《GSM系统》PPT课件.ppt

第3章 GSM系统,3.1 概述 3.2 GSM系统的组成 3.3 GSM系统的无线接口 3.4 编号与GSM系统的业务 3.5 我国GSM移动通信网的网络结构 3.6 GSM系统信令网 3.7 GSM系统的控制与管理 3.8 呼叫接续流程 3.9 华为GSM系统介绍 本章小结 习题与思考题,3.1 概 述 GSM系统全称为数字蜂窝移动通信系统(Global System for Mobile Communication)，俗称“全球通”，它依照欧洲通信标准化委员会(ETSI)制定的GSM规范研制而成，是第二代移动通信技术(2G)。其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能通遍全球。本节主要介绍GSM系统的技术参数及GSM系统的特点。,3.1.1 GSM系统的技术参数 它包括GSM 900和DCS 1800两个并行的系统。这两个系统功能相同，其差别只是工作频段不同。两个系统均采用TDMA接入方式。美国的数字蜂窝系统研制较欧洲稍晚一些。双方研制的大目标不完全相同，泛欧GSM系统是为了打破国界，实现漫游通话；美国的D-AMPS系统是为了扩大容量，实现与模拟系统兼容。D-AMPS系统即IS-54标准。另外，还有日本的PDC系统也采用TDMA多址方式。,在GSM小组的协调下，1986年欧洲国家的有关厂家向GSM提出了8个系统的建议，并在法国进行移动试验的基础上对系统进行了论证比较。1987年，就泛欧数字蜂窝状移动通信采用时分多址(TDMA)、规则脉冲激励长期线性预测编码(RPE-LTP)、高斯滤波最小频移键控调制方式(GMSK)等技术，取得一致意见，并提出了如下主要参数： (1) 频段：下行为935960 MHz(基站发，移动台收)；上行为890915 MHz(移动台发，基站收)。 (2) 载频间隔：200 kHz。 (3) 通信方式：全双工。,(4) 信道分配：每载频8个时隙，包含8个全速信道或16个半速信道。 (5) 每时隙信道编码速率：22.8 kb/s。 (6) 每个载波的传输速率：270 kb/s。 (7) 调制方式：GMSK(高斯最小频移键控)。 (8) 接入方式：TDMA。 (9) 语音编码：RPE-LTP，13 kb/s的规则脉冲激励长期线性预测编码。 (10) 分集接收：跳频每秒217跳，交织信道编码，自适应均衡。,3.1.2 GSM系统的特点 GSM系统的主要特点可归纳为如下几点： (1) GSM系统的移动台具有漫游功能，可以实现国际漫游。 (2) GSM系统提供多种业务，除了能提供语音业务外，还可以开放各种承载业务、补充业务和与ISDN相关的业务。 (3) GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。 (4) GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全。 (5) GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高。 (6) GSM系统容量大、通语音质好。,电信业务：是指为用户通信提供的，包括终端设备功能在内的完整信息表达能力，属于高层能力。包括：话音业务；点对点短消息业务(SMSPP)，在UMTS和GSM接入网间提供无缝隙的点对点短消息；小区广播短消息业务(SMSCB)，在UMTS和GSM接入网间提供无缝隙的小区广播短消息；紧急呼叫，UMTS R99支持GSM标准中定义的紧急呼叫。 承载业务：则提供用户接入点(也称用户/网络接口)间信号传输的能力，属于低层能力，如电路承载、分组承载等。 补充业务：是对两类基本业务的改进和补充，它不能单独向用户提供，必须与基本业务一起提供。同一补充业务，可应用到若干个基本业务中，比如呼叫转移、来电显示等等。,特点之一，客户与设备分离(人机分开)。在GSM通信中，SIM卡与移动设备之间已设置一个开放式的公共接口，这样，使用者与自己的设备之间没有互相依存的关系。 特点之二，通信安全可靠。因为在SIM卡中有一个永久性的存储器，既有存储能力，又有进行计算的能力，所以它属于智能卡。 特点之三，成本低。它比电话磁卡的成本低，并且质地结实耐用，易于推广。,3.2 GSM系统的组成 3.2.1 GSM系统的网络结构 蜂窝移动通信系统GSM主要由交换网络子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、操作维护子系统(OSS)和移动台(MS)四大部分组成，如图3-1所示。,举例： 下一个北京的固定电话用户拨打广州的一个移动用户的呼叫接续过程中各种识别码的应用过程。,1,2,3,4,5,6,P37,图3-1 GSM系统的网络结构,1交换网络子系统(NSS： Network Switching Subsystem) 交换网络子系统(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由一系列功能实体构成，各功能实体介绍如下。,1) 移动业务交换中心(MSC) MSC是GSM系统网络的核心，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他公用通信网之间的接口。MSC可从归属位置寄存器(HLR)、设备识别寄存器(EIR)和鉴权中心(AUC)三种数据库中获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC也根据其最新得到的用户请求信息(如位置更新、越区切换等)更新数据库的部分数据。它可完成网络接口、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MSC还应能完成入口MSC(GMSC)的功能，即查询位置信息的功能。,我记得小时候看电影时国民党军队打了败仗，总有一个军长或司令拿起电话机呼呼呼地摇动电话然然后恶狠狠地对电话那头的人说：“给我接XXX！”然后镜头一转，一个女兵将一个插头从一个设备的孔中拔出，插到另一个孔里就开始通话了。 原来搞不清楚是为什么，我们平时打电话拨完号后就可以直接通话了，怎么还要别人转接呢？现在搞清楚了，那个女兵就是接线员。她的工作就是将电话的两个用户线路接通（专业术语叫：接续）。,MSC通常是一个相当大的数字程控交换机，能控制若干个基站控制器(BSC)。目前一个典型的移动交换中心有812个机架，大约能满足一个百万人口的省会城市的要求，使其移动通信的普及率达到中等程度。 对于容量比较大的移动通信网，一个网络子系统(NSS)可包括若干个MSC、VLR和HLR。 案例1：固化呼叫移动 当固定用户呼叫GSM移动用户时，无需知道移动用户所处的位置，此呼叫首先被接入到入口移动业务交换中心(称为移动关口局或网管MSC)，即GMSC。入口交换机负责从HLR中获取移动用户的位置信息，且把呼叫转接到移动用户所在的MSC那里。,2) 访问用户位置寄存器(VLR：Visitor Location Register ) VLR是一个动态数据库。VLR服务于某一特定区域，当移动用户进入某一MSC管辖区域时,由MSC通知VLR，VLR通过外部接口从HLR中获取所有的用户数据。一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原来访问的VLR将取消临时记录的该移动用户数据。因此，VLR是一个动态数据库。,3) 归属用户位置寄存器(HLR：Home Location Register) HLR是管理部门用于管理移动用户呼叫资料的数据库。当一个人购买移动网的移动台时，他将被登记在该网络的HLR中，HLR与各营业点的终端相连。它储存两类数据： HLR是一个管理移动用户的主要数据库，根据网络的规模，系统可有一个或多个HLR。HLR存储以下方面的数据。 (1) 用户信息：用户信息中包括用户的入网信息以及注册的有关电信业务、传真业务和补充业务等方面的数据。,(2) 位置信息：利用位置信息能正确地选择路由，接通移动台呼叫，这是由通过该移动台当前所在区域提供服务的MSC完成的。 网络系统将用户的管理数据存储在HLR中，并对每一个注册的移动用户分配国际移动用户识别码IMSI（在网上正确识别某个用户，国际上唯一的识别一个移动用户） 和移动用户ISDN号(MSISDN，手机号码。即被叫时的呼叫号码)。,全国的移动通信系统我们看作是一个大网络的话，每个城市的通信系统都是在这个网络上的一个子系统。每个子系统都是由当地的运营商分公司独立运营，为各自服务区域的用户提供独立的通信服务，当然产生的费用就是当地运营分公司的收入。当拿着可以漫游的手机到其他城市（比如：上海）打电话时利用的是外地的通信网络，这时就出现了一个问题：该用户打手机产生的费用到底是给手机注册的武汉本地运营商分公司还是给外地的上海运营商分公司呢？ 不言而喻，漫游费的出现就解决该问题！（不过，我觉得这样的收费实在是对用户很不公平！） 为了继续说明VLR，我们先看看HLR： HLR这个数据库存储着本地用户的相关数据（武汉的用户数据都在武汉的HLR数据库中，上海的用户都在上海的HLR数据库中） 好了，我们继续说明VLR 当我们拿着武汉的手机到上海时，我们的手机将自动与上海的移动通信系统取得联系，上海的VLR将收集到的手机用户的一些基本信息后发现是外地（武汉）的手机，然后就联系武汉的移动通信系统将我们手机存储在武汉HLR上的用户信息拷贝到上海的VLR上，这时上海的移动通信系统就知道你到了上海并可以开始为你提供通信服务了。 要说明的一点是： VLR数据库是一个临时数据库，也就是说，当你离开上海时，上海VLR中你的数据就自动清除了。（当然，你来过上海的事实系统有其他机制纪录下来。）,4) 鉴权中心(AUC：Authentication Center ) AUC是为了防止非法用户进入GSM系统而设置的安全措施。AUC可以不断地为每个用户提供一组参数：RAND、SRES、KC，在每次呼叫过程中检查系统提供的和用户响应的该组参数是否一致，从而鉴别用户身份的合法性。AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。,举例:窃听,固话装了分机之后，容易被窃听。 如果是手机，就没有被窃听的可能了？为什么？ AUC就可以提供这个方面的服务。 它为每一个MT的通话提供了一个加密的密钥，在空气中传播的信息由于被密钥加密而变成无法被外界理解。只有通话双方能够听到正确的信息。这确实是一个令人振奋的消息。 当然，AUC不仅仅存储密钥，同时还存储了用户对手机的使用权限的相关信息，比如，当我们的手机已经欠费时，这个欠费的信息将会影响到我们无法继续使用手机打电话。 实际上，既然AUC存储着许多同用户安全方面的相关信息，所以AUC是HLR的一个组成模块,5) 设备识别寄存器(EIR：Equipment Identity Register ) EIR是又一种数据库，它存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)。它将用户提供的本机IMEI号码与它所存储的白色、黑色和灰色三种清单进行对照，在表格中分别列出准许使用的、失窃不准使用的、出现异常需要监视的移动设备的IMEI号码，当发现该IMEI号码属于黑色或灰色清单中的一种时，便不准或让用户暂停使用。这样便可以确保入网移动设备不是盗用的或是故障设备，确保注册用户的安全性。,举例：黑名单,实际上，黑白名单的机制不仅仅出现在移动通信领域，在数据网络通信中早有应用：例如一个局域网上的用户要访问服务器，除了要有正确的用户名和密码外还在服务器上设定的那些IP地址的用户可以使用，那些不能使用，这不就是白名单和黑名单的最好例子吗？！ 在EIR中存有三种名单： 白名单- 包括已分配给可参与运营的GSM各国的所有设备识别序列号码。 黑名单- 包括所有应被禁用的设备识别码。 灰名单- 包括有故障的及未经型号认证的移动台设备，由网络运营商决定。 也就是说EIR对设备的管理起着至关重要的作用，同时我们也应该认识到，EIR除了对MT提供管理的依据外，对其他系统级别的设备也有同样的管理功能。,2基站子系统(BSS：Base Station Subsystem ) BSS是GSM系统的基本组成部分，它是在一定的无线覆盖区中由MSC控制的，与MS进行无线通信的系统设备，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)。 通常，NSS中的一个MSC控制一个或多个BSC，每个BSC控制多个BTS。 基站控制器(BSC)：实际上是一台具有很强处理能力的小型交换机，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。,基站收/发信台(BTS)：是无线接口设备，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、调频等功能。BTS主要分为基带单元、载频单元和控制单元三大部分。基带单元主要用于必要的语音和数据传输速率适配以及信道编码等。载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机之间的耦合等。,3操作维护子系统(OSS) 操作维护子系统(OSS)主要包括三个部分的功能：对电信设备的网络操作与维护、注册管理和计费、移动设备管理；OSS要完成的任务都需要BSS或NSS中的一些或全部基础设施以及提供业务公司之间的相互作用；通过网络管理中心、安全性管理中心、用户识别卡管理个人化中心等功能实体，以实现对移动用户注册管理、收费和记账管理、移动设备管理与网络操作和维护。,4移动台(MS) 移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备。移动台类型可分为手持台、车载台和便携式台。移动台通过无线接口接入GSM系统，具有无线传输与处理功能。此外，移动台必须提供与使用者之间的接口，例如，为完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和各种按键；或者提供与其他一些终端设备之间的接口，如与个人计算机或传真机之间的接口。因此，根据应用与服务情况，移动台可以是单独的移动终端(MT)、手持机、车载机或者由移动终端(MT)直接与终端设备(TE)相连接而构成，或者由移动终端(MT)通过相关终端适配器(TA)与终端设备(TE)相连接而构成。这些都归类为移动台的重要组成部分之一移动设备。,移动台的另外一个重要组成部分是用户识别模块(SIM)。它基本上是一张符合ISO标准的“智能”卡，其中包含与用户有关的无线接口的信息，也包括鉴权和加密的信息。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，才可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。GSM系统是通过SIM卡来识别移动电话用户的，这为今后发展个人通信打下了基础。,3.2.2 GSM系统的网络接口? GSM系统在制定技术规范时，就对系统功能、接口等做了详细规定，以便于不同公司的产品可以互连互通，为GSM系统的实施提供了灵活的设备选择方案。GSM系统各部分之间的接口如图3-2所示。 GSM系统的接口可分为三大类：主要接口、NSS内部接口、GSM系统与其他公用电信网接口。下面对这些接口做详细介绍。 如：网线RJ-45接口?,图3-2 GSM系统的接口示意图,1主要接口 GSM系统的主要接口是指Um接口、Abis接口和A接口。这三种主要接口的定义和标准化可以保证不同厂家生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能够纳入同一个GSM移动通信网运行和使用。 (1) Um接口：又称为空中接口，它是移动台(MS)和基站收/发信台(BTS)之间的接口，用于移动台和GSM系统设备间的互通，其物理链接通过无线链路来实现。此接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和连接管理等。,(2) Abis接口：是基站控制器(BSC)和基站收/发信台(BTS)之间的通信接口。Abis接口支持向用户提供的所有服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配，其物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s或者64 kb/s PCM数字传输链路来实现。 (3) A接口：即BSC与MSC之间的接口，采用14位地址方式，其物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s PCM数字传输链路来实现。此接口主要传递呼叫处理、移动性管理、基站管理、移动台管理等信息。,2. NSS系统内部接口 在NSS内部各功能实体之间定义了B、C、D、E、F和G接口，它们的物理链接方式都是通过标准的2.048 Mb/s PCM数字传输链路来实现的。 (1) B接口：即MSC与VLR之间的接口，用于MSC向VLR询问有关移动台当前位置的信息或通知VLR有关移动台的位置更新信息等。 (2) C接口：即MSC与HLR之间的接口，用于完成被叫移动用户信息的传递以及获取被叫移动用户的漫游号码。,(3) D接口：即HLR与VLR之间的接口，用于交换移动台位置和用户管理的信息。当移动台漫游到VLR所管辖的区域时，VLR通知MS的HLR，HLR向VLR发送有关该用户的业务消息，以便VLR给漫游用户提供合适的业务。同时，HLR还要通知前一个为移动用户服务的VLR删除该移动客户的信息。 (4) E接口：即MSC与MSC之间的接口，用于移动台在呼叫期间从一个MSC区移动到另一个MSC区，为保持通话连续而进行局间切换，以及两个MSC间建立用户呼叫接续时传递的有关消息。,(5) F接口：即MSC与EIR之间的接口，用于MSC检验移动台IMEI(国际移动设备识别码)时使用。 (6) G接口：即VLR之间的接口，当移动台以TMSI(临时移动用户识别码)启动位置更新时，VLR使用G接口向前一个VLR获取MS的IMSI。,3GSM系统与其他公用电信网接口 其他公用电信网主要是指公用电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)、分组交换公用数字网(PSPDN)和电路交换公用数据网(CSPDN)。GSN系统通过移动交换中心(MSC)与这些公用电信网互连，其接口必须满足CCITT的有关接口和信令标准及各个国家邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。,3.2.3 GSM系统的频谱分配和频道划分 1频率配置 除美国外，全球基本GSM 900的频率范围是890 915 MHz(上行25 MHz)，935960 MHz(下行25 MHz)；扩展GSM 900的频率范围是880915 MHz(上行35 MHz)，925960 MHz(下行35 MHz)。我国蜂窝移动通信网GSM系统采用900 MHz频段： 上行链路：890915 MHz(移动台发、基站收) 下行链路：935960 MHz(基站发、移动台收) 可用带宽为25 MHz，收/发频率间隔为45 MHz。,随着业务的发展，可视需要向下扩展，或向1.8 GHz频段的DCS 1800过渡，即1800 MHz频段： 上行链路：17101785 MHz(移动台发、基站收) 下行链路：18051880 MHz(基站发、移动台收) 可用带宽为75 MHz，双工收/发频率间隔为95 MHz。,2频道配置 由于载频间隔是200 kHz，因此GSM系统将整个工作在900 MHz频段共25 MHz带宽按照等间隔频道配置的方法，共分为124对载频，频道序号为1124。其中，中国移动为194频道，中国联通为95124频道。频道序号和频道标称中心频率的关系为,(3-1),因双工间隔为45 MHz，所以其下行频率可用上行频率加双工间隔获得，即,fh(n)= fl(n)+45 MHz (3-2),在GSM系统中因采用TDMA技术，每载频分为8个时隙，即8个信道，因此，给出信道号m计算对应工作频率时，应先计算对应的频道号n=m/8，n取值时，计算得到的小数部分全部进位。如m=11，则n=11/8=1.375，取n=2，代入式(3-1)计算。 例3-1 计算第131号频道的上、下行工作频率。 解 fl(131) = 890.200 MHz+(1311)0.200 MHz = 916.2 MHz fh(131)=fl(131)+45 MHz =961.2 MHz,例3-2 计算第131号信道的上、下行工作频率。 解 因为GSM系统中，每频道分为8个时隙，即8个信道，所以第131号信道对应的工作频道号为 则 fl(17)=890.200 MHz+(171)0.200 MHz =893.4 MHz fh(17)= fl(17)+45 MHz = 938.4 MHz,3载波干扰保护比 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/I9 dB 邻频道干扰保护比：C/I9 dB 载波偏离400 kHz时的干扰保护比：C/I41 dB,补充： 1、dB也是功率增益的单位，表示一个相对值。当计算A的功率相比于B大或小多少个dB时，可按公式10 lg A/B计算。 2、dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw）。 例： 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为： 10lg（40W/1mw）=10lg（40000）=46dBm。 3、dBi和dBd是功率增益的单位，dBi的参考基准为全方向性天线；dBd的参考基准为偶极子。,4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，若所有可用的频道数为N(如94)，分成F组(如9组)，则每组的频道数为N/F(94/9 10.6，即有些组的频道数为10个，有些为11个)。对每个运营商来说，分配给它的总的频道数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，在工程实际使用中要折中考虑，同时要把同频干扰保护比C/I值加3 dB的冗余来保护。,一般对于有方向性天线，采用12分组方式，即4个基站、12组频率(见图3-3)或9分组方式，即3个基站、9组频率(见图3-4)。 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，但相邻频率组应尽量不在相邻小区使用，业务量较大的地区可借用剩余的频率组借用频道。如使用第9组的小区可借用第2组频道等，如图3-5所示。,图3-3 12分组4 3复用方式,图3-4 9分组3 3复用方式,图3-5 采用无方向性天线时的频率配置,5. 保护频带 保护频带设置的原则是确保数字蜂窝移动通信系统能满足上面所述的干扰保护比要求。如GSM 900 MHz系统中，移动和联通两系统间应有约400 kHz的保护带宽； GSM 1800 MHz与其他无线电系统的频率相邻时，应考虑系统间的相互干扰情况，留出足够的保护频带。,3.3 GSM系统的无线接口 3.3.1 接入方式 在GSM中，无线路径上是采用频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)相结合的接入方式。在这种接入方式中，GSM共25 MHz的频段被分为124个频道，频道间隔是200 kHz。每一频道(或载频)可分成8个时隙(TS0TS7)，每一时隙为一个信道，每个信道占用带宽200 kHz/8 = 25 kHz。因此，一个载频最多可有8个移动客户同时使用，如图3-6所示。 在图3-6中，(a)、(b)都是一个方向的情况，在相反方向上必定有一组对应的频率(FDMA)或时隙(TDMA)。,图3-6 FDMA和TDMA结合的接入方式 (a) FDMA；(b) TDMA,3.3.2 GSM的帧结构 在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，在信息传输中要有TDMA 帧号(FN)，这是因为GSM的特性之一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。而计算加密序列的算法要以TDMA帧号为一个输入参数，因此每一帧都必须赋予一个帧号。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(后续)。TDMA帧号是以3.5 h(2 715 648个TDMA帧)为周期循环编号的。每2 715 648个TDMA帧为一个超高帧，每一个超高帧又可分为2048个超帧，一个超帧持续时间为6.12 s，每个超帧又是由复帧组成的。帧的编号FN以超高帧为周期，从0到2 715 647。GSM系统各种帧结构及时隙的格式如图3-7所示。,从图3-7中可以看出复帧分为两种类型：26帧的复帧和51帧的复帧。26帧的复帧包括26个TDMA帧，这种复帧持续时长为120 ms，主要用于业务信息的传输，也称做业务复帧。51帧的复帧包括51个TDMA帧，这种复帧持续时长为235.385 ms，专用于传输控制信息，也称做控制复帧。,图3-7 GSM系统各种帧结构及时隙的格式,时隙是构成物理信道的基本单元，在时隙内传送的脉冲串叫做“突发”(burst)脉冲序列。每个突发脉冲序列共 156.25 bit，占时0.577 ms。不同的突发信息格式携带不同的逻辑信道。突发脉冲序列的格式如图3-8所示。,图3-8 突发脉冲序列的格式,1. 常规突发(NB)脉冲序列 常规突发脉冲序列也称普通突发脉冲序列，用于携带业务信道及除接入信道、同步信道和频率校正信道以外的控制信道上的信息(关于信道的有关问题将在下面论述)。“57个加密比特”是客户数据或语音，另用“1”个比特作为借用标志。借用标志是表示此突发脉冲序列是否被某个信道借用。“26位训练序列”是一串已知比特，是用于供均衡器产生信道模型(一种消除时间色散的方法)的依据。“TB”(尾比特)总是000，用于帮助均衡器判断起始位和中止位。“GP”(保护间隔)占用8.25 bit(约30 s)，是一个空白空间。由于每载频最多8个客户，因此必须保证各自时隙发射时不相互重叠。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8.25 bit的保护可使发射机在GSM建议许可范围内上下波动。,2. 频率校正突发(FB)脉冲序列 频率校正突发脉冲序列用于移动台的频率同步，它相当于一个带频移的未调载波，它的“固定比特”全部是0，可使调制器发送一个未调载波。“TB”和“GP”同常规突发脉冲序列中的“TB”和“GP”。,3. 同步突发(SB)脉冲序列 同步突发脉冲序列用于移动台的时间同步。因为在语音编码和信道编码时没有考虑同步问题，故数字传输中最重要的同步问题由突发传输解决。SB是BS到MS的突发，包括一个易于被检测的长同步序列(64 bit)，两段各39 bit的加密比特和8.25 bit的保护间隔(见图3-8)。同步序列(64 bit)用于携带TDMA帧号(FN)和基站识别码(BSIC)，与频率校正突发脉冲序列一起广播。SB的重复发送构成了同步信道(SCH)。它是MS在下行方向上解调的第一个突发。只要有TDMA帧号，MS就能判断控制信道的时隙。,4. 接入突发(AB)脉冲序列 接入突发脉冲序列用于MS主呼或寻呼相应时随即接入，它有一个较长的保护间隔(68.25 bit)。这是因为移动台的首次接入或切换到一个新的基站后不知道时间提前量，移动台可能远离基站，这意味着初始突发脉冲序列会迟一些到达，由于第一个突发脉冲序列没有时间提前，为了不与正常到达的下一个时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲序列必须要短一些，保护间隔长一些(见图3-8)。,5. 空闲突发(DB)脉冲序列 空闲突发脉冲序列是指当用户无信息传输时，用DB代替NB在TDMA时隙中传送。DB不携带任何信息，也不发送给任何移动台，格式与NB相同，只是其中加密比特改为具有一定的比特模型的混合比特。,3.3.3 信道的构成 GSM系统的信道构成如图3-9所示。 信道?,图3-9 GSM系统的信道构成,1信道的定义 物理信道就是TDMA帧中的一个时隙，逻辑信道是根据所传输信息的种类人为定义的一种信道，在传输过程中逻辑信道要被映射到某个物理信道上才能实现信息的传输。 2逻辑信道的构成 逻辑信道分为两类：业务信道(TCH)和控制信道(CCH)。 1) 业务信道(TCH) 业务信道用于传送编码后的语音或数据，在上行或下行信道上，采用点对点(BTS对一个MS，或反之)方式传播。,2) 控制信道(CCH) 控制信道用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能，控制信道又分为广播信道(BCH)、公共控制信道(CCCH)和专用控制信道(DCCH)三种。 (1) 广播信道(BCH)：是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向移动台广播公用的信息。传输的内容主要是移动台入网和呼叫建立所需要的有关信息。BCH又分为以下三种信道： 频率校正信道(FCCH)：携带用于校正MS频率的消息，属于下行信道，采用点对多点(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，属于下行信道，采用点对多点方式传播。 广播控制信道(BCCH)：广播每个BTS的通用信息(小区特定信息)，属于下行信道，采用点对多点方式传播。 (2) 公用控制信道(CCCH)：是一种双向控制信道，用于呼叫持续阶段传输链路连接所需要的控制信令。CCCH又分为以下三种信道： 寻呼信道(PCH)：用于寻呼(搜索)MS，属于下行信道，采用点对多点方式传播。, 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/登记时的接入信道，属于上行信道，采用点对点方式传播。 准许接入信道(AGCH)：用于为MS分配一个独立专用控制信道(SDCCH)，属于下行信道，采用点对点方式传播。 (3) 专用控制信道(DCCH)：是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必须的控制信息。DCCH又分为以下三种信道：, 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)，属于上行或下行信道，采用点对点方式传播。 慢速辅助控制信道(SACCH)：它与一个TCH或一个SDCCH相关，是一个传送周期性信息的数据信息的信道，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，属于上行或下行信道，采用点对点方式传播。, 快速辅助控制信道(FACCH)：它与一个TCH相关，工作于借用模式，即在语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20 ms的语音(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20 ms的语音，因此这种中断不被用户察觉。,3.3.4 逻辑信道到物理信道的映射 经过上面的讨论可知：GSM系统的逻辑信道数已经超过了一个载频所能提供的8个物理信道，因此要想给每一个逻辑信道都配置一个物理信道是不可能的，解决这个问题的基本方法是将公共控制信道复用，即在一个或两个物理信道上承载所有的公共控制信道。这个过程就是逻辑信道到物理信道的映射。 GSM系统是按下面的方法建立物理信道和逻辑信道间的映射关系的。,假设每个基站都有n个载频，分别用C0，C1，Cn1表示，其中C0称为主载频。每个载频都有8个时隙，分别用TS0，TS1，TS7表示。C0上的TS0用于广播信道和公共控制信道，C0上的TS1用于专用控制信道，C0上的TS2TS7用于业务信道。其余载频C1Cn1上的8个时隙均用于业务信道。因此，每增加一个载频就会增加8个业务信道。不过在小容量地区，基站仅有一套收/发信机，这意味着只有8个物理信道，这时TS0既可用于公共控制信道又可用于专用控制信道。,1业务信道的映射p48 业务信道的复帧含26个TDMA帧，其组成的格式和物理信道的映射关系如图3-10所示。图中给出了时隙2(即TS2)构成一个业务信道的复帧，共占26个TDMA帧，其中24帧为T(即TCH)，用于传输业务信息；1帧为A，代表随路的慢速辅助控制信道(SACCH)，传输慢速辅助信道的信息(例如功率调整的信令)；还有1帧I为空闲帧。若某MS被分配到TS2，每个TDMA帧的每个TS2包含了此移动台的信息，直到该MS通信结束。只有空闲帧是个例外，它不含有任何信息，移动台以一定方式使用它，在空闲帧后序列从头开始。,上行链路与下行链路的业务信道具有相同的组合方式，唯一的差别是有一个时间偏移，即相对于下行帧，上行帧在时间上推后3个时隙，这意味着移动台的收/发不必同时进行。 120mS,图3-10 业务信道的映射方式,2控制信道的映射 1) BCCH和CCCH在C0的TS0上的映射 由帧的分级结构可知，51帧的复帧是用于携带控制信息的，51帧的复帧中共有51个TS0，所映射的信道是广播控制信道和公共控制信道(BCCH、CCCH、FCCH、SCH)，其排列的序列如图3-11所示。此序列在第51个TDMA帧上映射一个空闲帧之后开始重复下一个51帧的复帧。,图3-11 下行BCCH与CCCH在TS0上的映射,F(FCCH)移动台据此同步频率，它的突发脉冲序列为FB； S(SCH)移动台据此读TDMA帧号和BSIC码，突发脉冲序列为SB； B(BCCH)移动台据此读有关小区的通用信息，突发脉冲序列为NB； I(IDEL)空闲帧，不包括任何信息，突发脉冲序列为DB； C(CCCH)移动台据此接收寻呼和接入，突发脉冲序列为NB。 即便没有寻呼或接入进行，BTS也总在C0的TS0上发射上述信息，使移动台能够测试基站的信号强度，以确定使用哪个小区更合适。C0的TS1TS7以及其他载频的时隙也一样常发，如果没有信息传送，则用空闲突发脉冲序列代替。,以上叙述了下行链路C0上的TS0的映射。对上行链路C0上映射的TS0是不包含上述各信道的，它只含有随机接入信道(RACH)，用于移动台的接入，如图3-12所示，它给出了51个连续TDMA帧的TS0。,图3-12 上行RACH在TS0上的映射,2) SDCCH和SACCH在C0的TS1上的映射 下行链路C0上的TS1用于映射专用控制信道(DCCH)。其映射关系如图3-13所示。由于呼叫建立和登记时的比特率较低，因此可在一个时隙上放8个专用控制信道，以提高时隙的利用率。SDCCH和SACCH共占用102个时隙(即102个时分复用帧)，即两个复帧。,图3-13 下行SDCCH+SACCH在TS1上的映射,SDCCH的Dx(D0，D1，D7)只在移动台建立呼叫或登记的开始时使用；当移动台转移到业务信道TCH上，用户开始通话或登记完释放后，Dx就用于其他的移动台。 SACCH的Ax(A1，A2，A7)是在传输建立阶段(也可能是切换时)需交换的控制信息，如功率调整等信息。移动台的此类信息就是在该信道上传送的。 由于是专用控制信道，因此上行链路C0上的TS1也具有与下行链路同样的结构，即意味着对一个移动台同时可双向连接，但在时间上有一个偏移。,3) BCCH和CCCH以及DCCH在TS0上的映射 以上讲的是基站载频多于一个时，公共控制信道(CCCH)与专用控制信道(DCCH)映射到两个信道。当某个小区仅有一个载频时，这意味着只有8个时隙，这时的TS0既可用作公共控制信道(CCCH)又可用作专用控制信道(DCCH)，映射方法如图3-14所示。,图3-14 BCCH+CCCH+SDCCH+SACCH下行链路在TS0上的映射,102个TDMA帧重复一次，即下行链路包括BCCH(F，S，B)、CCCH(C)、SDCCH(D0D3)、SACCH(A0A3)和空闲帧I。上行链路包括RACH(R)、SDCCH(D0D3)和SACCH(A0A3)，共占102个TS。如图3-15所示。,图3-15 RACH+SDCCH+SACCH上行链路在TS0上的映射,3.3.5 语音与信道编码p51 由于GSM系统是一种全数字系统，语音和其他信号都要进行数字化处理，因此移动台要先将语音信号转换成模拟电信号后，再把该模拟电信号经语音编码转换成数字信号，最后经信道编码后送给无线信道。 目前，GSM采用的语音编码方案是规则脉冲激励长期线性预测编码器(RPE-LTP)，其目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，同时达到与固定电话尽量相接近的语音质量。而信道编码主要包括纠错编码和交织技术，目的是增加系统的可靠性。,3.3.6 跳频与语音间断传输技术 1跳频 跳频是指载波频率在很宽频率范围内按某种图案(序列)进行跳变。跳频技术首先被用于军事通信，后来在GSM标准中也被采纳。GSM系统实现跳频的方法是将语音信号进行语音和信道编码形成帧后，在跳频序列控制下，由发射机采用不同频率发射。图3-25所示为GSM系统的跳频示意图。GSM规定每帧改变一次频率，即每隔4.615 ms改变一个载波频率，跳频速率为1/4.615 ms = 217跳/秒。,图3-25 GSM系统的跳频示意图,跳频是靠躲避干扰来达到抗干扰性能的。抗干扰性能用处理增益Gp表示，Gp的表达式为,式中：Bw为跳频系统的跳变频率范围；Bc为跳频系统的最小跳变的频率间隔(GSM的Bc=200 kHz)。 若取Bw为15 MHz，则Gp=18 dB。 跳频技术改善了无线信号的传输质量，可以明显地降低同频干扰和频率选择性衰落，提高整个系统的抗干扰能力。,2语音间断传输技术? 语音间断传输(Discontinuous Transmission，DTX)技术是指仅在包含有用信息帧时才打开发射机，而在语音间隙的大部分时间里关闭发射机的一种操作模式。目的有两个：一是节省移动台电源，延长电池使用时间；二是减少空中平均干扰电平，提高频谱利用率。 GSM系统中采用DTX方式，并不是在语音间隙简单地关闭发射机，而是要求在发信机关闭之前，必须把发送端背景噪声的参数传送给接收端，接收端利用这些参数合成与发送端类似的噪声(通常称为“舒适噪声”)。这样做的目的是当发信机打开时，背景噪声连同语音一同转发给接收端；在语音脉冲结束时，由于关掉了发射机而使噪声降低到很低的电平，从而使听者感到极不舒服。为了改善这种情况，采用插入人工噪声的方法，在发送端关闭发射机前，把静寂描述帧SID发给接收端，接收端在无语音时，移动台自动产生舒适的背景噪声。,3.4 编号与GSM系统的业务 3.4.1 编号 GSM网络结构比较复杂，它包括基站子系统、交换网络子系统、移动台子系统和操作维护子系统。每个子系统又包含一个或多个功能实体。为了将一个呼叫接至某个移动用户，需要调用相应的实体。因此，要正确寻址，编号计划就非常重要。本节将介绍GSM系统中各类编号的结构与作用。,1移动台ISDN号码(MSISDN) MSISDN是指主叫用户为呼叫GSM PLMN中的一个移动用户所需拨的号码，作用同固定网PSTN号码。它存储在HLR和VLR中，由3部分组成。其结构如下：,CC：国家码，如中国为86。 NDC：国内目的码，即网络接入号，如中国移动的NDC目前有139、138、137、136、135等，中国联通的NDC为130、131、132等。 SN：用户号码，采用等长的8位编号计划。SN号码结构为H0H1H2H3ABCD。 在中国，移动用户号码位为11位，其一般格式为139(或80)-H0H1H2H3ABCD，例如,2国际移动用户识别码(IMSI) IMSI是GSM系统分配给移动用户(MS)的唯一的识别号，此码在所有位置，包括在漫游区都是有效的。它存储在SIM卡、HLR和VLR中，其结构如下：,MCC：移动用户国家码，占3位数字，如中国的MCC为460。MCC在世界范围内统一分配。 MNC：移动网号，占2位数字，如中国移动的MNC为00，中国联通的MNC为01。 MSIN：移动用户识别码，由10位数字构成，用于唯一地识别某一PLMN内的MS。,3移动用户漫游号码(MSRN) 当一个被叫移动用户已经离开最初登记的HLR而漫游时，只要该用户已经在被访地登记，为避免该用户号码与当地同号用户重叠，VLR临时分配给移动用户一个号码，即移动用户漫游号码(MSRN)。此号码只在很短的时间范围内(如30 s)有效，其结构类似被访地的MSISDN。对于在某一特定区域漫游的移动用户，MSRN在被访VLR区域内是唯一有效的。,4临时移动用户识别码(TMSI) 临时移动用户识别码(TMSI)可在空中接口代替IMSI使用，作用是在空中接口保护用户身份的私密性。TMSI为4个字节，具体编码方案由运营商确定。TMSI由VLR管理，有效范围是位置区，当某用户进入一个新的位置区进行位置更新时，由新位置区的VLR给来访的用户分配一个唯一的TMSI。,5位置区识别码(LAI) 位置区识别码(LAI)用于移动客户的位置更新，其号码结构如下：,MCC：移动客户国家码，同IMSI中的前3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，表示为X1X2X3X4。在一个GSM PLMN网中可定义65 536个不同的位置区。,6全球小区识别码(GCI) GCI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)，其结构如下：,CI是一个2字节的BCD编码，由各MSC自定。,7基站识别码(BSIC) BSIC用于识别相邻国家的相邻基站，为6 bit编码，其结构如下：,NCC：国家色码，主要用来区分国界各侧的运营者(国内区别不同的省)，为XY1Y2，其中X表示运营商(移动X=1，联通X=0)，Y1、Y2的分配见表3.1。,BCC：基站色码，用于识别基站，由运营者设定。,8国际移动设备识别码(IMEI) 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，其结构如下：,TAC：型号批准码，由欧洲型号认证中心分配。 FAC：工厂装配码，由厂家编码，表示生产厂家及其装配地。 SNR：序号码，由厂家分配，用于识别每个TAC和FAC中的某个设备。 SP：备用，备作将来使用。,9MSC/VLR号码 MSC/VLR号码在No.7信令信息中使用，代表MSC的号码。我国邮电部门GSM移动通信网中的MSC/VLR号码结构为1390M1M2M3，其中M1M2的分配同H1H2的分配。 10HLR号码 HLR号码在No.7信令信息中使用，代表HLR的号码。我国邮电部门GSM移动通信网中的HLR号码结构是客户号码为全零的MSISDN号码，即139H1H2H30000。 11切换号码(HON) HON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)临时分配给移动客户的一个号码。