移动通信课件553第四章GSM和GPRS系统.ppt

3 1GSM原理一 时分多址 TDMA GSM中 上行频率 890 915MHZ下行频率 935 960MHZ共分为124对双工载频 载频间隔为200KHZ 每载频共分8个时隙 即为8个信道 总信道数为124 8 992个信道 124个频点中包含了联通 邮电GSM和TACS 对讲机 关于 下行链路 和 上行链路 的概念 手机 基站 上行链路 下行链路 二 GSM信号处理 一 GSM中的技术难点1 时间色散2 时间提前3 话音编码 压缩话音数据的比特速率4 误码处理采用信道编码 交织 跳频等技术 1 时间色散 010101 010101010101 3 2 2 时间提前 二 话音编码GSM中话音编码采用混合编码器 脉冲激励长期预测编码 RPE LTP 其编码过程分为 第一阶段 话音分段 64KBIT S的话音分成20MS一段进行编码 第二阶段 编码 每20MS话音编成260BIT的数码 即比特速率为 260 20 13KBIT S 其编码过程为 先对64Kbit S的数字话音进行分段 每段20ms 然后再进行混合编码 每20ms的话音编成260个比特 即比特速率为260bit 20ms 13Kbit S 这样每路话音的比特速率从64Kbit S降至13Kbit S 三 信道编码作用是克服无线信道中传输过程的误码 由于在GSM系统中的无线信道为变参信道 传输时的误码较为严重 采用信道编码能够检出和校正接收比特流中的差错 克服无线信道的高误码缺点 GSM中采用分组编码和卷积编码两种编码方式 把话音编码产生的260比特分成50个最重要比特132个重要比特78个不重要比特对50个比特先添加3个奇偶检验比特 分组编码 再与132比特和4个尾比特一起卷积编码 比率为1 2 形成378个比特 另外78个不重要比特不予保护 信道编码后速率变为22 8kbps 2 1 四 交织在实际应用中 比特差错经常成串发生 这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到几个边续的比特 而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才是最有效的 采用交织技术 即是将码流以非连续的方式发送出去 使成串的比特差错能够被间隔开来 再由信道编码进行纠错和检错 为克服比特差错经常成串发生 而信道编码只在检测和校正不太长的差错串时才最有效 利用交织可把一条消息中相继比特隔开 将它们以非相继的方式发送 从而使成串的差错化为较短的差错串 一次交织在20MS话音内进行二次交织在相邻的两个20MS话音间进行 写入 读出 001110010011 0110001001 发送中发生了长突发误码 则经过交织译码后 变成0110001001 1 1 即实现了把长突发误码离散化 有利于纠错 1 9 17 25 33 40 48 56 449 8 17 456 20ms456个比特分8段 不按顺序放置 即每帧57比特是不连续比特 每一个脉冲串中含现两个帧 接如下方法安排 57 26 57 话音帧训练比特话音帧 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 B0 B1 B2 B3 B7 B6 B5 B4 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 一次交织示意图 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 五 调制采用高斯滤波最小频移键控 GMSK 比普通的MSK更窄的带宽 但代价是减小了对噪声的抵抗能力 六 跳频瑞利衰落的衰落图形是与频率相关的 即衰落谷点将因频率不同而发生在不同的地点 这样如果在呼叫期间 让载波频率在几个频率点上变化 并假定只在一个频率上有一衰落谷点 那么仅会损失呼叫的一小部分 而采用复杂的信号处理过程能重新恢复全部信息内容 这种方法称为跳频 在呼叫期间 载波频率在几个频率上变化 以克服瑞利衰落 因瑞利衰落谷点只是对某一个频点有效 对另一个频点无效 七 天线 空间 分集接收GSM中的实现分集的方法是使用两个接收天线 它们受到的衰落影响是不相关的 它们两者在某一时该经受某很深衰落点影响的可能性很小 利用两付接收天线来接收信号 它们独立接收同一信号 并因此受到衰落包络的不同影响 当合成来自两付天线的信号时 衰落的程度能被减小 在900MHZ频段 天线间距5米 6米 可得到6dB左右的增益 在1800MHZ频段 由于波长较短 所以天线间距可以缩短 最小值原则 接收码输出 信道模型 相关器 3 57 1 26 3 1 3 1 26 3 1 比较 57 RBS 基站发信序列M 移动台接收序列N 移动台码发生器 八 均衡器用于消除时间色散 当出现反射信号时 移动台收到的可能是直射信号和反射信号 九 突发脉冲串的形成在GSM系统中 一个TDMA帧每时隙只能送出2组57个比特 并以不连续的脉冲串形式在无线信道上传送 因此除了2组57个比特的话音数据外 还必须加入其它的一些比特 这些比特包括前后各3个尾比特 TB 用于帮助均衡器知道突发脉冲串的起始位和停止位 26个训练比特 用于均衡器计算信道模型 两个1比特的借用标志 用于表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用 插入这些比特后 信号的数码率从22 8Kbit s升至33 8Kbit S 话 音 编 码 信 道 编 码 突 发 脉 冲 串 形 成 调 制 器 发 射 机 A D 分 段 交 织 加 密 均 衡 解 码 均 衡 器 接 收 解 调 D A 话 音 解 码 去 交 织 解 密 1 3 K B S 2 8 K B S 3 3 8 K B S 十 用户识别卡 SIM卡 SIM卡是含有微处理器的智能卡 在它的存储器中含有SIM卡本身序号 状态 鉴权键 密钥 IMSI用户密码等信息 有两个密码PIN码及PUK码 三 无线数字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系统中的一个频道 用户通过某一个载频上的个信道接入系统通信 用户在该入道上 即该时隙上发出的信息比特流被称为突发脉冲序列 逻辑信道是从信息内容的性质角度定义划分的 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 定义与之对应的逻辑信道称为业务信道和控制信道 业务信道 TCH 用于传送编码后的话音或数据信息 控制信道 CCH 用于传递控制信息如控制呼叫进程的信令的信道传送控制信息 1 控制信道 CCH 控制信道分为广播信道 公共控制信道和专用控制信道三种 1 广播信道包括FCCH SCH BCCH三种信道 其特点为下行信道 且是点对多点的方式 用于向移动台传递小区的各项广播信息 使移动台与基站取得同步 频率校正信道向移动台传递频率校正信号 使移动台能调到相应的频率上 同步信道用于向移动台传送帧同步号 即TDMA帧号 同时也传送基站识别码BSIC 广播控制信道用于向移动台传送所有小区的通用消息 如LAI 小区内允许MS最大输出功率 相邻小区的BCCH载频等 2 公共控制信道包括PCH RACH AGCH三种信道 该类信道主要用于寻呼被叫 以及完成移动台所需专用控制信道的申请和分配 所以移动通信的实现不仅要有传递话音的业务信道 而全要相应的控制信道配合才行 PCH寻呼信道用于在小区内寻呼移动台 是下行信道 PCH含有被叫移动台的号码信息 故只有相应的移动台才会响应 RACH随机接入信道是一个点对点的下行信道 当移动台经RACH申请到专用信道后 系统经AGCH将分配给该移动台的专用信道通知移动台 所以AGCH和RACH成对使用 3 专用控制信道由SDCCH SACCH FACCH三种信道组成 用于向特定的呼叫提供专门的信道来传递其专用信令信息 是点对点的双向信道 SDCCH独立专用控制信道是一个点对点的双向信道 主要用于在移动台呼叫建立之前 即在使用TCH之前 传送系统信息 如登记和鉴权呼在此信道上进行 SACCH慢速随路控制信道 它与一个业务信道或一个独立专用控制信道相关 用于传送有关连接信息的点对点的双向连接数据信道 如传送服务小区及相邻小区的信号强度 移动台功率等级管理等信息 FACCH快速随路控制信道与一个TCH相关 用于传送速度 实时 要求高的信令信息 它工作于借用模式 每当需要传送该类信息时 例如需要完成一次切换 则需借用TCH 即当前的一个20ms的话音信息位置被借用来传送这些信息 由于译码器会重复最后20ms的话音 故这种中断不会让用户感觉到 四 逻辑信道映射用于呼叫处理的各种逻辑信道和信令 实际上是由物理信道 以突发脉冲序列的形式 来传递的 因此有必要讨论各种逻辑信道与物理信道的关系 了解它们是怎样从自身的构成体系上被列入相应的物理信道上传送的 现在常用的映射方法有SDCCH 8和SDCCH 4两种映射方法 下面分两种来讨论 1 业务复帧结构TTTTTTTTTTTTATTTTTTTTTTTTI2 控制信道映射 1 SDCCH 8映射 TS0下行链路的映射FSBBBBCCCCFSCCCCCCCCFSCCCCCCCCFSCCCCCCCCFSCCCCCCCCI共51帧 TS0上行链路的映射RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR TS1上行和下行链路的映射D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3IIID0D1D2D3D4D5D6D7A4A5A6A7III下行链路D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3IIID0D1D2D3D4D5D6D7A4A5A6A7III上行链路共102帧 每个DN或AN为四个TS SDCCH 4映射FSBBBBCCCCFSCCCCCCCCFSDDDDDDDDFSDDDDDDDDFSAAAAAAAAI下行链路的映射DDDDRRAAAAAAAARRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRDDDDDDDDRRDDDD 五 突发脉冲序列1 普通突发脉冲序列 除RACH SCH FCCH外的信号 2 空闲突发脉冲序列 3 频率校正突发脉冲序列 4 同步突发脉冲列 5 接入突发脉冲序列 鉴权 A3算法 密钥Ki 密钥Ki A3算法 比较两个SRES MS MSC VLR AUC Kc SRES RAND Kc SRES RAND 加密算法 8 鉴权算法 3 结果 结果 数据库IMSI和鉴权 产生随机数 HLR 三参数组的产生过程 系统的鉴权过程 加密 A8 A5 AUC MS 114bit 114已加密bit 密钥Kc 114加密bit A5 BTS 已解密114bit 114bit Kc 114解密bit 加密模式M TDMA帧号 AUC HLR MSC VLR BTS MS 存储HLR中所有用户鉴权键Ki对所有用户产生三参数组 临时存储所有用户的三参数组 每用户1至10个并请求发给VLR 存储所有拜访用户的三数组 每用户1至7个三参数组 存储所有与网路有关的用户信息 监时存储KC用于与MS通话中的加密 鉴权程序启动加密 A5 A5 A8 RANDKi Kc Kc M M Kc TDMA帧号 TDMA帧号 加密后信息 解密后信息与M比较是否 加密完成 加密不成功 系统的加密过程 3G认证协议 3G系统沿用了GSM系统的挑战 响应认证模式 进行了较大的改进 它通过在MS和HLR中共享的密钥K 实现了MS和HLR之间的双向认证 3G认证协议流程 3G认证协议流程 认证向量产生方法 移动用户的认证功能 P L M N 服 务 区 M S C V L R 服 务 区 位 置 区 小 区 图3GSM的网络结构 六 编号系统 1 移动台的国际身份号码ISDN MSISDN 是在公用交换电话网编号计划中唯一地识别移动电话的鉴约号码 CCITT建议结构为 MSISDN CC NDC SNCC 国家码即在国际长途电话通信网中的号码 86 NDC 国内目的地码SN 用户号码如1392223456 139222便是NDC 前三位用于识别网号 后三位用于识别归属区 目前开通的135 138实际上是同一个网 2 国际移动用户识别码 IMSI 是唯一地识别GSMPLMN网中某一用户的信息 IMSI MCC MNC MSIN 460 00 MCC 移动网的国家号码 与CC不同 MNC 移动网号MSIN 移动台识别号 最长为15位 3 移动台漫游号码 MSRN 用于一次呼叫的路由选择 MSRN CC NDC SNCC 国家号NDC 国内目的地号码 用于识别MSC VLR SN 用户号 对应于用户的IMSI号码 4 临时移动用户识别码 TMSI 用于保护IMSI码 该号只在本MSC区域有效 其结构可由各电信部门选择 长度不超过4个字节 5 国际移动台设备识别码 IMEI 是唯一用来识别移动台终端设备的号码 称作系列号 IMEI TAC FAC SNR SPTAC 型号论证码FAC 最终装配码 用于识别制造厂家 SNR 序号SP 备用6 位置区识别码 LA LAI代表MSC业务区的不同位置区 用于移动用户的位置更新 LAI MCC MNC LACMCC 移动国家号 识别一个国家MNC 移动网号 识别国内的GSM网LAC 位置区号码 识别一个GSM网中的位置区7 小区全球识别码 CGI 用于识别一个位置区内的小区 CGI MCC MNC LAC CI8 基站识别码 BSIC 6bit BSIC NCC BCCNCC 国家色码 用于识别GSM移动网 3bit BCC 基站色码 用于识别基站 3bit BCC TSC训练序列码 9 各种号码的应用 在呼叫过程中各种号码的应用如下图所示 PSTN MSISDN GMSC MSISDN MSRN MSRN IMSI VLR MSC MSRN HLR VLR 八 系统工作过程及CELL参数 一 移动台漫游过程1 移动台的状态移动台的状态关系到系统是否能够到达移动台 是移动台在系统中的重要信息关系到系统的整个工作过程 移动台的状态可能有下列种 1 移动台关机这种状态下MS不能应答寻呼消息 网络不能达到MS 同时它也不能通知网络其所处的位置区的变化 此时MS被认为是 分离 状态 2 移动台开机 空闲状态这种状态下 系统可以成功地寻呼MS MS被认为是 附着 当MS移动时 能够通过测试检查 MS连接到接收性能最好的BCCH载波上 MS具有漫游功能 并能通知网络其位置区的变化 即位置更新 另外 MS还要进行周期性登记 3 移动台忙在这时 网络分配给MS一个业务信道传送话音或数据 当MS移动时它必须有能力进行定位和切换 1 MS的开机过程 2 移动台的漫游 小区重选 在移动中的移动台 由于接收质量原因 需要通过空中接口不时地改变与系统的连接 这种能力称为 漫游 MS将根据C1来决定应与哪个小区连接 BSC MSC VLR HLR BSC MSC VLR 1 2 3 4 5 6 位置更新请求 位置更新请求 请求位置更新接受 位置更新证实 位置删除 位置删除接受 小区2 小区1 移动台 网络 早分配earlyassignmentwithoutOACSU 移动主叫流程一 移动主叫流程二 移动台 网络 晚分配lateassignmentwithOACSU 移动主叫流程三 移动台 网络 特别早分配veryearlyassignment 移动被叫流程一 移动台 网络 早分配earlyassignmentwithoutOACSU 移动被叫流程二 移动台 网络 晚分配lateassignmentwithOACSU SYSTEMOVERVIEW GPRS 10 ImpactstoExistingGSMNodes GPRS特点 End to endPacketSwitchingInterworkswithexistingcircuit switchedservicesFlexibleCharging datavolume time based service based etc Alwaysconnected alwayson line Re usageofexistingradionetworkLowinvestmentcostFastandflexibleimplementation GPRSNetworkModel ISPNetwork Internet DNS SGSN GGSN MSC VLR A BSC A Gi X 25 Gi IP Gn Gr MAP Gc Gs Gb 基站收发系统 BTS MAP Gn HLR X 25Network 无线接口的包数据时隙和信道的分配 BTS BackboneNetworkIP SGSN GGSN MSC VLR HLR Gb Gi X 25 Gi IP Gn Gr MAP Gc Gs 基站控制器 BSC MAP Gn A GPRS移动性管理在小区中PDCH的分配广播GPRS消息 IPNetwork X 25Network BackboneNetworkIP BSC SGSN GGSN MAP Gs Gi X 25 Gi IP Gn Gr MAP Gc 移动交换中心 MSC Gn 来自SGSN的本地消息CS域向SGSN请求 IPNetwork X 25Network HLR MSC VLR BackboneNetworkIP SGSN GGSN Gn Gr MAP Gc Gi X 25 Gi IP 本地位置寄存器 HLR Gn HLR GPRSsubscriptionandroutinginformationMapssubscribertooneormoreGGSNsUpdateSGSNatattachanddetach IPNetwork X 25Network BackboneNetworkIP GGSN Gn Gi X 25 Gi IP 服务GPRS支持点 SGSN Ciphering authentication andIMEIcheckMobilitymanagementLogicallinkmanagementtowardstheMSChargingdataPacketrouting transferConnection HLR MSC BSCandSMS MSC SGSN IPNetwork X 25Network Gi X 25 Gi IP 关口GPRS支持点 GGSN ExternalinterfacesAccessfunctionality Traditional gatewayfunctionalitySubscriberaddressespublishRouting GGSN IPNetwork X 25Netw