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1、第四章 GSM和CDMA数字蜂窝移动通信系统,4.1 GSM系统 4.1.1 GSM历史 由于模拟系统有四大缺点： 1. 各系统间没有公共接口； 2. 很难开展数据承载业务； 3. 频谱利用率低无法适应大容量的需求； 4. 安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。,1982年北欧国家为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，向CEPT（欧洲邮电行政大会）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组Group SpecialMobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。,19
2、87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一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见 1991年在欧洲开通了第一个系统，将GSM更名为“全球移动通信系统”（Globa1 system for Mobile communications）,移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCSI800系统。 1993年我国开通了第一个数字蜂窝移动通信网。,4.1.2 GSM系统组成 MS：移动台; BSS: 基站子系统 NSS: 网络子系统,4.1.3 GSM系统结构,4.1.4 系统接口,4.1.5 我国
3、GSM通信网结构 采用独立网号方式来组网的。 “中国电信” GSM网路接入号为“139”， “中国联通” GSM网路接入号为“130”。 全国GSM移动电话网按大区设立一级汇接中心、省内设立二级汇接中心、移动业务本地网设立端局构成三级网路结构。三级网路结构组成了一个完全独立的数字移动通信网路。,GSM数字移动通信网与PSTN网相重叠。公用电话网有它的国际出口局，而GSM数字移动通信网却无国际出口局，国际间的通信仍然还需借助于公用电话网的国际局。 在“中国联通”GSM移动交换局所在地，联通网和主网(邮电部门的GSM移动通信网和PSTN网)之间各设一个网间接口局，联通网和主网经过网间接口局连通。,
4、省内GSM移动通信网的网路结构 省内设若干个移动业务汇接中心(即二级汇接中心)。二级汇接中心可以是单独设置的汇接中心(即不带客户，只作汇接)，也可兼作移动端局(与基站相连，可带客户)。省内GSM移动通信网中一般设置二三个移动汇接局较为适宜，最多不超过四个，每个移动端局至少应与省内两个二级汇接中心相连。,移动业务本地网的网路结构 全国可划分为若干个移动业务本地网，每个移动业务本地网中应设立一个HLR和一个或若干个移动业务交换中心(MSC)， 还可以几个移动业务本地网共用一个MSC。,信令网路结构 在建网初期，由于国内的No.7信令网不适宜传输MAP（移动应用部分）消息，作为过渡，可先建立移动专用
5、No.7信令网。,4.1.6 GSM的区域、号码、地址与识别 1. 区域定义,服 务 区,PLMN,PLMN,MSC,MSC,位置区,基站,基站,扇区,扇区,PLMN：Public Land Mobile Network 公用陆地移动通信网,2. 号码与识别 (1)国际移动客户识别码(IMSI) GSM移动通信网给移动客户分配一个特定的识别码。存储在客户识别模块(SIM)、HLR、VLR中。,MCC: 移动国家号码，由3位数字组成，我 国为460。 MNC: 移动网号，由2位数字组成， 邮电部门GSM PLMN网为00， “中国联通公司”GSM PLMN网为0l。 MSIN: 移动客户识别码，
6、采用等长11位 数字构成。,(2) 临时移动客户识别码(TMSI) 为了对IMSI保密，MSCVLR可给来访移动客户分配一个唯一的TMSI号码，仅限在本MSC业务区内使用。,(3) 国际移动台设备识别码(IMEI) 唯一地识别一个移动台设备的编码，为一个15位的十进制数数字，其结构是： 6位数字 2位数字 6位数字 l位数字 TAC FAC SNR SP TAC: 型号批准码; FAC: 工厂装配码，表示生产厂家及其 装配地。 SNR: 序号码， SP: 备用，备作将来使用。,(3) 移动台ISDN号码(MSISDN) 主叫客户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动通信网中客户所需拨的号码。号码的结构为：
7、,CC：国家码。我国为86。 NDC：国内目的地码，即网路接入号， 邮电部门GSM网为139，“中国联 通公司”GSM网为130。 SN客户号码，采用等长7位编号计划。 (4) 移动客户漫游号码(MSRN) (与MSISDN结构相同）,(5) 位置区识别码(LAI) 位置区识别码用于移动客户的位置更新， 其号码结构是： 3位数字 2位数字 最大16bit MCC MNC LAC |-LAI-| MCC：移动客户国家码，同IMSI中的前三位数 字。 MNC：移动网号，同IMSI中的MNC。 LAC：位置区号码，为一个2字节BCD编码， 在一个GSM PLMN网中可定义65536个 不同的位置区。
8、,(6) 全球小区识别码(CGI) CGI是用来识别一个位置区内的小区，它是在位置区识别码 (LAI)后加上一个小区识别码(CI)，其结构是： 3位数字 2位数字 最大16bit 最大16bit MCC MNC LAC CI |-LAI-| |-CGI-| CI是一个2字节BCD编码，由各MSC自定,(7) 基站识别码(BSIC) BSIC主要用于识别相邻国家的具有相同载频的相邻基站，为6bit编码，其结构是： 3bit 3bit NCC BCC |-BSIC-| NCC: PLMN色码(国家色码)，为XY1Y2。 X：运营者(邮电X1，联通0) 主要用来区分国界各侧的运营者(国内区别不同的省
9、)，为XY1Y2,BCC: 基站色码，识别基站。由运营设定,4.1.7 GSM系统主要业务,4.2 GSM系统的无线传输方式及其 特征 GSM系统采用TDMA和FDMA两种多址方式。区群内小区数为3、4或7个，每个小区含多个载频，每个载频含有8个时隙。 基站发射功率为每载波500W，每时隙平均为500/8=62.5W。 移动台发射功率分为0.8W、2W、5W、8和20W，供用户选择。,小区半径为最大35km(用于农村)，最小为500m(市区)。 采用多种抗干扰技术如自适应均衡、跳频和纠错码等。 4.2.1 GSM工作频段 (1) 欧洲GSM通信系统在以下的射频频段： 上行: 890915MHz
10、（移动台发、基站收） 下行: 935960MHz（基站发、移动台收） 收发频率间隔为45MHz。,载频间隔：0.2MHz 系统载频数: (915-890)/0.2-1=124(对)； 下频段: fl(n)=(890+0.2n)MHz； 上频段: fh(n)=(935+0.2n)MHz； n=1124. 每个载频有8个时隙，系统共有物理信道 1248=992(个),(2) 我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段： 上行：905915（移动台发、基站收） 下行：950960（基站发、移动台收） 下频段: fl(n)=890.200(n-1) 0.200MHz; 上频段:
11、fh(n)=fl(n)45MHz; n= 76124频道 每个载频有8个时隙，系统共有物理信道 498=392(个),随着业务的发展，可向下扩展，或向1.8GHz频段的DCSI800过渡，即1800MHz频段： 上行：17101785（移动台发、基站收） 下行：18051880（基站发、移动台收） 频道间隔 相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道。每信道占用带宽200kHz8=25kHz,3. 频率复用形式 按信道分配原则，把n个信道分为12组。 复用方式 : (1) 采用定向天线,区群内4个小区每小区3组频率,区群内3个小区每小区3组
12、频率,(2) 采用全向天线，12组选 7，区群内7个小区,我国每小区可用频道数都是在可用频段为10MHz情况下： 邮电部： 使用4MHz，序号为7695 中国联通公司：使用6MHz，序号为95124 。 邮电部建的GSM数字移动通信网如采用412频率复用方式时，每小区可用频道数最大仅有2个(16个信道)，有些只能用到1个(8个信道)。为此，邮电部下属大部分邮电管理局将4MHz带宽向下端扩展2MHz，即占用模拟B网2MHz。,4.2.2 信道类型及其组合 1. 时分多址技术（TDMA） 在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。每一频点（频道或叫载频TRX）上可分成8个时隙，每一时隙
13、为一个信道，因此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用。,FDMA,TDMA,TDMA系统具有如下特性： a.每载频多路; b.突发脉冲序列; c.传输速率高，自适应均衡; d.传输开销大; e.对于新技术是开放的; f.共享设备的成本低; g.移动台较复杂。,（2）TDMA的帧 结构,(3) TDMA信道概念 物理信道: 一个时隙(TS) 信道 控制信道（CCH） 逻辑信道 业务信道 (TCH) 逻辑信道要映射到物理信道上传送。, 业务信道（TCH）：用于传送编码后的 话音或客户数据，和少量的随路控制信令 。 话音业务信道 业务信道 数据业务信道,全速率业务信道(TCH/F)； 半速率业务
14、信道(TCH/H):所用时隙是全速率所用时隙的一半。 控制信道(CCH)：用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能又把控制信道分为广播、公共及专用三种控制信道。 广播信道(BCH)：是“一点对多点”的单向控制信道，用于基站向移动台广播公用的信息。,广播信道又分为：频率校正信道(FCCH)、同步信道(SCH)和广播控制信道(BCCH)。 公用控制信道(CCCH)：是一种双向控制信道，用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。又分为寻呼信道(PCH)、随机接入信道(RACH)和准许接入信道(AGCH); 专用控制信道(DCCH)：实施“点对点”的双向控制信道。用于呼叫接续阶段及通信进行当中，
15、在移动台与基站之间传输必要的控制信息。,又分为独立专用控制信道(SDCCH)、慢速随路控制信道(SACCH)和快速随路控制信道(FACCH)。,（4）时隙格式 TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。共有五种类型。 常规(普通)突发脉冲(NB, Nornal Burst)序列：用于传输业务信道TCH和专用控制信道(DCCH)的信息。 频率校正突发(FB, Frequency Correction Burst)脉冲序列 :用于校正移动台的载波频率,同步突发(SB, Synchronisation Burst)脉冲序列:：用于移动台的时间同步。 接入突发(AB, Access Burs
16、t)脉冲序列：。用于上行传输方向，在随机接入信道(RACH)上传送，用于移动用户向基站提出入网申请。 空闲突发脉冲序列（DB）：此突发脉冲序列在某些情况下由BTS发出，不携带任何信息。它的格式与普通突发脉冲序列相同，其中加密比特改为具有一定比恃模型的混合比特。,（5）信道的组合方式 (逻辑信道到物理信 道的映射 ) 业务信道的组合 C0C1Cn-1 表示每个基站的n个载频; C0为主载频。 TS0TS1TS7表示每个载频的8个时隙 业务信道的复帧(26帧)与物理信道 (一个时隙)的映射关系:, 控制信道的组合方式 控制信道复帧(51帧）,F(FCCH):频率校正信道;S(SCH):同步信道；
17、B(BCCH):广播控制信道；I(IDEL):空闲信道。,SDCCH：专用控制信道； SACCH：慢速随路控制信道。,公用控制信道和专用道的综合复用,4.2.3 语音和信道编码 数字化话音信号在无线传输时主要面临三个问题： 选择低速率的编码方式，以适 应有限带宽的要求； 选择有效的方法减少误码率，即信道编码问题； 选用有效的调制方法，减小杂波辐射，降低干扰。,GSM话音和信道编码组成框图,交织编码 在陆地移动通信这种变参信道上，比特差错经常是成串发生的。 信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。 希望能找到把一条消息中的相继比特 分散开的方法，再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复
18、原消息，这种方法就是交织技术。,4.2.4 跳频和间断传输技术 跳频 采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性。 跳频技术是靠躲避干扰获得抗干扰能力。 Bw：跳变频率范围； Bc：最小跳变的频率间隔。,采用每帧改变频率的方法,2. 间断传输 4.3 GSM系统的控制与管理 1. 位置登记,2. 鉴权与加密 鉴权的是为了确认移动台的合法性。作用是保护网路，防止非法盗用。同时通过拒绝假冒合法客户的“ 入侵” 而保护GSM移动网路的客户。,2. 加密 GSM系统中的加密是指无线路径上的加密，是指BTS和MS之间交换客户信息和客户参数时不被非法个人或团体所得或监听。,3. 设备识别 系统识别的目的
19、是确保系统中使用的设备不是盗用的或非法的。,4. 用户识别码(IMSI)保密,4. 用户识别码(IMSI)保密 表：位置更新时产生新的TMSI,4.2.5 呼叫接续 移动用户主呼,2. 移动台用户被呼 4.2.6 过区切换 当移动台从一个小区或扇区进入另一个小区或扇区是要进行过区切换。 GSM采取移动台辅助切换法 切换有三种情况： 同一BSC控制区内不同小区切换； 同一MSC/VLR业务区不同BSC间的切换； 不同MSC/VLR的区间切换。,4.4 GPRS(通用分组无线业务) GSM网络采用线路交换的方式,主要用于语音通话，因特网上的数据传递则采用分组交换的方式，因而导致网络彼此独立运行的情
20、况。 制定GPRS( General Packet Radio Service 通用分组无线业务)标准的目的：是改变两种网络互相独立的现状，使GSM网轻易地实现与高速数据分组的接入。 GPSR是GSM通向3G的一个重要里程碑 。,4.5 WAP(无线通信协议) 由于因特网上的通信协议不适用于无线传输环境，因此在1997年成立的WAP论坛上，将各通信厂商开发的适用于无线传输的通信协议整合后，形成统一标准的无线通信协议，称为WAP( Wireless Application Protocol )。 WAP协议针对无线传输的信道带宽窄、易受干扰的特点，加入许多特殊的改良和设计，使得移动台与基站系统间适合传输数据信息。,