GSM蜂窝移动通信系统-----时分多址(TDMA)帧结构

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我是靠谱客的博主舒适铃铛，最近开发中收集的这篇文章主要介绍GSM蜂窝移动通信系统-----时分多址(TDMA)帧结构，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

（1）TDMA信道概念
GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就为一个时隙(TS)，而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道映射到物理信道上传送。从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。
逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。
① 业务信道（TCH）：用于传送编码后的话音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点（BTS对一个MS，或反之）方式传播。
② 控制信道：用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道，它们又可细分为：

广播信道（ BCH）:

    ---频率校正信道（FCCH）：携带用于校正MS频率的消息，下行信道，点对多点（BTS对多个MS）方式传播。
---同步信道（SCH）：携带MS的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，下行信道，点对多点方式传播。
---广播控制信道（BCCH）：广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。下行，点对多点方式传播。
公共控制信道（CCCH） :
    ---寻呼信道（PCH）：用于寻呼（搜索）MS。下行，点对多点方式传播。
    ---随机接入信道（RACH）：MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH），可作为对寻呼的响应或MS主叫／登记时的接入。上行信道，点对点方式传播。
---允许接人信道（AGCH）：用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。下行信道，点对点方式传播。
专用控制信道(DCCH)：
    ---独立专用控制信道（SDCCH）：用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。例如登记和鉴权在此信道上进行。上行和下行信道，点对点方式传播。
    ---慢速随路控制信道（SACCH）：它与一个TCH或一个SDCCH相关，是一个传送连续信息的连续数据信息，如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台参与切换功能是必要的。它还用于MS            的功率管理和时间调整。上行和下行信道，点对点方式传播。
---快速随路控制信道（FACCH）：它与一个TCH相关。工作于借用模式，即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速                度传送信令信息，则借用20ms的话音（数据）来传送。这一般在切换时发生。由于语音译码器会重复最后20ms的话音，因此这种中断不被用户查觉。
控制信道的配置是依据每小区（BTS）的载频（TRX）数而定的，见图3-7所示。在使用6MHz带宽的情况下，每小区最多两个控制信道，当某小区配置一个载频时，仅需一个控制信道。

图3－7 小区信令信道配置

（2）TDMA帧
在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，相当于FDMA系统中的一个频道，每帧包括8个时隙（TS0-7），要有TDMA 帧号，这是因为GSM的特性之一是客户保密性好，是通过在发送信息前对信息进行加密实现的。计算加密序列的算法是以TDMA帧号为一个输入参数，因此每一帧都必须有一个帧号。有了TDMA帧号，移动台就可判断控制信道TS0上传送的是哪一类逻辑信道。
TDMA帧号是以3.5小时（2715648个TDMA帧）为周期循环编号的。每2715648个TDMA帧为一个超高帧，每一个超高帧又可分为2048个超帧，一个超帧持续时间为6.12s，每个超帧又是由复帧组成。复帧分为两种类型（见图3-8所示）。

图3－8 帧结构图
26帧的复帧---它包括26个TDMA帧，持续时长120ms,51个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带TCH（和SACCH加FACCH）。
51帧的复帧---它包括51个TDMA帧，持续时长3060／13ms。26个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带BCH和CCCH。
（3）突发脉冲序列（Burst）
   TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。共有五种类型。
   ① 普通突发脉冲序列（NB）：用于携带TCH及除RACHA，SCH和FCCH以外的控制信道上的信息，图3-9所示，“57个加密比特”是客户数据或话音，再加“1”个比特用作借用标志。借用标志是表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用。“26个训练比特”是一串已知比特，用于供均衡器产生信道模型（一种消除时间色散的方法）。
   “TB”尾比特总是000帮助均衡器判断起始位和中止位。“GP”保护间隔，8.25个比特（相当于大约30ms），是一个空白空间。由于每载频最多8个客户，因此必须保证各自时隙发射时不相互重迭。尽管使用了时间调整方案，但来自不同移动台的突发脉冲序列彼此间仍会有小的滑动，因此8.25个比特的保护可使发射机在GSM建议许可范围内上下波动。

图3－9 普通突发脉冲序列
② 频率校正突发脉冲序列（FB）：用于移动台的频率同步，它相当于一个带频移的未调载波。此突发脉冲序列的重复称FCCH，见图 3-10。图中“固定比特”全部是0，使调制器发送一个未调载波。“TB”和“GP”同普通突发脉冲序列中的“TB”和“GP”。

图3－10 频率校正突发脉冲序列
③ 同步突发脉冲序列（SB）：用于移动台的时间同步，它包括一个易被检测的长同步序列并携带有TDMA帧号和基站识别码（BSIC）信息。这种突发脉冲序列的重复称为SCH，见图3－11所示。

图3－11 同步突发脉冲序列
④ 接入突发脉冲序列（AB）：用于随机接入，它有一个较长的保护间隔，这是为了适应移动台首次接入（或切换到另一个BTS）后不知道时间提前量而设置的。移动台可能远离BTS，这意味着初始突发脉冲序列会迟一些到达BTS，由于第一个突发脉冲序列中没有时间调整，为了不与下一时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲序列必须短一些，见图3－12所示。

图3－12 接入突发脉冲序列
⑤ 空闲突发脉冲序列（DB）：此突发脉冲序列在某些情况下由BTS发出，不携带任何信息。它的格式与普通突发脉冲序列相同，其中加密比特改为具有一定比恃模型的混合比特。
（4）逻辑信道到物理信道的映射
    谈过TDMA信道、TDMA帧和突发脉冲序列之后，我们就可以谈谈逻辑信道映射到物理信道的方法。我们知道每小区有若干个载频，每个载频都有8个时隙，我们定义载频数为C0，C1，…，Cn，时隙数为T30，T51，···，T87。
   ① 控制信道的映射
   对某小区超过1个载频时，该小区C0上的TS0就映射广播和公共控制信道，具体映射方法见图3－13。图中所示：
      F（FCCH）--- 移动台依此同步频率，它的突发脉冲序列为FB。
      S（SCH）--- 移动台依此读TDMA帧号和BSIC码，突发脉冲序列为SB。
      B（BCCH）--- 移动台依此读有关此小区的通用信息。突发脉冲序列为NB。
      I（IDEL）--- 空闲帧，不包括任何信息。突发脉冲序列为DB。
      C（CCCH）--- 移动台依此接受寻呼和接入，突发脉冲序列NB。
    即便没有寻呼或接入进行，BTS也总在C0上发射，用空位突发脉冲序列代之。
我们从帧的分级结构知道，51帧的复帧是用于携带BCH和CCCH，因此51帧的复帧中共有51个TS0，所携带的控制信道排列的序列如图3-13下面的序列。此序列在第51个TDMA帧上映射一个空闲帧之后开始重复下一个51帧的复帧。

图3－13 BCCH与CCCH在TS0上的复用
以上叙述了下行链路C0上的TS0的映射。对上行链路C0上映射的TS0是不包含上述各信道的，它只含有随机接入信道（RACH），用于移动台的接入，如图3－14所示，它给出了51个连续TDMA帧的TS0。

图3－14 TS0上RACH的复用
下行链路C0上的TS1用于映射专用控制信道。它是102个TDMA帧复用一次，三个空闲帧之后从D0开始，见图3－15所示。

图3－15 下行SDCCH和SACCH在TS1上的复用

    Dx（SDCCH）--- 此处移动台X是一个正在建立呼叫或更新位置或与GSM交换系统参数的移动台。Dx只在移动台X建立呼叫时使用，在移动台X转到TCH上开始通话或登记完释放后，Dx可用于其它MS。
    Ax（SACCH）--- 在传输建立阶段（也可能是切换时）必须交换控制信令，如功率调整等信息，移动台X的此类信令就是在该信道上传送。
   由于是专用信道，所以上行链路C0上的TSI也具有同样的结构，即意味着对一个移动台同时可双向连接，但时间上有个偏移，如图3-16所示。 Dx、Ax含义与下行链路的相同。

图3－16 上行SDCCH和SACCH在TS1上的复用
某个小区仅一个载频时，就只有8个时隙，这时的TS0即可用作公共控制信道又可用作专用控制信道，映射方法如图3－17所示。102个TDMA帧重复一次，图中仅描述了102个TDMA帧的TS0上映射的信令信息。字符含意同上述某小区多个载频时的C0上的TS0和TS1映射字符含意。

图3－17 仅有一个收发单元时控制信道在TS0上的映射
② 业务信道的映射
除映射控制信道以外的时隙均映射业务信道（TCH），映射方法如图3－18所示。图中仅给出了下行C0上的TS2映射构成。

图4－18 TCH的复用
     T（TCH）--- 编码话音或数据，用于通话。突发脉冲序列为NB。
     A（SACCH）--- 控制信号。用于移动台接受命令改变输出功率、了解应监视那些BTS的BCCH、向系统报告从周围BTS接收到的信号强度等，突发脉冲序列NB。
     I（IDEL）：空闲帧。通常对于分配到TS2的移动台，每个TDMA帧的每个TS2都包含此移动台的信息。只有空闲帧是个例外，它不包含任何信息。

上行链路的结构与下行的一样的，唯一不同的是有一个时间的偏移，也就是说上下行的TS2是在不同时间出现，时间偏移约为3个时隙。
用于携带TCH的复帧是26帧的，因此有26个TS2，第26TS2 时隙是空闲时隙，空闲时隙之后序列从头开始。

携带 TCH的复帧相对携带控制信道的复帧要加一个滑动，因为携带TCH的复帧是26个TDMA帧重复一次，而携带控制信道的复帧要每51个TDMA帧重复一次，所以空闲帧在51复帧所有不同的控制信道上均有一个滑动。