摘要：通过对GSM移动通信系统中广播信道、公共控制信道和专用控制信道的研究，分析了下行链路控制信道数据传输受时分干扰的机理和GMSK信号的调制解调原理，针对不同的干扰信号脉冲宽度、占空比、脉冲起始位置、信噪比和干信噪比条件进行了计算机仿真，得出了系统在不同干扰信号参数下对应的误码率，表明了GSM移动通信系统抗时分干扰信号的能力，对于实际使用环境中分析与排查干扰原因以及干扰器的设计均有很好的指导意义。
关键词：移动通信；控制信道；基站；时分干扰
1 引言
GSM移动通信系统自投入运营以来，技术不断发展与成熟，占据了整个中国移动通信系统的大部分市场。虽然移动通信系统正在快速地向3G、3.5G和4G过渡，但是在现阶段，GSM移动通信系统以其广阔的基站分布能力和老用户的适应性，将会在未来一段时间继续存在与使用。开展对GSM移动通信系统抗时分干扰信号能力的研究，不仅对于实际使用环境中分析与排查干扰原因有很好的指导意义，而且从相反的角度来看，对于设计手机干扰器来说也有一定的借鉴意义。本文通过对GSM移动通信系统下行链路控制信道数据传输过程的时分干扰仿真研究，得出了在特定条件下的系统抗干扰能力，具有一定的工程参考价值。
2 GSM系统的信道
GSM系统中的信道可分为物理信道和逻辑信道，逻辑信道又可分为业务信道和控制信道。其中业务信道用于携载语音或用户数据，控制信道用于携载信令或同步数据。移动终端在空闲状态下工作于控制信道，只有在产生业务请求并且获得基站分配的信道资源时，才会工作于业务信道。因此在整个GSM系统中，控制信道信息交互的可靠性相当重要。
GSM系统控制信道可分为广播信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）。
2.1 广播信道
广播信道包括频率校正信道（FCCH）、同步信道（SCH）和广播控制信道（BCCH），它们携带的信息目标是小区内所有的手机，为单向下行信道。其中FCCH和SCH信道用来帮助MS与基站实现同步，在同步后，基站利用BCCH信道广播供所有MS使用的网络信息，以便MS在网络中能够可靠地驻留。
2.2 公共控制信道
公共控制信道包括AGCH、PCH、CBCH和RACH，这些信道不是供一个MS专用的，而是面向这个小区内所有的移动台的。在下行方向上，由PCH、AGCH和CBCH来广播寻呼请求、专用信道的指派和短消息。在上行方向上由RACH信道来传送专用信道的请求消息。
2.3 专用控制信道
包括独立专用控制信道（SDCCH）、慢速随路控制信道（SACCH）、快速随路控制信道（FACCH），这些信道被用于某一个具体的MS上。其中SDCCH是一种双向的专用信道，它主要用于传送建立连接的信令消息、位置更新消息、短消息、用户鉴权消息、加密命令及应答及各种附加业务，SACCH和FACCH信道都是伴随信道，主要是在MS业务过程中传输相关的基站信息或信令。
3 GSM系统受时分干扰的机理
由于上行干扰会造成基站的严重负荷直至瘫痪，因此本文只针对GSM移动通信系统的下行干扰进行分析。实用中手机干扰器的设计大多是对下行链路进行干扰，且采用扫频式干扰，从时域和功率域来考虑，对于某部移动终端来说，在一定程度上可将其等效为时分脉冲干扰。同样地在实际环境中也存在着其他基站或者通信终端的干扰信号，因此开展对移动终端受时分信号干扰的研究有一定的实用价值[1-3]。对于GSM系统来说，在下行干扰中又分为控制信道干扰和业务信道干扰。控制信道工作时，其频率不随时间发生变化，而业务信道工作时采用跳频技术，工作频率随时间发生变化。因此，从干扰效能的角度考虑，干扰控制信道将会比干扰业务信道简单，只要保证干扰的有效性，将会造成处于空闲状态下的目标无法进行正常呼叫。
GSM系统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帧业务请求之后才使用，且SDCCH很有可能实施跳频[4]，因此，从干扰频率资源的角度考虑，干扰集中于前面的FCCH、SCH、BCCH、AGCH、PCH、CBCH信道，在干扰成功时，可导致移动台无法接收到正确的基站广播消息或者正确的业务信道分配消息，从而与基站失去连接而无法通话。
GSM是一种采用TDMA和FDMA体制相结合的移动通信系统，对于控制信道的映射，在某个小区超过一个载频时，则该小区C0（导频）上的TS0就映射广播和公共控制信道（FCCH、SCH、BCCH、CCCH），可使用mainBCCH的组合，该时隙不间断地向该小区的所有用户发送同步信息、系统消息及寻呼消息和指派消息。
BCCH+CCCH（下行）51复帧mainBCCH（TS0用作BCH和CCCH）
F S B C F S C C F S C C F S C C F S C C N
当某个小区的容量很小，仅使用一个载频时，则该载频的TS0即用做公共控制信道又用做专用控制信道，采用mainBCCHcombined的信道组合形式。该信道组合每102帧重复一次。
BCCH+CCCH+4SDCCH/4（下行）2×51复帧mainBCCHcombined
F S B C F S C C F S D0 D1 F S D2 D3 F S A0 A1 N
F S B C F S C C F S D0 D1 F S D2 D3 F S A2 A3 N
当某小区业务量很高时，它可把C0的TS0配置成为mainBCCH，并可在TS2、TS4、TS6上扩展三个组合集，使用CCCH的配置形式，该配置形式包括除SCH和FCCH外的TS0的所有组合，因为这两个信道只能出现在C0的TS0上。
可以看出，在GSM系统51复帧结构中，FCCH和SCH只占用一个时隙，而BCCH、SDCCH、CCCH均需要四个时隙，也就是说这些信道必须收集够4帧的数据才能进行正确的信息接收。因此，从干扰的概率来说，干扰4个时隙的概率相比1个时隙要更高，所以本文的仿真研究是针对GSM系统BCCH、SDCCH、CCCH的数据解码干扰效果进行的。
传统的干扰机一般是一个频率干扰一个通信信道，或者说一个通信目标。而在通信系统干扰研究中，文献[5]指出采用时分干扰技术可以利用一个频率干扰多个使用相同频率的通信目标，从而更加充分有效地利用干扰资源。本文正是基于该思想，对时分干扰方法的效能进行仿真研究。
4 调制与解调
BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH信道使用LAPDm协议，该协议在连接模式下被用于传送信令。一个LAPDm帧共有23个字节（184个比特）。其编码方案为：
（1）首先给原始需要发送的184比特信息增加40比特的纠错循环码；
（2）然后给上述获得的228bit信息加上4个比特的全0尾比特位，将其通过1：2的卷积编码器，得到456比特的数据；
（3）为了减小实际中脉冲猝发干扰对通信系统的影响，GSM系统对卷积编码后的信号进行交织。将卷积编码器获得的456比特数据进行内部交织，456比特按（0，8…448）、(1,9…449)…...（7，15…455）的排列方法，分为8组，每组57个比特，通过这一手段，可使在一组内的消息相距较远。
（4）然后将进行块间交织，获得4个114比特的突发脉冲序列。
（5）对每一个突发脉冲序列进行成帧，形成普通突发脉冲序列，共156.25bit。
图1 普通突发脉冲序列
该156.25bit共持续时间577us，若除去首尾比特6比特和保护间隔8.25bit，剩余有效信号时间为524us，因此干扰时尽量保证在524us内能够有干扰脉冲的存在。
（6）最后对每个突发脉冲序列进行GMSK调制，最后通过上变频、功放和天线将信号辐射出去。GMSK系统常用的调制方法可用如下框图进行表示：
图2 GMSK调制框图
因此，整个GSM系统的消息产生结构可简单地描述为以下过程：
图3 基带信号产生流程
而在信号解调时，采用相反的步骤，具体流程如下：
图4 GMSK信号解调流程
仿真时，只要在基带信号输入的同时，加入相应基带干扰信号即可。
5 干扰仿真
为了验证GSM移动通信系统抗时分的能力，进行计算机仿真。仿真重点关注干扰脉冲宽度、占空比、目标信噪比、干扰信号与正常通信信号及噪声的比值（干信噪比）、干扰脉冲与正常脉冲的相对起始位置等参数对干扰结果的影响。考虑干扰脉冲经过接收机200KHz滤波器时的响应时间，仿真时干扰脉冲宽度从10us开始。
仿真中，定义干信噪比为：
（1）
其中ISNR为干信噪比，为干扰信号，为正常通信信号，为正常通信信号中的噪声。
5.1 不同干扰脉冲宽度和占空比仿真
仿真条件为：通信信号信噪比15dB，干信噪比0dB，干扰信号采用GMSK调制。由于干扰信号脉冲起始位置无法与基站下行信号同步，因此，仿真时，干扰信号脉冲的起始位置采用随机化，然后对其结果进行300次Menta Kaluo仿真平均。由图5可以看出，在占空比大于１：４时，误码率在13%以上，脉冲宽度对误码率的影响不大。
图5 干扰脉冲宽度和占空比对干扰结果的影响
5.2 不同干扰脉冲起始位置仿真
仿真条件为：通信信号信噪比15dB，干信噪比0dB，干扰信号采用GMSK调制，占空比1：4，结果进行300次Menta Kaluo仿真平均。仿真结果表明，干扰脉冲序列起始位置对干扰结果影响不大。
图6 不同干扰脉冲起始位置对干扰结果的影响
5.3 不同信噪比和干信噪比仿真
仿真条件为：脉冲宽度40us，干扰信号采用GMSK调制，占空比1：4，干扰脉冲起始位置选为脉冲刚开始的时刻，结果进行300次Menta Kaluo仿真平均。仿真结果表明，在目标信噪比在10dB以上时，干信噪比在0dB以上即可造成17%的误码率。
图7 不同信噪比和干信噪比对干扰结果的影响
5.4 不同干扰信号频偏仿真
仿真条件为：脉冲宽度40us，干扰信号采用GMSK调制，占空比1:1，干扰脉冲起始位置选为脉冲刚开始的时刻，结果进行300次Menta Kaluo仿真平均。仿真结果表明，不同的干扰信号频偏对干扰结果没有影响，在占空比1:1、干信噪比0dB时，可造成45%的误码率。
图8 不同干扰信号频偏对干扰结果的影响
6 结论
本文通过对GSM移动通信系统下行链路控制信道数据传输过程的时分干扰仿真研究，得出了在特定条件下的系统抗干扰能力仿真结果。结果表明，在占空比大于1：4的情况下，脉冲宽度越小，对GSM移动通信系统的干扰越严重，带内的干扰信号频偏对干扰效果无影响，从而对工程抗干扰和设计干扰器均有一定的借鉴意义。然而，系统仿真时仅仅考虑了干扰信号对广播信道和公共控制信道的影响，没有考虑到干扰信号对系统其他广播信道（如FCCH和SCH）、控制信道及业务信道的影响，在实际中，同样的干扰信号应该会比仿真的干扰效果更加严重，因此，建立一个系统级的仿真实验系统有待进一步研究。
参考文献：
陈贵夫，胡磊. TDMA通信系统灵巧式干扰技术研究，中国电子学会电子对抗分会第十六届学术年会论文集[C]，贵阳，2009：890-893。
刘松，王红军. TDMA数字移动通信系统无线干扰技术研究[J]，通信对抗，2007（1）：32-35。
钟子发，王红军.对军用GSM数字移动通信系统对抗技术的探讨[J]，2001，41（3）：59-61。
韩斌杰，杜新颜，张建斌等. GSM原理及其网络优化[M]，机械工业出版社（第二版），2011。
杨瑞民、杨景曙、竺小松、储飞黄.一种改进的时分多目标干扰技术原理及实现[J]，航天电子对抗，2001（2）：41-43。 |
