張銀兵　胡元奎　周慶輝

摘 要：通過對GSM移動通信系統(tǒng)中廣播信道、公共控制信道和專用控制信道的研究，分析了下行鏈路控制信道數(shù)據(jù)傳輸受時分干擾的機理和GMSK信號的調(diào)制解調(diào)原理，針對不同的干擾信號脈沖寬度、占空比、脈沖起始位置、信噪比和干信噪比條件進行了計算機仿真，得出了系統(tǒng)在不同干擾信號參數(shù)下對應(yīng)的誤碼率，表明了GSM移動通信系統(tǒng)抗時分干擾信號的能力，對于實際使用環(huán)境中分析與排查干擾原因以及干擾器的設(shè)計均有很好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：移動通信 控制信道 基站 時分干擾

中圖分類號：TN929 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（c）-0004-03

GSM移動通信系統(tǒng)自投入運營以來，技術(shù)不斷發(fā)展與成熟，占據(jù)了整個中國移動通信系統(tǒng)的大部分市場。雖然移動通信系統(tǒng)正在快速地向3G、3.5G和4G過渡，但是在現(xiàn)階段，GSM移動通信系統(tǒng)以其廣闊的基站分布能力和老用戶的適應(yīng)性，將會在未來一段時間繼續(xù)存在與使用。開展對GSM移動通信系統(tǒng)抗時分干擾信號能力的研究，不僅對于實際使用環(huán)境中分析與排查干擾原因有很好的指導(dǎo)意義，而且從相反的角度來看，對于設(shè)計手機干擾器來說也有一定的借鑒意義。本文通過對GSM移動通信系統(tǒng)下行鏈路控制信道數(shù)據(jù)傳輸過程的時分干擾仿真研究，得出了在特定條件下的系統(tǒng)抗干擾能力，具有一定的工程參考價值。

1 GSM系統(tǒng)的信道

GSM系統(tǒng)中的信道可分為物理信道和邏輯信道，邏輯信道又可分為業(yè)務(wù)信道和控制信道。其中業(yè)務(wù)信道用于攜載語音或用戶數(shù)據(jù)，控制信道用于攜載信令或同步數(shù)據(jù)。移動終端在空閑狀態(tài)下工作于控制信道，只有在產(chǎn)生業(yè)務(wù)請求并且獲得基站分配的信道資源時，才會工作于業(yè)務(wù)信道。因此在整個GSM系統(tǒng)中，控制信道信息交互的可靠性相當(dāng)重要。

GSM系統(tǒng)控制信道可分為廣播信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）和專用控制信道（DCCH）。

1.1 廣播信道

廣播信道包括頻率校正信道（FCCH）、同步信道（SCH）和廣播控制信道（BCCH），它們攜帶的信息目標(biāo)是小區(qū)內(nèi)所有的手機，為單向下行信道。其中FCCH和SCH信道用來幫助MS與基站實現(xiàn)同步，在同步后，基站利用BCCH信道廣播供所有MS使用的網(wǎng)絡(luò)信息，以便MS在網(wǎng)絡(luò)中能夠可靠地駐留。

1.2 公共控制信道

公共控制信道包括AGCH、PCH、CBCH和RACH，這些信道不是供一個MS專用的，而是面向這個小區(qū)內(nèi)所有的移動臺的。在下行方向上，由PCH、AGCH和CBCH來廣播尋呼請求、專用信道的指派和短消息。在上行方向上由RACH信道來傳送專用信道的請求消息。

1.3 專用控制信道

包括獨立專用控制信道（SDCCH）、慢速隨路控制信道（SACCH）、快速隨路控制信道（FACCH），這些信道被用于某一個具體的MS上。其中SDCCH是一種雙向的專用信道，它主要用于傳送建立連接的信令消息、位置更新消息、短消息、用戶鑒權(quán)消息、加密命令及應(yīng)答及各種附加業(yè)務(wù)，SACCH和FACCH信道都是伴隨信道，主要是在MS業(yè)務(wù)過程中傳輸相關(guān)的基站信息或信令。

2 GSM系統(tǒng)受時分干擾的機理

由于上行干擾會造成基站的嚴(yán)重負荷直至癱瘓，因此本文只針對GSM移動通信系統(tǒng)的下行干擾進行分析。實用中手機干擾器的設(shè)計大多是對下行鏈路進行干擾，且采用掃頻式干擾，從時域和功率域來考慮，對于某部移動終端來說，在一定程度上可將其等效為時分脈沖干擾。同樣地在實際環(huán)境中也存在著其他基站或者通信終端的干擾信號，因此開展對移動終端受時分信號干擾的研究有一定的實用價值[1～3]。對于GSM系統(tǒng)來說，在下行干擾中又分為控制信道干擾和業(yè)務(wù)信道干擾?？刂菩诺拦ぷ鲿r，其頻率不隨時間發(fā)生變化，而業(yè)務(wù)信道工作時采用跳頻技術(shù)，工作頻率隨時間發(fā)生變化。因此，從干擾效能的角度考慮，干擾控制信道將會比干擾業(yè)務(wù)信道簡單，只要保證干擾的有效性，將會造成處于空閑狀態(tài)下的目標(biāo)無法進行正常呼叫。

GSM系統(tǒng)控制信道中的下行信道主要有FCCH、SCH、BCCH、AGCH、PCH、CBCH和SDCCH。其中，SDCCH信道在基站收到MS的SABM幀業(yè)務(wù)請求之后才使用，且SDCCH很有可能實施跳頻[4]，因此，從干擾頻率資源的角度考慮，干擾集中于前面的FCCH、SCH、BCCH、AGCH、PCH、CBCH信道，在干擾成功時，可導(dǎo)致移動臺無法接收到正確的基站廣播消息或者正確的業(yè)務(wù)信道分配消息，從而與基站失去連接而無法通話。

GSM是一種采用TDMA和FDMA體制相結(jié)合的移動通信系統(tǒng)，對于控制信道的映射，在某個小區(qū)超過一個載頻時，則該小區(qū)C0（導(dǎo)頻）上的TS0就映射廣播和公共控制信道（FCCH、SCH、BCCH、CCCH），可使用mainBCCH的組合，該時隙不間斷地向該小區(qū)的所有用戶發(fā)送同步信息、系統(tǒng)消息及尋呼消息和指派消息（如表1）。

當(dāng)某個小區(qū)的容量很小，僅使用一個載頻時，則該載頻的TS0即用做公共控制信道又用做專用控制信道，采用mainBCCHcombined的信道組合形式。該信道組合每102幀重復(fù)一次（如表2）。

當(dāng)某小區(qū)業(yè)務(wù)量很高時，它可把C0的TS0配置成為mainBCCH，并可在TS2、TS4、TS6上擴展三個組合集，使用CCCH的配置形式，該配置形式包括除SCH和FCCH外的TS0的所有組合，因為這兩個信道只能出現(xiàn)在C0的TS0上。

可以看出，在GSM系統(tǒng)51復(fù)幀結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)CCH和SCH只占用一個時隙，而BCCH、SDCCH、CCCH均需要四個時隙，也就是說這些信道必須收集夠4幀的數(shù)據(jù)才能進行正確的信息接收。因此，從干擾的概率來說，干擾4個時隙的概率相比1個時隙要更高，所以本文的仿真研究是針對GSM系統(tǒng)BCCH、SDCCH、CCCH的數(shù)據(jù)解碼干擾效果進行的。

傳統(tǒng)的干擾機一般是一個頻率干擾一個通信信道，或者說一個通信目標(biāo)。而在通信系統(tǒng)干擾研究中，文獻[5]指出采用時分干擾技術(shù)可以利用一個頻率干擾多個使用相同頻率的通信目標(biāo)，從而更加充分有效地利用干擾資源。本文正是基于該思想，對時分干擾方法的效能進行仿真研究。

3 調(diào)制與解調(diào)

BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH信道使用LAPDm協(xié)議，該協(xié)議在連接模式下被用于傳送信令。一個LAPDm幀共有23個字節(jié)（184個比特）。其編碼方案為。

（1）首先給原始需要發(fā)送的184比特信息增加40比特的糾錯循環(huán)碼。（2）然后給上述獲得的228bit信息加上4個比特的全0尾比特位，將其通過1∶2的卷積編碼器，得到456比特的數(shù)據(jù)。（3）為了減小實際中脈沖猝發(fā)干擾對通信系統(tǒng)的影響，GSM系統(tǒng)對卷積編碼后的信號進行交織。將卷積編碼器獲得的456比特數(shù)據(jù)進行內(nèi)部交織，456比特按（0，8…448）、（1，9…449）…...（7，15…455）的排列方法，分為8組，每組57個比特，通過這一手段，可使在一組內(nèi)的消息相距較遠。（4）然后將進行塊間交織，獲得4個114比特的突發(fā)脈沖序列。（5）對每一個突發(fā)脈沖序列進行成幀，形成普通突發(fā)脈沖序列，共156.25bit（如圖1）。

該156.25bit共持續(xù)時間577 us，若除去首尾比特6比特和保護間隔8.25bit，剩余有效信號時間為524 us，因此干擾時盡量保證在524 us內(nèi)能夠有干擾脈沖的存在。

（6）最后對每個突發(fā)脈沖序列進行GMSK調(diào)制，最后通過上變頻、功放和天線將信號輻射出去。GMSK系統(tǒng)常用的調(diào)制方法可用如下框圖進行表示（如圖2）。

因此，整個GSM系統(tǒng)的消息產(chǎn)生結(jié)構(gòu)可簡單地描述為以下過程（如圖3）。

而在信號解調(diào)時，采用相反的步驟，具體流程如下（如圖4）。

仿真時，只要在基帶信號輸入的同時，加入相應(yīng)基帶干擾信號即可。

4 干擾仿真

為了驗證GSM移動通信系統(tǒng)抗時分的能力，進行計算機仿真。仿真重點關(guān)注干擾脈沖寬度、占空比、目標(biāo)信噪比、干擾信號與正常通信信號及噪聲的比值（干信噪比）、干擾脈沖與正常脈沖的相對起始位置等參數(shù)對干擾結(jié)果的影響?？紤]干擾脈沖經(jīng)過接收機200 kHz濾波器時的響應(yīng)時間，仿真時干擾脈沖寬度從10 us開始。

仿真中，定義干信噪比為：

（1）

其中ISNR為干信噪比，為干擾信號；為正常通信信號；為正常通信信號中的噪聲。

4.1 不同干擾脈沖寬度和占空比仿真

仿真條件為：通信信號信噪比15 dB，干信噪比0 dB，干擾信號采用GMSK調(diào)制。由于干擾信號脈沖起始位置無法與基站下行信號同步，因此，仿真時，干擾信號脈沖的起始位置采用隨機化，然后對其結(jié)果進行300次MentaKaluo仿真平均。由圖5可以看出，在占空比大于1∶4時，誤碼率在13%以上，脈沖寬度對誤碼率的影響不大。

4.2 不同干擾脈沖起始位置仿真

仿真條件為：通信信號信噪比15 dB，干信噪比0 dB，干擾信號采用GMSK調(diào)制，占空比1∶4，結(jié)果進行300次MentaKaluo仿真平均。仿真結(jié)果表明，干擾脈沖序列起始位置對干擾結(jié)果影響不大。

4.3 不同信噪比和干信噪比仿真

仿真條件為：脈沖寬度40 us，干擾信號采用GMSK調(diào)制，占空比1∶4，干擾脈沖起始位置選為脈沖剛開始的時刻，結(jié)果進行300次MentaKaluo仿真平均。仿真結(jié)果表明，在目標(biāo)信噪比在10 dB以上時，干信噪比在0 dB以上即可造成17%的誤碼率。

4.4 不同干擾信號頻偏仿真

仿真條件為：脈沖寬度40 us，干擾信號采用GMSK調(diào)制，占空比1∶1，干擾脈沖起始位置選為脈沖剛開始的時刻，結(jié)果進行300次MentaKaluo仿真平均。仿真結(jié)果表明，不同的干擾信號頻偏對干擾結(jié)果沒有影響，在占空比1∶1、干信噪比0 dB時，可造成45%的誤碼率。

5 結(jié)論

本文通過對GSM移動通信系統(tǒng)下行鏈路控制信道數(shù)據(jù)傳輸過程的時分干擾仿真研究，得出了在特定條件下的系統(tǒng)抗干擾能力仿真結(jié)果。結(jié)果表明，在占空比大于1∶4的情況下，脈沖寬度越小，對GSM移動通信系統(tǒng)的干擾越嚴(yán)重，帶內(nèi)的干擾信號頻偏對干擾效果無影響，從而對工程抗干擾和設(shè)計干擾器均有一定的借鑒意義。然而，系統(tǒng)仿真時僅僅考慮了干擾信號對廣播信道和公共控制信道的影響，沒有考慮到干擾信號對系統(tǒng)其他廣播信道（如：FCCH和SCH）、控制信道及業(yè)務(wù)信道的影響，在實際中，同樣的干擾信號應(yīng)該會比仿真的干擾效果更加嚴(yán)重，因此，建立一個系統(tǒng)級的仿真實驗系統(tǒng)有待進一步研究。

參考文獻

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