GSM小区搜索过程

GSM小区初搜

在移动通信系统应用中，MS开机后必须尽快搜索到一个合适的小区（如从射频连接器端测得的功率最大的小区），然后与这个小区达到时隙和频率上的同步，才能获取本小区的详细信息。终端只有在登录到小区后才能使用网络的服务。通常把从开机搜索到登录到合适小区的过程定义为小区初始搜索(initial cell search)过程，简称小区初搜。同步是小区初搜中的一个关键步骤，指的是从开机到与小区达到时频同步的过程。

GSM系统的基站通过BCH（Broadcast Channel，广播信道）传输信令信息，它包括三种数据内容：FB(Frequency Burst,频率矫正突发)，SB(Synchronization Burst，同步突发)和BCCH(Broadcast Control Channel，广播控制信道)。小区初搜的目的就是解读这些突发中的信息来驻留小区。由于MS的开机时间是不定的，再加上本地晶振的老化或者温度等原因，MS开机时与BCH的时隙和频率都可能存在偏差，导致读取小区信息错误。只有在定时和调整频偏之后，才能对BCH进行解读。

CCH(Control Channel,控制信道)包括BCH和CCCH(Common Control Channel,公共控制信道)和一个空闲(Idle)帧，它的帧结构为51复帧，它由51个TDMA帧组成，每帧分为8个时隙(0-7),每个时隙的持续时间约为576.9 µs (15/26 ms)，其中携带的物理内容叫做突发(Burst),在每帧的时隙0中发送广播信息，其结构如图1所示，此结构必须安排在C0载频的第0号时隙。

图1 CCH的51复帧的帧结构

图中的FB不携带信息，由148个全“0”比特组成。SB包含一个长的训练序列并携带有BSIC(base station identity code,基站识别码)和19比特的缩减TDMA帧号（RFN）。BCCH广播基站的一般信息，MS解读其上的信息，在确认为合法后可以选择相应小区，完成整个小区驻留过程。

1 GSM系统中FCCH与SCH的结构特点

FCCH对应着一个频率校正突发脉冲序列(FB)，它结构简单，便于检测，在GSM公共信道的每518个时隙中，FCCH仅占5个时隙，给用户传送校正MS(移动台)频率的信息。FB的所有148比特全部是“0”。结构如图2所示。

图2 FCCH的结构示意图

GSM系统采用GMSK调制方式，FCCH经调制后，是一个纯正弦波，频率比载波中心频率高67．5kHz。

SCH 被称为同步信道，该信道传送MS 的帧同步(TDMA 帧号)和BTS(基站收发信台)的识别码(BSIC)的信息。它对应着一个S 突发脉冲 ，结构如图3所示。

图3 SCH 的结构示意图

SCH 突发脉冲中只含有一种64Bit 的训练序列(已知)，GSM 系统规定：训练序列的自相关性比较好，并且SCH 与FCCH 的相对位置确定。

2 检测FCCH 的几种方法

（1）相关性

FB 是由148个全“0”比特组成的，它经过GMSK(Gaussian Minimum-Shift Keying ，高斯最小频移键控) [3]调制后，成为频率高于载波频率67.708KHZ 的正弦波，持续546.12微秒，相临bit 间的相位差为90度。由4个比特可以组成一个周期的正弦波，所以148比特可以组成约37个周期的正弦波。我们可以利用FB 这个独有的特点来查找它的位置，利用相关性，我们用递推公式

()13232n n n n y j r j y j r M --=-⋅+⋅+⋅=

来对一段含有FB 的数据进行处理，其中n y 为

当前点的相关值，1n y -为前一个点的相关值，

n r 为当前接收到的数据，32n r -为前32个接收到

的数据。则可以得到如2图所示的图形,图中Y 轴为相关值的模即n y ，X 轴为比特位置。

图2 含有FB 数据段相关运算后得到的相关值的模

从图可以看出此处理的效果非常明显，当与含有FB 的数据段作相关运算时，由于相关性强，相关值的模的数值非常大，而其他数据相关性弱，其值被抑制的较低。相关值的模停留在峰值的时间与相关的点数有关。

根据以上图形的特点，我们在查找FB 时可以设置一个门限，此门限可根据信号的平均功率得到。当有连续若干个相关的模值高于门限时，我们就可以判定已经找到了FB 。由图我们可以推断出FB 大概的起始位置，由相关的原理我们可以知道FB 的开始是在相关模值开始上升的时候，在图中约第108个比特。FB 的结束是在相关模值从峰值开始下降时，在图中约第255个比特，开始和结束相差约148个比特。

需要说明的是由于FB 前面的CCCH 或者空闲帧的末尾也可能出现少量的连“0”比特，所以这个开始位置并不是精确的，可能存在1-5个比特时间的误差，但是用它来确定下帧将会出现的SB 的大概位置是完全可以的，我们可以根据SB 的性质来进行更加精确的定时。

（2）直接频谱分析法

由于FCCH 经GMSK 调制后是一个频率高于载波频率67．5kHZ 的正弦波，其频谱必

然具有尖锐的单峰特性。如图4所示，是一段包含FCCH在内的数据的频域特性，因此，我们可以在其幅度谱中检测单峰，进而捕获FCCH。

图4 含有FCCH的信道数据的频谱示意图

接收端接收到的信号可表示为：

其中n(t)是高斯白噪声，其双边功率谱密度，n(t)可以表示为

，本地晶振输出信号为。因此，基带信号输出为：

其中，

当发送FB时：

假设我们对接收信号进行二倍采样，则

对其进行离散傅立叶变换，得到其幅度谱，如下式,其中

由于幅度谱的单峰，我们可以检测FCCH的存在。

具体做法是，首先，我们将采样信号直接用窗口函数分段截取并依次输入，每段序列