物理信道與邏輯信道映射詳細解析
1. 頻點、時隙、信道
在GSM中,無線路徑上是採用時分多址TDMA方式。每一頻點(頻道、載頻TRX)可分爲8個時隙,每一時隙爲一個信道,因此一個TRX最多可有8個移動用戶同時使用。
GSM系統中的信道分爲物理信道和邏輯信道,一個物理信道就是一個時隙(TS),如下圖所示。
邏輯信道是根據BTS與MS之間傳遞的信息種類不同而定義的不同邏輯信道。
邏輯信道分爲兩大類:業務信道和控制信道。
1) 業務信道(TCH):用於傳送編碼後的語音或客戶數據。
2) 控制信道:用於傳送信令或同步數據。可分爲廣播控制信道、公共控制信道以及專用控制信道三種。
廣播控制信道(BCH):
頻率矯正信道(FCCH):攜帶用於校正MS頻率的消息,在下行信道中傳送,點對多點(BTS對多個MS,即對整個服務小區,也稱廣播方式)方式傳播。
同步信道(SCH):攜帶MS的幀同步(TDMA幀號)和BTS的識別碼(BSIC)的信息,在下行信道中傳送,點對多點方式傳播。
廣播控制信道(BCCH):廣播每個BTS的通用信息(小區特定信息)。在下行信道中傳送,點對多點方式。在每個基站收發信臺中總有一個收發信機含有這個信道,以向移動臺廣播系統信息。
公共控制信道(CCCH):
尋呼信道(PCH):用於尋呼(搜索)MS。在下行信道中傳送,點對多點方式傳播。
隨機接入信道(RACH):MS通過此信道申請分配一個獨立專用控制信道(SDCCH),作爲對尋呼的響應或MS主叫/登記時的接入。在上行信道中,點對點方式(1個MS對應於1個BTS)傳播。
允許接入信道(AGCH):用於爲MS分配一個獨立專用控制信道(SDCCH)。在下行信道中傳送,點對點方式傳播。
專用控制信道(DCCH):
獨立專用控制信道(SDCCH):用在分配TCH之前的呼叫建立過程中傳送系統信令。例如:登記和鑑權在此信道上進行。在上行和下行信道中傳送,點對點方式傳播。
慢隨路控制信道(SACCH):它與一個TCH或一個SDCCH信道相關,是一個用於傳送連續信息的連續數據信息,如傳送移動臺接收到的關於服務及鄰近小區的信號強度的測試報告,這對移動臺參與切換時必要的;它還用於MS的功率管理和時間調整。在上行和下行信道中傳送,點對點方式傳播。
快隨路控制信道(FACCH):它與一個TCH相關。工作於借用模式,即在話音傳輸過程中如果突然需要以比SACCH速度高得多的速率傳送信令信息時,則借用20ms的話音(數據)來傳送。一般在切換時發生。由於語音譯碼器會重複最後20ms的話音,因此這種終端不會被用戶察覺。
其中,FCCH、SCH、BCCH、PCH、RACH、AGCH信道均是在下行或上行的BCCH載頻的0時隙上傳送。
2. 時隙的時間
如上所示:1 TDMA frame = 8 time solts;
1 time slot = 15625 symbol durations;
1 symbol duration = 48/13 us;
因此,1幀 = 8 * 15625 * 48/13 us = 4.615ms;
在系統消息下發的時候,具體下發哪個系統消息是通過TC來決定的,TC = (FN DIV 51) MOD 8,因此TC的循環週期爲51 * 8 = 408幀。這樣可以計算出每個系統消息發送的具體時間。
3. 幀、復幀
在TDMA多址方式中,每個載頻被定義爲一個TDMA幀,每幀包括8個時隙(TS0~7),每一幀都有一個TDMA幀號(因GSM對信息進行加密的計算加密序列的算法是以TDMA幀號作爲一個輸入參數的),因此有了TDMA幀號,移動臺就可判斷控制信道TS0上傳送的是哪一類邏輯信道信息。
每一個TDMA幀含8個時隙,每幀長4.615ms,每個時隙含156.25個碼元,佔0.577ms。
TDMA幀號是以3.5小時(2715648個TDMA幀)爲週期循環編號的。每2715648個TDMA幀爲一個超高幀,每一個超高幀又可分爲2048個超幀,一個超幀持續時間爲6.12s,每個超幀又是由復幀組成。
復幀分爲兩種類型:
26幀的復幀——它包括26個TDMA幀,持續時長120ms,51個這樣的復幀組成一個超幀。這種復幀用於攜帶TCH(和SACCH加FACCH)。
51幀的復幀——它包括51個TDMA幀,持續時長3060/13ms。26個這樣的復幀組成一個超幀。這種復幀用於攜帶BCH和CCCH。
4. 突發脈衝序列
TDMA信道上一個時隙中的信息格式稱爲突發脈衝序列。共有五種類型:
a) 普通突發脈衝序列(NB):用於攜帶TCH以及除RACHA,SCH和FCCH以外的控制信道上的信息。
b) 頻率校正突發脈衝序列(FB):用於移動臺的頻率同步,它相當於一個帶頻移的未調載波。此突發脈衝序列的重複稱爲FCCH。
c) 同步突發脈衝序列(SB):用於移動臺的時間同步,它包括一個易被檢測的長同步序列並攜帶有TDMA幀號和基站識別碼(BSIC)信息。這種突發脈衝序列的重複稱爲SCH。
d) 接入突發脈衝序列(AB):用於隨機接入,它有一個較長的保護間隔,是爲適應移動臺首次接入(或切換到另一個BTS)後不知道時間提前量而設置的。移動臺可能遠離BTS,這意味着初始突發脈衝序列會遲到一些到達BTS,由於第一個突發脈衝序列中沒有時間調整,爲了不使第一個突發脈衝序列與下一時隙中的突發脈衝序列重疊,此突發脈衝會短一些。
e) 空閒突發脈衝(DB):此突發脈衝序列在某些情況下由BTS發出,不懈怠任何信息。
5. 邏輯信道到物理信道的映射
假設:每個小區有若干個載頻,每個載頻都有8個時隙,定義載頻數爲C0、C1、…、Cn,時隙數爲T0、T1、…、T7。
1) 控制信道的映射
如果某小區超過一個載頻,則該小區載頻C0上的TS0就映射廣播和公共控制信道(BCCH、FCCH、SCH、PCH、AGCH、RACH)。
下行鏈路:
BCCH+CCCH下行映射規則如下所示:
其中,F即FCCH、S即SCH、B即BCCH、C即CCCH、I即IDLE。即使沒有尋呼或接入進行,BTS也會再C0上發射,用空閒突發脈衝序列代替。
51幀的復幀是用於攜帶BCH和CCCH,因此51幀的復幀中共有51個TS0,所攜帶的控制信道排列的順序如下所示,次序列在第51個TDMA幀上映射一個空閒幀之後開始重複下一個51幀的復幀。
注意:此處在之前理解的時候有一個誤區,我以爲每個TDMA幀的每個時隙發送的東西應該一樣。其實,不然,在發送時就是按照這種映射規則,在一個51復幀的第一個TDMA幀的T0時隙發送FCCH數據,第二個TDMA幀的T0時隙發送SCH數據,以此類推。還有最關鍵的要注意,這裏的映射只發生在TS0時隙上。
下行鏈路C0載頻上的TS1時隙用於映射專用控制信道。它是102個TDMA幀複用一次,三個空閒幀之後再從D0開始,如下所示:
其中,Dx(SDCCH)—— 此處移動臺x是一個正在建立呼叫或更新位置或與GSM交換系統參數的移動臺。Dx只在移動臺x建立呼叫時使用,在移動臺x轉到TCH上開始通話或登記完釋放後,Dx可用於其它MS。
Ax(SACCH)—— 在傳輸建立階段(也可能是切換時)必須交換控制信令,如功率調整等信息,移動臺x的此類信令就是在該信道上傳送。
上行鏈路:
上行鏈路載頻C0上映射的TS0是不包含上述各信道的,它只含有隨機接入信道RACH,用於移動臺的接入,如下圖所示,給出了51個連續TDMA幀的TS0:
由於是專用信道,上行鏈路載頻C0上的TS1時隙與下行鏈路上具有同樣的結構,即意味着對一個移動臺同時可雙向連接,但時間上有個偏移,如下圖所示,其中Dx、Ax與下行鏈路定義相同:
2) 業務信道的映射
用於攜帶TCH的復幀是26幀的,因此有26個TS2,第26個TS2時隙是空閒幀時隙,空閒幀時隙之後序列從頭開始(即以空閒幀時隙I作爲重複序列的開始或結尾)。
下行鏈路:
除了映射控制信道以外的時隙均映射業務信道(TCH),映射方法如下圖所示,圖中僅給出了下行C0上的TS2時隙的映射構成:
其中,T(TCH)—— 編碼語音或數據,用於通話
A(SACCH)—— 控制信號。用於移動臺接收命令改變輸出功率、瞭解應監視哪些BTS的BCCH、向系統報告從周圍BTS接收到的信號強度等。
I(IDLE)—— 空閒幀。它不包含任何信息,主要用於配合測量。
上行鏈路:
上行鏈路的結構與下行的一樣,唯一不同的是有一個時間的偏移,也就是說上下行的TS2是在不同時間出現,時間偏移約3個時隙。
注意:
控制信道的配置是依據每小區(BTS)的載頻(TRX)數而定的。小區信令信道配置如下表所示:
關於這個表的理解,是當小區只有一個頻點時,在TS0上會按照“1X BCCH + CCCH + 4SDCCH/4(TS0)”的格式發送。這時的幀格式和上面映射時的幀格式就不一樣了,此時格式如下:
此時的循環週期就是102。
如果有多個頻點,則可能有多個信道發,每個信道發送不同的東西。例如,當頻點數爲2~5的時候,就是一個頻點發送“BCCH+CCCH(TS0)”,一個頻點發送“8SDCCH/8”。
總結:
綜上所示,可知在C0載頻上的全部TS爲:
TS0:邏輯控制信道,重複週期爲51個TS
TS1:邏輯控制信道,重複週期爲102個TS
TS2~TS7:邏輯業務信道,重複週期爲26個TS
其它所有載波(CS1~CS7)的TS0~TS7時隙全部都是業務信道TCH。
若一個小區只有一個載頻C0,則它將有6個TCH(TS2~TS7)。若增加其它的載頻,則其它載頻的所有TS可全部用作TCH。