《GSM无线基本概念》PPT课件.ppt

Better Makes Best,GSM无线基本概念简介,GSM网络系统结构,1,蜂窝小区,2,无线电波传播,4,3,4,频率资源,5,6,载干比,信道概念,7,GSM空中控制技术,网络系统结构,移动通信网主要分为交换传输部分和无线部分，交换传输部分与PSTN网类似，而无线网络是特有的，无线比有线存在很多不确定的因素，而移动无线电波比固定无线通信由于其移动性和传播条件的恶劣显得特别复杂。 无线网络的优劣常常成为决定移动通信网络好坏的决定因素之一，也是我网络优化的重点。,网络系统结构,一套完整的蜂窝移动通信系统主要是由交换网络子系统（SS）、无线基站子系统（BSS）、移动台（MS）及操作维护子系统（OMC）四大子系统设备组成。 由于GSM规范是由北欧一些运营公司制定出来的，为了照顾各运营公司的利益，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。也就是说，各接口都是开放式的接口。,网络系统结构,网络系统结构,GSM系统结构如图所示， SS系统包括有 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）； BSS系统包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。,网络系统结构,为了各个厂家所生产的设备可以通用，上述各组成部分的连接都必须严格地符合规定的接口标准。GSM系统遵循CCITT建议的公用陆地移动通信网（PLMN）接口标准，采用7号信令支持PLMN接口进行所需的数据传输。,网络系统结构,交换网络资系统（SS）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。SS由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下： 移动交换中心（MSC） 它是GSM网络系统的核心部分，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。 MSC提供交换功能，完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、积肥、基站管理等功能，还可以完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。 作为网络的核心，MSC与网络其他部件协同工作，完成移动用户位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功能。,网络系统结构,归属位置寄存器（HLR） HLR是一个静态数据库，用来存储本地用户数据信息的数据库。一个HLR能够控制若干个移动交换区域或整个移动通信网，所有用户重要的静态数据都存贮在HLR中，在GSM通信网中，通常设置若干个HLR，每个用户都必须在某个HLR（相当于该用户的原籍）中登记。登记的内容分为两类：一种是永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务类型以及保密参数等；另一种是暂时性的需要随时更新的参数，即用户当前所处位置的有关参数，即使用户漫游到HLR所服务的区域外，HLR也要登记由该区传送来的位置信息。这样做的目的是保证当呼叫任一个不知处于哪个地区的移动用户时，均可由该移动用户的原地位置寄存器获知它当时处于哪一个地区，进而建立起通信链路。 HLR储存两类数据： 一是用户的参数，包括MSISDN、IMSI、用户类别、Ki、补充业务等。 二是用户的位置信息，即该MS目前处于哪个MSC/VLR中的MSC/VLR地址。,网络系统结构,拜访位置寄存器（VLR） VLR是一种用于存储来访用户位置信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控制区服务，也可以为几个相邻MSC控制区服务。当移动用户漫游到新的MSC控制区时，它必须向该地区的VLR申请登记。VLR要从该用户的HLR查询有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码（MSRN），并通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为其他用户呼叫此移动用户时提供路由信息。如果移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，HLR在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR，删除此移动用户的位置信息。因此，VLR可看作是一个动态数据库。 VLR中也寄存两类信息： 一是本交换区用户参数，该参数是从HLR中获得的。 二是本交换区MS的LAI。,网络系统结构,鉴权中心（AUC） 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。它产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权和加密都需通过系统提供的用户三参数组参与来完成。 三参数组：RANDom number（RAND）、Signed RESponse（SRES）、Ciphering Key（Kc） AUC存储着鉴权信息与加密密钥，用来进行用户鉴权及对无线接口上的语音、数据、信令信号进行加密，防止无权用户接入和保证移动用户通信安全。,网络系统结构,设备设别寄存器（EIR） 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。 EIR存贮着移动设备的国际移动设备识别号（IMEI），通过核查白色清单、黑色清单、灰色清单这三种表格，分别列出准许使用、出现故障需监视、失窃不准使用的移动设备识别号（IMEI）。运营部门可据此确定被盗移动台的位置并将其阻断，对故障移动台能采取及时的防范措施。 但在我国，基本上没有采用EIR进行设备识别。,网络系统结构,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）。 基站子系统BSS在GSM网络的固定部分和无线部分之间提供中继，一方面BSS通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面BSS又连接到网络端的移动交换机。,网络系统结构,基站控制器（BSC） 基站控制器（BSC）是基站收发信台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发信台和操作维护中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制多个基站收发台，其主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路建立与拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制，控制完成移动台的定位、切换及寻呼等，是一个很强的业务控制点。,网络系统结构,基站收发信台（BTS） 基站收发信台（BTS）包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线，连接基站控制器的接口电路以及收发信台本身所需要的检测和控制装置等。BTS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。 BTS包括无线收发信机和天线，此外还有与无线接口相关的信号处理电路。信号处理电路将实现多址服用所需的帧和时隙的形成和管理，以及为改善无线传输所需的信道编码、信道解码和加密、解密，速率适配等功能,网络系统结构,移动台（MS） 移动台就是常说的“手机”，它是GSM系统的移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。MS可完成语音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发送和接收。 SIM卡就是“身份卡”，它类似于现在所用的IC卡，因此也称为智能卡，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络。SIM卡还存储与网络和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入网络进行正常通信。,网络系统结构,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监视、系统的自荐、报警与备用设备的激活、系统的故障诊断与处理、话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及各种资料的收集、分析与显示等功能。,网络系统结构,GSM网络区域组成 GSM服务区：由一个或者几个服务区组成，这些服务区具有完全一致的MS-BS接口 PLMN：是指由一家公司负责经营的移动通信业务区域，一般由若干个业务区（移动本地网）组成（此服务区是逻辑上的区域），对于网内存在的若干个MSC，也采用编号方式进行识别和管理。 MSC/VLR业务区：MSC所覆盖的服务区域，凡在该区的移动台均在该区的拜访位置寄存器（VLR）登记。一个移动业务交换中心（MSC）所覆盖的网络部分，可由N个位置区组成。MSC亦由编号方法来识别管理，通常一个或几个MSC对应一个HLR。 位置区（LA）：移动台可在其中自由移动而不需要进行位置登记的区域，一个位置区可包含若干小区，在MSC中采用位置区域识别码（LAI）对其进行管理。 基站区：由一个基站提供服务的所有小区所覆盖的区域。 小区：一个基站划分为若干个小区，它是网络中的一个基本无线覆盖区域。,网络系统结构,蜂窝小区,目前的移动通信系统一般采用小区制，即将整个网络服务区域划分为若干小区，每个小区用以负责本小区移动通信的联络和控制等功能。因此移动网络的覆盖区可以看成是由若干正六边形的无线小区相互邻接而构成的面状服务区。由于这种服务区的形状很像蜂窝，便将这种系统称之为蜂窝式移动通信系统，与之相对应的网络称之为蜂窝式网络。,蜂窝小区,蜂窝小区可分为以下几种： 宏蜂窝小区：每小区的覆盖半径大多为1km-25km，发射功率较强，一般在10W以上，是GSM小区的主要组成部分。 微蜂窝小区：是在宏蜂窝基站的基础上发展起来的一种小型化基站。它的覆盖半径大约为30m-300m，发射功率较小，一般在1W以下，用于解决GSM系统中的盲点和热点。 微微蜂窝：实质就是微蜂窝的一种，只是他的覆盖半径更小，一般只有10m-30m，基站发射功率更小，大约在几十毫瓦左右，它主要解决城内的室内覆盖。,蜂窝小区,蜂窝小区系统有以下三个特点： 1、无线频率资源复用。由系统所选用的调制方式、带宽确定载干比，在满足这个载干比要求的前提下考虑到多经衰落等因素确定同频复用保护距离。 2、越区自动切换。当一个移动用户从某小区移动到另一个小区时，为使通话不被中断需要自动切换信道，用户不会察觉到这个过程。 3、漫游。漫游是GSM的一大优点。所谓漫游功能，是指PLMN网络始终能够跟踪移动用户的实际位置，从而可以方便地将呼叫终接至该用户。移动用户可自由地漫游至另一地，只要开机，就可收发呼叫，而不需作任何事先登记。另外，用户自由漫游也意味着当它跨越位置区边界时，进行中的呼叫不被中断。,无线电波传播,移动通信是指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交流的通信，而移动体之间的通信只能依靠无线电传输，因此无线通信是指利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式。 电磁波是无线通信的载体。,无线电波传播,陆地移动通信（PLMN）环境的特点 MS的天线比较低 MS的移动性 信号电平随机变化 在城市环境中存在着波导效应 由于街道两旁有高大的建筑物，导致波导效应。结果使得沿着传播方向的街道信号增强，垂直于传播方向的街道上信号减弱，两者相差达10dB以上。不过这种现象在离基站距离越远，减弱程度就越小。 人为噪声现象严重 干扰现象严重,无线电波传播,无线传播环境十分复杂，传播方式多种多样，几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。 直射：无线电波在自由空间传播的基本方式。自由空间是一个理想的无限大的空间，是为了简化问题的研究而提出的一种科学抽象。 反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生发射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。 绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。 散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其他不规则物体，如：树叶、灯柱等。,无线电波传播,当MS和基站的距离逐渐增加时，所收到的信号会越来越弱，原因是发生了路径损耗。路径损耗不仅与载频频率、传播速度有关，而且还与传播地形和地貌有关。 移动通信中多径信号的构成主要由两类：一类是从远地散射体产生的回波，这种回波的时延较长且较稳定；另一类是从MS附近半径为50-100波长的建筑物和树林反射和散射的回波，这类回波数量大，时延短，它们是构成多径信号的主要部分。,无线电波传播,信号是一个随机值，需要用中值和顺时值来联合表征。实际的接收信号在中值的基础上叠加了顺时值。称中值为漫衰落，瞬时值为快衰落。,无线电波传播,慢衰落是由接收点周围地形地物对信号发射，使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化，若MS在没有任何障碍物的环境下移动，则信号电平只与发射机的距离有关。所以通常某点信号电平是指几十米范围内的平均信号电平，这个信号的变化呈正态分布。 快衰落是叠加在慢衰落的信号上的，这个衰落的速度很快，每秒可达几十次，除与地形地物有关，还与MS的速度和信号的波长有关；并且幅度最高可达几十个dB，信号的变化呈瑞利分布，因此也叫瑞利衰落。,频率资源,GSM网载频间隔为200kHz，GSM800和GSM900频段上有124个频率载频，GSM1800频段上有374个频率载频，GSM1900频段上有299个频率载频。 每个频率采用时分多址（TDMA）接入方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）。每个载频上有8个物理时隙，因此各频段上总的时隙数如下： 124*8=992 （GSM 800） 124*8=992 （GSM 900） 374*8=2992（GSM 1800） 299*8=2392（GSM 1900）,频率资源,GSM频率资源分配表,频率资源,频率标称中心频率与序号的关系由下公式确定： 上行频率F（n）=890+0.2nMHz 下行频率F（n）=835+0.2nMHz 其中，n为绝对频率号，从1-124 DCS1800频率编号： 上行频率F（n）=1710+0.2*（n-511）MHz 下行频率F（n）=1805+0.2*（n-511）MHz 其中，n为绝对频率号，从512-885,频率资源,目前我国使用的是GSM900和GSM1800频段，在每端留有200kHz的保护带。 按照国家规定： 中国移动占用890909MHz上行，935954MHz下行 中国联通占用909915MHz上行，954960MHz下行 现在中国移动新分配的EGSM部分 中国移动占用885909MHz上行，930954MHz下行,载干比,载波干扰保护比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造成的。 在给定的复用距离上，某小区将使用其他小区也在使用的信道。这意味着该小区将受到来自使用相同信道小区的频率干扰，最终基站的覆盖范围内将受到同频率干扰所限制，而不是通常的噪声所限。 因此，相对于传统的噪声受限系统，说成熟的蜂窝系统是干扰受限系统。在设计蜂窝系统时就是要把这些干扰控制在可容忍的电平。通过对信道复用距离的控制能部分做到这一点，而且是复用距离越长，干扰越小。,载干比,同频干扰C/I 所谓同频干扰保护比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/I9dB； 工程中一般加3dB余量，即要求C/I12dB。 计算C/I值时要有两个值，一个是主服务小区TRX的当前下行强度值，另一个是各个干扰小区当前的下行方向的信号强度值。,载干比,载干比,邻频干扰C/A 邻频率干扰保护比C/A是指频率复用模式下，相邻频率会对服务小区使用的频率进行干扰，这两个信号间的比值即C/A。 GSM规范中要求一般C/A-9dB， 工程中一般加3dB余量，即要求C/A-6dB。,信道概念,分为逻辑信道和物理信道 物理信道 物理信道是指一个载频上一个TDMA帧的一个时隙，它相当于FDMA系统中的一个频率。用户通过某一个载频上的一个信道接入系统通信。用户在该信道上，即该时隙上发出的信息比特流就是突发脉冲序列。,信道概念,逻辑信道 GSM通信系统要传输不同类型的信息，包括业务信息和各种控制信息，因而要在物理信道上安排相应的逻辑信道。这些逻辑信道有的用于呼叫接续阶段，有的用于通信进行当中，也有的用于系统运行的全部时间内。,信道概念,逻辑信道是从信息内容的性质角度定义划分的。GSM中的信道上传递的内容分为业务信息（话音、数据等）和控制信息（控制呼叫进程的信令）两大类， 定义与之对应的逻辑信道称为话音信道Traffic Channel和控制信道Control Channel。,信道概念,信道概念,语音信道（TCH） 用于传送编码后的语音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点（BTS对一个MS，或反之）方式传播。 TCH根据携载信息的不同，分为语音话音信道和数据话音信道；根据发送速率的不同，分为全速率话音信道（TCH/F）和半速率话音信道（TCH/H）。 全速率话音信道（TCH/F）：22.8kbit/s。 半速率话音信道（TCH/H）：11.4kbit/s。,信道概念,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位为广播、公共及专用三种控制信道： 1、广播信道（Broadcast Channels, BCH） 广播信道仅作为下行信道使用，即BTS至MS单向传输，它分为如下三种信道： 1）频率校正信道（Frequency Correction Channel, FCCH） FCCH的目的有两个：首先确认这是一个BCCH信道，其次 是保证手机和频率保持一致。FCCH信道只在下行BCCH载 频的0时隙上传送。 2）同步信道（Synchronization Channel, 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。SCH信道只在下行BCCH载频 的0时隙上传送。 3）广播控制信道（Broadcast Control Channel, BCCH） 广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。BCCH信道只在下行BCCH载频的0时隙上传送。,信道概念,2、公共控制信道（Common Control Channel, CCCH） 1）寻呼信道（Paging Channel，PCH） 用于寻呼（搜索）MS。PCH信道在下行BCCH载 频的0时隙上传送。 2）随机接入信道（Random Access Channel，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。RACH信道在上行BCCH载频的0时 隙上传送。 3）允许接入信道（Access Grant Channel，AGCH） 用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。 AGCH信道在下行BCCH载频的0时隙上传送。,信道概念,3、专用控制信道（Dedicated Control Channels，DCCH） 1）独立专用控制信道（Stand alone Dedicated Control Channel，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，空闲状态下的短消息和小区广播也在SDCCH上传送。在爱立信系统中，SDCCH信道默认在BCCH载频的时隙2上传送。 在SDCCH信道上传送的信令消息和事件如下： Location Updating 位置更新 IMSI attach/detach 指示 Periodic Registration 周期性位置更新 Call set-up 呼叫建立 Short Message Service point to point 点对点短消息 Supplementary Service 增值业务,信道概念,2）小区广播信道（Cell Broadcast Channel，CBCH） 用于携载小区广播短消息业务信息（SMSCB），它使用与SDCCH同样的物理信道，属于下行信道。 3）慢速随路控制信道（Slow Associated Control Channel，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。属于上行和下行信道，点对点方式传播。在上行方向，传送MS接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测量报告，这对实现MS参与切换功能是必要的。在下行方向，它用于MS的功