培训讲座PPT GSM基本原理.ppt

gsm原理 内部培训 2 目录 1 gsm系统基本结构和原理2 gsm系统中的无线参数3 关于双频组网 一 gsm系统基本结构和原理 4 移动通信与特点 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互的通信 可以是移动台与移动台之间的通信 也可以是移动台与固定用户之间的通信 由于用户的移动性 其管理技术要比固定通信复杂 同时 由于移动通信网中依靠的是无线电波的传播 其传播环境要比固定网中有线媒质的传播特性复杂 因此 移动通信有着与固定通信不同的特点 1 无线电波传播环境复杂 移动通信的电波处在特高频 300m 3000mhz 频段 即分米微波段 传播的主要方式是空间传播 又称视距传播 电磁波在传播时不仅有直射信号 而且还会经地面 建筑群或障碍物等产生反射 折射 绕射传播 从而产生多径传播引起的快衰落 阴影效应引起的慢衰落等衰落 以及多卜勒频移 因此移动通信系统要有分集接收等抗衰落措施 才能保证正常运行 2 噪声和干扰严重 移动台在移动时既受到环境噪声的干扰 又有系统干扰 由于系统内有多个用户和采用频率复用技术 因此 移动通信系统有互调干扰 邻道干扰 同频干扰等主要的系统干扰 这就要求移动通信系统需要合理的同频复用规划和无线网络优化等措施 3 用户的移动性 用户具有移动性和移动的不可予知性 因此 系统中要有完善的管理技术来对用户的位置进行登记 跟踪 不因为位置的改变而中断通信 4 有限的频率资源 无线网络频率资源是有限的 itu对无线频率的划分有严格的规定 采取频率复用和跳频技术等 提高系统的频率利用率是移动通信系统的又一重要特点 5 移动通信多址技术 在蜂窝通信系统中 移动台是通过基站和其他移动台进行通信的 因此必须对移动台和基站的信息加以区别 使基站能区分是哪个移动台发来的信号 而各移动台又能识别出哪个信号是发给自己的 要解决这个问题 就必须给每个信号赋以不同的特征 使多用户共用公共的信道 这就是多址技术 当把多个用户接入一个公共的传输媒质实现相互间通信时 需要给每个用户的信号赋以不同的特征 以区分不同的用户 这种技术称为多址技术 移动通信中常用的主要有 和 等多址方式 频分多址 把整个可分配的频谱划分成许多单个无线载频 每个载频信道可以传输一路话音或控制信息 在通信时 不同的移动台占用不同频率的信道进行通信 时分多址 tdma tdma是把时间分成周期性的帧 每一帧再分割成若干时隙 无论帧或时隙都是互不重叠的 每一个时隙就是一个通信信道 通信时 给每个用户分配一个时隙 使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号 这样 同一个频道就可以供几个用户同时进行通信 3 码分多址 cdma 对于时域上的脉冲信号 其脉冲宽度越窄 频谱就越宽 那么 如果用所需要传送的信号信息去调制很窄的脉冲序列 就可以将信号的带宽进行扩展 所谓扩频调制 就是指用所需要传送的原始信号去调制窄脉冲序列 使信号所占的频带宽度远大于所传原始信号本身需要的带宽 这个窄脉冲序列称为扩频码 由于信号扩展在非常宽的带宽上 因此来自同一无线信道的用户干扰就很小 使得多个用户可以同时分享同一无线信道 在通信系统中 如果多用户使用相同频率和时间上都是重叠的 而采用每个移动台分配一个独特的码序列 与所有别的码序列都不相同 用这种不同的正交编码序列来区分不同的用户 在发送时 信号信息和该用户的码序列相乘进行扩频调制 在接收端 接收器使用与发端同样的码序列对宽带信号进行解扩 恢复出原始信号 而其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调 这种靠不同的码序列来区分不同的移动台 称为码分多址 6 多址技术 多址技术主要是解决多用户共享系统无线资源的问题 频率 时间 正交码是三种易于使用的资源 对应的有三种基本的多址方式 即频分多址 fdma 时分多址 tdma 和码分多址 cdma 多址方式的选择取决于通信系统的应用环境和要求 移动通信网络面临着用户数量和通信业务量的激增 从而引发了在有限的频率资源情况下如何提高通信系统的容量问题 7 频分多址 频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道 也称信道 分配给不同的用户使用 这些频道互不交叠 其宽度应能传输一路数字话音信息 而在相邻频道之间无明显的串扰 8 时分多址 时分多址是把时间分割成周期性的帧 每一帧再分割成若干个时隙 无论帧或时隙都是互不重叠的 再根据一定的时隙分配原则 使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号 在满足定时和同步的条件下 基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而不混扰 同时 基站发向多个移动台的信号都按顺序安排 在预定的时隙中传输 各移动台只要在指定的时隙内接收 就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来 9 码分多址 码分多址系统中 不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分 而是用各自不同的编码序列来区分 也可以说是靠信号的不同波形来区分 cdma通信系统既不分频道又不分时隙 无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分 这种信道属于逻辑信道 逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠的 也可以说它们均占用相同的频段和时间 10 tdma与fdma比较 1 tdma系统的基站只用一部发射机 可以避免象fdma系统那样因多部不同频率的发射和同时工作而产生的互调干扰 2 tdma系统不存在频率分配问题 对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配简单而经济 所以 tdma系统更容易进行时隙的动态分配 如果采用话音检测技术 实现有话音时分配时隙 无话音时不分配时隙 这样还有利于提高系统容量 因移动台只在指定的时隙中才接收基站发给的信息 因而在一帧的其它时隙中 可以测量其它基站发送的信号强度 或检测网络系统发送的广播信息和控制信息 这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都有利 3 tdma系统必须有精确的定时和同步 保证各移动台发送信号不会在基站发生重叠或混淆 并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号 同步技术是tdma系统正常工作的重要保证 它也是非常复杂的技术问题 11 移动通信的发展 移动通信并不是一项很新的技术 但却是发展非常迅速的技术 移动通信可以说从1897年马可尼所完成的无线通信试验之日起就产生了 现代移动通信的发展始于20世纪20年代 美国警察的车载无线电系统 而公用移动通信是从20世纪60年代开始的 公用移动通信系统的发展已经经历了第一代 1g 和第二代 2g 并将继续朝着第三代 3g 和第四代 4g 的方向发展 第一代移动通信系统为模拟蜂窝移动通信系统 以美国的amps is 54 和英国的tacs为代表 采用频分双工 频分多址制式 由于采用频分多址 信道利用率较低 因此通信容量有限 模拟通信 保密性较差 不能提供非话数据业务 第二代移动通信系统为数字蜂窝移动通信系统 以gsm和窄带cdma为典型代表 采用了数字技术 多址方式由频分多址转向时分多址和码分多址技术 双工技术仍采用频分双工 典型的数字移动通信制式主要有泛欧的gsm 美国的d amps is 136 日本的jdc 又称pdc 和窄带cdma系统 is 95 等 第三代移动通信系统即imt 2000 要能高速传输支持多媒体业务 在车速环境下144kb s 步行环境384kb s 室内环境2mb s 目前有三大主流技术标准wcdma cdma2000和td scdma 中国提出的td scdma采用了tdd 智能天线和同步cdma技术 具有适合非对称数据传输 容量大 频段使用灵活等特点 12 移动通信的发展 由大区向蜂窝的发展 容量大幅度提高 功率大大降低 连续覆盖面广 技术难度提高 13 移动通信的发展 由模拟向数字的发展 第一代蜂窝系统 amps 美国 tacs 英国 nmt 北欧 namts 日本 第二代蜂窝系统 gsm dcs1800 欧洲 is 95cdma 美国 第三代蜂窝系统 wcdma 欧洲 cdma2000 美国 td scdma 中国 14 gsm系统 gsm系统由移动台ms 基站子系统bss 网络子系统nss和操作子系统oss四个部分组成 如图1 1所示 移动台是移动网中的用户终端 包括移动设备 me 和移动用户识别模块sim卡 sim卡上包含所有与用户有关的信息 也含有鉴权和加密实现的信息 基站子系统 bss 由基站收发信台 bts 和基站控制器 bsc 组成 负责在一定区域内与移动台之间的无线通信 bsc是bss的控制部分 一个基站控制器通常控制几个基站收发台 主要功能是进行无线信道管理 实施呼叫和通信链路的建立和拆除 并为本控制区内移动台越区切换进行控制等 bts是bss的无线部分 实际是负责于某小区的无线收发信设备 包括发射机 接收机 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 它完成bsc与无线信道之间的转换 实现bts与ms之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能 网络子系统由移动交换中心 msc 和操作维护中心 omc 以及归属位置寄存器 hlr 访问位置寄存器 vlr 鉴权认证中心 auc 和设备标志寄存器 eir 等组成 msc是整个网络的核心 它为本msc区域内的移动台提供所有的交换和信令功能 同时它在msc之间完成路由功能 并实现移动网与其他网的互连 hlr是一种用来存储本地用户位置信息的数据库 存储包括用户识别号码 访问能力 用户类别和补充业务等数据 也存储漫游用户所在msc区域的有关动态数据 vlr是一个用于存储进入其覆盖区已登记的用户相关信息的数据库 为建立呼叫接续提供必要条件 当漫游用户登记时还要给该用户分配一个新的漫游号码 msrn 用于其hlr选路 物理上可与msc合设记作msc vlr 鉴权中心 auc 存储着鉴权信息和加密密钥 可以不断为提供一组参数 包括随机数rand 符号响应sres和加密键kc三个参数 以此来鉴别用户身份的合法性 从而只允许有权用户接入网络并获得服务 操作支持子系统oss完成移动用户管理 移动设备管理和系统的操作与维护 对全网中每一个设备实体进行监控和操作 实现对gsm网内各种部件的功能监视 状态报告 故障诊断 话务量的统计和计费数据的记录与传递等功能 15 gsm系统结构 16 17 各模块功能 一 ms mobilestation 移动台 实现移动终端功能bts basetransceiverstation 基站收发信台 实现移动通信系统与ms之间的无线通信bsc basestationcontroller 基站控制器 实现无线系统到交换系统的集线功能 无线资源管理功能以及其它与无线相关的控制功能msc mobileserviceswitchingcenter 移动业务交换中心 实现移动业务交换功能omc operationandmaintenancecenter 操作维护中心 提供人机界面实现对系统设备的监测和控制功能 18 各模块功能 二 hlr homelocationregister 归属位置登记处 实际上是一个数据库 主要储存二类数据 用户数据 主要包括 用户的身份imsi internationalmobilesubscriberidentification 用户isdn号码vlr地址用户的位置信息 有关用户数据在gsm03 08中描述 19 各模块功能 三 vlr visitorlocationregister 拜访位置登记处 实际上是一个数据库 储存用户信息 主要包括 msrn mobilestationroamingnumber 移动台漫游号码tmsi temporarymobilesubscriberidentification 临时移动用户身份移动台登记的位置区 lac 与补充业务有关的数据 有关用户数据在gsm03 08中描述 20 各模块功能 四 auc authenticatecenter 鉴权中心 用于对用户身份的鉴别eir mobilestationequipmentidentityregister 移动台设备身份登记处 用于储存及鉴别移动台的设备身份 21 gsm系统接口 gsm系统的主要接口有a接口 abis接口和um接口等 见图1 2 1 a接口定义为网络子系统 nss 与基站子系统 bss 之间的通信接口 从系统的功能实体来说 就是移动业务交换中心 msc 与基站控制器 bsc 之间的互连接口 其物理链接通过采用标准的2 048mb s的pcm数字传输链路来实现 此接口传递的信息包括移动台管理 基站管理 移动性管理和接续管理等 2 abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器bsc和基站收发信台 bts 之间的通信接口 用于bts与bsc之间的远端互连 物理链接通过采用标准的2 048mb s或64kb s的pcm数字传输链路来实现 3 um接口 空中接口 定义为移动台ms与基站收发台bts之间的通信接口 用于移动台与gsm系统的固定部分之间的互通 其物理链接通过无线方式实现 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 此外还有网络子系统内部接口 见图1 3 b接口 msc和与它相关的vlr之间的内部接口 c接口 msc和hlr之间的接口 物理链接方式是标准的2 048mb s的pcm数字传输链路 d接口 hlr和vlr之间的接口 也是通过msc与hlr之间标准的2 048mb s的pcm数字传输链路实现的 e接口 msc之间的接口 是通过msc与msc之间标准的2 048mb s的pcm数字传输链路实现 g接口 vlr之间的接口 h接口 hlr和auc之间的接口 22 逻辑信道 业务信道 tch广播信道 bcch频率校正信道 fcch同步信道 sch准予接入信道 agch寻呼信道 pch随机接入信道 rach小区广播信道 cbch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 23 gsm控制信道 控制信道分为以下三类 1 广播信道 bcch 一种一点到多点的单方向下行控制信道 bs在bcch中向所有ms广播一系列的信息 用于移动台入网 位置登记和呼叫建立 如同步信息 包括频率校正信道 同步信道和广播控制信道 sch传同步信息和基站识别码 2 公共控制信道 ccch 一种一点对多点的双向控制信道 用于传送呼叫接续阶段所必需的各种信令信息 其中 ccch又可以分为三种 随机接入信道 rach 准予接入信道 agch 和寻呼信道 pch rach是上行信道 用于移动台在申请入网时 向基站发送入网请求信息 agch是下行信道 用于基站向移动台发送指配专用控制信道dcch的信息 pch是下行信道 传送基站对移动台的寻呼信息 3 专用控制信道 dcch 一种 点对点 的双向控制信道 其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中 在移动台和基站之间传输必需的控制信息 包括独立专用控制信道sdcch和随路控制信道 facch sacch sdcch双向 传送鉴权 业务信道指配等信息 随路控制信道传送功率控制 越区切换和无线传输测量报