2．4．2　多址方式

多址技术就是要使众多的移动用户公用公共信道所采用的一种技术，实现多址的方法基本有三种，频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）、时分多址（TDMA）。我国模拟移动通信网TACS就是采取的FDMA技术。CDMA是以不同的代码序列实现通信的，它可重复使用所有小区的频谱，它是目前是最有效的频率复用技术。TDMA是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙。然后根据一定的时隙分配原则，使各移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号。在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各个时隙中接收到各移动台的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各个移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。

1．GSM的FDD TDMA多址方式原理

GSM的多址方式为时分多址TDMA和频分多址FDMA相结合并采用跳频的方式，载波间隔为200kHz，每个载波有8个基本的物理信道。一个物理信道可以由TDMA的帧号、时隙号和跳频序列号来定义。它的一个时隙的长度为0．577ms，每个时隙的间隔包含156．25比特GSM的调制方式为GMSK，调制速率为270．833kbit／s。

2．TDMA信道

在GSM中的信道可分为物理信道和逻辑信道。GSM系统采用TDMA／FDMA／FDD的接入方式。这种多址接入方式，把25MHz的频段分成124个频道，频道间隔200kHz。每个载频可分成8个时隙，每个时隙作为一个物理信道。因此，一个物理信道就是一个时隙，通常被定义为给定TDMA帧上的固定位置上的时隙（TS）。TDMA中的信道数为每个基站使用的载波数乘以每载波的时隙数，TDMA空闲信道的选取是选择某个载频上的某个空闲时隙。而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道。逻辑信道在空中接口的传输过程中要被放在某个物理信道上。逻辑信道可分为业务信道TCH（Traffic Channel）和控制信道CCH（Control Channel）两大类，其中后者也称信令信道（Signalling Channel）。

（1）业务信道

业务信道（TCH）载有编码的话音或用户数据，它有全速率业务信道（TCH／F）和半速率业务信道（TCH／H）之分，两者分别载有总速率为22．8kbit／s和11．4kbit／s的信息。使用全速率信道所用时隙的一半，就可得到半速率信道。因此一个载频可提供8个全速率或16个半速率业务信道（或两者的组合），并包括各自所带有的随路控制信道。

①话音业务信道

载有编码话音的业务信道分为全速率话音业务信道（TCH／FS）和半速率话音业务信道（TCH／HS），两者的总速率分别为22．8kbit／s和11．4kbit／s。

对于全速率话音编码，话音帧长20ms，每帧含260bit，提供的净速率为13kbit／s。

②数据业务信道

在全速率或半速率信道上，通过不同的速率适配、信道编码和交织，支撑着直至9．6kbit／s的透明和非透明数据业务。用于不同用户数据速率的业务信道，具体有：

·9．6kbit／s，全速率数据业务信道（TCH／F9．6）；

·4．8kbit／s，全速率数据业务信道（TCH／F4．8）；

·4．8kbit／s，半速率数据业务信道（TCH／H4．8）；

·≤2．4kbit／s，全速率数据业务信道（TCH／F2．4）；

·≤2．4kbit／s，半速率数据业务信道（TCH／H2．4）。

数据业务信道还支撑具有净速率为12kbit／s的非限制的数字承载业务。

在GSM系统中，为了提高系统效率，还引入额外一类信道，即TCH／8，它的速率很低，仅用于信令和短消息传输。如果TCH／H可看作为TCH／F的一半，则TCH／8便可看作为TCH／F的1／8。TCH／8应归于慢速随路控制信道（SACCH）的范围。

（2）控制信道

控制信道（CCH）用于传送信令或同步数据。为了增强控制功能，传输所需的各种信令，GSM系统设置了三类控制信道，它们分别是：广播信道（BCCH，Broadcast Channel）、公共控制信道（CCCH，Common Control Channel）和专用控制信道（DCCH，Dedicated Control Channel）。

①广播信道

广播信道仅作为下行信道使用，即传输移动台入网和呼叫建立所需要的有关信息，是一种“一点到多点”的基站到移动台的单向控制信道。又可分为如下三种信道：

·频率校正信道（FCCH，Frequency Control Channel）：载有供移动台频率校正用的信息。

·同步信道（SCH，Synchronous Channel）：载有供移动台帧同步（TDMA帧同步）和对基站进行识别（BTS的识别码BSIC）的信息。实际上，该信道包含两个编码参数：一个是基站识别码（BSIC），它占有6个比特（信道编码之前），其中3个比特为0～7范围的PLMN色码，另3个比特为0～7范围的基站色码（BCC）；另一个是简化的TDMA帧号（RFN），它占有19个比特。

·广播控制信道（BCCH，Broadcast Control Channel）：通常，在每个基站收发信台中总有一个收发信机含有这个信道，以向移动台广播系统信息，包括位置区识别码（LAI）、小区允许最大输出功率和相邻小区BCCH载频，周期性登记的时间周期等小区相关信息。

②公共控制信道

公共控制信道为系统内移动台所共用，它分为下述三种信道：

·寻呼信道（PCH，Paging Channel）：这是一个下行信道，用于寻呼被叫的移动台。

·随机接入信道（RACH，Random Access Channel）：这是一个上行信道，用于移动台随机提出入网申请，即请求分配一个SDCCH，它可作为MS主叫登记时接入或作为对寻呼的响应。

·准予接入信道（AGCH，Access Granted Channel）：这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网请求作出应答，即响应RACH的接入请求，告知MS分配的SDCCH信道或直接分配的TCH信道。

③专用控制信道

此信道用于呼叫建立及通信进行当中，传输移动台和基站间必须的控制信息。使用时由基站将其分配给移动台专用，是一种“点对点”的双向控制信道。它主要有如下几种：

·独立专用控制信道（SDCCH，Standalone Dedicated Control Channel）：用于在分配业务信道之前，特定MS与BTS之间传送有关信令，如登记、鉴权过程，被叫号码的发送、业务信道TCH的分配等。除此之外，SDCCH还用于传送短消息，是双向信道。

·慢速随路控制信道（SACCH，Slow Associated Control Channel）：它与一条业务信道或一条SDCCH联用，在基站和移动台之间周期性地传送一些必要的信息，如移动台向网络报告正在服务的基站和相邻基站的信号强度，为切换提供依据，也用于基站向移动台传送功率控制、时间调整等指令。

·快速随路控制信道（FACCH，Fast Associated Control Channel）：业务信息传输过程中如果突然需要传输比SACCH所能处理的高得多的速度传送信令信息，则借用20ms的业务时隙（TCH）来传送，每次占用时间18．5ms。这种方式通常在切换时使用。

图2．23归纳了上述逻辑信道的分类。

图2．23　逻辑信道类型

3．TDMA帧

帧（Frame）：通常被表示为接连发生的i个时隙。在TDMA中，每一个载频被定义为一个TDMA帧，其持续时间为所有进行时分多址的i个用户各自在相应时隙完成一个突发的传输所需的总时间，每帧包括8个时隙（TS0～TS7），表明可有8个用户在这个载频上进行时分多址，即同一个载频由8个用户进行时分共享。

图2．24给出了TDMA帧的完整结构，每一个TDMA帧含8个时隙，共占60／13≈4．615ms。每个时隙含156．25个码元，占15／26≈0．557ms。还包括了时隙和突发脉冲序列。必须记住，TDMA帧是在无线链路上重复的“物理”帧。

同时，TDMA帧要有一个帧号，这是因为会有多个不同的逻辑信道在同一个物理信道上进行时分复用，在计算加密序列的A5算法中是以TDMA帧号为一个输入参数，当有了TDMA帧号后，移动台就可以判断控制信道TS0上传送的为哪一类逻辑信道了。TDMA的帧号是以3小时28分钟53秒760毫秒（2　715　648个TDMA帧）为周期循环编号的，帧号在同步信道中传送。

图2．24　帧、时隙和突发脉冲序列

每2　715　648个TDMA帧为一个超高帧（Hyper Frame），每一个超高帧又由2　048个超帧（Super Frame）组成，一个超帧持续时间为6．12s，由51个26复帧或26个51复帧组成。这两种复帧是为满足不同速率的信息传输而设定的，分别是：

26帧的复帧：包含26个TDMA帧，时间间隔为120ms，它主要用于TCH（SACCH／T）和FACCH等业务信道。其中24个突发序列用于业务，2个突发序列用于信令。

51帧的复帧：包含51个TDMA帧，时间间隔为235ms，专用于BCCH、CCCH、SD－CCH等控制信道。

当不同的逻辑信道复用到一个物理信道时，需要使用这些复帧。

4．突发脉冲序列

TDMA信道上的一个时隙中的比特流被称为一个突发脉冲序列Burst，是GSM的基本传输单元，占时长为0．577ms，共有156．25bit，比特周期为3．7μs，信道速率为270．83kbit／s。

根据所传信息不同，时隙所含的具体内容及其组成的格式也不同。GSM系统中定义了五种突发脉冲序列。

（1）普通突发脉冲序列（NB，Normal Burst）：用于携带TCH、FACCH、SACCH、SD－CCH、BCCH、PCH和AGCH信道的消息。

（2）接入突发脉冲序列（AB，Access Burst）：用于携带RACH信道的消息。

（3）频率校正突发脉冲序列（FB，Frequency correction Burst）：用于携带FCCH信道的消息。

（4）同步突发脉冲序列（SB，Synchronization Burst）：用携带SCH信道的消息。

（5）空闲突发脉冲序列（DB，Dummy Burst）：当系统没有任何具体的消息要发送时就传送这种突发脉冲序列（因为在小区中标频需连续不断的发送消息）。

图2．25给出了常规突发序列、频率校正突发序列、同步突发序列和接入突发序列的具体格式。在每种突发脉冲的格式中，都包括以下内容：

图2．25　几种突发序列的格式

·尾比特（Tail Bits）：它总是0，以帮助均衡器来判断起始位和终止位以避免失步。

·消息比特（Information Bits）：用于描述业务消息和信令消息，空闲突发脉冲序列和频率校正突发脉冲序列除外。

·训练序列（Training Sequence）：它是一串已知序列，用于供均衡器产生信道模型（一种消除色散的方法）。训练序列是发送端和接收端所共知的序列，它可以用来确认同一突发脉冲其他比特的确定位置，它对于当接收端收到该序列时来近似地估算发送信道的干扰情况能起到很重要的作用。值得注意的是，它在普通突发脉冲序列可分为8种，但在接入突发脉冲和同步突发脉冲序列是固定的，而并不随着小区的不同而不同。

·保护间隔（Guard Period）：它是一个空白空间，由于每个载频最多同时承载8个用户，因此必须保证各自的时隙发射时不相互重叠，尽管使用了定时提前技术，但来自不同移动台的突发脉冲序列仍会有小的滑动，因而就采用了保护间隔，可使发射机在GSM规范许可的范围内上下波动。从另一个角度来讲，GSM规范要求MS在一个突发脉冲的有用比特（不包括保护比特的其他比特）应保持恒定的传输幅度，并要求MS在两个突发脉冲之间传输幅度适当衰减，因此需要保护比特。相邻两个突发脉冲之间的幅度衰减并应用适当的调制比特流，将会减小对其他RF信道的干扰。

5．逻辑信道到物理信道的映射

GSM系统的逻辑信道数明显超过了GSM一个载频所提供的8个物理信道，因此要想给每个逻辑信道都配置一个物理信道，一个载频所提供的8个物理信道是不够的，需要再增加载频。这样并不是一种高效率的通信。解决上述问题的基本方法是，将公共控制信道复用，即在一个或两个物理信道上复用公共控制信道。

GSM系统是按下面的方法建立物理信道和逻辑信道间的映射对应关系的。

一个基站有N个载频，每个载频有8个时隙。将载频定义为f₀，f₁，f₂，…。对于下行链路，从f₀的第0时隙（TS0）起始。TS0只用于映射控制信道，f₀也称为广播控制信道（BCCH）。

图2．26给出了BCCH和CCCH在TS0上的复用关系。

图2．26　BCCH和CCCH在TS0上的复用

BCCH和CCCH共占用51个TS0时隙，尽管只占用了每一帧的TS0时隙，但从时间上讲长度为51个TDMA帧。作为一种复帧，以每出现一个空闲帧作为此复帧的结束，在空闲帧之后，复帧再从F、S开始进行新的复帧。以此方法进行重复，即构成TDMA的复帧结构。

在没有寻呼或呼叫接入时，基站也总在f₀上发射。这使移动台能够测试基站的信号强度以决定使用哪个小区为合适。

对上行链路，f₀上的TS0不包括上述信道，它只用于移动台的接入，即用于上行链路作为RACH信道。图2．27为51个连续TDMA帧的TS0。

图2．27　TS0上RACH的复用

BCCH、FCCH、SCH、PCH、AGCH和RACH均映射到TS0。RACH映射到上行链路，其余映射到下行链路。

下行链路f₀上的TS1时隙用来将专用控制信道映射到物理信道上，其映射关系如图2．28所示。

图2．28　SDCCH和SACCH在TS1上的复用（下行）

由于呼叫建立和登记时的比特率相当低，所以可在1个时隙上放8个专用控制信道以提高时隙的复用率。

SDCCH和SACCH共有102个时隙，即102个时分复用帧。

SDCCH的DX（D0、D1、…）只用于移动台建立呼叫的开始时使用；当移动台转移到业务信道TCH上，用户开始通话或登记完释放后，DX就用于其他的移动台。

SACCH的AX（A0、A1、…）主要用于传送那些不重要的控制信息，如传送无线测量数据等。

上行链路f₀上的TS1与下行链路f₀上的TS1有相同的结构，只是它们在时间上有一个偏移，即意味着对于一个移动台同时可双向接续。图2．29中给出了SDCCH和SACCH在上行链路f₀的TS1上的复用。

图2．29　SDCCH与SACCH在TS1上的复用（上行）

载频f₀上的上行、下行的TS0和TS1供逻辑控制信道使用，而其余6个物理信道TS2～TS7由TCH使用。

TCH到物理信道的映射如图2．30所示。

图2．30　TCH的复用

图2．30中只给出了TS2时隙的时分复用关系，其中T表示TCH，用于传送语音或数据；A表示SACCH，用于传送控制命令，如命令改变输出功率等；I为IDEL空闲，它不含任何信息，主要用于配合测量。时隙TS2是以26个时隙为周期进行时分复用的，以空闲时隙I作为重复序列的开头或结尾。

上行链路的TCH与下行链路的TCH结构完全一样，只是有一个时间的偏移。时间偏移为3个TS，也就是说上行的TS2与下行的TS2不同时出现，表明移动台的收发不必同时进行。图2．31中给出了TCH上行与下行偏移的情况。

图2．31　TCH上行与下行偏移

通过以上论述可以得出在载频f₀上：

·TS0：逻辑控制信道，重复周期为51个TS；

·TS1：逻辑控制信道，重复周期为102个TS；

·TS2：逻辑业务信道，重复周期为26个TS；

·TS3～TS7：逻辑业务信道，重复周期为26个TS。其他f₀～fN个载频的TS0～TS7全部是业务信道。