实验四 FDDTDMA原理实验.docx
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实验四FDDTDMA原理实验
实验四FDDTDMA原理实验
一、实验目的
1、掌握TDMA的原理。
2、了解GSM数字蜂窝移动通信系统是如何利用TDMA技术的。
二、实验器材
1、逻辑分析仪
2、数字存储式示波器(60MHz以上)
3、GSM移动通信系统实验箱
三、实验原理
1、TDMA的基本原理
TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)是把时间分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的),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。
TDMA有两种方式:
频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。
在FDD中,上行(移动台向基站发送信息)链路和下行(基站向移动台发送信息)链路的帧分别在不同的频率上。
在FDD方式中,上下行链路的帧结构既可以相同也可以不同。
在TDD方式中,上下行帧都在相同的频率上,通常将某频率上一帧中一半的时隙用于移动台发,另一半的时隙用于移动台的收,收发工作在相同的频率上。
在GSM数字蜂窝移动通信系统中使用FDDTDMA方式。
在TDMA系统中,每帧中的时隙结构(或称突发结构)的设计通常要考虑三个主要问题:
一是控制和信令信息的传输;二是信道多径的影响;三是系统的同步。
为了解决上述问题,采取以下四方面的主要措施:
一是在每个时隙中,专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输;二是为了便于接收端利用均衡器来克服多径引起的码间干扰,在时隙中要插入自适应均衡器所需的训练序列,训练序列对接收端来说是确知的,接收端根据训练序列的解调结果,就可以估计出信道的冲激响应,根据响应就可以预置均衡器的抽头系数,从而可消除码间干扰对整个时隙的影响;三是上行链路的每个时隙中要留出一定的保护间隔(即不传输任何信号),即每个时隙中传输信息的时间要小于时隙长度。
这样可以克服因移动台至基站距离的随机变化,而引起移动台发出的信号到达基站接收机时刻的随机变化,从而保证不同移动台发出的信号,在基站处都能落在规定的时隙内,而不会出现重叠的现象;四是为了便于接收端的同步,在每个时隙中还要传输同步序列。
同步序列和训练序列可以分开传输,也可以合二为一,两种典型的时隙结构如图2-4-1所示。
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。
图2-4-1典型的时隙结构
2、TDMA在GSM数字蜂窝移动通信中的应用
GSM系统中工作频率分为三个频段,它们是:
E-GSM、GSM900和DCS1800,下面对GSM900进行说明,E-GSM和DCS1800参看附录1。
(1)900MHz频段GSM系统频率与频道序号
GSM系统中900MHz段的射频频段为:
上行(移动台发,基站收)890-915MHz
下行(基站发,移动台收)935-960MHz
上、下行信道间隔为45MHz。
移动台采用较低频段发射,传播损耗较低,有利于补偿上下行功率不平衡的问题。
由于载频间隔是0.2MHz,因此GSM系统整个工作频段分为124对载频,其频道序号用n表示,则上下两段中序号为n的载频可以用下式计算:
上频段f1(n)=(890+0.2n)MHz
下频段f2(n)=(935+0.2n)MHz
式中n=1~124。
例如,n=1时,f1
(1)=890.2MHz,f2
(1)=935.2MHz,其它序号的载频依次类推。
在GSM系统中,每个小区含有多个载频,并且可以复用,每个载频上按时间分成一个一个帧,每帧长为4.615ms每帧分成8个时隙(0~7),每时隙为577us,即每个载频上含有8个时隙,即每个载频有8个物理信道,因此GSM系统中总共有124×8=992个物理信道。
因此GSM系统是时分多址/频分多址的接入方式,如图2-4-2所示:
图2-4-2TDMA/FDD接入方式
(2)GSM系统中的帧结构
蜂窝通信系统要传输不同类型的信息,按逻辑功能而言,可分为业务信息和控制信息。
因而在时分、频分复用的物理信道上要安排相应的逻辑信道。
在时分多址的物理信道中,帧的结构和组成是基础,为此下面先讨论GSM的帧结构。
图2-4-3给出了GSM系统的各种帧及时隙的格式。
图2-4-3GSM系统各种帧及时隙格式
每一个TDMA帧的帧长度为120/26≈4.615ms,分0~7共8个时隙,;每个时隙占15/26≈0.577ms,含156.25个码元。
由若干个TDMA帧构成复帧,其结构有两种:
一种是由26帧组成的复帧,这种复帧长120ms,主要用于业务信息的传输,也称作业务复帧;另一种是由51帧组成的复帧,这种复帧长235.385ms,专用于传输控制信息,也称作控制复帧。
由51个业务复帧或26个控制复帧均可以组成1个超帧,超帧的周期为1326个TDMA帧,超帧长51×26×4.615×0.001≈6.12s。
由2048个超帧组成1个超高帧,超高帧的周期为2048×1326=2715648个TDMA帧,超高帧长12533.76秒,即3小时28分53秒760毫秒。
帧的编号(FN)以超高帧为周期,从0到2715647。
GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同,但上行帧相对于下行帧来说,在时间上推后3个时隙,如图2-4-4所示。
这样安排,允许移动台在这三个时隙的时间内,进行帧调整以及对收发信机的调谐和转换。
图2-4-4上行帧号和下行帧号所对应的时间关系
信道分类
图2-4-5给出了GSM系统的信道分类:
图2-4-5GSM系统的信道分类
A、业务信道
业务信道TCH主要传输数字话音或数据,其次还有少量的随路控制信令,业务信道有全速率业务信道(TCH/F)和半速业务信道(TCH/H)之分。
半速率业务信道所用时隙是全速率业务信道所用时隙的一半。
目前使用的是全速率业务信道,将来采用低比特率话音编码器后可使用半速率业务信道,从而在信道传输速率不变的情况下,时隙数目可加倍。
(a)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22.8kb/s和11.4kb/s。
对于全速率话音编码,话音帧长为20ms,每帧含260bit话音信息,提供净速率为13kb/s。
(b)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和信道编码,用户可以用下列各种不同的数据业务:
9.6kb/S,全速率数据业务信道(TCH/F9.6)
4.8kb/S,全速率数据业务信道(TCH/F4.8)
4.8kb/S,半速率数据业务信道(TCH/H4.8)
≤2.4kb/S,全速率数据业务信道(TCH/F2.4)
≤2.4kb/S,半速率数据业务信道(TCH/H2.4)
此外,在业务信道中还可以安排慢速辅助控制信道或快速辅助控制信道,它们与业务信道的连接在上图中用虚线表示。
B、控制信道
控制信道(CCH)用于传送信令和同步信号。
它主要有三种:
广播信道(BCH),公共控制信道(CCCH)和专用控制信道。
(a)广播信道(BCH)
广播信道是一种“一点对多点”的单方向控制信道,用于基站向移动台广播公用的信息。
传输的内容主要是移动台入网和呼叫建立所需要的有关信息。
其中又分为:
●频率校正信道(FCCH):
传输供移动台校正其工作频率的信息。
●同步信道(SCH):
传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息,因为基站识别码是在同步信道上传输的。
●广播控制信道(BCCH):
传输系统公用控制信息,例如公共控制信息(CCCH)号码以及是否与独立专用控制信道(SDCCH)相组合等信息。
(b)公用控制信道(CCCH)
CCCH是一种双向控制信道,用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。
其中又分为:
●寻呼信道(PCH):
传输基站寻呼移动台的信息。
●随机接入信道(RACH):
这是一个上行信道,用于移动台随机提出的入网申请,即请求分配一个独立专用控制信道(SDCCH。
●准许接入信道(AGCH):
这是一个下行信道,用于基站对移动台的入网申请作出应答,即分配一个独立专用控制信道(SDCCH)。
(c)专用控制信道(DCCH)
DCCH是一种“点对点”的双向控制信道,其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行当中,在移动台和基站之间传输必要的控制信息。
其中又分为:
●独立专用控制信道(SDCCH):
用于在分配业务信道之前传输有关信令。
例如,登记、鉴权等信令均在此信道上传输,经鉴权确认后,再分配业务信道(TCH);
●慢速辅助控制信道(SACCH):
在移动台和基站之间,需要周期性地传输一些信息,例如,移动台要不断地报告正在服务的基站的信号强度,以实现“移动台辅助切换功能”。
此外,基站对移动台的功率调整、时间调整命令也在此信道上传输,因此SACCH是双向的点对点控制信息。
SACCH可与一个业务信道或一个独立专用控制信道联用。
SACCH安排在业务信道时,以SACCH/T表示;安排在控制信道时,以SACCH/C表示。
●快速辅助控制信道(FACCH):
传送与SDCCH相同的信息,只有在没有分配SDCCH的情况下,才使用这种控制信道。
使用时要中断业务信息,把FACCH插入业务信道,每次占用的时间很短,约18.5ms。
由上可见,GSM通信系统为了传输所需的各种信令,设置了多种控制信道。
这样,除了因数字传输为设置多种逻辑信道提供了可能外,主要是为了增强系统的控制功能,同时也为了保证话音通信质量。
在模拟蜂窝系统中,要在通信进行过程中进行控制信令的传输,必须中断话音信息的传输,一般为100ms左右,这就是所谓的“中断--猝发”的控制方式。
如果这种中断过于频繁,会使话音产生可以听到的“喀喇”声,势必明显地降低话音质量。
因此,模拟蜂窝系统必须限制在通话过程中传输控制信息的容量。
与此不同,GSM系统采用专用控制信道传输控制信令,除去FACCH外,不会在通信过程中中断话音信号,因而能保证话音的传输质量。
其中,FACCH虽然也采取“中断-猝发”的控制方式,但使用机会减少,而占用的时间较短(约18.5ms)其影响程度明显减小。
GSM系统还采用信息处理技术,以估计并补偿这种因为插入FACCH而被删除的话音。
GSM系统中的突发脉冲序列格式
在GSM系统中,每帧含8个时隙,时隙宽度为577us,每个时隙包含156.25比特。
TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。
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。
在GSM系统中有4种突发脉冲序列,分别示于图2-4-6:
尾比特
3
信息比特
57
1
训练序列
26
1
信息比特
57
尾比特
3
保护期
8.25
常规突
发序列
尾比特
3
固定比特
142
尾比特
3
保护期
8.25
频率校突
发序列
尾比特
3
信息比特
39
扩展的训练序列
64
信息比特
39
尾比特
3
保护期
8.25
同步突
发序列
尾比特
8
同步序列
41
信息比特
36
尾比特
3
保护期
68.25
接入突
发序列
图2-4-6几种突发序列的格式
(a)常规突发脉冲序列
常规突发脉冲序列亦称为普通突发脉冲序列,用于业务信道和专用控制信道。
信息为占116比特,分成两段,各58比特,其中57比特为数据,另1位表示此数据的性质,是业务信号或控制信号(控制信号为1)。
两段信息之间插入26位训练序列,用作自适应均衡器的训练序列,以消除多径效应产生的码间干扰。
GSM共有8种训练序列,在本好实验中用第6种,用十六进制表示为13AC13AH。
将训练序列放在两段信息的中间位置,是考虑到信道会快速发生变化,这样就可以使前后两部分信息比特和训练序列所受信道变化的影响不会有太大差别。
尾比特TB(0,0,0)置于起始时间和结束时间,也称功率上升和拖尾时间,各占3比特。
因为在突发传输时,起始时载波电平必须从最低值迅速上升到额定值;突发结束时,载波电平又必须从额定值迅速下降到最低值。
有效传输时间是载波维持在额定值的中间一段,在时隙前后各置3个零比特,允许载波功率在此时间内上升和下降到规定的数值。
保护时间是为了防止不同移动台按时隙突发的信号因传输时延不同而在基站发生前后交叠。
(b)频率校正突发脉冲序列
频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率。
尾比特和保护期的作用均为常规突发一样,其余固定的142比特均为零,相应发送的射频是一个与载频有固定频偏的纯正弦波,频偏为正偏,其值为165/24kHz用于调整移动台的载频。
(c)同步突发脉冲序列
同步突发脉冲序列在下行线方向的SCH(同步信道)信道上传送,它用于给定小区中移动台的起始同步的捕获。
同步突发序列是移动台在下行线方向需要解调的第一个序列。
因此它的训练序列较长,并且是独特的。
训练序列用16进制表示为B962040F2D45761BH。
两个39bit信息段用于传输TDMA帧号和基站识别码(BSIC)。
尾比特和保护期作用与常规突发一样。
(d)接入突发脉冲序列
接入突发脉冲序列AB用于上行方向的RACH(随机接入信道)的传送,即用于移动用户向基站提出入网申请。
接入突发脉冲序列与前三种序列有较大差异。
它的训练序列起始尾比特和保护期都相对较长。
起始比特为(0,0,1,1,1,0,1,0),训练序列用16进制表示为096FF335478H。
当移动台在RACH上首次接入时,接收机开始接收的状况往往带有一定的偶然性,为了提高解调成功率,AB序列的训练序列及起始端的尾比特都选的比较长。
在使用AB序列时,由于移动台和基站之间的传播时间是不知道的,尤其时当移动台远离基站时,导致传播时延大。
为了保证接收机准确接收信息,AB序列的保护期很长。
此保护期保证,即使移动台距离基站35KM,也不会发生使有用信息落入到下一个时隙的情况。
信道的组合方式
逻辑信道组合是以复帧为基础的,所谓“组合”,实际上是将各种逻辑信道装载到物理信道上。
也就是说,逻辑信道与物理信道之间存在着映射关系。
信道的组合形式与通信系统在不同阶段(接续或通话)所需要完成的功能有关,也与传输的方向(上行或下行)有关,除此之外,还与业务质量有关。
A、业务信道的组合方式
业务信道有全速率和半速率之分,下面只考虑全速率情况。
业务信道的复帧含26个TDMA帧,其组成的格式和物理信道(一个时隙)的映射关系如图2-4-7所示。
图中给出了时隙4(即TS4)构成一个业务信道的复帧,共占26个TDMA帧,其中24帧T(即TCH),用于传输业务信息。
1帧A,代表随路的慢速辅助控制信道(SACCH),传输慢速辅助信道的信息(例如功率调整的信令),还有一帧I为空闲帧(半速率传输业务信息时,此帧也用于传输SACCH的信息)。
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
……
TDMA帧
TCH下行链路
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
A
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
I
图2-4-7业务信道的组合方式
上行链路的业务信道组合方式与图2-4-7所示的相同,唯一的差别是有一个时间偏移,即相对与下行帧,上行帧在时间上推后3个时隙。
一般情况下,每一个基站有n个载频(双工),分别用C0,C1,C2……Cn表示。
其中,C0称为主载频。
每个载频有8个时隙,分别用TS0,TS1,……,TS7表示。
C0上的TS2~TS7用于业务信道,而C0上的TS0用于公共控制信道,C0上的TS1用于专用控制信道。
(在小容量地区,基站仅有一套发射机,这意味着只有8个物理信道,这时TS0可既用于公共控制信道又用于专用控制信道,而把TS1~TS7用于业务信道。
)其余载频C1~Cn上8个时隙均用于业务信道。
B、控制信道的组合方式
控制信道的复帧含51帧,其组合方式类型较多,而且上行传输和下行传输的组合方式也是不相同的。
(a)BCCH和CCCH在TS0上的复用
广播控制信道(BCCH)和公用控制信道(CCCH)在主载频(C0)的TS0上的复用(下行链路)如图2-4-8所示,其中:
F(FCCH):
用于移动台校正频率。
S(SCH):
移动台据此读TDMA帧号和基站识别码BSIC。
B(BCCH):
移动台据此读有关小区的通用信息。
I(IDEL):
空闲帧。
由图可见,控制复帧共有51个TS。
值得指出,此序列是以51个帧为循环周期的,所以,虽然每帧只用了TS0,但从时间长度上讲序列长度仍为51个TDMA帧。
TDMA帧
0
1
2
……
7
0
1
2
……
7
0
1
……
F
S
B
C
F
S
C
C
F
S
C
C
F
S
C
C
F
S
C
C
I
BCCH+CCCH
下行链路(B,C每个代表4帧)
图2-4-8BCCH和CCCH在TS0上的复用
如果没有寻呼或接入信息,F,S及B总在发射,以便使移动台能够测试该基站的信号强度,此时C(即CCCH)用空位突发脉冲序列代替。
对于上行链路而言,TS0只用于移动台的接入,即51个TDMA帧均用于随机信道
(RACH)其映射关系如图2-4-9所示:
TDMA帧
0
1
2
……
7
0
1
2
……
7
0
1
……
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
……
RACH上行链路
图2-4-9TS0上RACH的复用
(b)SDCCH和SACCH在TS1上的复用
主载频C0上的TS1可用于独立专用控制信道和慢速辅助控制信道。
下行链路C0上的TS1的映射如图2-4-10所示。
下行链路含有102个TS1,从时间长度上讲是102个TDMA帧。
0
1
2
……
7
0
1
2
……
7
0
1
……
TDMA帧
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
A0
A1
A2
A3
I
I
I
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
A4
A5
A6
A7
I
I
I
SDCCH+SACCH
下行链路(D0~D7,A0~A7每个代表4帧)
图2-4-10SDCCH和SACCH(下行)在TS1上的复用
由于在呼叫建立及入网登记时所需要的比特率较低,因而可在一个TS(TS1)上放置8个SDCCH(共有64个SDCCH),图中用D0~D7表示,每个Dx占8个TS0。
Dx只在移动台建立呼叫时使用,在移动台转到TCH上开始通话或登记完毕后,可将Dx用于其它移动台。
慢速辅助控制信道(SACCH)占32个TS,用A0~A7表示,每个Ax占4个TS。
Ax是用于传输必要的控制信令,例如功率调整命令。
图中,I表示空闲帧,占6个TS。
由于是专用控制信道,因此上行链路C0上TS1组成的结构是相同的,但在时间上有一个偏移。
(c)公用控制信道和专用控制信道均在TS0上复用
在小容量地区或建站初期,小区可能仅有一套收发单元。
这意味着只有8个TS(物理信道)。
TS1~TS7均用于业务信道,此时TS0既用于公用控制信道(包括BCCH,CCCH)又用于专用控制信道(SDCCH,SACCH),其组成格式如图2-4-11所示。
其中,下行链路包括BCCH(F,S,B),CCCH(C),SDCCH(D0~D3),SACCH(A0~A3)和空闲帧I,共占102TS,从时间长度上讲是102TDMA帧。
F
S
B
C
F
S
C
C
F
S
D0
D1
F
S
D2
D3
F
S
A0
A1
I
F
S
B
C
F
S
C
C
F
S
D0
D1
F
S
D2
D3
F
S
A2
A3
I
BCCH+CCCH+SDCCH+SACCH
下行链路
20帧
D3
R
R
A2
A3
R………………………………………R
R
R
R
D0
D1
R
R
D2
D3
R
R
A0
A1
R………………………………………R
R
R
R
D0
D1
R
R
D2
RACH+SDCCH+SACCH
上行链路(以上B,C,D0~D3,A0~A3每个代表4帧)
图2-4-11TS0上控制信道综合复用
上行链路包括随机接入信道RACH(R),SDCCH(D0~D3)和SACCH(A),共占102TS。
从上述分析可知,如果小区只有一对双工载频(C0),那么TS0用于控制信道,TS1~TS7用于业务信道,即允许基站与7个移动台可同时传输业务。
在多载频小区内,其中C0的TS0用于公用控制信道,TS1用于专用控制信道,TS2~TS7用于业务信道。
每另加一个载频,其8个TS全部可用作业务信道。
在本实验箱中,所使用的控制信道组合方式为第三种方式,即公用控制信道和专用控制信道均在TS0上的复用,如图2-4-11所示。
如果上行链路上没有检测到随机接入信号,则在下行的综合控制信道中的公共控制信道(CCCH)发空位突发脉冲序列,而在独立专用控制信道(SDCCH)和慢速辅助控制信道(SACCH)上发填充。
四、实验内容
1、通过观察发射数据来确知GSM实验箱发射何种突发。
2、观察移动台入网时,控制信道上下行常规突发和上行常规突发的时间上的偏移。
3、观察移动台与实验箱进行通话时,业务信道上下行常规突发和上行常规突发时间上的偏移。
五、实验步骤
1、通过观察发射数据来确知GSM实验箱发射何种突发
下行突发的特点:
(1)常规突发的训练序列为:
13AC13AH
(2)同步突发的训练序列为:
B962040F2D45761BH
(
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- 实验四 FDD TDMA原理实验 实验 TDMA 原理