GSM多功能基站无线语音通信研究

刘　惠，万国金(南昌大学信息工程学院电子信息工程系，南昌330031)



GSM多功能基站无线语音通信研究

刘惠，万国金*
(南昌大学信息工程学院电子信息工程系，南昌330031)

摘要:基于GSM多功能基站的手机终端接入功能，实现其语音通信功能。首先开通基站的语音呼叫业务，然后将原始语音形成语音发送脉冲，最后将手机锁定在基站工作，对语音功能进行测试。根据多功能基站的功能和性能要求，不仅实现其语音通信功能，且使之具有呼叫异常处理能力，功能设计上相对商用基站也作了一些改进。实验证明:锁定在多功能基站工作的手机能收到基站发送的语音信息。

关键词:GSM多功能基站;语音通信功能;语音呼叫业务;语音发送脉冲;呼叫异常处理

多功能基站是基于一种手机信号诱发探测技术的虚拟基站，它能诱发基站附近的手机进行位置更新，切换到多功能基站工作，断开其与公众通信网的链接，进而实现对手机进行一系列管控工作(语音、短信等) ;多功能基站还具有转发功能，它能将终端或商用基站的空中接口信令经过处理后向商用基站或终端进行转发，使手机和外界保持一定的联系，从而实现对手机的有效管控［1－2］。多功能基站可应用于防止考试舞弊、会议安全、灾后搜救工作、警务侦查等领域［3－5］。为了实现或完善这样的多功能基站，本文基于其现有的手机终端接入功能，实现其多功能中的语音通信功能，使得基站能向特定手机终端发送语音信息，并对该功能进行测试。

1　多功能基站系统与语音功能

1.1多功能基站系统功能介绍

多功能基站最终需实现两大模块功能。①接入与控制功能:完成终端的接入功能，同时能够对接入终端实现短信业务以及语音呼叫业务，从而实现对终端系统的有效控制;②转发功能:接收特定手机终端发起的呼叫或短信，并将其转发给商用基站，同样接收商用基站下发的呼叫与短信，将其转发给相应的手机终端。本文主要是实现接入与控制功能模块中的基站对终端语音呼叫功能。

1.2多功能基站系统硬件结构

多功能基站的硬件结构如图1所示，它为实现基站的各种功能提供了相应的硬件基础。它主要由射频部分、基带部分和用户操控平台(PC机) 3个模块组成［1］。射频部分由接收射频和发送射频两个模块组成，接收模块有两个单元，中间设有分路器，890 MHz～915 MHz单元是用来接收MS的上行信号，而935 MHz～960 MHz单元用于接收商用基站的广播信道数据;基带部分由两片AD6521芯片、FPGA和DSP组成，AD6521包含发射、接收、辅助控制和话音4个通道，用于MS和商用基站接收信号的解调和多功能基站发送信号的调制; FPGA实现芯片间的数据缓存和时序控制，DSP为该系统核心部分，完成各种信令和数据的处理，同时接受用户操控平台的命令;用户操控平台可提供人机界面，以便进行系统状态、小区状态以及目标信息数据的存储和系统维护等功能。

图1　多功能基站系统硬件框图

1.3多功能基站语音呼叫功能实现思路

实现接入与控制功能模块中的对终端语音呼叫业务，必须先实现手机终端的接入功能，即实现手机终端在多功能基站进行位置更新。实现原理为:多功能基站首先通过接收并解析当前小区商用基站的系统参数，来配置自己相应的参数。然后向附近区域发送高于商业基站的广播控制信号，此时手机收到多功能基站信号后，误以为进入新的小区，于是在多功能基站进行位置更新［1］。位置更新过程中，基站会获取手机的身份信息IMSI并存储信息，进而实现对手机发送短信、语音等管控工作。本文正是在这一功能基础上来实现语音呼叫功能。

实现语音呼叫功能，首先需开通基站的语音业务，即实现基站和手机进行语音通信前的信令交互，形成语音通信链路;此外，对链路形成过程中可能出现的异常给出相应的处理方案。语音链路形成后，即可在相应的信道上发送语音信息。为保证语音通信的有效性和可靠性，原始语音信号还需通过压缩编码、信道编码，最后以脉冲的形式进行发送。

2　多功能基站语音通信功能实现

2.1语音呼叫业务实现

本文通过模拟GSM通信中被叫流程来实现多功能的语音呼叫流程，并针对呼叫过程中可能出现异常情况给出相应的对策。

2.2.1语音呼叫流程设计

为了和公众手机进行通信，多功能基站设计了和商用基站类似的流程阶段:寻呼阶段、接入阶段、鉴权和加密阶段、TCH指配阶段、通信建立阶段和通信释放阶段，它是通过各种逻辑信道协作完成的，其中包括: PCH、RACH、AGCH、SDCCH、SACCH/D、FACCH、SACCH/T和TCH［6－7］。鉴于多功能基站和商用基站应用目的上的差异，因此需根据多功能基站的功能和性能要求，对其中一些呼叫流程进行改进。例如:多功能基站对用户入网没有费用要求，因此并不需要对用户进行鉴权。改进的多功能基站具体呼叫流程设计如下:

(1)寻呼阶段:首先PCH信道接收PC控制端发出的语音业务命令以及用户IMSI，然后根据用户IMSI在相应的PCH子信道上对用户进行寻呼。为了防止对用户长期寻呼无果，无法释放PCH子信道，设定寻呼消息计数器，当其到达上限时，自动释放PCH子信道和清除PC的寻呼指令。

(2)接入阶段: MS收到寻呼消息后，在RACH上向BS发送接入请求，而BS在AGCH上对MS的呼叫业务判定以及分配相应SDCCH信道，MS将在分配的SDCCH上将请求的业务类型回复给BS，这一阶段多功能基站自动激活SACCH/D传输系统消息以及测量报告辅助SDCCH工作。

(3)鉴权加密阶段:多功能基站会传递MS相应的鉴权数据，但对MS上传的鉴权响应值不进行判定，默认鉴权成功。加密阶段，为了降低系统复杂度，要求用户采用A5/0透明传输模式［1］。

(4) TCH指配阶段:根据TCH资源情况给MS分配TCH信道号，MS随即在和指配的TCH相关的FACCH上建立通信链，FACCH信道上将进行TCH信道指配，SACCH/T自动激活发送系统消息。指配成功后，释放SDCCH，并完全在FACCH上进行信令交互。此时，MS会有振铃提示，当MS接机后，系统进入通话阶段。

(5)通话建立及释放阶段:通话建立阶段在分配的TCH上进行，这一阶段主要是将语音形成脉冲进行发送，同时基站不断接收和解析SACCH/T上手机上传的测量报告。当MS挂机后，基站执行链路释放流程，并重新激活FACCH，完成对TCH和SACCH/T的释放。

2.2.2呼叫异常处理

针对上述呼叫流程，可能会出现几种异常情况:无空闲TCH分配、TCH切换失败、MS无应答、因信道环境恶化通话中断。为了确保多功能基站语音业务的性能，下面对这几种异常情况进行分析并给出了相应的对策。

(1)无空闲TCH分配:这是在TCH指配阶段发生的，此时多功能基站找不到空闲的TCH分配给MS，需在SDCCH上向其发送相应的信道释放命令，然后MS执行相应释放流程。

(2) TCH切换失败:同样是发生在TCH指配阶段，不过是FACCH建链未成功，MS将发送指配失败给多功能基站，此时重新激活SDCCH信道，释放分配的TCH，然后执行正常的释放流程，重新发起寻呼，防止重呼多次失败，并设定重呼次数上限。

(3) MS无应答:这主要发生在MS响铃后无人应答的情况下，当响铃超时，多功能基站将会主动释放链接。

(4)因信道环境恶化通话中断:传输语音期间不会设置顺序控制和重发机制，因此需通过一个计数器来判断通话是否中断。当每接收并解析到一个正确的SACCH/T，计数器加1，反之减1。计数器为零时，多功能基站会启动TCH信道链路层释放程序。

2.2语音发送脉冲的形成

形成发送脉冲前，需对语音进行信源、信道编码。由于多功能基站不需要考虑信道容量的问题，为了和公众手机进行通信以及保证较高的语音质量，本文的语音通信方案采用GSM全速率语音通信。GSM全速率语音编码采用RPE-LTP编码［8－9］，它属于混合编码算法，结合了波形编码的高质量和参量编码的低速率等优点，保证了移动通信的有效性;相应的信道编码采用的是TCH全速率语音信道编码方案［10］，它在充分考虑移动通信信道误码特征的基础上，通过将分组码、卷积码、重排和交织等差错控制技术进行有机结合，从而达到有效地改善信道误码率，提高移动通信可靠性的目的。

GSM使用的是TDMA/FDMA的多址接入方式，每个载频从时间上划分若干个4.615 ms等间隔的帧，每帧又划分成8个时隙，每个时隙576.9 μs并传输156.25 bit，时隙的信息格式就叫突发脉冲，不同的发送信息采用不同的脉冲形式［6］。其中语音发送脉冲为普通突发脉冲(NB)。本文也采用此种脉冲发送语音。

2.2.1语音编码

RPE-LTP的编码速率为13 kbit/s，其编码过程主要是语音参数的提取、量化和脉冲序列编码。编码输入数据是8 kHz的采样率、13 bit量化编码语音信号，每160个样点为一帧，最后编码得到260 bit。主要分为以下5个模块实现:

(1)预处理:它分两个部分完成:偏移补偿和预加重，降低噪声影响;

(2) LPC分析:计算8个反射系数对数面积比LAR，并分别量化编码为6 bit、6 bit、5 bit、5 bit、4 bit、4 bit、3 bit、3 bit、;

(3)短时滤波阶段:将LPC分析得到的对数面积比译码和插值得到反射系数，然后构成短时滤波器对信号短时滤波，得到160个残差信号;

(4)长时预测分析:将残差信号平均分为4个子帧，分别进行长时预测。长时预测分析部分有两个部分:长时预测和长时分析。长时预测部分是计算子帧长时相关延迟N和增益因子b，并分别量化编码为7、2 bit。长时分析部分是计算长时残差信号，便于RPE编码;

(5) RPE编码:首先对子帧长时残差信号进行加权滤波，进行3: 1的抽样，计算其中最佳抽样坐标M并量化为2 bit。然后计算最佳抽样得到的13个RPE序列的最大值并将其归一化，最后将最大值和归一化序列量化为6 bit和13个3 bit。

最后将量化编码的语音参数以及脉冲序列按一定的顺序排列形成语音编码数据260 bit。接收端可利用这些参数和脉冲序列进行语音合成。图2为RPE-LTP编码前后语音波形。无论是图2中的语音编码前后波形图还是我们日常生活中的通话体验，都说明了该算法编码具有较高的语音质量。

图2　RPE-LTP编码前后语音波形图

2.2.2信道编码

TCH全速率语音信道编码根据语音编码比特重要性的优先级，进行分级处理。首先将获得260 bit语音编码数据分为两级:第1级182 bit，第2级78 bit。第1级的182 bit中前比较重要50 bit先进行截断循环码编码得到53 bit，再和后132 bit以及4个全零尾比特进行(2，1，4)卷积编码得到378 bit，再在数据尾部加上第2级的78 bit得到最终的456 bit(8行57列)。最后将其前4行和前一帧后4行的每一行进行交织重排，从而得到22.8 kbit/s的数据流，当前帧的后4行数据待下一帧使用。图3为第一帧信道编码前后比特流，其前一帧数据默认为0。

图3　信道编码前后比特流

2.2.3突发脉冲形成

NB结构图如图4所示，它是由2个3 bit的拖尾比特(TB)、2个57 bit的信息比特、2个1 bit的标志比特、26 bit的训练序列以及8.25 bit的保护比特(GP)组成。TB称为功率上升和拖尾时间，它允许载波功率在3 bit时间内上升和下降到规定的数值。信息比特是信道编码得到8×57 bit中的2×57 bit组成。标志比特是用来标志是业务信息还是控制信息，这里置为0。训练序列有8种，可分别用于区别邻近的同频小区，具体用哪种由多功能基站中的信令决定。

图4　NB组成结构

3　语音通信测试方法及结果

测试方法:首先设置好多功能基站的相应参数，诱导手机在多功能基站进行位置更新，完成手机的接入工作，并获取手机的IMSI;然后启动多功能基站的语音呼叫业务，利用获取的手机IMSI对该手机进行呼叫并发送语音。测试语音是由wav音频文件提供，通话期间系统自动读取该文件并将其发送。为了很好地跟踪手机与基站的通信进度和状况，测试过程中将手机和多功能基站信令交互流程进行打印并观察。

测试结果:图5为语音通信链路建立信令流程，从图5可以看到，TCH信道指配成功(ASSIGNMENT COMPLETE)后，释放SDCCH，并到FACCH FULL进行信令交互，此时MS有响铃提示(ALERTING)，当MS接机后，完成连接确认(CONNECT ACKNOWLEGDE)，进入通话阶段。图6即为短暂通话的信令流程，从图中可以看到，通话期间，SACCH/T不断地上传MS的测量报告(MEASUREMENT REPORT)，当短暂通话结束后，基站会收到挂机提示(DISCONNECT)，随后回到FACCH FULL上执行相应的链路释放(RELEASE)流程。从信令的测试结果来看，多功能基站成功实现了对手机的呼叫业务。

图5　语音通信链路建立信令流程

图6　短暂通话信令流程

4　结束语

本文主要实现了GSM多功能基站的接入与控制功能模块中语音通信功能，其包括两个方面的工作:①语音业务实现，即建立基站和手机之间的语音通信链路，同时针对建链过程中可能出现的异常情况给出了相应的处理方案;②语音发送脉冲的形成。语音发送前，对语音进行压缩编码、信道编码，最后将语音以普通突发脉冲的形式呈现。文章最后还对此功能进行了测试，测试结果证明:多功能基站能向锁定在其工作的一台手机发送语音信息，使得多功能基站的功能得到进一步完善。

参考文献:

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［10］刘妍妍.基于FPGA的GSM系统信道编码技术研究［D］.长春:长春理工大学，2005.

刘　惠(1991－)，女，汉族，安徽省安庆市人，2012年获南昌大学学士学位，现为南昌大学在读硕士。主要研究方向通信与通信对抗、短波信号处理，aqlhui@ 126.com;

万国金(1955－)，男，汉族，江西南昌人，现为南昌大学教授、硕士研究生导师、电子系副主任。主要研究方向信号处理、通信与通信对抗，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

中图分类号:TN929.5GSM

文献标识码:A

文章编号: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