1.2.2　越切越小的蛋糕块——GSM帧结构

在数字通信系统里面，离散数字信号的最大特点就是通过数字信号0或1来传输信息，在传送这些数据的时候我们不可能一次单单传送一个0或者1，为了资源的有效利用，我们需要把这些数据整合起来传输，数字信息的组合方式有很多种。这里重点介绍一种最常用的结构——数据帧。

所谓数据帧，其实就是一长串的数据流，也就是诸如100010101010101的数字。如果在通信的过程中人的声音不断，那么系统需要传送的数据流也会是源源不断的。对于这些源源不断的数据流，系统会对它们进行分段管理，经过初步分段的数据流就被称为数据帧。在GSM系统里，按照数据流包含的内容多寡（或者数据流的长度）可以划分成很多种数据帧结构，各种数据帧的划分如图1-17所示。

对于上图罗列的这么多种帧结构，大家不需要一一记住它们之间的数量关系，只需要知道GSM一个TDMA帧的时间长度是4.615ms就可以了。

GSM系统要对数据流进行这么复杂的等级划分的首要原因是为了方便数据处理。如果把无线设备看做一辆卡车，那么数据流可以看做一堆要运输的货物。假如这些货物是一堆要运输的橘子，那么这堆橘子是零散地堆在卡车里容易运输，还是先把橘子分箱装起来再运输比较方便？当然是先用箱子把橘子装起来再运输更方便和安全。所以GSM把数据流分段打包成数据包也有同样的效果。

此外，GSM系统通过对数据流进行分段，还有一个很重要的目的，就是提高系统的用户容量。它是怎么做到的呢？

我们知道，模拟通信系统采用的是频分多址接入技术。以美国第一代通信系统——高级移动电话系统（AMPS）为例，它所设置的频点宽度为120kHz/载波，假如某个运营商拥有450～462MHz这个频段的频谱，那么这个运营商将会把这12M的带宽平均划分为100个频点。如果你刚好用的是第一个频点，那么你占用的频谱为450～450.12MHz。当这个基站中有一百个用户同时在线的时候这个运营商提供12MHz带宽，当这个基站下中有一千个用户同时打电话的时候则需要120MHz的带宽了。从当时的情况来看，频分多址接入技术似乎还算过得去，毕竟那时候用户不多，想想大哥大当时的价格就知道了，能用得起的人可谓寥寥无几。

可等到第二代通信系统GSM的时候情况不一样了，一来手机的价格已经被摩托罗拉从黄金价卖到了白菜价，用户数量开始暴涨起来；二来GSM为了更好的通话质量要求，频点带宽从AMPS时的120kHz/载波升到了GSM的200kHz/载波，此时的频谱资源更是由于各家公司和各领域之间的争夺已经变得极为稀缺。例如近年美国的频谱拍卖就创下了新高，3G时代的700MHz频段拍卖价格超过200亿美元，而最新的AWS-3无线频谱更是拍出了449亿美元的高价。GSM如果继续沿用AMPS的多址技术接入，在不考虑频率重复利用的情况下，一个频点的频谱带宽为200kHz，那么100个用户就会占用高达20MHz的频谱资源！这样算下来，一个用户占用的频谱成本已经高得有点离谱了。所以在不降低频点带宽的情况下，运营商节省开支的唯一方法就只有提高频谱的利用率。

要提高频谱的利用效率，前面提到的频率复用技术是其中一个途径，但是单单靠空间上对频率利用率进行提升还不够，我们还需要对GSM系统内部的数据流处理过程进行改进。

首先，我们知道在打电话的过程中并不是每个人都会一直在说话的，而手机在人们沉默的时候是不需要传送数据的。既然这样，那岂不是对信道资源造成浪费了？确实如此。所以为了让信道资源充分被利用，在一条数据流中我们可以不止容纳一个用户，还可以让更多的用户来共享这条数据流。那一条数据流分配给多少个用户使用合适呢？GSM给出的答案是8个。

为了能在一条数据流同时传送8个用户数据，GSM采用的做法是把已经分好段的帧进行再次分割，把时间长度为4.615ms的数据帧平均分成8份，每份长为0.577ms的数据流被用作一个时隙（Time Slot，TS），每个时隙的数据分给一个用户使用。例如系统在建立连接的时候规定了这个数据流上的时隙1（TS1）数据是给用户A使用，那么每隔4.615ms系统就会在时隙1上对用户A发送数据。可能有些人对上面通过时间4.615ms来定义数据帧的说法不大习惯，其实数据帧的本质还是数据流，不过这里为了方便用时间长度来表述而已。如果想用数据长度来表示帧也是可以的，从帧结构来看，每个帧的数据长度为1250bit，每个时隙的数据长度则是156.25bit，所以也可以换种说法：每个数据帧长1250bit，每时隙长为156.25bit。

在大哥大时代，每个用户占用的频点带宽只有120kHz，不过当这个用户打电话的时候，该频率点上传送的数据全都归一个用户所有。而到了GSM时代，在一个频点数据流上的数据不再专属一个人，而是要跟另外七个人共用了。这就好比你跟一大群朋友出去唱歌，本来以为可以尽情歌唱的，但是到了包房一看，大家带的朋友太多了，一个人一首歌没法玩！那没办法，为了照顾到每一个人的感受，只能八个人合唱一首歌了，就是你一句我一句地轮流唱。这样玩尽兴不？肯定不尽兴，但是总算是有机会摸得上麦克风。现在八个人共用一个频点，通话质量好么？肯定比不上一个人用一个频点好，但是总比没频点给你用，要你等上十几分钟要好。

GSM这种把数据流分时段给不同用户使用的方法在通信上被称为时分多址接入技术（TDMA）。至此，除了频分多址接入技术，我们又多了解一种多址接入技术。由于GSM系统本身已经采用了频分多址接入技术（FDMA），所以加上时分多址技术，GSM应该是同时采用TDMA+FDMA两种多址方式的。

不过在这里有一点要澄清的是，虽然GSM的带宽为200kMHz频点被分成了八个时隙分别被八个用户使用，但是并不意味着这八个用户的每个人都分到了25kHz频谱带宽，其实这八个人的频谱带宽还是200kHz，只不过大家错开时间来使用这200kHz的频谱带宽罢了。

表1-1是目前中国移动和中国联通使用GSM的频段范围和频点数量的关系表。

表1-1　中国GSM频段范围和频点数量