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Phs基站原理及应用

PHS基站原理及应用

一、PHS基站功能

XPCS基站是ZXPCS个人通信系统的重要的一个组成部分。

它主要实现空中接口功能即为手机（PS）之间以及手机其它终端之间通信提供最底层物理信道如图1所示。

空中接口通信遵循RCRSTD-28协议。

图1ZXPCS个人通信系统概貌

二、STD28协议标准

1.背景

STD28协议的制定者：

运营商和ARIB。

时间：

1992年第一版；1995第二版；目前第四版。

标准制定背景：

亚洲城市人口密度高，因而对容量要求高、移动速度低、价格低廉。

功能：

语音、数据

PHS的射频标准

频率：

1.9GHz

中国1900MHz～1915MHz

控制信道：

中兴公司为第28号信道

载波间隔：

300KHz

多址方式：

Multi-TDMA

双工方式：

TDD

每信道多址数：

调制方式：

π/４ShiftQPSK

发射功率：

10mW-500mW

声音编码方式：

32kbpsADPCM

PHS手机一些介绍：

V1版：

PS601

V2版：

F10、702、KP05,c66

2.第三层协议

（1）、协议功能

RT：

无线资源管理，起止点PS-CS

MM：

移动性管理，起止点PS-CS-CSC-AN-HLR

CC：

呼叫控制，起止点PS-CS-CSC-AN-LE

（2）、第一、二层协议中几个概念的简要介绍

A、控制信道LCCH、业务信道TCH；（第一层）信道分配方面，自动信道分配、固定信道分配

B、SA通道、FA通道；

240bitSA（2*16bit）FA（160bit）

C、第二层帧种类：

I帧、UI帧、SAMB、UA、RR、DISC；（第二层）ISDN

D、PSNUMBER（13字节）、PSID（28bit）、CSID（42bit）概念

（3）、消息流图

A起呼

B被呼

C登记

D切换（两种：

Recall、TCHSwitch）切换策略-误帧率+场强指示，可以由CS、PS发起

E业务信道建立过程

（4）、业务信道消息

STD28协议第三层消息以字节为基本单位

A业务信道消息由协议鉴别语、呼叫参考、消息类型及一些信息域组成。

*信息域类型分成必选和任选两种，其中必选信息域丢失时应判消息传送失败。

*信息域从长度特征上区分有定长和可变长两种，其中可变长信息域由信息域鉴别语、信息域长度、信息域内容组成，而定长信息域只由信息域鉴别语、信息域内容组成。

*结构

RT、MM：

协议鉴别语+消息鉴别语+信息域

CC：

协议鉴别语+呼叫参考+消息鉴别语+信息域

*消息是在基站和终端之间传送，因而信息域还存在方向特征，包括下行（由基站至张端）、上行（由终端至基站）、双向。

举例：

"EncryingKeySet"消息功能是在无线资源管理进程中支持语音业务时话音加密状态和密钥传递，其协议鉴别语和消息类型分别是"43"和"03"，还包括两个信息域单元"Encryption"和"Encryptionkeyset"。

其中，"Encryption"是一个上行的可选信息域，信息域长度固定，鉴别语是"09"；而"Encryptionkeyset"是一个上行的必选信息域，信息域长度是变长，鉴别语是"0d"。

STD28第三层协议"EncryingKeySet"[43,03,09,06,10,0d,02,69,01]

（5）控制信道的消息

100MS*12=1.2S超帧

A.建链消息（4条）SCCH

linkchestreq、lnkchassigment、lnkchassigmentrej、lnkchestre-req

B、广播消息（4条）BCH

Radiochannelinformation（*）、Systeminf、2ndSysteminf（*）、3rdSysteminf

C、寻呼消息PCH

D、控制信道超帧结构

B（Radio）、P、P、S、P、P、S、P、P、S、P、P、B（2ndsys）、P、P...

3.第二层协议

依托ISDN的Q.921信令更改而成

（1）、区分SA、FA通道，160BIT

（2）、I帧（编号信息帧）UI帧（无编号信息帧）

S帧（SAMB、UA、RR、RNR、DISC等）

（3）、与第三层协议的原语：

DL-establish、DL-release、DL-data、DL-unitdata（Req/Ind）

4.第一层协议

1、帧结构

TDMA/TDD5MS帧长，分成8部分，625us，240bit

（1）控制信道

下行：

BCCHPCHSCCH

BCCHRssPRUWCICSIDICRCGuard

426232442621616

PCHRssPRUWCICSIDICRCGuard

426232442621616

SCCHRssPRUWCICSIDPSIDICRCGuard

42623244228341616

上行：

SCCH

SCCHRssPRUWCICSIDPSIDICRCGuard

42623244228341616

（2）业务信道

下行：

SYNTCH（idle）FACCH

SYNRssPRUWCICSIDPSIDICRCGuard

42623244228341616

TCHRssPRUWCISAICRCGuard

426164161601616

TCHRssPRUWCISAICRCGuard

426164161601616

上行：

SYNTCH（idle）FACCH

同上

（3）扰码--CI域之后

控制信道（扰码是标准值）120位

业务信道（扰码与CSID相关）176位

160bit+CRC

（4）语音加密（针对语音通道160BIT）

2、射频特性

5.PHS基站同步原理

ZXPCS小基站采用时分双工（TDDA）的方式工作，其物理层幀结构如下图所示：

如上图所示，小基站每个幀的周期为10ms，包括8个时隙，其中四个为发射时隙，四个为接收时隙。

四个时隙中又包括一个控制信道时隙和三个业务信道时隙。

控制信道可以占用四个时隙中的任意一个，但一旦占用以后就固定在这个时隙上使用，直到下一次启动再重新分配。

控制信道时隙每20个幀发射一次，在其余19个幀内不发射信号。

也就是说，每个基站在100ms内，其控制信道只发射一次。

在频点的分配上，所有基站的控制信道都使用同一个频点，而业务信道的频点可以在最多77个频点中进行下载，具体频点的数量受当地无线信道频率分配情况限制。

由于所有基站的控制信道频点一致，因此在一个较小的区域内（及基站之间距离较近，能相互接收到信号），要求基站的控制信道在时间上相互错开，以避免基站之间控制信道的相互干扰。

对于业务信道来说，由于其频点可选，因此，要求基站的业务信道在频点上相互错开。

由于控制信道发射时隙可以在每个幀的四个发射时隙中任选，且每20个幀重复一次，因此，对一个基站来说，其可选的控制信道时隙可以有4×20＝80个，假设在一个较小区域内，所有基站都实现了空中幀同步，则该区域内最多可以容纳80个基站，而且这80个基站之间不会相互干扰。

从业务信道的角度考虑，由于手机的信号要远远小于基站的信号，如果基站之间不同步，假设A基站处于接收状态时，B基站处于发射状态，这样B基站就会使A基站业务信道可用频点数减少，或者直接对A基站的业务信道产生干扰，使A基站的通话质量降低，严重时甚至造成掉话，从而降低了系统性能。

因此，为了增加系统话务量，提高信道利用率和通话质量，必须实现基站之间的空中幀同步。

在STD-28协议中，每个空中信道时隙包含240比特数据，在每个时隙的数据中，包含有一个32位的标识字，即UW字，用于表示该时隙是控制信道时隙还是业务信道时隙，是发射时隙还是接收时隙。

因此标识控制信道发射时隙的UW字也在100ms内出现一次，我们可以通过搜索UW字来找出所有基站的控制信道发射时隙。

由于控制信道每100ms发射一次，且所有基站的控制信道发射时隙频点相同，如果我们在时间轴上设一个参考点，在以这个参考点为起点的100ms范围内，在控制信道频点上进行搜索，则可以找出所有可以接收到的UW字，藉此来判断基站控制信道的存在，由于控制信道数据中包含有控制信道时隙在该基站的幀结构中的时隙号，因此，我们可以找到这些基站的幀的起始位置，选取一个信号强度大，同步级别高的基站，我们可以和它实现幀同步。

在ZXPCS基站的同步搜索过程中，由于硬件的限制，不可能开辟一个100ms的接收窗口，因此我们通过移位的方式实现搜索，即基站的幀结构保持不变，我们固定用接收时隙中的一个时隙进行接收，让这个接收时隙逐级移动半个时隙，最终实现对100毫秒范围的搜索。

由于每次接收数据以后进行处理需要时间，因此这个移动搜索过程不可能在100ms的时间内完成，考虑到基站的控制信道时隙是每隔100ms发射一次，因此接收时隙可以每隔100ms移动一次，这样在时间轴上相当于是在100ms内完成了搜索，从而可以保证接收到100ms内所有基站的UW字。

当我们接收到不同基站的UW字后，我们要将它们的控制信道时隙在时间轴上表示出来，因此，我们要对时间轴定标，这里我们引入超幀的概念，即控制信道时隙每20幀发射一次，我们称之为一个超幀，超幀的周期为100ms。

我们将超幀内的20个幀用0～19进行编号。

当基站开始同步搜索时，我们以当时超幀头为零点，为了计算方便，我们用比特数来表示时间轴上某个位置到零点之间的距离，按照这种方法，100ms（一个超幀周期）的位置我们可以表示为38400（240比特×8时隙×20周期）。

在搜索过程中，我们固定地以第一幀的第二接收时隙作为接收窗口，通过右移超幀头来移动接收窗口，如下图所示：

这样，超幀头每次右移半个时隙，相当于接收窗口每次右移半个时隙，而且两次接收之间的间隔为100ms＋半个时隙，保证了每次接收数据处理所需的时间。

每次超幀右移后，我们记录当前超幀头到零点的距离A（A的范围是0～38400，以38400为周期），如果此时在接收窗口中找到了UW字，由于接收窗口到超幀头的距离B固定，因此可以算出该UW字道零点的距离＝A＋B。

从UW字所在的控制信道数据中我们又可以算出该基站的控制信道所在的时隙号，从而推算出其幀结构的起始位置。

我们将所有搜索到的基站的位置存入数组，然后选取一个RSSI值比较大，GPS同步级别比较高的基站，将我们的幀结构和它对齐，就可以实现和该基站幀同步。

根据ZXPCS小基站的硬件结构，基站的同步搜索过程由CPU、FPGA、和DSP相互配合完成，它们的分工如下：

FPGA负责产生超幀结构并实现移位过程，DSP负责取出接收窗口的数据并传给CPU，CPU负责对接收数据进行分析并决定同步策略。

当基站上电时，FPGA产生超幀结构并以超幀头为时间轴上的零点，在移位搜索过程中，所有的移位命令均由CPU发起。

CPU和FPGA中均保存有当前超幀头到零点之间的距离A（模38400）。

当CPU要求FPGA移位时，首先算出移位后超幀头到零点之间的距离C（模38400），然后将C写入FPGA，并将CPU中的A更新为C。

FPGA在每次产生超幀头时，将自己保存的当前距离A和CPU写入的C进行比较，如果C>A，则将超幀头右移C－A比特，同时将保存的当前距离A更新为C。

如果C

如果C=A，则超幀头不作移动。

由上可知，FPGA应该能够支持最大38400比特的移位。

DSP的再用主要是取出接收窗口的数据并传给CPU，它对FPGA的5ms脉冲进行0～19计数以确定当前幀号。

为了使FPGA和DSP中的幀号保持一致，同时也为了避免FPGA在移超幀头产生多余的脉冲使DSP误计数，FPGA在每次产生超幀头时，将DSP中的幀号计数器强制清零，以保持幀号一致。

三、中兴公司的PHS基站

ZXPCS个人通信系统大基站目前采用OEM方式。

到目前为止有京瓷G3以及三洋11B两个品种。

小基站是自己开发，有两个品种：

室内型ZXPCS-CSA以及室外型ZXPCS-CSB。

1.基站指标

日本京瓷第3代G3基站和日本三洋基站主要性能指标如下表1所示。

表1

指标

STD-28

日本京瓷基站

日本三洋基站

发射功率

500mW（MAX）

载波关断泄露功率

80nW

邻信道功率

偏移

600kHz

800nW

偏移

600kHz

800nW

偏移

600kHz

800nW

偏移

900kHz

250nW

偏移

900kHz

250nW

偏移

900kHz

250nW

发射突发暂态响应

13S

发射杂散

带内

250nW

带内

250nW

带内

250nW

带外

2.5W

带外

2.5W

带外

2.5W

占用带宽

288kHz

发射传输精度

5PPm

载波精度

3PPm

调制精度

12.5%

接收灵敏度

16dBV（BER=10-2）

7.0dBV（BER=10-2）

邻信道选择性（dB）

50（偏移600kHz）

接收互调抑制（dB）

杂散响应抑制（dB）

辐射

1GHz

以下

4nW

1GHz

以下

4nW

1GHz

以下

4nW

1GHz

以上

20nW

1GHz

以上

20nW

1GHz

以上

20nW

无线信道组成

1C3T

供电方式

市电

供电电压

AC220V

小基站主要性能指标如表2所示。

指标

STD-28

ZXPCS-CSA

ZXPCS-CSB

发射功率

500mW（MAX）

20mW

载波关断泄露功率

80nW

邻信道功率

偏移

600kHz

800nW

偏移

600kHz

800nW

偏移

600kHz

800nW

偏移900kHz

250nW

偏移900kHz

250nW

偏移900kHz

250nW

发射突发暂态响应

13S

发射杂散

带内

250nW

带内

250nW

带内

250nW

带外

2.5W

带外

2.5W

带外

2.5W

占用带宽

288kHz

发射传输精度

5PPm

载波精度

3PPm

调制精度

12.5%

接收灵敏度

16dBV（BER=10-2）

12dBV（BER=10-2）

邻信道选择性（dB）

50（偏移600kHz）

接收互调抑制（dB）

杂散响应抑制（dB）

辐射

1GHz

以下

4nW

1GHz

以下

4nW

1GHz

以下

4nW

1GHz

以上

20nW

1GHz

以上

20nW

1GHz

以上

20nW

无线信道组成

1C3T

供电方式

远端供电

供电电压

DC-96V

2．基站结构

京瓷和三洋基站结构外型基本相同，请参见实物。

小基站室内型结构如图2所示。

结

图2小基站室内型结构图

构轻小，外型尺寸不大于250×180×35，可采用硬塑料模具件。

小基站室外型结构图，目前正在设计中，大致如下图。

3、大基站工作原理

京瓷基站与三洋基站相比较，京瓷基站除天线采用智能天线技术外，其他方面工作原理基本相同，工作原理框图如图3所示。

京瓷和三洋基站采用TDMA/TDD即物理层采用时分多址/时分双工（TDMA/TDD）信令,TDMA/TDD通过射频双工器使发射和接收共享天线。

为了实现高的接收灵敏度，抗快多径衰落，接收采用空间分集，即四支路最大合成。

对于发射支路，京瓷基站采用智能天线技术，即通过对接收支路信号的分析，来调整发射网络加权因子，自适应分配各个方向上的发射功率（发射波瓣图），进一步提高抗外来干扰能力。

而三洋基站发射支路，采用任选一根天线（通常选定在第一路天线上）上向外发射功率/。

空中接口遵循RCRSTD-28协议。

跟网络侧接口是U接口。

接

口

图3

Slot

5mS

2.5mS

京瓷第3代G3基站的最主要特点是天线采用智能天线技术。

采用自适应天线技术的PHS基站，能够根据接收的特定的移动手机（PS）的方向，自适应的生成接收和发射波束方向图，用以抑制外来的干扰信号，其抑制干扰的效果如图4所示。

右图为以前的未采用自适应天线基站在PS通话时的电波，左图为采用了自适应天线技术的基站、对通話中的PS的方向天线电波指向的生成及对干扰波方向的天线增益的减少。

图4自适应天线波束示意图　

自适应天线的特点是将电相控阵的移相器的作用放到控制部分，因此从构成来讲就形成了拥有接收和发送的回路。

此系统将从PS接收的信号通过各天线回路进行A/D変換後、储存在控制部的记忆装置中。

图5

然后控制部对所记忆的信号进行数据处理检测出PS的位置（各天线信号的相位関係）。

所以对PS的位置及移动就可以高速的进行追踪。

发送信号时通过对所接收信号的相位関係的检索、PS就能以N倍的（N为天线的根数）的发送能力进行发送，如上所述N根天线的自适应天线的接收信号强度高N倍。

如果在通话区域同样的情况下总发送信号强度就可以节省1/N。

4、小基站工作原理

小基站在ZXPCS系统中完成RCRSTD-28VER2.0协议中规定的公用基站功能，主要有以下几个功能：

a）链路接口

b）信令转接

c）调制解调

d）空中接口

e）网络同步

f）操作维护通道

小基站的功能结构框图如图6所示。

防雷

接口板

图6小基站系统基本组成框图

由CSC通过以双绞线传来的信息（2B+D+K），采用内部信令接口方式，在2B中有4路32kbps的ADPCM信号，D通道中有控制信令信息，K为直流馈电，提供小基站的供电。

由CSC侧传来的发送信息，经过接口链路处理、信息组帧，加密和CRC处理,时隙调制、射频发信通道处理，通过天线在其相应的时隙上发射出去，而手机传来的信息，经过天线接收、射频收信通道、基带解调、时隙处理、解密处理、信息组合、链路接口处理，再传到CSC侧。

物理层采用时分多址/时分双工（TDMA/TDD）信令,TDMA/TDD通过射频双工器使发射和接收共享天线。

TDMA信令处理单元包括一些基本功能，例如突发发射形成及突发接收分解，此外还有些附加的功能，例如加密和消音。

由CSC馈送给基站的96VDC通过DC-DC变换器提供的+/-5V，3.3VDC作为基站工作电压。

室内型小基站与室外型小基站主要差别在于，室外型小基站增加了一块防雷接口板。

A、天馈系统

天馈系统包括两根天线和连接收发信机的电缆。

天馈系统的配置有两种应用方式：

室内型和室外型。

室内型在室内小距离的应用（一般在200米内），主要考虑室内墙体和物件的反射作用，以及安装的方便，采用室内型的小天线，天线采用TNC接头直接和基站外壳相连。

天线要求：

天线类型：

室内型全向或定向天线

天线增益：

24dBi

天线阻抗：

50欧

VSWR:

1.21.5

连接器：

TNC接头

室外型在室内外应用，主要考虑室外内建筑物反射及其它干扰作用以及防水和防潮的效果，一般通过天线延伸电缆和基站相连，采用N型50欧接头。

天线要求：

天线类型：

室外全向或定向天线

天线增益：

7-10dBi

天线阻抗：

50欧

VSWR:

1.21.5

连接器：

N型50欧接头

B、射频板主要完成基带调制信号的变频发送和射频信号的变频接收，它由以下几个模块组成：

收发开关模块、发信机模块、收信机模块、本振源模块。

C、基带处理板（CSBB）

基带处理板要完成以下几个主要功能：

a）和CSC的链路接口控制（内部接口2B+D）

b）电源处理

c）RCRSTD-28Layer1控制

d）RCRSTD-28标准TDMA时隙控制器

e）射频控制

f）调制解调

D、CSMC小基站主控板

小基站主控板主要用来控制基站CS，协议转换、存储并确认终端特征数据；对基站远端供电和监控,以及通过ANU与交换局进行双音多频DTMF拨号通讯,并将E1中分离出来的同步时钟信号分配给各CSs。

CSMC板位于基站控制器内（为19英寸6U的标准插箱）。

每一个标准插箱可插入2块PT板、10块CSMC或CSI板，每块CSMC板可带4个基站CS。

a）CPU外设控制功能：

支持呼出、呼入和登记功能，支持在线内部通讯功能。

－LAPB通信功能（内部通信），64KbpsHDSL；

－并行接口，9600bps双工异步通信方式；

－程序存储功能，FLASH存储器；

－供电监测。

b）交换控制功能：

语音和数据通信控制的业务信道交换。

－数字SW；

－PN9信号产生；

－网络时钟同步器；

－系统HW时钟产生，2.048MHz、8kHz；

－帧定时产生功能（网络间断测量）

－ADPCM-PCM转换

－不支持DTMF产生/接收。

c）网络控制功能：

支持网络控制信道通信，回声抑制，应答音检测

－LAPD通信特征，16KbpsHDSL通信方式；

－网络时钟萃取，８kHz萃取;

－回声抑制，4CH60ms30dB（典型）

－应答音检测

－PCMcodec方式，A-律（ITU-TG.711）。

d）远端供电：

CSMC板能够向CS提供有效的电源供给，每个U口能向CS提供负96伏，最多达40mA（包括线路损耗）。

同时能对供电过程中出现的过流告警、限流或切断等措施，并能诊断线路情况。

电源供给和驱动管理器件——DC/DC变换器、PEB2026

－DC/DC变换器将输入的对地－48V变成－96V

－输出到电源驱动器件PEB2026，共有4片PEB2026，

－供电的控制和保护，以及完成各项告警功能。

四、中兴PCS小基站支持的LOGIN命令及功能

1、HELP

代码：

？

说明：

可以在任何LOGIN状态下执行。

提供帮助。

输入参数：

无

输出：

输出小基站所支持的LOGIN命令。

举例：

2、LOGIN

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