GSM蜂窝移动通信系统.docx
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GSM蜂窝移动通信系统
GSM蜂窝移动通信系统
第一讲GSM数字移动通信发展史1
1.1GSM系统历史背景1
第二讲GSM通信系统2
2.1系统的组成2
2.2交换网路子系统3
2.3无线基站子系统4
2.4移动台4
2.5操作维护子系统4
2.6GSM网络的接口与信令链路4
第三讲 GSM关键技术5
3.1工作频段的分配5
（1）工作频段5
（2）频道间隔5
（3）频道配置5
（4）双工收发间隔：
6
（5）干扰保护比6
（6）频率复用方式6
3.2时分多址技术（TDMA）8
3.3时分多址（TDMA）帧结构8
（1）TDMA信道概念8
（2）TDMA帧10
（3）突发脉冲序列（Burst）11
3.4 空间分集13
第一讲GSM数字移动通信发展史
1.1GSM系统历史背景
GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。
GSM数字移动通信系统史源于欧洲。
早在1942年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。
当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。
为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1942年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大）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＼GroupSpecialMobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。
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”（Globa1systemforMobilecommunications）。
从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。
同年，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。
该系统与GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCSI800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为GSM系统。
1992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，10月总客户数已超过800万，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DCSI800系统投入运营。
到1994年已有6个运营者采用了该系统。
第二讲GSM通信系统
2.1系统的组成
蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统
（BSS）和移动台（MS）三大部分组成，如图2－1所示。
其中NSS与BSS之间的
接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。
图2－1蜂窝移动通信系统的组成
由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范，运营公司当然喜欢花最少的投资，用最好的设备来建最优良的通信网，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。
也就是说，各接口都是开放式接口。
GSM系统框图如图2-2，A接口往左是NSS系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往右Um接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。
Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。
图2－2GSM系统框图
2.2交换网路子系统
交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。
NSS由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：
MSC：
是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。
它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。
另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS、还应能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。
VLR：
是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。
HLR：
也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。
每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：
一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。
AUC：
用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。
EIR：
也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。
主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。
2.3无线基站子系统
BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。
功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。
BSC：
具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。
BTS：
无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。
2.4移动台
移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。
移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。
SIM卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。
SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入进网，但SIM卡本身不是代金卡。
2.5操作维护子系统
GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。
通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。
2.6GSM网络的接口与信令链路
Um接口：
移动台（MS）与BTS之间的接口，该接口传递的信息主要包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。
MTL：
MSC与BSC之间的信令链路，俗称A接口，采用中国7#信令，链路速率64kb/s。
RSL：
BSC与BTS之间的信令链路，俗称Abis接口，第二层采用LAPD（D信道接入协议），链路速率64kb/s（16kb/s是可选速率）。
OML：
OMC_R与变码器及OMC_R与BSC之间的信令链路，采用X.25分组交换协议，链路速率64kb/s。
XBL：
RXCDR与BSC之间的信令链路，第二层采用LAPD，链路速率64kb/s。
第三讲 GSM关键技术
3.1工作频段的分配
（1）工作频段
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：
890MHz～915MHz（移动台发、基站收）
935MHz～960MHz（基站发、移动台收）
随着业务的发展，可视需要向下扩展，或向1.8GHz频段的DCSI800过渡，即1800MHz频段：
1710MHz～1785MHz（移动台发、基站收）
1805MHz～1880MHz（基站发、移动台收）
（2）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（全速率）。
每信道占用带宽200kHz／8=25kHz，同模拟网TACS制式每个信道占用的频率带宽。
从这点看二者具有同样的频谱利用率。
将来GSM采用半速率话音编码后，每个频道可容纳16个半速率信道。
（3）频道配置
采用等间隔频道配置方法，GSM900频段上有124个频率载频，频道序号为1-124；GSM1800频段上有374个频率载频，频道序号为512-885。
频道序号和频点标称中心频率的关系为：
GSM900：
fl（n）=890.200MHz＋（n-1）0.200MHz移动台发，基站收
fh（n）=fl（n）＋45MHz基站发，移动台收
n=1～124频道
GSM1800：
fl（n）=1710.200MHz＋（n-512）0.200MHz移动台发，基站收
fh（n）=fl（n）＋95MHz基站发，移动台收
n=512～885频道
（4）双工收发间隔：
在GSM900频段，双工收发间隔为45MHz；在DCS1800频段，双工收发间隔为95MHz
发射标识：
业务信道发射标识为271KF7W；控制信道发射标识为271KF7W。
271K:
必要带宽271kHz
F:
主载波调制方式：
调频
7:
调制主载波的信号性质：
包含量化或数字信息的双信道或多信道
W:
被发送信息的类型：
电报传真数据、遥测、遥控、电话视频的组合
（5）干扰保护比
载波干扰保护比（C／I）就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及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其它一些因素如天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等所造成的。
同频道干扰保护比：
指不同小区使用相同的频率时，另一小区对服务小区产生的干扰两个信号之间的比值为C/I。
GSM规范中规定：
C/I 9dB。
工程中一般加3DB
邻频道干扰保护比：
指频率在复用的情况下，相邻频率对服务小区使用的频率所产生的干扰C/I-9dB
载波偏离400kHz时的干扰保护比：
C/I-41dB
（6）频率复用方式
频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。
这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。
图3-4频率复用方式
对于有向天线而言，天线可采用120或60的定向天线，形成三叶草小区，即把基站分成3个扇形小区。
如采用4／12复用方式，每个小区最大可用到5个频道，一般的也可用到4个频道。
如采用3／9复用方式，则每个小区可用到6个或5个频道。
对于无方向性天线，即全向天线建议采用7组频率复用方式，其7组频率可从12组中任选，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用（见图3-5）。
业务量较大的小区可借用剩余的频率组，如使用第9组的小区可借用第2组频率等。
图3-57小区分组
3.2时分多址技术（TDMA）
多址技术就是要使众多的客户公用公共通信信道所采用的一种技术。
实现多
址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常
称它们为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。
在传统的无线电广播中，均采用频分多址（FDMA）方式，每个广播信道都有一个频点，如果你要收听某一广播信道，则必须把你的收音机调谐到这一频点上。
模拟蜂窝移动系统也采用了此技术，某一小区中的某一客户呼叫占用了一个频点，即一个信道（实际上是占用两个，因为是双向连接，即双工通信），则其它呼叫就不能再占用。
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，每一时隙为一个信道，因此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用，见图3－6所示。
图3－6频分多址和时分多址方式
图中所示（a为FDMA，b为TDMA）是一个方向的情况，在相反方向上必定有一组对应的频率（FDMA）／时隙（TDMA）。
TDMA系统具有如下特性：
（1） 每载频多路。
如前所述，TDMA系统形成频率时间矩阵，在每一频率上产生多个时隙，这个矩阵中的每一点都是一个信道，在基站控制分配下，可为任意一移动客户提供电话或非话业务。
突发脉冲序列传输。
移动台信号功率的发射是不连续的，只是在规定的时隙内发射脉冲序列。
传输速率高，自适应均衡。
每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高，但数字传输带来了时间色散，使时延扩展量加大，则务必采用自适应均衡技术。
3.3时分多址（TDMA）帧结构
（1）TDMA信道概念
GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就为一个时隙（TS），而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。
这些逻辑信道映射到物理信道上传送。
从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。
逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。
①业务信道（TCH）：
用于传送编码后的话音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点（BTS对一个MS，或反之）方式传播。
②控制信道：
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定义成广播、公共及专用三种控制信道，它们又可细分为：
广播信道（BCH）:
---频率校正信道（FCCH）：
携带用于校正MS频率的消息，下行信道，点对多点（BTS对多个MS）方式传播。
---同步信道（SCH）：
携带MS的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，下行信道，点对多点方式传播。
---广播控制信道（BCCH）：
广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。
下行，点对多点方式传播。
公共控制信道（CCCH）:
---寻呼信道（PCH）：
用于寻呼（搜索）MS。
下行，点对多点方式传播。
---随机接入信道（RACH）：
MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH），可作为对寻呼的响应或MS主叫／登记时的接入。
上行信道，点对点方式传播。
---允许接人信道（AGCH）：
用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。
下行信道，点对点方式传播。
专用控制信道（DCCH）：
---独立专用控制信道（SDCCH）：
用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。
例如登记和鉴权在此信道上进行。
上行和下行信道，点对点方式传播。
---慢速随路控制信道（SACCH）：
它与一个TCH或一个SDCCH相关，是一个传送连续信息的连续数据信息，如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。
这对实现移动台参与切换功能是必要的。
它还用于MS的功率管理和时间调整。
上行和下行信道，点对点方式传播。
---快速随路控制信道（FACCH）：
它与一个TCH相关。
工作于借用模式，即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速度传送信令信息，则借用20ms的话音（数据）来传送。
这一般在切换时发生。
由于语音译码器会重复最后20ms的话音，因此这种中断不被用户查觉。
控制信道的配置是依据每小区（BTS）的载频（TRX）数而定的，见图3-7所示。
在使用6MHz带宽的情况下，每小区最多两个控制信道，当某小区配置一个载频时，仅需一个控制信道。
图3－7小区信令信道配置
（2）TDMA帧
在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，相当于FDMA系统中的一个频道，每帧包括4个时隙（TS0-7），要有TDMA帧号，这是因为GSM的特性之一是客户保密性好，是通过在发送信息前对信息进行加密实现的。
计算加密序列的算法是以TDMA帧号为一个输入参数，因此每一帧都必须有一个帧号。
有了TDMA帧号，移动台就可判断控制信道TS0上传送的是哪一类逻辑信道。
TDMA帧号是以3.5小时（2715644个TDMA帧）为周期循环编号的。
每2715644个TDMA帧为一个超高帧，每一个超高帧又可分为2044个超帧，一个超帧持续时间为6.12s，每个超帧又是由复帧组成。
复帧分为两种类型（见图3-4所示）。
图3－4帧结构图
26帧的复帧---它包括26个TDMA帧，持续时长120ms,51个这样的复帧组成一个超帧。
这种复帧用于携带TCH（和SACCH加FACCH）。
51帧的复帧---它包括51个TDMA帧，持续时长3060／13ms。
26个这样的复帧组成一个超帧。
这种复帧用于携带BCH和CCCH。
（3）突发脉冲序列（Burst）
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。
①普通突发脉冲序列（NB）：
用于携带TCH及除RACHA，SCH和FCCH以外的控制信道上的信息，图3-9所示，“57个加密比特”是客户数据或话音，再加“1”个比特用作借用标志。
借用标志是表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用。
“26个训练比特”是一串已知比特，用于供均衡器产生信道模型（一种消除时间色散的方法）。
“TB”尾比特总是000帮助均衡器判断起始位和中止位。
“GP”保护间隔，8.25个比特（相当于大约30s），是一个空白空间。
由于每载频最多4个客户，因此必须保证各自时隙发射时不相互重迭。
尽管使用了时间调整方案，但来自不同移动台的突发脉冲序列彼此间仍会有小的滑动，因此4.25个比特的保护可使发射机在GSM建议许可范围内上下波动。
图3－9普通突发脉冲序列
②频率校正突发脉冲序列（FB）：
用于移动台的频率同步，它相当于一个带频移的未调载波。
此突发脉冲序列的重复称FCCH，见图3-10。
图中“固定比特”全部是0，使调制器发送一个未调载波。
“TB”和“GP”同普通突发脉冲序列中的“TB”和“GP”。
图3－10频率校正突发脉冲序列
③同步突发脉冲序列（SB）：
用于移动台的时间同步，它包括一个易被检测的长同步序列并携带有TDMA帧号和基站识别码（BSIC）信息。
这种突发脉冲序列的重复称为SCH，见图3－11所示。
图3－11同步突发脉冲序列
④接入突发脉冲序列（AB）：
用于随机接入，它有一个较长的保护间隔，这是为了适应移动台首次接入（或切换到另一个BTS）后不知道时间提前量而设置的。
移动台可能远离BTS，这意味着初始突发脉冲序列会迟一些到达BTS，由于第一个突发脉冲序列中没有时间调整，为了不与下一时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲序列必须短一些，见图3－12所示。
图3－12接入突发脉冲序列
⑤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。
3.4 空间分集
多径衰落和阴影衰落产生原因是不相同的。
随着移动台的移动，瑞利衰落
随信号瞬时值快速变动，而对数正态衰落随信号平均值（中值）变动。
这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大地恶化，虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。
而采用分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。
分集的方法有空间分集、频率分集、极化分集、角度分集、时间分集和分量分集等多种。
在移动通信中，通常采用空间分集，因此这里也就此方法进行讨论。
我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。
当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集，见图3－19所示。
空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。
这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。
经过测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，即d＞0．6，并且最好选在/4的奇数倍附近。
若减小天线间距，即使小到/4，也能起到相当好的分集效果。
图3-19空间分集
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