蜂窝概念 - GSM 无线电链路

BTS和MS通过无线电链路连接，这个空中接口称为Um。 无线电波会受到衰减、反射、多普勒频移和其他发射机的干扰。 这些影响会导致信号强度损失和失真，从而影响语音或数据的质量。 为了应对恶劣的条件，GSM 采用了高效且具有保护性的信号处理技术。 正确的蜂窝设计必须确保该区域提供足够的无线电覆盖。

移动设备的信号强度变化是由于不同类型的信号强度衰减造成的。 信号强度变化有两种类型。

• 宏观变化 − 由于BTS和MS之间的地形等高线。 衰落效应是由无线电波的阴影和衍射（弯曲）引起的。

• 微观变化 − 由于多径、短期或瑞利衰落。 当MS移动时，会接收到来自许多不同路径的无线电波。

瑞利衰落

瑞利衰落或宏观变化可以建模为构成移动台和基站之间路径损耗的两个分量的相加。 第一个分量是确定性分量 (L)，随着基站和移动设备之间距离 (R) 的增加，它会增加信号强度的损耗。 该组件可以写成 −

L = 1/Rⁿ

其中n通常为4。另一个宏观分量是对数正态随机变量，它考虑了地形变化和无线电路径中其他障碍物引起的阴影衰落的影响。 路径损耗的局部平均值=确定性分量+对数正态随机变量。

当移动设备移动距离较移动设备和基站之间的距离短时，就会发生微观变化或瑞利衰落。 这些短期变化是由移动单元附近（例如山丘、建筑物或交通）的信号散射引起的。 这导致发射器和接收器之间存在许多不同的路径（多路径传播）。 反射波的相位和幅度都发生改变。 如果反射波与直接路径信号异相 180 度，则信号可能实际上消失。 多个接收信号之间的部分异相关系对接收信号强度产生较小的降低。

瑞利衰落的影响

反射和多径传播会产生积极和消极的影响。

发送/接收过程

通过数字无线电链路传输和接收信息、编码和调制涉及两个主要过程。

覆盖范围扩展

多路径传播允许无线电信号到达山丘和建筑物后面并进入隧道。 通过多路径接收的相长和相消干扰信号可能会叠加或相互破坏。

编码

编码是一种信息处理，涉及准备基本数据信号，以便它们受到保护并采用无线电链路可以处理的形式。 一般编码过程包括逻辑异或(EXOR)。 编码包含在 −

• 语音编码或转码
• 信道编码或前向纠错编码
• 交错
• 加密

突发格式

人类语音的频带限制在 300Hz 到 3400Hz 之间，并在模拟系统中进行频率调制。 在数字固定 PSTN 系统中，频带受限语音以 8KHz 的速率进行采样，每个采样都被编码为 8 位，从而达到 64Kbps（PCM A 编码法则）。 数字蜂窝无线电无法处理 PSTN 系统使用的高比特率。 已经开发出用于信号分析和处理的智能技术来降低比特率。

语音属性

人类语音可以通过基本声音（音素）来区分。 根据语言的不同，有 30 到 50 个不同的音素。 人声每秒能够产生多达 10 个音素，因此传输语音大约需要 60 位/秒。 然而，所有个体特征和语调都会消失。 为了保留各个特征，实际发送的信息量要高出数倍，但仍然只是 PCM 使用的 64 Kbit/s 的一小部分。

根据人体发音器官的音素产生机制，可以制作一个简单的语音产生模型。 看来，在 10-30 ms 的短时间间隔内，模型参数（如基音周期、浊音/清音、放大增益和滤波器参数）保持平稳（准平稳）。 这种模型的优点是通过线性预测来简单确定参数。

语音编码技术

语音编码技术分为 3 类

• 波形编码 − 语音以波形编码的方式传输得尽可能好。 PCM 是波形编码的一个例子。 比特率范围为24-64kbps，语音质量好，易于识别说话人。

• 参数编码 − 仅发送非常有限的信息量。 根据语音产生模型构建的解码器将在接收器处重新生成语音。 语音传输仅需要 1 至 3kbps。 再生的语音是可以理解的，但它受到噪声的影响，并且常常无法识别说话者。

• 混合编码 − 混合编码是波形编码和参数编码的混合。 它结合了两种技术的优点，GSM 使用称为 RPE-LTP（规则脉冲激励长期预测）的混合编码技术，每个语音通道的速率为 13Kbps。

GSM 中的语音编码（转码）

64kbits/s PCM 从标准 A 律量化每个样本 8 位转码为线性量化每个样本 13 位比特流，对应于 104kbits/s 比特率。 104kbits/s 流被馈送到 RPE-LTP 语音编码器，该编码器在 160 个样本块中获取 13 位样本（每 20 毫秒）。 RPE-LTP 编码器每 20 ms 产生 260 位，从而产生 13kbits/s 的比特率。 这提供了移动电话可接受的语音质量，并且可与有线 PSTN 电话相媲美。 在 GSM 中，13Kbps 语音编码称为全速率编码器。 另外，半速率编码器 (6.5Kbps) 也可用于增强容量。

通道编码/卷积编码

GSM 中的信道编码使用语音编码中的 260 位作为信道编码的输入，并输出 456 个编码位。 在 RPE-LTP 语音编码器产生的 260 位中，182 位被分类为重要位，78 位被分类为不重要位。 同样，182 位被分为 50 个最重要的位，块编码为 53 位，加上 132 位和 4 个尾位，总共 189 位，然后进行 1:2 卷积编码，将 189 位转换为 378 位。 这 378 位加上 78 个不重要的位，得到 456 位。

交错 - 第一级

通道编码器为每 20 毫秒的语音提供 456 位。 这些是交织的，形成八个块，每个块 57 位，如下图所示。

在正常突发中，可以容纳 57 位的块，如果丢失 1 个这样的突发，则整个 20ms 的 BER 为 25%。

交错 - 第二级

引入了第二级交织，以进一步将可能的 BER 降低至 12.5%。 不是在一个突发内发送来自相同 20 ms 语音的两个 57 位块，而是一起发送一个 20 ms 的块和下一个 20 ms 样本的块。 当 MS 必须等待下一个 20ms 的语音时，系统中就会引入延迟。 然而，系统现在可以承受丢失 8 个突发中的整个突发，因为丢失的比特数仅为每个 20ms 语音帧总比特数的 12.5%。 12.5% 是通道解码器可以纠正的最大丢失级别。

加密/加密

加密的目的是对突发进行编码，以便除了接收器之外的任何其他设备都无法解释它。 GSM 中的加密算法称为 A5 算法。 它不会向突发中添加位，这意味着加密过程的输入和输出与输入相同：每 20 毫秒 456 位。 有关加密的详细信息可在 GSM 的特殊功能下找到。

多路复用（突发格式化）

来自移动/BTS 的每次传输都必须包含一些额外信息以及基本数据。 在 GSM 中，每 20 毫秒的块总共添加 136 位，使总数达到 592 位。 还添加了 33 位的保护期，每 20 毫秒可增加 625 位。

调制

调制是涉及信号物理准备的处理，以便信息可以在射频载波上传输。 GSM 使用高斯最小频移键控技术 (GMSK)。 载波频率偏移 +/- B/4，其中 B= 比特率。 然而，使用高斯滤波器将带宽减少到 0.3，而不是 0.5。

GSM 的特殊功能

下面列出的是 GSM 的特殊功能，我们将在下面的部分中讨论这些功能 −

• 身份验证
• 加密
• 时间段错开
• 时间提前
• 不连续传输
• 电源控制
• 自适应均衡
• 慢速跳频

身份验证

由于空中接口容易受到欺诈性访问，因此在向订户扩展服务之前有必要进行身份验证。 身份验证是围绕以下概念构建的。

• 身份验证密钥 (Ki) 仅驻留在两个地方：SIM 卡和身份验证中心。

• 身份验证密钥 (Ki) 绝不会通过空中传输。 未经授权的个人几乎不可能获得此密钥来冒充特定的移动用户。

身份验证参数

MS 由 VLR 通过使用三个参数的过程进行身份验证 −

• RAND，完全随机数。

• SRES，这是身份验证签名的响应。 它是通过将认证算法（A3）应用于 RAND 和 Ki 来生成的。

• Kc 是密钥。 通过将密钥生成算法（A8）应用于RAND和Ki而生成的Kc参数。

这些参数（称为认证三元组）是由 AUC 应订户所属 HLR 的请求生成的。 算法A3和A8由PLMN运营商定义并由SIM执行。

身份验证阶段的步骤

• 新的VLR向HLR/AUC（认证中心）发送请求，请求可用于指定IMSI的"认证三元组"（RAND、SRES和Kc）。

• AUC 使用 IMSI 提取订户身份验证密钥 (Ki)。然后 AUC 生成随机数 (RAND)，将 Ki 和 RAND 应用于身份验证算法 (A3) 和加密密钥， 生成算法（A8）产生认证签名响应（SRES）和密码密钥（Kc）。 然后AUC向新VLR返回认证三元组：RAND、SRES和Kc。

• MSC/VLR保留Kc和SRES这两个参数供以后使用，然后向MS发送消息。 MS 从 SIM 卡中读取其身份验证密钥 (Ki)，将收到的随机数 (RAND) 和 Ki 应用到其身份验证算法 (A3) 和密码密钥生成算法 (A8)，以生成身份验证签名响应 (SRES) 和密码 键（Kc）。 MS保存Kc供以后使用，当MS收到命令时将使用Kc对信道进行加密。

• MS将生成的SRES返回给MSC/VLR。 VLR将从MS返回的SRES与之前从AUC接收到的预期SRES进行比较。 如果相等，则手机通过认证。 如果不相等，所有信号活动将被中止。 在这种情况下，我们假设身份验证已通过。

加密/加密

通过获取 114 位纯文本数据突发并使用 114 位密码块执行 EXOR（异或）逻辑函数运算，在发送端以 114 位块对数据进行加密。

接收器端的解密功能是通过获取 114 位加密数据块并使用与发送器相同的 114 位密码块进行相同的"异或"运算来执行的。

给定传输方向的传输路径两端使用的密码块是在 BSS 和 MS 处通过称为 A5 的加密算法生成的。 A5 算法使用 64 位密钥 (Kc)（在呼叫建立期间的身份验证过程中生成）和 22 位 TDMA 帧编号 (COUNT)（采用从 0 到 2715647 的十进制值，重复时间为 3.48 小时） （超帧间隔）。A5算法实际上在每个TDMA周期内产生两个密码块。 一条路径用于上行链路路径，另一条路径用于下行链路路径。

时间段交错

时隙错开的原理是从下行时隙组织推导出上行时隙组织。 上行链路的特定时隙是由下行链路时隙编号移动3得出的。

原因

通过移动三个时隙，移动站避免同时进行"发送和接收"过程。 这使得移动站的实现更加容易； 移动站中的接收器不需要受到保护以免受同一移动站的发射器的影响。 通常，移动站将在一个时隙期间进行接收，然后将频率移动 45 MHz（对于 GSM-900）或 95 MHz（对于 GSM-1800），以便稍后进行传输。 这意味着下行链路有一个时基，上行链路有一个时基。

时间提前

定时提前是提前将突发传输到 BTS（定时提前）的过程，以补偿传播延迟。

为什么需要它?

这是必需的，因为无线电路径上使用时分复用方案。 BTS 接收来自彼此非常接近的不同移动站的信号。 然而，当移动站距离BTS较远时，BTS必须处理传播延迟。 BTS 接收到的突发必须正确地适合时隙，这一点至关重要。 否则，来自使用相邻时隙的移动站的突发可能会重叠，导致传输质量差，甚至导致通信丢失。

一旦建立了连接，BTS 就会连续测量其自身的突发调度和移动站突发的接收调度之间的时间偏移。 基于这些测量，BTS 能够通过 SACCH 向移动站提供所需的定时提前。 请注意，定时提前是从距离测量得出的，该距离测量也用于切换过程。 BTS根据感知的定时提前量向每个移动站发送定时提前量参数。 然后，每个移动站提前其定时，结果是来自不同移动站的信号到达 BTS，并补偿传播延迟。

时间推进过程

• 6 位数字表示 MS 必须提前传输多少位。 这次提前是TA。

• 接入突发的 68.25 位长 GP（保护期）提供了提前传输时间所需的灵活性。

• 时间提前TA可以具有0到63位长之间的值，其对应于0到233微秒的延迟。 例如，距 BTS 10 公里的 MS 必须提前 66 微秒开始传输，以补偿往返延迟。

• 35Km的最大移动范围是由定时提前值决定的，而不是由信号强度决定的。