1、第2 章GSM移动通信系统1 1第 2 章GSM移动通信系统2.1 概述概述2.2 GSM系统结构系统结构 2.3 GSM系统的主要规格参数系统的主要规格参数2.4 GSM位置区划分及编号方式位置区划分及编号方式 2.5 GSM逻辑信道和帧结构逻辑信道和帧结构2.6 GSM的主要技术的主要技术2.7 GSM系统网络规划系统网络规划 2.8 GPRS通用分组无线业务通用分组无线业务 第2 章GSM移动通信系统2 2 2.1 概概 述述2.1.1 GSM的发展历史的发展历史 欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standardization Institute
2、，ETSI)的前身欧洲邮政电信管理会议(Conference of European Posts and Telecommunications，CEPT)成立了移动特别行动小组(Groupe Spcial Mobile，GSM)，该小组得到了对有关泛欧数字移动通信系统的诸多建议进行改进的授权。第2 章GSM移动通信系统3 31986年，该小组在巴黎对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。1987年5月，GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE-LTP语音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成了一致意见。同年，欧洲17个国
3、家的运营者和管理者签署了谅解备忘录(MOU)，相互达成履行规范的协议。与此同时，还成立了MOU组织，致力于GSM标准的发展。第2 章GSM移动通信系统4 41990年，MOU组织完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议经分组而成为一套12系列。1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MOU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications)”。从此，移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。第2 章GSM移动通信系统5 5同年，移动特别小组还完成了制定1800 MHz频段的公共欧
4、洲电信业务的规范，命名为DCS1800系统。该系统与GSM900具有同样的基本功能，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCS1800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，它们均可统称为GSM系统。第2 章GSM移动通信系统6 61992年，大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。到1994年5月，已有50个GSM网在世界上运营；到10月，总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50%。1993年欧洲第一个DCS1800系统投入运营。GSM用户遍及欧洲、亚洲、非洲、美洲、大洋洲等130多个国家和地区。可以说，GSM是目前世界上使用最广、
5、用户数最多、发展最成功的无线系统标准。第2 章GSM移动通信系统7 72.1.2 GSM的特点的特点相对于第一代模拟移动通信系统，GSM系统具有以下特点：(1)频谱效率高。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有更高的频谱效率。第2 章GSM移动通信系统8 8(2)容量大。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用载干比要求降低至9 dB，故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9，甚至更小(模拟系统为7/21)；加上半速率语音编码的引入和自动话务分配以减少了越区切换的次数，使GSM系统的容量效率(每小区的信道数/MHz)比TACS系统高3倍5倍。第2 章GSM
6、移动通信系统9 9(3)语音质量高。GSM规范中有关空中接口和语音编码的定义以及数字传输技术的特点，在门限值以上时，语音质量总能达到标准水平而与无线传输质量无关。(4)提供开放的接口。GSM标准所提供的开放性接口不仅限于空中接口，而且包括网络之间以及网络中各设备实体之间，例如A接口和Abis接口。第2 章GSM移动通信系统1010(5)安全性高。通过鉴权、加密和TMSI号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利，加密用于空中接口，由SIM卡和网络AUC合作完成。TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置或通话内容。第2 章GSM移动通信系统111
7、1(6)可与现有通信网络互连，如ISDN、PSTN等。与其他网络的互连通常利用现有的接口，如ISUP或TUP等。(7)具有漫游功能。漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。GSM系统可提供全球漫游，当然也需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。第2 章GSM移动通信系统12122.2 GSM系统结构系统结构2.2.1 GSM系统的总体结构系统的总体结构GSM系统的总体结构如图2-2-1所示。由图可见，GSM系统由移动台(MS)、基站子系统(BSS)、网络子系统(NSS)和运营支持子系统(OSS)组成。MS是用户直接使用的设备，也称为用户设备。MS包括存储用户个人
8、信息的SIM卡和实现移动通信的物理设备两部分。第2 章GSM移动通信系统1313SIM卡存储用户特有的个人信息，包括实现鉴权和加密的信息、享有的业务类型等。物理设备是实现通信功能的设备，这部分设备对所有用户都是相同的，可以是手持机、车载机等。没有SIM卡，GSM移动设备本身不能参与网络工作。第2 章GSM移动通信系统1414BSS负责管理MS与MSC之间的无线传输通信。BSS包括基站控制器(BSC)和基站收发信机(BTS)两部分。每个BSS包括多个BSC，BSC经过一个专用线路或微波链路连接到MSC上。一般情况下，一个BSC可以控制多个BTS。BSC与BTS之间的接口叫做Abis接口，BSC与
9、MSC之间的接口叫做A接口。第2 章GSM移动通信系统1515按标准规定，Abis接口是标准化接口，但实际上不同制造商设备的Abis接口略有不同，所以一般情况下，GSM系统运营商只能采用同一个制造商提供的BTS和BSC设备。A接口也是规定的标准化接口，这个接口采用7号信令协议(SS7)，A接口允许业务提供商使用不同制造厂家提供的基站和交换设备。第2 章GSM移动通信系统1616图2-2-1 GSM系统的总体结构第2 章GSM移动通信系统1717BSC主要完成如下功能：(1)接口管理：支持与MSC间的A接口、与BTS间的Abis接口及与OMC间的X.25接口。(2)BTS与BSC之间的地面信道管
10、理：BSC对BTS之间的无线信令链路、操作维护链路进行监测、对无线业务信道进行分配管理。第2 章GSM移动通信系统1818(3)无线参数及无线资源管理：无线参数包括BTS载频频率、空中接口是否应用了非连续接收/发射、移动台接入网最小电平设置、逻辑信道与物理信道的映射关系等。无线资源管理(RRM)包括小区内信道配置、专用信道与业务信道的分配管理、切换资源管理等。第2 章GSM移动通信系统1919(4)无线链路测量与话务量统计：根据移动台和BTS送上的无线链路测量报告，决定是否需调整BTS和移动台功率，或决定是否需要切换。通过对业务信道的阻塞率、呼叫成功率、越区切换频度等作出统计，为系统扩容和小区
11、分裂等提供依据。第2 章GSM移动通信系统2020(5)控制小区切换：根据小区功率电平，语音质量及干扰情况，选择切换的目的对象，对于同一BSC控制的小区间切换，由BSC完全控制，而不同BSC控制的小区间切换则由MSC控制完成。第2 章GSM移动通信系统2121(6)支持呼叫控制：通过移动交换中心实现话路连接，还可提供主、被叫排队机制。(7)操作与维护：收集BSC及BTS告警，并传至OMC，同时更新自身内部资源表；配合OMC实现对BSS的软件升级。第2 章GSM移动通信系统2222BTS是服务于某蜂窝小区的无线收发信设备，实现BTS与MS空中接口的功能。BTS主要分为基带单元、载频单元和控制单元
12、三部分。基带单元主要用于语音和数据速率适配以及信道编码等；载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机间的耦合；控制单元则用于BTS的操作与维护。第2 章GSM移动通信系统2323NSS完成系统的交换功能以及与其他通信网络(如PSTN)之间的通信连接。MSC是NSS的中心单元，控制着所有BSC之间的业务。NSS主要由移动交换中心(MSC)、访问用户位置寄存器(VLR)、归属用户位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)、移动设备识别寄存器(EIR)等几部分构成。第2 章GSM移动通信系统2424MSC是整个GSM网络的核心，完成或参与NSS的全部功能，协调与控制整个GSM网络中BSS、OSS的各个
13、功能实体。MSC提供各种接口，如与BSC的接口，与内部各功能实体的接口，与PSTN、ISDN、PSPDN、PLMN等其他通信网络的接口，并实现各种相应的管理功能。MSC还支持一系列业务，如电信业务、承载业务和补充业务。除此之外，还支持位置登记、越区切换和自动漫游等其他网络管理功能。第2 章GSM移动通信系统2525VLR是服务于其控制区域内移动用户的一个寄存器，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户的相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。当某用户进入一个VLR控制的特定区域中时，移动用户要在该VLR上登记注册；然后，此VLR会通过相连MSC，将这个用户的必要信息通知该移动用户
14、的归属位置寄存器(HLR)，同时从移动用户的归属位置寄存器(HLR)获取该用户的其他信息；一旦用户离开这个区域，此用户的相关参数将从该VLR中删除。第2 章GSM移动通信系统2626HLR用于存储每一个相同MSC中所有初始登记注册用户的个人信息和位置信息，包括用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据，由它控制整个移动交换区域乃至整个PLMN。其中的位置信息由移动用户当前所在区域的VLR提供，用于为呼叫该用户时提供路由，因此HLR中存储的用户位置信息是经常更新的。第2 章GSM移动通信系统2727AUC存储着移动用户的鉴权信息和加密密钥，是为了防止非授权用户接入系统和防止无线接口中数据被
15、窃。EIR存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查三种表格(白名单、灰名单、黑名单)使得网络具有防止非授权用户设备接入、监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能。第2 章GSM移动通信系统2828OSS是仅提供给负责GSM网络业务设备运营公司的一个子系统，该子系统用来支持GSM网络的运营及维护，这个子系统的主要功能包括三个方面：维护特定区域中所有的通信硬件和网络操作；管理所有收费过程；管理网络中的所有移动设备。第2 章GSM移动通信系统2929OSS支持一个或多个操作维护中心(OMC)，操作维护中心用于管理网络中的所有MS、BTS、BSC和MSC的性能，负责调整所有基站参数和
16、网络计费过程。GSM网络中的每一个任务都有一个特定的OMC负责。OSS与其他GSM子系统内部相连，允许系统工程师对GSM系统的所有方面进行监视、诊断和检修。第2 章GSM移动通信系统30302.2.2 GSM基站子系统结构及原理本小节主要介绍基站子系统的硬件结构和逻辑结构，包括BTS、天馈子系统、BSC三部分。1.BTS图2-2-2显示了BTS的网络结构及其与基站控制器(BSC)的连接关系。第2 章GSM移动通信系统3131图2-2-2 BTS网络结构示意图第2 章GSM移动通信系统32321)BTS的逻辑功能框图BTS包括BTS设备及机柜、远端维护台、环境监控设备等。将Abis标准接口与BS
17、C互连，通过Um接口与MS通信，主要完成Um接口协议和Abis接口协议的处理，从而实现BSC与MS之间的信息转换。一种典型BTS的逻辑功能框图如图2-2-3所示。第2 章GSM移动通信系统3333图2-2-3 典型BTS的逻辑功能框图第2 章GSM移动通信系统3434 图2-2-3中，BTS主要由公共子系统、载频子系统、射频前端子系统和天馈子系统四个功能子系统组成。BTS中有四类总线，分别是数据总线(DBUS)、控制总线(CBUS)、时钟总线(TBUS)和跳频总线(FH_BUS)。BTS与BSC的连接线路采用符合欧洲标准的2.048M的E1接口线缆。下面对BTS的组成部分分别进行介绍。第2 章
18、GSM移动通信系统3535 (1)公共子系统。BTS的公共子系统内配置有定时/传输和管理单元(DTMU)、环境监控板(DEMU)、天线与塔放控制板(DATU)。BTS公共子系统提供基准时钟、电源、传输接口、维护接口和外部告警采集接口。BTS公共子系统主要包括如下功能：E1信号接入和防雷、环境告警采集和监控、基站时钟供给、信号防雷、开关量接入和电调天线控制及塔放馈电。第2 章GSM移动通信系统3636(2)载频子系统。载频子系统分为基带部分和射频部分，主要完成基带信号处理、射频信号的收发处理、功率放大、支持发射分集和接收分集等功能。基带处理部分完成信令处理、信道编译码、交织/解交织、调制与解调等
19、功能。射频发送部分完成两个载波基带信号到射频信号的调制、上变频、滤波、射频跳频、信号放大、合路输出等功能；射频接收部分完成两个载波的射频信号分路、接收分集、射频跳频以及解调等功能。第2 章GSM移动通信系统3737(3)射频前端子系统。射频前端子系统通过CBUS3总线与DTMU通信，完成多载波合路输出、收发信号双工、前端低噪声放大器增益控制、支持在线软件升级等功能。(4)天馈子系统。天馈子系统的主要功能是作为射频信号发射和接收的通道，由天线、馈线、跳线和塔顶放大器等组成。本小节后面将对天馈子系统作详细的介绍。第2 章GSM移动通信系统38382)BTS基站子系统的信号流(1)下行业务信号流如图
20、2-2-4所示。DTMU接收来自BSC的业务数据，完成数据交换和处理，然后把业务数据发送给相应的收发信机DTRU。DTRU完成数字滤波，经过射频电路进一步上变频、滤波放大，最后把信号传送给双工器DDPU。DDPU内的双工器对DTRU的输出信号进行双工滤波，然后把信号通过馈线和塔顶天线发射出去。第2 章GSM移动通信系统3939图2-2-4 下行业务信号流图第2 章GSM移动通信系统4040(2)上行业务信号流如图2-2-5所示。天线接收MS发射的上行信号，经过塔顶放大器TMA对接收信号放大，然后接收信号通过馈线被传送给DDPU。DDPU接收到上行信号，完成双工器接收滤波和低噪声放大后，传送给收
21、发信机DTRU。DTRU接收DDPU送来的上行信号，在DTRU内经过放大和下变频，输出至DTMU。DTMU把信号通过Abis接口传输给基站控制器BSC。第2 章GSM移动通信系统4141图2-2-5 上行业务信号流图第2 章GSM移动通信系统4242 (3)基站的信令处理信号流如图2-2-6所示。Abis接口接收来自BSC信令的数据，并把这些信令数据转发给DTMU。DTMU对信令进行判决和处理，然后把信令传送给DTRU、DDPU。DTRU、DDPU分别把单元状态信息上报给DTMU。DTMU收集所有单元状态信息后，进行分析和处理得出BTS的状态，然后把BTS状态通过Abis接口传送给BSC。第2
22、 章GSM移动通信系统4343图2-2-6 基站的信令处理的信号流图第2 章GSM移动通信系统44443)BTS软件结构BTS软件的结构如图2-2-7所示。图2-2-7 BTS软件的结构示意图第2 章GSM移动通信系统4545(1)信令处理软件。BTS和BSC之间传送的不仅有语音和数据，还有信令。信令处理是BTS业务处理的核心内容，以载波为单位完成BTS的绝大部分业务处理功能。信令处理软件运行于DTRU单板上。第2 章GSM移动通信系统4646(2)基带信号处理软件。基带信号处理软件运行于DTRU上，并与DTRU数字信号处理部分的硬件电路一起实现无线信道上的语音、数据和信令的编码、译码以及接收
23、信号的解调工作。第2 章GSM移动通信系统4747(3)操作维护和传输设备控制软件。操作维护软件运行于DTMU上，这是BTS软件的公共控制部分，也是BTS操作维护功能的核心，BTS的其他各部分软件均有与它的接口。传输设备控制软件作为操作维护软件的一个模块，控制BSC和BTS之间的地面传输链路。第2 章GSM移动通信系统48482.天馈子系统天馈子系统中各部分的连接关系如图2-2-8所示。第2 章GSM移动通信系统4949图2-2-8 天馈子系统连接示意图第2 章GSM移动通信系统50501)天线天线是发射的最后端和接收的最前端。天线是一种转换器，它将馈线中传输的电磁能量转换为在空间传播的电磁波
24、，同时也将在空间传播的电磁波转换为馈线中传输的电磁能量。在移动通信系统中使用的基站天线一般为由基本单元振子组成的天线阵列。第2 章GSM移动通信系统5151 天线的类型、增益、方位角、前后比都会影响系统性能，网络设计者可根据用户量、覆盖范围等进行选择。移动通信基站常用的天线有全向天线、定向天线、特殊天线、多天线系统等。第2 章GSM移动通信系统5252在蜂窝移动通信中，基站天线一般采用的都是垂直放置的线极化天线，因此会产生垂直线极化波。为了改善接收性能和减少基站天线数量，基站天线开始采用双极化天线，这样既能收发水平极化波，又能收发垂直极化波。一般采用45极化方式，其性能优于垂直或水平极化方式。
25、第2 章GSM移动通信系统53532)射频电缆为减少传输损耗，BTS采用低损耗射频电缆，主馈线电缆有7/8英寸、5/4英寸等多种规格可供选择。天线到馈线、天线到塔放、机柜到避雷器之间采用1/2英寸超柔电缆连接。第2 章GSM移动通信系统54543)防雷保护器防雷保护器主要用来防雷和泄流，装在主馈线与室内超柔馈线之间，其接地线穿过馈线过线窗引出室外，与塔体相连或直接接入地网。第2 章GSM移动通信系统55554)塔顶放大器塔顶放大器简称塔放(TMA)，是一种安装在天线塔顶上的低噪声放大器模块。塔顶放大器的主要功能是将天线接收到的上行信号在经过馈线传输衰耗之前进行放大，这样可以提高基站系统的接收灵
26、敏度，提高系统的上行覆盖范围，保证DDPU(Dual Duplexer Unit for DTRU BTS)天馈系统接口的接收灵敏度，同时可有效降低手机的发射功率，提高通话质量。第2 章GSM移动通信系统5656塔顶放大器为可选件，一般选配三工塔放，紧靠天线安装。三工塔放由三工滤波器、低噪声放大器和馈电三部分组成，如图2-2-9所示。三工塔放同时具备收发双工与塔顶放大器供电的功能。三工滤波器实际上可以看成是图中两个双工滤波器合二为一的器件，从天线来的信号首先经三工滤波器滤除带外干扰，然后由低噪声放大器将接收的弱信号放大，再用低损耗电缆将放大后的信号送到室内单元。第2 章GSM移动通信系统575
27、7图2-2-9 三工塔放原理框图第2 章GSM移动通信系统58583.BSCBSC在基站子系统中所处的位置如图2-2-10所示。第2 章GSM移动通信系统5959图2-2-10 BSC在基站子系统中所处的位置第2 章GSM移动通信系统60601)BSC的传输设备 BSC的传输设备包括三个部分。BIE：基站接口设备(提供Abis接口的信令处理与信道复用功能)；SM：BSC与TC间的子复用设备(将PCM传输线的数量降到最少)，见图2-2-11；TSC：码形变换器与复用器控制器(收集来自传输设备的数据)。第2 章GSM移动通信系统6161图2-2-11 SM所处位置示意图第2 章GSM移动通信系统6
28、2622)BSC传输设备的结构上述BSC传输设备的结构图如图2-2-12所示，由TSU、电源、时钟与告警、数字交换网组成。第2 章GSM移动通信系统6363图2-2-12 BSC传输设备的结构图第2 章GSM移动通信系统6464(1)端口子单元(TSU)，是BSC的基本配置单位，共有三类TSU。Abis TSU：负责Abis接口的信道与信令处理，由TCU(收发信控制单元)、BIU(基站接口单元)与接入级(AS)交换板组成。Ater TSU：提供到TC架的连接，由DTC(数字中继器)、SMB(多路复用器)与接入级(AS)交换板组成。第2 章GSM移动通信系统6565 Common TSU：提供对
29、BSC的操作维护与系统管理功能，由CPR(公共处理器)与接入级(AS)交换板组成。所有模块均为冗余备份。(2)数字交换网(DCN)负责BSC控制单元之间的信息交互，共分为三级交换：AS：接入级交换网，负责将控制单元接入交换网；GS1：第一级组网级交换，连接接入级与二级组网级；GS2：第二级组网级交换，为交换网的核心。第2 章GSM移动通信系统6666(3)传输电路板的控制总线入口(TSCA)。所有BSC与BTS传输模块的配置文件均通过它下载。(4)电源模块(DC/DC)。提供N+1冗余的直流电源模块。(5)时钟与告警模块(BCLA)。提供整个BSC的工作时钟，包括两种时钟板：系统时钟板(SYS
30、 BCLA)，提取并产生时钟；机架时钟板(Rack BCLA)，分配时钟。每一种BSC的配置均以一个Common TSU和几个Abis TSU及 Ater TSU由DCN连接组成，结构如图2-2-13所示。第2 章GSM移动通信系统6767图2-2-13 BSC的配置结构图第2 章GSM移动通信系统68684.基站子系统的组网 基站子系统BSS组网指的是BTS与BSC的网络连接关系。由于一个BSC可以控制多个BTS，它们之间的连接方式也就有不同的形式。一般的BSS都内置多种传输方式，有E1、STM-1等多种传输方式，也有外置的卫星传输方式及微波传输方式等，从而提供灵活的组网方式。BSS组网方式
31、按网络拓扑可以分为如下几种类型：星型组网、链型组网、树型组网和环型组网。第2 章GSM移动通信系统6969(1)星型组网星型组网适用于一般的应用场合，在城市人口稠密的地区，这种组网方式尤为普遍。星型组网方式的优点是组网中每个BTS都由E1线直接和BSC相连，这种组网方式简单，维护、工程施工、扩容等都很方便。由于信号经过的环节少，因此线路的可靠性较高。缺点是星型组网方式对传输线的需要量比其他组网方式大。星型组网示意图如图2-2-14所示。第2 章GSM移动通信系统7070图2-2-14 星型组网示意图第2 章GSM移动通信系统7171(2)链型组网链型组网示意图如图2-2-15所示。链型组网适用
32、于呈带状分布的业务区域或用户密度较小的特殊地区，如高速公路沿线、铁路沿线等。链型组网方式可以降低传输设备、工程建设和传输链路租用的成本。但链型组网信号经过的环节较多，线路可靠性较差；上级BTS的故障可能会影响下级BTS的正常运行；链型组网对串联的级数有限制，串联的节点数一般要求不超过5级。第2 章GSM移动通信系统7272图2-2-15 链型组网示意图第2 章GSM移动通信系统7373(3)树型组网树型组网方式适用于网络结构、站点及用户密度分布较复杂的情况，比如大面积用户与热点地区或小面积用户交错的地区。树型组网传输线的消耗量小于星型组网。由于信号经过的环节多，树型组网线路可靠性相对较低，工程
33、施工难度较大，维护相对困难；上级BTS的故障可能会影响下级BTS的正常运行；扩容不方便，可能会引起对网络的较大改造；树型组网对串联的级数有限制，一般要求串联不超过5级，即树的深度不要超过5层。树型组网示意图如图2-2-16所示。第2 章GSM移动通信系统7474图2-2-16 树型组网示意图第2 章GSM移动通信系统7575(4)环型组网环型组网方式适用于一般的应用场合。环型网有较强的自愈能力，如果某处的E1损坏，环型网可以自愈成一个链型网，业务不受到任何影响。一般情况下，只要路由允许，都应尽可能组建环型网。环型组网示意图如图2-2-17所示。在实际的工程应用中，往往是以上各种组网方式的综合使
34、用。合理地应用各种组网方式，可以在提供合格的服务质量的同时，节省大量的传输设备投资。第2 章GSM移动通信系统7676图2-2-17 环型组网示意图第2 章GSM移动通信系统77775.BSS的操作维护子系统操作维护子系统通过OMC提供对基站进行远端操作维护的功能，或是通过人机接口(MMI)终端提供对BSS进行本地近端操作维护的功能。两者都需要BSS操作维护程序的支持。操作维护程序是BSS软件的公共控制部分，是BSS操作维护功能的核心，BSS的其他各部分程序均有与它的接口。第2 章GSM移动通信系统78782.3 GSM系统的主要规格参数系统的主要规格参数GSM系统的主要规格参数如表2-2-1
35、所示。第2 章GSM移动通信系统7979第2 章GSM移动通信系统80801.TDMA/FDMA多址接入方式GSM蜂窝系统采用时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和频分双工(FDD)体制。在25 MHz的频段中共有125个射频信道，去掉上下各一个100 kHz的保护带宽，实际可用射频信道是124个。这124个射频信道以绝对无线信道号(ARFCN)标识。一个ARFCN代表一对前向和反向射频信道。第2 章GSM移动通信系统8181对GSM900，前向和反向信道的频率间隔为45 MHz；对DCS1800和PCS1900系统，前向和反向信道的频率间隔为95 MHz，每载频带宽为200 kHz。每
36、载波都在时间上划分成时隙(TS)，一个时隙号码和ARFCN相结合构成前向链路和反向链路中的一个物理信道。一个时隙的时间宽为0.577 ms，8个时隙构成一个TDMA帧，一个TDMA帧长为4.615 ms。GSM系统中，物理信道、时隙、帧之间的关系如图2-3-1所示。第2 章GSM移动通信系统8282图2-3-1 TDMA/FDMA接入方式 第2 章GSM移动通信系统83832.信道频率与绝对射频信道号之间的关系1)GSM900GSM900共有124个可用射频信道，ARFCN为1124。按照国家规定，中国移动通信公司占用890MHz909MHz/935MHz954MHz，中国联合通信公司占用90
37、9MHz915 MHz/954 MHz960 MHz。频率与ARFCN的关系如下：基站收：f1(n)=890.2+(n1)0.2 (MHz)基站发：f2(n)=f1(n)+45(MHz)第2 章GSM移动通信系统8484 2)DCS1800DCS1800共有374个频点，序号(ARFCN)为512885。中国移动通信公司占用1710 MHz1720 MHz/1805 MHz1815 MHz，中国联合通信公司占用1745 MHz1755 MHz/1840 MHz1850 MHz。频率与序号(n)的关系如下：基站收：f1(n)=1710.2+(n512)0.2 (MHz)基站发：f2(n)=f1(
38、n)+95 (MHz)第2 章GSM移动通信系统85853.调制方式GSM采用GMSK作为其调制方式。GMSK是最小频移键控(MSK)的一种派生形式。与MSK的差别在于基带数据序列要通过一个具有高斯冲激响应(时间带宽积T=0.3)的滤波器。这种滤波的带限程度相当高。滤波器的频谱因此相当的窄，但会引入比较严重的码间干扰(ISI)。另一方面，由无线信道时延色散所引起的码间干扰通常更为严重。因而，必须采用某种均衡措施。标准并未就检测方式做出规定。差分检测、相干检测或限幅-鉴频器检测都可以被采用。第2 章GSM移动通信系统8686GSM采用0.3GMSK调制方式。其中，0.3表示高斯脉冲成形滤波器的3
39、dB带宽与比特周期的乘积(即BTb=0.3)，通过使载波频率偏移67.708 kHz来表示二进制中的0和1。GSM信道的速率为270.833 kb/s，正好是RF频率偏移的4倍，这样刚好符合MSK的要求，在最小频移的情况下信号的功率谱随着频率偏离中心频率的衰减最快，可以减少调制信号的占用带宽并提高信道效率，其频谱利用率为1.35b/sHz1。第2 章GSM移动通信系统87874.语音编码GSM系统采用的语音编码方式是13 kb/s的RPE-LTP(规则脉冲激励-长期预测)。目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，同时尽量能够得到与固定电话相同的语音质量。第2 章GSM移动通信系统
40、8888首先将语音分成以20 ms为单位的语音块，再将每个块用8 kHz抽样，得到每块160个样本。每个样本经过A率13比特(率14比特)的量化，又分别加上3个或2个(因为A率和率的量化值不同)“0”，最后每个样本就得到16比特的量化值，所以数字化之后得到128 kb/s的数据流。这个数据流太高没办法在无线信道中传播，所以需通过编码器进行压缩编码。如果使用全速率编码器，每个语音块将被编码成260个比特，最后形成了13 kb/s的编码速率。第2 章GSM移动通信系统89895.信道编码GSM使用的编码方式主要有块卷积码、纠错循环码、奇偶码。块卷积码主要用于纠错，当解调器采用最大似然估计方法时，可
41、以产生十分有效的纠错结果。GSM系统中采用的卷积编码速率为1/2。纠错循环码主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常和块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。奇偶码是一种普遍使用的、最简单的检测误码的方法。第2 章GSM移动通信系统90902.4 GSM位置区划分及编号方式位置区划分及编号方式2.4.1 GSM位置区域的概念位置区域的概念GSM系统属于小区制大容量移动通信网，在它的服务区内设置有很多基站，移动通信网在此服务区内，具有控制、交换功能，以实现位置更新、呼叫接续、越区切换及漫游等功能。在由GSM系统组成的移动通信网络结构中，其相应的区域定义如图2-25所示。第2 章GSM移动通信
42、系统91911.服务区服务区是指移动台可获得服务的区域，即不同通信网的用户无需知道移动台的具体位置即可与之通信的区域。2.公用陆地移动通信网区域(PLMN)PLMN区是指整个陆地移动通信网的地理区域。在该区内具有共同的编号制度和共同的路由计划，它是独立于通信网中其他网络(如ISDN、PSTN网)的一个网络。第2 章GSM移动通信系统92923.MSC区MSC区是指由一个移动业务交换中心所控制的所有小区共覆盖的区域构成的PLMN网的一部分。一个MSC区可由若干位置区构成。4.位置区位置区是指移动台可任意移动而不需要进行位置更新的区域，一个位置区可由若干个小区(或基站区)组成。为了呼叫一个移动台，
43、可在一个位置区内所有基站同时发起呼叫。第2 章GSM移动通信系统93935.基站区基站区是指由同一区域的一个或数个基站收发信台(BTS)包括的所有小区所覆盖的区域。6.扇区扇区是指采用基站识别码或全球扇区识别码进行标识的无线覆盖区域。在使用全向天线结构时，扇区即为基站区。在设计时，一个具体化的蜂房就是一个扇区。图2-4-1所示为区域级别定义图。第2 章GSM移动通信系统9494图2-4-1 GSM区域级别定义图第2 章GSM移动通信系统95952.4.2 GSM编号方式编号方式GSM网络包含无线、有线信道，并与其他网络如PSTN、ISDN、公用数据网或其他PLMN网互相连接。为了将一次呼叫连续
44、传至某个移动用户，则需要调用相应的实体。因此，正确寻址就非常重要，各种号码被用于识别不同的移动用户、移动设备以及不同的网络。各种号码的定义及用途说明如下所述。第2 章GSM移动通信系统96961.国际移动用户识别码(IMSI)IMSI的组成如图2-4-2所示。IMSI的总长不超过15位数字，每位数字仅使用09的数字。图中，MCC代表移动用户所属国家代号，占3位数字，中国的MCC规定为460；MNC代表移动网号码，最多由两位数字组成，用于识别移动用户所归属的移动通信网；MSIN代表移动用户识别码，用以识别某一移动通信网(PLMN)中的移动用户。第2 章GSM移动通信系统9797图2-4-2 国际
45、移动用户识别码(IMSI)的格式第2 章GSM移动通信系统98982.临时移动用户识别码(TMSI)考虑到移动用户识别码的安全性，GSM系统能提供安全保密措施，即空中接口无线传输的识别码采用TMSI代替IMSI，且两者之间可按一定的算法互相转换。访问位置寄存器(VLR)可给来访的移动用户分配一个TMSI(只限于在该访问服务区使用)。总之，IMSI只在起始入网登记时使用，在后续的呼叫中则使用TMSI，以避免IMSI被窃取，防止窃听者检测用户的通信内容，或者非法盗用合法用户的IMSI。TMSI总长不超过4个字节，其格式可由各运营部门决定。第2 章GSM移动通信系统99993.国际移动设备识别码(I
46、MEI)IMEI是区别移动台设备的标志，可用于监控被窃或无效的移动设备。IMEI的格式如图2-4-3所示。图中，TAC代表型号批准码，由欧洲型号标准中心分配；FAC代表装配厂家号码；SNR代表产品序号，用于区别同一个TAC和FAC中的每台移动设备；SP代表备用。第2 章GSM移动通信系统100100图2-4-3 国际移动设备识别码(IMEI)的格式 第2 章GSM移动通信系统1011014.移动台国际ISDN号码(MSISDN)MSISDN为呼叫GSM系统中的某个移动用户所需拨的号码。一个移动台可分配一个或几个MSISDN号码，其组成格式如图2-4-4所示。图中，CC代表国家代号，即移动台注册
47、登记的国家代号，中国为86；NDC代表国内地区码，每个PLMN有一个NDC；SN代表移动用户号码。第2 章GSM移动通信系统102102图2-4-4 移动台国际ISDN的格式第2 章GSM移动通信系统1031035.移动台漫游号码(MSRN)当移动台漫游到一个新的服务区时，VLR会给它分配一个临时性的漫游号码，并通知该移动台的HLR，用于建立通信路由。一旦该移动台离开该服务区，此漫游号码即被收回，并可分配给其他来访的移动台使用。漫游号码的组成格式与移动台国际(或国内)ISDN的号码相同。第2 章GSM移动通信系统1041046.位置区识别码和基站识别色码(1)位置区识别码(LAI)当检测位置更
48、新和信道切换时，要使用位置区识别码(LAI)，LAI的组成格式如图2-4-5所示。图中的MCC和MNC均与IMSI的MCC和MNC相同；位置区码(LAC)用于识别GSM移动通信网中的一个位置区，最多不超过两个字节，采用十六进制编码，由各运营部门自定。在LAI后面加上小区的标志号(CI)还可以组成小区识别码。第2 章GSM移动通信系统105105图2-4-5 位置区识别码格式第2 章GSM移动通信系统1061062)基站识别色码(BSIC)基站识别色码(BSIC)用于移动台识别相同载频的不同基站，特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载频且相邻的基站。BSIC为一个6比特编码，其格式如图2-4
49、-6所示。图中，NCC代表PLMN色码，用来识别相邻的PLMN网；BCC代表BTS色码，用来识别相同载频的不同的基站。第2 章GSM移动通信系统107107图2-4-6 基站识别色码的格式第2 章GSM移动通信系统108108 2.5 GSM逻辑信道和帧结构逻辑信道和帧结构2.5.1 GSM逻辑信道逻辑信道1.业务信道(TCH)全速率传送时，用户数据在一个时隙中传送。而半速率传输时，两个用户的业务数据映射到同一个时隙上，但是采用隔帧传送的方式，因此两个半速率的用户可以共享同一个时隙，只是每隔一帧交替发送。第2 章GSM移动通信系统109109在GSM系统中，TCH数据不会在作为广播信道频点的T
50、DMA帧上传播。此外，TCH复帧(包含26个TDMA帧)在第13和第26帧中会插入慢速辅助控制信道(SACCH)数据或空闲帧(IDLE)。如果第26帧中包含IDLE数据位，则为全速率TCH；如果包含SACCH数据，则为半速率的TCH。TCH复帧结构如图2-5-1所示。第2 章GSM移动通信系统110110图2-5-1 业务信道复帧结构第2 章GSM移动通信系统1111112.控制信道(CCH)控制信道用于传送系统的信令和同步信号。GSM中有三种主要的控制信道：广播信道(Broadcast CHannel，BCH)、公共控制信道(Common Control CHannel，CCCH)和专用控制
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