GSM原理Word下载.docx
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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（基站）：
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。
OMC与MSC之间的接口目前还未开放，因为CCITT对电信网路管理的Q3接口标准化工作尚未完成。
3.1工作频段的分配
（1）工作频段
见图3-1。
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：
890～915MHZ（移动台发、基站收）
935～960MHZ（基站发、移动台收）
2．频率配置：
GSM900Fn=890.000+0.200MHz（移动台发，基站收）
Fn'
=Fn+45MHz（移动台收，基站发）
n代表频道序号，为1~124，共124个频道
频点划分：
中国移动1～95
中国联通96～124
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：
1710～1785（移动台发、基站收）
1805～1880（基站发、移动台收）
GSM1800Fn=1710.200+（n-512）0.200MHz（移动台发，基站收）
=Fn+95MHz（移动台收，基站发）
n代表频道序号，为512~885，共374个频道
图3-1我国陆地蜂窝移动体系系统频段分配图
（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。
（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。
GSM规范中规定：
同频道干扰保护比：
C/I
9dB
邻频道干扰保护比：
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。
频率复用方式就是指将可用频道分成若干组，若所有可用的频道N（如49）分成F组（如9组），则每组的频道数为N／F（49/95.4即有些组的频道数为5个，有些为6个，见图3-3）。
图3-3900MHz3／9方式频道分配图
因总的频道数N是固定的，所以分组数F越少则每组的频道数就越多。
但是，频率分组数的减少也使同频道复用距离减小，导致系统中平均C／I值降低。
因此，在工程实际使用中是把同频干扰保护比C／I值加3dB的冗余来保护，采用12分组方式，即4个基站，12组频率（见图3-2和图3-4所示）。
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
以上所谈每小区可用频道数都是在可用频段为10MHz情况下，目前10MHz中4MHz为邮电部使用，另6MHz为“中国联通公司”使用。
从频道序号来看，76～95为邮电部使用，95～124为“中国联通公司”使用。
这样，邮电部建的GSM数字移动通信网如采用4／12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，使GSM数字移动通信网从可用频道76～95（20个）扩展到66～95（30个），4／12方式每个小区一般可用3个频道（24信道），最小也能用到2个频道（16个信道）。
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）。
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。
---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。
---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
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。
3.6基站与移动台间的时间调整（TA）
由于在空中接口采用了TDMA技术，那么某一移动台必须在指配给它的时隙内
发送，而在其余时间又必须保持寂静，否则它会干扰使用同样载频上不同时隙的
另一些移动客户。
从图3－24可见，收发之间是间隔3个时隙。
假如某移动台占用了时隙2（TS2），可它在呼叫期间向远离基站方向移动，因此从基站发出的信息，将会越来越迟地到达移动台。
与此同时移动台的应答信息，也会越来越迟地到达基站。
如果不采取措施，该时延长至使该移动台在TS2发送的信息与基站在TS3接受到的另一个呼叫信息重迭起来。
所以，在呼叫进行期间，必须监视呼叫到达基站的时间，并由系统向移动台发送指令，随着移动台离开基站的距离，逐步指示移动台提前发送的时间，这就是时间的调整。
图3-24TCH上下行偏移
时间调整的提前是0～63个比特之间的任意值。
如0个比特就表示不必调整，表明MS和BTS在一起。
63个比特是调整的最大量，也就是BTS与BS之间最长距离。
所以我们说，GSM系统最大覆盖范围是：
3.7s633108m／s=70km
3.7s：
每个比特的时长。
63：
时间调整的最大比特数。
3108m／s：
电波速度。
其覆盖半径是35km。
当一个特定连接建立时，BTS不断测量自己脉冲时隙与收到的MS时隙之间的时间偏移量。
基于这个测量，它可以向MS提供要求的时间提前量，并在SACCH上以每秒2次的频度通知MS。
8.1客户状态
移动台客户状态一般是处于MS（客户）开机（空闲状态）、MS关机和MS忙三
种状态之一，因此网路需要对这三种状态做相应处理。
（1）MS开机，网路对它作“附着”标记。
当移动台开机（打开电源）后，它首先要在空中接口上搜索以找到正确的频率，并依靠搜索到的正确频率校正和同步频率，并将此频率锁定。
该频率载有广播信息和可能的寻呼信息。
若MS是第一次开机，在其数据存储器（SIM卡）中找不到原来的位置区识别码（LAI），它就立即要求接入网路，向MSC发送“位置更新请求”消息，通知GSM系统这是一个此位置区内的新客户，如图8－1所示，MSC根据该客户发送的IMSI中的HlH2H3消息，向该客户的归属位置寄存器（HLR）发送“位置更新请求”，HLR记录发请求的MSC号码（即M1M2M3），并向MSC回送“位置更新接受”消息，至此MSC认为此MS已被激活，在拜访位置寄存器（VLR）中对该客户对应的IMSI上作“附着”标记，再向MS发送“位置更新证实”消息，MS的SIM卡记录此位置区识别码。
图8－1第一次登记若MS不是第一次开机，而是关机后又开机的，MS接收到的LAI（LAI是在空中接口上连续发送的广播信息的一部分）与它SIM卡中原来存储的LAI不一致，那么它也是立即向MSC发送“位置更新请求”，MSC要判断原有的LAI是否是自己服务区的位置，如判断为肯定，MSC只需对该客户的SIM卡原来的LAI码改写成新的LAI码，并在该客户对应的IMSI作“附着”标记即可；
判断为否定，MSC需根据该客户的IMSI中的HlH2H3信息，向该客户的HLR发送“位置更新请求”，HLR在该客户数据库内记录发请求的MSC号码，再回送“位置更新接受”，MSC再对该客户的IMSI作“附着”标记，并向MS回送“位置更新证实”信息，MS将SIM卡原来的LAI码改写成新的LAI码。
但若MS关机再开机时，所接收到的LAI与它SIM卡中原来存储的LAI相一致，那么MSC只对该客户作“附着”标记。
（2）MS关机，从网路中“分离”。
前面已经提到，一个激活状态的MS在VLR中标有“附着”标记。
当MS切断电源关机时，MS即向网路发送最后一条消息，其中包括分离处理请求，MSC接收到后，即通知VLR对该MS对应的IMSI上作“分离”标记（如图8－2所示），而归属位置寄存器（HLR）并没有得到该客户已脱离网路的通知。
当该客户被寻呼，HLR向拜访MSC／VLR要漫游号码（MSRN）时，MSC／VLR通知HLR该客户已分离网路，不再需要发送寻找该客户的寻呼消息。
图8－2分离程序
（3）MS忙
此时，无线网路分配给MS一个业务信道传送话音或数据，并在该客户ISDN上标注客户”忙”。
当MS移动时，必须有能力转到别的信道上，这就叫切换。
为了决定是否需要切换及怎样切换，系统要对来自MS和BTS的消息进行判断分析，这叫“定位”。
8.2周期性登记
若MS向网路发送“IMSI分离”消息时，由于此时无线链路质量很差，衰落很大，那么GSM系统有可能不能正确译码，这就意味着系统仍认为MS处于附着状态。
再如MS开着机，可移动到覆盖区以外的地方，即盲区，GSM系统也不知道，仍认为MS处于附着状态。
此时该客户被寻呼。
系统就会不断地发出寻呼消息，无效占用无线资源。
为了解决上述问题，GSM系统采取了强制登记的措施。
例如要求MS每30分钟登记一次（时间的长短由运营者设定），这就是周期性登记。
这样，若GSM系统没有接收到某MS的周期性登记信息，它所处的VLR就以“隐分离”状态在该MS上做记录，只有当再次接收到正确的周期性登记信息后，将它改写成“附着”状态。
网路是通过BCCH通知MS其周期性登记的时间。
8.3初始化
初始化过程是一个随机接入过程。
从广义上说，这个过程始于MS，MS在
RACH（随机接入信道）上发送一条“信道请求”消息，BTS收到此消息后通知BSC，并附上BTS对该MS到BTS传输时延的估算及本次接入原因，BSC根据接入原因及当前资料情况，选择一条空闲的专用信道SDCCH通知BTS激活它。
BTS完成指定信道的激活后，BSC在AGCH（允许接入）上发送“立即分配”消息或称为初始化分配消息，其中包含BSC分配给MS的SDCCH信道描述，初始化时间提前量、初始化最大传输功率以及有关参考值。
每个在AGCH信道上等待分配的MS可以通过比较参考值来判断这个分配信息的归属，以避免争抢引起混乱。
当MS正确地收到自己的初始分配后，根据信道的描述，把自己调整到该信道上，建立一条传输信令的链路，发送第一个专用信道上的初始消息，其中含有客户的识别码（来自SIM卡上的信息）、本次接入的原因、登记和鉴权等内容。
当BSC没有空闲信道可供分配时，BSC要向MS发出“立即分配拒绝”消息，其中可以含有一个限制MS继续呼出的时间指示。
这是—种减少RACH信道过载的方法。
8.4位置更新
MS从一个位置区移到另一位置区时（如图8－3），必须进行登记，也就是说一旦MS发现其存储器中的LAI与接收到的LAI发生了变化，便执行登记。
这个过程就叫“位置更新”。
图8－3MS从一个位置移动到另一个位置区
首先考虑处于开机空闲状态的连续移动的MS，它被锁定于一个已定义的无线频率，即某小区（如图8－4小区1）的BCCH载频上，此载频的零时隙（TSo）载有BCCH和CCCH。
当MS向远离此小区BTS的方向移动时，信号强度就会减弱。
当移动到两小区（如图8－4小区l与小区2）理论边界附近的某一点时，MSC就会因信号强度太弱而决定转移到邻近小区的新的无线频率上。
为了正确选择无线频率，MS要对每一个邻近小区的BCCH载频的信号强度进行连续测量。
当发现新的BTS（如图8－4小区2的BTS）发出的BCCH载频信号强度优于原小区时，MS将锁定于这个新载频，并继续接收广播消息及可能发给它的寻呼消息，直到它移向另一小区。
由于小区1和小区2有相同的位置区码，所以MS接收的BCCH载频的改变并没有通知网路。
这就是说，MS在没有进行位置更新时，网路并不参与此处理过程。
小区2和小区3不属于同一位置区。
当MS从小区2移动到小区3时，MS通过接收BCCH便可知道已接入了新位置区。
由于位置信息非常重要，因此位置区的变化一定要通知网路。
这在移动通信中称为“强制登记”。
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图8－4MS从一个小区移动到另一个小区
（1）不同MSC／VLR业务区间的位置更新
当MS从小区3移向小区5时（如图8－5），BTS5通过新的BSC把位置区消息传到新的MSC／VLR。
这就是不同MSC／VLR业务区间位置更新。
图8－5不同MSC/VLR业务区位置更新
图8－6示范了MSC之间的位置更新过程。
MS从一个BTS小区移向不同MSC的另一个BTS小区时，它发现自己锁定的BCCH载频信号强度在减弱，而另一BTS小区的BCCH信号在增强，MS就通过新的BTS小区向MSC发送一个具有“我在这里”的信息，即位置更新请求。
MSC把位置更新请求消息送给HLR，同时给出MSC的和MS的识别码，HLR修改该客户数据，并回给MSC一个确认响应，VLR对该客户进行数据注册，最后由新的MSC发送给MS一个位置更新确认，同时由HLR通知原来的MSC删除VLR中有关该MS的客户数据。
当然在这一过程发生前，要进行MS的鉴权。
图8－6位置更新的网路方案
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