GSM多功能基站無線語音通信研究

劉　惠，萬國金(南昌大學(xué)信息工程學(xué)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(xué)信息工程學(xué)院電子信息工程系，南昌330031)

摘要:基于GSM多功能基站的手機(jī)終端接入功能，實(shí)現(xiàn)其語音通信功能。首先開通基站的語音呼叫業(yè)務(wù)，然后將原始語音形成語音發(fā)送脈沖，最后將手機(jī)鎖定在基站工作，對(duì)語音功能進(jìn)行測試。根據(jù)多功能基站的功能和性能要求，不僅實(shí)現(xiàn)其語音通信功能，且使之具有呼叫異常處理能力，功能設(shè)計(jì)上相對(duì)商用基站也作了一些改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明:鎖定在多功能基站工作的手機(jī)能收到基站發(fā)送的語音信息。

關(guān)鍵詞:GSM多功能基站;語音通信功能;語音呼叫業(yè)務(wù);語音發(fā)送脈沖;呼叫異常處理

多功能基站是基于一種手機(jī)信號(hào)誘發(fā)探測技術(shù)的虛擬基站，它能誘發(fā)基站附近的手機(jī)進(jìn)行位置更新，切換到多功能基站工作，斷開其與公眾通信網(wǎng)的鏈接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)進(jìn)行一系列管控工作(語音、短信等) ;多功能基站還具有轉(zhuǎn)發(fā)功能，它能將終端或商用基站的空中接口信令經(jīng)過處理后向商用基站或終端進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，使手機(jī)和外界保持一定的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)的有效管控［1－2］。多功能基站可應(yīng)用于防止考試舞弊、會(huì)議安全、災(zāi)后搜救工作、警務(wù)偵查等領(lǐng)域［3－5］。為了實(shí)現(xiàn)或完善這樣的多功能基站，本文基于其現(xiàn)有的手機(jī)終端接入功能，實(shí)現(xiàn)其多功能中的語音通信功能，使得基站能向特定手機(jī)終端發(fā)送語音信息，并對(duì)該功能進(jìn)行測試。

1　多功能基站系統(tǒng)與語音功能

1.1多功能基站系統(tǒng)功能介紹

多功能基站最終需實(shí)現(xiàn)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(shí)能夠?qū)尤虢K端實(shí)現(xiàn)短信業(yè)務(wù)以及語音呼叫業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端系統(tǒng)的有效控制;②轉(zhuǎn)發(fā)功能:接收特定手機(jī)終端發(fā)起的呼叫或短信，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給商用基站，同樣接收商用基站下發(fā)的呼叫與短信，將其轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的手機(jī)終端。本文主要是實(shí)現(xiàn)接入與控制功能模塊中的基站對(duì)終端語音呼叫功能。

1.2多功能基站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

多功能基站的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，它為實(shí)現(xiàn)基站的各種功能提供了相應(yīng)的硬件基礎(chǔ)。它主要由射頻部分、基帶部分和用戶操控平臺(tái)(PC機(jī)) 3個(gè)模塊組成［1］。射頻部分由接收射頻和發(fā)送射頻兩個(gè)模塊組成，接收模塊有兩個(gè)單元，中間設(shè)有分路器，890 MHz～915 MHz單元是用來接收MS的上行信號(hào)，而935 MHz～960 MHz單元用于接收商用基站的廣播信道數(shù)據(jù);基帶部分由兩片AD6521芯片、FPGA和DSP組成，AD6521包含發(fā)射、接收、輔助控制和話音4個(gè)通道，用于MS和商用基站接收信號(hào)的解調(diào)和多功能基站發(fā)送信號(hào)的調(diào)制; FPGA實(shí)現(xiàn)芯片間的數(shù)據(jù)緩存和時(shí)序控制，DSP為該系統(tǒng)核心部分，完成各種信令和數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)接受用戶操控平臺(tái)的命令;用戶操控平臺(tái)可提供人機(jī)界面，以便進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、小區(qū)狀態(tài)以及目標(biāo)信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和系統(tǒng)維護(hù)等功能。

圖1　多功能基站系統(tǒng)硬件框圖

1.3多功能基站語音呼叫功能實(shí)現(xiàn)思路

實(shí)現(xiàn)接入與控制功能模塊中的對(duì)終端語音呼叫業(yè)務(wù)，必須先實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端的接入功能，即實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端在多功能基站進(jìn)行位置更新。實(shí)現(xiàn)原理為:多功能基站首先通過接收并解析當(dāng)前小區(qū)商用基站的系統(tǒng)參數(shù)，來配置自己相應(yīng)的參數(shù)。然后向附近區(qū)域發(fā)送高于商業(yè)基站的廣播控制信號(hào)，此時(shí)手機(jī)收到多功能基站信號(hào)后，誤以為進(jìn)入新的小區(qū)，于是在多功能基站進(jìn)行位置更新［1］。位置更新過程中，基站會(huì)獲取手機(jī)的身份信息IMSI并存儲(chǔ)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)發(fā)送短信、語音等管控工作。本文正是在這一功能基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)語音呼叫功能。

實(shí)現(xiàn)語音呼叫功能，首先需開通基站的語音業(yè)務(wù)，即實(shí)現(xiàn)基站和手機(jī)進(jìn)行語音通信前的信令交互，形成語音通信鏈路;此外，對(duì)鏈路形成過程中可能出現(xiàn)的異常給出相應(yīng)的處理方案。語音鏈路形成后，即可在相應(yīng)的信道上發(fā)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(hào)還需通過壓縮編碼、信道編碼，最后以脈沖的形式進(jìn)行發(fā)送。

2　多功能基站語音通信功能實(shí)現(xiàn)

2.1語音呼叫業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

本文通過模擬GSM通信中被叫流程來實(shí)現(xiàn)多功能的語音呼叫流程，并針對(duì)呼叫過程中可能出現(xiàn)異常情況給出相應(yīng)的對(duì)策。

2.2.1語音呼叫流程設(shè)計(jì)

為了和公眾手機(jī)進(jìn)行通信，多功能基站設(shè)計(jì)了和商用基站類似的流程階段:尋呼階段、接入階段、鑒權(quán)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(xié)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(yīng)用目的上的差異，因此需根據(jù)多功能基站的功能和性能要求，對(duì)其中一些呼叫流程進(jìn)行改進(jìn)。例如:多功能基站對(duì)用戶入網(wǎng)沒有費(fèi)用要求，因此并不需要對(duì)用戶進(jìn)行鑒權(quán)。改進(jìn)的多功能基站具體呼叫流程設(shè)計(jì)如下:

(1)尋呼階段:首先PCH信道接收PC控制端發(fā)出的語音業(yè)務(wù)命令以及用戶IMSI，然后根據(jù)用戶IMSI在相應(yīng)的PCH子信道上對(duì)用戶進(jìn)行尋呼。為了防止對(duì)用戶長期尋呼無果，無法釋放PCH子信道，設(shè)定尋呼消息計(jì)數(shù)器，當(dāng)其到達(dá)上限時(shí)，自動(dòng)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(fā)送接入請(qǐng)求，而BS在AGCH上對(duì)MS的呼叫業(yè)務(wù)判定以及分配相應(yīng)SDCCH信道，MS將在分配的SDCCH上將請(qǐng)求的業(yè)務(wù)類型回復(fù)給BS，這一階段多功能基站自動(dòng)激活SACCH/D傳輸系統(tǒng)消息以及測量報(bào)告輔助SDCCH工作。

(3)鑒權(quán)加密階段:多功能基站會(huì)傳遞MS相應(yīng)的鑒權(quán)數(shù)據(jù)，但對(duì)MS上傳的鑒權(quán)響應(yīng)值不進(jìn)行判定，默認(rèn)鑒權(quán)成功。加密階段，為了降低系統(tǒng)復(fù)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(jù)TCH資源情況給MS分配TCH信道號(hào)，MS隨即在和指配的TCH相關(guān)的FACCH上建立通信鏈，F(xiàn)ACCH信道上將進(jìn)行TCH信道指配，SACCH/T自動(dòng)激活發(fā)送系統(tǒng)消息。指配成功后，釋放SDCCH，并完全在FACCH上進(jìn)行信令交互。此時(shí)，MS會(huì)有振鈴提示，當(dāng)MS接機(jī)后，系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行，這一階段主要是將語音形成脈沖進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)基站不斷接收和解析SACCH/T上手機(jī)上傳的測量報(bào)告。當(dāng)MS掛機(jī)后，基站執(zhí)行鏈路釋放流程，并重新激活FACCH，完成對(duì)TCH和SACCH/T的釋放。

2.2.2呼叫異常處理

針對(duì)上述呼叫流程，可能會(huì)出現(xiàn)幾種異常情況:無空閑TCH分配、TCH切換失敗、MS無應(yīng)答、因信道環(huán)境惡化通話中斷。為了確保多功能基站語音業(yè)務(wù)的性能，下面對(duì)這幾種異常情況進(jìn)行分析并給出了相應(yīng)的對(duì)策。

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

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

(3) MS無應(yīng)答:這主要發(fā)生在MS響鈴后無人應(yīng)答的情況下，當(dāng)響鈴超時(shí)，多功能基站將會(huì)主動(dòng)釋放鏈接。

(4)因信道環(huán)境惡化通話中斷:傳輸語音期間不會(huì)設(shè)置順序控制和重發(fā)機(jī)制，因此需通過一個(gè)計(jì)數(shù)器來判斷通話是否中斷。當(dāng)每接收并解析到一個(gè)正確的SACCH/T，計(jì)數(shù)器加1，反之減1。計(jì)數(shù)器為零時(shí)，多功能基站會(huì)啟動(dòng)TCH信道鏈路層釋放程序。

2.2語音發(fā)送脈沖的形成

形成發(fā)送脈沖前，需對(duì)語音進(jìn)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(jī)進(jìn)行通信以及保證較高的語音質(zhì)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(jié)合了波形編碼的高質(zhì)量和參量編碼的低速率等優(yōu)點(diǎn)，保證了移動(dòng)通信的有效性;相應(yīng)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(dòng)通信信道誤碼特征的基礎(chǔ)上，通過將分組碼、卷積碼、重排和交織等差錯(cuò)控制技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到有效地改善信道誤碼率，提高移動(dòng)通信可靠性的目的。

GSM使用的是TDMA/FDMA的多址接入方式，每個(gè)載頻從時(shí)間上劃分若干個(gè)4.615 ms等間隔的幀，每幀又劃分成8個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙576.9 μs并傳輸156.25 bit，時(shí)隙的信息格式就叫突發(fā)脈沖，不同的發(fā)送信息采用不同的脈沖形式［6］。其中語音發(fā)送脈沖為普通突發(fā)脈沖(NB)。本文也采用此種脈沖發(fā)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(shù)的提取、量化和脈沖序列編碼。編碼輸入數(shù)據(jù)是8 kHz的采樣率、13 bit量化編碼語音信號(hào)，每160個(gè)樣點(diǎn)為一幀，最后編碼得到260 bit。主要分為以下5個(gè)模塊實(shí)現(xiàn):

(1)預(yù)處理:它分兩個(gè)部分完成:偏移補(bǔ)償和預(yù)加重，降低噪聲影響;

(2) LPC分析:計(jì)算8個(gè)反射系數(shù)對(duì)數(shù)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(shí)濾波階段:將LPC分析得到的對(duì)數(shù)面積比譯碼和插值得到反射系數(shù)，然后構(gòu)成短時(shí)濾波器對(duì)信號(hào)短時(shí)濾波，得到160個(gè)殘差信號(hào);

(4)長時(shí)預(yù)測分析:將殘差信號(hào)平均分為4個(gè)子幀，分別進(jìn)行長時(shí)預(yù)測。長時(shí)預(yù)測分析部分有兩個(gè)部分:長時(shí)預(yù)測和長時(shí)分析。長時(shí)預(yù)測部分是計(jì)算子幀長時(shí)相關(guān)延遲N和增益因子b，并分別量化編碼為7、2 bit。長時(shí)分析部分是計(jì)算長時(shí)殘差信號(hào)，便于RPE編碼;

(5) RPE編碼:首先對(duì)子幀長時(shí)殘差信號(hào)進(jìn)行加權(quán)濾波，進(jìn)行3: 1的抽樣，計(jì)算其中最佳抽樣坐標(biāo)M并量化為2 bit。然后計(jì)算最佳抽樣得到的13個(gè)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(gè)3 bit。

最后將量化編碼的語音參數(shù)以及脈沖序列按一定的順序排列形成語音編碼數(shù)據(jù)260 bit。接收端可利用這些參數(shù)和脈沖序列進(jìn)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?nèi)粘Ｉ钪械耐ㄔ掦w驗(yàn)，都說明了該算法編碼具有較高的語音質(zhì)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(jù)語音編碼比特重要性的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)行分級(jí)處理。首先將獲得260 bit語音編碼數(shù)據(jù)分為兩級(jí):第1級(jí)182 bit，第2級(jí)78 bit。第1級(jí)的182 bit中前比較重要50 bit先進(jìn)行截?cái)嘌h(huán)碼編碼得到53 bit，再和后132 bit以及4個(gè)全零尾比特進(jìn)行(2，1，4)卷積編碼得到378 bit，再在數(shù)據(jù)尾部加上第2級(jí)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(jìn)行交織重排，從而得到22.8 kbit/s的數(shù)據(jù)流，當(dāng)前幀的后4行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)默認(rèn)為0。

圖3　信道編碼前后比特流

2.2.3突發(fā)脈沖形成

NB結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，它是由2個(gè)3 bit的拖尾比特(TB)、2個(gè)57 bit的信息比特、2個(gè)1 bit的標(biāo)志比特、26 bit的訓(xùn)練序列以及8.25 bit的保護(hù)比特(GP)組成。TB稱為功率上升和拖尾時(shí)間，它允許載波功率在3 bit時(shí)間內(nèi)上升和下降到規(guī)定的數(shù)值。信息比特是信道編碼得到8×57 bit中的2×57 bit組成。標(biāo)志比特是用來標(biāo)志是業(yè)務(wù)信息還是控制信息，這里置為0。訓(xùn)練序列有8種，可分別用于區(qū)別鄰近的同頻小區(qū)，具體用哪種由多功能基站中的信令決定。

圖4　NB組成結(jié)構(gòu)

3　語音通信測試方法及結(jié)果

測試方法:首先設(shè)置好多功能基站的相應(yīng)參數(shù)，誘導(dǎo)手機(jī)在多功能基站進(jìn)行位置更新，完成手機(jī)的接入工作，并獲取手機(jī)的IMSI;然后啟動(dòng)多功能基站的語音呼叫業(yè)務(wù)，利用獲取的手機(jī)IMSI對(duì)該手機(jī)進(jìn)行呼叫并發(fā)送語音。測試語音是由wav音頻文件提供，通話期間系統(tǒng)自動(dòng)讀取該文件并將其發(fā)送。為了很好地跟蹤手機(jī)與基站的通信進(jìn)度和狀況，測試過程中將手機(jī)和多功能基站信令交互流程進(jìn)行打印并觀察。

測試結(jié)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(jìn)行信令交互，此時(shí)MS有響鈴提示(ALERTING)，當(dāng)MS接機(jī)后，完成連接確認(rèn)(CONNECT ACKNOWLEGDE)，進(jìn)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(bào)告(MEASUREMENT REPORT)，當(dāng)短暫通話結(jié)束后，基站會(huì)收到掛機(jī)提示(DISCONNECT)，隨后回到FACCH FULL上執(zhí)行相應(yīng)的鏈路釋放(RELEASE)流程。從信令的測試結(jié)果來看，多功能基站成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)手機(jī)的呼叫業(yè)務(wù)。

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(jié)束語

本文主要實(shí)現(xiàn)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(gè)方面的工作:①語音業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，即建立基站和手機(jī)之間的語音通信鏈路，同時(shí)針對(duì)建鏈過程中可能出現(xiàn)的異常情況給出了相應(yīng)的處理方案;②語音發(fā)送脈沖的形成。語音發(fā)送前，對(duì)語音進(jìn)行壓縮編碼、信道編碼，最后將語音以普通突發(fā)脈沖的形式呈現(xiàn)。文章最后還對(duì)此功能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果證明:多功能基站能向鎖定在其工作的一臺(tái)手機(jī)發(fā)送語音信息，使得多功能基站的功能得到進(jìn)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(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為南昌大學(xué)在讀碩士。主要研究方向通信與通信對(duì)抗、短波信號(hào)處理，aqlhui@ 126.com;

萬國金(1955－)，男，漢族，江西南昌人，現(xiàn)為南昌大學(xué)教授、碩士研究生導(dǎo)師、電子系副主任。主要研究方向信號(hào)處理、通信與通信對(duì)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(hào):TN929.5GSM

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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