教案
模块三：第二代移动通信系统
任务实施条件
要求配置有投影仪、教师演示终端、黑板等。

单元描述
众所周知，GSM系统是全球移动用户数量最多的移动通信系统，其技术已经较为成熟。

干扰一直是困扰移动通信系统的一个严峻的问题，那么GSM系统采用了哪些关键技术来降低系统的干扰呢？学完本次课，你将能回答以上问题。

学习目标
✦掌握GSM系统所采用的关键技术；
✦理解时间提前量、跳频技术、不连续发射技术、功率控制技术的基本原理和和对GSM系统性能的影响。

重点与难点
教学重点：
GSM移动通信系统中时间提前量、跳频技术、不连续发射技术、功率控制技术的基本原理和主要作用。

教学难点：
基带跳频与射频跳频的区别
主要授课内容
1、时间提前量
信号在空间传输是有延迟的，如移动台在呼叫期间向远离基站的方向移动，则从基站发出的信号将“越来越迟”的到达移动台，与此同时，移动台的信号也会“越来越迟”的到达基站，延迟过长会导致基站收到的某移动台在本时隙上的信号与基站收下一个其它移动台信号的时隙相互重叠，引起码间干扰，因此，在呼叫进行期间，移动台发给基站的测量报告上携带有移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达的时间，并在下行信道上以480ms 一次的频率向移动台发送指令，指示移动台提前发送的时间，这个时间就是时间提前量。

在GSM 系统中，由于空中接口采用TDMA 技术，移动台必须在指配给它的时隙内发送，而在其他的时间必须保持寂静，否则会干扰使用同一载频其他时隙上的用户。

在GSM 系统中，移动台收发信号要求有3个时隙的间隔，如图1所示。

012
3456701234567
1
012
34567012345670
1
偏移
下行链路：
上行链路：
：BTS 发送；
：MS 发送
TDMA 帧号
TDMA 帧号
图1 TCH 上下行偏移
2、跳频技术
引入跳频的原因有两个。

第一是基于频率分集的原理，用于对抗瑞利衰落。

第二是基于干扰源特性。

在业务量密集区，蜂窝系统容易受到频率复用产生的干扰限制，相对载干比（C/I ）可能在呼叫中变化很大。

引入跳频使得它可以在一个可能干扰小区的许多呼叫之间分散干扰，而不是集中在一个呼叫上。

跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种序列进行跳变。

控制和信息数据经过调制后成为基带信号，送入载波调制，然后载波频率在伪随机码的控制下改变频率，这种伪随机码序列即为跳频序列。

最后再经过射频滤波器送至天线发射出去。

接收机根据跳频同步信号和跳频序列确定接收频率，把相应的跳频后信号接收下来，进行解调。

原理如图2所示。

图2 跳频基本结构
跳频技术对接收信号的改善如下图3所示：G＝10LgN (N为频点数目）
接收距离
图3 跳频技术对接收信号的改善
由于每个脉冲使用的频点不同，单个频点受干扰对整个通话造成的影响就降低了，整个干扰水平在所有的通话中得到了平均，同时本次通话对其它通话的影响也相对分散在各个频点上
从而减少了对其它通话的影响。

其原理如图4所示。

图4 跳频技术对抗干扰的原理
跳频技术由来已久，首先用于军事方面,其目的是保密。

用于GSM 系统中是近几年的事.在GSM 中有两种方法实现跳频,即基带跳频和射频调频。

基带跳频的原理是将话音数字信号随时间的变换使用不同频率的发射机发射。

原理如图5所示。

图5 基带跳频的原理
射频频跳的原理是将话音数字信号用固定的发射机序列控制，采用不同频率发射。

原理如图6所示。

广播信道不允许跳频！
图6 射频频跳的原理
3、不连续发送DTX
话音传输有两种方式，一种是不管用户是否讲话，话音连续编码在13kbit/s 上（20ms 一帧）；另一种是不连续传输方式DTX （Discontinuous Transmission ），在话音激活期进行13kbit/s 编码，在话音非激活期进行500bit/s 编码，仅传送舒适噪声，如图7所示。

采用DTX 方式有两个目的：一是降低空中总的干扰电平，二是节约发射机的功耗。

DTX 模式与普通模式是可选的，因为DTX 模式会使传输质量稍有下降。

C2（跳频：F1-Fn 时间
T3 T4 T5
TRAU BTS
BTS MS
舒适噪声帧话音帧
图7 DTX 方式话音帧的传输
GSM 系统中采用DTX 方式，并不是在语音间隙简单地关闭发射机，而是要求在发射机关闭之前，必须把发端背景噪声的参数传送给收端，收端利用这些参数合成与发端相似的噪声（通常称为“舒适噪声”）。

这样做的目的是当发信机打开时，背景噪声连同语音一同转发给接收端；在语音脉冲结束时，由于关掉了发射机，故噪声降低到很低的电平，使听者感到极不舒服。

为了改善这种情况，采用插入人工噪声的方法，在发送端关发射机前，把静寂描述帧SID 发给接收端，收端在无语音时，移动台自动产生舒适的背景噪声。

为了完成语音信号间断传输，应使发射机关机时接收侧产生类似噪声。

DTX 基本原理如图8所示。

信道
图8 DTX 基本原理图
发送端的语音活动检测由语音活动检测器完成，其功能是检测分段后的20 ms 段是有声段，还是无声段，即是否有语音或仅仅是噪音。

舒适噪声估计用于产生静寂描述帧SID ，发送给接收端以产生舒适的背景噪声。

4、功率控制技术
所谓的功率控制，就是在无线传播上对手机或基站的实际发射功率进行控制，以尽可能降低基站或手机的发射功率，这样就能达到降低手机和基站的功耗以及降低整个GSM 网络干扰这两个目的。

当然，功率控制的前提是要保证正在通话的呼叫拥有比较好的通信质量。

（1）功率控制过程：
提供功率控制过程进行决策的原始信息是来自手机和基站的测量数据，通过处理和分析这些原始数据，作出相应的控制决策。

和切换控制过程类似，一般来说，整个功率控制过程如图
9所示。

图9 功率控制过程框图
（2）快速功率控制
快速功率控制过程能够根据实际的信号强度和信号质量情况，判断出应该使用的功率控制幅度，不再局限于一个固定的幅度，这样就可以轻易解决手机初始接入时功率的控制问题。

当然，它的作用也不仅仅局限于这种情况，还有很多，比如快速移动的手机、突然出现的干扰或障碍等等，只要出现需要进行大幅度功率控制的现象，快速功率控制过程都能够完满地给予解决。

教学组织过程
以小组为单位，在完成今天学习内容的基础上，查阅相关的资料并讨论，除了我们讲解的关键技术,GSM系统空中接口还采用了哪些技术？这些技术有什么作用？
教学反馈
理解永远比死记重要，引导学生思考永远比直接告知结果重要!作为教师，我们在传授知识的同时，更要注重培养学生的学习能力。

而要培养这种能力，老师的方法尤为重要。