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GSM无线基础理论及规划

一、GSM网络结构4

二、无线网络规划9

三GSM无线接口理论13

第一节工作频段的分配13

一、我国GSM网络的工作频段13

二、频道间隔13

三、频道配置13

四、干扰保护比14

第二节时分多址技术（TDMA）14

一、TDMA信道的概念14

二、TDMA帧16

三、突发脉冲序列（Burst）17

四、逻辑信道与物理信道之间的对应关系19

五、信道组合种类21

六、系统消息22

第三节无线路径的损耗和衰落23

一、无线路径的损耗和衰落23

二、分集接收25

第四节移动台和基站的时间调整26

第五节跳频技术26

一、跳频的种类及各自实现的方法27

二、跳频的优点27

三、跳频序列28

第六节语音的传输过程28

一、语音编码28

二、信道编码29

三、交织技术30

四、加密31

五、调制和解调31

四呼叫处理过程31

第一节小区的选择与重选31

一、小区选择过程31

二、小区重选过程32

三、不连续接收模式DRX和寻呼信道的定义34

第二节初始化过程35

一、信道申请35

二、初始信道的分配36

三、初始化报文37

第三节鉴权加密过程38

一、鉴权加密过程的三参数组39

二、鉴权过程39

三、加密过程40

四、TMSI重新分配过程40

第四节位置更新41

一、位置区的概念41

二、正常位置更新流程（越位置区的位置更新）41

三、IMSI附着和分离过程43

四、周期性位置更新过程43

第五节MS主叫过程分析44

一、呼叫建立过程45

二、呼叫释放过程48

第六节MS被叫过程分析49

一、查询过程49

二、寻呼过程49

三、被叫的呼叫建立过程50

第七节无线链路控制52

一、无线链路故障52

二、呼叫重建53

第八节切换54

一、切换过程55

二、切换准备55

三、触发切换的原因57

四、切换的种类58

五、切换流程分析58

第九节功率控制64

一、功率控制64

二、不连续发射（DTX）65

第十节掉话分析（针对北电）66

五信令协议70

第一节信令协议概述71

一、接口与协议71

二、GSM通信系统内部接口71

三、无线接口信令协议72

四、A接口信令协议73

第二节链路层信令协议73

一、帧结构74

二、检错和纠错74

三、复用75

四、流量控制76

五、LAPD和LAPDm帧比较76

第三节网络层信令协议77

一、BSS网络层77

二、NSS网络层81

第四节GSM信令网82

一、信令网络结构83

二、信令网路组织83

三、信令点编码方案84

四、信令网寻址方式85

一、GSM网络结构

1.1、GSM网络结构

　　如图1给出GSM网络结构。

图1、GSM网络结构

　　系统总体结构由以下功能单元组成：

⇨OMC（OperationandMaintenanceCenter，操作维护中心）：

操作维护系统中的各功能实体。

依据厂家的实现方式可分为无线子系统的操作维护中心（OMC-R）和交换子系统的操作维护中心（OMC-S）。

⇨MSC（MobileServiceSwitchCenter，移动交换中心或移动业务交换中心）：

对于位于它管辖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体。

⇨VLR（VisitorLocationRegister，拜访位置寄存器）：

MSC为所管辖区域中MS的呼叫接续，所需检索信息的数据库。

VLR存储与呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码，所处位置区的识别，向用户提供的服务等参数。

⇨HLR（HomeLocationRegister，归属位置寄存器）：

管理部门用于移动用户管理的数据库。

每个移动用户都应在其归属位置寄存器注册登记。

HLR主要存储两类信息，有关用户的参数和有关用户目前所处位置的信息。

⇨AUC（AuthenticationCenter，鉴权中心）：

为认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数（随机数RAND，符号响应SRES，密钥Kc）的功能实体。

⇨EIR（EquipmentIdentificationRegister，设备识别寄存器）：

存储有关移动台设备参数的数据库。

主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。

⇨IWF（InterWorkingFunction，网络互通功能）：

提供GSM系统和多种格式的公用和私用数据网络的接口。

⇨BSS（BaseStationSubsystem，基站子系统）：

包括射频设备和控制设备，提供移动台和MSC之间的连接。

⇨BSC（BaseStationController，基站控制器）：

具有对一个或多个BTS进行控制以及相应呼叫控制的功能，BSC以及相应的BTS组成了BSS（基站子系统）。

BSS是在一定的无线覆盖区中，由移动业务交换中心（MSC）控制，与MS进行通信的系统设备。

⇨BTS（BaseTransceiverStation，基站收发信台）：

为一个小区服务的无线收发信设备。

⇨EC（EchoCancellation，回音消除器）：

由于系统的时延和二四线转换，系统不可避免有声学回声。

EC的加入，可消除远端回声。

⇨XC（TransCoder，变码器或码型变换器）：

XCDR被用做编解来自于移动台的信号，使信号能够在陆地链路中有效的传输。

由于它经常放在MSC一边，所以，常称为RXCDR。

⇨MS（MobileStation，移动台）：

它包括移动设备（ME）和用户识别模块（SIM）。

根据业务的状况，移动设备可包括移动终端（MT），终端适配功能（TAF）和终端设备（TE）等功能部件。

⇨PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork，公众交换电话网）：

GSM系统可通过MSC实现与多种网络的互通，比如PSTN。

1.2、网络概述

图2、GSM系统网络构成

　　GSM系统由一系列功能单元组成，图2给出一个简单的网络结构图。

图中的各个组成部件表示系统的每一功能单元。

在实际的网络构成中，每一功能单元的出现比率不是图中所示的一次，可多次出现。

　　各种网络部件的接口都采用标准接口，这样可以在一个网络中使用不同厂家的设备，比如可将Motoro1a的基站系统BSS与Ericsson的网络交换系统配合使用。

　　一般整个系统可分成四个部分：

（1）、移动台MS（Mobi1eStation）：

如手机、传真机等用户实际所使用的设备。

（2）、基站系统BSS（BaseStationSystem）：

为移动台MS和陆地交换设备提供无线连接的部分。

　　（3）、网络交换系统（NetworkSwitchingSystem）：

由MSC及一些相关的数据库组成，完成电话交换及提供GSM系统与PSTN的连接功能等。

　　（4）、操作与维护系统（0perationandMaintenanceSystem）：

使网络管理员能对网络进行集中操作与维护。

1.3、网络部件

1、移动台MS

　　移动台是用户设备，它可以是车载型。

便携型和手持型三种。

它的物理设备和移动用户是完全独立的。

包括两部分：

移动设备ME和用户识别模块SIM，也称为SIM卡即智能卡。

（1）、ME

　　移动设备ME是用户所使用的硬件设备，用来接入到系统，每部移动设备都有一个唯一的对应于它的永久性识别号，该识别号称为国际移动设备识别号IMEI（InternationalMobileEquipmentIdentity）。

　　对于不同类型的移动台，其最大输出功率也不同。

　　移动台必须有一个特定的标志供网络识别，该标志称为级别标志（Classmark），移动台在发送初始化消息时发送此标志。

　　级别标志Classmark中包含以下信息：

●版本级别：

指示该移动台是一期（Phase1）或二期（Phase2）的移动台。

●最大发射功率：

该移动台的最大发射功率，在切换及功率控制时会用到，用移动台功率级别号表示。

发射功率等级

功率级

功率输出

1

20瓦特（已不用）

2

8瓦特

3

5瓦特

4

2瓦特

5

0.8瓦特

●加密算法：

指示移动台使用的是哪种加密算法，目前在一期GSM中只有一种算法（A5），但二期（Phase2）GSM规范规定了多种算法（A5/0-A5/7）。

●频率范围：

指示该移动台收发信号所能使用的频段。

不是所有的移动台都支持扩展频段。

●短消息功能：

指示该移动台是否可以接收短消息。

（2）、SIM卡

　　SIM卡插入到移动设备中，用来识别移动用户的身份，存有一些该用户能获得什么服务信息及一些其他的信息。

SIM卡中存有移动用户身份识别号，称为国际移动用户识别号IMSI（InternationalMobileSubscriberIdentity）。

如果移动设备内没有插SIM卡，只能用来做紧急呼叫。

将移动设备识别号与移动用户身份识别号分开后，系统就可以根据移动用户来计费，而不是根据移动设备来计费了。

　　SIM卡中包含的信息有：

●国际移动用户身份识别号IMSI：

IMSI（InternationalMobileSubscriberIdentity）用来识别移动用户，仅在初始化时才在空中发送。

●临时移动用户身份识别号TMSI：

TMSI（TemporaryMobileSubscriberIdentity）用来临时性的识别移动用户，该号码会周期性的改变，防止有人从空中截获该号码后盗话。

●位置区识别号LAI（LocationAreaIdentity）：

指示移动用户当前所在的位置区。

●用户身份鉴权密键Ki（SubscriberAuthenticationKey）：

在用户身份鉴权时使用。

●移动台国际ISDN号码MSISDN（Mobi1eStationInternationa1ServiceDigitalNetwork）：

是移动台的电话号码，含有国家码，国内码，及移动用户号码。

●SIM卡中的信息在SIM卡发行之后大多是不可读的（如M）或不可改的，（如IMSI）。

另外有一些信息，如LA1，会不停的改变，以反映移动台当前所在的位置。

●SIM卡以及系统高度的固有安全性，能有效的防止盗话。

SIM卡是很难复制的，而且还可以给SIM卡加一个类似信用卡密码的个人密码，即PIN码（PersonalIdentityNumberPasswod），防止有人盗用。

●SIM卡还存有一些其它信息，如计费信息，对这些信息用户可以直接通过手机按键功能查看。

●SIM卡另外还执行鉴权算法。

2、基站子系统（BSS）

图3、基站子系统

基站子系统包括：

射频设备和控制设备，提供移动台和MSC之间的连接，如图3所示。

主要包括：

●BTS（基站收发信台）：

BTS是GSM网络中用于和移动台通信的部分。

包含了射频部分（如天线等），为各个小区提供空中接口。

●BSC（基站控制器）：

BSC直接与MSC相连。

是BSS中的控制部分。

BSC可以控制一个或多个BTS，BSC可控制的最大BTS数，与BSC的软件有密切关系。

此外，BSC也可不通过MSC进行INTERNAL的切换。

●XCDR（编解码器）：

XCDR被用做编解来自与移动台的信号，使信号能够在陆地链路中有效的传输。

由于它经常放在MSC一边，所以，常称为RXCDR。

图4、网络交换子系统

3、网络交换子系统（NSS）

　　网络交换系统包含了GSM网络的主要交换功能，它同时也包括用户数据和移动网管理所需的数据库，其主要的功能是管理GSM网络和其余通信网络之间的通信，如图4所示。

主要包括：

●移动交换机MSC：

在GSM系统中，MSC能完成呼叫交换以及其他交换设备一样的功能（计费，操作和维护，中继接口等）。

同时，MSC作为网关交换机GMSC提供PSTN和BSS之间的接口。

●归属位置寄存器HLR：

HLR是为用户单元提供参数的参考数据库，每一个用户单元唯一属于一个HLR，用户通过IMSI（国际移动用户身份识别码）或者MSISDN（移动台国际ISDN号码）接入到HLR中，HLR主要包括用户单元的IMSI、MSISDN。

当前在VLR中的信息。

补充业务信息。

用户状态。

鉴权键Ki、用户漫游识别号MSRN等。

●拜访位置寄存器VLR：

VLR包含当前本区域所有用户单元的参数的数据库。

它包含有从HLR拷贝来的有关这些用户单元的数据。

如：

用户状态。

MSRN等；也包括LAI、TMSI等。

●鉴权中心AUC：

AUC是一个进程系统，它执行鉴权功能。

AUC通常和HLR结合在一起，在鉴权是和用户单元中的SIM卡共同完成鉴权功能。

●网络互连功能IWF：

IWF提供GSM系统和多种格式的公用和私用数据网络的接口。

它完成速率适配和协议转换功能。

●回音消除器EC：

由于系统的时延和二四线转换，系统不可避免有声学回声。

EC的加入，可消除远端回声。

4、操作维护子系统（OMS）

图5、操作和维护子系统

　　操作和维护子系统可以对整个GSM网络进行远程控制，如图5所示。

它包括两部分：

●网络管理中心NMC：

NMC是全网管理的最高层，每一个网络只有一个，目前，我国没有设此项。

●操作维护中心OMC：

OMC具有软件和数据库的管理、统计数据的收集、事件/告警的管理等功能。

每一个网络可有多个OMC。

目前，OMC有无线子系统的操作维护中心（OMC-R）和交换子系统的操作维护中心（OMC-S）两种，如Ericsson的交换机和BSS共用一个OMC-S。

MOTOROLA只有0MC-R，用于对BSS系统的管理等。

二、无线网络规划

2.1、优秀无线网的标准

●满足所需的容量：

对蜂窝移动通信系统，通信容量可以用单位小区可用信道数（channel/cell）、单位小区爱尔兰数（Erl./cell）、每平方公里用户数（用户数/km2）等来描述。

实际上，这些表示方法之间可以相互转换；

●覆盖区域范围：

首先要覆盖用户最多的地方，然后考虑覆盖范围，越大越好，范围越大越能吸引用户；

●质量指标：

覆盖概率90%，话音质量4级，信道阻塞率2~5%，掉话率2%。

1、通信概率

定义：

是指移动台在无线覆盖区边缘（或区内）进行满意通话的成功概率，包括时间概率和地点概率。

规定：

我国移动通信技术体制对公众网通信概率明确规定为：

覆盖区边缘界面处的无线信道通信概率不低于90%，边远郊区的边缘处可根据实际情况适当降低到不低于50%（信噪比

）。

2、话音质量

与通信概率关系：

与通信概率一样也是移动通信系统性能好坏的一项重要指标，并且两者之间是紧密相关的。

影响因素：

取决于信号电平和干扰电平，有时信号很强，但质量还是不好，就是干扰的原因。

评价标准：

而话音质量是按主观评定方法进行评价，评分标准是由国际电报电话咨询委员会（CCITT）的提出的五级评分标准，如表所示。

表１、CCITT话音质量五级评分标准

话音质量级别

评定类别

主观印象标准

5

优

几乎无噪声和失真，话音完全可懂

4

良

有轻微噪声或失真，话音很易听懂

3

中

有噪声或失真，但话音可懂

2

差

噪声大或严重失真，听清话音吃力

1

劣

话音几乎听不清

3、掉话率

与很多因素有关：

无线网部分主要是信号电平、干扰电平和切换电平等有关；除此之外，还与传播问题、规划问题、硬件问题、控制问题等有关，这点以后专门介绍。

获取：

可以从系统（OMC）产生的统计报告中获得

4、信道阻塞率（又称为服务等级或业务等级）

定义：

总呼叫中不成功的呼叫数。

话务量：

为一组信道内移动电话呼叫的集合，而呼叫涉及到呼叫时长和呼叫次数，单位为爱尔兰（Erlang）。

获取：

可以从系统（OMC）产生的统计报告中获得

　　实际上述目标并不困难，但如何少花钱而又满足上述目标，这才是评价无线网优秀的标准。

2.2、无线网络规划内容

●业务密度分布：

初建网的业务密度是通过一些预测方法获得的，比如市场调查方法、人口统计方法、按移动电话分布密度预测法、按移动电话安装率预测法、按移动电话的普及率预测法等；已建网的业务密度分布是通过OMC中话务统计获得的；

●可使用的频率：

使用国家无线会指定的频率；

●对覆盖的要求：

覆盖范围大小和不同地区的要求；

●所要求的服务质量：

比如上述的通信概率、话音质量、服务等级等；

●基站站址的正确选取：

取决于业务密度、地形地物条件；

●基站参数的设置：

包括天线取向、高度、下倾角、发射功率、切换电平等参数，这些参数与无线覆盖、干扰、切换成功率等密切相关；

●每个基站的信道数设置：

取决于基站所需业务量和改基站的服务等级；

●正确的频率分配：

考虑到同频干扰和邻频干扰，也与每个基站的信道数有关。

2.3、无线网络规划设计方法

定义：

●制订预期目标

●确定基站位置和数量

●确定信道数

●制定频率配置方案

●基站覆盖

●基站天线类型和高度

●基站发射功率

步骤：

●可用频率许可：

由国家无线电管理委员会批准。

比如GSM系统，国家无委会批准移动公司可用频率为905MHz~909MHz（上行）/950MHz~954MHz（下行），共有20个载频；联通公司可用频率为909MHz~915MHz（上行）/954MHz~960MHz（下行），共有29个载频；

●基站初始布局的确定：

频率复用方式、基站数量的确定、基站布局和站址选择等；

●传播模型选择：

根据蜂窝大小及基站所处位置选择合适模型使预测精度更高；

●基站覆盖预测：

根据每个蜂窝的大小确定基站参数，使覆盖满足要求（通信概率、最小接收信号电平）；

●判断整个网络覆盖是否满足要求；

●若满足要求，就要根据用户数的预测，进行容量规划，从而完成信道分配，在此基础上进行频率分配和干扰分析

●若满足上述条件，则规划结束。

2.4、网络建设步骤

三GSM无线接口理论

第一节工作频段的分配

一、我国GSM网络的工作频段

我国陆地蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz与1800MHz频段:

GSM900MHz频段为：

890~915（移动台发,基站收）,935~960（基站发,移动台收）;

DCS1800MHz频段为：

1710~1785（移动台发,基站收）,1805~1880（基站发,移动台收）;

GSM系统

上行频段

下行频段

带宽

双工间隔

双工信道数

GSM900

890~915

935~960

2×25

45

124

GSM900E

880~915

925~960

2×35

45

174

GSM1800

1710~1785

1805~1880

2×75

95

374

GSM1900

1850~1910

1930~1990

2×60

80

299

二、频道间隔

相邻两频点间隔为为200kHz，每个频点采用时分多址（TDMA）方式，分为8个时隙，既8个信道（全速率），如GSM采用半速率话音编码后，每个频点可容纳16个半速率信道，可使系统容量扩大一倍，但其代价必然是导致语音质量的降低。

三、频道配置

绝对频点号和频道标称中心频率的关系为：

GSM900MHz频段为:

fl（n）=890.2MHz+（n-1）×0.2MHz（移动台发,基站收）；

fh（n）=fl（n）+45MHz（基站发,移动台收）;n∈[1，124]

GSM1800MHz频段为：

fl（n）=1710.2MHz+（n-512）×0.2MHz（移动台发,基站收）；

fh（n）=fl（n）+95MHz（基站发,移动台收）；n∈[512，885]

其中：

fl（n）为上行信道频率、fh（n）为下行信道频率,n为绝对频点号（ARFCN）。

注：

1、在我国GSM900使用的频段为：

905~915MHz上行频率

950~960MHz下行频率

频道号为76~124,共10M带宽。

中国移动公司：

905~909MH（上行），950~954MHz（下行），共4M带宽，20个频道，频道号为76~95。

（目前通过中国移动TACS网的压频，为GSM网留出了更大的空间，因而GSM实际可用频点号要远大于该范围）

中国联通公司：

909~915MH（上行），954~960MHz（下行），共6M带宽，29个频道，频道号为96~124。

2、目前只有中国移动公司拥有GSM1800网络，拥有1800网络的移动分公司大多申请10M的带宽，频道号为512~562。

四、干扰保护比

载波干扰比（C/I）是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。

这是由于地形不规则性基本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其他一些因素如天线的类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等造成的。

1、同频干扰保护比：

C/I≥9dB。

所谓C/I，是指当不同小区使用相同频率时，另一小区对服务小区产生的干扰，它们的比值即C/I，GSM规范中一般要求C/I>9dB；工程中一般加3dB余量，即要求C/I>12dB

2、邻频干扰保护比：

C/A≥-9dB。

C/A是指在频率复用模式下，邻近频道会对服务小区使用的频道进行干扰，这两个信号间的比值即C/A。

GSM规范中一般要求C/A>-9dB，工程中一般加3dB余量，即要求C/A>-6dB

3、载波偏离400kHz的干扰保护比：

C/I≥-41dB

第二节时分多址技术（TDMA）

多址技术就是要使众多的客户公用公共信道所采用的一种技术，实现多址的方法基本有三种，频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。

我国模拟移动通信网TACS就是采取的FDMA技术。

CDMA是以不同的代码序列实现通信的，它可重复使用所有小区的频谱，它是目前是最有效的频率复用技术。

GSM的多址方式为时分多址TDMA和频分多址FDMA相结合并采用跳频的方式，载波间隔为200K，每个载波有8个基本的物理信道。

一个物理信道可以由TDMA的帧号、时隙号和跳频序列号来定义。

它的一个时隙的长度为0.577ms,每个时隙的间隔包含156.25比特,GSM的调制方式为GMSK，调制速率为270.833kbit/s。

一、TDMA信道的概念

在GSM中的信道可分为物理信道和逻辑信道。

一个物理信道就是一个时隙，通常被定义为给定TDMA帧上的固定位置上的时隙（TS）。

而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道。

这些逻辑信道是通过BTS来影射到不同的物理信道上来传送。

逻辑信道又可分为业务信道和控制信道.

（一）业务信道：

业务信道用于携载语音或用户数据，可分为话音业务信道和数据业务信道。

1、话音业务信道

TCH/FS：

全速率语音信道13Kbit/s

TCH/HS:

半速率语音信道5.6Kbit/s

2、数据业务信道

TCH/F9.6:

9.6kbit/s全速率数据信道

TCH/F4.8:

4.8kbit/s全速率数据信道

TCH/H4.8:

4.8kbit/s半速率数据信道