7.4.1 D-AMPS的特征 7.4 三种TDMA蜂窝系统分析比较 美国的TDMA蜂窝移动系统(D-AMPS)采用美国电子工业协会(EIA)制定的IS- 54标准。该标准规定的频道间隔(30kHz)是与AMPS一致的，而且移动台的工作模式是数/模兼用的，或称双模方式。因此，D-AMPS和AMPS可以在同样的无线环境中并存，有利于逐步扩大数字用户， 以实现模拟通信系统向数字通信系统的平滑过渡。
1. 工作频段 移动台发射频段： 824～849 MHz; 基站发射频段： 869～894 MHz; 频道间隔： 30 kHz; 双工频率间隔： 45 MHz。
2. 多址方式 采用时分多址/频分多址/频分双工(TDMA/FDMA/FDD)制式。 时分多址帧长为 40 ms, 每帧含 6个时隙。与GSM通信系统一样，D-AMPS系统也定义了全速率与半速率两种物理信道，目前使用的全速率信道占 2 个时隙， 相当于每载波含 3 个物理信道。将要开发的半速率信道只占一个时隙，相当于每载波含 6 个物理信道。每个时隙含 324 bit，即系统的信道传输速率为 324×6/40=48.6 kb/s， 帧和时隙的格式如图 7-38 所示。 其中：
图 7-38 D-AMPS的帧和时隙格式
G: 保护时间； R: 功率上升时间； SACCH: 慢速辅助控制信道； SYNC: 同步信道； DATA: 业务信道(含快速辅助控制信道)； DVCC: 数字识别色码； RSVD: 保留(备用)时间。
这里，SACCH安排在各个业务时隙之中， 不同于GSM系统那样在业务复帧中专门安排 1 帧或 2 帧。 同步信道传输的信息用于时隙同步、 均衡训练和时隙识别。 因此， 同步序列应具有良好的相关特性。 IS-54 定义了 6 种同步序列，可分别指配给不同的时隙，使接收机可以锁定在指定的时隙上。 数字识别色码用作不同基站的标志， 便于移动台区别不同的基站， 它用 8 bit可编成 28=256 个不同的码字。 为了防止传输中发生错误，8 bit的码字采用缩短汉明码(12，8)形成 12 bit的数字识别色码。
此外，由图7-38 可见，上行时隙的格式与下行时隙的格式有所不同，其主要原因是下行传输时，可不设保护时间与功率上升时间。 而上行传输时，占用 6 bit的保护时间，是为了避免传播时延而发生的时间交叠问题；而功率上升时间(6 bit)是不发射信息的，它用于满足移动台发射机达到额定功率所需要的时间。 需要指出的是，与GSM系统类似，上行帧与下行帧的偏移量是一个时隙再加 88 bit，共计 412 bit, 约8.48 ms。
3. 话音编码 D-AMPS系统话音编码采用“矢量和激励线性予测(VSELP)”编码方式， 编码速率为 7.95 kb/s。 在20 ms的话音编码帧中，共有 159 个信息比特，分为两类： 1 类是对差错敏感的 77 bit；2 是对差错不敏感的 82 bit。 1 类比特加上CRC校验位(7 bit)和尾比特(5 bit)， 进行码率为 1/2和约束长度为 5 的卷积编码， 变成 178 个传输比特； 2 类比特不进行差错保护。 两类比特之和为 260 bit， 相应的话音速率为 260/20=13 kb/s。为防止突发性干扰的影响，这些传输比特在发送之前还要在 40 ms的时间间隔中进行交织编码。
4. 控制信道 双模系统的移动台因为要与模拟系统相通， 因而系统中必须保留AMPS原有的控制信道，但为了对数字传输进行必要的控制， 就必须在业务信道中设置必须的专用控制信道。 与GSM系统相似，IS-54 标准的双模系统也设置了慢速辅助控制信道(SACCH)和快速辅助控制信道(FACCH)。 由图 7-38 可见，在每一时隙中SACCH占有 12 bit， 其中 6 bit是信息位，另加 6 位是经码率为 1/2、约束长度为 6 的卷积编码器产生的，以提高抗干扰能力。经编码后SACCH的速率为 12×2/40=0.6 kb/s(全速率传输时，每帧用 2个时隙)。 FACCH同样采用占用业务信道的办法，即通常所说的中断-猝发模式，占用一个时隙中的 260 个业务比特。
如上所述，一个TDMA帧包括 6 个时隙， 每时隙长为 6. 67 ms， 包含 324 bit。因此数据总速率是 48 如上所述，一个TDMA帧包括 6 个时隙， 每时隙长为 6.67 ms， 包含 324 bit。因此数据总速率是 48.6 kb/s， 平均每用户的总速率是 16.2 kb/s，其中： 话音编码： 13 kb/s； SACCH: 0.6 kb/s； DVCC: 0.6 kb/s; 保护时间、 上升时间及同步： 2.0 kb/s。
5. 调制方式 D-AMPS系统使用的调制方式为 π/4偏置的差分四相相移键控(π/4-DQPSK), 并采用平方根升余弦的基带滤波器，滚降系数为 0.35。这种调制方式在 30 kHz的频道间隔中传输48.6kb/s的信息，频带利用率达到 48.6/30=1.626 b/s/Hz，比GSM系统的频带利用率高。 不过这种调制方式不属于恒包络数字调制，通常对传输信道的线性度有较高要求。
7.4.2 JDC系统的特征 1. 工作频段 移动台发射频率： 940～956 MHz/1 429～1 453 MHz; 频道间隔： 25 kHz。
2. 多址方式 采用TDMA/FDMA制式，每载频分 3 个时隙(全速率)或 6 个时隙(半速率)， 信道传输速率4.2 kb/s。 3. 信道分类 RCR-STD-27B定义了两类逻辑信道，即业务信道(TCH)和控制信道(CCH)，其分类方法见图 7-39。
图 7-39 JDC系统的信道分类
4. 时隙格式 JDC的TDMA帧长为 20 ms，在全速率情况下，分为 3 个时隙，时隙长为20/3=6.67 ms。时隙结构与逻辑信道类型及传输方向有关。图 7-40 示出了两种典型的时隙格式，其中上部为业务时隙，且上行传输(或称反向传输)。 下部为控制时隙， 且下行传输(或称正向传输)。其中，移动台发往基站时，保护时间占 6 bit。 功率上升时间为 4 bit; 帧同步 20 bit，位于时隙中部; 8 bit的数字色码用来别基站。1 bit的挪用标志用来区分业务信道中是否包含FACCH。15 bit为实时控制信令。每用户总数据速率280/0.02=14 kb/s，其中业务数据率为是 224/0.02=11.2 kb/s，其余 2.8 kb/s用于各种开销。
图 7-40 JDC的时隙格式
5. 话音编码和调制方式 采用VSELP（矢量和激励线性予测）话音编码技术，话音编码比特率为 6.7 kb/s， 加差错保护比特率为 4.5 kb/s，总的话音传输速率为 11.2 kb/s。 调制方式为 π/4-DQPSK, 采用平方根升余弦基带滤波器， 滚降系数为 0.5。 GSM、D-AMPS和JDC三种TDMA蜂窝移动通信系统由于在开发背景、 时间及要求等方面不尽相同，因而在技术性能和服务功能上，三种系统也各有差异。
表 7-4 三种TDMA蜂窝通信系统的主要参数
7.4.3 蜂窝系统的通信容量 1. FDMA蜂窝系统的通信容量 蜂窝通信系统由若干个小区构成一个区群，区群之间实现频率再用，使用相同频率的小区称为共道小区，共道小区之间存在相互干扰称为共道干扰。
图 7-41 共道小区分布
若蜂窝网的每个区群含 7 个小区和各基站采用全向天线时，共道小区的分布如图 7 -41 所示。共道小区以某一小区(图中为 1 号小区)为中心可分成许多层：第Ⅰ层 6个；第Ⅱ层 6 个；第Ⅲ层 6个…… 因为来自第Ⅰ层共道小区的干扰最强， 起主导作用，故在进行分析时，可以只考虑这一 6 个共道小区所产生的干扰。令小区半径为r，两个相邻共道小区之间的距离为 。为把共道干扰控制在允许的数量而需要的 值称为共道干扰抑制因子(或称共道再用因子)， 即共道再用因子α为 (7-4)
图 7-42 FDMA蜂窝系统的共道干扰分布
根据图 7-42 可得载干比的表示式为 式中，C是信号功率；n0是背景噪声功率(这里可忽略不计)；Ii是来自第i个共道小区的干扰功率。 假如传播损耗与传播距离的4次方成比例，接收机收到的信号功率与第 i 个共道小区的干扰功率可分别写成：
式中，A为比例常数。因此 式中，取信号的传播距离等于小区半径 r (移动台处于小区边缘)，是考虑到载干比在最不利的情况下也要达到预定的门限值。此外，由图 7-42 可见，共道干扰的传播距离Di在i的取值不同时不会完全相等，但其差异并不太大，因而为了分析方便，可以令Di=D，于是有
假如规定的载干比门限值为(C/I)S, 则 当蜂窝系统的总频道数M=W/B(W为频段宽度，B为频道间隔)和区群小区数N确定后，每一小区的可用频道数n可以求出为 由式(7 -4)可知
可得 (7-10) 上式说明：蜂窝系统可以分配给每个小区的信道数除了取决于总信道数之外，还取决于要求的载干比。 换句话说，为了保证某一载干比，需要通过选择合适的共道再用因子或区群小区数。
基站若采用定向天线把小区分成多扇区进行工作， 可以减小系统中的共道干扰。 因为定向天线具有方向性， 共道干扰只能在一定位置上和一定范围内才能产生干扰作用， 因而共道小区的有效数目要减小。由图 7-43 可见， 采用 120°定向天线的三扇区，其共道干扰源将由原来的 6 个减少到 2 个， 六扇区的共道干扰源由原来的 6 个减少到 1 个。 干扰源的减少意味着实际的载干比得以提高， 如果保持要求的载干比(C/I)S不变，则可以减小共道再用因子α，即减少每个区群的小区数N， 从而增加每小区的可用信道数目，即提高系统的通信容量。
2. TDMA蜂窝系统的通信容量 TDMA蜂窝系统的通信容量也可以用式(7 -10)进行计算， 但是式中的信道宽度，在FDMA中即为频道宽度。 在TDMA中，一个频道包含若干信道，为此采用等效信道宽度概念。TDMA系统划分信道的办法是首先把频段W划分成若干频道，然后在每一频道上再划分成若干时隙。 用户使用的信道是在某一频道上的某一时隙。若TDMA系统的频道宽度为B0，而每一频道包含m个时隙，则等效信道宽度为B0/m, 相应的信道总数为M=mW/B0。
尽管TDMA系统在每一频道上可以分成m个时隙作为m个信道使用，但是不能由此而说其等效信道总数比FDMA系统的信道总数增大m倍。 因为， 话音编码速率确定后，传输一路话音所需要的频带也是确定的。 TDMA系统在一个频道上用m个时隙传输m路话音，它所占用的频道宽度必然比FDMA系统传输一路话音所需要的频道宽度大m倍。从原理上说，在系统总频段相同的条件下，数字TDMA系统的等效信道总数和数字FDMA系统的信道总数是一样的。如果二者所要求的载干比(C/I)S也是相同的话，则二者的通信容量也是一样的。
例如，设通信系统的总频段为96 kHz，各路数字话音速率为 16 kb/s，传输一路话音需要的带宽为 16 kHz。 采用FDMA方式时，可划分的频道(即信道)总数为 96/16=6。 采用TDMA方式时，如每个频道分 3 个时隙，则所需频道宽度为 3×16=48 kHz， 因而只能把总频段划分为 2 个频道，即等效信道总数也是 2×3=6。
要提高数字蜂窝系统的通信容量，必须采用先进的技术措施。其中，最基本的办法是采用先进的话音编码技术。这种编码技术不仅要降低话音编码的数据率， 而且要有效地进行差错保护。比如，在一个话音帧中，根据各类比特对差错敏感程度的不同分类进行编码保护，对差错敏感的比特(这些比特发生错误后会明显降低话音质量)要采用纠错能力较强的编码，而对差错不敏感的比特可以不进行编码保护。这样，采用先进话音编码的数字通信系统与模拟通信系统相比，在话音质量要求相同的情况下， 所需的载干比(C/I)S值可以降低， 比如从 18 dB降低到 10～12 dB，因而其共道再用因子可以减小，从而提高了通信系统的通信容量。
一般来说，在系统的总信道数目不变和每小区的可用信道数目不变的条件下，小区的半径越小，则单位面积的通信容量越大。 但是小区半径的减小是以增加基站数目和以缩短移动台过区切换时间为前提的。例如，小区半径减小到原来的 1/5，每小区覆盖面积要减小到原来的 1/25, 原来由一个小区覆盖的地区必须由 25 个小区进行覆盖。这样，当移动台在快速移动中通信时，其过境切换的频度必然增大，这就要求通信网络以更快的速度进行信号强度测量以及进行切换信令的传输、处理和操作。TDMA蜂窝网络由于采用了移动台辅助切换技术(MAHO)，能明显加快移动台的过区切换速度， 其小区半径可以减小到0.5 km， 因而其单位面积的通信容量或者说通信系统的总容量可以提高。
3. 三种TDMA蜂窝系统的容量比较 要对任何蜂窝通信系统容量进行评估，重要而可靠的办法是对通信和话音质量进行标准的主观测试，从而准确地确定这种通信系统所需要的载干比(C/I)S。根据(C/I)S不难求出区群的小区数N。三种TDMA蜂窝系统的(C/I)S及N如表 7-5 所示。
表 7-5 三种TDMA系统的 (C/I)S及N 为了统一比较各系统的容量，设总频段W=25MHz，小区半径r=1 km, 每小区分三个扇区，呼损率B=2%。并令模拟系统的容量为 1(归一化)。 计算结果如表 7 -6 所示。
表 7-6 三种TDMA蜂窝系统与模拟蜂窝系统的容量比较
AMPS: 信道总数 分三个扇区，每扇区的信道数n=119/3≈40; 由n=40,B=2%, 查表可得A0=31 Erl/扇区； 每小区的话务量A=2A0=93 Erl/cell; 小区半径r=1 km， 按正六边形计算，小区面积S=2.6 km2， 每平方公里的话务量为
GSM: 信道总数 N=4 时， 扇 n=83,B=2%，查表得A0=71.6 Erl/扇区，A=3A0=215(Erl/Cell); 每平方公里的话务量 归一化容量
由表中的计算结果可知：数字蜂窝系统的容量均大于模拟蜂窝系统的容量，最大可达AMPS系统的7. 6倍，最小也有2 由表中的计算结果可知：数字蜂窝系统的容量均大于模拟蜂窝系统的容量，最大可达AMPS系统的7.6倍，最小也有2.3 倍； 三种TDMA蜂窝系统中，ADC和JDC的容量增益都大于GSM系统。不过，应该指出的是，影响数字蜂窝系统通信容量的重要因素之一是所用话音编码的比特率。三种系统中，话音编码速率(包括差错编码)是：GSM为 22.8 kb/s，ADC为 13 kb/s，JDC为 11.2 kb/s。 其中，GSM的话音编码速率是JDC的 2 倍。 显然，就进一步降低话音编码速率而言，GSM系统的潜力较大， 更容易进一步提高它的通信容量。 此外，由表可见，数字蜂窝系统采用跳频和分集等抗干扰技术，均有利于降低所需的载干比，减小共道再用因子，从而提高系统的容量。
7.5 GPRS——通用分组无线业务 7.5.1 GPRS的网络结构 将现有GSM网络改造为能提供GPRS业务的网络需要增加两个主要单元： SGSN(GPRS服务支持节点)和GGSN(GPRS网关支持节点)。 SGSN的工作是对移动终端进行定位和跟踪， 并发送和接收移动终端的分组。GGSN将SGSN发送和接收的GSM分组按照其他分组协议(如IP)发送到其他网络。 GPRS网络的逻辑结构如图7-43所示。
图7-43 GPRS网络的逻辑结构
SGSN是GPRS网的主要成分， 它负责分组的路由选择和传输，在其服务区负责将分组递送给移动台， 它是为GPRS移动台构建的GPRS网的服务访问点。 GGSN像互联网和X.25一样， 用于和外部网络的连接。 从外部网络的角度看，GGSN是到子网的路由器， 因为GGSN对外部网络“隐藏”了GPRS的结构。 当GGSN接收到寻址特定移动用户的数据时，GGSN检查这个地址是否处于激活状态。
图7-44 一个简单的GPRS网络之间的路由过程
7.5.2 GPRS的协议 1. GPRS的协议体系 GPRS的协议体系如图7-45所示。 GPRS隧道协议(GTP，GPRS Tunneling Protocol)用来在GPRS支持节点（GSN）之间传送数据和信令。它在GPRS的骨干网中通过隧道的方式来传输PDU。所谓隧道，是在GSN之间建立的一条路由，使得所有由源GSN和目的GSN服务的分组都通过该路由进行传输。
图7-45 GPRS的协议体系
GTP的下层是基于TCP/IP协议簇的标准IP骨干网。 在SGSN和MS之间， 依赖子网的汇聚协议（SNDCP， Subnetwork Dependent Convergence Protocol）将网络层的协议映射到下面的逻辑链路控制(LLC)层, 提供网络层业务的复接、 加密、 分段、 压缩等功能。
逻辑链路控制(LLC，Logical Link Control)层在移动台和SGSN之间向上层提供可靠、保密的逻辑链路，它独立于下层而存在。LLC层有两种转发模式：确认模式和非确认模式。 LLC协议的功能是基于LAPD(链路接入步骤-D)协议的。 RLC／MAC层通过GPRS无线接口物理层提供信息传输服务，它定义了多个用户共享信道的步骤。RLC负责数据块的传输，采用选择式ARQ协议来纠正传输错误。MAC层基于时隙ALOHA协议，控制移动台的接入请求，进行冲突分解，仲裁来自不同移动台的业务请求和进行信道资源分配。
物理链路子层（PLL）负责前向纠错、交织、帧的定界和检测物理层的拥塞等；物理射频子层（RFL）完成调制解调、物理信道结构和传输速率的确定、 收发信机的工作频率和特性确定等。 LLC在BSS处分为两段，BSS的功能称为LLC桥接(LLC Relay)。 在BSS和SGSN之间，BSS GPRS协议（BSSGP）负责传输路由和与QoS相关的信息，BSSGP工作在帧中继（Frame Relay）的协议之上。
2. GPRS空中接口 GPRS空中接口的逻辑信道如表7-7所示。它分为四个信道组：分组数据业务信道、分组广播控制信道、分组公共控制信道和分组专用控制信道。表中给出了各组信道中的具体信道、功能及传输的方向。
表7-7 GPRS空中接口的逻辑信道
GPRS的MAC协议称为主从动态速率接入（MSDRA， MasterSlave Dynamic Rate Access）协议。 它采用复帧结构，每一复帧由51帧或52帧组成。 利用复帧组成的物理信道结构如图7-46所示（51帧结构）。
图7-46 GPRS的多时隙多帧结构（51帧结构）
在GPRS中，逻辑信道都可以映射到PDCH上。 除PTCCH外，其他信道都占用4个突发（时隙）。在图7-46中，时隙0（TS0）用作PRACH，TS1～TS3用作PDTCH。 在PDTCH上使用了USF R1/R2。 采用52帧的PDCH结构如图7-47所示。 PDCH的复帧结构包括52个TDMA帧， 划分为12个数据块(每个数据块包含4帧)、 2个空闲帧和为PTCCH保留的2帧。
图7-47 PDCH的复帧结构（52帧结构）
无线数据块的结构如图7-48所示， 分为用户数据块和控制块。 在RLC数据块中包括RLC头和RLC数据。 MAC头包括上行状态标志域（USF）、 块类型指示域（T）和功率控制域（PC）。
图7-48 无线数据块的结构
物理层采用的编码方案有四种：CS-1～CS-4， 如表7-8所示。其编码过程如图7-49所示。为了检错加入了分组校验序列（BCS），再添加预编码后的USF和尾比特后， 经过卷积编码和打孔后形成固定长度的456比特的数据。 根据不同的编码率， 可以得到的数据率为8/12/14.4/20 kb/s。 如果一个用户使用8个时隙， 每个时隙的速率为14.4 kb/s，则该用户的最高速率可以达到8×14.4 kb/s=115.2 kb/s。编码后的数据在4个突发（时隙）中传输。
表7-8 四种编码方案的编码参数
图7-49 GPRS的编码过程
在GPRS的空中接口中传输的完整数据流如图7-50所示。 网络层的协议数据单元（N-PDU）在SNDCP层进行分段后传给LLC； LLC添加帧头和帧校验序列后形成LLC帧； LLC帧在RLC/MAC再进行分段后， 封装成RLC块； RLC块经过卷积编码和打孔后形成456比特的无线数据块； 无线数据块再分解为4个突发后， 在4个时隙中传输。
图7-50 GPRS的空中接口中的数据流
*7.5.3 增强型GPRS 增强型GPRS中采用了增强数据传输技术（EDGE）。 EDGE采用与GSM相同的突发结构，能在符号速率不变的情况下，通过采用8-PSK调制技术来代替原来的GMSK调制， 从而将GPRS的传输速率提高到原来的3倍， 将GSM中每时隙的总速率从22.8 kb/s提高到69.2 kb/s。
相对于GPRS来讲， 在增强型GPRS中还引入了“链路质量控制(LQC， Link Quality Control)”的概念。 一是通过估计信道的质量， 选择最合适的调制和编码方式； 二是通过逐步增加冗余度的方法来兼顾传输效率和可靠性。 在传输开始时， 使用高码率的信道编码（仅有很少的多余度）来传输信息。
思考题与习题 1. 说明数字蜂窝系统比模拟蜂窝系统能获得更大通信容量的原因。 1. 说明数字蜂窝系统比模拟蜂窝系统能获得更大通信容量的原因。 2. 试综合比较GSM、 D-AMPS和PDC三种蜂窝系统的特征。GSM系统的容量低于D-AMPS和PDC系统的容量， 其原因何在?
3. 解释下列术语： (1) 全速率和半速率话音信道； (2) 广播控制信道； (3) 公用(或公共)控制信道； (4) 专用控制信道； (5) 鉴权； (6) HLR和VLR。
4. 基站识别色码有何作用? 5. 根据图7-13回答下列问题： (1) 尾比特和保护期的作用是什么? (2) 训练比特的作用是什么? 从图中可以看出训练比特大约放在帧中间位置，请说出这样安排的优点。如果把训练比特放在帧开始或结尾会有什么影响? 6. 假设半速率话音编码器每20 ms产生80 bit，其中一半为1类比特，另一半为2类比特。假设进行半速率信道编码， 信道编码器的输出速率将是多少?
7. TDMA蜂窝系统为什么要采用移动台辅助过区切换(MAHO)? FDMA蜂窝系统是否也可以这样做? 8. GSM系统在通信安全性方面采取了哪些措施? 9. GSM采取了哪些抗干扰措施? 10. 试画出一个移动台呼叫另一个移动台的接续流程。 11. GPRS系统在GSM系统的基础上增加了哪些功能单元？ 基于电路交换的GSM网络与基于分组交换的GPRS网络传输用户信息的过程有何不同？ 12. GPRS系统的最高传输速率是多少？ 13. 试述图7-46的工作原理。