GSM工作原理大纲要点.docx
《GSM工作原理大纲要点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GSM工作原理大纲要点.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
GSM工作原理大纲要点
GSM工作原理
一：
GSM系统的主要性能参数：
工作频段、频道间隔、收发双工间隔、频道配置、频率复用方式、干扰保护比等
1：
Gsm工作频段：
陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHZ、1800MHZ频段。
其中：
900MHZ频段为：
890~915（移动台发，基站收）880~890E-GSM
935~960（基站发，移动台收）925~935E-GSM
1800MHZ频段为：
1710~1785（移动台发、基站收）
1805~1880（基站发、移动台收）
2：
GSM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个信道（全速率）。
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：
GSM收发间隔：
45MHZ
4：
GSM频道配置：
采用等间隔频道配置方法，频道序号为1~124，共124个频点。
频道序号和频点标中心频率的关系为：
f1（n）＝890.2MHZ＋（n－1）＊0.2MHZ移动台发，基站收
fh（n）＝f1（n）+45MHZ基站发，移动台收
n＝1~124频道（或称为频点，载频）
5:
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N＝49）分成F组（如F＝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。
因总的频道数N是固定的，所以分级数越少，同频道复用距离越小，导致系统中C/I值降低。
因此，在工程实际中是把同频干扰保护比C/I值加3dB的冗余来进行保护，采用12分级方式，即4个基站，12组频率。
对于有方向天线而言，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方式，每个小区最大到5个频道，一般地也可用到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。
以上所述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为中国移动公司使用，另6MHZ为中国联通公司使用。
这样，移动公司建的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2个（16个信道），有些只能用到1个（8个信道）。
为此，中国移动通信公司下发各省移动通信公司将4MHZ带宽向下扩展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）。
6：
干扰保护比：
载波干扰保护比（C/I）就是接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此值与MS的随时位置有关。
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，以及其他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/I9dB
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
二：
GSM系统组成及网络实体的主要功能：
BSS系统、NSS系统；BTS、BSC、TC、MSC、HLR、VLR、OMC-R等
1：
无线基站子系统（BSS系统）
图3.3无线基站子系统的组成
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。
它给MS和NSS之间提供了传输通道并管理这个通道。
BSS功能实体可分为BTS、BSC和TC。
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。
BSC：
具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网络资源的管理、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。
TC：
具有码型转换，速率适配的功能。
2：
交换网路子系统（NSS系统）
交换网路子系统（NSS）主要完成业务管理和业务功能的实现，具体有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，相关的MSC还应能完成关口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以及用户签约业务和附加业务的信息，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。
在GSM网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。
另外配有
语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。
3：
GSM系统的操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网络进行管理和监控。
通过它实现对GSM网内各种部件功能的配置管理、故障管理和性能管理等功能。
其功能实体包括有无线部分的操作与维护中心（OMC-R）、移动部分的操作与维护中心（OMC-M）、交换部分的操作与维护中心（OMC-S）、GPRS部分的操作与维护中心（OMC-G）和网管中心（NMC）。
三：
GSM系统通信接口及接口协议：
Um、A、Abis接口；LAPD、BTSM、SCCP、BSSAP等
1：
Air接口（空中接口，Um接口）：
Um接口定义为MS和BTS间的通信接口，主要用于传递无线电磁波信号，（这些信号是经过编码，交织，加密，调制的处理，以TDMA帧的格式在空中传播），实现MS和GSM网络固定部分的互通。
此接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。
2：
Abis接口：
BTS和BSC间的接口，一般采用有线PCM传输，负责传递基站与基站控制器之间的操作维护信令和用户有关通信的话务与信令。
3：
A接口：
BSS和MSC间的接口,负责传递用户业务数据和七号信令。
物理连接通常采用2MPCM链路，七号信令消息中通常包括移动性管理（MM）、呼叫管理（CM）等信息。
4：
LAPDm（LinkAccessProtocolForDmChannel）：
传递MS和BTS间信息的协议。
LAPDm基于ISDN的D信道链路接入协议（LAPD），但是做了修改以应用于Um接口，所以称为LAPDm。
LAPD（LinkAccessProtocolForDChannel）：
传递BTS和BSC间信息的协议。
5：
BTSM（BasestationTransceiverManagement）：
传递BTS和BSC间有关操作维护信息的协议。
6：
SCCP（SignalConnectControlPart）：
负责七号信令系统的信号路由功能。
7：
TCAP（TrafficCapabilityApplicationPart）：
提供SCCP用户消息的对话功能。
8：
BSSAP（BasestationSubSystemApplicationPart）：
有两种不同的用户功能，直接传递应用部分（DTAP）和BSS管理应用部分（BSSMAP）
GSM标准共有12章规范系列，即：
01系列：
概述
02系列：
业务方面
03系列：
网络方面
04系列：
MS－BS接口的规约（空中接口第2、3层）
05系列：
无线路径上的物理层（空中接口第1层）
06系列：
话音编码规范
07系列：
对移动台的终端适配
08系列：
BS到MSC接口（A和Abis接口）
09系列：
网络互连
10系列：
业务互通
11系列：
设备和型号批准规范
12系列：
操作和维护
在NSS内部之间定义了B、C、D、E、F、G等接口，这些接口的通信全部采用了七号信令系统，GSM和PSTN之间也优先采用七号信令。
各接口采用的协议入下：
B接口（MSC和VLR之间的接口）：
应用MAP协议
C接口（MSC和HLR之间的接口）：
应用MAP协议
D接口（HLR和VLR之间的接口）：
应用MAP协议
E接口（MSC和MSC之间的接口）：
应用MAP和ISUP协议
F接口（MSC和EIR之间的接口）：
应用MAP协议
MSC和PSTN之间的接口：
应用TUP——TelephoneUserProtocol协议
MSC和ISDN之间的接口：
应用ISUP——Integrateservicedatanetwork
UserProtocol协议
通常TUP和ISUP必须符合各国的规范，而MAP信令则必须遵循GSM的技术规范。
GPRS网络是在GSM网络基础上实现数据包交换和传送的新兴网络。
它是计算机通信和无线通信技术的有机结合，GPRS网络的实现也就是在GSM网络中引入了实现包传输及交换的网络单元、网络功能块和新的接口协议。
Gb接口（BSC和SGSN之间的接口）：
应用BSSGP协议
Gn接口（SGSN和SGSN之间的接口）：
应用IP协议
Gn接口（SGSN和GSSN之间的接口）：
应用IP协议
Gr接口（SGSN和HLR之间的接口）：
应用SS7协议
Gc接口（GGSN和HLR之间的接口）：
应用IP/SS7协议
Gf接口（SGSN和EIR之间的接口）：
应用SS7协议
Gs接口（SGSN和MSC/VLR之间的接口）：
应用SS7协议
Gi接口（GGSN和PDN之间的接口）：
应用IP协议
三：
GSM的编号和识别方案：
IMSI、TMSI、MSISDN、LAI、CGI、BSIC、MSRN、HONumber等
1:
IMSI――国际移动用户识别码
为了在无线路径和整个GSM移动通信网上正确地识别某个移动用户，就必须给移动用户分配一个特定的识别码。
这个识别码称为国际移动用户识别码（IMSI），用于位置更新、呼叫建立和GSM移动网所有信令中，并存贮在SIM卡和HLR中，也在VLR中作为临时登记标识。
用户用于网络操作的全部数据均存储于imsi对应存储区中。
IMSI是数字PLMN网中唯一地识别一个移动用户的号码，为一个16位数字的号码。
imsi永久地属于一个注册用户，在包括漫游区域在内的所有位置都是有效的，其结构如下所示：
图5.2IMSI号码结构
其中：
MCC：
移动国家号码，由3位数组成。
用于唯一地识别移动用户所属的国家。
（中国移动国家号为460）
MNC：
移动网号，由2位数字组成，用于识别移动用户所归属的移动网。
（“中国移动通信公司”GSMPLMN网为00，“中国联通公司”GSMPLMN网为01。
）
MSIN：
移动用户识别码。
采用等长11位数字构成。
唯一地识别在一个PLMN网内移动用户的号码，该号码为N1N2N3H0H1H2H3ABCD。
所以，IMSI号码：
对一个MS或SIM卡唯一在所有位置有效MS在呼叫建立时、位置更新以及一些安全或业务操作时需要此号码。
2:
TMSI――临时移动用户识别号码
为了对IMSI保密，当移动用户每次位置登记（包括位置更新）后或者呼叫（主叫或被叫）时，VLR将为其分配一个唯一的TMSI号码，为一个由MSC自行分配的4字节的BCD编码。
仅在本MSC业务区内才有效。
移动用户的TMSI与IMSI是对应的，但它们之间没有长期的固定关系，仅在MS呼叫和位置更新时临时指定，并保持到MS被分配新的TMSI时。
但当TMSI被释放后，可以重复地给另一个MS使用。
所以，TMSI号码：
由当前的VLR分配给一个MS
对MS是唯一的，仅在一个VLR中有效
MS在呼叫建立、位置更新时需要此号码
3:
MSISDN――移动用户号码（移动台ISDN号码）
用户号码是指主叫用户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动通信网中的用户所需拨的号码，是移动用户对外公开的电话号码，MS－ISDN号码结构如下所示：
图5.1MS－ISDN号码结构
其中：
CC：
为国家码，中国为86。
目前国内有效移动用户isdn号码为一个十一位数字的等长号码：
n1n2n3H0H1H2H3ABCD。
NDC：
国内目的地码，即网络接入号n1n2n3，
“中国电信”GSM网为135139；
“中国联通公司”GSM网为130132。
“中国联通公司”CDMA网为133，134未定义。
SN：
移动用户号码，采用等长8位编号计划。
SN号码结构是H0H1H2H3ABCD，其中：
H0H1H2H3为每个移动业务本地网的HLR号码，ABCD为移动用户码，由各hlr自行分配。
所以，MS－ISDN号码：
SCCP全球标题地址（例如，用于找HLR）
PSTN/ISDN电话号码（电话簿上的号码）
用于拨号
4:
LAI――位置区识别码
在GSM系统中，共有三个号码组成对移动台的位置识别：
LAI，CGI，BSIC。
LAI用于位置区识别和位置更新，和MS做被叫时呼叫接续。
由三部分组成：
图5.5LAI号码结构
其中：
MCC：
移动用户国家码，由3位数字组成（和IMSI中的前3位数字相同）。
NMC：
移动网号，由2位数字组成（同IMSI中的MNC）。
LAC：
位置区号码，为一个2字节的BCD编码。
表示为X1X2X3X4，其范围为
0000FFFF。
全部为0的编码保留不用。
在一个GSMPLMN网中可定
义65536个不同的位置区。
其中X1X2可由国家主管部门统一分配，而
X3X4由各省主管部门自行分配。
所以，LAI号码：
当位置更新和寻呼时需要此号码
5:
CGI――小区识别码（全球小区识别码）
CGI是用来识别一个位置内的小区，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：
图5.6CGI号码结构
其中：
MCC，NMC，LAC同上。
CI：
小区识别。
为一个2字节BCD编码，由各MSC自定。
所以，CGI号码：
在所有的PLMNS内小区识别码唯一.
6:
BSIC――基站识别码
图5.7BSIC号码结构
BSIC是用于识别相邻基站的，为6比特编码，其结构是：
其中：
NCC：
网络色码，主要用来区分国界各侧的运营者（国内区别不同的省），为
XY1Y2（3比特）。
Y1、Y2的分配见下表：
表5.1Y1、Y2的分配
Y1Y2
0
1
0
吉林、甘肃、广西、福建、湖北、北京、江苏、西藏
黑龙江、辽宁、宁夏、四川、海南、江西、天津、山西、山东
1
新疆、广东、河北、安徽、上海、贵州、陕西
内蒙古、青海、云南、河南、浙江、湖南
X：
运营者（移动X＝1，联通X＝0）。
BCC：
基站色码，由运营部门设定。
（3比特）
所以，BSIC号码：
用于区别不同的相邻基站
7:
MSRN――移动用户漫游号码
HLR具有漫游用户的位置更新纪录，因此被叫用户所归属的HLR知道该用户目前是处在哪一个MSC/VLR业务区，为了提供给入口MSC/VLR（GSMC）一个用于选路由的临时号码，HLR请求被叫所在业务区的MSC/VLR给该被叫用户分配一个移动用户漫游号码（MSRN），并将此号码送至HLR，HLR收到后再发给GMSC，GMSC根据此号码选路由，将呼叫接至被叫用户目前正在访问的MSC/VLR交换局。
路由一旦建立，此号码就可立即释放。
这种查询、呼叫选路由功能（即请求一个MSRN功能）是NO.7信令中移动应用部分（MAP）的一个程序，在GMSC－HLR－MSC/VLR间的NO.7信令网中进行传递。
msrn的分配对主叫与被叫用户都是保密的，它只能作为漫游呼叫转接中的路由重选，不同于也不能用于直接拨号。
移动用户漫游号码（MSRN）的结构如下：
图5.3MSRN号码结构
中国电信GSM移动通信网技术规定1390后的MSISDN号码为移动用户漫游号码（MSRN），即1390M0M1M2M3ABC。
M0M1M2M3为被访的MSC号码。
ABC为000~499。
所以，MSRN号码：
Ø结构和MS－ISDN相同
ØSCCP全球标题地址找当前的VLR
Ø是VLR在呼叫过程中对MS的一个动态标识，在VLR中存在MSRN到IMSI的链接
Ø对MS是唯一的，仅在一个VLR区域中有效
Ø在使用ISUP重选到目的地MSC的路由时需要该号码
8:
HOnumber――切换号码
HO－N是当进行移动交换局间越局切换时，为选择路由，由目标MSC（即切换要转移到的MSC）临时分配给移动用户的一个号码。
此号码为MSRN号码的一部分（后500号：
500~999）。
所以，HO－N号码：
结构类似MRSN
用于MSC间的切换
四：
GSM的语音编码及信道编码技术：
EFR、FR、HR
1：
语音编码技术
由于GSM系统是一种数字通信系统，话音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把话音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。
如我们熟悉的我国固定电话系统采用的PCM－A律编码，它是采用A律波形编码，分为3步：
采样：
在某个短时间间隔内测量模拟信号的值。
采样速率8kHz/s。
量化：
对每个样值用8个比特的量化值来表示对应的模拟信号瞬间值，即为样值指配256（28）个不同电平值中的一个。
编码：
每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。
使用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为64kbit／s（8kbit／s×8）。
如果GSM系统也采用此种方式进行话音编码，那么每个话音信道是64kbit／s，8个话音信道就是512kbit／s。
考虑实际可使用的带宽，GSM规范中规定载频间隔是200kHz。
因此要把它们保持在规定的带宽内，必需大大地降低每个话音信道的编码的比特率，这就要靠采用低速率话音编码技术来实现。
为了满足GSM系统的窄带通信模式，GSM采用三种话音编码技术，即：
速率为13k的全速率（FR）编码技术：
规则脉冲激励线性预测编码技术（RPE-LPT）。
速率为12.2k的增强型全速率（EFR）编码技术：
代数码激励线性预测编码技术（ACELPT）。
速率为6.5k的半速率（HR）矢量和激励线性预测编码技术编码方式（VSELP）。
下面以最常用的规则脉冲激励线性预测编码技术（RPE-LTP）为例来了解GSM的语音编码技术。
图6.15RPE-LTP编码结构图
见图6-15，规则脉冲激励线性预测编码技术是一种混合编码技术，它集成了波形编码与声源编码两项技术之长。
波形编码器可精确地再现原来的话音波形，话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高，在12-16Kbit/s的范围内会造成话音质量恶化，波形编码器硬件上更容易实现，不受时延影响。
声源编码是将话音信息用特定的声源模型表示。
声码器编码可以是很低的速率（可以低于5kbit／s，虽然不影响话音的可懂性，但话音质量听起来不自然，很难分辨是谁在讲话。
因此GSM系统话音编码器是采用声码器和波形编码器的混合物---混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器），见图6-15所示。
LPC+LTP为声码器，RPE为波形编码器，再通过复用器混合完成模拟话音信号的数字编码，每话音信道的编码速率为13kbit／s。
声码器的原理是模仿人类发音器官喉、嘴、舌的组合，将该组合看作一个滤波器，人发出的声音使声带振动就成为激励脉冲。
当然“滤波器脉冲m频率是在不断地变换，但在很短的时间（10ms～30ms）内观察它，则发音器官是没有变换的，因此声码器要做的事是将话音信号分成20ms的声码块，然后分析这一时间段内所相应的滤波器的参数，并提取此时的脉冲串频率，输出其激励脉冲序列。
相关的话音段是十分相似的，LTP将当前段与前一段进行比较，相应的差值被低通滤波后进行一种波形编码。
故：
LPC十LTP参数：
3.6kbit/s；RPE参数：
9.4kbit/s；因此，话音编码器的输出比特速率是13kbit。
2信道编码技术
采用数字传输时，传送信号的质量常常用接收比特中有多少是正确的值来表示，并由此引出错误比特率（BER）概念。
BER为传送中错误比特数与总比特数之比，差错比特数目所占的比率要尽可能的小，一般要求小于0.25%的差错率。
然而，要把它减小到0，那是不可能的，因为无线环境中存在大量的多径损耗，这就是说GSM系统必须允许收到的信息存在一定数量的差错率，但还必须能恢复出原信息，或至少能检测出差错，这对于数据传输来说特别重要，对话音来说只是质量降低。
1．GSM信道编码技术原理
为了提高信号的抗扰能力，GSM系统使用信道编码技术。
信道编码能够检测并校正接收比特流中的差错。
这是因为通过加入一些冗余校验比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。
为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，降低了有效传送速率，但可有效地减少差错率。
为了便于理解，我们举一简单例子加以说明。
假定要传输的信息是一个“0”或是一个“1”，为了提高保护能力，各添加3个比特：
表6.6编码举例
信息
添加比特
发送比特
0
000
0000
1
111
1111
对于每一比特（0或1），只有一个有效的编码组（0000或l111）。
如果收到的不是0000或1111，就说明传输期间出现了差错。
比例关系是1:
4，必须发送是必要比特4倍的比特。
保护作用评估：
表6.7纠错
接收编码组
0000
0010
0110
0111
1111
判决结果
0
0
×
1
1
如果4个比特中有1个是错的，就可以校正它。
例如发送的是0000，而收到的却是0010，则判决所发送的是0。
如果编码组中有两个比特是错的，则能检出它，如0ll0表明它是错的，但不能校正。
最后如果其中有3个或4个比特是错的，则既不能校正它，也不能检出它来。
所以说这一编码能校正1个差错和检出2个差错。
移动通信的传输信道属突变信道，它不仅会引起随机错误，而更主要的是造成突发错误。
随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否是无关的。
突发错误则不然，一个码元的错误往往影响前后码元的错误概率。
或者说，一个码元产生错误，则后面几个码元都可能发生错误。
因此，在数字通信中，要利用信道编码对整个通信系统进行差错控制。
差错控制编码可以分为分组编码和卷积编码两类。
分组编码的原理框图见图6-16。
分组编码是把信息序列以k个码元分组，通过编码器将每组的k元信息按一定规律产生r个多余码元（称为检验元或监督元），输出长n＝k十r的一个码组。
因此，每个码组的r个检验元仅与本组的信息元有关而与别组无关。
分组码用（n，k）表示，n表示码长，k表示信息
升级会员 