《GSM移动通信系统》PPT课件

第三章GSM移动通信系统,内容,第一节GSM系统的业务及其特点第二节GSM系统的结构第三节GSM系统的信道第四节GSM系统的无线数字传输,GSM业务就是GSM系统为了满足一个特殊用户的通信要求而向用户提供的服务分类GSM支持的基本业务分别介绍电信业务承载业务附加业务,GSM系统的业务及其特征,图3-1GSM系统业务分类,GSM支持的基本业务,图3-2GSM支持的基本业务,电信业务,其中，短消息业务的传送过程见下页,短消息业务的传送过程,图3-3短消息服务（源端到终端）过程,NSS,小区广播的短消息业务,BSS,BSS,NSS,空中接口,A接口,图3-4短消息服务（小区广播）过程,承载业务,注1.承载业务61和81中的数据为3.1KHz信息传送能力的承载业务21-342.表中“T”表示透明；“NT”表示不透明,附加业务,计费提示AOC交替线业务(ALS)-个人或商业来话限制-BAIC当漫游在HPLMN之外时，限制所有来话在国外时限制来话呼出限制-BOC限制所有打出去的国际电话-BOIC限制所有打出去的国际电话，除了打到HPLMN国家的电话遇忙呼叫前转-CFB无应答呼叫前转-CFNA无条件呼叫前转-CFU呼叫保持呼叫等待-CW主叫线识别显示-CLIP主叫线识别限制-永久或预呼-CLIR中央交换业务会议呼叫-CONF运营者确定的呼叫限制(ODB),附加业务是基本电信业务增强或补充。,GSM系统的结构,总体结构,功能单元,GSM系统的总体结构,图3-5GSM系统的总体结构短消息业务中心（SC）功能实体可通过与SSS的连接实现点对点短消息业务，可通过与BSS的连接完成小区广播短消息业务。,GSM系统的功能单元,GSM系统可通过MSC实现与多种网络的互通，包括PSTN、ISDN、PLMN和PSPDN,GSM系统的信道,物理信道与逻辑信道物理信道逻辑信道物理信道与逻辑信道的配置突发脉冲帧偏离、定时提前量与半速率信道,物理信道,GSM系统多址接入技术采用频分多址接入（FDMA）和时分多址接入（TDMA）混合技术FDMA是说在规定频率范围内分配n个载频TDMA是说在每个载频上按时间分为8个时间段，每个时隙段称为一个时隙（slot），一个载频上连续的8个时隙组成一个帧(Frame)物理信道是指TDMA中的时隙即GSM的一个载频上可提供8个物理信道我国GSM技术体制对频率配置的规定工作频段频道间隔双工收发间隔频道配置频率复用方式干扰保护比保护频带,时隙0,时隙1,时隙2,时隙3,时隙4,时隙5,时隙6,时隙7,图3-6时分多址接入原理示意图,工作频段,注：国家无委分配的900MHz频段包括原来分配的TACS频段和新分配的ETACS频段GSM网络总的可用频带为100MHz中国电信扩展频段方式充分利用900MHz的频率资源，可视不同需要向下扩展900MHz频段，相应地向ETACS频段压缩模拟公用移动电话网的频段在900MHz频率无法满足用户容量需求时，可启用1800MHz频段考虑远期需要，向频率管理单位申请新的1800MHz频率,频道间隔&双工收发间隔&频道配置,频率复用方式,在建网初期及邻省之间协调时应使用43的复用方式即N=4，采用定向天线，每基站用3个120或60方向性天线构成3个扇形小区，如图37所示业务量较大的地区可采用其它的复用方式如33，26，13复用方式若采用全向天线应采用N=7的复用方式其频率可从43复用方式的12组中任选7组，频道不够用的小区可从剩余频率组中借用频道，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用，如图3-8所示在话务密度高的地区，应适当采用新技术提高频谱利用率如同心圆小区覆盖技术；智能双层网技术；微蜂窝技术等等在微蜂窝的频率配置时，可根据需要保留出一些专用频率,图3-743复用模式,图3-87组复用模式,干扰保护比与保护频带,干扰保护比保护频带原则确保数字蜂窝移动通信系统能满足干扰保护比要求。当某地GSM900系统与模拟蜂窝移动电话系统共存时，两系统之间(频道中心频率之间)应有约400KHz的保护带宽。当某地GSM1800系统与其它无线电系统的频率相邻时，应考虑系统间的相互干扰情况，留出足够的保护频带。,逻辑信道,概念逻辑信道是指在物理信道所传输的内容，即依据移动网通信的需要，为所传送的各种控制信令和语音或数据业务在TDMA的8个时隙分配的控制逻辑信道或语音、数据逻辑信道形式GSM数字系统在物理信道上传输的信息是大约由100多个调制比特组成的脉冲串，称为突发脉冲序列（Burst）以不同的“Burst”信息格式来携带不同的逻辑信道分类专用信道用于传送用户语音或数据的业务信道，另外还包括一些用于控制的专用控制信道公共信道用于传送基站向移动台广播消息的广播控制信道和用于传送MSC与MS间建立连接所需的双向信号的公共控制信道,GSM的各种逻辑信道示意图,图3-9GSM定义的各种逻辑信道示意图,广播信道（BCH）是从基站到移动台的单向信道公共控制信道（CCCH）是基站与移动台间的一点对多点的双向信道,公共信道,专用信道,专用控制信道（DCCH）是基站与移动台间的点对点的双向信道业务信道（TCH）是用于传送用户的话音和数据业务的信道分类根据交换方式的不同分为电路交换信道和数据交换信道依据传输速率的不同分为全速率信道（13kbit/s）和半速率信道（6.5kbit/s）,语音数据传输速率优点使系统容量增加一倍,半速率信道,全速率信道和半速率信道,逻辑信道应用实例,MS开机拨打电话为例说明逻辑信道的应用：FCCH接收频率校正信息。SCH接收BTS同步信号。BCCH接收系统消息。RACH接入申请。AGCH允许接入并分配SDCCH。SDCCH/SACCH在SDCCH上进行鉴权和加密，在SACCH上进行功率控制并传送TA值。TCH进入TCH进行通话，通话期间短消息传送通过SACCH传送，切换信令通过FACCH传送。BCCH通话结束后，进入空闲状态，守候在BCCH信道上。,MobilelooksforBCCHafterswitchingon,RACHsendchannelrequest,AGCHreceiveSDCCH,SDCCHdotheauthenticationandTMSIallocation,SDCCHrequiretrafficchannelassignment,SDCCHsendcallestablishmentrequest,SDCCHsendthesetupmessageanddesirednumber,FACCHswitchtotrafficchannelandsendack(stealbits),FACCHreceivealertsignalringingsound,FACCHacknowledgeconnectmessageanduseTCH,TCHconversationcontinues,FACCHreceiveconnectmessage,逻辑信道应用实例-移动台呼叫,MobilelooksforBCCHafterswitchingon,RACHsendchannelrequest,AGCHreceiveSDCCH,SDCCHauthenticate,SDCCHswitchtociphermode,SDCCHrequestforlocationupdating,SDCCHauthenticateresponse,SDCCHciphermodeacknowledge,SDCCHallocateTMSI,SDCCHacknowledgenewTMSI,SDCCHswitchidleupdatemode,逻辑信道应用实例-位置更新,物理信道与逻辑信道的配置,逻辑信道与物理信道的映射,GSM的时隙帧结构,逻辑信道与物理信道的映射,问题GSM系统的逻辑信道数超过了一个载频所提供的8个物理信道通信的根本任务是利用业务信道传送语音或数据，而按照一对一的信道配置方法，在一个载频上已经没有业务信道的时隙了解决方法将逻辑控制信道复用，即在一个或两个物理信道上复用逻辑控制信道映射对应关系,映射对应关系,一个基站有N个载频，每个载频有8个时隙，定义载频数为f0、f1、f2、fn-1，时隙数为TS0、TS1、TS7。f0的TS0时隙f0的TS1时隙f0的TS2TS7时隙其它时隙映射关系小结,供逻辑控制信道使用,供业务信道使用,f0的TS0时隙,f0的TS0时隙用于映射广播信道（BCH）和公共控制信道（CCCH），即BCCH、FCCH、SCH、PCH、AGCH、RACHBCHCCCH下行链路（BCCH、FCCH、SCH、PCH、AGCH）上行链路（RACH）,下行链路f0的TS0时隙,F（FCCH）：移动台据此校正同步频率S（SCH）：移动台据此读TDMA帧号和基站识别码（BSIC）B（BCCH）：移动台据此读有关小区的通用信息I（IDEL）：空闲帧，不含任何信息，仅作为复帧的结束标志C（CCCH）：移动台依此接受寻呼和接入,广播信道（BCH）和公共控制信道（CCCH）共占用51个TS0时隙，但从时间上讲长度为51个TDMA帧以每出现一个空闲帧作为复帧结束，在空闲帧之后，再从F、S开始进行新的复帧，即时分复用构成TDMA的复帧结构在没有寻呼或呼叫接入时，基站也总在f0上发射。这使移动台能够测试基站的信号强度以决定使用哪个小区更为合适,图3-10BCCH与CCCH在TS0上的复用,TDMA帧,上行链路f0的TS0时隙,只含有随机接入信道（RACH），用于移动台的接入下图为51个连续的TDMA帧的TS0图3-11TS0上RACH的复用,f0的TS1时隙,用来映射专用控制信道，重复周期为102个TS独立专用控制信道（SDCCH）的DX（D0、D1、D7）只用于移动台建立呼叫的开始时使用，当移动台转移到业务信道TCH上，DX就用于其它的移动台。慢速随路信道（SACCH）的AX（A0、A1、D7）主要用于传送不紧要的控制信息，如无线测量数据等上下行链路有相同结构，只是在时间上有一个偏移，即意味着对于一个移动台同时可双向接续,图3-13SDCCH与SACCH在TS1上的复用（上行）,图3-12SDCCH与SACCH在TS1上的复用（下行）,f0的TS2TS7时隙,用来映射业务信道，重复周期为26个TS,以TS2时隙为例上下行链路的TCH结构完全一样，只是有3个TS的偏移，表明移动台的收发不必同时进行,T（TCH业务信道）：用于传送语音或数据A（SACCH慢速随路信道）：用于传送控制命令，如命令改变输出功率等I（IDEL）：空闲帧，它不含任何信息，用于配合测量,图3-14下行TCH的复用,图3-15TCH上下行偏移,映射关系小结,在载频f0上：TS0：逻辑控制信道，重复周期为51个TSTS1：逻辑控制信道，重复周期为102个TSTS2TS7：逻辑业务信道，重复周期为26个TS其它f1fN个载频的TS0TS7时隙全部是业务信道,GSM的时隙帧结构,五个层次：时隙、TDMA帧、复帧、超帧和超高帧时隙是物理信道的基本单元TDMA帧由8个时隙组成，是占据载频带宽的基本单元，即每个载频有8个时隙。复帧有两种类型由26个TDMA帧组成的复帧。用于TCH、SACCH和FACCH由51个TDMA帧组成的复帧。用于BCCH和CCCH超帧是由51个由26帧的复帧或26个由51帧的复帧构成超高帧等于2048个超帧注：超高帧的周期与加密和跳频有关。每经过一个超高帧周期，循环长度为2715648，相当于3小时28分53秒760毫秒，系统将重新启动密码和跳频算法,GSM系统分级帧结构的示意图,图3-16分级的帧结构,突发脉冲,突发脉冲是以不同的信息格式携带不同逻辑信道，在一个时隙内传输的，由100多个调制比特组成的脉冲序列。可看成是逻辑信道在物理信道传输的载体。分类结构,突发脉冲的结构1,普通突发脉冲（NB：NormalBurst）57个加密比特：加密语音、数据或控制信息借用标志F：表明借用一半业务信道资源给FACCH训练序列：一串已知比特，供信道均衡用尾位TB：总是000，是突发脉冲开始与结尾的标志保护时间GP：防止由于定时误差而造成突发脉冲间的重叠频率校正突发脉冲（FB：FrequencyCorrectionBurst）142个固定比特：全0，固定的的频率校正信息,图3-17普通突发脉冲序列,图3-18频率校正突发脉冲序列,突发脉冲的结构2,同步突发脉冲（SB：SynchronizationBurst）39个加密比特：TDMA帧号（TN）以及基站识别码（BSIC）信息长同步序列：易被检测接入突发脉冲（AB：AccessBurst）长保护时间GP：适应移动台首次接入或切换到新基站时不知时间的提前量空闲突发脉冲（DB：DummyBurst）将普通突发脉冲中的加密信息比特换成固定比特当无用户信息传输时，用空闲突发脉冲替代普通突发脉冲在TDMA时隙中传送,图3-19同步突发脉冲序列,图3-20接入突发脉冲序列,图3-21空闲突发脉冲,帧偏离与定时提前量,图3-22帧偏离与定时提前量示意图,GSM上行链路延迟TDMA帧,上行链路F1-45MHz,下行链路F1MHz,上行链路延迟3个时隙,TDMAframe(4.615ms),延迟3个时隙,GSM的无线数字传输,GSM系统无线信道的衰落特性GSM系统中的抗衰落技术GSM系统中的语音编码技术GSM系统中的语音处理的一般过程,GSM系统无线信道的衰落特性,多径衰落,通信系统的好坏由输出的误码率来判断，但多径效应却会引起很高的误码率，使通信无法正常进行多径传输带来了额外的路径损耗多径衰落会导致数字信号传输的突发性错误多径延时扩展将导致数字信号传输的码间干扰,图3-24多径传播环境图3-25多径传播造成的符号间干扰及信号衰落,阴影衰落（慢衰落）,概念阴影衰落是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落表达式电波传播距离的m次幂和表示阴影损耗的正态对数分量的乘积,时延扩展,研究无线电波的多径传播的角度研究接收信号的包洛变化反映的多径衰落特性研究数字脉冲信号经过多径传播的时延特性时延扩展影响引起码间串扰,GSM系统中的抗衰落技术,信道编码与交织编码Viterbi均衡与天线分集跳频技术话音激活与功率控制,信道编码,目的改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响用有效性换取可靠性基本方法编码：发送端将原始数据和增加的数据比特（通过某种约定从原始数据中经计算产生）一起发送解码：接收端利用冗余信息检错并尽可能地纠错。如果收到的数据经过同样的计算得到的冗余与收到的不一致时，可确定传输有误编码方式大多数情况下，最终的冗余码是多种编码的混合结果块卷积码：主要用于纠错。解码器宜采用最大似然估计方法纠错循环码：主要用于检测和纠正成组出现的误码。通常与块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。奇偶码：一种普遍使用的，最简单的检测误码的方法,交织编码,目的针对多径衰落导致的突发性错误把一个较长的突发误码离散成随机误码，再用纠正随机误码的编码技术消除随机误码。原理按行输入，按列输出。把码字顺序相关的比特流非相化。方法将912bit字符交织后分散到8个TDMA帧的时隙中来传输,交织编码方法,输入码流是20ms的帧，每帧含456bit。每两帧（40ms）共912bit，按每行8位写入，共写入114行输出按列输出，每次读出114bit，恰好对应GSM的一个TDMA时隙过程：在40ms共912bit间进行将输入码流长为20ms帧中的456bit分成8段，每段含57bit当前帧的456bit分别与第n-1帧后半帧的228bit和第n+1帧前半帧的228bit交织,图3-26交织编码矩阵图3-27交织过程,Viterbi均衡,均衡的目的解决符号间干扰问题，适合于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号宽度的情况。均衡的分类频域均衡：使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件时域均衡：使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件（数字通信中常用）均衡算法的限制所用算法必须能够处理在16s之内收到的两个等功率的多经信号。因此在GSM系统中多采用Viterbi均衡算法,天线分集,实现方法之一：使用两个接收信道，它们受到的衰落影响是不相关的（即两者在某一时刻同时经受某一深衰落点影响的可能性很小）。因此当合成来自两付天线的信号时，衰落程度能被减小。,图3-28天线分集接收示意图,跳频技术,跳频就是有规则地改变一个信道的频隙（载频频带）分类快跳频慢跳频GSM的无线接口上采用主要原因频率分集干扰分集相关规定抗干扰性与跳频的频率集的大小关系密切，通常要求跳频频率集很大在蜂窝移动通信系统中，考虑到频率资源和系统容量，每组频率的数目最少应大于4个限制公共信道（广播控制信道（BCCH）必须使用固定频率，所以把公共信道选在不参加跳频的频隙上（NT0）。,频率分集,目的抗拒移动通信系统中瑞利衰落的影响原理同一信号在不同频隙上有不同的瑞利衰落的影响频率相差越大这种干扰的相关性越小因此由频率分集分散到不同频隙上的突发脉冲不会受到同一瑞利衰落的影响，从而改善了传输质量。适用条件当MS高速移动时，其它衰落影响较大，GSM所采用的慢跳频技术就无能为力了MS静止或慢速移动时，慢跳频技术可以使传输质量提高大约6.5dB,干扰分集,干扰分集源于码分多址（CDMA）的应用在高业务量区域，系统所能提供的容量受载干比（C/I）限制。在允许干扰总合下，可存在的干扰源越多，系统容量越大，这就是干扰分集的目的。在GSM系统中，有时为了提高频谱的利用率，不同小区中可以包含相同频率。通常当干扰总合小于C/I=7dB时，呼叫将受严重干扰：如果没有跳频，只有分配在1或2上的用户可以得到正确接收。然而有了跳频，就可以在所有情况下保证质量。,图3-29GSM蜂房结构与调频组网,跳频技术的相关规定,跳频在时隙和频隙上进行TDMA帧中的时隙蜂窝结构的每个区群分配n组频率，并分成若干个小区，每个小区分配一组频率（跳频频率集），其中每一个频率为一个频道（频隙）。跳频序列的描述参数GSM中规定最多可用的跳频序列个数为64个。对于n个指定的频率集合，可以建立64n个不同的跳频序列。跳频序列号（HSN），有64种不同值移动指配偏置度（MAIO）,可包括全部n个频率,通常在一个小区内的所有信道采用相同的HSN和不同的MAIO进行跳频，可避免区内信道间干扰；而在邻近小区之间由于使用不相关的频率集合，可认为彼此之间没有干扰。,图3-30GSM慢跳频示意图,话音激活与功率控制,有效地减少同信道干扰,话音激活,功率控制,话音激活,话音激活控制就是采用非连续发射。,图3-31非连续发射（DTX）框图图3-32话音激活监测器（VAD）框图,功率控制,目的在保证通信服务质量的条件下，使发射机的发射功率为最小，从而降低系统内的同信道干扰的平均电平。规定支持基站和移动台各自独立地进行发射功率控制规定总的控制范围是30dB，每步调节范围