第十章　 逻辑信道

一、概论 移动通信中，移动用户和网络之间所有的活动都是通过空中接口的信道完成的。 GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道。 物理信道：在一对频率中，一个特定的时隙被分配给一个移动台用于通信。这一对时隙就形成了一条双工作业的物理信道(相当于一条电话线)。 逻辑信道：～是被用来在BTS和MS之间传递不同类型的信息，不同的～传递不同的信息。

一条物理信道结合了频率和TDM两方面，被定义为一系列的无线电频率信道和时隙。 逻辑信道是映射到物理信道上传送的。 下行链路：从BTS到MS方向的链路。 上行链路：从MS到BTS方向的链路。

频率 时隙号 图１０－１　物理信道

图１０－２　逻辑信道 多路复用

二、空中接口的结构 面向电路的接口 GSM系统是面向电路的，主要的目标是提供语音服务。

空中接口的层结构 主要包括三层：物理层、数据链路层、网络层。 三大特点： －功能丰富的物理层：不但有传统的调制解调功能，还有多路复用、突发的生成、功率控制、时间提前量TA的计算、均衡、编/解码等其他功能。

－多种类型的逻辑信道：这些逻辑信道将第一层和第二层连接起来。在这一层，主要是研究在逻辑上如何控制在控制信道中传输的帧(LAPDm协议)。 －网络层被分为三个子层：管理呼叫控制、补充业务、短信息等业务。

图１０－３ 逻辑信道和层结构 3 Layer: network 2 Layer: data link Call Management(CM) Call Control(CC) Supplementary Services(SS) Short Message Service(SMS) … Mobile Mgt(MM) Authentification Upgrade Location IMSI attach/detach Identification … Radio Resource(RR) Paging, Activation encryption, Dedicated Channels Allocation, Handover, measurement reporting … 2 Layer: data link Retransmission mechanism TCH SACCH FACCH SDCCH CCCH BCCH PCH RACH AGCH SCH FCCH Radio link control Protection and error detection Physical and logical channels Burst construction 1 Layer: physical 图１０－３　逻辑信道和层结构

三、逻辑控制信道 相关的物理和逻辑信道 空中接口提供了大量的不同内容和不同优先权的控制功能 －广播系统信息(BCH)； －通知移动台有呼叫进入和为它们接入网络提供便利(CCCH)； －在传输前和传输过程中对物理参数的控制(FACCH, SCH和SACCH)； －为电话的信令传输提供支持(SDCCH)。

图１０－４　同时支持话务信道和辅助控制信道的物理信道示意图

复帧(Multitrame) ～就是将一些连续的TDMA帧上的某一特定时隙连续地组合在一条物理信道上。 某些载波的复帧中的时隙具有特别的功能。

1 2 7 TDMA帧 … 复帧 图１０－５　支持复帧的物理信道

复帧、超帧和超超帧的结构 １.复帧： －120 ms的26个帧的复帧 －235.4 ms的51个帧的复帧 ２.超帧(Supertrame)： －51个26复帧的超帧 －26个51复帧的超帧

３.超超帧(Hypertrame)： －2048个超帧，2715648个TDMA帧，即3h28min53s760ms。 －每个TDMA帧都有个帧号FN (Frame Number)。 －在加密算法A5中，在某一给定的时刻，不同BTS的FN不能有相同的值。

120 ms multiframe 235.4 ms multiframe superframe hyperframe 24 25 3 2 1 120 ms multiframe 47 48 49 50 235.4 ms　multiframe 4 22 superframe ０ 2047 2046 2045 hyperframe 3h 28min 53s 760ms 图１０－６　空中接口所有帧的结构

逻辑信道的分类 分为专用信道和非专用信道。 专用信道 (Dedicated Channel)：提供预留资源给移动台，即分配复帧中的一对时隙给移动台。 一个蜂窝小区中，没有任何两台移动台在同一时隙内接收和发送。 专用信道是双工信道。

非专用信道 (Common Channel)：单工作业的、由许多移动台共享的信道。 下行链路中：数据广播； 上行链路中：多址接入(slotted Aloha)；

Traffic Channel for coded speech (TCH/FS) and (TCH/HS) Traffic Channel for data  (user rate) 9.6 kbit/s, 4.8 kbit/s, <2.4 kbit/s 全速率/半速率语音 Traffic Channel for coded speech (TCH/FS) and (TCH/HS) Traffic Channel (TCH) 进行切换 Fast Associated Control Channel　(FACCH) 链路监控 Slow Associated Control Channel　(SACCH) 信令 Stand-Alone Dedicated Control Channel　(SDCCH) Dedicated Control Channel 短消息广播 Cell Broadcast Channel (CBCH) 资源的分配 Access Grant Channel (AGCH) 移动台的随机接入 Random Access Channel (RACH) 呼叫移动台 Paging Channel　(PCH) Common Control Channel (CCCH)  多址接入 系统信息 Broadcast Control Channel (BCCH) 同步和标识 (BSIC) Synchronization Channel (SCH) 调整到载波频率上 Frequency Correction Channel (FCCH) Broadcast Channel (BCH) 单向广播 (信标信道) 表１０－１　逻辑信道的主要功能

四、专用信道 专用模式 (Dedicated Mode) 当移动台占用一条TCH (Traffic CHannel)信道时，如移动用户通话期间、地理位置更新时等 空闲模式 (Idle Mode) 当移动台不处于专用模式时

TCH信道和SDCCH信道 TCH(话务)信道：传输用户信息的专用信道。可以以13kbit/s(TCH/FS), 5.6kbit/s(TCH-HS)的速率传输语音；以12kbit/s的速率传输数据。 －TCH/F(Full rate)：以13kbit/s进行语音传输或者以12、6、3.6kbit/s进行数据传输 －TCH/H(Half rate)：以7kbit/s左右的速率对编码后的语音进行传输或者以6、3.6kbit/s的速率进行数据传输 SDCCH(独立专用控制)信道：传输信令的专用信道。提供约800bit/s的速率。

一条物理信道上，可以布置一条TCH和相配合的SACCH；或者布置8条SDCCH以及配合它们的SACCH。 SDCCH用来传输被编码成456bits的184bits的有效信息块，即传输在4个正常突发的8个57bits的子块。 TCH信道和SDCCH信道都有各自的SACCH相配合。

SACCH (慢速联合控制信道) ～对分配给移动台的无线链路的性能进行控制，以保证得到可以接受的服务质量。 －时间提前量的控制 －移动台发射功率的控制 －无线链路质量的监控 －在相邻基站上完成的测量报告的返回

SACCH信道上传输的是184bits的有效信息，即23bytes。其中，有1个被用来控制发送的功率电平，1个被用在时间提前量TA方面。

下行方向，SACCH上承载时间提前量和移动台发射功率电平的控制指令，指令被发送到每个SACCH消息中； 时间提前量是由BTS负责管理的，移动台发射功率是由BSC控制的。

另外，SACCH上还承载网络发送给移动台的综合信息： －用来监控测量过程的参数(如要监控的频率列表、监听相邻小区的BSIC和了解BSIC在SACCH上传输的时间、BCCH频率指示)； －控制无线链路故障监控的参数； －要求上行链路使用间断发射的参数； －…

FACCH (快速联合控制信道) 主要是用在切换时。当被分配的信道是TCH，在需要切换时，系统暂停传送移动用户信息，释放系统资源来传输信令。 另外，还承载对用户进行鉴权、指示呼叫建立进展的消息。

TCH-SACCH的复用 １.全速率语音信道 1个语音块20ms8个half burst4个burst 6个语音块120ms24burst 但是，在26个帧的复帧中，语音只占用24个时隙。因此，还有1个时隙分给SACCH，另一个时隙作为空闲时隙。

26个TDMA帧持续120 ms T: TCH A: SACCH i: idle 图１０－７ 26个帧的复帧：全速率TCH的复用结构 T A 1 2 3 12 25 i T: TCH A: SACCH i: idle 26个TDMA帧持续120 ms

２.半速率语音信道 偶数帧的时隙分配给一个移动台，奇数帧的时隙分配给另一个移动台，没有空闲时隙。

T and t: TCH A and a: SACCH 26个TDMA帧持续120 ms 1 2 3 12 25 a 26个TDMA帧持续120 ms

３.数据信道 数据信道的结构和语音的一样，都是建立在26个帧的复帧基础上。

FACCH信道的建立 偷换标记：在一个正常突发中，位于训练序列的两端，用来指出信令信息是否借用了话务信道TCH的资源。

3 TCH or FACCH Datas 57 bits 1 Bit 0=>奇数位的数据属于TCH Bit 1=>奇数位的数据属于FACCH Bit 0=>偶数位的数据属于TCH Bit 1=>偶数位的数据属于FACCH 图１０－９　正常突发中偷换标记的应用

图１０－１０ 一条物理信道上逻辑信道TCH和FACCH复用示意图 T: TCH A : SACCH F : FACCH i : idle 两个字母意味着每个占用半个突发，一个字母意味着两个的半突发支持同一条信道。 T TF FT A 1 2 3 12 25 i 26个TDMA帧持续120 ms

SDCCH-SACCH的复用 一条SDCCH信道是和配合它的SACCH信道复用在同一条双工物理信道上，同时信道上可以有多对SDCCH-SACCH。

51个TDMA帧=235.38 ms 1 2 10 20 50 30 40 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A0/A4 A1/A5 A2/A6 A3/A7 Di = SDCCHi信道　　　　　Ai = 配合SDCCHi信道的SACCHi 偶数(或奇数)复帧上的第32个时隙到第47个时隙被用来配合第0, 1, 2, 3(或第4, 5, 6, 7)SDCCH信道。 图１０－１１　SDCCH复用的结构

五、信标信道 概念 ～允许移动台总是和最合适的基站连接在一起的信道。

功能 １.使得移动台可以 －检测到网络； －获得必要的无线信道参数，接入到系统。 ２.其他术语 ~ beacon, 信标信道 ３.类似一座灯塔 －对于航行的船只来说(灯屋) 注意：BCCH  CBCH (Cell Broadcast CHannel)

GSM中信标信道的功能 １.GSM中“信标”的功能表现在几个方面 －无线资源、同步的检测 －“系统”参数的广播 ２.在GSM中，它的实现是通过 －一个载波(在每个蜂窝小区内)，它实现了“灯塔”的功能(“信标频率”=“BCCH频率”) －该载波的一个物理信道(在n°0时隙上)，支持包括BCCH在内的不同逻辑信道(有时为了在别的时隙上实现信标信道，别的物理信道也可以被使用)。

－支持信标信道的信标频率是分配给运营商的所有频率中的一个。 注意： －支持信标信道的信标频率是分配给运营商的所有频率中的一个。 －在这个频率上的发射功率总是恒定的。 －为了维持恒定的发射功率，在没有信息发送时，还是继续发送填充突发(dummy bursts)。 －信标频率同样也可以用来支持别的信道(专用与非专用)。 f 2 f 3 f 7 f 6 f 1 f 5 f 4 信标信道在频率f1上

图１０－１２　基站

“信标”的基本知识 １.一个无线通信系统需要一个参照“信号” 它使得移动台 －检测到网络 －与网络同步(在时间上和频率上) －了解网络的各种参数与配置 该“信号”是在网络中广播的，并且用来进行网络控制(原则上来说，信道上不传送任何用户信息)

GSM中，基站的信标信道对应着 －信标频率：在～上，总是有一个功率恒定的调制信号在不断地发射着，这个信号允许移动台进行功率调整 －0时隙：一系列的广播逻辑信道被建立在～上。

f1 200 kHz 1 carrier f 1 TDMA frame = 4.6152 ms time slot 在一个蜂窝小区中，为了实现信标信道，人 们将在0时隙的一个特殊载波(这里是f1)和它 支持的物理信道区别开来。 1 2 3 4 5 6 7 t 图１０－１３　载波和物理信道

B T F S D 51-Multi frame (duration: 51 TDMA frames) 1 2 3 4 5 6 7 Average cell case  1 PhyCh = 1 BCH + CCCH  2 PhyCh = 2x(8 SDCCH)  5 PhyCh = 5x(TCH) Small cell case  1 PhyCh = 1 BCH + CCCH + + 4 SDCCH  7 PhyCh = 7x(TCH) BCCH frequency f1 f1 或 “信标”频率(或BCCH)支持广播的逻辑信道 (F, S, B)…，同样也支持其他类型的信息。 BCCH频道在时隙0上。 图１０－１４　信标频率

广播信道(BCH)的种类 －FCCH (Frequency Correction Channel) －SCH (Synchronization Channel) －BCCH (Broadcast Control Channel) 严格来说，FCCH不能算一条逻辑信道，只是一条物理“信标”… 但是，它经常被看作是一条逻辑信道。

１.FCCH 频率校正信道， －使得移动台可以将工作频率锁定到基站的工作频率 －由约50 ms发射一次的一种特殊突发组成 －突发由148 bits 的“0”组成 －发送在载波f0上: 产生一个频率为f0+1625/24 kHz的正弦信号 －仅仅出现在信标信道0时隙上

－检测到FCCH突发意味着移动台正好在监听信标信 道(就象SCH突发一样) －发送在51个帧的复帧的第0、10、20、30和40帧上 －在235.8 ms中发射5次，大约每秒钟20次 －检测到FCCH突发意味着移动台正好在监听信标信 道(就象SCH突发一样) 1 10 20 30 40 F 图１０－１５　FCCH在51个帧的复帧中的位置

２.SCH 同步信道， －提供所有必要的同步信息给移动台 －带有64 bits的训练序列(长的) －两种不同的同步方式 微同步：帮助确定TA值 逻辑同步：网络的本地逻辑时钟，帧号 FN (Frame Number)

编码后的数据 扩展的训练序列 3 bits 39 bits 64 bits 时隙: 156.25 bits (577 s) 图１０－１６　同步突发的结构 由编码在78 bits上的控制保护数据和一个训练序列组成。

－出现在第1、11、21、31、41帧中 (~每隔10TDMA帧：FN0+1+k•10) 10 20 30 40 F S 图１０－１７　SCH在51个帧的复帧中的位置 在51个帧的复帧中 －出现在第1、11、21、31、41帧中 (~每隔10TDMA帧：FN0+1+k•10)

微同步 使移动台可以在时间上得到精确校正 注意：这里使用的64bits的训练序列在所有的GSM网络中是唯一的，与EDGE中使用的有些不同 在SCH突发出现之前，同步的精确度是10s级 在收到SCH突发后，同步的精确到s级

图１０－１８　检测到一个SCH突发

用RFN (Reduced Frame Number)表示FN (即逻辑同步) 传输的参数 用RFN (Reduced Frame Number)表示FN (即逻辑同步) RFN, 是FN的紧凑形式，允许确定FN (0FN<Modulo=51*26*211, [Log2(Modulo)]=22 bits) 19 bits (而不是22bits，节约了3bits) 分成三项 超超帧中当前超帧的号码，11bits 相对于超帧来说，51个帧的复帧号码，5bits 用3bits (而不是log2(51)=6) 表示在51个帧的复帧中SCH可能出现的5个位置(节约了3bits)

BSIC (Base Station Identity Code)： 基站本地身份代码 (又叫色码)，允许分辨在信标信道上使用同一频率的两个基站 (f0 , BSIC)这对参数可以确定一个蜂窝小区(在本地) 包含6bits, BSIC = [BCC, NCC] －3bits (8个值)的BCC (BTS Color Code), 代表基站的代码 －3bits的NCC (Network Color Code), 代表PLMN的代码

f1 BSIC=2 f2 BSIC=0 f3 f7 f6 f5 f4 BSIC=1 －图中两个红色的蜂窝小区的信标信道在同一载波f1上。 －为了区分它们，分配了两个不同的BSIC值 (BCC=0和BCC=2)。 －这两个BSIC的值，对应着正常突发中的两个不同的训练序列(26 bits)。 图１０－２０　在同一BCCH频率上BSIC的应用 (1)

f1 BSIC=2 f2 BSIC=0 f3 f7 f6 f5 f4 BSIC=1 －如果没有BSIC的话(实际上是BSIC中的BCC)，移动台将不能解析蜂窝小区的训练序列(26 bits)。 => 它不能正确解调其他时隙(有BC-, P-, T-CH信道的)。 －锁定在一个BS上的移动台(给定了BCC的)不能再锁定到另一个BS上(即使它们使用同样的频率)。 图１０－２1　在同一BCCH频率上BSIC的应用 (2)

f1 BSIC中的NCC部分在逻辑上允许区分使用相同频率的两个互 相接壤国家的GSM运营商 －即使有双重“冲突”：(1)BCCH频率 (2) BSIC的BCC部分。 f1 BSIC=0, 2 BSIC=0, 3 图１０－２２　BSIC在两个相邻PLMN的应用

－BCCH (Broadcast Control Channel) : 广播控制信道，广播蜂窝小区的其他逻辑特性参数(或者系统信息) －782bps的速率(基本设置) －传输模式 系统信息被组合成23bytes (184bits)为单位 该184bits被编码成456bits，并且被分割成57bits的8个 half blocks 该8个half blocks被交织在4个正常突发中

广播的系统信息 －选择蜂窝小区的参数 (要求的最低信号电平，允许的最大发射功率) －位置区域代码LAI (帮助决定切换) －给出随机接入规则的RACH参数 －对如何配置公共控制信道的详细描述 －对如何组织CBCH (Cell Broadcast CHannel)信道的详细描述 －相邻蜂窝小区的信标信道频率 －分配给BS的载波表 －CI (Cell Identity) …(~~BSIC) －其他必要的参数 (例如：DTX的应用，功率控制等)

BCCH 在帧中的位置 －一般来说是在时隙0 －其他可能性，时隙2、4、6。 图 １０－２３ BCCH在51帧的复帧中的位置 1 10 20 10 20 30 40 F S 图 １０－２３　BCCH在51帧的复帧中的位置 在帧中的位置 －一般来说是在时隙0 －其他可能性，时隙2、4、6。

移动台开机后… １.首先按照某个顺序搜索可能存在的GSM频率(可以在SIM卡中指定) －900MHz，1800MHz (DCS)，1900MHz (PCS)，850MHz (AMPS)… ２.接着根据收到的功率强度将频率进行排队 ３.然后在信号最强的频率上，搜寻 －一个“时隙”信号(TDMA, 4.6154) －FCCH突发(检测解调后最合适的频率)。

４.如果检测到了FCCH突发，移动台将锁定这个频率(在频率上同步) ５.继续寻找SCH突发，找到后： －在时间上进行同步 －获得一个网络时间(FN) －然后对BSIC进行解码 (并且知道蜂窝小区中使用的26 bits的训练序列) ６.对BCCH进行解码，以便获得系统信息和确定运营商 (“home”或“visited”) ７.…

移动台通话时 移动台继续监测，要了解网络其他地方发生的事 (但是不全部解码) … 为切换做准备 (MAHO, Mobile Assisted HO) －通话中的移动台在“monitoring”期间，扫描相邻蜂窝小区信标信道的TDMA帧(当前的BS的BCCH中指出了有关频率)，测量来自它的功率。 －移动台对不同的相邻信道进行功率测量，然后将测量结果通过配合TCH信道的控制信道SACCH信道送回当前的BS。

当前的BS 相邻的BS 图１０－２４　对信标信道的扫描

图 １０－２５　利用空闲时隙检测 测量 测量并解码 当前BTS i 相邻BTS

六、公共控制信道CCCH (Common Control Channel) 包括随机接入信道RACH (Random Access Channel)、准许接入信道AGCH (Access Grant Channel)、寻呼信道PCH (Paging Channel)、小区广播信道CBCH (Cell Broadcast Channel)。

RACH信道 ～是所有移动台共享的，并且允许它们向网络申请一个特别服务的控制信道。

１.接入突发结构： －扩展尾比特(extended tail bits)，8bits，(0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0) －保护时间，68.25bits，252s237.8km (GSM中，移动台和基站间的最大距离只能是35km) －训练(同步)序列，41bits，允许基站发现来自移动台未完全同步的信号 －编码后的数据，36bits，[8(有用信息)+6 (CRC⊕BSIC)+4(卷积编码的尾比特)]2(编码率1/2的卷积码) －尾比特，3bits。

1 2 7 3 bits 8 bits 41 bits 36 bits slot: 156.25 bits (577s) 68.25 bits (252s) TDMA frame 图１０－２６　接入突发结构示意图

２.随机接入参数 －一个随机数，最多5bits，是验证移动台的事务(transaction)号码。该参数只发送三次。 －要求的服务类别，再加上移动台标上的请求发送时间FN(本地时间)。

AGCH信道 ～是网络用来发送分配专用信道资源的下行公共信道。 信道上传输的信息： －使用的信令信道的全部信息：载波号、时隙号、跳频的相关资料(应用了跳频的话) －时间提前量TA的参数

PCH信道 ～是网络和移动台联系时，在所有小区中广播包含移动台代码消息的信道。 在一个消息中，允许使用TMSI一次广播四个移动台。

CBCH信道 ～是用来广播某些特殊短消息(如天气预报)的信道。

CCCH信道的复用设置 PCH+AGCH必须和BCCH信道复用在一个51个帧的复帧中，根据基站负荷不同又有 －PCH+AGCH，只占用信标信道的0时隙的一部分资源 －PCH+AGCH，占用信标信道0时隙上除了预留给FCCH和SCH外的全部资源 －PCH+AGCH，可能占用信标信道的4个时隙(0, 2, 4, 6)

-如果是复帧是和0时隙有关的，那么空格对应的是FCCH信道和SCH信道 -如果是复帧是和2, 4, 6时隙有关的，那么空格对应的是填充突发 图 １０－２７　 CCCH占用最多资源的配置 -如果是复帧是和0时隙有关的，那么空格对应的是FCCH信道和SCH信道 -如果是复帧是和2, 4, 6时隙有关的，那么空格对应的是填充突发 C: PCH+AGCH R: RACH 50 BCCH 1 10 20 30 40 C R

图１０－２８　CCCH占用资源最少的配置 C: PCH+AGCH R: RACH Di: SDCCHi

七、各种逻辑信道的作用 专用信道：提供给移动用户独占的传输能力，可以承载信令(SDCCH信道)也可以承载用户信息(TCH信道)。在需要信令的紧急情况下，还允许借用TCH信道的资源给FACCH信道。为了对链路进行实时控制，每条专用信道都有一条慢辅助信道(SACCH信道)配合使用。 广播信道：FCCH信道用于校正移动台频率；SCH信道用于同步；BCCH信道用于广播系统信息。 公共控制信道：RACH信道用于移动台的接入；AGCH信道用于分配一条专用信道给移动台并且负责信道切换；PCH信道用来广播呼叫一个移动台。

表１０－２ 在1个时隙上可能出现的复用结构 2 SACCH 2 TCH/H 或 2 FACCH 26 1 SACCH 1 TCH/F 或 1 FACCH 仅仅在2, 4, 6时隙和BCCH载波(不跳频) 8 SACCH 8 SDCCH 51 PCH+AGCH+RACH BCCH 4 SACCH 4 SDCCH FCCH+SCH+BCCH 仅仅在0时隙和BCCH载波 不跳频 备注 辅助信道 专用信道(信令或者话务) 公共控 制信道 广播控 制信道 结构 表１０－２　在1个时隙上可能出现的复用结构

小结 了解空中接口的特点，复帧、超帧、超超帧的结构，公共控制信道；熟悉专用信道；掌握信标信道的特点。