GSM公共信道中FCCH的同频分离与捕获

2006年通 信 对 抗· · 移动通信技术在日常个人通信中发挥着越来越重 要的作用,在未来战争中,由于 GSM系统具有通信的灵 活性和保密性,在军事领域中也得到越来越多的重视。 很多国家已明确将移动通信作为其应急备用通信系统, 一旦其军事通信瘫痪,必将启用其民用移动通信系统。 因此,干扰敌方的 GSM系统,必将在现代战争中发挥巨 大的作用。然而,GSM系统采用了FDMA/TDMA以及慢 跳频技术,传统的干扰方式一方面造成了极大的资源浪 费,另一方面干扰效果亦不是最佳。在 GSM系统中,移 动台与基站必须准确同步,才能进行正常通信,而同步 的前提就是捕获频率校正信道(FCCH),FCCH用于移 动台初始的载波捕获与频率校正,为移动台找到并解调 同一蜂窝中的同步信道(SCH)作准备 [1]。因此只对 FCCH所在的时隙进行干扰就能达到中断 GSM通信的 目的,这样就可大大提高干扰效率和节省资源。而干扰 FCCH就需要首先侦察捕获到 FCCH所在的公共信道 的频点及其所在的时隙,因此准确的捕获 FCCH具有重 要的意义。 2 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,给用户传送校正移动台(MS) 频率的信息。FB的所有148比特全部是“ 0”[2]。结构如 图1所示: 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[1]。 SCH被称为同步信道,该信道传送 MS的帧同步 GSM公共信道中FCCH的同频分离与捕获 张 浩,钟子发,王红军 (解放军电子工程学院,安徽合肥 230037) 摘 要:针对 GSM侦察设备升空后,截获和分析 GSM信号时存在的严重的同频干扰问题,首先分 析了 GSM系统公共信道中频率校正信道(FCCH)的结构,然后根据其特点,提出了几种捕获和克服同 频FCCH的方法,并进行了仿真验证。结果表明提出的方法能够有效克服 GSM空中FCCH同频干扰, 并且可以准确地捕获FCCH。 关键词:GSM;频率校正信道;同频干扰;同频分离 SeparationandCaptureofCochannelFCCHinGSM ZHANGHao,ZHONGZi-fa,WANGHong-jun (InstituteofElectronicEngineering,Hefei,Anhui230037,China) Abstract:ThisarticleisproposedforthecaptureofFCCHunderstrongcochannelinterfenceafterthe scout’sworking.Firstly,itanalysesthecharacteristicofFCCHinGSM andproposedsomemethodsofthe captureofFCCH,thensimulatesitbycomputer.Simulationresultsshowthatthesemethodscanconquerthe cochannelinterfenceandcapturetheFCCHaccurately. Keywords:GSM;FCCH;cochannelinterfence;cochannelseparation 1引言 首3比特“ 0” 142比特“ 0” 尾3比特“ 0” 图1 FCCH的结构示意图 COMMUNICATION COUNTERMEASURES 通 信 对 抗第1期 2006年 No.1 2006 · ·第1期 (TDMA帧号)和基站收发信台(BTS)的识别码(BSIC)的 信息。它对应着一个S突发脉冲[1],结构如图2所示: SCH突发脉冲中只含有一种 64比特的训练序列 (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]。 3检测FCCH的几种方法 3.1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。因此,我们可以在其幅度谱中检测单峰,进而捕获 FCCH。 接收端接收到的信号可表示为: S(t)=Acos[!0t+"(t)]+n(t) (1) 其中 n(t)是高斯白噪声,其双边功率谱密度 Sn(f)=N0/2, n(t)可以表示为 n(t)=n1(t)cos!0t+n2(t)sin"1t,本地晶振输出 信号为Vr(t)=2cos#1t。因此,基带信号输出为: I(t)=Acos[△!t+"(t)]+n1(t)cos△!t+n2(t)sin△!t Q(t)=Asin[△!t+"(t)]+n1(t)sin△!t+n2(t)cos△!t 其中,△!=!0-!1。 当发送FB时: S(t)=Acos[$0t+%2Tt]+n(t)=cos & 2T (1+1 4 )t+n(t) (3) 假设我们对接收信号进行二倍采样,则 Ik=I(t)|t=kT2=cos[△! kT 2 +k# 4 ]+n(kT 2 ) Qk=Q(t)|t=kT2=sin[△! kT 2 +k# 4 ]+n(kT 2 ) 对Ik、Qk进行离散傅立叶变换,得到其幅度谱,如式 (5),其中DFT[n(kT 2 )]=N(K)。 X(K)=DFT[Ik]=N(k)+DFT[cosk(△f·T·#+T4 )] Y(K)=DFT[Qk]=N(k)+DFT[sink(△f·T·#+T4 )] 由于 Ik、Qk的幅度谱的单峰,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,每段序列采用 FFT变换,将其 变换到频域,当其频谱中最大峰值与平均值的比(峰值 比)超过规定门限时,即判定此段数据中存在一个单频 信号;我们将其列为候选FCCH,对其进行二次检测。进 行二次检测的目的在于增加检测的准确性,并提供 FCCH的大致位置。二次检测的具体做法是在原输入序 列的基础上左右扩展,分别进行两次FFT变换。经过二 次FFT检测最终判定这一段数据中是否有 FCCH,并初 步得出 FCCH的大致位置。如果没有检测出 FCCH,则 对下一段近似信号进行同样的操作,直至捕获 FCCH。 若整个接收信号中始终没有检测出 FCCH,则判定此频 点不是公共信道频点。 但由于在侦察时,我们主要应用无人机在高空进行 侦察,而升空后截获和分析 GSM信号存在严重的 FCCH同频干扰问题,因此该方法存在缺点,即有一定 的误捕率和漏捕率。针对该缺点,我们又提出了如下优 化方法: 具体做法基本不变,不同点在于优化方法是将采样 信号分段截取后,一次检测后不设门限判定数据段中是 否存在一个单频信号,而是将所有各个数据段的峰值比 (其频谱中最大峰值与平均值的比)相比较,取其中最大 的前N(自己设定)个,二次检测时是将这N个数据段左 右扩展,分别进行两次 FFT变换,得到 2N个数据段的 峰值比,最后将第一次检测的 N个数据段的峰值比和 第二次检测 2N个数据段的峰值比综合比较,得出最大 峰值比,将此峰值比与规定门限相比较,进而判定接收 信号中是否存在 FCCH,并大致确定 FCCH位置。该方 法的原理图如图3所示: 这样,优化方法就大大降低了 FCCH的误捕率和漏 捕率。 3.2 训练序列相关法 由于 FCCH与 SCH都用于 GSM系统下行链路中 的公共信道,并且 FCCH与 SCH的相对位置确定,因此 捕获SCH也就相当于捕获了FCCH。 SCH突发脉冲中只含有一种 64比特的训练序列 (已知),GSM系统规定:训练序列的自相关性比较好。 因此,在码元同步的情况下,我们可以根据相关峰的 位置来捕获 SCH并确定其位置。具体做法是,首先, 首3比特“ 0” 39比特信息 序列 64比特训练 序列 39比特信息 序列 尾3比特“ 0” 图2SCH的结构示意图 图3 FCCH捕获的流程示意图 (2) (4) (5) 张 浩,等:GSM公共信道中FCCH的同频分离与捕获 37 2006年通 信 对 抗· · 我们把已知的SCH训练序列按照GSM信号的调制方式 进行调制,得到我们需要的相关信号S1(t);然后将采样 信号S2(t)直接用窗口函数分段截取并依次输入,每段序列 用相关信号S1(t)进行相关处理,得到最大相关峰;当其超 过规定门限时,即判定此频率为公共信道的频点,并且最 大相关峰的位置即为SCH训练序列的位置。 该方法可以在低信噪比的情况下检测信号,并且可以 相对有效地克服小区间同频干扰问题,但此方法必须在 A/D采样速率较高的情况下实施,进而来建立码元同步。 3.3 相关频谱法 由于FCCH是一个纯正弦波,在存在小区间同频干 扰时,该正弦波就会被其它小区的同频干扰信号和移动 信道中的噪声淹没。由于周期信号的自相关函数也是周 期的,且和原信号同周期,因此用含有噪声的正弦周期 信号进行自相关,可大大提高其信噪比(正弦波为周期 信号,同频干扰信号为非周期信号)[4],如图4所示。然 后,对相关后的数据进行 FFT变换,计算频偏与原信号 相同,处理流程与直接频谱分析法的优化方法相同。具 体区别仅在于将分段序列作 FFT之前,首先进行自相 关处理,再将处理过的数据进行 FFT变换,然后计算各 段频谱中最大峰值与平均值的比(峰值比)。 该方法能够在算法处理较为简单的情况下,提高检 测概率;与直接频谱法相比,无需额外参数。但此方法处 理数据量较大,影响实时性。 4 计算机仿真与性能分析 存在同频干扰情况下,图5和图6是信噪比分别为 -5dB与-10dB时直接频谱分析法(上图)与相关频谱法 (下图)的比较。 通过图5和图6可以看出,在存在同频干扰的情况 下,FCCH经过信道后,相关频谱法处理得到的频谱峰 值更加清晰。因此,相关频谱法能够在低信噪比情况下 有效克服同频干扰问题,进而更加准确地捕获 FCCH, 大大降低了误捕率和漏捕率。 存在同频干扰情况下,训练序列相关法相关效果如 图7所示: 通过图 7可以看出,信噪比在 -5dB情况下,训练 序列相关出的相关峰比较明显,这表明训练序列相关法 可以有效克服同频干扰问题,并且可以正常捕获 SCH; 而信噪比在 -10dB时,训练序列相关出的相关峰就不 是很明显。而无人机侦察设备升空后,由于空中的信道 环境一般情况下要比地面好,因此训练序列相关法具有 一定的实效性。 5 结论 干扰敌方的GSM系统,已成为现代战争重要的组成 部分之一,而干扰FCCH信道可大大提高干扰效率和节 省资源。本文提出的直接频谱分析法及其优化方法、训练 序列相关法和相关频谱法这几种方法能够在低信噪比情 况下有效地克服FCCH同频干扰问题,并且可以准确地 捕获FCCH,为引导干扰FCCH提供了重要信息。 参考文献: [1] 孙孺石,丁怀元,穆万里,等.GSM数字移动通信工程 [M].北京:人民邮电出版社,1996. [2] GSMProtocols(Phase2+)[Z].ETSI,1996. [3] 杨清爽.GSM系统的主要技术参数及网络构成[J].现代 通信,1996(6):12-13. [4] 纪铁军,任丽军,赵爱明.不用同步信号的相干平均弱信 号检测[J].哈尔滨理工大学学报,2002,7(3):35-37. 作者简介: 张 浩(1981-),男,硕士研究生。研究方向:通信对抗侦察 测向。 钟子发(1957-),男,教授,博士生导师。研究方向:通信与 信息处理、智能信息处理。 王红军(1968-),男,讲师。研究方向:感知无线电和移动 通信。 图4 含有正弦信号的数据自相关(上)与不含 正弦信号的数据自相关(下)结果比较 图6信噪比为-10dB时 FCCH的频谱 图5信噪比为-5dB时 FCCH的频谱 (b)信噪比为-10dB(a)信噪比为-5dB 图7训练序列相关效果 38