GSM多功能基站無線語音通信研究

劉　惠，萬國金(南昌大學信息工程學院電子信息工程系，南昌330031)

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GSM多功能基站無線語音通信研究

劉惠，萬國金*
(南昌大學信息工程學院電子信息工程系，南昌330031)

摘要:基于GSM多功能基站的手機終端接入功能，實現其語音通信功能。首先開通基站的語音呼叫業務，然后將原始語音形成語音發送脈沖，最后將手機鎖定在基站工作，對語音功能進行測試。根據多功能基站的功能和性能要求，不僅實現其語音通信功能，且使之具有呼叫異常處理能力，功能設計上相對商用基站也作了一些改進。實驗證明:鎖定在多功能基站工作的手機能收到基站發送的語音信息。

關鍵詞:GSM多功能基站;語音通信功能;語音呼叫業務;語音發送脈沖;呼叫異常處理

多功能基站是基于一種手機信號誘發探測技術的虛擬基站，它能誘發基站附近的手機進行位置更新，切換到多功能基站工作，斷開其與公眾通信網的鏈接，進而實現對手機進行一系列管控工作(語音、短信等) ;多功能基站還具有轉發功能，它能將終端或商用基站的空中接口信令經過處理后向商用基站或終端進行轉發，使手機和外界保持一定的聯系，從而實現對手機的有效管控［1－2］。多功能基站可應用于防止考試舞弊、會議安全、災后搜救工作、警務偵查等領域［3－5］。為了實現或完善這樣的多功能基站，本文基于其現有的手機終端接入功能，實現其多功能中的語音通信功能，使得基站能向特定手機終端發送語音信息，并對該功能進行測試。

1　多功能基站系統與語音功能

1.1多功能基站系統功能介紹

多功能基站最終需實現兩大模塊功能。①接入與控制功能:完成終端的接入功能，同時能夠對接入終端實現短信業務以及語音呼叫業務，從而實現對終端系統的有效控制;②轉發功能:接收特定手機終端發起的呼叫或短信，并將其轉發給商用基站，同樣接收商用基站下發的呼叫與短信，將其轉發給相應的手機終端。本文主要是實現接入與控制功能模塊中的基站對終端語音呼叫功能。

1.2多功能基站系統硬件結構

多功能基站的硬件結構如圖1所示，它為實現基站的各種功能提供了相應的硬件基礎。它主要由射頻部分、基帶部分和用戶操控平臺(PC機) 3個模塊組成［1］。射頻部分由接收射頻和發送射頻兩個模塊組成，接收模塊有兩個單元，中間設有分路器，890 MHz～915 MHz單元是用來接收MS的上行信號，而935 MHz～960 MHz單元用于接收商用基站的廣播信道數據;基帶部分由兩片AD6521芯片、FPGA和DSP組成，AD6521包含發射、接收、輔助控制和話音4個通道，用于MS和商用基站接收信號的解調和多功能基站發送信號的調制; FPGA實現芯片間的數據緩存和時序控制，DSP為該系統核心部分，完成各種信令和數據的處理，同時接受用戶操控平臺的命令;用戶操控平臺可提供人機界面，以便進行系統狀態、小區狀態以及目標信息數據的存儲和系統維護等功能。

圖1　多功能基站系統硬件框圖

1.3多功能基站語音呼叫功能實現思路

實現接入與控制功能模塊中的對終端語音呼叫業務，必須先實現手機終端的接入功能，即實現手機終端在多功能基站進行位置更新。實現原理為:多功能基站首先通過接收并解析當前小區商用基站的系統參數，來配置自己相應的參數。然后向附近區域發送高于商業基站的廣播控制信號，此時手機收到多功能基站信號后，誤以為進入新的小區，于是在多功能基站進行位置更新［1］。位置更新過程中，基站會獲取手機的身份信息IMSI并存儲信息，進而實現對手機發送短信、語音等管控工作。本文正是在這一功能基礎上來實現語音呼叫功能。

實現語音呼叫功能，首先需開通基站的語音業務，即實現基站和手機進行語音通信前的信令交互，形成語音通信鏈路;此外，對鏈路形成過程中可能出現的異常給出相應的處理方案。語音鏈路形成后，即可在相應的信道上發送語音信息。為保證語音通信的有效性和可靠性，原始語音信號還需通過壓縮編碼、信道編碼，最后以脈沖的形式進行發送。

2　多功能基站語音通信功能實現

2.1語音呼叫業務實現

本文通過模擬GSM通信中被叫流程來實現多功能的語音呼叫流程，并針對呼叫過程中可能出現異常情況給出相應的對策。

2.2.1語音呼叫流程設計

為了和公眾手機進行通信，多功能基站設計了和商用基站類似的流程階段:尋呼階段、接入階段、鑒權和加密階段、TCH指配階段、通信建立階段和通信釋放階段，它是通過各種邏輯信道協作完成的，其中包括: PCH、RACH、AGCH、SDCCH、SACCH/D、FACCH、SACCH/T和TCH［6－7］。鑒于多功能基站和商用基站應用目的上的差異，因此需根據多功能基站的功能和性能要求，對其中一些呼叫流程進行改進。例如:多功能基站對用戶入網沒有費用要求，因此并不需要對用戶進行鑒權。改進的多功能基站具體呼叫流程設計如下:

(1)尋呼階段:首先PCH信道接收PC控制端發出的語音業務命令以及用戶IMSI，然后根據用戶IMSI在相應的PCH子信道上對用戶進行尋呼。為了防止對用戶長期尋呼無果，無法釋放PCH子信道，設定尋呼消息計數器，當其到達上限時，自動釋放PCH子信道和清除PC的尋呼指令。

(2)接入階段: MS收到尋呼消息后，在RACH上向BS發送接入請求，而BS在AGCH上對MS的呼叫業務判定以及分配相應SDCCH信道，MS將在分配的SDCCH上將請求的業務類型回復給BS，這一階段多功能基站自動激活SACCH/D傳輸系統消息以及測量報告輔助SDCCH工作。

(3)鑒權加密階段:多功能基站會傳遞MS相應的鑒權數據，但對MS上傳的鑒權響應值不進行判定，默認鑒權成功。加密階段，為了降低系統復雜度，要求用戶采用A5/0透明傳輸模式［1］。

(4) TCH指配階段:根據TCH資源情況給MS分配TCH信道號，MS隨即在和指配的TCH相關的FACCH上建立通信鏈，FACCH信道上將進行TCH信道指配，SACCH/T自動激活發送系統消息。指配成功后，釋放SDCCH，并完全在FACCH上進行信令交互。此時，MS會有振鈴提示，當MS接機后，系統進入通話階段。

(5)通話建立及釋放階段:通話建立階段在分配的TCH上進行，這一階段主要是將語音形成脈沖進行發送，同時基站不斷接收和解析SACCH/T上手機上傳的測量報告。當MS掛機后，基站執行鏈路釋放流程，并重新激活FACCH，完成對TCH和SACCH/T的釋放。

2.2.2呼叫異常處理

針對上述呼叫流程，可能會出現幾種異常情況:無空閑TCH分配、TCH切換失敗、MS無應答、因信道環境惡化通話中斷。為了確保多功能基站語音業務的性能，下面對這幾種異常情況進行分析并給出了相應的對策。

(1)無空閑TCH分配:這是在TCH指配階段發生的，此時多功能基站找不到空閑的TCH分配給MS，需在SDCCH上向其發送相應的信道釋放命令，然后MS執行相應釋放流程。

(2) TCH切換失敗:同樣是發生在TCH指配階段，不過是FACCH建鏈未成功，MS將發送指配失敗給多功能基站，此時重新激活SDCCH信道，釋放分配的TCH，然后執行正常的釋放流程，重新發起尋呼，防止重呼多次失敗，并設定重呼次數上限。

(3) MS無應答:這主要發生在MS響鈴后無人應答的情況下，當響鈴超時，多功能基站將會主動釋放鏈接。

(4)因信道環境惡化通話中斷:傳輸語音期間不會設置順序控制和重發機制，因此需通過一個計數器來判斷通話是否中斷。當每接收并解析到一個正確的SACCH/T，計數器加1，反之減1。計數器為零時，多功能基站會啟動TCH信道鏈路層釋放程序。

2.2語音發送脈沖的形成

形成發送脈沖前，需對語音進行信源、信道編碼。由于多功能基站不需要考慮信道容量的問題，為了和公眾手機進行通信以及保證較高的語音質量，本文的語音通信方案采用GSM全速率語音通信。GSM全速率語音編碼采用RPE-LTP編碼［8－9］，它屬于混合編碼算法，結合了波形編碼的高質量和參量編碼的低速率等優點，保證了移動通信的有效性;相應的信道編碼采用的是TCH全速率語音信道編碼方案［10］，它在充分考慮移動通信信道誤碼特征的基礎上，通過將分組碼、卷積碼、重排和交織等差錯控制技術進行有機結合，從而達到有效地改善信道誤碼率，提高移動通信可靠性的目的。

GSM使用的是TDMA/FDMA的多址接入方式，每個載頻從時間上劃分若干個4.615 ms等間隔的幀，每幀又劃分成8個時隙，每個時隙576.9 μs并傳輸156.25 bit，時隙的信息格式就叫突發脈沖，不同的發送信息采用不同的脈沖形式［6］。其中語音發送脈沖為普通突發脈沖(NB)。本文也采用此種脈沖發送語音。

2.2.1語音編碼

RPE-LTP的編碼速率為13 kbit/s，其編碼過程主要是語音參數的提取、量化和脈沖序列編碼。編碼輸入數據是8 kHz的采樣率、13 bit量化編碼語音信號，每160個樣點為一幀，最后編碼得到260 bit。主要分為以下5個模塊實現:

(1)預處理:它分兩個部分完成:偏移補償和預加重，降低噪聲影響;

(2) LPC分析:計算8個反射系數對數面積比LAR，并分別量化編碼為6 bit、6 bit、5 bit、5 bit、4 bit、4 bit、3 bit、3 bit、;

(3)短時濾波階段:將LPC分析得到的對數面積比譯碼和插值得到反射系數，然后構成短時濾波器對信號短時濾波，得到160個殘差信號;

(4)長時預測分析:將殘差信號平均分為4個子幀，分別進行長時預測。長時預測分析部分有兩個部分:長時預測和長時分析。長時預測部分是計算子幀長時相關延遲N和增益因子b，并分別量化編碼為7、2 bit。長時分析部分是計算長時殘差信號，便于RPE編碼;

(5) RPE編碼:首先對子幀長時殘差信號進行加權濾波，進行3: 1的抽樣，計算其中最佳抽樣坐標M并量化為2 bit。然后計算最佳抽樣得到的13個RPE序列的最大值并將其歸一化，最后將最大值和歸一化序列量化為6 bit和13個3 bit。

最后將量化編碼的語音參數以及脈沖序列按一定的順序排列形成語音編碼數據260 bit。接收端可利用這些參數和脈沖序列進行語音合成。圖2為RPE-LTP編碼前后語音波形。無論是圖2中的語音編碼前后波形圖還是我們日常生活中的通話體驗，都說明了該算法編碼具有較高的語音質量。

圖2　RPE-LTP編碼前后語音波形圖

2.2.2信道編碼

TCH全速率語音信道編碼根據語音編碼比特重要性的優先級，進行分級處理。首先將獲得260 bit語音編碼數據分為兩級:第1級182 bit，第2級78 bit。第1級的182 bit中前比較重要50 bit先進行截斷循環碼編碼得到53 bit，再和后132 bit以及4個全零尾比特進行(2，1，4)卷積編碼得到378 bit，再在數據尾部加上第2級的78 bit得到最終的456 bit(8行57列)。最后將其前4行和前一幀后4行的每一行進行交織重排，從而得到22.8 kbit/s的數據流，當前幀的后4行數據待下一幀使用。圖3為第一幀信道編碼前后比特流，其前一幀數據默認為0。

圖3　信道編碼前后比特流

2.2.3突發脈沖形成

NB結構圖如圖4所示，它是由2個3 bit的拖尾比特(TB)、2個57 bit的信息比特、2個1 bit的標志比特、26 bit的訓練序列以及8.25 bit的保護比特(GP)組成。TB稱為功率上升和拖尾時間，它允許載波功率在3 bit時間內上升和下降到規定的數值。信息比特是信道編碼得到8×57 bit中的2×57 bit組成。標志比特是用來標志是業務信息還是控制信息，這里置為0。訓練序列有8種，可分別用于區別鄰近的同頻小區，具體用哪種由多功能基站中的信令決定。

圖4　NB組成結構

3　語音通信測試方法及結果

測試方法:首先設置好多功能基站的相應參數，誘導手機在多功能基站進行位置更新，完成手機的接入工作，并獲取手機的IMSI;然后啟動多功能基站的語音呼叫業務，利用獲取的手機IMSI對該手機進行呼叫并發送語音。測試語音是由wav音頻文件提供，通話期間系統自動讀取該文件并將其發送。為了很好地跟蹤手機與基站的通信進度和狀況，測試過程中將手機和多功能基站信令交互流程進行打印并觀察。

測試結果:圖5為語音通信鏈路建立信令流程，從圖5可以看到，TCH信道指配成功(ASSIGNMENT COMPLETE)后，釋放SDCCH，并到FACCH FULL進行信令交互，此時MS有響鈴提示(ALERTING)，當MS接機后，完成連接確認(CONNECT ACKNOWLEGDE)，進入通話階段。圖6即為短暫通話的信令流程，從圖中可以看到，通話期間，SACCH/T不斷地上傳MS的測量報告(MEASUREMENT REPORT)，當短暫通話結束后，基站會收到掛機提示(DISCONNECT)，隨后回到FACCH FULL上執行相應的鏈路釋放(RELEASE)流程。從信令的測試結果來看，多功能基站成功實現了對手機的呼叫業務。

圖5　語音通信鏈路建立信令流程

圖6　短暫通話信令流程

4　結束語

本文主要實現了GSM多功能基站的接入與控制功能模塊中語音通信功能，其包括兩個方面的工作:①語音業務實現，即建立基站和手機之間的語音通信鏈路，同時針對建鏈過程中可能出現的異常情況給出了相應的處理方案;②語音發送脈沖的形成。語音發送前，對語音進行壓縮編碼、信道編碼，最后將語音以普通突發脈沖的形式呈現。文章最后還對此功能進行了測試，測試結果證明:多功能基站能向鎖定在其工作的一臺手機發送語音信息，使得多功能基站的功能得到進一步完善。

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劉　惠(1991－)，女，漢族，安徽省安慶市人，2012年獲南昌大學學士學位，現為南昌大學在讀碩士。主要研究方向通信與通信對抗、短波信號處理，aqlhui@ 126.com;

萬國金(1955－)，男，漢族，江西南昌人，現為南昌大學教授、碩士研究生導師、電子系副主任。主要研究方向信號處理、通信與通信對抗，wanguojin@ ncu.edu.cn。

The Alarm System Design of Machine Tool Voice Based on STC15 MCU and SYN6288*

CHANG Guoquan*，PENG Yunfeng
(Department of Computer Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang He’nan 455000，China)

Abstract:In order to improve the operability of machine tool to reduce the damage rate of machine tool，a kind of machine tool voice alarm system with high cost-effective based on high-speed STC15F2K24S2 MCU and SYN6288 speech synthesis chip is designed，not only the specific scheme of the hardware and software design is given，but also the key points of the hardware and software design are discussed.The system can timely report the machine tool’s current state or error message to the operators.It has friendly interface，convenient and flexible operation，and high work efficiency.Key words: STC15F2K24S2; SYN6288; machine tool; voice alarm system; Android; bluetooth serial module

中圖分類號:TN929.5GSM

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0611－05

收稿日期:2014－06－09修改日期: 2014－07－08

doi:EEACC: 613010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.028