ＧＳＭ中的基带信道处理

 GＳＭ是目前世界上是最成熟的市场占有量最多的一种数字蜂窝移动通信系统，它综合采用了多种先进的数字无线通信技术，这些技术保证了ＧＳＭ系统的高有效性和高可靠性，是ＧＳＭ系统得以飞速发展和广泛应用的基础。概括来说，ＧＳＭ系统中采用的数字通信技术包括：

（１）高效率的信源编码技术。ＧＳＭ采用带有长期预测的规则脉冲激励线性预测编码（ＲＰＥ－ＬＴＰ），可以提供１３ｋｂｉｔ／ｓ的全速率话音数据流；若采用矢量和激励线性预测编码（ＶＳＥＬＰ），则可提供低至５．６ｋｂｉｔ／ｓ的半速率话音数据流。

（２）话音信号不连续发送（ＤＴＸ）技术的采用，进一步提高了系统效率。

（３）采用外码（分组码）与内码（卷积码）级连的信道编码方案和交织技术，使系统具有很强的纠错能力和很高的工作可靠性。

（４）高效率的高斯滤波最小频移键控（ＧＭＳＫ）调制技术，使已调波具有很小的邻道带外辐射，能够满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求。

（５）分集接收技术和维特比（Ｖｉｔｅｒｂｉ）均衡技术的采用，增强了系统对抗衰落、多径信道的能力。尤其Ｖｉｔｅｒｂｉ均衡技术的采用，使均衡与解调能够通过最大似然序列估计（ＭＬＳＥ）方法综合在一起实现，而ＭＬＳＥ方法也能提供软判决输出给卷积码的Ｖｉｔｅｒｂｉ译码?眼 １?演，进一步提高系统的可靠性。

（６）频分多址（ＦＤＭＡ）与时分多址（ＴＤＭＡ）的综合应用，外加跳频技术的采用，使ＧＳＭ系统具有较高的频率资源利用率。

     从无线传输的角度来说，信道编码、调制、解调（含均衡）、信道译码（含Ｖｉｔｅｒｂｉ译码和分组码译码）构成了一条基本的数据通道，它是数字通信的主要内容。因此，本文将主要介绍ＧＳＭ系统中从编码到译码的信道处理部分的有关理论和技术，并着重阐述调制与解调、ＭＬＳＥ及其与软判决Ｖｉｔｅｒｂｉ译码的关系、Ｖｉｔｅｒｂｉ译码的基本原理等内容，还简单介绍了信道编码和分组码译码。

１ 突发脉冲序列与逻辑信道

     ＧＳＭ的空中接口采用ＦＤＭＡ与ＴＤＭＡ相结合的方式，并采用了跳频。频域上，每一频段带宽为２００ｋＨｚ，并按时分复用方式以８个时隙为周期分成８个物理信道。这８个时隙构成一个ＴＤＭＡ帧，每个时隙约占５７７μｓ，对应于１５６．２５比特的数据。时隙（Ｓｌｏｔ）是构成ＧＳＭ空中无线接口的基本物理单元。

    在一个时隙上，无线载波被一个称作突发脉冲序列（Ｂｕｒｓｔ）的数据流所调制。一个突发序列由有用部分和保护部分组成，有用部分包括待传送的已编码数据、训练序列及尾比特码，保护部分不传送信息，其作用是防止相邻突发脉冲序列间的干扰。ＧＳＭ系统定义了５种突发脉冲序列，它们是常规突发序列（ＮＢ）、接入突发序列（ＡＢ）、频率校正突发序列（ＦＢ）、同步突发序列（ＳＢ）和虚拟突发序列（ＤＢ），其中最常用的是ＮＢ。

     ＮＢ用于一般的业务信道和专用控制信道；ＦＢ发送的是一个固定的０序列，用于校正移动台的载频频率；ＳＢ用于移动台起始同步的捕捉；ＡＢ用于上行方向移动台向基站申请入网的随机接入信道；ＤＢ的格式与ＮＢ相同，但每一比特的数据都是固定的，用于填充发送的空隙。突发脉冲序列中的训练序列具有很好的自相关性能，被用来作为均衡与解调的参考信号序列，以估计信道的参数。

     由ＴＤＭＡ帧可再组合构成复帧、超帧和超高帧，形成完整的ＧＳＭ帧结构，即用以承载各种业务数据与控制消息的物理载体（物理信道）。在基站与移动台之间要传送多种业务数据和信令消息，因此需要各种各样的逻辑信道。逻辑信道通过映射到物理信道上，实现ＧＳＭ的各种功能。逻辑信道按功能分成业务信道（ＴＣＨ）和控制信道（ＣＣＨ）两类。

     业务信道用于传送话音编码信号和用户数据（分别称为话音信道和数据信道），两者都有全速率和半速率之分；控制信道用于传送信令和同步数据，共分为３类：广播信道、公共控制信道和专用控制信道。广播信道只作为下行信道使用（基站到移动台单向传输）；公共控制信道供ＧＳＭ网络与移动台共同使用；专用控制信道只在使用时才分配给移动台，供移动台与基站之间进行点对点的信令传输。

２ 信道编码和分组卷积编码

    对于各种逻辑信道，ＧＳＭ的差错控制编码（信道编码）分３步实现：

（１）外编码（外码）

    采用分组编码，形成“信息＋校验位＋尾比特”的分组编码输出。其中，尾比特为４位或１６位全零值，其作用是使卷积码编码器的状态回到“０”，以方便Ｖｉｔｅｒｂｉ译码。

（２）内编码（内码）

   卷积码主要使用了４种编码方法：（２，１，４）码、（３，１，４）码、（６，１，４）码、凿孔的（２，１，４）码。

（３）重排和交织

    对除随机接入信道和ＳＣＨ以外的各信息分组进行重排和交织，以消除突发错误的影响。

    外码的码型有两种：奇偶校验码和Ｆｉｒｅ码。Ｆｉｒｅ码是一种截短的循环码，用于纠正单个突发错误，译码也不太复杂。ＧＳＭ采用的Ｆｉｒｅ码的生成多项式为：

    （Ｘ２３＋１）（Ｘ１７＋Ｘ３＋１）

    这是一个４０阶的多项式，余数有４０个系数，从而有４０位冗余位，能检测并纠正最多１２比特的错误群。

    内码（卷积码）的生成多项式主要有４种：

    Ｇ（０）＝１＋Ｄ３＋Ｄ４

    Ｇ（１）＝１＋Ｄ＋Ｄ３＋Ｄ４

    Ｇ（２）＝１＋Ｄ２＋Ｄ４

    Ｇ（３）＝１＋Ｄ＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４

    它们组合成（２，１，４）、（３，１，４）、（６，１，４）、凿孔的（２，１，４）等编码方案，分别用于不同的传输信道。其中，“＋”代表异或，“Ｄ”代表１比特延时。

    重排和交织的主要思想是尽可能把编码后的数据块分散到多个突发序列中，而又不至引入过大的延时。对于不同的信道类型，交织的深度各不一样，有时，为了数据传输和处理的方便，甚至直接为了Ｖｉｔｅｒｂｉ译码的快速和方便实现，常常对等待进行的卷积编码的信息序列进行分组处理，并对每个分组加上头、尾比特，使得编码器对每个分组的编码都是从状态０开始，以状态０结束，或者在每个分组的结束处加上Ｎ－１位已知信息（Ｎ为编码约束长度），使编码器回到某个已知状态。经过分组之后，卷积编码输出的每个分组的输出序列之间是互不相关的，从而Ｖｉｔｅｒｂｉ译码器可以每次只对一个长度较短的分组进行译码。这对于利用路径交换方法的Ｖｉｔｅｒｂｉ译码是没有影响的，但是对采用回迹方法的Ｖｉｔｅｒｂｉ译码将带来许多好处，例如可以一次把一个分组处理完后再进行幸存路径的回索，由于回索是从已知编码状态开始的，因而可以省去对累积度量比较的操作，减少了译码延时。

      ＧＳＭ移动通信系统采用的就是分组的卷积编码方案。以ＴＣＨ／ＦＳ（全速率业务信道）为例，该信道上话音数据的输入速率为１３ｋｂｉｔ／ｓ，每个话音帧持续２０ｍｓ，包含２６０比特，其中１８２位Ｉ类比特信息经过奇偶校验编码后得到１８５比特的信息，再将这一组１８５比特附加上４位全０的尾比特，然后送入（２，１，４）卷积码编码器，编码输出３７８比特的一个卷积码分组。此分组与话音帧中的７８位Ⅱ类比特一起组成长度为４５６比特的分组。这种方式更适合于信息的打包传输。

３ ＧＭＳＫ调制与最大似然序列估计方法

    经过编码和交织后的数据，最后都形成一个个的突发脉冲序列，以ＧＭＳＫ的方式调制到一个个的时隙上。它是使用高斯滤波器作为调制前基带滤波器的一种最小频移键控（ＭＳＫ）调制方式，具有较小的带外辐射和较高的频谱利用率。ＧＳＭ中采用的ＧＭＳＫ的归一化带宽为ＢＴ＝０．３，调制速率约为２７０．８３３ｋｂｉｔ／ｓ。

    ＧＭＳＫ信号可以表示为：

    ＳＧＭＳＫ（ ｔ）＝Ａｃｏｓ?眼ωｃｔ＋Φ（ ｔ）?演

    其中，Φ（ ｔ）为已调波相位，包含了调制数据的全部信息。由于该相位路径非常平滑，所以已调波的带外辐射很小。ＧＭＳＫ调制信号经过信道传输后，接收信号可以利用近似线性化模型。

    式中的ａ（ ｉ）是双极性源数据，ｈ（ ｔ）为等效信道模型，ｎ（ ｔ）为等效基带噪声，Ｔ是调制信号一个比特的持续时间，等于３．６９μｓ，Ｌ称作信道弥散长度（它反映了信道的多径干扰情况，Ｌ的大小直接关系着解调实现的难易程度）。ＧＳＭ系统要求接收端能处理时延达１６μｓ的等功率多径干扰，该值约相当于Ｌ＝５。

    多径干扰的存在要求采用均衡技术。ＧＳＭ中，由于Ｌ值较小，适于采用Ｖｉｔｅｒｂｉ算法（ＶＡ）实现均衡，且这样可以将均衡与解调同时实现。由于ＶＡ是一种最大似然算法，所以相应的均衡、解调算法称作最大似然序列估计（ＭＬＳＥ）。采用ＶＡ必须先对信道响应ｈ（ ｔ）进行估计，这就需要利用随机接入信道中的训练序列。信道响应参数估计的准确性直接影响到ＭＬＳＥ判决的结果。由于ＶＡ的特点，ＭＬＳＥ比较易于给出硬判决数据，而要给出软判决数据则需要有更复杂的运算。由于对解调后的Ｖｉｔｅｒｂｉ译码也是一个ＶＡ算法，若能给出软判决数据，将使系统性能提高２～３ｄＢ。因此，实现ＭＬＳＥ的判决输出是一个有意义的课题。

４ 卷积码的软判决 Ｖｉｔｅｒｂｉ译码原理

    卷积码的Ｖｉｔｅｒｂｉ译码算法（ＶＡ）是一种最佳的概率译码方法，它同时利用了码的代数结构和信道的统计特性，能充分发挥卷积码的特点，在无线数字传输系统中得到了广泛应用。卷积码的编码过程实质上等效于在码的格状图上选择一条与源序列相对应的路径的过程，而译码过程则是在码的格状图上寻找一条与接收序列最近的路径的过程，后者比前者要难得多。

    若以（ ｊ＝１，２，……，Ｌ）表示接收序列，而（ ｊ＝１，２，……，Ｌ）表示格状图上第ｉ条路径对应的源序列，则欧氏距离可表示 。以ＧＳＭ中的ＴＣＨ／ＦＳ的（２，１，４）卷积码为例，该码的编码器为２４＝１６个状态，输入分组长度为１８９比特，其格状图中的路径数近似于２１８９量级，是一个天文数字，要在这么多路径中寻找一条符合要求的路径，显然是不容易的。这就需要用到Ｖｉｔｅｒｂｉ算法。在软判决ＶＡ中，把会聚到格状图每个节点上的两条路径的欧式距离（称为路径度量）进行比较，然后把具有较小欧氏距离的路径保存下来（称为幸存路径），而把另一条路径丢弃，同时存贮相应的路径度量值。由于每个节点引出两条支路，因此第Ｎ－１＝２级以后的各级中路径的延伸都增大一倍，但经过比较和选择之后，丢弃了一半，结果留存下来的路径总数保持常数（等于２ Ｎ－１＝４，即编码器的状态个数）。可见，上述译码过程中的基本操作是“加、比、选”（ＡＣＳ），即每级求出路径度量的累加值，然后两两比较并作出选择。有时会出现两条累加的路径度量值相等的情形，此时可任选一条作为幸存路径。这就是ＶＡ的基本思想。

     需要指出的是，对于幸存路径的存贮和处理有两种不同的方法，一种叫做“路径交换”法，一种叫做“回迹”法。

    “路径交换”法需要对１６个状态的每一个都存贮一个幸存路径序列。每处理一步，都要按比较的结果对幸存路径进行交换，并在路径序列的一侧加上一个新的判决值且将最先存入的一个判决值输出。这高速译码时，这些操作需要由硬件并行完成，造成硬件规模非常大。在低速译码时，这些操作可以串行完成，但延时较大。

    “回迹”法适用于较高速率的译码，因为它比寄存器交换方法的串行实现速度要快。这种方法不需要存储实际的判决信息序列，而代以存储每次比较的结果。在处理过一定的支路数之后，依照格状图的支路连接关系，根据存储的判决结果，按照与存储时相反的顺序进行回索，从而找出最大似然译码序列。这种方法不是对单个支路的信息符号进行译码，而是高速地每次对多个支路进行译码。回迹法的译码延时比寄存器交换法要大。但在ＧＳＭ中，用回迹法进行幸存路径搜索比较容易实现，因而常被采用。

５ 中兴通讯ＧＳＭ产品的基带信道处理实现

    深圳市中兴通讯股份有限公司研制的ＧＳＭ产品——ＺＸＧ１０中，由信道处理器（ＣＨＰ）完成全部基带信道处理功能。ＣＨＰ由信道编码器和信道解码器／解调器组成。

    信道编码器是基站收发信台发射通路的一部分，主要完成下列功能：数据和话音信道的速率适配、带内信令管理和远端译码电路同步、全部基带功能、基站发射的功率控制、ＤＴＸ功能等等。其中基带功能包括：信道的编码和交织、加密、突发脉冲序列的建立、ＴＤ-ＭＡ复帧的建立以及基站发信机的功率控制。每个信道编码器可以处理８个时隙，即可支持８个全速率业务信道或１６个半速率业务信道。

    信道解码器／解调器是基站接收通路的组成部分，处理ＴＤＭＡ帧的一个时隙传输的信息，包括分集接收信号的合并、ＭＬＳＥ、突发脉冲到达时间的估计、解密、反交织、分组码译码和卷积码的Ｖｉｔｅｒ-ｂｉ译码、快速随路控制信道检测、码速适配等等。每个信道解码器硬件由ＤＳＰ及其外围接口电路组成，处理８个时隙的信道编码、译码和解调等基带功能。

参考文献

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（收稿日期：１９９８－１０－１６）

[摘要] 文章介绍了ＧＳＭ系统从编码到译码的信道处理过程中所涉及的有关数字通信的理论和技术，并着重阐述了调制与解调、ＭＬＳＥ及软判决输入、输出的基本原理等内容。

[关键词] 数字移动通信 维特比算法 调制／解调 最大似然序列估计

[Abstract] Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ＧＳＭ ｓｙｓ-ｔｅｍ，ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ ｔｏ ｓｉｇｎａｌ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｒｏｍ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｔｏ ｄｅ-ｃｏｄｉｎｇ，ａｎｄ ｐｕｔｓ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ／ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＭＬＳＥ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｂｏｕｔ ｓｏｆｔ－ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｓｏｆｔ－ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｏｕｔｐｕｔ，ｅｔｃ．．

[Keywords] Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｖｉｔｅｒｂｉ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ／Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ＭＬＳＥ