GSM移動通信系統抗時分干擾能力仿真研究

張銀兵　胡元奎　周慶輝

摘 要：通過對GSM移動通信系統中廣播信道、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據傳輸受時分干擾的機理和GMSK信號的調制解調原理，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，得出了系統在不同干擾信號參數下對應的誤碼率，表明了GSM移動通信系統抗時分干擾信號的能力，對于實際使用環境中分析與排查干擾原因以及干擾器的設計均有很好的指導意義。

關鍵詞：移動通信 控制信道 基站 時分干擾

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

GSM移動通信系統自投入運營以來，技術不斷發展與成熟，占據了整個中國移動通信系統的大部分市場。雖然移動通信系統正在快速地向3G、3.5G和4G過渡，但是在現階段，GSM移動通信系統以其廣闊的基站分布能力和老用戶的適應性，將會在未來一段時間繼續存在與使用。開展對GSM移動通信系統抗時分干擾信號能力的研究，不僅對于實際使用環境中分析與排查干擾原因有很好的指導意義，而且從相反的角度來看，對于設計手機干擾器來說也有一定的借鑒意義。本文通過對GSM移動通信系統下行鏈路控制信道數據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抗干擾能力，具有一定的工程參考價值。

1 GSM系統的信道

GSM系統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務信道和控制信道。其中業務信道用于攜載語音或用戶數據，控制信道用于攜載信令或同步數據。移動終端在空閑狀態下工作于控制信道，只有在產生業務請求并且獲得基站分配的信道資源時，才會工作于業務信道。因此在整個GSM系統中，控制信道信息交互的可靠性相當重要。

GSM系統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是小區內所有的手機，為單向下行信道。其中FCCH和SCH信道用來幫助MS與基站實現同步，在同步后，基站利用BCCH信道廣播供所有MS使用的網絡信息，以便MS在網絡中能夠可靠地駐留。

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，而是面向這個小區內所有的移動臺的。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、用戶鑒權消息、加密命令及應答及各種附加業務，SACCH和FACCH信道都是伴隨信道，主要是在MS業務過程中傳輸相關的基站信息或信令。

2 GSM系統受時分干擾的機理

由于上行干擾會造成基站的嚴重負荷直至癱瘓，因此本文只針對GSM移動通信系統的下行干擾進行分析。實用中手機干擾器的設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系統來說，在下行干擾中又分為控制信道干擾和業務信道干擾。控制信道工作時，其頻率不隨時間發生變化，而業務信道工作時采用跳頻技術，工作頻率隨時間發生變化。因此，從干擾效能的角度考慮，干擾控制信道將會比干擾業務信道簡單，只要保證干擾的有效性，將會造成處于空閑狀態下的目標無法進行正常呼叫。

GSM系統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幀業務請求之后才使用，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，可導致移動臺無法接收到正確的基站廣播消息或者正確的業務信道分配消息，從而與基站失去連接而無法通話。

GSM是一種采用TDMA和FDMA體制相結合的移動通信系統，對于控制信道的映射，在某個小區超過一個載頻時，則該小區C0（導頻）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的所有用戶發送同步信息、系統消息及尋呼消息和指派消息（如表1）。

當某個小區的容量很小，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幀重復一次（如表2）。

當某小區業務量很高時，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在C0的TS0上。

可以看出，在GSM系統51復幀結構中，FCCH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幀的數據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BCCH、SDCCH、CCCH的數據解碼干擾效果進行的。

傳統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。而在通信系統干擾研究中，文獻[5]指出采用時分干擾技術可以利用一個頻率干擾多個使用相同頻率的通信目標，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 調制與解調

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

（1）首先給原始需要發送的184比特信息增加40比特的糾錯循環碼。（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比特的數據。（3）為了減小實際中脈沖猝發干擾對通信系統的影響，GSM系統對卷積編碼后的信號進行交織。將卷積編碼器獲得的456比特數據進行內部交織，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比特的突發脈沖序列。（5）對每一個突發脈沖序列進行成幀，形成普通突發脈沖序列，共156.25bit（如圖1）。

該156.25bit共持續時間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內能夠有干擾脈沖的存在。

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

因此，整個GSM系統的消息產生結構可簡單地描述為以下過程（如圖3）。

而在信號解調時，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，加入相應基帶干擾信號即可。

4 干擾仿真

為了驗證GSM移動通信系統抗時分的能力，進行計算機仿真。仿真重點關注干擾脈沖寬度、占空比、目標信噪比、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對干擾結果的影響。考慮干擾脈沖經過接收機200 kHz濾波器時的響應時間，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調制，占空比1∶4，結果進行300次MentaKaluo仿真平均。仿真結果表明，干擾脈沖序列起始位置對干擾結果影響不大。

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，結果進行300次MentaKaluo仿真平均。仿真結果表明，在目標信噪比在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，結果進行300次MentaKaluo仿真平均。仿真結果表明，不同的干擾信號頻偏對干擾結果沒有影響，在占空比1∶1、干信噪比0 dB時，可造成45%的誤碼率。

5 結論

本文通過對GSM移動通信系統下行鏈路控制信道數據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抗干擾能力仿真結果。結果表明，在占空比大于1∶4的情況下，脈沖寬度越小，對GSM移動通信系統的干擾越嚴重，帶內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計干擾器均有一定的借鑒意義。然而，系統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其他廣播信道（如：FCCH和SCH）、控制信道及業務信道的影響，在實際中，同樣的干擾信號應該會比仿真的干擾效果更加嚴重，因此，建立一個系統級的仿真實驗系統有待進一步研究。

參考文獻

[1]陳貴夫，胡磊.TDMA通信系統靈巧式干擾技術研究，中國電子學會電子對抗分會第十六屆學術年會論文集[C].貴陽，2009：890-893.

[2]劉松，王紅軍.TDMA數字移動通信系統無線干擾技術研究[J].通信對抗，2007（1）：32-35.

[3]鐘子發，王紅軍.對軍用GSM數字移動通信系統對抗技術的探討[J].電訊技術，2001，41（3）：59-61.

[4]韓斌杰，杜新顏，張建斌，等.GSM原理及其網絡優化[M].2版.機械工業出版社，2011.

[5]楊瑞民，楊景曙，竺小松，等.一種改進的時分多目標干擾技術原理及實現[J].航天電子對抗，2001（2）：41-43.