1、第 7 章典型数字通信系统 第 7 章典型数字通信系统 7.1 GSM7.1 GSM数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统 7.2 CDMA数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统 7.3 数字卫星通信系统数字卫星通信系统 习题习题 第 7 章典型数字通信系统 7.1 GSM数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统 7.1.1 GSM7.1.1 GSM系统的业务功能系统的业务功能GSM系统提供的业务分为基本业务和附加业务。基本业务按功能又可分为电信业务和承载业务；附加业务是对基本业务的改进和补充，它不能单独向用户提供，而必须与基本业务一起提供。第 7 章典型数字通信系统 1.1.电信业务电信
2、业务电信业务包括电话业务、紧急呼叫业务、短消息业务和传真业务。电话业务是GSM系统最重要的业务，它为GSM系统用户之间提供双向电话通信。紧急呼叫业务是由电话业务引出来的一种特殊业务，该业务能使用户通过一种快速简单的方式接续到就近的紧急业务中心。第 7 章典型数字通信系统 短消息业务包括点对点MS(移动台)起始短消息业务、点对点的MS终端短消息业务、小区广播短消息业务。点对点的短消息业务由短消息中心完成存储和转发功能。传真业务有：交替语音和三类传真，是指语音与三类传真交替传送的业务；自动三类传真，是指能使用户经GSM系统以传真编码信息文件的形式自动交换传真图文。第 7 章典型数字通信系统 2.2
3、.承载业务承载业务承载业务主要包括：受限话音业务：交替语音/数据等；数据业务：异步/同步数据、同步/异步双工、分组装/拆(PAD)、分组同步双工等。第 7 章典型数字通信系统 3.3.附加业务附加业务附加业务也称为补充业务，它可向用户提供许多高级服务，例如主叫号码显示、呼叫转移、通话限制、呼叫保持、呼叫等待、会议呼叫等。第 7 章典型数字通信系统 3.3.附加业务附加业务附加业务也称为补充业务，它可向用户提供许多高级服务，例如主叫号码显示、呼叫转移、通话限制、呼叫保持、呼叫等待、会议呼叫等。7.1.2 GSM7.1.2 GSM系统结构系统结构1.GSM系统组成系统组成(1)移动台(MS)，指个
4、人手机、车载站、船载站等，它包括移动设备(ME)和用户识别模块(SIM)。第 7 章典型数字通信系统(2)基站系统(BSS)，它由基站控制设备(BSC)和基站发射设备(BTS)组成。BSC的主要功能是：对一个或多个BTS进行控制；进行呼叫控制；对本区的无线信道进行管理；进行越区控制。(3)移动业务交换中心(MSC)，是GSM对MS进行控制和管理的中心。MSC的主要功能有：信道管理与分配；呼叫处理与控制；越区切换和漫游控制；用户位置信息的登记与管理；用户号码和移动设备号码的登记与管理；用户鉴权；提供与其他MSC和公用网(PSTN)的链路接口；业务控制等。第 7 章典型数字通信系统(4)原籍位置寄
5、存器(HLR)，也称为归属用户寄存器，HLR是一个用于存储本地用户位置信息的数据库。每个移动用户都必须在原籍进行位置注册登记。HLR主要存储两类信息：永久性的用户有关参数，例如用户号码、移动设备号码、优先级别、业务类型、保密参数等；临时性的用户当前所处位置的有关参数，即使用户漫游到HLR服务区外，HLR也要登记由用户当前所在漫游区传送来的用户位置信息。这样，就能确保一定能在原籍位置寄存器中获知用户当前处在哪一个地区，从而建立起通信链路。第 7 章典型数字通信系统(5)访问位置寄存器(VLR)，它是一个用于存储来访用户位置信息的数据库。一个VLR通常服务于一个MSC控制区，但也可以服务于几个相邻
6、的MSC控制区。当移动用户漫游到其他新的MSC控制区时，它的主要功能有：移动用户向新MSC控制区的VLR申请登记；VLR从该用户的HLR查询有关参数；给该用户分配一个新的漫游号码(MSRN)；通知该用户的HLR修改位置信息；准备为其他用户呼叫该用户时提供路由信息。第 7 章典型数字通信系统 图 7-1 GSM系统组成 VLRVLRHLR/AUCEIRMSCSCMSCOMCPSTNISDNPLMNPSPDNBSCBSCBTSBTSBTSBTSAbisABCFEDGMSMSUm第 7 章典型数字通信系统 注意：ISDN为综合业务数字网；PSTN为公众交换电话网；PLMN为公众陆地移动网；PSPDN
7、为公众分组交换数据网。(6)鉴权中心(AUC)，它的主要作用是：认证用户的身份；产生相应的鉴权参数；允许有权用户接入网络并获得服务。第 7 章典型数字通信系统(7)设备识别寄存器(EIR)，它是存储移动台设备参数的数据库，主要完成对移动台的识别、监视、闭锁等功能，拒绝非法移动台入网。(8)操作维护中心(OMC)，它的任务是对全网进行监控、操作和维护，例如自检、报警、主备倒换、故障诊断、话务统计、计费等。(9)短信息业务中心(SC)，它用于完成短消息的存储和转发。第 7 章典型数字通信系统 2.GSM2.GSM系统的接口系统的接口GSM系统的主要接口功能如下：(1)A接口是MSC与BSS之间的接
8、口。A接口主要用于传送呼叫处理、移动性管理、基站管理和移动台管理等信息，通常A接口为2 Mb/s的数字接口。BTS与BSC之间的接口为Abis。(2)B接口是 MSC与VLR之间的接口。当一个MS从一个服务区漫游到另一个服务区时，MS与MSC通过B接口，在MSC与VLR之间传送MS的漫游参数，使MS与MSC建立起新的位置关系。第 7 章典型数字通信系统(3)C接口是 MSC与HLR/AUC之间的接口。C接口主要用于管理和路由的信令交换，当建立呼叫时，MSC通过C接口从HLR得到路由选择信息；呼叫结束后，MSC通过C接口向HLR提供计费信息。(4)D接口是 HLR与VLR之间的接口。D接口主要用
9、于传送用户位置信息和管理用户数据。当移动用户漫游时，VLR通过D接口查询该用户所属HLR的有关信息，同时将该用户的漫游信息提供给HLR，使HLR更新该用户的位置信息。第 7 章典型数字通信系统(5)E接口是 MSC与MSC之间的接口。E接口主要用于当移动台在MSC区内进行越区切换时传送相关的信息。(6)F接口是 MSC与EIR之间的接口。MSC通过F接口查询和校对EIR中移动台设备参数，实现对移动台的鉴别和监视。第 7 章典型数字通信系统(7)G接口是 VLR与VLR之间的接口。当MS漫游并使用临时识别码(TMSI)在新的VLR中登记时，通过G接口在VLR与VLR之间传送相关信息。(8)Um接
10、口是 MS与BTS之间的无线接口(空中接口)。Um接口由无线信道组成，是移动通信系统中最重要也是最复杂的接口。第 7 章典型数字通信系统 7.1.3 GSM7.1.3 GSM系统设计系统设计 1.1.通信体制通信体制GSM系统采用频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)混合方式。使用FDMA技术，将GSM900频段的上行(MS到BTS)890915 MHz或下行(BTS到MS)935960 MHz频率范围(25 MHz)划分为124个载波频率(简称载频，也称为频道)，各个载频之间的间隔为200 kHz。其中，上行和下行载频成对配置，即采用全双工通信方式。双工收发载频对的间隔为45 MHz。对
11、每个载频采用TDMA技术，按时间分为八个时隙(称为物理信道)，一个载频上连续的八个时隙组成一个TDMA帧。第 7 章典型数字通信系统 2.2.频率规划频率规划GSM系统使用频段为900 MHz和1800 MHz，总的可用频带为100 MHz。要求充分利用900 MHz的频率资源，在900 MHz频率无法满足用户容量需求时，可启用1800 MHz频段。GSM系统采用等间隔频道配置方法。(1)在900 MHz频段，频道序号为1124，共124个频道。频道序号与频道标称中心频率的关系为 f上(n)=890.200MHz+(n1)0.200MHz上行(MS发，BTS收)f下(n)=f上(n)+45MH
12、z下行(BTS发，MS收)式中，n=1124。第 7 章典型数字通信系统(2)在1800MHz频段，频道序号为512885，共374个频道。频道序号与频道标称中心频率的关系为 f上(n)=1710.200MHz+(n512)0.200MHz 上行(MS发，BTS收)f下(n)=f上(n)+95MHz下行(BTS发，MS收)式中，n=512885。第 7 章典型数字通信系统 3.3.频率复用模式频率复用模式在GSM系统建设初期，通常建议采用43的频率复用模式，即N=4，采用定向天线，每个基站使用三个120(或60)方向性天线构成三个扇区小区。对于业务量较大的地区，可采用33、26、13等复用模式
13、。若采用全向天线，建议采用N=7的复用模式。如图7-2所示。在话务量很大的地区，可采用同心圆小区覆盖、智能双层网和微蜂窝系技术。第 7 章典型数字通信系统 图 7-2 GSM系统的频率复用模式(a)43 复用模式；(b)33 频率复用模式；(c)26 频率复用模式；(d)13 频率复用模式；(e)7组复用模式(b)(a)Bb1b3b2Aa1a3a2Cc1c3c2Bb1b3b2a2a3a1a4a6a5Aa1Aa1a3a2Cc1c3c2Cc1c3c2Bb1b3b2(c)(d)(e)610812597113247116108123711314259716108124231618159142591a2
14、a3ABb2b3b1b6b5b4Bb2b3b1b6b5b4Aa2a3a1a4a6a5Bb2b3b1b6b5b4Bb2b3b1b6b5b4a2a3a1a4a6a5Aa2a3a1a4a6a5A2323112323111238911735113718951198537第 7 章典型数字通信系统 4.4.干扰保护比干扰保护比在GSM系统中，无论是采用全向天线还是采用定向天线，无论采用何种频率复用方式，在进行频率配置时，必须满足如下的干扰保护比(参考载干比C/I)要求：同频道干扰(C/I)：9dB；200 kHz邻频道干扰(C/I1)：9 dB；400 kHz邻频道干扰(C/I2):41 dB；600
15、kHz邻频道干扰(C/I3):49 dB。为了满足上述干扰保护比的要求，需要留有足够的保护频带。例如GSM系统与模拟蜂窝移动电话系统共存时，两系统频道中心频率之间应留有约400 kHz的保护频带。第 7 章典型数字通信系统 5.信号结构信号结构GSM系统采用TDMA结构，其帧结构有五个层次：时隙、TDMA帧、复帧、超帧和超高帧。时隙是物理信道的基本单元。TDMA帧由八个时隙组成。复帧有两种类型：由26个TDMA帧组成的复帧，用于TCH(业务信道)、SACCH(慢速随路信道)和FACCH(快速随路信道)；由51个TDMA帧组成的复帧，用于BCCH(广播控制信道)和CCCH(公共控制信道)。超帧由
16、1326(12651)个TDMA帧组成，超高帧由2048个超帧组成，如图 7-3 所示。第 7 章典型数字通信系统 图 7-3 GSM信号结构 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7012342223242501234748495001234748495001242501234562042204320442045204620471超高帧 2048超帧2715 648 TDMA帧1超帧1326 TDMA帧(6.12s)(51(26帧)的复帧或26(
17、51帧)的复帧)1(26帧)的复帧26TDMA帧(120 ms)1(51帧)的复帧51TDMA帧(3060/13 ms)012TDMA帧第 7 章典型数字通信系统 6.编码计划编码计划移动通信系统的编码通常有两种：专用局号和专用网号，我国采用的是专用网号(130139)。(1)移动用户ISDN号码(MSSISDN)，其组成为MSSISDN=CC+NDC(N1N2N3,0,H1H2H3)+SN(ABCD)其中：CC为国家码(我国为86)。NDC为数字蜂窝移动业务接入号，在我国N1=1,N2=3,N3=09(中国移动为59，中国联通为04)；H1H2H3为HLR识别码，其中H1H2用来区别移动业务
18、本地网，H3由各省自行分配；SN为四位用户号码(ABCD)由各HLR自行分配。第 7 章典型数字通信系统(2)移动用户漫游号码(MSRN)，它由三部分组成：被访问的长途区号，为“0”XYZ;PQR为被访地(VLR)没有被使用的一个局端号;ABCD为移动用户漫游号码。(3)国际移动用户识别码(IMSI)，它是移动用户的惟一识别号码，其组成如下：IMSI=MCC+MNC+MSIN其中，MCC为移动国家号码，由三位数字组成，惟一地识别移动用户所属的国家(我国为460)；MNC为移动网号，用于识别移动用户所归属的移动网，中国移动的GSM网为00，中国联通的GSM网为01；MSIN为移动用户识别码，由1
19、0位数字组成。第 7 章典型数字通信系统(4)临时移动用户识别码(TMSI)，为了对移动用户保密(IMSI)，VLR给来访的移动用户分配一个惟一的TMSI号码，由MSC自己分配，只能在VLR所在的本地使用。(5)位置区识别码(LAI)，其组成如下：LAI=MCC+MNC+LAC其中，MCC为移动国家号码，MNC为移动网号，LAC为一个2字节十六进制编码，表示为X1X2X3X4(范围为0001FFFF)。第 7 章典型数字通信系统(6)全球小区识别码(GCI)，用于区分全球每一个GSM系统的小区，其组成如下：GCI=MCC+MNC+LAC+CI其中，CI为一个2字节BCD编码，由各MSC自行确定
20、。(7)基站识别码(BSIC)，用于识别各个网络运营商之间的相邻基站，其组成为BSIC=NCC(3 bit)+BCC(3 bit)其中，NCC(网络色码)用于识别不同国家(国内区别不同省)和不同网络运营商，结构为XY1Y2，X可扩展使用；BCC(基站色码)由网络运营商确定。第 7 章典型数字通信系统(8)国际移动台识别码(IMET)，用于惟一地识别移动台设备，存储在HLR中，其组成为IMEI=TAL(六个数字)+FAC(二个数字)+SNR(六个数字)+SPCC(一个数字)其中，TAL为泛欧GSM体制型号批准号，由欧洲型号中心分配；工厂分配码(FAC)和装配地地址码(SNR)由生产厂商分配和编制
21、。第 7 章典型数字通信系统 7.1.4 GSM的信道的信道 GSM系统中涉及无线信道和有线信道。有线信道用于移动交换中心与基站系统之间的连接，其接口为A接口，通常为2 Mb/s的数字接口。无线信道用于移动台与基站系统的无线连接，其接口为Um接口，称为空中接口。GSM系统的空中接口为数字无线接口，这是GSM的关键部分，Um接口是按信道来传送的。MS发、BTS收(MS到BTS)称为上行信道，BTS发、MS收(BTS到MS)称为下行信道。GSM系统的无线信道分为物理信道和逻辑信道。第 7 章典型数字通信系统 1.物理信道物理信道在GSM系统中，一个载波上的TDMA帧中包括八个时隙，每个时隙称为一个
22、物理信道，共八个物理信道。在一个时隙中携带的信息称为一个突发脉冲序列。第 7 章典型数字通信系统 2.逻辑信道逻辑信道载有各种信息的信道称为逻辑信道。逻辑信道分为业务信道和控制信道两类。如图 7-4 所示。业务信道(TCH)用于传送编码后的话音或数据。根据交换方式的不同，业务信道可分为电路交换信道和数据交换信道；根据传输速率的不同，业务信道可分为全速率(13 kb/s)信道、半速率(6.5 kb/s)信道和增强型全速率信道。增强型全速率信道是指传输速率为 13 kb/s(全速率)，但使用比全速率更好的压缩编码算法，从而提高通话质量。采用半速率信道时系统的容量可提高一倍，但话音质量降低。第 7
23、章典型数字通信系统 图 7-4 逻辑信道结构 频率校正信道同步信道广播控制信道寻呼信道随机接入信道允许接入信道独立专用控制信道慢速随路信道快速随路信道全速率信道半速率信道增强全速率信道广播信道公共控制信道专用控制信道控制信道业务信道逻辑信道第 7 章典型数字通信系统 控制信道(CCH)用于传送信令或同步数据。控制信道分为：广播信道、公共控制信道和专用控制信道。1)广播信道广播信道(BCH)是从基站到移动台的单向信道，主要包括：(1)频率校正信道(FCCH)，用于向移动台传送校正MS频率信息，MS在该信道上接收频率校正信息以校正MS的时基频率。第 7 章典型数字通信系统(2)同步信道(SYCH)
24、，用于向MS传送帧同步(TDMA帧号)信息和BTS识别码(BSIC)信息。(3)广播控制信道(BCCH)，用于向每个小区BTS广播通用的信息。MS周期地监听BCCH，以获取本地区识别信息、相邻小区列表信息、本小区使用的频率表信息、小区识别信息、功率控制指示信息、间断传输允许和接入控制等信息。第 7 章典型数字通信系统 2)公共控制信道公共控制信道(CCCH)是基站与移动台间的点对多点双向信道，主要包括：(1)寻呼信道(PCH)，下行信道。用于广播基站寻呼移动台的寻呼(搜索)信息。(2)随机接入信道(RACH)，上行信道。移动台接入网络时使用此信道向基站发送信息，例如应答基站寻呼消息，向基站申请
25、指配一个独立专用控制信道(SDCCH)。(3)允许接入信道(AGCH)，下行信道。用于基站向随机接入成功的移动台发送所分配的SDCCH。第 7 章典型数字通信系统 3)专用控制信道专用控制信道(DCCH)是基站与移动台之间的点对点双向信道。主要包括：(1)独立专用控制信道(SDCCH)，用于传送基站和移动台之间的指令和信道指配信息。例如鉴权、MS登记等。(2)慢速随路控制信道(SACCH)，用于基站向移动台传送功率控制信息和帧调整信息，移动台向基站发送信号强度信息和链路质量信息。(3)快速随路控制信息(FACCH)，用于传送基站与移动之间的越区切换信令信息。第 7 章典型数字通信系统 3.突发
26、脉冲序列突发脉冲序列突发脉冲序列是指TDMA帧中每个时隙的数字信息格式。根据逻辑信道的不同，突发脉冲序列共有以下五种类型。(1)普通突发脉冲序列(NB)，用于构成业务信道(TCH)和除FCCH、SYCH、RACH信道以外的所有控制信道，携带业务信息和相应的控制信息。普通突发脉冲序列的格式如图75 所示。第 7 章典型数字通信系统 图 7-5 普通突发脉冲序列格式 G P8.25TB3加 密 比 特57F1训 练 序 列26F1加 密 比 特57TB30.577 ms156.25 bit第 7 章典型数字通信系统 普通脉冲序列由加密比特(257 bit)、训练序列(26 bit)、尾位TB(23
27、 bit)、借用标志F(21 bit)和保护时间GP(8.25 bit)组成，共156.25 bit。普通突发脉冲所占用的时间为0.577 ms。其中，加密比特是57 bit的加密语音、数据或控制信息；1 bit的借用标志F表示该脉冲序列是否被FACCH借用；训练序列用于信道均衡器产生(再生)信道模型；尾位TB比特总是000，是突发脉冲序列的开始与结尾标志；保护时间GP用来防止由于定时误差而造成时隙间重叠(突发脉冲间重叠)。第 7 章典型数字通信系统(2)频率校正突发脉冲序列(FB)，用于构成FCCH，携带频率校正信息，其格式如图 7-6 所示。图 7-6 频率校正突发脉冲序列格式 GP8.2
28、5TB3固定频率校正信息比特142TB30.577 ms156.25 bit第 7 章典型数字通信系统 在频率校正突发脉冲序列中，TB和GP与普通突发脉冲序列相同，固定频率校正信息比特为142个全0比特。第 7 章典型数字通信系统(3)同步突发脉冲序列(SB)，用于构成SYCH，携带系统的同步信息，用于移动台的时间同步，如图 7-7 所示。其中，加密信息位携带有TDMA帧号(TN)和基站识别码(BSIC)信息。图 7-7 同步突发脉冲序列格式 G P8.25TB3加 密 比 特39同 步 序 列64加 密 比 特39TB30.577 ms156.25 bit第 7 章典型数字通信系统(4)接入
29、突发脉冲序列(AB)，用于构成RACH，携带移动台随机接入信息，如图78 所示。其中尾位TB为11比特(8+3 bit)，即延长了保护时间间隔，这是为了使移动台首次接入或切换到一个新的基站时不知时间的提前量而设置的。图 7-8 接入突发脉冲序列格式 GP8.25TB8TB3同步序列41加密比特36第 7 章典型数字通信系统(5)空闲突发脉冲序列(DB)，当无用户信息传输时，用空闲突发脉冲序列代替普通突发脉冲序列在TDMA时隙中传送，如图7-9 所示。与普通突发脉冲序列的不同之处在于其将加密信息比特换成固定比特。图 7-9 空闲突发脉冲序列格式 GP8.25TB3固定比特57F1训练序列26F1
30、固定比特57TB3第 7 章典型数字通信系统 7.1.5 GSM的语音编码技术的语音编码技术GSM选用的语音编码算法是规则脉冲激励长线性预测(RPELPT)，语音质量MOS得分可达4.0。图7-10 给出了RPELPT编码器的原理框图。数字化语音分成以20 ms(160个样值)为单位的编码段，经RPELPT编码后的语音比特为13 kb/s(260/20)，差错保护比特占9.8 kb/s，共22.8 kb/s(456/20)。纠错编码的措施是将语音比特分为两类：对差错敏感的语音比特，该类语音比特发生差错将严重影响话音质量；对差错不敏感的语音比特，该类语音比特发生差错对语音质量的影响不大。第一类比
31、特为182 bit，加上三个奇偶校验比特和四个尾比特(共189 bit)后，进行编码速率为1/2和约束长度为五的卷积编码，共产生378 bit；与不加差错保护的78 bit第二类比特合并，共有456 bit。第 7 章典型数字通信系统 图 7-10 GSM的语音编码 RPE-LPT语音编码器交织编码器卷积码编码器378 bit78 bit189 bit20 ms160样值A/D模拟信号第 7 章典型数字通信系统 7.1.6 GSM的数字调制技术的数字调制技术GSM采用高斯最小频移键控制调制(GSMK)方式。GSMK是对最小频移键控(MSK)的改进，即数字基带信号先经过一个高斯低通滤波器整形后，
32、再进行MSK调制，从而使调制信号功率谱密度的滚降加快。通过调整高斯低通滤波器的 3 dB带宽，从而有效地减小MSK信号的带外辐射。第 7 章典型数字通信系统 7.1.7 GSM的抗衰落技术的抗衰落技术1.交织编码交织编码在数字移动通信中，多径衰落会引起数字信号传输的突发性错误，利用交织编码可将一个较长的突发误码变为离散或随机误码，再用纠正随机误码的方法(例如分组码和卷积码)来消除随机误码。GSM交织编码器的输入码流是20 ms的帧，每帧456 bit。将两帧(40 ms)共912 bit按每八位码写入，共写入114行（8114=912 bit)。按列读出，每次读出 114 bit，对应GSM的
33、一个TDMA时隙，即将912 bit交织后分散到八个TDMA帧的时隙中传输。如图7 11 所示。第 7 章典型数字通信系统 图 7-11 GSM交织编码矩阵 12345678123113114写入读出第 7 章典型数字通信系统 2.天线分集天线分集GSM通常采用两个天线来独立地接收同一信号，如图7-12 所示。在GSM 900 MHz频段时，两个天线之间的距离d应大于 6 m；在GSM 1800 MHz频段时，两个天线之间的距离d应大于 3 m。第 7 章典型数字通信系统 图 7-12 GSM天线分集 信号合并处理接收单元接收单元d输出第 7 章典型数字通信系统 3.信道均衡信道均衡在GSM标
34、准中并没有规定采用哪种均衡算法，但要求均衡算法必须能处理在16 s之内接收到两个等功率的多径信号，即要求均衡的时延限制在16 s以内。因此不同的厂商可自行决定采用何种均衡算法。目前，主要有判决负反馈均衡器和自适应信道估值器。采用判决反馈均衡器的自适应均衡器的结构如图3-23所示。均衡算法采用快速卡尔曼(Kalman)算法(FKA)。第 7 章典型数字通信系统 自适应信道估值器的基本原理是从发生了码间干扰的接收信号中估计出正确的码元序列，采用最大似然准则的自适应信道估值器称为最大似然序列估值器。图7-13给出了采用维特比算法的最大似然序列估值器原理框图，它由信道估值器和维特比算法组成。信道估值器
35、的结构与线性横向滤波器的相同，其作用是估计信道参数的变化。维特比算法的作用是使接收序列与信道估值序列之间均方误差最小，即估计出正确的码元序列。第 7 章典型数字通信系统 图 7-13 自适应信道估值器原理框图 信道估值器维特比算法信道估值序列输出序列输入序列第 7 章典型数字通信系统 4.跳频技术跳频技术GSM的无线信道上采用慢跳频技术来实现频率分集。频率分集是一种有效地抗瑞利衰落干扰的技术。频率不同，瑞利衰落产生的影响也不同，频率相差越大，瑞利衰落的影响就越小。当移动台静止或慢速移动时，采用慢跳频可有效地减小由多径效应引起的瑞利衰落，改善其误码性能。第 7 章典型数字通信系统 GSM的跳频是
36、在TDMA帧的时隙上进行的。在GSM蜂窝结构中，每个区群分配若干组频率，每个区群又分为若干个小区，每个小区分配一组频率(跳频频率集)，每个频率为一个频道(频隙)。时隙和频隙组成了跳频信道，用时隙号表示。跳频建立在时隙和频隙的基础上，即在一定的时间隔内不断地在不同的频隙(频道)上跳变。GSM的跳频速率约为217次/秒，最多可用的跳频序列个数为64个。值得注意的是：跳频只在业务信道(TCH)上进行，在公共信道(广播控制信道和公共控制信道)上必须使用固定频率。第 7 章典型数字通信系统 7.1.8 话音激活与功率控制技术话音激活与功率控制技术1.话音激活话音激活GSM采用话音激活和功率控制技术来有效
37、地降低同频道干扰。在话音通信中，总是存在听话而不讲话和讲话间的停顿。统计表明，每条话音通信线路上实际传送的话音信号只占总线路时间的40%左右。因此，在话路空闲时可以不发射信号功率，采用这种非连续发射信号的方法能明显减少信号之间的干扰，这就是话音激活的基本思想。图7-14 给出了话音激活的原理框图。在发送端采用话音激活检测器(VAD)来检测，将语音分成有声段和无声段。在有声段进行语音编码产生编码语音帧，在无声段对背景噪声进行估计。具体实现方法是设定一个门限电平，当输入语音信号的电平低于门限电平时就判定是非激活(无声段)而不发射信号。第 7 章典型数字通信系统 反之，就判定为激活(有声段)而发射信
38、号。其中发送端的发射机舒适噪音发生器用于产生与发送端背景噪音相似的信号参数，并发送给接收端。其作用是动态调整门限电平，当检测到背景噪音增大(如车辆往来、风吹等)时就增加噪音门限，以确保话音激活检测的正确性和只对语音进行编码。同样，在接收端也有一个相对应的接收机舒适噪音发生器，根据所接收到的背景噪音信号参数产生一个与发送端背景噪音相似的背景噪音信号，其作用是使受话者觉察不到讲话过程中话音激活控制(无发射)的影响，并“营造”语音交流背景环境的气氛。接收端语音帧代换器的作用是当语音编码的重要数据由于噪声干扰发生无法纠正的错误而严重影响通话时，可用前面未受干扰的语音帧取而代之，以确保接收语音质量。第
39、7 章典型数字通信系统 图 7-14 话音激活技术原理图 语音编码器输入语音话音激活检测器发射发射机舒适噪声发生器语音解码器输出语音语音帧代换器接收接收机舒适噪声发生器第 7 章典型数字通信系统 2.功率控制功率控制GSM采用自适应功率控制技术，其目的是在保证通信质量的前提下，使移动台的发射功率达到最小，这样既能延长移动台电池的使用时间，又能有效地减小信号之间干扰，因为发射功率的减小也就相应地降低了系统内的同频干扰电平。GSM主要是对移动台进行功率控制。自适应功率控制的实现方法是：移动台测量信号强度和信号质量，定期向基站报告测量结果，基站按照预定的门限参数(等级)进行比较判决，确定移动台发射功
40、率的增减量，并发送给移动台，移动台按照基站的功率控制指令调整其发射功率，以满足在覆盖区内正常通话为准。GSM规定总的功率控制范围是 30 dB，每步调整范围是 20 dB，在发射功率为20 mW20 W之间设置16级功率电平，每步精度为3 dB，最大功率电平的精度为1.5 dB。第 7 章典型数字通信系统 7.1.9 接续技术接续技术电话网最基本的任务是建立主叫和被叫之间的连接，主要包括：连接的建立、维持和拆除。由于在蜂窝移动通信系统中用户是处在移动中的，因此其接续过程也较固定电话网复杂得多，需要解决的问题主要包括：用户所在的位置；用户识别；用户所需的业务等。第 7 章典型数字通信系统 图 7
41、-15 给出了蜂窝系统电话连接的原理图。移动台(MS)通过基站(BS)与移动业务交换中心(MSC)相连，基站只提供信道(移动台与基站间的无线信道和基站与移动业务交换中心间的中继线)。MSC除完成交换连接功能外，还要负责移动性管理和资源管理，例如确定移动用户的位置、指配信道、移动台身份识别、功率控制、越区切换、位置登记、漫游管理等。在话音信道建立过程中，MSC与BS、MSC与MSC、BS与MS之间要通过控制信道交换大量信令控制信息。第 7 章典型数字通信系统 图 7-15 蜂窝系统电话连接 市话局电话机中继线MSCBSBS数据控制链路中继线话音信道控制信道MSMS第 7 章典型数字通信系统 其接
42、续过程如下：(1)等待状态。移动台(例如手机)加电开通后，定期扫描控制信道，选择所在小区的基站。(2)主叫过程。主叫用户(移动台)要建立对被叫固定电话用户的呼叫时，只需输入被叫固定用户电话号码，按“发送”键启动主呼接续程序，如图7-16(a)所示。主呼接续过程包括：移动台通过随机接入信道(RACH)向基站发送包括本机识别码和被叫号码的接入请求信息；基站接收主叫用户拨号后，通过与移动业务交换中心的数据控制链路转发给移动业务交换中心；第 7 章典型数字通信系统 移动业务交换中心通过数据控制链路通知基站所指配的无线信道号码和相应的中继线；基站打开所指配无线信道的发射机，并发出一个建立标志信号，同时通
43、过控制信道通知移动台所指配的无线信道，移动台自动调谐到所指配的信道上；移动台接收到建立标志信号后自动向基站返回标志，确认无线话音信道已接通；基站将移动台的确认信息转发给移动业务交换中心，确认指配工作完成，移动业务交换中心向市话网发出呼叫信号(振铃)。第 7 章典型数字通信系统(3)被叫过程。假设市话用户呼叫移动用户，被叫接续过程如图7-16(b)所示，主要过程包括：市话用户拨移动用户号码，市话局根据移动用户号码接到相应的移动业务交换中心；移动业务交换中心向所有基站发出寻呼该移动台的信号；各基站寻呼被叫移动台；被叫移动台收到寻呼后，向基站报告，基站转发给移动业务交换中心；移动业务交换中心指配无线
44、信道和中继线，并通知该基站；第 7 章典型数字通信系统 基站打开所指配无线信道的发射机，并发出建立标志信号，同时将所指配的无线信道通知移动台；移动台自动调谐到指配的无线信道上，向基站返回建立标志信号，确认无线信道建立；基站向移动业务交换中心转发移动台返回的建立标志信号，确认话音信道接通，移动业务交换中心向主叫用户发回铃音；基站接通中继线，并向移动台发振铃音；移动用户摘机，发送摘机信号。基站转发摘机信号，移动业务交换中心收到摘机信号后停发回铃音，接续完成开始通话。第 7 章典型数字通信系统 图 7-16 接续过程(a)主叫接续过程；(b)被叫接续过程 识别码拨号识别码拨号12指配信道43指配信道
45、打开发射机4建立标志信号4中继线返回标志转发标志56移动合自动调谐到指配的无线信道4向被叫用户振铃6移动台基站移动业务交换中心呼叫移动台寻呼移动台32响应寻呼响应寻呼44指配信道65指配信道建立标志信号6打开发射机6返回标志转发标志78发振铃9发摘机信号转发摘机信号1010发回铃音8停发回铃音11市话呼叫1移动业务交换中心基站移动台(a)(b)语音信道控制信道第 7 章典型数字通信系统 7.1.10 越区切换越区切换越区切换的原因有两类：信号的强度或通话质量下降到系统规定的参数以下；小区业务信道容量全部被占。GSM对切换的控制采用分散控制方式，移动台和基站均参与测量接收信号强度和通话质量。移动
46、台每秒测量两次，并将测量结果报告给基站；基站对移动台使用的业务信道进行测量，并将测量结果报告给基站控制器(BSC)；基站控制器决定是否需要进行切换。GSM采用“硬切换”方式。第 7 章典型数字通信系统 GSM切换的主要指标有：WEI(Word Error Indicator)，表示移动台能否正确解调突发脉冲序列；RSSI(Receivied Signal Strength Indicator)，反映信道间的干扰和噪声；QI(Quality Indicator)，估计无线信号质量。主要依据WEI和RSSI这两个指标来决定是否切换。通常，越区切换可分为以下三种：(1)同一BSC内不同小区间的切换，
47、这种切换无需MSC控制，要求：BSC建立与新基站之间的链路；在新小区基站分配一个业务信道。第 7 章典型数字通信系统(2)同一MSC/VLR内不同BSC控制的小区间的切换，这种切换需要MSC控制，要求：当原BSC决定切换时，需要向MSC报告并请求切换；建立MSC与新BSC、新BSC与新BTS的链路；选择新小区空闲业务信道；命令移动台切换到新业务信道上。第 7 章典型数字通信系统(3)不同MSC/VLR控制的小区间的切换，当移动台从原MSC管辖区域移动到另一个目标MSC管理区域时，目标MSC要向原MSC提供一路由信息(切换号码HON)，以建立两个MSC之间的连接。切换号码(HON)=国家码(CC
48、)+数字蜂窝移动业务接入号(NDC)+移动用户号(SN)。第 7 章典型数字通信系统 7.1.11 漫游漫游所谓漫游，是指移动台(用户)离开本管辖区(该移动台位置区识别码)范围，移动到其他管辖区(其他位置区识别码)时，其他用户(移动用户和固定用户)仍然能用该用户原来的电话号码呼叫该用户。同时，该用户在新管辖区也能呼叫其他用户。为了实现漫游功能，在蜂窝移动通信系统设置了两层数据库来进行移动用户位置管理，即原籍位置寄存器(HLR)和访问位置寄存器(VLR)。HLR保存两类信息：移动用户的基本信息(永久数据)；从VLR得到的移动用户的当前位置信息(临时数据)。VLR存放的是移动用户的临时位置信息。漫
49、游功能的实现过程分为以下三步。第 7 章典型数字通信系统(1)请求位置登记，步骤如下：若移动台由控制信道获取的位置区识别码(每个MSC服务区都有自己的位置区识别码)与本机内所存的位置区识别码不同时，说明移动台已离开原来的服务区(归属区)，漫游到了新的服务区(被访区或客区)；移动台自动向基站发出请求位置登记，并报告自己的电话号码和身份识别号。第 7 章典型数字通信系统(2)位置登记，步骤如下：被访区基站接收到移动台的请求位置登记后，向当地MSC(被访局)报告;被访区MSC向归属区MSC报告漫游移动用户的当前位置，查询漫游移动用户的有关信息;归属区MSC在HLR中更新漫游用户的位置信息，并向被访区
50、MSC返回漫游用户的有关信息，同时在归属区MSC的VLR中注销漫游移动用户；被访区MSC审定漫游移动用户身份有效后，将漫游移动用户的电话号码等信息存入本MSC的VLR中，并通过基站向漫游用户发出确认位置登记信息。第 7 章典型数字通信系统(3)呼叫漫游移动用户。当有用户(移动台或固定电话)拨该漫游移动用户的电话号码(号码不变)呼叫该漫游移动用户时，归属区MSC从HLR中查询出该漫游移动用户的位置更新信息，并发送给被访区MSC，请求被访区MSC处理该呼叫。(4)漫游移动用户呼叫，漫游移动用户完成位置登记后就可以呼叫固定电话用户或移动电话用户，其呼叫过程类似。第 7 章典型数字通信系统 7.2 C
