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河北信泰信息技术有限公司2010年GSMGSM移动通信系统原理培训讲义移动通信系统原理培训讲义（一）（一）系系 统统 概概 述述1内容提要总述GSM移动通信系统原理GSM信令协议2一、总述移动通信发展蜂窝通信原理GSM的发展进程3移动通信的发展历史NMTAMPSTACSGSMD-AMPSIS-136cdmaOneIS-95PDCIMT-20001980199020004模拟移动通信的缺陷各个系统之间没有公共接口，难于实现漫游无法与固定网向数字化推进相适应频谱利用率比较低安全保密性比较差业务种类受限移动设备成本高、体积大网络的管理控制存在问题5数字移动通信的优点抗干扰能力强频谱利用率高可方便实现数据业务易于加密便于网络的管理和控制便于设备的集成6 频谱利用率不够高 容量问题 传输速率较低 业务单一 存在多个标准 无法实现全球漫游现有第二代数字移动通信系统的不足现有第二代数字移动通信系统的不足个人通信的目标个人通信的目标“任何人，在任何地点任何人，在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。”为什么要发展第三代？7 全球统一频段，统一标准，全球无缝覆盖全球统一频段，统一标准，全球无缝覆盖 高频谱效率高频谱效率 高服务质量，高保密性能高服务质量，高保密性能 提供多媒体业务，速率最高到提供多媒体业务，速率最高到2Mb/s 易于第二代系统的过渡和演进易于第二代系统的过渡和演进 多频多模手机，单一通信号码多频多模手机，单一通信号码 车速环境：车速环境：144kb/s 步行环境：步行环境：384kb/s 室内环境：室内环境：2Mb/sIMT2000目标8移动通信发展的技术基础集成电路的发展数字程控交换技术的发展蜂窝结构的出现信道与信源编码的技术革新9一、总述移动通信发展蜂窝通信原理GSM的发展历程10蜂窝通信原理蜂窝通信原理移动通信特点移动通信特点电波传播环境十分恶劣多普勒频移产生附加调频噪声移动台受干扰和噪声骚扰移动设备要求有很大的动态范围频谱拥挤建网技术复杂11蜂窝通信原理蜂窝通信原理大区制大区制一个基站覆盖整个城市一个基站覆盖整个城市通信质量差频率利用率低系统容量小12蜂窝通信原理蜂窝通信原理PSTN另一有线网另一有线网MSCMSCBSCBSCBSCBSCBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCBSC137小区频率重复再用小区频率重复再用3751632435617524361277425131414基站扇区化基站扇区化cellsitecellsitecellsite全向小区（OMNI CELL SITE）3扇区/小区（120 SECTOR/CELLS）6扇区/小区（60 SECTOR/CELLS）=1 ANTENNA=3 ANTENNA=6 ANTENNA15GSM常用频率复用模式常用频率复用模式4 3标准复用模式（标准复用模式（GSM体制推荐）体制推荐）紧密复用模式紧密复用模式3 31 3（NORTEL）2 6（MOTOROLA）多重复用多重复用MAP（ERICSSON）16无线频谱分配无线频谱分配45MHz双工间隔基站发射频率基站接收频率2MHz保护频带960905890880872950935925917 915GSMTACS/GSMEGSMETACS17DCS1800频谱分配频谱分配基站发射频率基站接收频率2MHz保护频带18801805 178590MHz双工间隔1710DCS180018GSM系统频段系统频段GSM900主频段（主频段（P-GSM）上行：890MHz-915MHz（移动台发，基站收）下行：935MHz-960MHz（基站发，移动台收）GSM扩展频段（扩展频段（E-GSM）上行：880MHz-890MHz（移动台发，基站收）下行：925MHz-935MHz（基站发，移动台收）DCS1800频段频段上行：1710MHz-1785MHz（移动台发，基站收）下行：1805MHz-1880MHz（基站发，移动台收）19GSM绝对频道号绝对频道号GSM900主频段主频段（P-GSM）上行：Fl=890+0.2 N（MHz）（1N 124）下行：Fu=Fl+45（MHz）GSM扩展频段（扩展频段（E-GSM）上行：Fl=890+0.2 （N-1024）（MHz）下行：Fu=Fl+45（MHz）（975N 1023）DCS1800频段频段上行：Fl=1710.2+0.2 （N-512）（MHz）下行：Fu=Fl+95（MHz）（512N 885）20一、总述移动通信发展蜂窝通信原理GSM的发展进程21GSM标准制定委员会标准制定委员会委员会名称委员会名称标准分工标准分工SMG1 Definition of ServiceSMG2Specification of Radio TransmissionSMG3Network Architeture Signalling Protocols，Oper interfaceSMG4Data ServiceSMG5UMTS技术规范技术规范01,0203,05,0603,04,08,0907-SMG6Operation and Maintenace11SeriesTest Specification 121122发展进程（一）1979年，世界无线电管理委员会(WARC)划定了今后欧洲用于蜂窝移动通信系统的频段；1982年，欧洲邮政与电信委员会（CEPT）内建立了特别移动组（Groupe Special Mobile)；1986年，在巴黎建立了GSM永久核心；1988年，欧洲电信标准协会（ETSI）成立，并接管了GSM委员会；231990年，GSM规范Phase 1 被冻结；1991年，DCS1800 规范Phase 1被冻结；GSM委员会开始考虑下一代无线通信系统；1992年，GSM委员会更名为“Special Mobile Group”,GSM系统更名为“Global System for Mobile Communication”,DCS1800规范 Phase 2被冻结；1992年，GSM开始商业运营；发展进程（二）241993年，GSM规范 Phase 2被冻结；1994年，GSM商用运营远超出GSM委员会的范围（中国、印度、中东、远东、俄罗斯等国家和地区）1996年，ETSI推出GSM规范Phase 21995年，DCS1800商用系统开始在泰国、卡塔尔、英国等国家和地区运营；发展进程（三）250101系列：系统概述系列：系统概述0202系列：业务系列：业务0303系列：网络结构和网络功能系列：网络结构和网络功能0404系列：无线接口信令（系列：无线接口信令（L2L2、L3L3）0505系列：无线接口物理层系列：无线接口物理层0606系列：语音编码（系列：语音编码（FRFR、EFREFR、HRHR）GSM规范（一）260707系列：移动台终端适配功能系列：移动台终端适配功能0808系列：系列：A A接口和接口和AbisAbis接口接口0909系列：网络互连（系列：网络互连（ISDNISDN、PSTNPSTN、PSPDNPSPDN）1010系列：系列：PH2PH2新功能新功能1111系列：测试系列：测试1212系列：网管（操作维护、用户和终端业务系列：网管（操作维护、用户和终端业务数据监视、性能、设备管理）数据监视、性能、设备管理）GSM规范（二）27总述小结三类技术制式蜂窝通信原理GSM发展进程进程、规范内容28二、GSM系统原理业务系统结构和功能主要技术组网29GSM系统提供的业务电信业务电信业务用户终端业务用户终端业务承载业务承载业务基本业务基本业务基本业务基本业务基本业务补充业务基本业务补充业务基本业务补充业务基本业务补充业务30承载业务：它在某个接入点上提供用户所需的传送相应信号的能力。双向异步数据电路（3009600bps）双向同步数据电路（12009600bps）异步分组数据接入电路（3009600bps）双向同步分组数据（24009600bps）交替语音和数据数据后接语音业务GPRS业务承载业务31用户终端业务：是一种电信业务，它提供给用户包括终端设备功能在内的各种必须功能，使之能与其他用户通信。用户终端业务（一）32电话业务紧急呼叫业务数据通信短消息业务移动被叫点对点短消息业务移动主叫点对点短消息业务广播型短消息业务语音和三类传真交替业务自动三类传真业务用户终端业务（二）33用于补充或修改基本业务，以提供用户完整的业务补充业务不能独立存在补充业务（一）34呼叫偏转（有被叫，实时前转）呼叫前转（无条件、遇忙、无应答、不可及）主叫号码识别呼叫等待（被叫忙时，接收新业务）呼叫保持（保持当前呼叫，发起新呼叫）呼入呼出限制其它补充业务（二）35语音群呼叫（VGCS）话音广播业务（VBS）多用户特征（MSP）移动定位业务 增强型补充业务36业务小结承载业务语音、数据用户终端业务基本、补充、增强37二、GSM系统原理业务系统结构和功能主要技术组网38GSM网络结构网络结构PSTNOMCOMCNMCOMSSIMMEMSBTSBTSBTSBTSBSCBSCAUmMSCMSCMSCMSCVLRVLRVLRVLRHLRHLRAUCAUCBCEGHDNSSNSSBSSBSSNSS39系统接口系统接口A接口：MSC与BSC间的接口Abis接口：BSC与BTS间的接口Um接口：BTS与MS间的接口B接口：MSC与VLR间的接口C接口：MSC与HLR间的接口D接口：HLR与VLR间的接口E接口：MSC与MSC间的接口G接口：VLR与VLR间的接口H接口：HLR与AUC间的接口40MSC/VLR业务区域业务区域MSC/VLR业务区域VLRMSCLocation AreaVLRMSC41位置区（位置区（Location Area）VLRLA1LA2LA3LA4LA5LA6cell 11cell 12cell 7cell 8cell 9cell 4cell 6cell 5cell 3cell 2cell 142GSM各区域间的关系各区域间的关系 GSM业务区PLMN业务区MSC业务区位置区LAC小区Cell43MSC功能与作用功能与作用呼叫处理呼叫建立、连接与清除 切换过程切换过程 移动性管理移动性管理位置更新过程用户身份识别移动设备识别操作与维护数据库管理测量人机接口（MMI）网间互通计费MSC为其服务区内的移动用户提供交换和信令功能为其服务区内的移动用户提供交换和信令功能44HLR功能与作用功能与作用HLR:Home Location Register用户识别号（IMSI,MSISDN）当前用户的VLR（当前位置）业务能力、业务限制信息用户申请的补充业务补充业务信息（例：当前转移的电话号码）用户状态（registered/deregistered）移动用户漫游号（MSRN）传递HLR45VLR功能与作用功能与作用VLR:Visitor Location Register移动台状态部分补充业务数据移动站的位置登记(LAI)临时移动用户识别号(TMSI)管理MSRN管理VLR46AUC功能与作用l鉴权和加密数据lKi,RANDlA3,A8算法lKc,SresMSCMSCBTSBTSBTSACDHEF47鉴权（Authentication）SIMKiA8A3VLRSresKc RANDKcSres=?SresKc RANDA8A3KiAUC48 加密（Ciphering)MSSIMKiA8A3KcSresA5Speech,DataVLR无线通路BTSSpeech,DataSresKc RANDA549 国际移动用户识别码(IMSI)移动国家号码(MCC):中国为460.移动网号(MNC):移动为00，联通：01.移动用户识别码(MSIN):H1H2H3 国际移动用户识别号(IMSI)MCCMNCMSIN国内移动用户识别码国际移动用户识别码50 移动用户漫游号码：位长10位 VLR临时分配给用户的一个号码 与该MSC所属HLR有一定联系 在VLR中与IMSI一一对应 移动用户漫游号(MSRN)51 临时移动用户识别码(TMSI)提高IMSI使用的安全性 本地分配的4字节的BDC编码 临时移动用户识别号(TMSI)52 移动用户ISDN号码(MSISDN)移动用户ISDN号码(MSISDN)国家号码(CC):中国为86 MAC：移动接入码 ，=139(8、7、6、5、0、1)移动用户号：H0H1H2H3ABCD H0H1H2H3：HLR识别码，由总部统一分配到本地网；H0=0 ABCD：移动用户号，由HLR自行分配 CCMACSN国内有效移动用户ISDN号码国际移动用户ISDN53 基站子系统(BSS)组成基站控制器BSC基站收发信机BTS无线操作维护中心OMC-R码变换器TC(Transcoder)UM接口MSAbis接口接口BTSOMC-RBSCTCBTS54 BSC的一般结构数字中继交换网络处理器网络数字中继A接口Abis接口55 BSC的功能作用实现A接口物理层规定(PCM/E1)实现A接口No.7号信令功能(SP)实现Abis接口物理层规定(PCM/E1)实现Abis接口数据链路层(LAPD)实现A接口与Abis接口间信道交换功能实现部分网络层的功能实现无线资源管理(RR)实现BSS管理应用部分的功能实现切换功能等56 BTS的一般结构基基站站接接口口设设备备信信令令处处理理编码与交织编码与交织译码与解译码与解交织交织加密加密加密加密发信机发信机天天线收信机收信机均衡均衡解调解调解密解密AbisBTS的功能模块Um跳频控制跳频控制时钟时钟功率控制功率控制57 BTS的功能作用实现Abis接口物理层规定(PCM/E1)实现Abis接口数据链路层(LAPD)实现BTS管理功能 实现部分无线资源管理(RR)实现Um接口物理层规定(PCM/E1)实现Um接口数据链路层(LAPDm)实现实现跳频功能实现信道加密、解密功能实现信道编译码、交织与解交织功能实现调制与解调功能58发信机实现用户基带数据到射频信号的转换上变频信号激励功率放大功率控制59收信机实现射频信号到用户基带数据的转换低噪声放大下变频信号激励自动增益控制（AGC）信号场强提取（RSSI）60天馈系统实现射频信号的合路与分路，控制带外的杂散，实现网络设计规定的扇区分布等。在需要时，实现上下行信号的双工功能，抑制收发信干扰。61BTS信令处理Um接口数据链路层：Dm信道链路接入协议LAPDmAbis接口数据链路层：D信道链路接入协议LAPDAbis接口与Um接口间信令协议转换无线信道管理62 BSS链路连接结构Cell SiteBTSCell SiteBSCBTSCell SiteBSCBTSCell SiteBTSCell SiteBTSCell SiteBTSCell SiteBTSColocated BSSRemote BTSDaisy Chained BTS63TC功能全称：Transcoder Rate Adaptor Unit语音编解码功能（FR、EFR）非连续发射功能（DTX）数据速率适配功能与BTS的远端通信功能64MS结构SIMMEMS65 用户识别模块(SIM)用户固定数据网络临时数据业务相关数据IMSI TMSI 使用的语言Ki LAI 话费数据接入控制级 Kc安全算法 禁止的PLMN66 位置区识别码(LAI)与CI 位置区识别码(Location Area Identity)小区全球识别码(Cell Global Identity)MCCMNCLACL1L2L3L4MCCMNCLACCI小区识别码(CI)：二字节的BCD编码67 GSM的功能分层操作维护人员用户68 GSM的功能层传输(Transmission)用户信息（话音或数据）信令消息（物理层到网络层）无线资源管理(RR)建立和释放MS到MSC间的联接有效利用无线和对应的陆地资源完成切换过程移动性管理位置管理(MS,HLR/AUC,MSC/VLR)安全管理69 GSM的功能层通信管理(CM)呼叫控制面向电路的业务（MSC/VLR,GMSC,HLR,IWF)路由管理补充业务管理修改和检查补充业务的实际配置和状态涉及MS和HLR两个实体短消息业务点到点的短消息(SM-SC)两个功能实体（SMS-GMSC,SMS-IWMSC)运行、维护和管理(OAM)用户全部登记管理，网络运行维护，用户设备管理70 GSM的功能协议结构BTSBTSBSCBSCMSCMSC/VLR/VLRHLRHLRGMSCGMSCCMMMRRHLRMSC/VLRBSCBTSMSGSMGSM的协议结构的协议结构Transmission71GSM系统结构和功能小结结构HLR、VLR、AUC、EIR、MSC、BSC、BTS、TRAUMSOMC功能层72二、GSM系统原理业务系统结构和功能主要技术组网73主要技术（一）频率复用GMSK调制话音编码非连续传输（DTX）收发时隙偏差和时间提前74主要技术（二）非连续接收（DRX）分集技术、均衡技术切换技术功率控制技术跳频技术75GSM43GSM43标准复用模式标准复用模式无线区族无线区族s4各基战各基战s每个站每个站3扇区扇区基站结构基站结构s3个个120度或三叶草度或三叶草扇区扇区sC/I12 dBAAABBBBCCCDDDDc2c2c2c1c1c1c3c3c3b2b2b2b2b3b3b3b3b1b1b1b1a2a2a2a3a3a3a1a1a1d2d2d2d2d3d3d3d3d1d1d1d176GSM 3 3 标准复用模式标准复用模式复用方式复用方式个基站个扇区个基站个扇区特点特点不增加新基站不增加新基站容量增加（有限）容量增加（有限）抗干扰措施抗干扰措施CABCc2c1a2c3a3a1b2b3c3c1c2b177 GSM 空中接口调制高新数字预滤波MSK调制 1 0 0 1 1Gaussian Minimum Shift Keying1 0 0 1 178 GSM 调制频谱PowerFrequency200KHz79RPELTP：规则脉冲激励长时线性预测编 码功能：13K RPELTP 64K PCM帧长：20ms速率：13Kb/sMOS：3.6复杂度：4.7MIPS抗干扰能力：7dB，BER一类0.61%，二类8.3%语音编解码功能FR80ACELP：代数码本激励线性预测编码功能：13K ACELP 64K PCM帧长：20ms速率：12.8Kb/sMOS：4.0复杂度：18.1MIPS抗干扰能力：优于FR（BER很高时4，13，一样）语音编解码功能EFR81通过限制无用信息的发送：减少空间干扰降低发信机功率，延长MS的电池使用时间使用DTX的意义182定量分析=40D=8dBC/I3dB等效于频率复用距离减少20%50%使用DTX的意义2D=4dBD=4dB、8dB8dB、12dB12dB、16dB16dBD：DTX衰减因子，83收发时隙偏差与时间提前移动台收123456703TSOFFSETTDMA FRAME N移动台收123456703TSOFFSETTDMA FRAME N移动台收12345670TDMA FRAME N移动台收12345670TDMA FRAME NTIME ADVANCE84不连续接收 (DRX)P P PPPPP PBCCHMS Being pagedMS in Sleeping modeMS in listen modeMS in Sleep modeBCCH Multiframe(P=Paging Channel)85传播损耗自由空间传播损耗慢衰落分集由地形起伏、建筑物及障碍物的遮蔽等引起慢衰落（阴影衰落）快衰落均衡由各种反射物和散射体产生的直射波、反射波和散射波的相互干扰和串扰，以及多普勒（Doppler）频移等产生的快衰落（多径衰落）86均衡多径衰落87分集技术和合并技术分集空间、极化、频率合并技术选择、最大比、等增益、开关式88 切切 换换 (Handover)(Handover)切换89切换目的：援救切换：当移动台离开管理它的小区的无线覆盖时。减小干扰：当移动台与另一小区联系，可以大大改进总的干扰电平时业务量切换：当一个小区拥塞，而邻近小区较空闲时目的90准则援救切换连接上的传输质量。传输误码率、无线传输的路径损耗、传播时延等。减小干扰比较相应小区的每个邻近小区的上下行链路的质量。实际使用移动台和几个邻近小区的下行路径损耗。业务量切换以BTS 负荷为基础，可以选择那些由于其它原因接近切换的移动台。91双频切换支持同层网络间优先级切换(PL)支持多层网络间优先级切换(HCS)在切换候选小区排队中体现不同层的优先级支持网络负载原因的切换支持速度原因的切换支持其他常规原因的切换92避免频繁切换h采用改进的滤波技术，去除测量数据中因衰落造成的抖动，保证测量数据更准确，切换更真实。h 设置不对称的切换边界只有当邻区的信号比本小区的信号好到一定程度时才切换。h采用强行迟滞方法，一次切换后必须经过一定的时间才能切回原小区。h在多层网时，启动速度原因切换。93移动台跳频工作过程f0 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f0 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7tt0 1 2 3 4 5 6 跳频图案：（跳频图案：（5、4、7、0、6、3、1）94跳频参数Mobile Allocation(MA)Mobile Allocation Indication Offset(MAIO)Hopping Sequence Number(HSN)HSN=0 CyclicHSN=1-63 Pseudo Random HoppingARFCN=Absolute Radio Frequency Channel Number95主要技术小结多址技术、调制、信源编码、频率复用DTX、功率控制、跳频、切换分集、均衡、信道编译码DRX、收发时隙偏差和时间提前96二、GSM系统原理业务系统结构和功能无线信道主要技术组网97公众陆地移动网(PLMN)结构AuCHLRVLRVLREIR数据库层数据库层SPSPSPSPSPSPSPSPHBSCLEBTSBTSGMSCMSCMSC网络层网络层PSTNPLMN信令层信令层用户层用户层98PLMN的组网-移动业务本地网TS2LSTS3LSTS1LSBSSBSSBSSMSCMSCMSC长途编号区长途编号区3长途编号区长途编号区2长途编号区长途编号区199移动业务本地网本地移动业务网设置原则本地网设置在长途编号区为位或位的地区位长途区号地区，归入位或位区号的本地网每个移动业务本地网设立一个或多个HLR每个移动业务本地网设立一个或若干个MSC（移动端局）长途编号区为二位、三位、四位地区可设立MSC每个MSC可划分成若干个蜂窝小区第个MSC与局所在地的长途局和市话汇接局相连（话务 良足够大时可与本地市话端局相连）100PLMN的组网-省内蜂窝通信网TS1TMSCTMSCTMSCBSSBSSBSSMSCMSCMSC101省内数字蜂窝移动通信网省内数字蜂窝网构成由省内的各移动业务本地网组成省内设若干移动业务汇接中心TMSC/VLR（二级汇 接中心、省级汇接中心）单独设置：不带VLR 基站，只作汇接。混合设置：既起接作用，又可作移动端局，与基站相连，可带用户省内网中每一移动端局与两个汇接中心相连二级汇接中心间采用网状网两个MSC间业务大时可设话音专线102全国PLMN网络结构-PSTN互连C1C2C3C4C5MSC.PLMNCCS7NPSTNHSTPLSTPBSSTMSCTMSC103全国数字蜂窝PLMN移动网络全国数字PLMN组成大区单独设立一级移动业务汇接中心各大区的一级汇接中心之间网状网连接各省的二级汇接中心与相应的一级汇接中心连接与PSTN网的连接PSTN电话网五级结构与PSPDN互连非分级型数据终端：（经PAD），由MSC端局接 入PSPDN网的PAD分组型数据终端：GPRS系统的GSN接入PSPDN104数字移动系统号信令网结构LSTPLSTPLSTPLSTPSPSPSPSPSPHSTP1HSTP2HSTP1HSTP2A平面平面B平面平面105数字蜂窝PLMN信令网信令网组成SP（信令点）、SL（信令链路）和STP（信令转接点）SP:MSC/VLR、EIR、HLR/AUCSL:两接点间的PCM链路的一个或多个时隙STP:转接信令LSTP(低级信令转接点):每省设置2-4个LSTPHSTP(高级信令转接点):每大区设置一个HSTP三级信令网络结构数字移动采用专用信令网结构每个SP至少连接两个LSTP每个LSTP至少连接两个HSTPHSTP双平面结构：每个HSTP分设A、B平面106组网小结本地网省移动网全国移动网三级汇接107内容回顾总述GSM移动通信系统原理GSM信令协议108回顾一 总述移动通信发展模拟、数字、3G蜂窝通信原理大区制、频率复用、GSM频段GSM的发展进程GSM涵义由来1982、1992、199512个规范系列109回顾二 GSM系统原理业务承载、电信、补充、增强系统结构和功能NSSHLR、VLR、EIR、AUC、MSCIMEI、IMSI、TMSI、MSRN、MSISDN110回顾二 GSM系统原理关键技术多址技术、调制、信源编码、频率复用DTX、功率控制、跳频、切换分集、均衡、信道编译码DRX、收发时隙偏差和时间提前组网业务网络本地、省、全国汇接层次三级汇接111GSM系统培训教程GSM移动通信系统原理（结束）谢谢！谢谢！112
