07第七章 空中接口上的传输
GSM空中接口
科技资讯 SC I EN C E &TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N 信 息 技 术1 GSM系统的无线传输特征G SM系统的空中接口可以分为逻辑信道和物理信道两种,其中逻辑信道是指物理信道上传输的信息内容。
物理信道是指信息传输的媒介。
G S M系统是既有T D M A 又有FDMA,在GSM系统中,一般有3个,4个或者7个小区构成一个区群,在区群内使用不同的频道,同频道保持相等距离,这样就实现了FDMA。
每个小区中含有多个载频,而每个载频上又分成8个时隙,每个时隙就是一个物理信道,这样单个GS M载频就可以同时支持8个移动用户通话,每个信道占用载频的八分之一时间,每次通话都会占据一个时隙直到通话结束或者发生切换,这样又实现了T DM A。
G S M900系统的工作频段是分上行和下行的,其中上行是指移动台发、基站收的频段是:890M H z～915M Hz,而下行是指基站发、移动台收的频段是:935MH z～960M Hz;收、发频段的间隔是45MHz,其中移动台的发射频段比基站的低,这是因为移动台采用较低频段发射,传输的损耗就比较小,有利于补偿上行和下行的功率不平衡。
在同一个区群内载频间隔是0.2MHz,整个工作频段被分为124对载频,频道的序号用n来表示。
由于每个载频分成8个时隙,所以G S M系统共有992个时隙。
但是在我国G S M系统只用了10MH Z,即上行的905M H z～915M H z其中905MHz～909M Hz是移动使用,909MH z～915M H z是联通使用;下行的950M H z～960M H z其中950M H z～954M H z是移动使用,954MHz～960MHz是联通使用。
很容易的我们知道联通有29个频点,移动有19个频点,但事实上移动有20个频点因为移动向下压缩了B网的一个频点。
GSM使用的是高斯型最小频移键控G M S K方式,基站的发射功率是每载波500W,所以每时隙平均是500/8也就是62.5W。
无线通信原理作业习题（64学时）
第一章1. 什么叫移动通信?移动通信有哪些特点?2. 单工通信与双工通信有何区别?各有何优缺点?3. 数字移动通信系统有哪些优点?4. 常用移动通信系统包括哪几种类型?5. 蜂窝通信系统采用了哪些技术?它与无线寻呼、无绳电话、集群系统的主要差别是什么?6. 集群的基本概念和方式是什么?它与常用的话音通信有何差别?7. 移动卫星通信的典型系统有哪些?它与地面蜂窝移动通信的差别是什么?8. 什么叫分组无线网?9. 移动通信包括哪些主要技术?各项技术的主要作用是什么?10. 移动通信系统由哪些功能实体组成?其无线接口包括哪几层的功能?第二章1. 移动通信中对调制解调技术的要求是什么?2. 已调信号的带宽是如何定义的? FM信号的带宽如何计算?3. 什么是调频信号解调时的门限效应? 它的形成机理如何?4. 试证明采用包络检测时，FSK的误比特率为e-r/2/2。
5. 试述MSK调制和FSK调制的区别和联系。
6. 设输入数据速率为16 k b／s，载频为32 kHz，若输入序列为{0010100011100110}，试画出MSK信号的波形，并计算其空号和传号对应的频率。
7. 设输入序列为{00110010101111000001}。
试画出GMSK在B b T b=0.2时的相位轨迹，并与MSK的相位轨迹进行比较。
8. 与MSK相比，GMSK的功率谱为什么可以得到改善?9. 若GMSK利用鉴频器解调，其眼图与FSK的眼图有何异同?10. 试说明GMSK一比特延迟差分检测和二比特延迟差分检测的工作原理。
11. 试证明PSK相干解调的误比特率为。
12. QPSK、OQPSK和π/4-DQPSK的星座图和相位转移图有何异同?13. 试述π/4-DQPSK调制框图中差分相位编码的功能，以及输入输出信号的关系表达式。
14.试述π/4-DQPSK基带差分检测电路中解码电路的功能，以及输入输出信号的关系表达式。
15. 试说明π/4-DQPSK信号的基带差分检测和中频差分检测的原理。
第七课：LTE空中接口分层详解
第七课：LTE空中接口分层详解前面一课我们了解到，LTE空中接口协议栈主要分为三层两面，三层是指物理层、数据链路层、网络层，两面是指控制平面和用户平面。
从用户平面看，主要包括物理层、MAC 层、RLC层、PDCP层，从控制平面看，除了以上几层外，还包括RRC层，NAS层。
下面我们分别对这些分层进行详解。
一、MAC 媒体接入控制层1. MAC层功能概述不同于UMTS，MAC子层只有一个MAC实体，包括传输调度功能、MBMS功能、MAC控制功能、UE级别功能以及传输块生成等功能块。
MAC层结构如图1图1 MAC层结构图MAC层的各个子功能块提供以下的功能：（1） 实现逻辑信道到传输信道的映射；（2） 来自多个逻辑信道的MAC服务数据单元（SDU）的复用和解复用；（3） 上行调度信息上报，包括终端待发送数据量信息和上行功率余量信息。
基于HARQ机制的错误纠正功能；（4） 通过HARO机制进行纠错；（5） 同一个UE不同逻辑信道之间的优先级管理；（6） 通过动态调度进行UE之间的优先级管理；（7） 传输格式的选择，通过物理层上报的测量信息，用户能力等，选择相应的传输格式（包括调制方式和编码速率等），从而达到最有效的资源利用；（8） MBMS业务识别；（9） 填充功能，即当实际传输数据量不能填满整个授权的数据块大小时使用。
各功能与位置和链路方向的对应关系如图2所示。
图2 MAC功能与位置和链路方向的关系2. MAC层关键过程1. 调度与UMTS不同，LTE完全取消了专用信道，并引入了共享信道的概念。
在不同UE不同逻辑信道之间划分共享信道资源的功能成为调度。
早期的很多接入系统每个用户的业务都有专门的信道，虽然到了HSPA时已经有共享信道的概念，但是主要还是针对数据业务。
LTE的几乎所有的应用与业务都是使用共享信道，由于各个业务与应用的对服务质量（QoS）的要求是不同的，如何为具有不同带宽要求、不同时延保障、不同QOS等级的各种业务合理地分配资源，在满足业务需求的基础上，提高网络的总体吞吐量和频谱效率，是分组调度的核心任务。
空中信道
第五章空中接口上的信道模拟和数字信号的发射GSM采用数字空中接口的主要原因：抗噪声能力强，能增加频率复用率，减小干扰。
可采用差错校正技术，保证传输话务的可靠性。
为移动用户增加了保密性，为系统操作员增加了安全性。
可与ISDN兼容，使用标准化开放式接口，并能为用户提供范围更广的业务。
调制技术信号要在空中发送需要经过调制，有三种调制技术：幅度调制对于模拟信号来说易于实现，但抗噪声性能差。
频率调制实现起来复杂一些，但是抗噪声性能较好。
相位调制抗噪声性能最好，但是对于模拟信号来说实现起来过于复杂，所以也很少使用。
数字信号可以采用以上任何一种调制方式，其中，相位调制的抗噪声性能最好。
因为相位调制对数字信号而言易于实现，所以GSM 空中接口采用了这种调制方法。
相位调制对于数字信号而言也称为相移键控PSK（Phase Shift Keying）。
调制技术1. 幅度调制(AM- Amplitude Modulation)2. 频率调制(FM- Frequency Modulation)3.相移键控(PSK- Phase Shift Keying)数字信号的发射虽然相位调制抗噪声性能很好，但是还存在一个问题，当信号突然改变相位时，会产生高频分量，需要较宽的发射带宽。
GSM系统必须有效的利用有限的频段，所以在GSM空中接口没有简单的采用这种相位调制技术，而是采用一种更有效的、改进型的相位调制技术，称为高斯最小相移键控GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying）高斯最小相移键控GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying）如果采用二进制相移键控BPSK（Binary Phase Shift Keying），当数字信号从“1”到“0”或从“0”到“1”时，载频的相位随之立即变化，采用GMSK后，相位的变化需经过一个时间段，这样减少了高频分量。
采用GMSK时，数字信号首先经过一个高斯滤波器，使之变形，减少信号的锐变。
空中接口的概念及其性能要求
空中接口的概念及其性能要求空中接口（Air Interface）是指用户终端（UT）和无线接入网络（RAN）之间的接口，它是任何一种移动通信系统的关键模块之一，也是其“移动性”的集中体现。
IMT-Advanced的空中接口，在设计思想上是基于ITU-R M.1645建议，其设计目标是：以用户为中心；技术上灵活；成本上可行。
IMT-Advanced系统中典型应用场景有三种：广域场景，其小区覆盖大，业务量中等；大城市场景，其小区覆盖中等，业务量高；本地场景，其小区覆盖小，业务量高。
IMT-Advanced系统根据不同的应用场景，对空中接口提出了不同的性能要求（见表1）。
此外，为了支持链路自适应技术和时延敏感性强的应用，空中接口还要在时延性能上满足表2所列出的参数。
3 空中接口的关键技术空中接口中的技术种类繁多，这里先介绍协议参考模型，然后按照层次关系，分别介绍各协议层中的关键技术。
3.1 协议参考模型IMT-Advanced系统空中接口的协议参考模型，自上而下由四部分组成：无线资源管理层（RRM）、无线链路控制层（RLC）、媒体接入控制层（MAC）和物理层（PHY）。
在确保为高层协议提供统一的接口封装的前提下，为了实现“以用户为中心”的目标，即根据不同的用户需求来提供相应的服务，空中接口的各个协议层（除RLC层外）又被进一步划分为通用部分和特殊部分。
这样，每个协议层可以根据不同的用户需求来调用不同的协议子层，优化无线资源的利用，同时对高层协议屏蔽了底层用户需求的细节。
3.2 物理层物理层位于协议参考模型的最低层，承载全部上层应用，它所含技术种类繁多（包括调制技术、编码技术、双工方式以及射频实现等），且复杂度高。
物理层技术的发展就是移动通信系统发展的标志。
（1）空间处理空间处理能给系统带来性能上的增益，主要是通过空间分集、空间复用、空分多址（SDMA）和干扰抑制等技术来实现的。
空间分集通过在独立信道上传输相同的数据，来提高传输的可靠性，因此它可以有效克服信道衰落的影响。
LTE入门篇-7：LTE的信道
LTE⼊门篇-7：LTE的信道信道是不同类型的信息，按照不同传输格式、⽤不同的物理资源承载的信息通道。
根据信息类型的不同、处理过程的不同可将信道分为多种类型。
重点介绍LTE的逻辑信道、传输信道、物理信道等常见的信道类型，并和3G相应的信道类型作了⽐较，通过⽐较可以加深LTE信道结构的理解。
最后给出LTE从逻辑信道到传输信道，再到物理信道的映射关系。
依据不同的货物类型，采⽤不同的处理⼯艺，选择相应的运送过程，最后保证接收⽅及时正确地接受货物。
1.信道结构1.1 信道的含义信道就是信息的通道。
不同的信息类型需要经过不同的处理过程。
⼴义地讲，发射端信源信息经过层三、层⼆、物理层处理，在通过⽆线环境到接收端，经过物理层、层⼆、层三的处理被⽤户⾼层所识别的全部环节，就是信道。
信道就是信息处理的流⽔线。
上⼀道⼯序和下⼀道⼯序是相互配合、相互⽀撑的关系。
上⼀道⼯序把⾃⼰处理完的信息交给下⼀道⼯序时，要有⼀个双⽅都认可的标准，这个标准就是业务接⼊点（Service Access Point，SAP）。
协议的层与层之间要有许多这样的业务接⼊点，以便接收不同类别的信息。
狭义的讲，不同协议之间的SAP就是信道。
1.2 三类信道LTE采⽤UMTS相同的三种信道：逻辑信道、传输信道和物理信道。
从协议栈⾓度来看，逻辑信道是MAC层和RLC层之间的，传输信道是物理层和MAC层之间的，物理信道是物理层的，如图所⽰。
逻辑信道关注的是传输什么内容，什么类别的信息。
信息⾸先要被分为两种类型：控制消息（控制平⾯的信令，如⼴播类消息、寻呼类消息）和业务消息（业务平⾯的消息，承载着⾼层传来的实际数据）。
逻辑信道是⾼层信息传到MAC层的SAP。
传输信道关注的是怎样传？形成怎样的传输块（TB）？不同类型的传输信道对应的是空中接⼝上不同信号的基带处理⽅式，如调制编码⽅式、交织⽅式、冗余校验⽅式、空间复⽤⽅式等内容。
根据对资源占有的程度不同，传输信道还可以分为共享信道和专⽤信道。
WCDMA(空中接口)基本原理概述
三、WCDMA（空中接口）基本原理概述目标：了解扩频的基本原理（码字）、功率、功率控制、上下行链路的覆盖限制、Rake接收机、宏分集、发射分集、压缩模式及无线帧等概念。
1、扩频基本原理（码字）对于多址接入方式，WCDMA在同一载频上，多个用户通过不同的码字加以区分，为什么WCDMA还会有时间轴的定义？对于CDMA来说，物理信道的定义是频率加码字，时间概念的引入是在传输信道上基带信号处理过程的基本单位，对应用层信息，以多长时间来分块进行基带信号处理，如GSM中20ms的时间块，在UMTS中则随不同传输信道的格式，选择10ms、20ms、40ms或80ms等不同的时间块。
所以时间概念是空中接口基带信号处理中传输信道的适配，也就是传输信道上的速率适配。
时间和时隙的作用是提供时钟参考和传输信道块的处理单位。
在WCDMA中码字（Code）和功率（Power）是二个重要概念，码字是用来区分每一路通信的，而功率是对系统的干扰。
与GSM类似，在WCDMA系统中，FDD方式下空中接口的主要参数包括：带宽――5MHz（实际使用的带宽射频调制之后是4.75MHz，在频率划分上可以不留保护频带）；双工间隔――190MHz（中间值），规范规定双工间隔可以在134.8MHz～245.2MHz间取值（取决于不同国家的频谱规划）；信道栅格（channel raster）――200KHz，在中心频率选择时，每200KHz频率作为一个单位，故中心频率一定是200KHz的整数倍；绝对射频信道号（UARFCN）――用一对整数来描述空中接口的一对上下行频率，对应关系：Nul（Number UL）＝5xful；Ndl＝5xfdl，其中ful和fdl分别是上行和下行链路的绝对频率值。
该参数将作为底层的系统配置参数写入软件中，一旦获得相应的Lisence参数就不会发生变化。
在TDD方式下，会增加一个时隙参数的定义，一个TS定义为666.67us；频段从1900～1920MHz；2010～2025MHz，每5MHz构成一个中心频率。
移动通信原理与系统(第4版)第七章 第四代移动通信系统 — LTE及LTE-Advanced
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7.1.2 LTE需求
无线资源管理需求
（1）增强无线资源管理机制，以便实现更好的端到端QoS； （2）E-UTRAN系统应提供在空口有效的传输和高层协议操作方式， 如支持IP头压缩； （3）E-UTRAN系统应支持在不同的无线接入系统间的负载均衡机制 和管理策略。
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7.1.2 LTE需求
7.4 LTE-Advanced介绍
7.5 载波聚合技术
7.1.1 载波聚合简介 7.1.2 载波聚合部署场景 7.1.3 载波聚合关键技术
7.6 中继技术
7.1.1 概述 7.1.2 中继分类 7.1.3 LTE-Advanced中继系
统的中继时隙配置
7.1.4 协作中继技术
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学习重点与要求
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7.1.3 LTE关键技术
❖多载波技术
对抗时间弥散无线信道的健壮性。由于把宽带传输信号细分为多个 窄带子载波，从而使得符号间干扰主要限制在每个符号起始的保护 带内； 通过频域均衡实现的低复杂度接收机； 广播网络中多重发射机发射信号的简单合并；
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7.1.3 LTE关键技术
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7.1.2 LTE需求
业务相关需求
E-UTRA系统应能够有效支持各种类型的业务，包括现有的网页浏览、 FTP业务、视频流业务和VoIP业务，并能够以分组域方式支持更先进 的业务（如实时视频或一键通）。VoIP业务的无线接口和回程效率以 及时延性能不低于现有的UMTS系统电路域话音实现方式。
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7.1.2 LTE需求
（1）在相同的地理区域内实现与GERAN/3G系统的邻频、共站址共 存； （2）在相同的地理区域内实现不同运营商系统间的邻频、共站址共 存； （3）在国境线上的系统间可实现相互重叠和相邻频段情况下共存； （4）可在所有的频段内独立进行部署。
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一、多址接入 无线电频谱的资源非常有限，全球都在分享有 限的资源。 －频分多址(FDMA) －时分多址(TDMA)
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•时分多址(TDMA)
Time Division Multiple Access，将载波分割成时 隙(slot)。
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语音信号
语音信号
信源编码
信道编码 交织编码 复用和生成 突发
信源译码
信道译码
反交织编码
去复用和提取 突发中资料
解密 解调和均衡
加密
调制 图7－5 语音的传送链
•语音的打包传送
利用语音信号是时间的一个函数的特性。 －将信号分割成20ms的连续的曲线 －对每一条曲线进行数字化(量化)、压缩、 加入保护信息，从而形成一个经过了编码的 帧，占456bits，有时也被称为块(block)。 －整个打包过程带来的延迟大约为20ms。
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0 1
7
时隙：156.25 bits(577s) 8.25 bits(30.46 s) 编码和加密后数据 3 bits 57+1 bits 训练序列 26 bits 编码和加密后数据 57+1 bits 3 bits
图7－13 正常突发的格式
•训练序列
～是一连串固定的二进制单元，它具有自相关 的特性。由16个在中央的符号和分布在两端的 两个5bits的域组成。 00100 1011100001000100 10111
缺陷：带来了额外的延迟。
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步骤： －456bits的编码块的排列如图7-11(适用于 456bits的语音块和大部分的信令块)。 －每个子块 (0, 1, 2, 3和前一个语音帧；4, 5, 6, 7和后一个语音帧)和别的子块相结合。 －将一个突发中的两个子块混合。一个突 发中的偶数位对应最新的语音帧，奇数位 对应前一语音帧。
(m+1)被称为编码约束长度。
卷积码通常用(n, k, m)表示，k表示信息元个数， n表示由k个信息元通过编码器产生长度为n的 码段，m表示这个长度为n的码段与前m组的信 息元有关。
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输入
数据S1
D1
S2
D2
S3
C1 码字输出 C2
C S1 S 2 S 3 输出码字： 1 C 2 S1 S 3
－跳频号介于0~N-1之间；
－使用规范中的一个算法，可以生成一系列介 于 0 ～ N-1 的 伪 随 机 数 Si 。 该 算 法 使 用 FN (Frame Number) 和 HSN (Hopping Sequence Number)作为参数； －在分配信道时，BTS将分配一个介于0~N-1 的索引MAIO (Mobile Allocation Index Offset)给 移动台。移动台通过将MAIO和Si两者相加(模 N)来决定频率号。
－如果仅采用第一种方法，时隙末的保护 时间必须有200s左右；GSM系统中同时使 用 了 TA 管 理 ， 时 隙 末 的 保 护 时 间 降 低 到 30s。
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三、GSM系统中的通信流程
•语音的传送流程：
发送端：语音信源编码信道编码交织 编码复用和生成突发加密调制 接收端：解调解密去复用和提取突发中 有用信息反交织编码信道解码信源解 码语音
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8
全速率物理信道
频率
载波
载波 载波
载波
TDMA帧
时间
图7－2 使用跳频的单工物理信道
二、双工通信
•频段分割 GSM系统中，使用了FDD技术，将频率段 分成两个相等的小段。 GSM900 系 统 的 双 工 作 业 间 隔 为 45MHz ， DCS1800系统的双工作业间隔为95MHz。
01
c
图7－8 (2, 1, 2)码状态图
a
00 11
a
00 11
a
00 11
a
00 11
a
00 11
a
00 11
a
b
10
b
11
00 10
b
11
00 10
b
11
00 10
b
11
00 10
b
实线：输入数据为0时 虚线：输入数据为1时 线旁数字：输出码字 节点：状态 粗线：输入(11010)时的轨 迹 输出码字：1101010010
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对于512n885：f下行=1805.2+[0.2(n-512)]
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系统中的载波对数为： GSM中，N载波=124
扩展GSM中，N载波=147
DCS1800中，N载波=374
对于一个GSM系统来说，双工的物理信道数量 为：8N载波。
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•时间提前量 (Timing Advance)
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频率
TDMA帧
双 工 作 业 间 隔
时间
图7－3 无跳频双工通信的物理信道
•载波的编号
ARFCN是描述载波号n的唯一方法，是被编码 成10bits上。 GSM900中下行频率为 对于1n124：f 下行 =935+(0.2n), n=0被允许使 用在扩展GSM中 对于975n1024：f 下行 =935+[0.2(n-1024)] (扩 展GSM) DCS1800中下行频率为
图7－7 (2, 1, 2)卷积码编码器
起始状态时，各寄存器清零，即S1S2S3为000。 假设输入数据M=[11010]，输出码字为(为了保 证全部数据通过寄存器，必须在数据位后加 "000"(尾比特，长度等于移位寄存器长度))：
S1 S3S2 C1C2 1 00 11 1 01 01 0 11 01 1 10 00 0 01 10 0 10 11 0 00 00 0 00 00
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•加密
根据网络的本地时间(超超帧中的帧号FN)和会 话密钥Kc，算法A5分别提供了两个114bits的伪 随机码。一个专门用于上行链路，另一个专门 用于下行链路。
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小结：
•GSM系统中所使用的频率段的特性
•GSM系统中来回传播的时间提前量的意义 •GSM系统中的交织编码 •维特比译码的应用
A0 A1 A2 A3
A0,n A4,n-1
A1,n A5,n-1
A2,n A6,n-1
A3,n A7,n-1
A0,n+1 A4,n
A1,n+1 A5,n
A2,n+1 A6,n
A3,n+1 A7,n
分到对应块的奇数bit 分到对应块的偶数bit
图7－12 块对角交织示意图(2)
六、突发的格式
突发一般包括：训练序列、数据和几个多余的 bits。
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先选前3个子码作为标准，对到达第三级的4个节点的8条路径进行比较
a
00
a
00
a
00
a
00
a
00
a
00
a
11(1)
11
11
11
11
11
b
10
b
11 00 10
b
11 00(1) 10
b
11 00 10(0)
b
11(0) 00 10
b
c
01(1)
01(0)
c
01
01
c
01
01
c
全速率信道：GSM系统中，在每一个TDMA帧 中，都分配一个时隙给某一个用户，用这种方 法构成的物理信道。 全速率信道能够以13kbps的速率传输语音，或 12/6/3.6 kbps传输数据。
半速率信道：GSM系统中，在每两个TDMA帧 中，分配一个时隙给某一个用户，用这种方法 构成的物理信道。
半速率信道能够以7kbps左右的速率传输语音， 或6/3.6 kbps传输数据。
状态
a
b
d
c
b
c
a
a
表7－4 (2, 1, 2)编码器的工作过程
•卷积码解码 －代数译码 －生成矩阵和监督矩阵 －概率译码 －维特比译码和序列译码
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•维特比译码 ～是一种最大似然译码算法。 基本思路：把接收到的码字与所有可能的码字 比较，选择一种海明码距最小的码字作为解码 输出。 由于接收序列通常很大，在使用～时，将接收 码字分段，每接收一段码字，计算比较一次， 保留码距最小路径，直至译完整个序列。 海明码距：两个等长的码之间对应位数字不同 的个数。
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•双工物理信道
一条单工物理信道一个载波上的每个TDMA 帧中的一个时隙
一条双工物理信道两条单工物理信道
双工作业间隔：f上行=f下行-W双工
式中， f 上行为上行载波频率，f下行为下行载波 频率，W双工为双工作业间隔。
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GSM系统中，对于移动台来说，发送和接收之 间有3个时隙的间隔，上行的TDMA帧比下行 的要推后3Tslot。
8个half burst
TDMA帧 个TDMA帧 语音帧 ≈发送一个语音帧所需时间
图7－6 一个语音帧在8个TDMA帧突发中的交织传输
五、差错控制
在GSM中，主要应用了： －使用简单的循环冗余码检错 －使用卷积码和维特比码(Viterbi)来纠错