GSM基本原理讲解

1、前导：移动通信基础移动通信基础移动通信系统的发展史世界移动通信的发展第一阶段(从二十世纪20年代至40年代初)第二阶段(40年代中至60年代末)第三阶段(70年代至80年代)第四阶段(90年代至今)中国移动通信的发展第一代第二代第2.5代第三代 世界移动通信的发展第三阶段：70年代至80年代开始运用于个人领域使用频段为800/900MHz集成交换系统移动设备小型化，系统大容量化，信息传输实时化第一代移动通信系统(1G)时代美国Bell实验室推出的蜂窝系统的概念典型系统美国的AMPS系统英国的TACS系统北欧的NMT系统日本的NAMTS系统世界移动通信的发展第四阶段：90年代至今第二代移动通信系

2、统(2G)广泛应用和第三代移动通信系统(3G)的具体的设计、规划和实施阶段2G是以数字传输、时分多址或码分多址为主体技术的通信系统典型的2G系统欧洲的GSM系统美国的DAMPS系统和美国的IS-95A CDMA系统日本的JDC系统90年代中期，第三代移动通信系统进入到具体的设计、规划和实施阶段第三代移动通信系统(3G)形成了北美、欧洲和中国三大区域性集团北美的CDMA2000 欧洲的WCDMA中国的TD-SCDMAITU提出IMT-2000概念：ITU：International Telecommunication Union，国际电信联盟IMT-2000：International Mobi

3、le Telecom System-2000，国际移动电话系统-2000IMT-2000规范：标准全球性、频带全球性、终端全球性、漫游全球性移动业务质量更高、频率使用效率更高、数据传输速率更高高速的分组数据传输速率：固定位置：能达到2Mbps步行用户：能达到384kbps车载用户：能达到144kbps世界移动通信的发展蜂窝移动通信的演进路线：TACSNMTGSMIS-95A CDMA1G2G2.5G3GAMPSGPRSEDGEUMTSIS-95B CDMACDMA2000世界移动通信的发展蜂窝移动通信系统空中无线数据传输速率的演进：世界移动通信的发展GSM9.6kbpsGPRS171.2kbp

4、sEDGE384kbpsUMTS384kbps2MbpsIS-95A CDMA9.6kbpsCDMA2000-1X307.2/230.4kbpsCDMA2000-1X EV-DO2.4MbpsIS-95B CDMA115.2kbps中国移动通信的发展第一代(1G)移动通信网络：80年代末、90年代初，中国第一代移动网络开通只支持话音业务采用英国的TACS体制第一代(1G)移动通信的特点：易受干扰保密性差系统容量小提供有限的业务手机体积大，价格昂贵First PortableCellular PhoneDynaTAC1983中国移动通信的发展第二代(2G)移动通信网络：1992年在嘉兴地区，第二

5、代移动蜂窝网开始试运转90年代初、中期，中国移动和中国联通全国开通GSM网络90年代中期，部分省市的IS-95A CDMA试验系统2001年，中国联通在全国开通IS-95A CDMA网络第二代(2G)移动通信的特点：系统容量提高话音质量更好便于实现通信安全保密能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性能实现更有效灵活的网络管理和控制可降低设备成本和减小用户手机的体积和重量First WearableCellular PhoneStarTAC1996中国移动通信的发展第2.5代(2.5G)移动通信网络：2000年，中国移动在全国开通商用网-GPRS系统在GSM网络基础上演化的一个过渡网络数字制式采

6、用包交换技术更为广泛的数据业务2003年，中国移动在全国开通商用网-EDGE系统2002V702004V32005E680i中国移动通信的发展第三代(3G)移动通信网络：2002年，中国联通开通全国商用网CDMA2000-1X系统数字制式语音质量更好通信安全保密性好系统容量大采用包交换技术支持高速的数据业务实时视频阅读与编辑可视电话WAP2.0浏览个性化信息游戏下载定位服务第二部分移动通信系统概述移动通信的特点移动通信的主要特点：必须利用“无线电波”进行信息传输工作于复杂的干扰环境可利用的频谱资源有限移动性使得网络管理复杂用户数量庞大移动通信的特点移动通信的复杂性一：发射信号传播方式的多样式直

7、射反射绕射漫反射移动产生的特殊效应移动通信的特点移动通信的复杂性二：外来信号的多样式干扰噪声移动通信的特点移动通信的复杂性三：对移动台的特殊要求外界环境的影响性能的稳定可靠携带方便、小型、低功耗、耐高温、 耐低温操作方便移动通信的分类通信系统的分类：核心网接入网通信网有线接入网无线接入网 光纤接入光纤同轴混合网Cable ModemXDSL卫星接入高空平台蜂窝接入微波接入WLAN移动通信的分类移动通信的分类：按工作方式分类-单工/双工/半双工按多址方式分类-FDMA/TDMA/CDMA按信号形式分类-模拟网/数字网按覆盖范围分类-城域网/局域网/个域网按业务类型分类-电话网/数据网/综合业务网

8、/多媒体网按服务特性分类-专用网/公用网按使用环境分类-陆地通信/海上通信/空中通信按使用对象分类-民用系统/军用系统蜂窝移动通信系统：移动通信的分类MSCBSC公共电话网PSTNOMSBTS蜂窝移动通信的基本概念蜂窝移动通信系统主要功能部件：移动台(MS)基站系统(BSS)网络交换系统(NSS)操作维护系统(OMS)MS移动台BSS基站系统NSS网络交换系统OMS操作与维护系统GSM网络组件GSM网络组件：移动台(MS)MESIM基站系统(BSS)BTSBSCXCDR网络交换系统(NSS)MSCHLRVLR操作与维护系统(OMS)OMCNMCNSSOMSNMCOMCIWFAUCMSSIMME

9、ECEIRBSSBTSXCDRBSCMSCHLRVLR蜂窝移动通信的基本概念蜂窝概念的引入：大区制移动通信系统信号传输损耗通信距离有限大区制系统覆盖范围3050km、 发射功率50200W 、天线很高(30m)具有网络结构简单、频道数目少、没有无线交换机、直接与PSTN相连大区系统的局限性覆盖范围有限服务的用户容量有限服务性能较差频谱利用率低1974年Bell实验室提出蜂窝(Cell)的概念蜂窝移动通信的基本概念蜂窝的概念：无线覆盖区域的一种理论化的模型六边形理论化蜂窝理想化蜂窝实际化蜂窝蜂窝移动通信的基本概念宏蜂窝(Macrocell)：每小区的覆盖半径大多为125km用于大面积覆盖基站天线

10、置于相对较高的地方基站的发射功率较强存在热点和盲点问题蜂窝移动通信的基本概念微蜂窝(Microcell)：覆盖半径大约为30300m发射功率相对较小，一般在12W基站天线置于相对低的地方用于解决热点/盲点问题蜂窝移动通信的基本概念微微蜂窝(Picocell)：微蜂窝的一种覆盖半径更小，一般只有几十米基站发射功率更小用于解决热点和盲点问题蜂窝移动通信的基本概念智能蜂窝：扩大系统覆盖区域提高频谱利用率，增加系统容量降低基站发射功率，减少信号间干扰减少电磁环境污染节省系统成本智能天线蜂窝移动通信的基本概念切换：在通话(业务处理)过程中发生MS业务处理过程中，从一个小区的覆盖区域移动到另外一个小区的覆

11、盖区域。MS可能发生小区间的切换(Handover/Handoff)切换过程对于MS用户来说是不易察觉的，也就是说用户不知道已经发生了切换；即：切换过程对用户是透明的蜂窝移动通信的基本概念漫游：这里提供到的漫游是一个管理上的概念漫游条件一：网络与网络之间的物理通信链路漫游条件二：网络的管理者之间达到的漫游协议网络3网络1网络2标准化组织移动通信标准化的重要性和内容：标准化工作的重要性没有标准化，通信技术会呈现多样性没有标准化，网络缺乏互联设备，互通困难没有标准化，无法大规模生产，通信设备价格因此而昂贵移动通信的标准化内容技术体制标准化网络设备标准化测试方法标准化标准化组织国际标准化组织：国际电

12、信联盟(ITU)负责国际无线电标准化工作ITU原组织为综合秘书处国际频率登记局(IFRB)国际无线电咨询委员会(CCIR)研究国际电话电报咨询委员会(CCITT)1993年3月ITU组织调整为ITU-R工作组负责无线电通信ITU-T工作组负责非无线电标准ITU-D工作组负责电信发展标准化组织欧洲的标准化组织：欧洲邮电管理协会(CEPT)曾是欧洲通信设施的主要标准化组织现逐渐被其它组织替代，如：ETSI欧洲电信标准协会(ETSI)定义欧洲的无线电系统的技术指标成立于1987年GSM、DECT和HiperLAN等技术规范的制定者北美地区的标准化组织：电子工业协会(EIA)电信工业协会(TIA)蜂窝

13、电信工业协会(CTIA)美国国家标准协会(ANSI)美国电气及电子工程师学会(IEEE)对标准开发起着重要作用的科学组织IEEE 802OSI参考模型为了实现网络通信OSI把网络分成七层结构： 应用层(Application)表示层(Presentation)会话层(Session)传输层(Transport)网络层(Network)数据链路层(Data Link)物理层(Physical)ApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalOSI参考模型OSI的封装：PHApplicationPresentationS

14、essionTransportNetworkData LinkPhysicalApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalAHSDUPHSDUSHSDUTHSDUNHDHSDUSDUSDU (Service Data Unit)PDU (Protocol Data Unit)PresentationSessionTransportNetwork网络的概念物理网络的概念：通常是指物理层和数据链路层以太网(Ethernet)令牌环(Token Ring)帧中继(Frame Relay)WLANGSMGPRSUMTSC

15、DMACDMA2000逻辑网络的概念：通常是指物理层、数据链路层和网络层ApplicationData LinkPhysicalPhysicalData LinkNetworkPresentationSessionTransportNetworkApplicationData LinkPhysicalPhysicalData LinkNetwork物理网络逻辑网络OSI与SS7协议比较：7号信令系统（SS7）PresentationSessionTransportNetworkApplicationData LinkPhysicalPhysicalData LinkNetworkMTP 1层M

16、TP 2层MTP 3层SCCPTCAP空OMAPASEsISDN用户部分NSP第三部分数字编码数字编码数字编码分为：信源编码信道编码原始信息信道数字信号信道编码物理信道调制发射采样分段采样分段信源编码信源编码移动通信对语音编码的要求：速率较低，纯编码速率应低于16kbps在一定编码速率下，音质应尽可能高编码时延应较短，控制在几十毫秒以内算法复杂程度适中，易于大规模集成在强噪声环境中，算法应具有较好的抗误码性能，以保持较好的话音质量信源编码语音编码质量的评定：客观评定方法信噪比加权信噪比平均分段信噪比主观评定方法 质量等级分数收听注意力等级优5可完全放松，不需要注意力良4需要注意，但不需明显集中

17、注意力满意(正常)3中等程度的注意力差2需要集中注意力劣1即使努力去听，也很难听懂主观评定等级表信源编码信源编码技术：波形编码混合编码参量编码信源编码波形编码：基本原理：在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示特点：适应能力强、语音质量好；编码速率高，对带宽要求高例如脉冲编码调制(PCM)增量调制(M)时间信源编码典型的波形编码-脉冲编码调制(PCM)：采样： 8000次/秒有采样频率量化：每个采样用8比特表示编码： 64kbps速率PSTN、GSM、GPRS、UMTS、CDMA、CDMA2000网络中都用到了PCM信源编码参量编码：参量编码又称为声源编码，是

18、将信源信号在频率域或其它正交变换域提取特征参量，并将其变换成数字代码进行传输特点：实现低速率语音编码；语音质量只能达到中等例如：线性预测编码(LPC)信源编码混合编码：混合编码是将波形编码和参量编码的特点结合起来，力图保持波形编码的高质量和参量编码的低速率特点：低速率(0.8kbps 16kbps)，高语音合成质量 例如规则脉冲激励长期预测编码(RPE-LTP)码激励线性预测编码(CELP)多脉冲激励线性预测编码(MPLPC)信道编码差错控制的需求：通信线路上总有噪声和损耗存在噪声和有用信息混合，加上损耗就会出现差错差错控制方式：反馈纠错前向纠错混合纠错信道编码奇偶校验码：特点：编码速率较高只

19、能发现奇数个错误编码过程把信源编码后的信息数据流分成等长码组在每一信息码组之后加入一位校验码元001101010101110101010001100110101 01011101 01010001 1. 奇校验00110101 001101011 (码重为奇)偶校验00110101 001101010 (码重为偶)信道编码重复码：特点：编码和解码速率较高信道有效利用率低编码过程：将信息重复传几次CDMA系统中就使用了重复码00110101 00110101 00110101信道编码循环冗余校验码(CRC)：特点严密的数学理论基础编码和解码设备都中等复杂检错和纠错能力较强GSM和CDMA系统中就

20、使用了循环冗余校验码(CRC)来检错信道编码卷积码：特点编码简单编码设备简单性能高解码远比编码复杂，限制了编码的相关长度适合解离散的差错，对于连续的差错效果不理想GSM、GPRS、UMTS、CDMA和CDMA2000系统中都使用了卷积码信道编码卷积码：K约束长度：图例中K=9R编码效率：图例中R=1/2X1X2X3X4X5X6X7X8g0g1C0C1信道编码交织 (Interleaving)：特点不增加冗余信息配合卷积码一起完成对连续错误的纠错编码和解码简单GSM、GPRS、UMTS、cdmaOne和CDMA2000系统中都使用了卷积码MRCU原始信息：M O T O R O L A C E

21、L L U L A ROOELTLLAOALRM O T OR O L AC E L LU L A RM O T OR O L AC E L LU L A R 空中信息：M R C U O O E L T L L A O A L R交织编码交织解码解码信息：M O T O R O L A C E L L U L A RMRCUOOELTLLAOALR第四部分无线信道传输介质传输介质：有线同轴电缆双绞线光纤无线传输方式传输方式分为：单工发端收端信道半双工发端收端信道收端发端双工发端收端信道收端发端信道传输方式双工又分为：频分双工(FDD)- 时分双工(TDD)f2终端2终端1f1终端2终端1t终

22、端2终端1终端2终端1终端1终端1终端2终端2多址方式频分多址(FDMA)：通过频道区分用户一个频道就是一个信道典型系统第一代模拟系统TACS系统：f = 25kHzAMPS系统：f = 30kHz多址方式时分多址(TDMA)：通过时隙(Time Slot)来区分一个载频上的用户一个时隙(TS)就是一个信道典型系统第二代蜂窝通讯网络GSMFDMA+TDMAf = 200kHzTS0TS7多址方式码分多址(CDMA)：通过正交或准正交的地址码在一个载频上区分用户一个地址码就是一个信道典型系统IS-95 CDMA网络FDMA+CDMAf = 1.2288MHz无线信号的损耗无线信号在传输中受到的损

23、耗包括：由传输距离引起的路径损耗由阴影效应引起的损耗由多径传播引起的信号衰落由其它的发射机发射的干扰信号由外部环境中的噪声引起的干扰无线信号的损耗传输距离引起的路径损耗：距离越远损耗越大信号频率低时的传输损耗小信号频率高时的传输损耗大无线信号的损耗衰落的分类：慢衰落快衰落功率 (dB)距离 (m)无线信号的干扰频分多址的同频和邻频干扰：功率频率同频信号1同频信号2f1干扰区域干扰区域邻频信号1邻频信号2f2f3第五部分信道化处理调制与解调模拟信号的调制方式：调幅方式(AM-Amplitude Modulating)调频方式(FM-Frequency Modulating)调相方式(PM-Pha

24、se Modulating)基本的数字调制方式：移幅键控 (ASK-Amplitude Shift Keying)移频键控 (FSK-Frequency Shift Keying)移相键控 (PSK-Phase Shift Keying)调制与解调基本的数字调制方式：数字信号移幅键控移频键控移相键控 1 0 1 1 00T2T3T4T5Tttt调制与解调移相键控调制(PSK)：BPSKQPSKOQPSK8PSK二相移相键控四相移相键控交错四相移相键控八相移相键控调制与解调二相移相键控(BPSK)原理：CDMA/CDMA2000系统中使用了BPSK10 I支路 Q支路 调制与解调四相移相键控(Q

25、PSK)工作原理：CDMA/CDMA2000系统中使用了QPSK1，11，00，10，0 I支路 Q支路 调制与解调交错四相移相键控(OQPSK)原理：CDMA2000系统中使用了OQPSK交错正交移相键控(OQPSK)是四相移相键控(QPSK)的改进型QPSK1，11，00，10，0 I支路 Q支路 OQPSKQ支路 I支路 1，11，00，10，0调制与解调移频键控(FSK)：最小移频键控(MSK-Minimum Shift Keying)高斯最小移频键控(GMSK-Gaussian Minimum Shift Keying)t扩展频谱通信扩展频谱通信的分类：直接序列扩展频谱系统(DS-S

26、S)跳频扩展频谱系统(FH-SS)跳时扩展频谱系统(TH-SS)扩展频谱通信的主要优点：抗干扰性能好保密性好低通量密度扩展频谱通信直接序列扩展频谱(DS-SS)：就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息2频率频率31N码域扩展频谱通信单路信号直接序列扩展频谱(DS-SS) 前后效果比较：功率谱密度f 噪声发射端空中接收端滤波后DSSS干扰信号发送信号噪声干扰信号干扰信号发送信号扩展频谱通信跳频扩展频谱(FH-SS)：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不

27、断地跳变跳频分类：慢跳频和快跳频频率时间54321非跳频系统频率时间54321跳频系统扩展频谱通信跳时扩展频谱(TH-SS)：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控时间非跳时系统TS1Frame1跳时系统时间Frame中时隙出现的位置TS1TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS1TS1TS1TS1TS3TS0TS5Frame2Frame3Frame4Frame1Frame2Frame3Frame4Frame中时隙出现的位置GSM网络组件GSM网络组件：移动台(MS)MESIM基站系统(BSS)BTSBSCXCDR网络交换系统(NSS)MSCHLRVLR操作与维护系统(OMS)OMCNM

28、CNSSOMSNMCOMCIWFAUCMSSIMMEECEIRBSSBTSXCDRBSCMSCHLRVLRGSM网络组件GSM网络组件：功能层次化树状拓扑结构BTSMSCBSCXCDRBTSBTSMSBTSBSCXCDRBTSBTSMSMSMSMSMS GSM网络组件移动台(MS)：功能层次最全，几乎参与所有网络功能由于能力所限，因此很多功能都由网络侧实施主控，MS做为受控端来实施用户实施移动应用的承体用户实施单机应用的承体包括手机：硬件平台操作系统中间件应用软件硬件平台包括：移动设备(ME)用户识别模块(SIM)MS硬件平台各种应用软件中间件操作系统MESIMGSM网络组件移动设备(ME)：

29、射频能 车载台/手提式/手机功能等级(声码器/加密性能/频率性能)Phase I/Phase II/Phase II+应用能力彩屏摄像功能及分辨率MP3彩信定位GSM网络组件用户识别模块(SIM)：存储用户信息移动台国际综合业务数字网号码(MSISDN)国际移动用户识别码(IMSI)用户鉴权键(Ki)临时移动用户识别码(TMSI)位置区域识别码(LAI)存储应用程序运营商开通的一些服务程序FULL SIZE SIM CARDMINI SIM CARDGSM网络组件基站系统(BSS)：功能无线资源的管理和控制与NSS共同完成呼叫处理功能组件变码器 (XCDR)基站控制器(BSC)基站收发信台(B

30、TS)BTSBTSBSCBTSBTSXCDRBSSGSM网络组件基站收发信台(BTS)：功能无线介质与有线介质的转换有限的无线资源控制功能无线相关功能的实施者控制能力可支持1个小区或多个扇区化小区GSM网络组件基站控制器(BSC)：控制功能无线资源的控制和管理呼叫处理功能传递BTS和MSC的业务和信令连接地面链路和空中接口信道对BSC所辖范围内的MS执行切换控制控制能力只能与一个MSC相连可控制至少1个BTS不同厂商的BSC控制BTS的个数不同BTSBTSBSCBTSBTSMSCXCDRGSM网络组件变码器(XCDR)的功能：完成空中编码与陆地网络编码的转换PCM与RPE-LTP之间的转换64

31、kbps的PCM与16kbps的RPE-LTP之间的转换MSCBSCXCDR64kbps16kbps GSM网络组件网络交换系统(NSS)：功能处理GSM网络内及其它网络间的通信功能组件移动交换中心(MSC)归属位置寄存器(HLR)访问位置寄存器(VLR)设备识别寄存器(EIR)鉴权中心(AUC)互通功能(IWF)回声消除器(EC)NSSIWFHLRVLRAUCEIRMSCECGSM网络组件移动交换中心(MSC)：交换信道的管理和分配互通功能移动性管理呼叫的处理和控制越区切换和漫游的控制用户位置信息的登记与管理用户号码和移动设备号码的登记和管理服务类型的控制对用户实施鉴权产生原始呼叫记录(CD

32、R)NSSIWFHLRVLRAUCMSCEIRECGSM网络组件归属位置寄存器(HLR)：功能：与VLR共同完成移动性管理内容：存储本地用户信息的数据库永久性的参数国际移动用户识别码(IMSI)移动台国际综合业务数字网号码(MSISDN)鉴权键(Ki)预定的附加业务(如：呼叫转移功能)附加的业务信息(如：呼叫转移号码)暂时性的参数用户状态(附着/分离)用户当前的VLR位置移动台漫游号码(MSRN)IWFHLRVLRAUCMSCEIRECNSSGSM网络组件访问位置寄存器(VLR)：功能：与HLR共同完成移动性管理内容：存储访问用户信息的数据库移动台状态(忙/空闲)位置区域识别码(LAI)临时移

33、动用户识别码(TMSI)移动台漫游码(MSRN)IWFHLRVLRAUCMSCEIRECNSSGSM网络组件鉴权中心(AUC)：功能： 用于移动用户鉴权与HLR一般处于同一位置IWFHLRVLRAUCMSCEIRECNSSGSM网络组件互通功能(IWF)：功能： 提供与其它数据网络的连接数据速率的匹配协议的匹配NSSIWFHLRVLRAUCMSCEIRECOther NetworkGSM网络组件回声消除器(EC)：用于消除移动网络和固定网络通话时，移动网络的回声IWFHLRVLRAUCMSCEIRECPSTNNSSGSM网络组件操作与维护中心(OMC)：功能配置管理事件/告警管理保密管理故障管

34、理性能管理分类OMC-R专门控制基站系统OMC-S专门控制网络交换系统操作系统入机接口通信处理器数据库保密管理配置管理性能管理故障管理事件/告警管理 GSM网络接口GSM网络接口名称：VLRHLRAUCEIRXCBGEDCFAbisUmBTSMSMSCVLRBSCAHLRAUCXCBTSMSBSCMSCEIR GSM网络接口E1在GSM网络接口的应用：VLRHLRAUCEIRXCBTSMSCVLRBSCHLRAUCXCBTSBSCMSCEIRECECPSTNBTSBTSBTSBTSBTSBTSGSM网络接口E1协议的结构：E1是一种协议标准(欧洲)每帧时长是125s，由32个时隙组成每时隙传输

35、8bit信息,每个时隙的速率是64kbpsE1的传输能力是2.048MbpsTS0用于同步信息和校验信息；TS16用于控制信令；TS1TS15和TS17TS31传送话音或数据SYNCTS1TS2TS3TS31TS16GSM网络接口BSC到MSC之间E1协议的使用：PCMPCMPCMPCMPCMPCMPCMPCM16PCMPCMPCMPCMPCMPCMPCMPCM031MSCBSCXCDRTCHTCHTCHTCHTCH=64kbps=16kbps42Mbps12Mbps30 TS30 TS160GSM网络接口Um接口：MS与BTS之间的接口协议层次无线资源管理(RR)移动管理(MM)呼叫管理(C

36、M)物理层LAPDmRRMMCMGSM网络接口Abis接口：BSC与BTS之间的接口协议层次链路接入协议数据(LAPD)直接传输应用(DTAP)(SS7)BTS管理(BTSM)无线资源管理(RR)物理层E1LAPD层3协议 BTSM RRDTAPGSM网络接口Abis接口：基站系统(BSS)内部的物理连接网络拓扑星型连接网络拓扑菊花链连接网络拓扑环型连接网络拓扑BTS2BTS1BTS3BTS2BTS1BTS3BTS4BTS5BTS6BTS2BTS1BTS3BTS4BSCBSCBSCGSM网络接口A接口：BSC与MSC之间的接口协议层次MTP：消息传送部分(SS7)SCCP：信令连接控制部分(S

37、S7)DTAP：直接传送应用部分(SS7)BSSMAP：基站系统管理应用部分(SS7)物理层MTP2MTP3SCCPBSSMAPDTAPGSM网络接口A接口：BSC与MSC之间的接口物理连接方式树状拓扑结构常用E1或T1协议承载XCDRMSCBSCXCDRBSCAAXCDRBSCAXCDRBSCA第二章 GSM多址方式GSM系统的频率划分GSM系统的频率划分：GSM900系统EGSM900系统DCS1800系统PCS1900系统MHz89091593596017101785180588092518501880191019301990GSMGSMEGSMEGSMDCSDCSPCSPCS频率915

38、960BTSMSDownlink for BTSUplink for MSGSM系统的频率划分GSM 900系统工作频段：频分双工(FDD)上行下行的频率不同上行(Uplink)从MS到BTS方向使用890915MHz的频率下行(Downlink) 从BTS到MS方向使用935960MHz的频率890.1MHz890.3MHz890.2MHz200kHzGSM系统的频率划分GSM 900系统的绝对射频信道号(ARFCN)：频率带宽：200kHz工程师常称绝对射频信道号(ARFCN)为一个频点GSM系统的频率划分EGSM 900系统：基站接收频段： 880-915MHz基站发射频段： 925-9

39、60MHz双工间隔： 45MHz频分带宽： 200kHz频点数量： 17435MHz(174个ARFCN)880MHz915MHz35MHz(174个ARFCN)925MHz960MHz45MHz200kHz200kHzGSM系统的频率划分DCS 1800系统：基站接收频段： 1710-1785MHz基站发射频段： 1805-1880MHz双工间隔： 95MHz频分带宽： 200kHz频点数量： 37475MHz(374个ARFCN)1710MHz1785MHz75MHz(374个ARFCN)1805MHz1880MHz95MHz200kHz200kHzGSM系统的频率划分PCS 1900系统

40、：基站接收频段： 1850-1910MHz基站发射频段： 1930-1990MHz双工间隔： 80MHz频分带宽： 200kHz频点数量： 29960MHz(299个ARFCN)1850MHz1910MHz60MHz(299个ARFCN)1930MHz1990MHz80MHz200kHz200kHzGSM系统的频率规划全向小区：全向天线小区内支持多载波多用于微蜂窝360度GSM系统的频率规划定向小区/扇区化小区：天线辐射的效率提高提高了频率复用率增加了系统容量多用于宏蜂窝120度60度GSM系统的频率规划4基站/3扇区频率规划方式：4个基站一组每个基站下有3个扇区化小区AA1A3A2BB1B3

41、B2CC1C3C2DD1D3D2CC1C3C2AA1A3A2BB1B3B2DD1D3D2AA1A3A2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2AA1A3A2BB1B3B2CC1C3C2DD1D3D2BB1B3B2CC1C3C2CC1C3C2AA1A3A2DD1D3D2GSM系统的频率规划4基站/3扇区频率规划方式：当每扇区中只有1载波时，至少要有12载波才能做到4*3复用当每扇区中只有2载波时，至少要有24载波才能做到4*3复用当每扇区中只有3载波时，至少要有36载波才能做到4*3复用.Cell A1Cell B1CellC1CellD1CellA2CellB2CellC2CellD2Cel

42、lA3CellB3CellC3CellD312345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940GSM系统的频率规划跳频分类：慢跳频：GSM系统属于这种跳频，GSM系统的跳频速率最高为每秒217次快跳频 GSM系统跳频的分类合成器跳频(SFH)基带跳频(BFH)频率时间频率时间5432154321非跳频系统跳频系统GSM系统的频率规划GSM系统单路信号跳频扩谱前后效果比较：f 干扰信号发送信号噪声发射端空中接收端功率谱密度滤波后发送信号可以出现的位置10FHI(255)101010101010GSM系统的频

43、率规划合成器跳频(SFH) ：MS使用BCCH载波BCCH载波一般不参与跳频BCCH/ CCCHFHI(1)= 20，30，4020 30 4030 40 2040 20 30GSM系统的时分多址GSM系统的时分多址(TDMA)：在划分频带的基础上进行时分多址(TDMA)频带带宽为200kHzGSM系统的时分多址时隙(TS)与TDMA帧：一个GSM绝对射频信道在时间上被划分成一个TDMA帧TDMA帧时间长度为4.615ms一个TDMA帧又被划分成8个时隙(TS)时间长度为0.577ms0123456701234567TDMA 帧 2 时隙 TDMA 帧 10.577ms4.615ms4.615

44、ms突发序列GSM系统的时分多址帧的种类：TDMA帧(TDMAframe)：8个时隙复帧 (Multiframe)51控制复帧：51个TDMA帧26业务复帧：26个TDMA帧超帧 (Superframe)：51*26个TDMA帧超高帧 (Hyperframe)：2048个超帧GSM系统的时分多址时分多址(TDMA)在GSM系统中的实现：频分双工(FDD)上行/下行使用不同的频率上行/下行频率成对使用移动台是半双工模式(一套收发器)基站是全双工模式(二套收发器)基站发射的下行与基站接收到的上行之间有三个时隙的偏移电路交换0123456701234567TDMA 帧 2TDMA 帧 1012345

45、6701234567TDMA 帧 2TDMA 帧 1基站接收到的Uplink基站发射的DownlinkGSM系统的时分多址时间提前量(TA)：TDMA系统的同步是关键用提前发送信息，来弥补传输延迟TA值与移动台和基站之间的距离有关01234567TDMA帧 101234567TDMA帧 1上行下行MS BSSBSS MS时间提前量3 TS 偏移第三章 GSM信道GSM系统物理信道GSM系统物理信道：TDMA帧被分成8个时隙(TS)每个用户占一个时隙(TS)TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7GSM系统物理信道GSM系统物理信道：空中的TDMA帧是连续的一个超高帧为一个循环计数周期计

46、数周期为2，715，648个TDMA帧012376543210765421037654210GSM系统逻辑信道 GSM系统逻辑信道：把物理信道从不同角度进行分类，从而更准确、精细地描述信道逻辑信道根据用户使用的方式可分为两大类专用(逻辑)信道公共(逻辑)信道逻辑信道也可以根据传输的内容分为两大类控制(逻辑)信道业务(逻辑)信道GSM系统逻辑信道业务信道的分类(TCH)：用于传输话音和数据TCH/FRTCH/EFRTCH/HRTCH/9.6TCH/4.8TCH/2.4业务信道(TCH)话音信道(Speech Channel)数据信道(Data Channel)GSM系统逻辑信道话音业务信道(TC

47、H)：全速率(FR)信道编码前的速率13kbps信道编码后的速率22.8kbps增强型全速率(EFR)信道编码前的速率12.2kbps信道编码后的速率22.8kbps半速率(HR)信道编码前的速率6.5kbps信道编码后的速率11.4kbpsTCH/FRTCH/EFRTCH/HR话音信道(Speech Channel)GSM系统逻辑信道数据业务信道：根据其传输速率可分为TCH/F9.6：支持9.6kbps数据TCH/F4.8：支持4.8kbps数据TCH/F2.4：支持2.4kbps数据TCH/9.6TCH/4.8TCH/2.4数据信道(Data Channel)GSM系统逻辑信道GSM系统逻

48、辑信道的分类：逻辑信道广播控制信道组BCCH Group公共控制信道组CCCH Group专用控制信道组DCCH Group业务信道(TCH)话音信道(Speech Channel)数据信道(Data Channel)控制信道(CCH)GSM系统逻辑信道频率校正信道FCCH同步信道SCH广播控制信道BCCH寻呼信道PCH接入允许信道AGCH随机接入信道RACH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小区广播信道CBCH广播控制信道组(BCCH Group)公共控制信道组(CCCH Group)专用控制信道组(DCCH Group)控制信道(CCH)随路控制

49、信道ACCHGSM系统逻辑信道BCCH载波：用于承载广播控制信道(BCCH)的物理载波，被称为BCCH载波一个小区内可以有多个载波，但一个小区内只能有一个BCCH载波BCCH载波在下行方向不做功率控制在业务通信中，使用BCCH载波的信号强度来判断是否达到切换条件GSM系统逻辑信道频率校正信道(FCCH)：下行的广播信道内容是“全0”在BCCH载波上频繁发射，MS依据FCCH与发射基站进行频率同步只在BCCH载波的“时隙0”发射，是MS辨别BCCH载波“时隙0”的标志012376543210765421037654210FCCHGSM系统逻辑信道同步信道(SCH)：下行广播信道只在BCCH载波的

50、“时隙0”发射内容定时信息帧号基站识别码(BSIC)012376543210765421037654210FCCHSCHGSM系统逻辑信道广播控制信道(BCCH)：下行广播信道只在BCCH载波的“时隙0”发射内容：系统参数位置区域识别码(LAI)移动台需要监测的相邻小区名单小区所使用的频率表小区识别码功率控制指示接入控制参数012376543210765421037654210BCCHFCCHSCHGSM系统逻辑信道MS开机搜索GSM系统的过程：扫描频点按信号强度排队锁定排队信号最强频点，找到”0时隙”听SCH信道听BCCH信道BCCH与MS的参数一致N开始注册到GSM系统的进程Y开始GSM系

51、统逻辑信道随机接入信道(RACH)：上行公共信道移动台申请接入GSM网络时，向基站发送接入请求信息RACH发生在移动台主叫或响应呼叫等情况012376543210765421037654210012376543210765421037654210BCCHFCCHSCHRACHRACHRACHGSM系统逻辑信道接入允许信道(AGCH)：属于CCCH group单向下行公共信道响应在随机接入(RACH)接收的接入信息BTS利用AGCH为MS分配一个专用控制信道(SDCCH)MS将移到专用控制信道以便建立呼叫，响应呼叫，位置更新或短消息服务等789376543210765421037654210CC

52、CHCCCHCCCHGSM系统逻辑信道寻呼信道(PCH)：属于CCCH group单向下行公共信道用于发送寻呼信息当网络寻呼MS时，可用IMSI、TMSI或IMEI执行789376543210765421037654210CCCHCCCHCCCHGSM系统逻辑信道小区广播信道(CBCH)：属于CCCH group单向下行广播信道用于传输要向小区内所有移动台广播的消息789376543210765421037654210CCCHCCCHCCCHGSM系统逻辑信道独立专用控制信道(SDCCH)：属于DCCH group双向信道一个物理信道可以传送多条独立专用控制信道(SDCCH)一个SDCCH是一

53、个移动台在呼叫、鉴权、位置更新及点对点短消息时使用独立专用控制信道SDCCH慢速随路控制信道SACCH快速随路控制信道FACCH广播控制信道组(BCCH Group)公共控制信道组(CCCH Group)专用控制信道组(DCCH Group)控制信道(CCH)随路控制信道ACCHGSM系统逻辑信道慢速随路控制信道(SACCH)：属于DCCH group中的ACCH双向信道/周期性发送慢速随路控制信道(SACCH)在下行链路方向传送功率控制、定时信息、相邻小区列表信息慢速随路控制信道(SACCH)在上行链路方向传送测量报告包括服务小区下行信号的质量、强度等邻小区的BCCH载波信号强度邻小区的BS

54、IC101112376543210765421037654210SACCHGSM系统逻辑信道快速随路控制信道(FACCH)：用于载送用户突发性(紧急控制)信息如：切换信息在业务信道(TCH)上发射，发送FACCH时占用相应TCH的资源可以占用全部的一个TCH突发序列资源也可占用一半的一个TCH突发序列资源151617376543210765421037654210FACCHFACCHGSM系统逻辑信道GSM系统逻辑信道的总结：频率校正信道(FCCH)同步信道SCH广播控制信道(BCCH)寻呼信道PCH接入允许信道AGCH随机接入信道RACH独立专用控制信道SDCCH慢速随路控制信道SACCH快

55、速随路控制信道FACCH小区广播信道CBCH广播控制信道组(BCCH Group)公共控制信道组(CCCH Group)专用控制信道组(DCCH Group)控制信道(CCH)随路控制信道ACCH9.64.82.4业务信道(TCH)话音信道(Speech Channel)数据信道(Data Channel)逻辑信道FREFRHR1st 26 multiframe2nd 26 multiframe3th 26 multiframe4th 26 multiframe1st 51multiframe2nd 51multiframeGSM系统逻辑信道复帧GSM逻辑信道复帧：业务信道26复帧控制信道51

56、复帧GSM系统逻辑信道复帧业务信道26复帧结构：可位于任何载波上可位于任何时隙上复帧帧长为120ms0.577 ms时隙012345678911121314151617181920212223242510120 msSACCH空闲复帧012345674.615 msTDMA 帧012376543210765421037654210GSM系统逻辑信道复帧业务信道26复帧结构：SACCH固定占用NO.12帧NO.25帧是Idle帧解邻小区的BSIC不处理业务其它帧测邻小区的信号强度26复帧中有25帧要测邻小区信号强度， Idle帧不测01234567891112131415161718192021

57、2223242510120 msSACCH空闲复帧0123456701234567TDMA 帧 2TDMA 帧 10123456701234567TDMA 帧 2TDMA 帧 1GSM系统逻辑信道复帧控制信道51复帧结构：复帧帧长约为235.365ms分类复合复帧非复合复帧013765432107654210376542102235.365 ms012345674.615 ms0.577 ms时隙TDMA 帧复帧01234567891011121314151617181920212223242526272829313233343536373839404142434445464748495030

58、GSM系统逻辑信道复帧控制信道51复合复帧：用于低容量小区，常见于微蜂窝BCCH Group、CCCH Group和DCCH Group共用一个时隙只能使用BCCH载波的“0时隙”BCCH载波的其它时隙用于业务信道76543210业务(Traffic)CombinedBCCH Group、CCCH Group和DCCH GroupBCCH载波GSM系统逻辑信道复帧BCCH/CCCH/DCCH复合51复帧结构：只能使用BCCH载波的“0时隙”上行与下行之间有15帧的延迟注释：R =RACH (Random)B =BCCH (Broadcast)F =FCCH (Frequency)S = SCH

59、 (Sync.)C = CCCH (Common)D =SDCCH/4 (Dedicated)A =SACCH/C4 (Associated) I = IdleFSCBFSCCFSD1FSD3D2FSA1A0I01020304050FSCBFSCCFSD1FSD3FSA3A2I51101D2D0D0A2A3D2D0D101040A0A1RR51101503020RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRD0D1RRD2RRRRD3D3下行链路51复合复帧结构上行链路51复合复帧结构GSM系统逻辑信道复帧控制信道的51非复合复帧：用于高容量小区B

60、CCH Group和CCCH Group共用BCCH载波BCCH Group只能占用“0时隙”，CCCH Group可占用“0、2、4、6时隙”DCCH Group放在BCCH载波或其它载波上，可以占用任何空闲时隙所有载波的其它时隙用于承载业务信道76543210BCCH Group和CCCH GroupDCCH Group76543210业务(Traffic)BCCH载波非BCCH载波DCCH GroupGSM系统逻辑信道复帧控制信道的51非复合复帧结构： BCCH/CCCH复帧位于BCCH载波的“0时隙”上行与下行之间有15帧的延迟RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR