.9  网络层模型

GSM空中接口网络层的实体可以看成一种协议，如同PHS空中接口，协议的内容也是透过消息来传递的，不同的消息传递不同的信息，一般消息的格式如图16.10所示。

处理识别码相当于呼叫参考值，处理识别码的标志为‘0’表示消息来自主叫，‘1’表示消息来自被叫。处理识别码的范围是0~6，表明系统可以同时支持多个呼叫。注意由于RR和MM实体一次只能为一个对象提供服务，因此RR和MM协议的处理识别码及其标志均设为‘0’。

8	7	6	5	4	3	2	1
标志	处理识别码			协议鉴别语
0	N	消息类型编码
必选信息单元
可选信息单元

图16.10   一般消息格式

协议鉴别语用来鉴别协议的类型，如表16.2。

表16.2   协议鉴别语

协议鉴别语	协议
0011	CC，与呼叫有关的SS
0101	MM
0110	RR
1001	SMS
1011	与呼叫无关的SS
1111	测试

消息类型是消息最关键的参数，RR、MM和CC协议的消息类型分别如表16.3、表16.4和表16.5所示。在MM和CM消息中，N用作发送序列号，其他协议中N置为‘0’。不同协议的消息类型编码可能相同，因此决定消息类型除了消息类型编码外，还有协议鉴别语。

表16.3   RR消息类型

类别	消息	名称
Channel establishment messages	IMMEDIATE ASSIGNMENT	立即指配
	IMMEDIATE ASSIGNMENT EXTENDED	扩展立即指配
	IMMEDIATE ASSIGNMENT REJECT	立即指配拒绝
Ciphering messages	CIPHERING MODE COMMAND	加密模式命令
	CIPHERING MODE COMPLETE	加密模式完成
Handover messages	ASSIGNMENT COMMAND	指配命令
	ASSIGNMENT COMPLETE	指配完成
	ASSIGNMENT FAILURE	指配失败
	HANDOVER ACCESS	切换接入
	HANDOVER COMMAND	切换命令
	HANDOVER COMPLETE	切换完成
	HANDOVER FAILURE	切换失败
	PHYSICAL INFORMATION	物理信息
Channel release messages	CHANNEL RELEASE	信道释放
Paging messages	PAGING REQUEST TYPE 1	寻呼请求类型1
	PAGING REQUEST TYPE 2	寻呼请求类型2
	PAGING REQUEST TYPE 3	寻呼请求类型3
	PAGING RESPONSE	寻呼响应
System information messages	SYSTEM INFORMATION TYPE 1	系统信息1
	SYSTEM INFORMATION TYPE 2	系统信息2
	SYSTEM INFORMATION TYPE 3	系统信息3
	SYSTEM INFORMATION TYPE 4	系统信息4
	SYSTEM INFORMATION TYPE 5	系统信息5
	SYSTEM INFORMATION TYPE 6	系统信息6
Miscellaneous messages	CHANNEL MODE MODIFY	信道模式修改
	CHANNEL MODE MODIFY ACKNOWLEDGE	信道模式修改确认
	CHANNEL REQUEST	信道拒绝
	CLASSMARK CHANGE	等级改变
	FREQUENCY REDEFINITION	频率重定义
	MEASUREMENT REPORT	测量报告
	SYNCHRONIZATION CHANNEL INFORMATION	同步信道信息
	RR STATUS	RR状态

表16.4   MM消息类型

类别	消息	名称
Registration messages	IMSI DETACH INDICATION	IMSI分离指示
	LOCATION UPDATING ACCEPT	位置更新接受
	LOCATION UPDATING REJECT	位置更新拒绝
	LOCATION UPDATING REQUEST	位置更新请求
Security messages	AUTHENTICATION REJECT	鉴权拒绝
	AUTHENTICATION REQUEST	鉴权请求
	AUTHENTICATION RESPONSE	鉴权响应
	IDENTITY REQUEST	识别请求
	IDENTITY RESPONSE	识别响应
	TMSI REALLOCATION COMMAND	TMSI再分配命令
	TMSI REALLOCATION COMPLETE	TMSI再分配完成
Connection management messages	CM SERVICE ACCEPT	CM业务接受
	CM SERVICE REJECT	CM业务拒绝
	CM SERVICE REQUEST	CM业务请求
	CM RE-ESTABLISHMENT REQUEST	CM业务重建请求
Miscellaneous message	MM STATUS	MM状态

表16.5   CC消息类型

类别	消息	名称
Call establishment messages	ALERTING	提醒
	CALL CONFIRMED	呼叫确认
	CALL PROCEEDING	呼叫进程
	CONNECT	连接
	CONNECT ACKNOWLEDGE	连接证实
	EMERGENCY SETUP	紧急建立
	PROGRESS	进行中
	SETUP	建立
Call information phase messages	MODIFY	修改
	MODIFY COMPLETE	修改完成
	MODIFY REJECT	修改拒绝
	USER INFORMATION	用户信息
Call clearing messages	DISCONNECT	拆线
	RELEASE	释放
	RELEASE COMPLETE	释放完成
Miscellaneous messages	CONGESTION CONTROL	拥塞控制
	NOTIFY	通知
	START DTMF	开始DTMF
	START DTMF ACKNOWLEDGE	开始DTMF确认
	START DTMF REJECT	开始DTMF拒绝
	STATUS	状态
	STATUS ENQUIRY	状态查询
	STOP DTMF	停止DTMF
	STOP DTMF ACKNOWLEDGE	停止DTMF确认

信息单元是消息的参数。信息单元有两种：必选信息单元和可选信息单元。必选信息单元的长度和位置在指定的消息中是确定的，已经对号入座了；可选信息单元不是消息的要件，可有可无。

可选信息单元的格式如图16.11所示，包括信息单元类型、信息单元长度和信息单元内容三部分。

8	7	6	5	4	3	2	1
信息单元类型
信息单元长度
信息单元内容

图16.11   可选信息单元格式

每种消息都有相应的信息单元，例如CC实体的典型消息——建立SETUP消息，就有承载能力、移动识别、设施、主叫号码和被叫号码等多个信息单元。

16.5   小结

GSM空中接口的不同的逻辑信道由于功能不同，相应信令的物理层结构上也有一些差异。

GSM空中接口信令的链路层采用了基于Dm通道的LAPDm协议，该协议也是HDLC协议的子集。

GSM空中接口信令的网络层分三个子层：无线资源管理RR（Radio Resource management）、移动性管理MM（Mobility Management）和连接管理CM（ Connection Management）。

 

第十七章  GSM空中接口的处理机制

17.1   引言

前一章介绍了GSM空中接口的信令。

本章主要介绍GSM空中接口的处理机制，包括系统信息的广播、寻呼消息的广播以及RR、MM和CC实体的处理机制。

下一章将介绍GSM空中接口的呼叫流程。

17.2   系统信息的广播

系统信息是基站透过SCH信道和BCCH信道向覆盖范围的所有终端广播的。显然，基站和终端的标识相当重要，决定了信息的发布者和信息的归属。

17.2.1 标识

17.2.1.1区域标识

在GSM系统中，基站构成了业务覆盖系统，基站的覆盖范围可以分成位置区（Location Area）、基站区(Base Area) 和小区（cell），层次关系如图17.1所示。小区对应基站的一个扇区，基站区是单个基站的覆盖范围，位置区是若干相邻基站覆盖范围的集合。

 

图17.1  覆盖区域示例

(1) 位置区标识

位置区的标识称为位置区识别号（LAI），LAI由移动国家码（MCC）、移动网号（MNC）和位置区编号（LAC）三个部分组成，长度为5个八位组。

MCC长三位，每位4比特。不同国家MCC不同，中国的MCC为460。

MNC长两位，每位4比特。不同的网络MNC不同，中国移动的MNC为00。

LAC长度为2个八位组，具体格式由运营商自行决定。

(2) 基站区标识

基站区的标识即基站的标识，是前面已经提到的基站识别码（BSIC）。BSIC由网络色码（NCC）和基站色码（BCC）两部分组成，NCC和BCC的长度均为3比特，取值范围为0~7。NCC用于识别网络，如区分边界两边的GSM网络，因此相邻的省份使用不同的NCC。BCC帮助终端区分使用相同BCCH频点的小区。BCC还影响了普通突发脉冲上的训练比特，训练比特序号TSC应该与BCC相同。典型的NCC如‘5’，BCC如‘6’。

BSIC主要用于终端识别使用同一BCCH频点的不同基站。如果终端无法识别BSIC，将会造成终端随机接入失败或切换失败。

(3) 小区标识

小区的标识称为小区全球识别号（CGI），CGI由LAI和小区标识（CI）两个部分组成。

CI长度为2个八位组，具体格式由运营商自行决定，典型的CI如‘5A5A’。

17.2.1.2 用户标识

用户的标识称为国际移动用户识别号（IMSI），是用户的唯一识别标识，全球通用。IMSI不超过15位，由移动国家码（MCC）、移动网号（MNC）和移动用户识别号（MSIN）三个部分组成。

MCC长三位，每位4比特。不同国家MCC不同，中国的MCC为460。

MNC长两位，每位4比特。不同的网络MNC不同，中国移动的MNC为00。

MSIN长度不超过10位，每位4比特。同一网络内每个用户的MSIN必须唯一。

典型的IMSI为‘460001234567890’。

17.2.1.3 临时用户标识

临时用户的标识称为临时移动用户识别号（TMSI），是用户在位置区内的临时识别标识，在某一位置区内与IMSI一一对应。一旦用户离开此位置区，TMSI就要被释放。TMSI长度为4个八位组，相当于8位十六进制数。TMSI的结构由运营商自行决定，全‘1’的TMSI 代表无效的TMSI。

17.2.1.4 终端标识

终端设备的标识称为国际移动设备识别号（IMEI），每个终端都被分配唯一的识别号。IMEI长15位，由TAC（型号批准码）、FAC（最后装配码）、SNR（序号）和SP（备用）四部分组成，典型的IMEI如‘448749696085267’、‘448901302125889’。一般手机输入‘*#06#’就会显示本机的IMEI。

TAC长六位，每位4比特。TAC由欧洲型号批准中心负责分配，不同厂家、不同型号的手机TAC不同，例如‘448749’代表PHILIPS 898+，‘448901’代表Nokia 8850。

FAC长两位，每位4比特。FAC由厂家自行编码，不同产地的手机FAC不同。例如，PHILIPS公司的‘69’代表深圳，Nokia公司的‘30’代表韩国。

SNR长六位，每位4比特。SNR代表产品的序列号。

SP长一位，每位4比特。目前不使用。

17.2.2 系统信息收发机制

SCH信道广播BSIC和19比特的缩减TDMA帧号（RFN）。

BCCH信道广播4种系统信息，这些消息属于RR消息，如表17.1所示。

表17.1  BCCH广播的系统信息

消息类型	类型编码	信息单元	长度（八位组）
系统信息1	19	小区信道描述	16
		RACH控制参数	3
系统信息2	1A	邻近小区描述	16
		允许的PLMN	1
		RACH控制参数	3
系统信息3	1B	小区标识	2
		位置区标识	5
		控制信道描述	3
		小区选项	1
		小区选择参数	2
		RACH控制参数	3
系统信息4	1C	位置区标识	5
		小区选择参数	2
		RACH控制参数	3
		CBCH信道描述	4
		CBCH移动配置	2~6

基站的BCCH信道在一个51帧的复帧中只能广播一种系统信息。为了保证系统信息都能被广播，基站对广播的系统信息做了调度，依次在51帧的复帧的BCCH信道中广播这四种系统信息。51帧的复帧广播的系统信息与该复帧BCCH的帧号有关，由参数TC决定。系统信息1比较特别，只有在使用跳频时才发送。

TC=（（帧号FN /51） mod 8）

这些系统信息广播的系统参数的说明见表17.2。

表17.2  BCCH广播的系统参数

消息类型	系统参数	说明
系统信息1	小区信道描述	基站使用的频点，也就是基站的小区配置（Cell Allocation）
	RACH控制参数	终端接入时的相关参数
系统信息2	邻近小区描述	邻近小区使用的频点
	允许的PLMN	允许终端监听的NCC
	RACH控制参数	终端接入时的相关参数
系统信息3	小区标识	即小区标识（CI）
	位置区标识	即位置区识别号（LAI）
	控制信道描述	CCCH_CONF、BS_AG_BLKS_RES、BS_PA_MFRMS、ATT等参数
	小区选项	PWRC、DTX等参数
	小区选择参数	小区重选的参数
	RACH控制参数	终端接入时的相关参数
系统信息4	位置区标识	即位置区识别号（LAI）
	小区选择参数	小区重选的参数
	RACH控制参数	终端接入时的相关参数
	CBCH信道描述	跳频有关的MAIO、HSN等参数
	CBCH移动配置	参与跳频的频点

RACH控制参数主要用于终端的随机接入，包括了最大重传次数（MAX retrans）、TX整数值、小区禁止接入标志、紧急呼叫允许标志等参数，具体介绍见17.4.1。

小区选择参数主要用于终端的小区选择，包括了小区重选滞后（CELL RESELECT HYSTERESIS）、终端最小接入电平（RxLevAccMin）、终端允许最大发射功率（MsTxPwrMaxCCCH），具体介绍见第19章内容。

除了透过BCCH向终端广播外系统信息，基站还可以在SACCH中向单个的终端发布系统信息。系统信息5和系统信息6是利用SACCH发布的系统信息，内容见表17.3。

表17.3  SACCH发布的系统信息

消息类型	类型编码	信息单元	长度（八位组）
系统信息5	1D	邻近小区描述	16
系统信息6	1E	小区标识	2
		位置区标识	5
		小区选项	1
		允许的PLMN	1

17.3   寻呼消息

寻呼消息是网络通知用户被叫的信息。寻呼消息包含的主要内容就是被叫用户的标识，用户的标识可以是IMSI或TMSI，因为它们在同一个位置区内都是唯一的。由于TMSI的长度短，因此系统优先使用TMSI。一条寻呼消息可以包含多个被叫用户的标识，如果用户的标识用IMSI表示，寻呼消息一次最多同时寻呼两个用户；而用TMSI表示，寻呼消息一次最多可同时寻呼四个用户。

寻呼消息利用PCH向终端广播，PCH属于CCCH。基站可能有1到4个物理通道（时隙）承载有CCCH，每个CCCH 中PCH数据块即寻呼组的数量N有以下的计算公式：

  N  =  51帧的复帧中PCH组的数量 × BS_PA_MFRMS

因此，一个基站共有BS_CC_CHANS×N个寻呼组。

每个用户属于其中一个CCCH的一个寻呼组。寻呼组有点象转轮盘，只有轮到该用户所属寻呼组广播，此用户的寻呼消息才会被广播。假设有基站P0~7八个寻呼组，就会象图17.2那样按寻呼组的顺序依次广播寻呼消息。

 

图17.2  寻呼消息广播示意图

用户所属寻呼组与用户标识（IMSI）有关，有以下的计算公式。

用户所属CCCH  =  ((IMSI mod 1000)  mod  (BS_CC_CHANS×N))  div N

用户所属寻呼组  =  ((IMSI mod 1000)  mod  (BS_CC_CHANS×N))  mod N

 =   (IMSI mod 1000)  mod  N

BS_PA_MFRMS参数相当于所有寻呼组广播一遍，所需要的51帧的复帧的数量。可以看出BS_PA_MFRMS与N成正比， BS_PA_MFRMS越大，N也越大。较大的N可以保证寻呼消息不至于过度集中于某个寻呼组而过载，积压寻呼消息；但太大的N会使得用户轮到的时间间隔过大，增加了发送寻呼消息的等待时间。因此，BS_PA_MFRMS的取值应该在各种性能指标之间取得平衡。

为了省电，终端只需要在基站广播所属寻呼组消息时接收寻呼消息就可以了，其他时候可以关闭接收机。为此，终端需要知道所属寻呼组消息的参数，包括所在频率、时隙和时间。

频率参数很简单，必然在C₀上。

时隙参数可以由用户所属CCCH参数得到，是0、2、4、6时隙中一个。

时间参数包括所属的51帧的复帧和51帧的复帧中帧的位置。时间参数可以利用用户所属寻呼组参数，用下式计算出。51帧的复帧的帧号FN 满足下式；51帧的复帧中帧的位置是寻呼消息的数据块指数，查表14.3可以得到寻呼消息的数据块号。

(用户所属寻呼组 div 一个CCCH寻呼组的数量) = ( FN div 51)  mod  BS_PA_MFRMS

寻呼消息的数据块指数 =  用户所属寻呼组 mod 一个CCCH寻呼组的数量

                          =  用户所属寻呼组 mod ( N div BS_PA_MFRMS)

例如，用户和基站的参数分别为：IMSI = 460001234567890，BS_CC_CHANS = 1，BS_CCCH_SDCCH_COMB =是， BS_PA_MFRMS = 2， BS_AG_BLKS_RES = 1。那么，51帧的复帧结构将如图17.16所示。

 

图17.3  寻呼消息示例

根据前面的计算公式有N=4，用户所属CCCH=0，用户所属寻呼组=2，因此超帧中的复帧号（FN div 51）=1，寻呼消息的数据块指数=0，查表得寻呼消息的数据块位置为B1，即图17.3中P2的位置。因此，IMSI = 460001234567890的用户只要在P2数据块出现时接收寻呼消息就可以了。

17.4   RR

RR子层除了上述的系统信息和寻呼信息的收发外，还要负责连接的建立、切换和释放以及加密模式的设置。

17.4.1 连接的建立

无论是主叫还是被叫，连接的建立都是由终端发起的，当然被叫情况下，终端是因为收到了寻呼消息而触发的。

终端首先在RACH上发送信道请求消息CHAN-REQ，并且守候在CCCH和BCCH上，等待基站的反馈消息。基站收到CHAN-REQ消息后，一般会为终端分配一个SDCCH信道（当然也可以直接分配一个TCH），在接入允许信道（AGCH）中通过立即分配消息IMMED-ASSIGN，通知终端为其分配的专用信道。整个过程如图17.4。

在被叫的情况下，终端会等待一个随机的时间T3120，才发出CHAN-REQ消息，随机时间T3120的范围由参数TX整数值决定，相当于延迟n个时隙的时间（n< TX整数值）。

 

图17.4  连接的建立

终端收到IMMED-ASSIGN消息后，将在为其分配的SDCCH上发出携带有信息的SABM，建立信令链路，信息表明到底是主叫还是被叫。

由于IMMED-ASSIGN消息使用的是UI帧，因此如果终端等待T3120后还收不到IMMED-ASSIGN消息，将重发CHAN-REQ消息，重发的次数不超过最大重传次数。

17.4.2 连接的切换

连接的切换是由网络启动的，切换命令中包含有新小区和信道的特性。终端收到切换命令HANDO CMD消息后，释放原链路，建立新链路。

 

图17.5  连接的切换

切换过程根据终端与新小区是否同步（信号延迟低于原小区为同步小区，信号延迟高于原小区为非同步小区），中间的流程有一些差别。小区不同步，网络还要发物理信息。切换结束后，终端发出切换完成HANDO COM消息。网络侧收到HANDO COM消息后，释放原信道。如果切换不成功，终端发出切换失败HANDO FAILURE消息，有可能返回原信道，在无法返回原信道的情况下，就只好释放连接了。整个过程如图17.5所示。

17.4.3 连接的释放

连接的释放是由网络发起的，终端收到信道释放Channel Release消息后，开始断开信令链路，整个过程如图17.6。注意，在RR层启动连接的释放前，CC层已经呼叫释放了。

 

图17.6  连接的释放

17.4.4 加密模式的设置

网络侧可以启动传输时的数据加密，首先发送加密模式命令CIPH MODE CMD消息，设置是否实施加密。终端收到后，并且按CIPH MODE CMD的要求实施后，反馈加密模式完成CIPH MODE COM消息，表示完成加密模式设置。整个过程如图17.7所示。

 

图17.7  加密模式的建立

17.5   MM

MM子层主要负责TMSI的分配、鉴权、位置更新和IMSI的管理。

17.5.1 TMSI的分配

由于TMSI与位置区相关，因此一旦终端改变了位置区，就需要重新分配一个TMSI。因此，TMSI的分配往往与位置更新的过程相关，整个过程如图17.8。终端收到网络的TMSI再分配命令后，保存收到的TMSI和LAI，响应TMSI再分配完成消息。

如果TMSI不可用，终端可以使用IMSI。

 

图17.8  TMSI的分配

17.5.2 鉴权

鉴权过程由网络侧发起，网络侧通过基站向终端发出鉴权请求消息AUTH-REQ，附有鉴权参数RAND。终端利用SIM卡中存储的加密算法和鉴权密钥计算出鉴权结果SERS，通过鉴权响应消息AUTH-RES反馈给网络侧，整个过程如图17.9。

 

图17.9  鉴权

由于网络侧的VLR中保留了终端的鉴权密钥，因此网络侧可以计算出标准的加密结果，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；如果两者吻合，鉴权通过。

17.5.3 位置更新

位置更新过程由终端发起，当终端从BCCH中接收到不同的LAI值后（即改变了位置区），会触发位置更新过程。网络侧收到终端发出的位置更新请求LOC UPD REQ后，会启动鉴权过程。如果网络侧接受终端的位置更新请求，回应位置更新接受LOC UPD ACC消息，整个过程如图17.10。位置更新过程后，终端保存接收到的LAI，并释放连接。

注意，没有SIM卡的终端不进行位置更新。

 

图17.10  位置更新

17.5.4 IMSI的管理

IMSI的管理包括IMSI的附着和分离。

终端在关机时发送IMSI分离指示IMSI DET IND消息要求进行分离操作，网络侧将对应的IMSI做分离标志，表明用户不可用。

IMSI的附着是IMSI分离的逆操作，位置更新过程将会完成IMSI的附着。

17.6   CC

CC实体主要负责呼叫的建立和释放。

17.6.1 呼叫的建立

呼叫建立由建立Setup消息开始，主叫流程如图17.11。被叫与主叫的区别在消息的方向。注意呼叫建立之前，RR子层已经建立了连接。

 

a)  主叫

 

b)  被叫

图17.11  呼叫建立

17.6.2  呼叫的释放

呼叫释放由拆线DISConnect消息开始，分主叫挂机和被叫挂机两种，挂机流程如图17.12。被叫挂机与主叫挂机的区别在消息的方向。注意呼叫释放之后，RR子层还要释放连接。

 

a)     主叫挂机

 

b) 被叫挂机

图17.12  呼叫释放

17.7   小结

信息广播是基站向其覆盖范围内的所有终端广播的，广播的内容是系统信息。基站和用户的标识相当重要，决定了信息的发布者和信息的归属。系统信息通过基站的SCH信道和BCCH信道广播。此外，基站还可以在SACCH中向单个的终端发布系统信息。

寻呼消息是网络通知用户被叫的信息，有独特的广播和接收方法。

RR子层负责处理关于连接建立、切换和释放的部分。

MM子层主要负责TMSI的分配、鉴权、位置更新和IMSI的管理。

CC实体主要负责呼叫的建立和释放。

 

第十八章  GSM的呼叫流程

18.1 引言

前一章介绍了GSM空中接口的处理机制。

本章主要介绍GSM空中接口的呼叫流程，包括主叫、被叫、挂机和位置登记的协议流程。

下一章将介绍GSM空中接口的切换。

18.2   主叫

GSM空中接口上的一个完整的主叫协议流程分接入阶段、鉴权阶段、TCH指配阶段和通信建立阶段四个阶段。图18.1提供了一个典型的主叫协议流程。

1）接入阶段

在接入阶段，终端首先在RACH上发送信道请求消息CHAN-REQ，并且守候在CCCH和BCCH上，等待基站的反馈消息。基站收到CHAN-REQ消息后，一般会为终端分配一个SDCCH信道（当然也可以直接分配一个TCH），在接入允许信道（AGCH）中通过立即分配消息IMMED-ASSIGN，通知终端为其分配的专用信道。

终端收到IMMED-ASSIGN消息后，将在为其分配的SDCCH上利用SABM链路帧传送CM业务请求消息CM-SERV-REQ，在该消息中CM业务类型为移动发起呼叫。基站收到CM-SERV-REQ消息后，网络侧将发起鉴权工作，协议流程进入鉴权阶段。

由于IMMED-ASSIGN消息使用的是UI帧，因此如果终端等待一段时间后还收不到IMMED-ASSIGN消息，将重发CHAN-REQ消息。

2）鉴权阶段

GSM系统的鉴权方法与安全三参数组（RAND、SERS、Kc）有关，其中RAND为随机数，由网络侧产生；SERS是由RAND和用户鉴权密钥Ki通过A3算法得出的；Kc是由RAND和用户鉴权密钥Ki通过A8算法得出的。

鉴权过程由网络侧发起，网络侧通过基站向终端发出鉴权请求消息AUTH-REQ，附有鉴权参数RAND。终端利用SIM卡中存储的加密算法A3和鉴权密钥Ki计算出鉴权结果SERS，通过鉴权响应消息AUTH-RES反馈给网络侧。

由于网络侧的VLR中保留了终端的鉴权密钥Ki，因此网络侧可以计算出标准的加密结果，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。

鉴权阶段的最后由网络侧发送加密模式命令消息CIPH-MODE-CMD，通知终端鉴权已经通过，并决定是否对数据流加密。终端收到CIPH-MODE-CMD消息并完成加密模式设置后，回送加密模式完成消息CIPH-MODE-COM，到此完成了鉴权阶段的工作，转入TCH指配阶段。

数据流加密使用A5算法，参数有Kc和FN（TDMA帧号）。

 

图18.1  主叫协议流程

3）TCH指配阶段

在TCH指配阶段的开始，终端发送建立SETUP消息，包含被叫号码等呼叫接续所必须的信息。基站收到SETUP消息后，回应呼叫进程CALL PROC消息，表示网络侧正在处理呼叫。网络侧在主叫和被叫之间建立接续时，需要在终端和基站间分配电路和无线链路资源，分配完毕后利用ASSIGN-CMD消息通知终端分配结果。终端根据基站指配的资源，成功占用相应的无线资源后，回应ASSIGN-COM消息。至此，TCH指配阶段结束。

4）通信建立阶段

在分配的资源的同时，网络侧也在建立与被叫的连接。当与被叫的连接建立后，被叫方振铃。网络侧检测到被叫振铃后，通过基站向终端发送提醒ALERT消息，告知终端对方已经振铃，于是终端听到回铃音。

当网络侧检测到被叫摘机后，发送连接CONNECT消息，终端响应连接确认CONNECT-ACK消息，双方通话就可以进行了。这时，进入了通信阶段，整个主叫协议流程结束。

从上述流程可见，PHS系统和GSM系统的主叫协议流程还是有较大区别的。

18.3   被叫

GSM空中接口上的被叫协议流程与主叫协议流程类似，也要经历接入阶段、鉴权阶段、TCH指配阶段和通信建立阶段四个阶段。图18.2提供了一个典型的被叫协议流程。

1）接入阶段

在接入阶段，网络侧收到用户被叫的消息后，先通过VLR检查用户的状态，如果用户的终端未关机并且允许接收呼叫，网络侧就会根据终端登记的位置信息，将被叫消息发到相应的基站控制器BSC处。BSC负责将被叫消息转到合适的基站，基站再根据用户的寻呼组利用PCH广播用户的寻呼消息PAG-REQ。

用户的终端收到PAG-REQ消息后，首先在RACH上发送信道请求消息CHAN-REQ，并且守候在CCCH和BCCH上，等待基站的反馈消息。基站收到CHAN-REQ消息后，一般会为终端分配一个SDCCH信道（当然也可以直接分配一个TCH），在接入允许信道(AGCH)中通过立即分配消息IMMED-ASSIGN，通知终端为其分配的专用信道。

终端收到IMMED-ASSIGN消息后，将在为其分配的SDCCH上发送寻呼响应消息PAG-RES，在该消息中携带用户标识和终端的特性，如终端的功率等级、加密算法和SMS能力等。基站收到PAG-RES消息后，网络侧将发起鉴权工作，协议流程进入鉴权阶段。

由于IMMED-ASSIGN消息使用的是UI帧，因此如果终端等待一段时间后还收不到IMMED-ASSIGN消息，将重发CHAN-REQ消息。

2）鉴权阶段

被叫过程的鉴权流程与主叫过程的鉴权流程一致。

3）TCH指配阶段

在TCH指配阶段的开始，网络侧发送SETUP消息，要求建立接续。终端收到SETUP消息后，回应呼叫证实CALL CONF消息，表示收到SETUP消息。网络侧在主叫和被叫之间建立接续时，需要在终端和基站间分配电路和无线链路资源，分配完毕后利用ASSIGN-CMD消息通知终端分配结果，终端根据基站指配的资源，成功占用无线资源后，回应ASSIGN-COM消息。至此，TCH指配阶段结束。

4）通信建立阶段

TCH指配阶段结束后终端开始振铃，并向基站发送提醒ALERT消息。用户听到振铃后会摘机，一旦终端检测到用户摘机，就向网络侧发送连接CONNECT消息，网络侧回应连接证实CONNECT-ACK消息，双方通话就可以进行了。这时，进入了通信阶段，整个被叫协议流程结束。

从上述流程可见，主叫协议流程和被叫协议流程比较相似，主要差别在消息的方向。

 

图18.2  被叫协议流程

18.4   挂机

挂机是通话释放的过程，分主叫挂机和被叫挂机两种情况。协议流程如图18.3和18.4，分CC层释放、RR层释放和链路释放三个阶段。主叫挂机和被叫挂机协议流程主要区别是消息的方向不同。

 

图18.3  主叫挂机协议流程

 

图18.4  被叫挂机协议流程

18.5   位置更新

终端的位置更新相当于位置登记，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通过登记的位置找到终端。位置更新可以看作一个不完整的呼叫建立过程和释放过程的组合，其协议流程如图18.5。位置更新协议流程经历接入阶段、鉴权阶段和信道释放阶段三个阶段。接入阶段和鉴权阶段与主叫协议流程基本类似，信道释放阶段与主叫挂机协议流程基本类似。

位置更新后，网络侧可以为终端分配一个TMSI。

GSM终端在关机时要求进行分离操作，VLR将对应IMSI做分离标志。这样一旦有呼叫，就会收到‘用户已经关机’的提示。当用户重新开机后，如果位置没有改变，VLR将对应IMSI做附着标志，表明用户已经开机。

 

图18.5  位置更新协议流程

18.6   异常呼叫

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

 

图18.6  异常呼叫协议流程

图18.6是呼叫拒绝的协议流程，假设呼叫拒绝的原因是被叫正忙，则在经过接入和鉴权阶段，终端发出SETUP消息后，本来网络侧应该回应Alert消息，但由于被叫正忙，网络侧无法建立与被叫的连接，因此网络侧只好放弃与被叫的连接，回应终端Disconnect消息，消息中附带拒绝原因为用户正忙。终端收到Disconnect消息后，进入释放阶段，整个呼叫过程结束。

18.7   小结

GSM空中接口上的一个完整的主叫协议流程分接入阶段、鉴权阶段、TCH指配阶段和通信建立阶段四个阶段。

被叫协议流程也分接入阶段、鉴权阶段、TCH指配阶段和通信建立阶段四个阶段。

呼叫释放挂机是通话释放的过程，分主叫挂机和被叫挂机两种情况，分CC层释放、RR层释放和链路释放三个阶段。

位置登记位置更新可以看作一个不完整的呼叫建立过程和释放过程的组合，其协议流程经历接入阶段、鉴权阶段和信道释放阶段三个阶段。

 

第十九章  GSM的切换

19.1   引言

前一章介绍了GSM空中接口的呼叫流程。

本章主要介绍GSM空中接口的切换种类，切换的机制和切换的协议流程。

下一章将介绍GSM空中接口的短消息。

19.2   切换

19.2.1 终端状态

前面我们已经知道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。

GSM的终端有五种状态：关机状态（NULL）、搜索BCH状态（Searching BCH）、BCH状态、俘获DCH（Tuning DCH）和DCH状态。关机状态终端不工作；搜索BCH 和BCH状态等价于待机状态，终端开机但不通信，是最常见的状态；俘获DCH（Tuning DCH）和DCH状态等价于通信状态，终端利用TCH进行业务通信。BCH是BCCH和CCCH的统称，相当于广播的信道；DCH是终端专用的信道，相当于业务信道，还包括SDCCH和SACCH。终端状态的变化见图19.1。

 

图19.1  终端状态示意图

19.2.2 切换种类

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，即从一个小区切换到另外一个小区，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信道之间。

切换根据终端状态的不同，分成待机切换和通信切换两种。

19.3   待机切换

待机切换又称小区重选，与小区选择有关。

19.3.1 小区选择

小区选择是指终端开机后选择合适小区进行登记的过程，其流程如图19.2所示。

 

图19.2  小区选择流程图

终端开机从关机状态进入搜索BCH状态后，将搜索全部的124个频点，测量出各个频点的接收信号强度，整个测量过程需要3～5秒。然后终端根据频点接收信号强度的大小，从最强信号的频点开始，依次检测相应频点的FCCH信号。如果找到FCCH信号，说明此频点承载BCCH，终端将接收此频点的BCCH数据，根据BCCH数据判断是否可以在此小区登记。如果小区可以登记（小区未闭塞且是合适的PLMN）的话，终端就选定了此小区，从搜索BCH状态进入BCH状态，并进行位置更新。

如果终端搜索了30个最强频点后还找不到可以登记的小区，将继续搜索剩下的频点，直到找到一个可以登记的小区。

当然，如果终端保存有上次使用过的BCCH频点，则终端开机后将优先搜索此BCCH频点。

接收信号强度的强弱用参数C1衡量，C1计算公式如下：

C1 ＝(RxLev — RxLevAccMin) — Max(MsTxPwrMaxCCCH — P, 0)

式中，RxLev：终端平均接收电平；

RxLevAccMin：终端最小接入电平，范围0~31；

MsTxPwrMaxCCCH：终端允许最大发射功率，范围0~63；

P：终端实际最大发射功率。

19.3.2 小区重选

小区重选是终端在待机状态主要完成的工作，就是终端更换登记的小区。为此，终端需要维护一个BCCH配置（BCCH Allocation）BA列表，该列表记录了周围小区BCCH的信号强度，而且终端每分钟应该更新其中信号最强的6个BCCH的信息。

终端在待机状态不断监测周围小区，每隔5分钟接收一次BA列表中6个最强的邻近小区的BCCH数据，至少30秒钟读取这6个邻近小区的BSIC码，周期寻找是否有更合适的小区，为小区重选做准备。

当出现以下情况之一时，终端实施小区重选。

¨    目前登记小区的C1连续5秒小于0。

¨    目前登记小区的下行信令故障。

¨    目前登记小区闭塞，停止服务。

¨    非登记小区的C1连续5秒高于目前登记小区的C1，C1的差额超过小区重选滞后（CELL RESELECT HYSTERESIS）参数。

¨    超过最大重传（MAX retrans）参数次后，随机接入尝试依然失败。

小区重选时终端一般选择邻近小区中C1最大，而且能读取该小区的BSIC码者。

系统消息2包含了邻近小区描述，为终端的小区重选提供方便。

19.4   通信切换

处于通信状态的终端将一个正在呼叫建立或通话的业务转换到新的业务信道上的过程称为通信切换。通信切换不光是业务从一个TCH切换到另外一个TCH，也可以是信令从一个DCCH切换到另外一个DCCH。通信切换有两种情况：

一种是用户通话中从一个小区移动到另一个小区，是最普遍的切换原因。

另一种是用户在两个小区覆盖重叠区进行通话，当前占用TCH的这个小区业务特别忙，这时基站控制器通知用户测试其邻近小区的信号强度、信道质量，决定将用户切换到另一个小区，这是业务平衡所需要的切换。

第一种通信切换由通信环境的变化而触发，包含两个主要原因：接收信号强度和质量的下降。因此终端和基站要进行通信环境的测试，明确当前的通信环境。由于通信切换可能会发生在几个基站之间，还需要基站控制器做整体的控制。通信切换过程需经过信道测量、预处理、切换门限判决和候选小区表生成等步骤。

信道测量就是通信环境的测试，测试的结果称为测试报告。终端的测试报告包括本小区以及邻近6个最强小区的有关信息。本小区的信息包括接收信号强度和接收信号质量；邻近小区的信息包括BCCH载频、BSIC和信号强度。由于频率复用，BCCH载频不足以分辨不同的小区，还需要BSIC帮助终端区分各个小区。

接收信号强度指接收信号电平的均方根值（R.M.S）。接收信号强度分成64个等级，范围从—110 dBm到—48 dBm。接收信号质量指信道译码前的等效平均BER值（即块误码率）。接收信号质量分8个等级，对应BER范围从0.2%~12.8%。在通信过程中，终端利用SACCH不断向网络侧传送测试报告。每个SACCH的帧的周期为480 ms，因此终端每秒要传送两次测试报告。

基站测量终端所占用的TCH的信号强度和传输质量，再将测试报告发送给基站控制器(BSC)。

基站控制器收到终端和基站的测试报告后，根据这些信息对周围小区进行比较排队(这就是“定位”)，最后由基站控制器做出是否需要切换的决定。另外，基站控制器还需判别终端在什么时候进行切换，切换到哪个基站。当然，如果切换发生在不同的基站控制器之间，还需要MSC的管制，因此通信切换完全由网络侧控制。

测试报告所需要的邻近小区描述包含在系统消息5中，终端可以通过SACCH获得邻近小区描述。

19.5   切换流程

通信切换由网络侧发起。图19.2给出的是一个非同步小区的通信切换的协议流程。首先基站会转发网络侧的切换命令HANDO CMD，内容包括目标小区的频点、信道特性和切换参考值等切换相关参数。终端收到HANDO CMD后，切换到相应的DCCH上，连续发送切换接入HANDO ACC消息，内容是切换参考值。当网络侧具备RF特性后，回应物理信息PHSY INFO消息，包含定时提前参数。终端收到PHSY INFO消息后，停止发送HANDO ACC消息，并根据定时提前参数建立相应的信道。信道建立成功后，终端发送切换完成HANDO COM消息，切换过程结束。

 

图19.3  通信切换的协议流程

19.6   小结

小区选择是指终端开机后选择合适小区进行登记的过程。

切换根据终端状态的不同，分成待机切换和通信切换两种。

待机切换又称小区重选，与小区选择有关。

通信切换不光是业务从一个TCH切换到另外一个TCH，也可以是信令从一个DCCH切换到另外一个DCCH。通信切换过程需经过信道测量、预处理、切换门限判决和候选小区表生成等步骤。

 

第二十章  GSM的短消息

20.1   引言

前一章介绍了GSM空中接口的切换。

本章主要介绍GSM空中接口的短消息业务，短消息的机制和短消息的协议流程。

20.2   短消息

短消息SMS（Short Message Service）又称短信，是GSM提供的一种深受用户欢迎的服务，可以在用户和短消息中心之间传递简短的文字信息（英文不超过160个字符，中文不超过70个字）。利用短消息中心的转发，短消息业务实现了用户与用户之间文字信息的收发。短消息业务的最大优点是廉价，收费标准比较简单。例如国内短消息业务采用单向收费，收费与是否漫游无关。另外短消息还有信息清晰，可以保存等优点。

短消息的业务量是相当非常惊人的。据统计，2001年中国移动的客户发送短消息达159亿条，相当于每个用户一年发送200条左右的短消息。在2002年前三个月，全球发送短消息的数量为750亿条，与2001年同期相比增长了50%以上。

短消息还在拓展表现形式，目前一些型号的手机可以实现铃声下载、动画图形下载等功能。多媒体短消息MMS（Mutilmedia Message Service）融合了文字、图象和声音信息，是短消息的下一个发展方向。

20.2.1 SMS的协议结构

在短消息业务中，终端通过MSC与短消息中心之间完成信息交换，它们之间的协议结构如图20.1所示。图中为了说明问题的方便，简化了系统的结构。在实际的系统中，MSC是通过短消息网关与短消息中心连接的。

 

 

图20.1  SMS协议结构

从图20.1中看到，短消息业务的协议架构分为SM-AL、SM-TL、SM-RL和CM四层，SMC实体（即CM子层中的SMS实体）为位于短消息中继层（SM-RL）的SMR实体提供服务，当然，SMC实体提供服务的前提是需要MM和RR子层提供的相应支持。而SMR实体为短消息的SM-TL层提供服务，短消息协议的最上层为SM-AL层。上、下层之间利用第三章提到过的请求原语和指示原语进行信息的传递。

SMC实体之间使用短消息控制协议（SM-CP），SMR实体之间使用短消息中继协议（SM-RP）。终端和短消息中心有短消息的上层处理协议：SM-TL和SM-AL层；而MSC只是负责短消息的中继，不需要上层协议的处理能力，在SM-RL层以上使用TCAP/MAP协议进行短消息的中继。

在短消息业务中，常用MO（mobile originating）代表短消息的发送方，相当于主叫；MT（mobile terminating）代表短消息的接收方，相当于被叫。MO是用户将短消息发送到短消息中心，短消息中心反馈用户此短消息发送是否成功；MT是短消息中心将短消息发送到用户，用户反馈短消息中心此短消息是否成功接收。

注意，短消息与语音通信不同，不需要在MO和MT之间建立连接，但是MO和MT必须与短消息中心建立连接。由于短消息通过短消息中心转发，因此短消息的收发是异步的，先有短消息的发送，然后才是短消息的接收。

20.2.2 SMS的物理层和链路层

短消息在SDCCH或SACCH信道上传递，如果TCH未分配，即用户处于待机状态，短消息将在SDCCH上传递；当用户处于通话状态时，短消息将在SACCH上传递。传递短消息使用的信道见表20.1。短消息与语音通信是并行的业务，在通话的过程中也可以收发短消息。

表20.1 短消息使用的信道

阶段	信道
TCH未分配	SDCCH
TCH未分配→TCH分配	SDCCH→SDCCH
TCH分配	SACCH
TCH分配→TCH未分配	SACCH→SDCCH

第16章已经提到，短消息的链路帧的SAPI为3，而且采用多帧方式传递。

20.2.3 SMS的消息

空中接口中与短消息业务有关的是SMC实体和SMR实体，SMC实体之间使用短消息控制协议（SM-CP），SMR实体之间使用短消息中继协议（SM-RP），这些协议使用的消息如表20.2。

表20.2 短消息相关的消息

实体	消息	主要信息单元
SMC	CP-DATA	用户数据（RP-DATA）
	CP-ACK	无
	CP-ERROR	原因
SMR	RP-DATA	主叫、被叫和用户数据
	RP-ACK	无
	RP-ERROR	原因

CP-DATA消息承载来自SM-RL层的数据内容，其中用户数据信息单元是RP-DATA消息的封装；CP-ACK消息和CP-ERROR消息传递短消息传送的状态和响应。

RP-DATA消息的内容来自SM-TL层，以下简称为应用层。RP-DATA中的用户数据信息单元根据MT和MO不同而有一些差别，长度不超过238个八位组；被叫信息单元应该是短消息中心的号码，而不是对端用户的号码。RP-ACK消息和RP-ERROR消息传递短消息传送的状态和响应。

以下详细介绍RP-DATA中的用户数据信息单元的结构。

20.2.3.1 MT的数据结构

	长度（八位组）
消息类型/更多消息指示	1
主叫号码	…
协议标识	1
编码方式	1
短消息中心时间戳	7
用户数据长度	1
用户数据	…

图20.2  MT的数据结构

图20.2是MT的RP-DATA中用户数据的数据结构。

图中消息类型对应第1比特位，MT为‘0’，MO为‘1’。

更多消息指示对应第3比特位，当此比特为‘0’时，表示短消息中心没有待发送的短消息；如果为‘1’， 表示短消息中心还有待发送的短消息。

主叫号码属于地址类型，有特殊的结构，如图20.3所示。地址类型包括号码类型（国内号码、国际号码）和号码计划（ISDN、数据等）两部分，一般号码计划使用ISDN号码计划。地址最多可以有12个八位组，相当于地址内容部分可以有10个八位组。一个八位组可以表示两个号码，因此地址内容最长可以有20位号码。

	八位组
地址长度	1
地址类型	2
地址内容	…

图20.3  地址的结构

协议标识用来表示SM-TL上层使用的协议，也就是SM-AL层使用的协议；协议标识也可以表示不同网络的类型。

编码方式说明用户数据使用的字符集和编码方式。编码方式缺省设为‘0’，一个字符用7个比特表示，即英文字符方式。

短消息中心时间戳是短消息中心发送短消息的时间，包含年、月、日、小时、分钟、秒、时区7个部分，每个部分占用一个八位组。在年、月、日、小时、分钟和秒六部分中，每个八位组的高四个比特代表十位、低四个比特代表个位的数字；时区则是本地时区与GMT（0时区）的差别。

用户数据最大长度为140个八位组，因此采用英文字符方式可以包含160个字符，而中文字符方式可以包含70个汉字。

20.2.3.2 MO的数据结构

图20.4是MO的RP-DATA中用户数据的数据结构。

图中消息类型对应第1比特位，MT为‘0’，MO为‘1’。

有效期格式对应第3、4比特位，当比特为‘00’或‘10’时，表示用户没有设置短消息有效期；如果为‘01’ 或‘11’时，表示用户设置了短消息有效期。

被叫号码属于地址类型，有特殊的结构，如图20.3所示，与主叫号码结构一致。

协议标识、编码方式与MT对应部分结构相同。

有效期有两种方式：相对时间或绝对时间。相对时间采用一个八位组表示，从短消息中心收到短消息开始计时，其计算方法如表20.3。绝对时间表示方法与短消息中心时间戳相同，使用7个八位组。

用户数据最大长度为140个八位组，因此采用英文字符方式可以包含160个字符，而中文字符方式可以包含70个汉字。

	长度（八位组）
消息类型/有效期格式	1
消息参考值	1
被叫号码	…
协议标识	1
编码方式	1
有效期	1或7
用户数据长度	1
用户数据	…

图20.4  MO的数据结构

表20.3 相对有效期的计算

有效期数值	有效期
0~143	（有效期数值+1）*5 分钟
143~167	12小时+（有效期数值—142）*30分钟
168~196	（有效期数值—166）*天
197~255	（有效期数值—192）*周

20.2.4 SMS的处理机制

前文提到，空中接口中与短消息业务有关的是SMC和SMR实体，以下就介绍SMC和SMR实体的处理机制。

20.2.4.1 SMC的处理机制

一般一个终端至少有两个SMC实体，一个SMC实体负责处理MT，另外一个SMC实体负责处理MO，因此对终端而言，MT和MO可以同时进行。

SMC实体的短消息处理过程需要经历以下三个关键阶段：

¨       建立连接。

¨       短消息信息传送。

¨       结束短消息信息传送。

在建立连接阶段，终端和网络之间的MM子层需要建立连接，其过程与第17章相应的建立连接过程一致。

在短消息信息传送阶段，SMC将来自上层SMR实体的数据（RP-DATA消息）封装入CP-DATA消息，发送给对方。对方收到并接受后，回应确认消息CP-ACK，表示发送成功。如果SMC超时还得不到对方的确认消息，SMC会且只会重新发送一次CP-DATA消息，整个过程如图20.5的发送方。

 

图20.5  SMC的处理过程

对接收方的SMC而言，接收到对方的CP-DATA消息后，还要检查此消息的有效性。接收方接受此消息后，回应确认消息CP-ACK，整个过程如图20.5的接收方。

正常情况下，在结束短消息信息传送阶段，SMC 实体收到上层SMR实体的释放请求后，释放连接。

20.2.4.2 SMR的处理机制

SMR实体需要SMC实体的支持，SMR实体与SMC实体的关系是一对多的关系，一个SMR实体可以对应多个SMC实体。相关的短消息中继过程需要经历以下三个关键阶段：

¨       建立连接。

¨       短消息信息中继。

¨       结束短消息信息中继。

SMR实体收到应用层的用户数据后，形成RP-DATA消息，然后调用SMC实体发送RP-DATA消息，最后应该收到确认消息RP-ACK消息，中继过程如图20.6所示的发送方。SMR实体接收RP-DATA消息的过程如图20.6所示的接收方。

 

图20.6  SMR的处理过程

在结束短消息信息传送中继阶段， SMR实体向SMC 实体发送释放请求，释放连接。

20.2.5 SMS的协议流程

图20.7提供了一个典型的发送短消息的协议流程。从图中不难看出发送短消息与主叫的协议流程有不少类似之处，需要经历接入阶段、鉴权阶段和短消息发送阶段三个阶段，其中接入阶段和鉴权阶段与主叫的协议流程的对应阶段基本一致。

在CM-SERV-REQ消息中指明其上层业务为SMS，这样网络侧就知道该如何处理呼叫了。CP-DATA消息中封装了RP-DATA消息的内容。

 

图20.7  发送SMS的协议流程

图20.8  接收SMS的协议流程

图20.8提供了一个典型的接收短消息的协议流程。从图中不难看出接收短消息与被叫的协议流程有不少类似之处，需要经历接入阶段、鉴权阶段和短消息接收阶段三个阶段，其中接入阶段和鉴权阶段与被叫的协议流程的对应阶段基本一致。

20.3   小区广播

小区短消息广播业务SMSCB（Short Message Service Cell Broadcast）是公共短消息的广播，广播诸如天气预报、交通和业务提示等公共信息。由于SMSCB采用广播的形式发送，因此与短消息不同，终端只能在空闲状态下接收小区广播内容，类似于接收BCCH消息。

SMSCB广播的内容称为SMSCB信息。SMSCB信息长度为88个八位组，包括6个八位组信息头和82个八位组的信息体两部分，其结构如图20.9所示。

信息头包含序列号、信息标识、字符集和页码4项参数。信息标识最为重要，用来表示信息的来源和类型；序列号与信息标识相对应，一旦信息标识表示的信息内容发生改变，其序列号要顺序递增。字符集参数分为语言组和语言两部分，每部分为4个比特。页码参数分为总页数和当前页码两部分，每部分为4个比特。

终端可以从接收到的信息头了解到SMSCB消息的概况，从而判断是否需要接收此SMSCB消息。

SMSCB缺省使用7比特的字符，信息体最多可以包含93个7比特字符。

8	7	6	5	4	3	2	1	八位组
序列号								1~2
信息标识								3~4
字符集								5
页码								6
信息体								7
								…
								82

图20.9  SMSCB信息结构

SMSCB信息利用SMSCB 消息传送。传送SMSCB 消息需要利用专门的逻辑信道——小区广播信道CBCH。CBCH信道与SDCCH信道结构相同，因此可以通过占用复帧中任意的SDCCH信道来提供CBCH信道。

SMSCB 消息的结构如图20.10所示。由于每个链路帧长度为23个八位组，因此一条SMSCB信息被拆分为4个部分，每个部分包含22个八位组的信息以及一个消息类型八位组。

8	7	6	5	4	3	2	1	八位组
消息类型								1
SMSCB信息								2
								…
								23

图20.10  SMSCB消息结构

消息类型八位组的结构如图20.11所示。其中备用的比特位为‘0’； LPD是链路协议识别，SMSCB中设为‘01’； 序号说明本链路帧承载第几块数据，‘0000’~‘0011’分别表示第一到第四块数据。如果序号为‘1111’，表示本链路帧无有效的SMSCB数据。

8	7	6	5	4	3	2	1
备用	LPD		备用	序号

图20.11  消息类型结构

20.4   小结

短消息SMS（Short Message Service）又称短信，是GSM提供的一种深受用户欢迎的服务，实现了用户与用户之间文字信息的收发。

短消息业务是用户和短消息中心之间传递简短的文字信息的传递。SMR（短消息中继实体）和SMC（短消息控制实体）负责处理短消息业务。

小区短消息广播业务SMSCB是公共短消息的广播。