GSM系统的时帧结构
GSM系统的时帧结构
第⼀章TDMA概述
1.1TDMA简介
TDMA：Time Division Multiple Access -- 时分多址接⼊
FDMA：Trequency Division Multiple Access--频分多址接⼊
时分制是把⼀个传输通道进⾏时间分割以传送若⼲话路的信息，把N个话路设备接到⼀条公共的通道上，按⼀定的次序轮流的给各个设备分配⼀段使⽤通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执⾏操作。与此同时，其它设备与通道的联系均被切断。待指定的使⽤时间间隔⼀到，则通过时分多路转换开关把通道联接到下⼀个要连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要⽅法，因⽽PCM通信常称为时分多路通信。
时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)每⼀个帧再分割成若⼲个时隙向发送信号，在满⾜定时和同步的条件下，可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号⽽不混扰。同时，发向多个移 动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。
TDMA较之FDMA具有通信⼝号质量⾼，保密较好，系统容量较⼤等优点，但它必须有精确的定时和同步以保证移动终端和间正常通信，技术上⽐较复杂。
TDMA在美国通常也指第⼆代(2G) 移动电话标准，具体说是象IS-136或者D-AMPS这些标准使⽤TDMA技术分时共享载波的带宽。
TDMA把⼀个射频分成多个时隙，再把这些时隙分给多组通话。这样，⼀个射频可以同时⽀持多个数据频道，⽬前该技术已成为今天的D-AMPS和G*系统的基础。
TDMA通信系统主要有以下主要特点：
（1）TDMA通信系统的只⽤⼀部发射机，可以避免FDMA通信系统中多部不同频率发射机同时⼯作⽽产⽣的互调⼲扰。
（2）TDMA通信系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配⽐对频率的管理和分配简单⽽经济。
（3）移动台只在指定的时隙中接收信息，有利于通信⽹络的控制和管理，可保证移动台的越区切换功能可靠的现实。
（4）可同时提供多种业务，使系统的通信容量和通信速率成倍增长。
（5）TDMA通信系统具有精确的定时和同步功能，可保证各移动台发送的信号不会再发⽣重叠和混淆。
1.2TDMA特性
（1）每载频多路信道。如前所述，TDMA系统形成频率时间矩阵，在每⼀频率上产⽣多个时隙，这个矩阵中的每⼀点都是⼀个信道，在控制分配下，可为任意⼀移动客户提供电话或⾮话业务。 （2）利⽤突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的，只是在规定的时隙内发射脉冲序列。 （3）传输速率⾼，⾃适应均衡。每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率⾼，但数字传输带来了时间⾊散，使时延扩展加⼤，故必须采⽤⾃适应均衡技术。
（4）传输开销⼤。由于TDMA分成时隙传输，使得收信机在每⼀突发脉冲序列上都得重新获得同步。为了把⼀个时隙和另⼀个时隙分开，保护时间也是必须的。因此，TDMA系统通常⽐FDMA系统需要更多的开销。
（5）对于新技术是开放的。例如当话⾳编码算法的改进⽽降低⽐特速率时，TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。
（6）共享设备的成本低。由于每个载频为多个客户提供服务，所以TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相⽐是⼤⼤降低了。
（7）移动台设计较复杂。它⽐FDMA系统移动台完成更多的功能，需要复杂的数字信号处理。
1.3TDMA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。业务信道⽤于
携载语⾳或⽤户数据，可分为话⾳业务信道和数据业务信道。
话⾳业务信道
TCH/FS：全速率语⾳信道，13kbit/s
TCH/HS：半速率语⾳信道，5.6kbit/s
TCH/EFR：增强型全速率语⾳信道，12.2kbit/s信息台
数据业务信道陆立军
TCH/9.6：全速率数据信道，9.6kbit/s
TCH/4.8：全（半）速率数据信道，4.8kbit/s
TCH/2.4：全（半）速率数据信道，2.4kbit/s
图1.3（a）
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TC；——慢速随路控制信道（SACCH）：它与⼀个TC；——快速随路控制信道（FACCH）：它与⼀个TC；图1.3（b）控制信道；第⼆章TDMA 帧与脉冲序列；2.1TDMA帧结构；在TDMA中，每个载频被定义为⼀个TDMA帧，相；TDMA 帧号是以3.5⼩时（2715648个TD；图2.1(a)26帧结构图；如图2.
——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。
图1.3（b）控制信道
第⼆章TDMA帧与脉冲序列
国家燃烧2.1TDMA帧结构
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。
中共中央党校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。如图2.1(a)所⽰，26帧的复帧，它包括26个TDMA帧，持续时长120ms。图2.1(a) 26帧结构图
如图2.1(b)所⽰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
。
知觉现象学图2.1(b) 51帧的复帧结构图
2.2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：
消息⽐特（information bits）:
⽤于描述业务消息和信令消息，空闲突发脉冲序
列和频率校正突发脉冲序列除外。
训练序列（training sequence）：它是⼀串已知序列，⽤于供均衡器产⽣信道模型（⼀种消除⾊散的⽅法）。训练序列是发送端和接收端所共知的序列，它可以⽤来确认同⼀突发脉冲其它⽐特的确定位置，它对于当接收端收到该序列时来近似的估算发送信道的⼲扰情况能起到很重要的作⽤。值得注意的是，它在普通突发脉冲序列可分为8种，但在接⼊突发脉冲和同步突发脉冲序列是固定的⽽并不随着⼩区的不同⽽不同。
保护间隔（guard period）：它是⼀个空⽩空间，由于每个载频的最多同时承载8个⽤户，因此必须保证各⾃的时隙发射时不相互重叠，尽管使⽤了定时提前技术，但来⾃不同移动台的突发脉冲序列仍会有⼩的滑动，因⽽就采⽤了保护间隔。采⽤了这种⼿段后，可允许发射机在GSM规范许可的范围内上下波动。从另⼀⾓度来讲，GSM规范要求MS在⼀个突发脉冲的有⽤⽐特(不包括保护⽐特的其它⽐特)应保持恒定的传输幅度，并要求MS在两个突发脉冲之间传输幅度适当衰减，因此需要保护⽐特。相邻两个突发脉冲之间的幅度衰减并应⽤适当的调制⽐特流，将会减⼩对其它RF信道的⼲扰。
“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2.2GSM⽐特类型
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。
中国教师行动网同步突发脉冲序列（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帧号和识别码（BSIC）信息。
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。
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。
第三章逻辑信道到物理信道的映射；3.1控制信道的映射；谈过TDMA信道、TDMA帧和突发脉冲序列之后，；对某⼩区超过1个载频时，该⼩区C0上的TS0就映；(0区中0对应F；1区中0对应S;2区中0对应B；图3.1（a）BCCH与CCCH在TS0上的复⽤；F（FCCH）---移动台依此同步频率，它的突发；S（SCH）---移动台依此读TDMA帧号和BS；C（C
第三章逻辑信道到物理信道的映射
3.1 控制信道的映射
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。
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，见图3.1（a）图中所⽰：
(0区中0对应F；1区中0对应S; 2区中0对应B)
图3.1（a）BCCH与CCCH在TS0上的复⽤
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。
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 3.1(b)所⽰，它给出了51个连续TDMA帧的TS0。
图3.1(b)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3.1（c）所⽰。
图3.1（c）下⾏SDCCH和SACCH在TS1上的复⽤MSCBSC
图3.1（c）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3.1（d）所⽰。Dx、Ax含义与下⾏链路的相同。图3.1（d）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3.1（e）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3.1（e）仅有⼀个收发单元时控制信道在TS0上的映射MSCBSC
①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）。
结束语
