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安徽信尔达通信技术有限公司 内部培训资料 GSM概述 nGSM是Global System for Mobile Communication 的缩 写。意思是全球移动通信系统。分GSM900、DCS1800 和PCN1900三个频段，一般的所谓的双频手机就是在 GSM900和DCS1800频段切换的手机。PCN1900则是 特定一些国家使用的频段(如美国) nGSM900/1800分别工作在 890960mhz/17101880mhz频段的。GSM900的手机 最大功率是8W（实际移动台没这么大的功率，一般的 手机最大功率是2W，车载台功率较大）， 而DCS1800 手机的最大功率是1W GSM发展历史简介 n第一代模拟蜂窝通信系统 信道上的信息是语音信息以模拟方式传输的，使用的也是模拟调制（调频 ）。 存在频谱利用、容量、功率利用率、保密等缺点。 n第二代数字蜂窝移动通信系统 以电话业务为主的窄带移动通信技术，采用语音压缩编码使话音数字化， 以TDMA、FDMA多种编码方式调制。 n第三代IMT-2000 以有限多媒体业务为主的宽带移动通信技术。是一种全球性的个人移动通 信系统，为静止或慢速移动的用户提供2Mbps数据流服务(高速移动的用户 144Kbps，中速移动的384Kbps)。有几种标准：WCDMA，CDMA2000，TD- SCDMA。 n第四代是以多媒体为目的的广带移动通信 技术 GSM结构（三个子系统及接口） GSM网络结构 GSM结构（NSS组成） 交换系统包括下列功能单元: n移动业务交换中心(MSC：MOBILE SERVICES SWITCHING CENTER ) n拜访位置寄存器(VLR：VISITOR LOCATION REGISTER ) n归属位置寄存器(HLR：HOME LOCATION REGISTER ) n鉴权中心(AUC：AUTHENTICATION CENTER ) n设备识别寄存器(EIR：EQUIPMENT IDENTITY REGISTER ) n入口移动交换中心(GMSC：GATEWAY MOBILE SERVICES SWITCHING CENTER ) GSM结构（BSS组成） 基站子系统由以下两个部分组成： n基站控制器（BSC:Base Station Controller ） BSC控制一组基站，其任务是管理无线网络，即管理无线小区及其 无线信道配置、切换 ，并提供基站至MSC之间的接口。无线设备 的操作和维护，移动台的业务过程。 n无线基站（BTS：Base Transceiver Station ） BTS用来提供移动台与系统的无线接口，主要由无线收发信机构成 ，同时控制手机的发射功率、迁时、切换。处理在称作“蜂窝小区” （简称小区）范围内的话务，一个基站能控制一个或几个“小区”， 移动通信的地理覆盖区是一个个小区组合而成的，由于在移动通信 存在大量的基站，故需要对基站的小区进行编号，以便识别和管理 。GSM空中接口的数据传输速率是13Kbps（TCH/FS）, 即BTS收 发语音数据速率是13KB/S。 GSM系统各网元间主要接口 nSm 客户与网络之间的接口 nUm 移动台与基站之间的接口 nA-bis 基站与BSC之间的接口 nA接口 BSC与MSC之间的接口 nB接口 MSC与VLR之间的接口 nC接口 MSC与HLR之间的接口 nD接口 HLR与VLR之间的接口 nE接口 MSC与MSC之间的接口 nF接口 MSC与EIR之间的接口 nG接口 VLR与VLR之间的接口 GSM区域基本概念 n小区（CELL）：小区是交换机业务区的最小单元，它是基站的一个 扇形天线所覆盖的区域。而一个基站覆盖的所有小区称为基本小区 。一个BSC可以带512个小区。 n位置区（LA）：若干个基本小区组成一个位置区。一个BSC可以有 一个或多个位置区组成，一个位置区可以跨域一个或多个BSC，但 只归属于一个MSC。 nMSC的服务区：由MSC所管辖的区域称为MSC服务区，它是由若干个 位置区组成，因此为便于识别管理，位置区也要进行编号。 n公用陆地移动通信网（PLMN）：是指一家公司负责经营的移动通信 业务区域，一般由若干个服务区（移动本地网）组成，由于网内存 在若干个MSC，故MSC的服务区也应进行编号，以便识别和管理。 GSM频段配置一 nGSM900 小区半径:0.5km-35km；上行890915MHZ，下行935960MHZ； 频道间隔：200KHz；频点数：25MHz（频带带宽）/200KHz=125 ，共1-124个频点；调制方式GMSK；编码方式：RPE-LTP nGSM900E 小区半径:0.5km-35km；上行880915MHZ，下行925960MHZ； 频道间隔：200KHz；频点数：35MHz（频带带宽）/200KHz=175 ，共174个频点；调制方式GMSK；编码方式：RPE-LTP n GSM1800 小区半径：2km(1800mhz手机的低功率) ；上行17101785MHZ， 下行18051880MHZ；通道号 :512885，共374个频点 n GSM1900 上行18501910MHZ，下行19301990MHZ ，共299个频点 注意：上行就是手机发射、基站接收；下行就是基站到手机。上行 和下行组成一对频率对（45MHZ分割），上行滞后下行3个时隙； 上行和下行使用相同的时隙号；上行和下行使用相同的通道号；上 行和下行使用不同的波段（间隔45MHZ）。 GSM频段配置二 n绝对频点号和频道标称中心频率的关系为： GSM900MHz频段为: fl(n)=890.2MHz + (n-1)0.2MHz (移动台发,基站收） fh(n)=fl(n)+45MHz (基站发,移动台收)；n1，124 GSM1800MHz频段为： fl(n)=1710.2MHz + (n-512) 0.2MHz (移动台发,基站收） fh(n)=fl(n)+95MHz (基站发,移动台收）；n512，885 其中：fl(n)为上行信道频率、fh(n)为下行信道频率，n为绝对频点号 （ARFCN）。 n在我国GSM900实际现网中使用的频段为：905915MHz上行频率， 950960MHz下行频率，频道号为76124, 共10M带宽。 中国移动公司：905909MH（上行），950954MHz（下行），共4M带宽，20 个频道，频道号为7695； 中国联通公司：909915MH（上行），954960MHz（下行），共6M带宽，29 个频道，频道号为96124。 GSM无线接入方式 nFDMA（FREQUENCE DIVIDE MULTIPLE ADRESS）：频分多址，模拟蜂 窝移动系统应用这种技术。 nTDMA（TIME DIVIDE MULTIPLE ADRESS）：时分多址，目前的GSM数 字移动系统应用于此种技术。具体是指：每一频带上有8个时隙， 最多可有8个移动用户使用同一频带，他们使用不同的时隙。 nCDMA（CODE DIVIDE MULTIPLE ADRESS）：码分多址。CDMA是以不 同的代码序列实现通信的。以往的蜂窝系统对邻接小区必须提供不 同的频率配置，而CDMA则可重复使用所有小区全部频谱，或者说所 有小区使用同一无线信道传送不同的信息。其基本原理是使用一组 正交的伪随机噪声序列（简称伪码或扰码），通过相关处理实现多 客户共享频率的同时入网接续的功能。因此CDMA技术是最有效的频 率复用技术。 注意：TDMA中，每载频共分8个时隙，即为8个信道。 总信道数为1248992个信道。 GSM系统中的衰落 n当移动台和基站的距离逐渐增加时，所收 到的信号会越来越弱，这就是发生了路径 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。 典型的损耗有：自由空间的传播损耗衰落 ，对数正态衰落，多径传播引起的衰落， 多普勒频移等等。为了改善上行质量， GSM系统采用了分集接收等技术。 GSM系统的分集接收技术 n采用分集方法在若干支路上接收相互间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的信号合并输出，那么便可在接收终端 上大大降低深衰落的概率，是最经济的方法。 n衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术包括空间分集、时间 分集、频率分集和极化分集四种。 n空间分集：空间设立两副接收天线，采用分集合并技术并使输出较强的有 用信号，降低了传播因素的影响。 n时间分集：采用通过一定的时延来发送同一消息，或在系统所能承受的时 延范围以内在不同时间内的各发送消息的一部分。在GSM中采用的是交织技 术来实现时间分集的。 n频率分集：在GSM中是通过跳频技术来实现的。 n极化分集：通过采用垂直电子天线、垂直磁性天线和环状天线来实现的。 GSM系统跳频技术 n跳频实质起到频率分集和干扰源分集的作用。跳频每秒217跳，交 错信道编码，自适应均衡。 1、频率分集作用：同一个信息按几个频率发送，不同频率的信号 所收到的衰落不同，随着频率差别增大时，衰落更加独立。 2、干扰源分集作用 ：在业务量密集的地方，网络的容量将受到由 于频率复用产生的干扰限制。当一频点出现干扰 ，使用跳频时， 该干扰情况就会被该小区的许多呼叫所共享，网络的性能将得到提 高 。使用跳频的网络可比不采用跳频的网络高出3dB的增益。 n跳频可分为快速跳频和慢速跳频 。GSM中采用慢速跳频，特点是按 照固定的间隔改变一个信道使用的频率。 n跳频分为基带跳频和射频跳频。基带跳频通过腔体合成器来实现， 射频跳频则通过混合合成器实现的。 GSM话音编码（语音传输过程一 ） n由于GSM系统是一种全数字系统，语音和其它信号都要进行数字化处理，因此移动台 首先要将语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，移动台再把这模拟电信号转 换成13kbits/s的数字信号，用于无线传输。 n目前GSM采用的编码方案是13kbits/s的RPELTP（规则脉冲激励长期预测）编码，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。 n在BTS侧能够恢复13kbits/s的源速率，但为了形成16kbits/s的TRUA帧以便于在ABIS 和ATER接口上传送，因而需再增加速率为3kbits/s的信令，它可用于BTS控制远端 TCU的工作，被称为带内信息。这3kbits/s包括同步和控制比特（包括坏帧指示、编 码器类型、DTX指示等）。总之，带内信息能使TCC知道信息的种类（全速率语音、 半速率语音、数据），以及采用何种适用的方法用于上行和下行的传输。 n在TCU侧，为了适应PSTN网络64kbits/s的速率传输，因而它的码型速率转换将完成 速率由13kbits/s转换为64kbits/s的工作。 GSM信道编码（语音传输过程二 ） 无线信道分为物理信道和逻辑信道两大类： n物理信道是指一个载频上，TDM帧的一个时隙，它相当 于FDMA系统中的一个频道。用户通过某个载频上一个信 道接入系统通信。 n逻辑信道是从信息角度定义划分的。通常我们可以把信 道上传递的内容分成业务信息（话音，数据等）和控制 信息（控制呼叫进程的信令）两大类。并定义与之对应 的逻辑信道称业务信道和控制信道，再将不同的信息分 别放在相应的逻辑信道上传送。因此根据所传信息的种 类不同，可以定义不种类的逻辑信道。 n信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号 产生的不良影响，但它是以增加比特降低信息量为代价 的。 GSM业务信道简介 n无线信道根据承载分为 业务信道和控制信道， 业务信道用于携载语音 或用户数据，可分为话 音业务信道和数据业务 信道。 n业务信道（TCH） 用于传送编码后的话音 或数据信息。系统内大 多数载频及时隙将用作 业务信道，传送业务信 息。 n控制信道（CCH） TCH SPECCHDATA 全速率 13Kbit/ s 9.6Kbi t/ s 半速率 6.5Kbit /s 4.8Kbi t/ s 加强全 速 率 15.1Kbi t/s 9.6Kbi t/ s GSM控制信道简介 n控制信道用于携带信令或同步数据，可分为广播信道、公共控制信 道和专用控制信道。 n广播信道（BCH）：分为频率校正信道（FCCH）、同步信道（SCH） 、广播控制信道（BCCH）三种。其特点均为下行信道，且为一点对 多点方式。 n公共控制信道（CCCH） ：包括寻呼信道（PCH）、随机接入信道（ RACH）、允许接入信道（AGCH）三种。 n专用控制信道（DCCH） ：包括独立专用控制信道（SDCCH）、慢速 随路控制信道（SACCH）、快速随路控制信道（FACCH）。 GSM信道采用的其他技术 n交织技术 n加密 n调制和解调 GSM呼叫处理过程一 n手机开机后的步骤： 首先搜索124个信道，即所有的BCH通道, 决定收到 的广播信道BCH强度，并在每个RF信道上读取接收 的信号强度，计算出平均电平 跟网络同步时间和频率, 由FCH/SCH调整频率和时间 解码BCH的子通道BCCH 网络检查SIM 卡的合法身份，是否是网络允许的SIM 卡（SIM卡允许的GSM PLMN） 手机的位置更新 网络鉴权 GSM呼叫处理过程二 n手机主叫(MOC)过程: 手机给基站发送通道需求，即手机发送一个 短的随即接入突发脉冲(RACH Burst) 由BCH 指定传输信道 SDCCH 手机和基站在独立专用信道(SDCCH)上通信 权限认证 指定手机在一个业务信道(TCH)上通信 在TCH上进行语音通信 GSM呼叫处理过程三 EXCGMSCHLRMSCVLRBSSMS 1. channel assignment 2. security procedures 3. call setup 4. check services etc. 5. all ok 6. call is proceeding 8.set up the call 9. call set up done 10. alert 7. traffic channel allocated 11. B answers GSM呼叫处理过程四 n手机被叫过程： BTS在PCH呼叫通道上使用SIM中的IMSI号码来 呼叫用户 由手机发送RACH 通道指定在BCH 手机和基站在SDCCH 上通信 手机用户被鉴权 手机被指定TCH通道 在TCH通道上进行语音和数据通信 GSM位置更新location update nMSC存储呼叫手机的位置 为了确认移动台的位置，每个GSM PLMN 的覆盖区都被分 为许多个位置区，一个位置区可以包含一个或多个小区 。网络将存储每个移动台的位置区，并作为将来寻呼该 移动台的位置信息。 n一般性位置更新流程 1、手机开机； 2、每次在移动台改变位置区域的时候执行。 n周期性位置更新过程 1、ELSE，定时器时间到 2、计时器的值是由网络运营商制定的 GSM一般性位置更新过程 MSBSSMSCVLRnewVLRoldHLR 1. channel assignment 2. location update request 7.security procedures 3. request subscriber identity 9. update HLR 10. update acknowledgement 12. location cancelling accepted 11. cancel old location 8. update location 4. provide subscriber identity 5. request subscriber data 6. provid