第十章　 逻辑信道.

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1 第十章　 逻辑信道

2 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。

3 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。

4 频率 时隙号 图１０－１　物理信道

5 图１０－２　逻辑信道 多路复用

6 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。

7 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。

8 －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。

9 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

10 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)。

11 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

12 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。

13 1 2 7 TDMA帧 … 复帧 图１０－５　支持复帧的物理信道

14 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

15 ３.超超帧(Hypertrame)： －2048个超帧， 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。

16 120 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

17 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。

18 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)；

19 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

20 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

21 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。

22 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。

23 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

24 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。

25 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。

26 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； －…

27 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。

28 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。

29 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

30 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。

31 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

32 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。

33 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。

34 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

35 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

36 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。

37 51个TDMA帧= 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

38 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。

39 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)

40 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)。

41 －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

42 图１０－１２　基站

43 “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)

44 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。

45 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

46 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 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

47 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。

48 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

49 －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

50 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)

51 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。

52 －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)

53 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

54 图１０－１８　检测到一个SCH突发

55 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)

56 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

57 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)

58 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)

59 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

60 －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

61 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)

62 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。

63 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, ) －FCCH突发(检测解调后最合适的频率)。

64 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.…

65 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。

66 当前的BS 相邻的BS 图１０－２４　对信标信道的扫描

67 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

68 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)。

69 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。

70 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。

71 1 2 7 3 bits 8 bits 41 bits 36 bits slot: bits (577s) 68.25 bits (252s) TDMA frame 图１０－２６　接入突发结构示意图

72 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)。

73 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

74 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。

75 CBCH信道 ～是用来广播某些特殊短消息(如天气预报)的信道。

76 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)

77 -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

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

79 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。

80 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

81 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。