蜂窝概念 - GSM无线链路

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BTS和MS通过无线链路连接，此空中接口称为Um。无线电波会受到衰减、反射、多普勒频移以及其他发射机的干扰。这些效应会导致信号强度下降和失真，从而影响语音或数据的质量。为了应对恶劣的条件，GSM利用高效且具有保护性的信号处理。适当的蜂窝设计必须确保在该区域提供足够的无线覆盖。

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

• 宏观变化 - 由BTS和MS之间的地形轮廓造成。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 - 由多径传播、短期或瑞利衰落引起。当MS移动时，将接收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加和。第一个分量是确定性分量 (L)，它随着基站和移动台之间距离 (R) 的增加而增加信号强度损耗。此分量可以写成：

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，它考虑了由地形变化和无线电路径中的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。

微观变化或瑞利衰落发生在移动台相对于移动台和基站之间距离而言在短距离内移动时。这些短期变化是由移动单元附近（例如小山、建筑物或交通）的信号散射引起的。这导致发射机和接收机之间遵循许多不同的路径（多径传播）。反射波的相位和幅度都会发生变化。如果反射波与直达路径信号相差 180 度，则信号可能会有效消失。多个接收信号之间部分相位关系不一致会导致接收信号强度减小。

瑞利衰落的影响

反射和多径传播可能产生正面和负面影响。

发射/接收过程

通过数字无线链路发射和接收信息涉及两个主要过程：编码和调制。

覆盖范围扩展

多径传播允许无线电信号到达山丘和建筑物后面以及隧道内。相长和相消干涉通过多径接收的信号可能会相加或相互抵消。

编码

编码是信息处理过程，它涉及准备基本数据信号，以便对其进行保护并将其转换为无线链路可以处理的形式。通常，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
• 交织
• 加密

突发格式化

人的语音在 300Hz 到 3400Hz 之间限带，在模拟系统中进行调频。在数字固定 PSTN 系统中，限带语音以 8KHz 的速率采样，每个样本编码为 8 位，导致 64Kbps（PCM A-Law 编码）。数字蜂窝无线电无法处理 PSTN 系统使用的这种高比特率。已经开发出用于降低比特率的智能信号分析和处理技术。

语音特性

人的语音可以区分为基本声音（音素）。根据语言的不同，有 30 到 50 个不同的音素。人声能够每秒产生多达 10 个音素，因此大约需要 60 bit/s 来传输语音。但是，所有个体特征和语调都会消失。为了保留个体特征，要发送的实际信息量要高出几倍，但仍然只是 PCM 使用的 64 Kbit/s 的一部分。

基于人类语音器官的音素产生机制，可以建立一个简单的语音产生模型。看起来，在 10-30 毫秒的短时间间隔内，模型参数（如音调周期、浊音/清音、放大增益和滤波器参数）保持大致静止（准静止）。这种模型的优点是可以通过线性预测简单地确定参数。

语音编码技术

语音编码技术分为三类

• 波形编码 - 在波形编码中，语音尽可能好地进行传输。PCM 是波形编码的一个例子。比特率范围从 24 到 64kbps，语音质量好，说话者很容易被识别。

• 参数编码 - 只发送非常有限数量的信息。根据语音产生模型构建的解码器将在接收端重新生成语音。语音传输只需要 1 到 3kbps。重新生成的语音是可理解的，但会受到噪声的影响，并且说话者通常无法被识别。

• 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 使用一种称为 RPE-LTP（规则脉冲激励-长期预测）的混合编码技术，每个语音信道产生 13Kbps。

GSM 中的语音编码（转码）

64kbits/s PCM 从标准 A-law 量化的每样本 8 位转码为线性量化的每样本 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，该编码器以 160 个样本的块（每 20 毫秒）接收 13 位样本。RPE-LTP 编码器每 20 毫秒产生 260 位，导致比特率为 13kbits/s。这提供了可用于移动电话并与有线 PSTN 电话相当的语音质量。在 GSM 中，13Kbps 语音编码称为全速率编码器。或者，也可以使用半速率编码器 (6.5Kbps) 来提高容量。

信道编码/卷积编码

GSM 中的信道编码使用来自语音编码的 260 位作为信道编码的输入，并输出 456 个编码位。由 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，并被块编码为 53 位，并添加 132 位和 4 个尾位，在进行 1:2 卷积编码之前总计 189 位，将 189 位转换为 378 位。这 378 位与 78 个不重要位相加，得到 456 位。

交织 - 第一级

信道编码器每 20 毫秒的语音提供 456 位。这些位被交织，形成八个 57 位的块，如下图所示。

在一个正常的突发中，可以容纳 57 位的两个块，如果丢失一个这样的突发，则整个 20 毫秒的 BER 为 25%。

交织 - 第二级

引入了第二级交织以进一步将可能的 BER 降低到 12.5%。不是在一个突发中发送来自同一 20 毫秒语音的两个 57 位块，而是将一个来自一个 20 毫秒的块和一个来自下一个 20 毫秒样本的块一起发送。当 MS 必须等待下一个 20 毫秒的语音时，系统中会引入延迟。但是，系统现在可以承受丢失整个突发（八个突发中的一个），因为损失仅占每个 20 毫秒语音帧的总位数的 12.5%。12.5% 是信道解码器可以纠正的最大损耗水平。

加密/加密

加密的目的是对突发进行编码，以便只有接收器才能解释它。GSM 中的加密算法称为 A5 算法。它不会向突发添加位，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，请参阅 GSM 的特殊功能。

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附加信息以及基本数据。在 GSM 中，每 20 毫秒的块添加总共 136 位，总共达到 592 位。还添加了 33 位的保护周期，每 20 毫秒达到 625 位。

调制

调制是涉及物理准备信号的过程，以便信息可以传输到射频载波上。GSM 使用高斯最小频移键控技术 (GMSK)。载波频率偏移为 +/- B/4，其中 B=比特率。但是，使用高斯滤波器，带宽减少到 0.3 而不是 0.5。

GSM 的特殊功能

下面列出了我们将在以下部分中讨论的 GSM 的特殊功能：

• 身份验证
• 加密
• 时隙交错
• 定时提前
• 非连续传输
• 功率控制
• 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，因此有必要在向用户提供服务之前采用身份验证。身份验证围绕以下概念构建。

• 身份验证密钥 (Ki) 仅存在于两个位置：SIM 卡和认证中心。

• 身份验证密钥 (Ki) 从未通过空中传输。对于未经授权的个人来说，获取此密钥以冒充给定的移动用户实际上是不可能的。

身份验证参数

MS 通过使用三个参数的过程由 VLR 认证：

• RAND 是完全随机数。

• SRES 是身份验证签名响应。它是通过将身份验证算法 (A3) 应用于 RAND 和 Ki 生成的。

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

这些参数（称为身份验证三元组）由 AUC 应 HLR 的请求生成，用户属于该 HLR。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，请求为指定的 IMSI 提供的“身份验证三元组”（RAND、SRES 和 Kc）。

• 鉴权中心 (AUC) 使用 IMSI 提取用户的鉴权密钥 (Ki)。然后，AUC 生成一个随机数 (RAND)，并将 Ki 和 RAND 应用于鉴权算法 (A3) 和密钥生成算法 (A8)，以产生鉴权签名响应 (SRES) 和密文密钥 (Kc)。AUC 随后将鉴权三元组：RAND、SRES 和 Kc 返回给新的 VLR。

• MSC/VLR 保存参数 Kc 和 SRES 以备后用，然后向移动台 (MS) 发送消息。MS 从 SIM 卡读取其鉴权密钥 (Ki)，并将接收到的随机数 (RAND) 和 Ki 应用于其鉴权算法 (A3) 和密钥生成算法 (A8)，以产生鉴权签名响应 (SRES) 和密文密钥 (Kc)。MS 保存 Kc 以备后用，并在收到加密信道的命令时使用 Kc。

• MS 将生成的 SRES 返回给 MSC/VLR。VLR 将 MS 返回的 SRES 与之前从 AUC 收到的预期 SRES 进行比较。如果相等，则移动台通过鉴权。如果不相等，则所有信令活动都将中止。在本场景中，我们假设鉴权已通过。

加密

数据在发送端以 114 位的块进行加密，方法是采用 114 位的明文数据突发并执行异或 (XOR) 逻辑函数运算与 114 位的密文块。

接收端的解密函数通过采用 114 位的加密数据块并使用与发送端相同的 114 位密文块进行相同的“异或”运算来执行。

传输路径两端在给定传输方向上使用的密文块由基站子系统 (BSS) 和 MS 通过名为 A5 的加密算法产生。A5 算法使用在呼叫建立期间鉴权过程中产生的 64 位密文密钥 (Kc) 和 22 位 TDMA 帧号 (COUNT)，COUNT 的十进制值范围为 0 到 2715647，重复时间为 3.48 小时（超帧间隔）。A5 算法在每个 TDMA 周期实际产生两个密文块。一个用于上行链路，另一个用于下行链路。

时隙交错

时隙交错是根据下行链路的时隙组织来推导上行链路时隙组织的原则。上行链路的特定时隙通过将下行链路时隙号移位三个来推导。

原因

通过移动三个时隙，移动台避免了同时进行“发送和接收”的过程。这使得移动台的实现更容易；移动台中的接收器不需要受到同一移动台的发送器的保护。通常，移动台在一个时隙内接收，然后在 GSM-900 为 45 MHz 或 GSM-1800 为 95 MHz 的频率上移位，以便稍后传输。这意味着下行链路和上行链路各有一个时间基准。

定时提前

定时提前是指提前将突发信号传输到 BTS（定时提前），以补偿传播延迟。

为什么需要它？

这是因为无线路径上使用了时分多址方案。BTS 接收来自彼此非常接近的不同移动台的信号。但是，当移动台远离 BTS 时，BTS 必须处理传播延迟。BTS 接收到的突发信号必须正确地适应时隙，这一点至关重要。否则，使用相邻时隙的移动台的突发信号可能会重叠，导致传输质量差甚至通信中断。

一旦建立连接，BTS 就会持续测量其自身的突发调度与移动台突发接收调度之间的时间偏移。根据这些测量结果，BTS 能够通过 SACCH 向移动台提供所需的定时提前量。请注意，定时提前量是从距离测量中得出的，距离测量也用于切换过程中。BTS 根据感知到的定时提前量向每个移动台发送定时提前参数。然后，每个移动台都提前其定时，从而对到达 BTS 的来自不同移动台的信号进行传播延迟补偿。

定时提前过程

• 一个 6 位数字表示 MS 必须提前其传输多少位。此定时提前量为 TA。

• 接入突发的 68.25 位长的保护周期 (GP) 提供了提前传输时间的所需灵活性。

• 定时提前 TA 的值可以在 0 到 63 位之间，对应于 0 到 233 微秒的延迟。例如，距离 BTS 10 公里的 MS 必须提前 66 微秒开始传输以补偿往返延迟。

• 35 公里的最大移动范围是由定时提前值而不是信号强度决定的。