三章节GSM移动通信系统课件

1、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第五节 GSM的信令协议第六节接续和移动性管理第七节通用分组无线业务（GPRS）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 业务基本业务附加业务电信业务承载业务图3-1 GSM系统业务分类 GSM支持的基本业务基本业务分类功能电信业务（ Teleservices）又称用户终端业务 为用户通信提供包括终端设备功能在内的完整能力承载业务（Bea

2、rer Services）提供用户接入点（也称“用户/网络”接口 ）间信号传输的能力电信业务终端设备数字蜂窝PLMN传输网终端网终端设备承载业务图3-2 GSM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电信业务类型业务码电信业务名称功 能话音传输11电 话为数字移动通信系统的用户和其它所有与其联网的用户之间提供双向电话通信紧急呼叫12通过一种简单而同一的手续将用户接到就近的紧急业务中心短消息21MS终端的点对点短消息业务由短消息业务中心完成存储和前转功能22MS起始的点对点短消息业务23小区广播短消息业务传真61交替语音和三类传真语音与三类传真交替传送62自动三类传真使用户以传真

3、编码信息文件的形式自动交换各种函件短消息业务的传送过程BSSMSCVLR移动台始呼的短消息移动台被呼的短消息短消息NSS空中接口A接口图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BSSBSSNSS操作维护接口空中接口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21-34 2. 表中“T”表示透明；“NT”表示不透明业务码承载业务名称业务码承载业务名称透明属性21异步300bps双工电路型33同步4.8 kbps双工电路型T或NT22异步1.2 kbps双工电路型34同步9.6 kbps双工电路

4、型24异步2.4 kbps双工电路型42异步PAD接入1.2 kbps电路型25异步4.8 kbps双工电路型44异步PAD接入2.4 kbps电路型26异步9.6 kbps双工电路型45异步PAD接入4.8 kbps电路型32同步2.4 kbps双工电路型46异步PAD接入9.6 kbps电路型61交替话音/数据81话音后接数据注131同步1.2 kbps双工电路型 T41异步PAD 接入1.2 kbps电路型NT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

5、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

6、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3-5 GSM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。 BSSAGDMSCEIRHLR/AUCVLRVLRSMCMSUmBCEFPSTNISDNPLMNPSPDNSSSAbisBTSBSCOMCMSC注 GSM系统的功能单元子单元功能MS（移动台）包括ME (移动设备)和SIM (用户识别模块)BTS（基站）为一个小区服务的无线收发信设备BSC（基站控制器）对一个或多个BTS进行控制以及相应呼叫控制MSC（移动业务交换中心）对于位于它管

7、辖区域中的移动台进行控制、交换VLR（拜访位置寄存器）存储与呼叫处理有关的一些数据HLR（归属位置寄存器）管理部门用于移动用户管理的数据库存储有关用户的参数和目前所处位置的信息EIR（设备识别寄存器）对移动设备的识别、监视、闭锁存储有关移动台设备参数的数据库AUC（鉴权中心）认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数OMC（操作维护中心）操作维护系统中的各功能实体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

8、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10

9、0MHz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频率分 类频 段移动台发、基站收基站发、移动台收GSM900/1800频段900MHz频段890-915MHz935-960MHz1800MHz频段1710-1785MHz1805-1880MHz国家无委分配给900MHz频段（注）886-909MHz931-954MHz中国电信的频段1800MHz频段1710-1720MHz1805

10、-1815MHz频道间隔&双工收发间隔&频道配置900MHz频段1800MHz频段频道间隔相邻频道间隔为200KHz每个频道采用时分多址接入(TDMA)方式分为8个时隙，即8个信道 双工收发间隔45MHz95MHz等间隔频道配置频道序号1 124512 885频道数124374频道序号和频道标称中心频率的关系 上行 下行其中， 上行 下行其中，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 67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

11、 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261026102610261037113711371137111591591591594812481248124812图3-7 43复用模式 图3-8 7组复用模式 7977991111111555333888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

12、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。 干扰参考载干比同道干扰C/Ic9dB200kHz邻道干扰C/Ia19dB400kHz邻道干扰C/Ia241dB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 （Burs

13、t）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3-9 GSM定义的各种逻辑信道示意图 逻辑信道公共信道专用信道广播信道公共控制信道频率校正信道同步信道专业控制信道业务信道广播控制信道寻呼信道随机接入信道接入允许信道独立专用控制信道快速随路信道慢速随路信道全速率信道增强型全速率信道半速率信道广播信道（BCH）是从基站到移动台的单向信道公共控制信道（CCCH）是

14、基站与移动台间的一点对多点的双向信道公共信道 组成功能频率校正信道（FCCH）传送频率校正信息同步信道（SCH）传送帧同步（TDMA帧号）信息和BTS识别码（BSIC）信息广播控制信道（BCCH）向每个BTS广播通用的信息组成功能上/下行信道寻呼信道（PCH）广播基站寻呼移动台的寻呼消息下行信道随机接入信道（RACH）MS随机接入网络时用此信道向基站发送信息并申请指配一独立专用控制信道SDCCH上行信道允许接入信道（AGCH）基站向随机接入成功的移动台发送指配了的独立专用控制信道SDCCH下行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

15、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 ）组成功能独立专用控制信道（SDCCH） 传送基站和移动台间的指令与信道指配信息随路信道（ACCH）慢速随路信道（SACCH）基站向移动台传送功率控制信息、帧调整信息基站接收移动台发来的移动台接收信号强度报告和链路质量报告与独立专用控制信道（SDCCH）或者业务信道公用在一个物理信道上传送信令消息快速随路信道（FACCH）传送基站与移动台间的越区切换的信令消息语音数据传输速率优点 使系统容量增加一倍 半速率信道业务信道种类语音数据传输

16、速率全速率信道13kbit/s半速率信道6.5kbit/s 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。Mobile looks for BCCH after switching onRACH s

17、end channel request AGCH receive SDCCHSDCCH do the authentication and TMSI allocationSDCCH require traffic channel assignmentSDCCH send call establishment requestSDCCH send the setup message and desired numberFACCH switch to traffic channel and send ack (steal bits)FACCH receive alert signal ringing

18、 soundFACCH acknowledge connect message and use TCHTCH conversation continuesFACCH receive connect message逻辑信道应用实例-移动台呼叫Mobile looks for BCCH after switching onRACH send channel request AGCH receive SDCCHSDCCH authenticateSDCCH switch to cipher modeSDCCH request for location updatingSDCCH authentica

19、te responseSDCCH cipher mode acknowledgeSDCCH allocate TMSISDCCH acknowledge new TMSISDCCH switch idle update mode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

20、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、RACH BCH CCCH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（B

21、SIC）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3-10 BCCH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

22、 下图为51个连续的TDMA帧的TS0 图3-11 TS0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3-13 SDCCH与SACCH在TS1上的复用（上行） 图3-12 SDCCH与SACCH在TS1上的复用（下行） f0的TS

23、2TS7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3-15 TCH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

24、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 超高帧超帧复帧复帧TDMA帧时隙图3-16 分级的帧结构 突

25、 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。分类结构类型逻辑信道携带信息普通突发脉冲TCH及除RACHA、SCH、FCCH和空闲突发脉冲以外的控制信道 业务信息和控制信息 频率校正突发脉冲频率校正信道（FCCH）频率校正信息同步突发脉冲同步信道（SYCH）系统同步信息接入突发脉冲随机接入信道（RACH）随机接入信息空闲突发脉冲控制信道 无突发脉冲的结构 1普通突发脉冲（NB：Normal Burst）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

26、 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：Frequency Correction Burst）142个固定比特：全0，固定的的频率校正信息TB3加密比特57F1训练序列26F1加密比特57TB3GP8.250.577ms156.25bit图3-17 普通突发脉冲序列 TB3固定比特142TB3GP8.250.577ms156.25bit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：Synchronization Burst）39个加密比特： TDM

27、A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：Access Burst）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：Dummy Burst） 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TB3加密比特39同步序列64加密比特39TB3GP8.250.577ms156.25bitTB3加密比特39同步序列64加密比特39TB3GP68.25图3-19 同步突发脉冲序列 图3-20 接入突发脉冲序列 TB3固定比特57F1训练序列26F1固定比特57T

28、B3GP8.25突发（0.546ms）图3-21 空闲突发脉冲 帧偏离与定时提前量帧偏离定时提前量概念前向信道的TDMA帧定时与反向信道的TDMA帧定时的固定偏差基站指示移动台以一定的提前量发送突发脉冲长度3个时隙视具体情况而定目的避免移动台同一时隙收发的必要性，从而保证收发的时隙号不变克服由突发脉冲的传输延时所带来的定时的不确定图3-22 帧偏离与定时提前量示意图 GSM 上行链路延迟 TDMA 帧T1T2T3T5T6T7T4T8RTRTR1R2R3R5R6R7R4R8上行链路F1 - 45MHz下行链路 F1MHz上行链路延迟3个时隙TDMA frame (4.615 ms)延迟3个时隙G

29、SM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阴影衰落多径衰落时延扩展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

30、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

31、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GS

32、M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

33、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

34、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，

35、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。A小区受干扰情况 f1f2f3f4移动台基站干扰电平(无跳频)0.1(C/I=10dB)0.14(C/I=8.5dB)0.25(C/I=6dB)0.28(C/I=5.5dB)移动台基站平均干扰电平(有跳频)0.19(C/I=7.2dB) 移动台移动台干扰电平(无跳频)0.10(C/I=10dB)0.14(C/I=5.5dB)移动台基站平均干扰电平(有跳频)0.19(C/I=7.2dB) 图

36、3-29 GSM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3-30 GSM慢跳

37、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。元 件功 能 发 端话音激活检测器检测是否有话音或仅仅是噪音发射机舒适噪音发生器产生并发送与发射机背景噪音相似的信号参数 收 端接收机舒适噪音发生器产生与发射机背景噪音相似的背景噪音信号，使收听者觉察不到话音激活控制开关的动作话音帧代换器用前面未受干扰的话音帧取代受干扰的话音帧，从而保证接收的话音质量图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

38、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，每步调节范围是20dB，从20mW到20W之间的1 6个功率电平，每步精度为3dB，最大功率电平的精度为1.5dB。过程移动台测量信号强度和信号质量，并定期向基站报告，基站按预置的门限参数与之相比较，然后确定发射功率的增减量。同理，移动台按预置的门限参数与之相比较，然后确定发射功率的增减量。在实际应用中，主要是对移动台（而非基站）的发射功率进行控制：以满足覆盖区内移动用户能正常接收为准GSM系统中的语音编码技术 语音方案 13kbit/s RPE-LTP码（规则脉冲激励长期预测）目的 在保证语音或数据传输质量的条件下，提高系统的

39、无线 资源利用率，增加系统的容量 过程把语音分成20ms 为单位的段，每个段编成260bit的数据块，然后对每个小段分别编码块与块之间依靠外同步，块内部不含同步信息收端将收到的信息块经LPT和LPC滤波重组经过一个预先设计好的去加重网络加以复原，恢复语音信号 GSM系统中的语音处理的一般过程图3-33 GSM中语音处理的一般过程语音编码编码方式：规则脉冲激励长期预测编码(RPE-LTP) 20ms为一帧，纯比特率为13kbit/s。语音编码器以20ms为单位，经压缩编码后输出260bits，因此码速率为13kbps。根据重要性不同，输出的比特分成182bits和78bits两类。 未来的更加先

40、进的话音编码器可以将速率进一步降低到6.5kbps（半速率编码）。信道编码50bit块编码器3卷积编码器4 2132bit456bit78bit交 织交 织语 音 帧突发脉冲的结构 三个语音帧 GSM的信令协议构成七号信令的主体GSM的专用协议主要信令MAPBSSAP（BSS应用部分）数据通道链路接入协议LAPDLAPDm协议（专用于空中接口）GSM的无线信令接口协议三层协议的概念三层协议GSM的地面信令接口协议图3-34 GSM网络中各部分的信令 GSM无线信令接口三层协议的概念GSM的无线信令接口协议 GSM 的Um接口上信令及其传输所应遵守的规定结构层间作用GSM无线信令的接口协议结构O

41、SI模型建议的分层协议结构三个层次内 容功 能物 理 层各类信道为高层信息传送提供基本的无线信道数据链路层各种数据传输结构对数据传输进行控制第三层无线资源管理（RM）各类消息和程序对业务进行控制移动性管理（MM）呼叫管理低 高OSI分层结构的层间作用实体单元 OSI分层分层结构中的每层都存在实体单元对等层 在不同系统中为了实现共同目标而必须交换信息的同一层实体顺序 低层向高层提供服务语言 原语接口 业务接入点（SAP）原 语 表示相邻层之间信息与控制的逻辑交换类 型意 义“请求”高层向相邻低层请求一种业务“指示”提供某种业务的层次通知其相邻高层与“请求”类原语有关的活动“响应”某层确认收到某个

42、低层的“指示” 类原语“证实”提供“请求”业务的层为证实操作活动已经完成图3-35 对等层通信的原语业务接入点（SAP）功能对提供业务的实体的控制数据传送物理层SAP功能有关信道的建立和释放命令比特传输控制层 第三层中的无线资源管理子层位置 每种控制逻辑信道的物理层和数据层之间图3-36 物理层SAP GSM无线信令接口的三层协议 物理层数据链路层第三层GSM无线信令接口的物理层为上层提供不同的逻辑信道每个逻辑信道都有自己的业务接入点SAP各种逻辑信道是复用在TDMA物理信道的TS0或TS1时隙上的移动台采用时分多址方式，可以在空闲时监测周围环境，把监测结果定时地传送给基站，以确定是否进行切换

43、GSM无线信令接口的数据链路层协议 移动D信道链路接入协议LAPDm LAPDm信令帧与LAPD信令帧的比较帧结构帧的类型和作用作 用为移动台和基站之间提供可靠的无线链路主 要信令协议信令层两连接的建立和释放；根据不同的业务接入点(SAP)说明连接的复用和去复用；业务数据单元到协议数据单元的映射。用 途在L3实体之间通过Dm通路经空中接口Um传递信息支 持多个第三层实体；多个物理实体；BCCH信令；PCH信令；AGCH信令；DCCH信令。LapD和LapDm的帧结构 LAPDm 帧中不含有帧校验（FSC）标志，地址和控制段也比较短图3-37 LapD和LapDm的帧结构 LAPDm与LAPD帧

44、的类型和作用 帧 名意 义任 务SABM建立异步平衡模式建立证实模式时的第一个帧DISC拆线释放证实模式时的第一个帧UA无序号证实对上述两种帧的证实DM非连接模式指示非连接模式的信息帧UI无信号信息非证实模式下的信息帧I信息证实模式下的信息帧RR接收器准备好流量控制,也可以用于证实RNR接收器未准备好流量控制REJ拒绝否定证实FRMR帧拒绝错误返回报告GSM无线信令接口的第三层功能专用无限信道连接的建立、操作和释放（无线资源管理RM）位置更新、鉴权和TMSI的再分配（移动性管理MM）电路交换呼叫的建立、维持和结束（呼叫控制CC）补充业务支持（SS）短消息业务支持（SMS）各个子层的功能和作用各

45、子层的功能和作用子 层作 用功 能无线资源管理RM呼叫期间移动台与MSC间连接的建立和释放；越区或漫游期间的信道切换；动态地共享有限的无线资源。呼叫建立的信道配置；加密和非连续传输模式管理；信道切换操作；功率控制和定时提前等。移动性管理MM支持用户的移动性，如：跟踪漫游移动台的位置；登记位置信息；处理用户通信过程中连接的切换。在MS和MSC间建立、保持及释放一个MM连接；由移动台启动的位置更新；保密识别和用户鉴权。连接管理CM呼叫控制CC支持以交换信息为目的的通信移动台主呼（或被呼）的呼叫建立（或拆除）电路交换连接补充业务SS支持呼叫的管理功能短消息业务SMS提供快速分组消息的传输GSM的地面

46、信令接口协议 通信协议标准应 用NO.7 信令系统网络接口X.25OMC到BSC间2M链路的数据通信G732 2048Mb/s PCM 链路PSTN到MSC、MSC到MSC、MSC到BSC、BSC到BTS、MSC到ITW(Interworking Function)之间LAPDAbis接口网络单元间的接口协议接口协议MSC与公共电话网（PSTN）TUP、MTPMSC与分组交换公共数据网ISUP、MTPMSC与VLR、HLR、EIRMAP、TCAP、SCCPMSC与BSCBSSAP、SCCP和MTPMSC与MSCDTAPBSC与BTSLAPD图3-38 GSM系统的总体结构 BSSAGDMSCE

47、IRHLR/AUCVLRVLRSMCMSUmBCEFPSTNISDNPLMNPSPDNSSSAbisBTSBSCOMCMSC注 接续和移动性管理概述位置更新呼叫建立过程越区切换与漫游安全措施计费概述接续和移动性管理出发点 为了建立一个呼叫连接需要解决的问题用户所在的位置用户识别用户所需提供的业务操作过程呼叫接续过程移动性管理过程（越区漫游时）建立或释放控制信道和业务信道设备和用户的识别无线链路、地面链路的交换和连接建立点到点的通信链路各种位置寄存器中移动台位置信息的登记、修改或删除越区转接正在通话位置更新目的 使移动台总与网络保持联系，以便移动台在网络覆盖范围内的任何地方都能接入到网络内内容移

48、动用户的登记以及相关数据库移动用户位置更新移动用户的周期位置更新移动用户的登记及相关数据库SIM（Subscriber Identity Module）卡功能存有用于用户身份认证所需的信息执行一些与安全保密有关的信息存储与网络和用户有关的管理数据结构由CPU、ROM、RAM和EEPROM等部件组成完整的单片计算机内容用户管理的有关信息：国际移动用户识别号（IMSI）、鉴权密钥（Ki）、用户接入等级控制以及用户注册的业务种类和相关网络信息等GSM网络区域组成 GSM服务区：由一个或几个服务区组成，这些服务区具有完全一致的MS-BS接口。可由一个或若干个公用陆地移动通信网（PLMN）组成，可以是一

49、个国家或是一个国家的一部分，也可以是若干个国家。公用陆地移动通信网（PLMN）：由一家公司负责经营的移动通信业务区域。在该区内具有共同的编号制度（比如相同的国内地区号）和共同的路由计划。MSC构成固定网与PLMN之间的功能接口，用于呼叫接续等。MSC/ VLR业务区：由MSC所覆盖的服务区域，一个MSC/ VLR业务区可以由一个或若干个位置区组成。MSC由编号方法来识别管理。位置区（LA）：移动台可在其中任意移动而不需要进行位置登记的区域，由一个或若干个小区（或基站区）组成。在MSC中采用位置区域识别码（LAI）对其管理。基站区：由同一基站提供服务的所有小区所覆盖的区域。小区：采用基站识别码（

50、BSIC）或全球小区识别（CGI）进行标识的无线覆盖区域，是网络中一个基本的无线覆盖区域，一个基站区划分若干个小区，当一个基站采用全向天线结构时，基站区即为小区，当采用扇形天线结构时，扇区即为小区。IMSI附着鉴权登记网络识别移动用户的登记过程MSC用户的临时位置信息 用户基本信息当前位置信息MSC/VLR IMSIVLRHLRONplayOFFONOFFplay位置更新请求附着入网注： IMSI国际移动用户识别码playMSC/VLR 分离处理请求离网分离移动用户位置更新 移动用户从一个网络服务区到达另外一个网络服务区时，系统所进行的位置更新操作。位置更新请求过程位置更新过程BSSNMSNS

51、SMSCVLRO & M空中接口接口MSCVLR涉及了两个VLR 图3-39 位置更新所涉及的网络单元 位置更新LA1LA2LA3oldMSC/VLRHLR位置区识别码LAI)newMSC/VLR123456BCCH位置更新请求过程通常移动用户处于开机空闲状态时，被锁定在所在小区的广播信道（BCCH）载频上网络位置识别信息两次是否相同不发送位置请求信息ON位置更新过程 网络端接收到请求信息后便将移动台注册到一个新的VLR区域用户的归属寄存器HLR与新的VLR交换数据得到移动用户的新位置信息HLR通知移动台所属的旧的VLR删除用户有关信息 MSBSSMSCVLRnewVLRoldHLR2.位置修

52、改请求1.分配信道3.请求用户身份4.请求用户身份5.请求用户数据6.请求用户数据7.鉴权进程8.修改位置9.修改 HLR10.修改确认11.删除旧的位置登记12.接受位置删除图3-40 位置更新过程 移动用户的周期位置更新解决问题 网络在特定时间未能收到来自移动台的任何信息方法 系统采取强制登记措施，要求MS每隔一定时间登记一次 定时器控制移动台每隔一定时间便向网络发送一次位置更新请求消息如果在特定时间内网络接收不到某用户的周期位置更新消息，则对该其做去“附着”处理呼叫建立过程 移动台的被呼过程移动台的主呼过程移动台的被呼过程以固定网PSTN呼叫移动用户为例固定网的用户拨打移动用户的电话号码

53、MSISDNPSTN交换机分析MSISDN号码GMSC分析MSISDN号码HLR分析由GMSC发来的信息HLR查询当前为被呼移动用户服务的MSC/VLR由正在服务于被呼用户的MSC/VLR得到呼叫的路由信息MSC/VLR将呼叫的路由信息传送给HLRGMSC接收包含MSRN的路由信息移动用户所用的号码国际移动用户识别码(IMSI)移动用户 ISDN 号码 (MSISDN)移动用户漫游号码 (MSRN)临时移动用户识别码(TMSI)HLRBSSGMSCMSC/VLRMSISDNMSISDNMSRNIMSIMSRNMSRN IMSIMSRN(IMEI)(TMSI)固网用户拨打MSISDNMSISDN

54、移动用户的国际ISDN号码号码结构CC为国家代码，我国为86国内有效ISDN号码：11位NDC数字蜂窝移动业务接入号13S(S9、8、7、6、5移动通信公司）联通公司目前的接入网号为130，131)。HLR识别号：H0 H1 H2 H3 我国的H0 H1 H2 H3分配分为H0=0和H00两种情况H0=0时，H1、H2由全国统一分配，H3 由各省自行分配。一个HLR可以包含一个或多个H3数值H0 0时，S、H0、H1、H2由全国统一分配。一个HLR可包含一个或若干个SH0H1H2数值SN（移动用户号）：ABCD。由各HLR自行分配CCNDCSN国际移动用户ISDN号码国内有效ISDN号码HLR

55、N1 N2 N3H0 H1 H2 H3ABCD86图3-41 MSISDN的号码结构 MSISDN号码的分析PSTN交换机分析MSISDN号码 PSTN分析NDC，将接续转接到相应移动网的关口移动交换中心（GMSC ）GMSC分析MSISDN号码GMSC分析MSISDN号码得到被呼用户所在的归属寄存器HLR的地址HLR查询 GMSC发送一个携带MSISDN的消息 给HLR，以得到用户呼叫的路由信息HLR根据GMSC发来的消息，在其数据库中找到用户的位置信息，即被呼用户是在哪一个VLR区登记的HLR的内容MSISDN 国际移动用户识别IMSI ：移动用户的唯一识别号码（15位数字组成）此处不使用

56、MSISDN号码的原因不同国家的MSISDN号码长度不同，不同部分易混淆不同MSISDN号码可以识别不同业务VLR的地址用户的数据HLR分析由GMSC发来的信息 结构识别对象位数中国MCC移动国家号码3460MNC移动网号2中国移动为00中国联通为01MSIN移动用户识别码10中国自行分配 国际用户用户识别MCCMNCMSIN 国内移动用户识别图3-42 IMSI的号码结构 路由信息的查找及传送HLR查询为正在服务于被呼用户的MSC/VLR目的 在VLR中得到被呼用户的状态信息以及呼叫建立的路由信息由正在服务于被呼用户的MSC/VLR得到呼叫的路由信息 正在服务于被呼用户的MSC/VLR产生一

57、个移动台漫游号码MSRN。MSRN结构结构1： 13S 00 M1M2M3 ABC。（M1M2M3为MSC/VLR号码， S为9、7、6、5或1和0）结构2： 1354 S M0M1M2 ABC。（S M0M1M2为MSC/VLR号码）方式 MSRN通过给出正在为被呼用户服务的MSC/VLR号码来应答HLR所请求的路由信息MSC/VLR将呼叫的路由信息传送给HLR 在此传送过程HLR对路由信息不做任何处理，而是直接将其传送给GMSC。连接被叫用户 GMSC和MSC/VLR的连接GMSC接收包含MSRN的路由信息，并分析MSRN，得到被叫的路由信息向服务于被呼用户的MSC/VLR发送携有MSRN

58、的呼叫建立请求消息服务于被呼用户的MSC/VLR接到此消息，通过检查VLR识别出被叫号码，找到被叫用户 MSC/VLR定位被叫用户寻呼过程MSC/VLR定位被叫用户划分位置区LA (Location Area) 将MSC/VLR的业务区域划分成若干较小的区域，并由MSC/VLR管理，以减小搜索被叫用户的工作量VLR的内容IMSILAC（位置区代码）MSRN用户数据图3-43 LA划分示意图 LA1LA2LA3MSC/VLRHLRMSC/VLR位置区识别(LAI)小区全球识别CGI)基站识别(BSIC)区域识别码位置区识别码Location Area Idetity)MCCMNCLAC网络色码

59、(NCC) : 3 bits基站色码 (BCC) : 3 bitsMCCMNCLACCINCCBCC基站识别码Base Station Identity Code)小区全球识别码Cell Global Identity)移动国家号码 (MCC): 中国为460。移动网络号码 (MNC): 为 00、01。位置区号码 (LAC) : 二个字节长的BCD码小区识别码CI) : 二个字节长的BCD码寻呼过程当网络知道了被叫用户所在的位置区后，便在此位置区内启动一个寻呼过程将寻呼消息经基站通过寻呼信道PCH发送出去位置区内某小区PCH上空闲的移动用户接到寻呼信息，识别出IMSI码，便发出寻呼响应消息给

60、网络。网络接到寻呼响应后，为用户分配一业务信道，建立始呼和被呼的连接，完成一次呼叫建立呼叫建立过程图示图3-44 呼叫建立的简单步骤ASubscriberPSTNGMSCHLRMSC/VLR呼叫建立(MSISDN)分析号码呼叫建立(MSISDN)MSISDNIMSIMSRNMSRN呼叫建立(MSRN)寻呼移动台的始呼过程 移动用户通过随机接入信道（RACH）向系统发送接入请求消息MSC/VLR分配给用户一专用信道，查看主呼用户的类别并标记此主叫用户示忙若系统允许该主呼用户接入网络，则MSC/VLR发证实接入请求消息主叫用户发起呼叫如果被呼叫用户是固定用户，则系统直接将被呼用户号码经固定网（PS