GSM移动通信网络的基本构成.pdf

GSMGSM 移动通信网络的基本构成移动通信网络的基本构成一.数字蜂窝陆地移动通信系统概论1.移动通信系统的进展历程1.1.大区制移动电话系统单站覆盖整个区域、高功率发信设备优点：组网简单，投资少、见效快，覆盖区域大。缺点：容量不足、服务质量差、频谱利用率低1.2.蜂窝移动通信系统接近正六边形的小区联网小区覆盖变小，具有下列特点：1.频谱利用率提高2.组网灵活3.系统发信功率降低4.设备增多，结构复杂2.数字移动通信系统与模拟移动通信系统的不一致之处数字调制对载干比（C/I）的要求低得多时分多址更能提供设计上的灵活性数字系统中需增加信道编码需使用自习惯均衡技术需使用回波操纵技术实施保密相当简单3.数字移动通信系统分析比较世界上最具代表性与比较成熟的制式有：欧洲的 GSM美国的 ADC（也常称 D-AMPS）日本的 JDC（现改称之 PDC）GSM 的要紧目标是与 ISDN 兼用；优点是各类接口规定明确，网路适合未来数字化要求；缺点是数模不兼容。美国数字系统 D-AMPS 的目标是扩大容量与数模兼容；优点是充分利用现有模拟系统；缺点是不能与 ISDN 兼容，接口实现较困难。日本 PDC 的情况类似美国，但数模不兼容。4.GSM 数字移动通信系统的进展历程1982 年：设立“移动通信特别小组”，即 GSM。1986 年：进行现场试验1987 年：作出技术选择1988 年：十八个欧洲国家达成 GSM 谅解备忘录1989 年：GSM 标准生效1991 年：GSM 系统正式在欧洲问世，网路开通运行。从此，移动通信跨入了第二代。二.GSM 的基本特点可与各类公用通信网互连互通，明确了接口规范。能提供穿越国界的自动漫游功能支持多种业务具有很好的网络安全性组网结构灵活方便，频率复用率高，话务承担能力强。抗干扰能力强，通信质量高。用户终端更小、更轻便、功能更强。三.GSM 中使用的基本技术1.数字信号调制与解调将需要远距离传输的低频信号加载到高频振荡的射频信号上，使这些射频信号的幅度、频率或者相位受这些低频信号的操纵，这个处理过程称之调制。相反的过程称之解调。这里的低频信号称之调制信号，射频信号称之载波。2.时分多址技术多址技术实现方法：频分多址（FDMA）时分多址（TDMA）码分多址（CDMA）TDMA 系统具有如下特性：每载频多路突发脉冲序列传输时间色散，需自习惯均衡传输开销大对新技术开放共用设备的成本低移动台较复杂3.时间色散与均衡起源于反射，但与多径衰落不一致，其反射信号来自远离接收天线的物体。GSM 系统中 1 比特对应约 1.1 公里。使用自习惯均衡技术来缓解这一问题的严重性。GSM 规范要求均衡器应能处理时延高达 15s 左右（约对应 4比特的时间）的反射信号。4.频率复用频率复用是指在不一致的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖，这些区域务必隔开足够的距离，以致所产生的同频及邻频干扰能够忽略不计。频率复用方式就是指将可用频道分成若干组。5.话音编码马上话音模拟信号转换成数字信号。PCM 编码分为三步：采样、量化、编码。GSM 使用：线性预测编码长期预测编码规则脉冲激励编码器（LPCLTPRPE 编码器）。GSM 每话音信道的编码速率为 13kbit/s。6.信道编码使用数字传输时，所传信号的质量常常用“接收比特中有多少是错误的”来表示。为了能检出与校正接收比特流中的差错，在原信息上加入了一些多余的比特帮助检错。为此加大了传输的开销。7.交织技术比特差错成串发生，而信道编码仅能检测与校正单个差错与不太长的差错串。把相继比特分散开发送这样，在传输过程中，即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个的（或者长度很短），这时再用信道编码的纠错功能纠正差错，恢复原消息。8.衰落与抗衰落8.1.阴影衰落阴影效应当移动台通过不一致障碍物形成的电磁场阴影时，接收场强中值就会发生变化。能够通过调整基站位置，增加发射功率、天线高度的方法减少阴影衰落的不良影响。8.2.多径衰落多径效应信号经直射与多次反射、散射形成合成场强形成随机驻波场多径衰落也称快衰落随信号瞬时值变动8.3.分集技术分集技术就是在几个支路上接收同一个信号，然后通过合并技术将几个支路信号合并输出。8.3.1.空间分集空间分集就是使两副独立的接收天线间保持一定的间隔距离，从而能各自接收同一个信号，最后再把接收到的信号矢量合并到一起。8.3.2.频率分集跳频相当于频率分集，是指载波频率在很宽频带范围内按某种序列进行跳变。加强安全性、抗干扰性，提高通信质量。基带跳频射频跳频两种跳频方式的比较9.干扰与抗干扰9.1.互调干扰互调干扰的产生原因要紧考虑三阶互调干扰，它的两种形式为2a-b、a+b-c无三阶互调信道组9.2.同信道干扰信道复用信道复用产生同信道干扰同信道复用保护距离9.3.邻信道干扰邻信道干扰是指相邻或者邻近信道之间的干扰。要紧考虑发射机调制边带扩展与边带噪声的干扰。四.系统的结构与功能1.交换子系统(网络子系统 NSS)1.1.MSC（移动业务交换中心）MSC 是网络的核心提供交换功能提供到固定网的接口提供与其他 MSC 互连的接口MSC 从三种数据库取得所需数据1.2.HLR（归属位置寄存器）与电信业务有关的用户信息都由归属位置寄存器 HLR 掌管。每个用户当前位置的信息都存贮在 HLR 中。1.3.VLR（拜访位置寄存器）VLR 存贮进入其覆盖区的移动用户的全部有关信息。1.4.AUC（鉴权中心）HLR 从功能上分出一个子功能实体鉴权中心，其功能只限于管理与安全性有关的用户数据，对用户进行鉴权。1.5.EIR（设备识别寄存器）对移动台 IMEI 号码进行核查，防止非法移动台进入网络。2.基站子系统（BSS）BSS 包含 GSM 网络中无线通信部分的所有地面基站基础设施与移动台连接把无线信道连接到 PCM 信道上两部分：基站收发信台（BTS）、基站操纵器（BSC）。3.移动台（MS）与 SIM 卡移动台是用户设备国际移动台设备识别码（IMEI）SIM 卡代表客户国际移动用户识别码（IMSI）个人识别码（PIN）4.操作与保护子系统（操作与保护中心 OMC）用于管理与监控接口还未开放五.要紧接口1.A 接口NSS 与 BSS 之间的接口，物理链接通过标准的 2.048Mb/s 或者1.544Mb/s PCM 数字传输链路来实现。2.Abis 接口BSC 与 BTS 之间的接口，物理链接通过标准的 2.048Mb/s 或者64kb/s PCM 数字传输链路来实现。3.Um 接口（空中接口）BTS 与 MS 之间的接口，物理链接通过无线链路来实现。六.编号计划1.移动台 ISDN 号码（MSISDN）MSISDN 是指主叫客户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动通信网中的客户所需拨的号码。号码的结构：CC+NDC+SNCC=国家码NDC=国内目的地码SN=客户号码可扩充2.国际移动客户识别码（IMSI）特定的客户识别码用于 GSM 网所有信令中，存储在 SIM 卡、HLR 与 VLR 中。IMSI 号码结构：MCC+MNC+MSINMCC=移动国家号码MNC=移动网号MSIN=移动客户识别码3.移动客户漫游号码（MSRN）用于选择路由的临时号码路由一旦建立，此号码就可立即释放。结构与移动台 ISDN 号码（MSISDN）相似4.临时移动客户识别码（TMSI）为了对 IMSI 保密，MSC/VLR 可给来访移动客户分配一个唯一的 TMSI号码。它由 MSC 自行分配，仅限在本 MSC 业务区内使用。5.位置区识别码（LAI）用于移动客户的位置更新、寻呼号码结构：MCC+MNC+LACMCC=移动客户国家码MNC=移动网号LAC=位置区号码6.全球小区识别码（CGI）CGI 用来识别一个位置区内的小区结构：MCC+MNC+LAC+CICI=小区号，最大 16 bit。7.基站识别码（BSIC）BSIC 是用于识别相邻网络的相邻基站的，为 6 bit 编码。结构为：NCC+BCCNCC=网络色码BCC=基站色码规划原则8.国际移动台设备识别码（IMEI）唯一地识别一个移动台设备的编码，为一个 15 位的十进制数字。七.关于无线接口1.工作频段的划分GSM 通信系统使用 900MHz 频段：上行（移动台发，基站收）890915MHz下行（基站发，移动台收）935960MHz双工间隔为 45MHz，相邻两频道间隔为 200kHz。我国 GSM 使用：上行（移动台发，基站收）899909915MHz下行（基站发，移动台收）944954960MHz随着业务的进展，可视需要向下进展，或者向 DCS1800 过渡，即 1800MHz 频段：上行（移动台发，基站收）17101785MHz下行（基站发，移动台收）18051880MHzGSM 系统整个工作频段被分为 124 对载频，其序号用 n 表示。上下两频段中序号为 n 的载频频率可用下式计算：上行，下频段：Fl(n)=(890+0.2n)MHz下行，上频段：Fu(n)=Fl(n)+45=(935+0.2n)MHz式中，n=1124，称之绝对射频信道号码（ARFCN）2.保护带宽当一个地区有不一致移动通信系统共存时，系统之间应有约 400kHz的保护带宽，即它们之间要少用一个频道。3.载波干扰保护比载波干扰保护比（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，简称载干比。GSM 规范中规定：同频载干比：C/I9dB邻频载干比：C/I-9dB载波偏离 400kHz 时的载干比：C/I-41dB4.帧结构TDMA 帧：每帧 8 个时隙复帧：由 TDMA 帧构成超帧：由复帧构成超高帧：2048 个超帧5.逻辑信道5.1.广播信道是下行的点到多点的信道。它包含网络及本小区的通用信息。5.1.1.频率校正信道(FCCH)它是未经调制的纯正弦波。使移动台能够调谐到广播频率。5.1.2.同步信道(SCH)包含基站识别码（BSIC）与移动台的帧同步（TDMA 帧号）。5.1.3.广播操纵信道(BCCH)包含网络及小区的特定信息，如：小区所用的频率、跳频序列、信道组合、寻呼组、邻区信息5.2.公共操纵信道（CCCH）公共操纵信道是被用来建立点到点的连接。5.2.1.寻呼信道(PCH)它是下行信道，用于特定位置区中所有 BTS 寻呼移动台。5.2.2.随机接入信道(RACH)它是公共操纵信道中唯一的上行信道，是一个点到点的信道。移动台用它来初始化一个报文，或者者作为寻呼信道的响应。5.2.3.同意接入信道(AGCH)它是随机接入信道的响应，被用来为移动台分配独立专用操纵信道，是一个下行的点到点的信道。5.3.专用操纵信道专用操纵信道用于呼叫建立、发送测量报告及切换操纵，是双向的点到点的信道。5.3.1.独立专用操纵信道(SDCCH)用于系统信令：呼叫建立、鉴权、位置更新、话务信道分配及短消息的传输。5.3.2.慢速随路操纵信道(SACCH)它与独立专用操纵信道、话务信道联系在一起。用于传送测量报告、功率操纵，有的时候也用来传输短消息。5.3.3.快速随路操纵信道(FACCH)用于切换。它被映射到一个话务信道上，置换掉 20 毫秒的语音。5.4.话务信道双向信道，既能够传语音，又能够传数据。半速率话务信道(TCH/H)6.5 kbit/s全速率话务信道(TCH/F)13 kbit/s增强型全速率话务信道(TCH/EFR)13 kbit/s，能提供比全速率话务信道更好的语音质量。6.基站与移动台间时间提早量的调整 由于在空中接口使用了 TDMA 技术，那么任一移动台只能在指配给它的时隙内发送信息，而在其余时间里保持静默，否则它会干扰使用同样载频上不一致时隙的其它用户。时间提早量直接用比特来表示，范围是 063 个比特。每秒 2 次八.呼叫处理1.客户状态移动台客户通常是处于 MS 开机、MS 关机与 MS 忙三种状态之一，因此网路需要对这三种状态做相应处理。1.1.MS 开机，网路对它作“附着”标记。1.2.MS 关机，从网路中“分离”。1.3.MS 忙2.位置更新MS 从一个位置区移到另一位置区时，务必进行登记，也就是说，一旦 MS 发现其存储器中的 LAI 与接收到的 LAI 不一致，便进行登记。这个过程就叫“位置更新”。2.1.不一致 MSC/VLR 位置区间的位置更新2.2.同一 MSC/VLR，不一致位置区间的位置更新3.周期性登记GSM 要求 MS 每隔一定的时间做一次位置更新，这就是周期性登记。这样，若 GSM 系统没有接收到某 MS 的周期性登记信息，VLR 就以“隐分离”状态在该 MS 上做记录。只有当再次接收到正确的周期性登记信息后，才会将它改成“附着”状态。4.寻呼呼叫 MS 的路由到达该 MS 服务的 MSC 后，MSC 即向 MS 发寻呼信息，这个信息在整个位置区内广播，这就是说位置区内的所有基站收发信机都要向 MS 发送寻呼信息。LAI 内正在接收 CCCH 信息的被叫 MS 便会接收此寻呼消息并立即响应。5.初始化初始化过程是一个随机接入过程。移动台用它来初始化一个呼叫，或者者作为寻呼信道的响应。6.切换一个蜂窝移动通信系统的覆盖区是由许多基站无线覆盖小区构成的。当一个正在通信的移动台由一个小区移动到另一个小区时，为了保证通信的连续性，系统会要求它从正在通信的信道转换到所进入小区的某一信道上，这个过程就叫做切换。7.漫游由于移动终端不限于一个地方，需要不一致的网络为其提供服务。假如个网络运营者协同服务，他们就能够提供给用户比单个网络更广的覆盖范围。这就是漫游。在 SIM 卡基础上漫游九.保密措施1.提供三参数组2.鉴权3.加密4.设备识别5.临时识别码（TMSI）6.PIN 码