精华区文章阅读

发信人: freshwind (浮云流水|生命何物), 信区: Communication
标题: 从空中接口的帧结构看数字集群移动通信系统
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月20日19:04:30 星期三), 站内信件

从空中接口的帧结构看数字集群移动通信系统
Estimating the Digital Trunked Communication Systems from the
FrameStructure of the Air Interface

邹滨雨

　　[摘要]：本文在介绍和分析目前作为中国数字集群移动通信系统体制标准候选
系统的iDEN、FHMA和TETRA系统的空中接口帧结构的基础上，从帧结构的角度评价
这三个系统。
　　[关键词]：数字集群　移动通信　帧结构　空中接口
　　
1　引　　言
　　帧的严格定义是指这样一组相邻的数字时隙，其中各数字时隙的位置可以根据
帧定位信号来加以识别。有时出于需要，由几个帧构成一个复帧或者把一个帧分成
几个子帧。
　　从广义上说，串行化的数据都以帧的形式传送，每帧都有开始标志。
　　本文将串行化数据的数据格式都称之为帧结构。以下内容将介绍国际上几个较
先进的数字集群移动通信系统的空中接口帧结构，从帧结构的角度评价目前作为中
国数字集群移动通信系统体制标准候选的三个系统。
2　基本概念
　　空中接口是移动通信系统中移动台与基站间无线通道的信号传输规范，其特性
由移动台与基站间的通信协议、信道结构和接入能力、维护和操作特性、性能和业
务特性等所规定。帧结构归属于通信协议，与信道结构和接入方法有关。
　　移动台和基站间的通信协议一般都采用开放系统互连(OSI)参考模型的概念来
规定其协议模型，分为三层。
　　第一层：物理层，包括各类信道和为高层信息的传输提供基本的无线信道；
　　第二层：数据链路层，通常又分为逻辑链路控制子层和媒体接入控制子层，包
括各种数据传输结构，它对数据传输进行控制。
　　第三层：网络层，通常又分为无线电资源管理(RM)、移动性管理(MM)和连接管
理(CM)三个子层，包括各类消息和进程，它对业务进行控制。
　　帧结构是数字通信系统中的基本协议，每层的数据都有其帧结构，低层为高层
信息提供透明通道。
3　系统帧结构的介绍与分析
3.1　摩托罗拉公司iDEN系统的帧结构
　　iDEN系统采用TDMA多址接入方式和M－16QAM(M=4)的调制方式，调制信道比特
率为64kbit／s。一个TDMA帧90ms，分为6个时隙，每个时隙15ms。30240个时隙构
成iDEN系统的一个帧(帧周期453.6s)，256个帧构成一个超帧(超帧周期116，121.
6s)。
　　每时隙的帧结构都有用于时间同步的3个同步符号和用于提供相位和幅度参考
的导引符号，具体的帧结构视应用场合不同而分为三种：
　　(1)上行随机接入，将15ms时隙进一步分为2个7.5ms的随机接入子时隙，每个
7.5ms子时隙都包括有训练波形、同步符号、数据／导引符号、传播延时等，见图
1。

图1　iDEN上行随机接入时隙帧结构

　　每7.5ms子时隙可携带224比特高层信息。
　　第二层的224比特帧元素包括16比特的色彩码和208比特的短发送单元。
　　(2)上行预留接入，占据整个15ms时隙，包含有训练波形、同步符号、数据／
导引符号等，见图2。

图2　iDEN上行预留接入时隙帧结构

　　每15ms时隙可携带688比特高层信息。
　　第二层的688比特帧元素包括16比特色彩码和672比特正常发送单元。
　　(3)下行时隙，由连续的15ms时隙数据流构成，只有同步符号和数据／导引符
号，见图3。

图3　iDEN下行时隙帧结构

　　每15ms时隙可携带800比特高层信息。
　　第二层的800比特帧元素包括16比特的色彩码和672比特的正常发送单元，还有
112比特的时隙信息发送单元。
　　其中色彩码用于信道的加扰(目前尚未规定加扰法)。
　　发送单元主要用于传送第三层信息，它由相应的处理进程根据第三层信息的特
点采用CRC校验码和多码率的格形纠错码，并经过交织而构成。
　　时隙发送单元主要用于传送时隙描述块(SDB)的信息，SDB指定了某逻辑信道的
时隙信息，即指出了逻辑信道与物理信道的映射关系。
　　一个物理信道由以下三个参数唯一确定：
　　.载波号——指出所使用的载波对
　　.交织——给出一个物理信道相邻时隙的步长
　　.偏移——一个物理信道的最小时隙号
　　逻辑信道是在对等的逻辑链路控制(LLC)实体间交换信息的一种结构，iDEN系
统定义了6种逻辑信道：时隙信息信道(SICH)、主要控制信道(PCCH)、临时控制信
道(TCCH)、专用控制信道(DCCH)、相关控制信道(ACCH)、通信信道(TCH)，其中主
要控制信道又分为广播控制信道(BCCH)、公共控制信道(CCCH)、随机控制信道
(RACH)。逻辑信道所采用的物理信道由该物理信道中SICH携带的时隙描述模块
(SDB)确定。
　　第三层的每一个消息都有其消息格式，目前的iDEN系统为空中接口定义了7种
消息，每种消息又有很多条消息，每条消息可用6比特来表征其类型。
　　iDEN系统的帧同步和帧偏移都以上行和下行超帧的时间差来定义。规定了上行
和下行超帧之间的临时偏移为19ms，同一小区基站发射的超帧之间的瞬时误差绝对
值＜150μs，不同小区基站发射的超帧之间的瞬时误差绝对值＜250μs。由此计算
出基站的时钟稳准度要在10－9量级。
3.2　GEOTEK公司FHMA系统的帧结构
　　FHMA系统采用TDMA和跳频相结合的多址接入方式和π／4DQPSK调制方式，调制
信道比特率为36.9kbit／s。一个TDMA帧20／3ms，分为3个时隙，每个时隙20／
9ms，有41个符号，其中前后各有一个保护空格符号，见图4。

图4　FHMA的时隙结构

　　在39个有效信息符号当中，至少有一个符号作为同步作用。所以每20／9ms时
隙可携带高层信息38个符号。
　　FHMA系统的物理信道有三种：
　　(1)CCH，控制信道，又分为基本控制信道(BCCH)和复合控制信道(CCCH)；
　　(2)ACH，接入信道，又分为基本接入信道(BACH)和复合接入信道(CACH)；
　　(3)TCH，通信信道，又分为语音通信信道和数据通信信道。
　　不同的物理信道有不同的消息格式，分别介绍如下：
　　①BCCH消息的格式有38比特，在单一时隙传送。BCCH消息分地址消息和广播消
息两类，地址消息的格式如图5(a)所示，它将短的控制消息从BS传递到MS；广播消
息格式如图5(b)所示，它将固定参数分配给扇区内的MS。

.STID：短终端识别码　.OPCODE：操作码
.DATA：数据.CRC：循环冗余校验码

图5　FHMA的BCCH消息格式

　　②CCCH消息的格式共152比特，分4个时隙传送，每时隙38比特。用于将长的控
制消息从BS传递到MS。第一时隙的帧格式如图6(a)所示，其它时隙的帧格式如图
6(b)所示。

图中各字段的含义：
　　.NO_OF_BITS：整个数据中数据比特数，最大=11＋15×27=416
　　.RSV：预留　　.GD：保证传送标志
　　.SQN：序号，保证传送的消息以相同的序号传送

图6　FHMA的CCCH消息的格式

　　③BACH消息的格式有30比特，如图7所示，在单一时隙传送。用于将MS的状态
或操作请求传递到其所属的扇区设备。

图7　FHMA的BACH消息格式

　　④CACH消息的格式与CCCH消息的格式一致，用于将长的控制消息从MS传递到
BS。
　　⑤占用TCH的语音带内开销每次18比特，一个消息可占用1～32个时隙。单时隙
帧格式如图(a)所示，多时隙帧格式如图8(b)～(e)所示。用于在通话状态使用TCH
传递控制消息。

图中各字段的含义：
　　.OC：帧格式操作码，单帧取值为00，01，10，而11留作传送多帧消息
　　.FTI：帧序号指示，第1帧为110，其余帧为111
　　.NO_OF_FRAMES：IBOH帧中不包括第1帧的帧序号
　　.STID1：STID的高15位　STID2：STID的最低位

图8　FHMA语音带内帧格式

　　⑥安静态占用TCH的消息格式每次42比特，一个消息可占用1～32个时隙。单时
隙帧格式如图9(a)所示，多时隙帧格式如图9(b)所示。用于在通话安静状态使用
TCH传递控制消息。

图中各字段的含义：
　　.b：帧格式标志，单时隙帧格式取值为0，多时隙帧格式取1
　　.X：多帧IBOH消息，第1帧放多帧IBOH消息的第1帧，第2帧放多帧IBOH消息的
第3帧
　　.Y：多帧IBOH消息中除去FTI的部分，第1帧放多帧IBOH消息第2帧的STID1，第
2帧放多帧IBOH消息第4帧的DATA

图9　FHMA的安静态占用TCH的帧格式

　　⑦数据带内开销，占用数据TCH，其单时隙帧结构与BCCH的一样，而多时隙帧
结构与CCCH的相同。用于在建立的数据TCH上传送控制消息。
　　所有物理信道的帧，加上卷积纠错码并交织后，从调制信道的相应时隙发送。

　　FHMA系统的第三层消息目前定义了4种共93条，其中占用TCH的消息只有2条。

　　FHMA系统是一个全同步系统，基础设施都同步于GPS，而移动台则根据一定的
算法同步于基站。
　　实际系统中有一个时间对齐算法，该算法根据移动台到基站的距离进行调校，
使所有移动台到达基站的时间是对准的，所以只需要2个保护符号间隔即能可靠解
出有效信息，即实现帧同步。
　　系统同步依靠同步／标签时隙，该时隙的帧结构包括20个同步符号和19个标签
符号。但有关同步／标签时隙细节的描述及应用在标准中没有看到。
3.3　泛欧集群通信系统TETRA系统的帧结构
　　TETRA移动无线电规范分为V＋D和PDO两种。两种技术规范基于同一物理无线电
平台(相同的调制，有可能工作于相同的频率)，但在物理层不能实现互操作。完全
可互操作性预计可在ISO第3层实现。
　　符合V＋D技术规范的设备提供广泛的和联合语音／数据能力有关的承载、电信
和附加业务。符合PDO技术规范的设备将只支持分组数据业务。PDO系统中的分组数
据业务优于V＋D系统中的同类业务，而V＋D系统所提供的多种用途强过PDO系统。
下面主要介绍TETRA的V＋D系统。
　　TETRA的V＋D系统采用TDMA多址接入方式和π／4QPSK的调制方式，调制信道比
特率为36kbit／s。一个TDMA帧为170／3ms，分为4个时隙，每个时隙85／6ms，可
携带510个调制比特。上行时隙又可进一步分为2个子时隙，每个子时隙85／12ms，
可携带255个调制比特。
　　18个TDMA帧构成一个复帧(复帧周期1.02s)，其中第18帧用作控制帧，60个复
帧构成一个超帧(超帧周期61.2s)。
　　时隙的物理内容由突发来携带。TETRA的V＋D空中接口定义了7种突发，其中上
行3种，下行4种。
　　(1)控制上行链路突发，包含有上升和PA线性化信息、尾随比特、加扰比特、
训练序列和导引周期，见图10，每7.08ms子时隙可携带168比特高层信息。

图10　TETRA的V＋D空中接口控制上行链路突发格式

　　(2)线性化上行链路突发，包含有上升和PA线性化信息和导引周期，见图11，
该突发只用于控制硬件的性能，不传送高层信息。

图11　TETRA的V＋D空中接口线性化上行链路突发格式

　　(3)正常上行链路突发，占用整个85／6ms时隙，包含有上升和PA线性化信息、
尾随比特、加扰比特、训练序列和导引周期，见图12，每85／6ms时隙可携带432比
特高层信息。

图12　TETRA的V＋D空中接口控制上行链路突发格式

　　(4)正常连续下行突发，包含有训练序列、相位调整、加扰比特等，见图13，
每85／6ms时隙可携带462比特或246比特高层信息。

图13　TETRA的V＋D空中接口正常连续下行突发格式

　　(5)同步连续下行突发，包含有训练序列、相位调整、频率纠正、加扰比特、
同步训练序列等，见图14，每85／6ms时隙可携带366比特或150比特高层信息。

图14　TETRA的V＋D空中接口同步连续下行突发格式

　　(6)正常不连续下行突发，包含有上升和PA线性化信息、相位调整、加扰比特
、训练序列、导引周期等，见图15，每85／6ms时隙可携带462比特高层信息。

图15　TETRA的V＋D空中接口正常不连续下行突发格式

　　(7)同步不连续下行突发，包含有上升和PA线性化信息、相位调整、加扰同步
比特块、同步训练序列、加扰比特、导引周期等，见图16，每85／6ms时隙可携带
366比特高层信息。

图16　TETRA的V＋D空中接口同步不连续下行突发格式

　　其中加扰比特是加有称为色彩码的基站信息的高层信息。
　　TETRA系统第二层的基本链路数据结构见图17(a)，这是基站和移动台都必须支
持的链路。高级链路数据结构见图17(b)，用于长的需分段的消息或数据，对移动
台来说，这是可选的。

(a)基本链路的数据格式

(b)高级链路的数据格式

图17　第二层链路数据结构图

　　第三层的信息到达第二层后，首先加上LLC头，再加上MAC头，然后加上卷积纠
错编码，CRC校验码，并经过交织和加扰再送往物理信道发送。
　　TETRA系统的V＋D空中接口第三层消息根据业务来定义。目前为呼叫控制业务
、附加业务、短数据业务定义了非常详细的进程和消息格式，也为电路模式控制实
体、移动性管理业务、移动链路实体定义了详细的进程和消息格式。
　　TETRA系统的同步及帧同步通过基站和移动台上的时基计数器来完成。由基站
通过BCCH信道发送同步信号，移动台在其时基值与收到的值的误差超过同步要求时
，即以一定的步长来调整，使之在1～3秒内达到所要求的误差范围。
　　TETRA系统规定：在基站，上行超帧的开始延时于下行超帧的开始2个时隙周期
。基站时钟的精度应优于±0.2ppm。一个基站所发射的不同载波的信道是同步的，
不同载波间的定时误差应＜1／4符号，在共享载波的两基站间的定时误差应＜1／
2符号，MS与收到的BS信号之间的相对误差应优于±0.2ppm，移动台的时基精确度
在±2ppm。
4　三个系统的比较
　　从以上的介绍可见，三个系统都考虑了前向纠错、CRC校验和交织等措施，但
FHMA系统的消息分层结构不明确。
　　TETRA系统在物理层的突发中加进了用于系统同步的比特同步信息以及相位调
整和频率纠正信息，还有对硬件设备的上升和PA线性化控制信息，这些措施可使系
统工作更可靠，对硬件的性能要求可有更宽的富裕度，基站和移动台的时钟稳准度
只需±0.2ppm。相对而言，FHMA系统只在每个时隙的前后各加入一个符号宽度的保
护间隔，保护措施极少，虽然有同步／标签时隙，但无具体的介绍，不知是如何工
作的。应该说，采用TDMA和跳频体制的系统对同步的要求都很严格，将这两者相结
合，要求将更高。iDEN携带高层信息的能力最高，而且考虑了时隙的同步和用于检
测信道质量的导引符号，但它没有更详细的有关系统同步、频率纠正和相位调整的
信息。根据其帧同步的要求，基站的时钟稳定度和精确度必须在10－9量级，这对
同步于GPS的iDEN系统基站来说较易做到，但是否符合中国国情必须慎重考虑。
　　综上所述，从空中接口的帧结构来看，TETRA和iDEN系统的规定比较符合常规
系统的思路，分层明确，定义规范、严谨。而FHMA则比较简单，该系统的同步及可
靠性尚需细加斟酌。从实现的角度来看，由于iDEN系统对基站的时钟稳准度要求较
高，实现起来成本可能会较高。

--
一、主动去创造环境，否则你无法设计人生。
二、生活和工作要充满激情，否则你无法体会到淋漓尽致的欢乐与痛苦。

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: ce.hit.edu.cn]

Communication 版 (精华区)