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GSM原理简介 技术拓展部 一GSM简介二GSM无线理论接口三常用参数描述四C1 C2算法五无线链路建立过程六话统报表简述 主要内容 GSM简介 GSM简介 什么是GSMGSM全名为 GlobalSystemforMobileCommunications 中文为全球移动通讯系统 俗称 全球通 是一种起源于欧洲的移动通信技术标准 是第二代移动通信技术 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行遍全球 目前 中国移动 中国联通各拥有一个GSM网 为世界最大的移动通信网络 GSM系统包括GSM900 900MHz GSM1800 1800MHz及GSM1900 1900MHz等几个频段 GSM简介 GSM系统的组成GSM系统由一系列功能单元组成 具体组成如图1 1所示 分为MS 移动台 NSS 网络子系统 BSS 基站子系统 OSS 操作维护子系统 等几个主要部分组成 图1 1GSM拓扑图 GSM简介 GSM系统的业务功能GSM是一种多业务系统 可以依照用户的需要为用户提供各种形式的通信 承载业务 话音业务 短消息业务 数据业务 补充业务 GSM无线接口理论 GSM无线接口理论 频段介绍我国GSM网络工作频段我国陆地蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz与1800MHz频段 GSM900MHz频段为 890 915 移动台发 基站收 935 960 基站发 移动台收 DCS1800MHz频段为 1710 1785 移动台发 基站收 1805 1880 基站发 移动台收 如表2 1所示 表2 1GSM网络的工作频段 GSM无线接口理论 频道配置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 n 1 124 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 n 512 885 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 频道间隔相邻两频点间隔为200kHz 每个频点采用时分多址 TDMA 方式 分为8个时隙 既8个信道 全速率 如GSM采用半速率话音编码后 每个频点可容纳16个半速率信道 可使系统容量扩大一倍 但其代价必然是导致语音质量的降低 GSM无线接口理论 信道介绍TDMA信道概念 在GSM中的信道可分为物理信道和逻辑信道 一个物理信道就是一个时隙 通常被定义为给定TDMA帧上的固定位置上的时隙 TS 而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道 这些逻辑信道是通过BTS来影射到不同的物理信道上来传送 逻辑信道又可分为业务信道和控制信道 控制信道 控制信道用于携载信令或同步数据 可分为广播信道 公共控制信道和专用控制信道 业务信道 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 GSM无线接口理论 时隙的概念 GSM无线接口理论 信道类型1 BCH广播信道 包括BCCH FCCH和SCH信道 它们携带的信息目标是小区内所有的手机 所以它们是单向的下行信道 FCCH frequencycorrectionchannel携带用于校正MS频率的消息 让手机开机时调整它的频率 SCH synchronizationchannel 在FCH后 调整时间 BCCH 广播控制信道 带有网络身份 51复帧结构 26复帧结构 GSM无线接口理论 2 CCCH公共控制信道 包括AGCH PCH CBCH和RACH 这些信道不是供一个MS专用的 而是面向这个小区内所有的移动台的 在下行方向上 由PCH AGCH和CBCH来广播寻呼请求 专用信道的指派和短消息 在上行方向上由RACH信道来传送专用信道的请求消息 PCH 当网络想与某一MS建立通信时 它就会在PCH信道上根据MS所登记的LAC号向所有具有该LAC号的小区进行寻呼 AGCH 当网络收到处于空闲模式下MS的信道请求后 就将给之分配一专用信道 CBCH 它用于广播短消息和该小区一些公共的消息 RACH 当MS想与网络建立连接时 它会通过RACH信道来广播它所需的服务信道 GSM无线接口理论 3 DCCH专用控制信道 包括SDCCH SACCH FACCH 这些信道被用于某一个具体的MS上 SDCCH独立专用控制信道 双向的专用信道 它主要用于传送建立连接的信令消息 位置更新消息 短消息 用户鉴权消息 加密命令及应答及各种附加业务 SACCH慢速相关控制信道 伴随TCH和SDCCH的专用信令信道 上行 主要传递无线测量报告和第一层报头信息 TA和功控级别 下行 传递系统消息type5 6及第一层报头消息 通信质量 LAI号 CELLID 邻小区的标频信号强度等信息 NCC的限制 小区选项 TA值 功率控制级别 FACCH快速相关控制信道 由BTS用作命令手机切换 上行 中断TCH信号 切换时快速信息交换 下行 中断TCH 控制BTS GSM无线接口理论 TDMA帧结构TDMA中 每一个载频被定义为一个TDMA帧 相当于FDMA系统中的一个频道 每帧包括8个时隙 TS0 TS7 并要有一个帧号 TDMA的帧号是以3小时28分钟53秒760毫秒 2715648个TDMA帧 为周期循环编号的 每2715648个TDMA帧为一个超高帧 每一个超高帧又由2048个超帧 一个超帧的持续时间为6 12s 而每个超帧又是由51个26复帧或26个51复帧组成 这两种复帧是为满足不同速率的信息传输而设定的如图2 1 区别是 26帧的复帧 包含26个TDMA帧 时间间隔为120ms 它主要用于TCH SACCH T 和FACCH等业务信道 51帧的复帧 包含51个TDMA帧 时间间隔为235ms 它主要用于BCCH CCCH SDCCH等控制信道 GSM无线接口理论 图2 1帧结构图 常用参数描述 常用参数描述 网络识别参数包含移动国家号 移动网号 小区名称 位置区编号 LAC 基站识别色码 BSIC 和小区识别码 CellID 移动国家号 MCC 表明移动用户 或系统 归属的国家 如中国的移动国家码MCC为460 移动网号 MNC 用以表示某一国家内的某个特定的GSMPLMN网 如中国移动为00 中国联通为01 小区名称 cellname 是各个运营商根据自己的习惯规定的小区标示 位置区编号 LAC 确定移动台的位置 每个GSMPLMN的覆盖区被划分为许多位置区 位置区码就用来标示不同的位置区 它可以由运营商自己定 最大16bit 一个位置区可以包含一个或者多个小区 切忌在网络中 全国范围 出现两个或者两个以上的位置区采用相同的区码 常用参数描述 小区识别码 CEllID 为了唯一表示GSMPLMN中的每一个小区 网络运营商需要分配给网络中所有的小区一个代码 小区识别和位置区识别相结合 用于识别网络中每个BTS及其覆盖的小区 最大16bit BSIC分为NCC网络色码和BCC基站色码两部分 NCC用于让移动台区别相邻的 属于不同GSMPLMN的基站 BCC用以在同一个GSMPLMN中识别BCCH载频号相同的不同基站 是一个6bit的编码 注意 必须保证使用相同BCCH载频的相邻或者相近小区具有不同的BSIC 尤其当某小区的邻区集合有两个以上的小区采用相同的BCCH载频时 必须保证这两个小区有不同的BSIC 否则将造成切换失败 常用参数描述 载干比载波干扰比 C I 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基本地散射体的形状 类型及数量不同 以及其他一些因素如天线的类型 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 同频干扰保护比 C I 9dB 所谓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 I 9dB 工程中一般加3dB余量 即要求C I 12dB 邻频干扰保护比 C I 9dB C A是指在频率复用模式下 邻近频道会对服务小区使用的频道进行干扰 这两个信号间的比值即C A GSM规范中一般要求C A 9dB 工程中一般加3dB余量 即要求C A 6dB 载波偏离400kHz的干扰保护比 C I 41dB 常用参数描述 常用参数描述 不连续发射 DTX DTX是指不连续发射功能 不连续发射就是指当手机在通话间隔时无线发射机关闭 在一次正常的通话中 这可使手机节约50 的发射量 它通过禁止传输用户认为不需要的无线信号 从而降低干扰电平的方法来提高系统的效率 此外 该机制还能节省移动台的电池 从而延长移动台的待机时间 但在传送数据时 不应使用该功能 常用参数描述 功率控制指在一定范围内 用无线方式来改变移动台或基站 或两者 的传输功率 它的目的同不连续发射 DTX 的目的相同 是为了减少整个系统的干扰 提高频谱利用率 并可延长移动台的电池的寿命 当接收端的接收电平和质量很好时 可以适当的降低对端的传输功率 使通信保持在一定的水平上 这样就能减少对周围地区其它呼叫的干扰 在GSM中 对上行链路和下行链路都可使用分别使用功率控制 而且对每个处在专用模式下的移动台独立进行 规范中 规定上行链路的移动台功率控制的范围为20 30dB 根据移动台的功率级别 目前手持机的功率大部分都属CLASS4 即最大发射功率为33DBMS 每一步可改变2dB 下行链路的功率控制范围又设备制造商来决定 虽然是否采用上下行的功率控制功能由网络运营商来决定 但所有移动台和基站设备必须支持这一功能 常用参数描述 手机发射功率由于手机在小区内移动 它的发射功率要随着移动 当他靠近基站时 防止干扰别的用户功率要减小 当他远离基站时为防止衰减要增大发射功率 GSM900总共有19个功率等级 功率等级存于手机的EEPROM 存储器 中 基站通过下行SACCH信道 发出命令控制手机的发射功率级别 每个功率级别差2dB GSM900手机最大发射功率级别是5 33dBm 最小发射功率级别是19 5dBm DCS1800手机最大发射功率级别是0 30dBm 最小发射功率级别是15 0dBm 常用参数描述 通过观看测量窗中的参数Txpower的大小 对应关系如下 Txpower手机功率 dbm 533631729 195 常用参数描述 信号质量信号质量Rxqual GSM中表征无线接口的比特误码率的单位 为0到7共8档 所对应的误码率区间见下表 在内部计算中采用误码率的平均值 在与门限作择优比较时 采用上限 作择劣比较时 采用下限 常用参数描述 信号强度Rxlev 信号接收电平以dBm表示 测量范围从 110dBm到 47dBm 相对精度为1dB 移动台的测量值范围从0到63 对应于 110dBm到 47dBm 定时提前TA TA代表基站和移动台之间的双向传播时延 与传播路径的距离有对应关系 TA范围0到63相当于距离0到35公里 精度容限见下表 常用参数描述 BTS根据接收信号计算TA 然后周期性传送给MS 传送TA值时 采用一个字节的长度 GSM协议规定 GSM900和GSM1800系统中 采用6比特传送TA值 还有两个比特保留 因此 能够通知MS最大的TA值是63 每个bit相当于3 69微秒 TA是为了补偿空中传输时延 手机申请信道时 发送接入脉冲AB BTS接收到AB就可以确定TA 手机移动引起TA的变化 BTS是根据常规突发脉冲计算出TA的变化量 然后调整TA值发送给手机 空中传输时延包括下行和上行时延 上行和下行距离相同 信号传输速度等于光速 因此 可以计算最大的覆盖半径为 63 3 69 10 6 3 108 2 35 公里 所以说GSM900和GSM1800系统协议最大覆盖半径是35公里 C1 C2算法 C1 C2算法 小区选择过程C1算法小区选择过程移动台首先测量GSM频段内所有信道的信号强度 并对测量结果作平均处理 然后再依照由强至弱的次序对检测到的信道进行排序 此过程约持续3秒的时间 然后移动台会试图检测最强信道的FCCH信道 若成功则进一步解调出SCH信道 在此基础上 如果解调出的MNC和MCC证实该小区属于移动台的服务PLMN 那么移动台就会进一步接收系统参数1 系统参数2 系统参数3和系统参数4 并依照相关的算法确定是否可以接入该服务小区 如果以上任意一步失败的话 移动台则会对次强信道作相同的处理 C1 C2算法 小区选择过程C1算法 C1 Rxlev RxlevAccessMin max MS txpwr max CCH p 0 其中 Rxlev 移动台接收的平均电平 单位dBm RrxlevAccessMin 允许移动台接入的最小接收电平 单位是dBm ms txpwr max CCH 移动台接入系统时可用的最大发射功率 单位是dBm p 移动台的最大输出功率 单位是dBm C1 C2算法 根据小区选择优先级和C1值的大小选择小区驻留 驻留小区成服务小区cell1优先级相同cell2C1 15C1 8 C1 C2算法 RXLEV ACCESS MIN 允许移动台接入的最小接收电平 单位是dBm 为避免移动台在接收信号电平很低情况下接入系统 GSM规定了移动台接入网络时接收电平必须大于该值 取值范围为 0 63 默认值为8 步长为2dB 该参数设置过低 对接入信号的电平要求低 导致很多MS试图驻扎在本小区 增加了小区的负荷和掉话的危险性 该参数设置过高 将会缩小小区的接入半径 降低了该小区的无线资源利用率 C1 C2算法 CBA和CBQCBA CELL BAR ACCESS小区接入限制CBQ CELL BAR QUALIFY小区禁止限制对于小区重叠的地区 根据每个小区容量的大小 业务量的大小及小区功能的差异 网络运营商们都希望移动台在小区选择中优先选择某些小区 即设定小区的优先级 这一功能可以通过设置参数小区接入限制和小区禁止限制来实现 见下表 C1 C2算法 通常所有小区的优先级都为正常 但在某些情况下 运营者希望移动台优先进入某种类型的小区 如微蜂窝和双频网等 此时我们可将这些小区的优先级设为正常 而将周围其它小区的优先级设为低 当移动台在小区选择过程中 只有当没有优先级为正常的合适小区时 才去选择优先级为低的小区 通过设置小区优先级我们可以对一些拥塞较严重的小区和其相邻的小区来进行话务平衡 即将它们的优先级设为低使它的邻小区将其话务量吸收过去一部分 当小区接入禁止设为1且小区禁止限制设为0时 则该小区只允许切换业务 而不允许移动台直接接入 这种做法常被用在微蜂窝和双频网的覆盖环境下 注意 小区优先级设置只影响小区选择而对小区重选不起作用 C1 C2算法 小区重选过程C2算法小区重选过程 当移动台选择某小区为当前服务小区后 在条件变化不大的情况下 移动台将驻留在所选的小区中 并根据服务小区的BCCH系统消息所指示的小区重选邻小区频点配置表 开始监测该表中所有BCCH载波的接收电平和同步消息 并记录下接收电平最高的6个邻小区 并从中提取每个邻小区的的各类系统消息和控制消息 当满足一定条件时移动台将重新选择其中一个邻小区作为服务小区 这个过程被称为小区重选 小区重选采用的算法为C2算法 计算公式如下 当PENALTY TIME不等于31时 C2 C1 CELL RESELECT OFFSET TEMPORARY OFFSET H PENALTY TIME T 当PENALTY TIME等于31时 C2 C1 CELL RESELECT OFFSET 其中 当x 0时 函数H x 0 当x 0时 H x 1 C1 C2算法 T是一个定时器 它的初始值为0 当某小区被移动台记录在信号电平最大的六个邻小区时 则对应该小区的计数器T开始计时 当该小区从移动台信号电平最大的六个邻小区表中去除时 相应的定时器T被复位 CRO即CELL RESELECT OFFSET为小区重选偏移量 可人为的来调整C2值的大小 合理设置该参数 可以减少切换次数 利于指配MS到更好的小区 在PT为31的特殊情况下 CRO越大 对该小区的排斥程度越大 TO即CellReselectTemporaryOffset为小区重选临时偏移 C1 C2算法 PT即CellReselectPenaltyTime为小区重选惩罚时间 从移动台发现某一小区的信号出现后 定时器T开始置位到定时器T的值到达PENALTY TIME规定的时间之前将按照TEMPORARY OFFSET所定义的值给该小区的C2算法一个负偏置的修正 这种做法是用来防止当移动台在快速移动时来选择一个微蜂窝或覆盖较小的小区作为服务小区的情况 反之 若时间超过了PENALTY TIME所定义的时间后 将不考虑临时偏移量 在高速公路等覆盖区可使用惩罚时间 注意 仅当小区重选指示 CELL RESELECTION INDICATION 激活时C2算法这几个参数才起作用 否则移动台将不考虑CELL RESELECT OFFSET TEMPORARY OFFSET和PENALTY TIME的设置情况 因而此时C2 C1 C1 C2算法 当发生以下情况时 将触发小区重选 1 移动台计算某小区 与当前小区属同一个位置区 的C2值超过移动台当前服务小区的C2值连续5秒 2 移动台计算某小区 与当前小区不属同一个位置区 的C2值超过移动台当前服务小区的C1值与小区重选滞后值 CRH 之和连续5秒 3 当前服务小区被禁止 4 MS监测出下行链路故障 5 服务小区的C1值连续5秒小于0 6 MS随机接入时 在最大重传后接入尝试仍不成功的情况下 C1 C2算法 根据小区选择优先级和C2算法发生小区重选优先级 0 0优先级 0 0cell1重选迟滞和重选时间满足cell2C2 4C2 18 C1 C2算法 小区重选滞后概念小区重选滞后 CellReselectionHysteresis 当移动台进行小区重选时 若原小区和目标小区属不同的位置区 则移动台在小区重选后必须启动一次位置更新过程 为避免小区由于频繁重选而不停的进行位置更新 GSM规范设立了一个参数 称为小区重选滞后 要求邻区 位置与本区不同 信号电平必须比本区信号电平大 且其差值必须大于小区重选滞后规定的值时才启动小区重选 小区重选由3比特组成 取值范围为 0 14 dB 步长为2 C1 C2算法 小区重选滞后的作用选择合适的小区重选滞后电平对网络优化的意义重大 通常CRH建议设置为8dB或者10dB 在以下情况下可适当调整 a 当某地区的业务量过大 常出现信令过载 建议将该地区属于不同LAC区的相邻小区的CRH参数增大 b 若属于不同位置区的邻小区重叠覆盖范围较大时 建议增大CRH c 若属于不同LAC的相邻小区在邻接处得覆盖较差 或者邻接处在高速 高铁地区的 建议将CRH设置为2 6dB C1 C2算法 小区位置更新图例C2 x C2 Y CRH x CellXCellYLACALACB位置更新 无线链路建立过程 无线链路建立过程 信道占用顺序手机开机后的步骤1 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 BCH的承载的信息是距MS最近的BTS 呼叫信息 2 跟网络同步时间和频率 由FCCH SCH调整频率和时间 3 解码BCH的子通道BCCH 4 网络检查SIM卡的合法身份 是否是网络允许的SIM卡 5 手机的位置更新 6 网络鉴权 无线链路建立过程 手机主叫 MOC 过程1 手机给基站发送接入请求 即手机发送一个短的随即接入突发脉冲 RACHBurst 2 BSC收到请求后 回复MS允许接入指示 AGCH 2 由BCH指定传输信道SDCCH 3 手机和基站在独立专用信道 SDCCH 上通信 4 权限认证 5 指定手机在一个业务信道 TCH 上通信 6 在TCH上进行语音通信 无线链路建立过程 手机被叫1 BTS在PCH呼叫通道上使用SIM中的IMSI号码来呼叫用户 2 由手机发送RACH 3 通道指定在BCH 4 BTS在AGCH信道上回送立即指配命令 5 手机和基站在SDCCH上通信 6 手机用户被鉴权 7 手机被指定TCH通道 8 在TCH通道上进行语音和数据通信 无线链路建立过程 手机位置更新MSC应知道呼叫手机的位置 手机在改变位置时通知MSC它的新位置 由MSC处理位置更新 手机位置更新过程 locationareaidentityLAI 1 手机改变位置区 2 手机从BCCH上读新的位置区 3 发送RACH 为通道需求 4 在AGCH上获得一个SDCCH 5 在SDCCH发送IMSI和新旧LAI位置更新需求给MSC 6 MSC开始认证 7 如果认证成功 更新手机位置在VLR上 8 发送确认信息给手机 9 手机离开SDCCH 进入空闲模式 无线链路建立过程 移动台开机 通话过程中收听 使用信道的顺序1 搜索124个信道信号 通过搜索基站发送FCCH SCH来调整频率和时间 来读取BCCH 2 空闲状态 监听BCH和PCH 3 需要和网络通信时 在RACH信道上发送信道请求 4 监听AGCH 若收到确认消息 则 5 转入分配的SDCCH SACCH 当与网络完成接续等任务后 则 6 转入网络分配的TCH FACCH SACCH 完成业务通道后 转回空闲模式 掉话 掉话的两种形式掉话可分为两种形式 一类是在SDCCH信道上的掉话 一类是在TCH信道上的掉话 SDCCH的掉话是指BSC给移动台分配了SDCCH信道而TCH信道还未分配成功期间发生的掉话 TCH掉话是指BSC给移动台成功分配了TCH信道后 发生的不正常的掉话 掉话 产生掉话的原因1 覆盖原因引起的掉话a 服务