GSM全球移动通信系统概述pdf.docx
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1、GSM全全球移动动通信系系统概述述无线通通信系统统的基本本概念、蜂窝通信GSMM系统组组成、网网络结构构、接口口与协议议、业务务功能GSMM无线传传输原理理、标准准、语音音编码、信信道编码码与调制制解调移动台台登记、漫漫游、切切换、呼呼叫接续续过程1 蜂窝窝无线通通信系统统的基本本概念1.1无无线通信信系统的的定义表1.11列出了了用来描描述无线线通信系系统基本本要素的的术语定定义。 表1.1 无无线通信信系统要要素定义义 术术语 定义 基基站移动无线线系统中中的固定定站台,用用来和移移动台进进行无线线通信。基基站建在在覆盖区区域 的的中央或或边缘,包包含无线线信道和和架在塔塔上的发发射与接接
2、收天线线 控控制信道道用于呼叫叫建立,呼呼叫请求求,呼叫叫初始化化和其他他标志及及控制用用途 前前向通道道用于从基基站向用用户传送送信息的的无线信信道全双工系系统同时允许许双向通通信的通通信系统统。发送送和接收收一般使使用两个个不同的的频道(例例如FDDD),而而新的无无绳或个个人通信信系统使使用TDDD技术术半双工系系统使用一条条信道来来发送和和接收,只只允许单单向通信信的通信信系统。在在任一个个指定的的时刻,用用户只能能发送或或接收信信息 切切换将移动台台从一个个信道或或基站切切换到另另一个信信道或基基站的过过程移动台在蜂窝移移动服务务中,计计划在不不确定的的地点并并在移动动中使用用的终端
3、端移动交换换/中心在大范围围服务区区域中协协调呼叫叫路由的的交换中中心。在在蜂窝系系统中,移移动交换换中心将将蜂窝基基站和用用户连到到公用交交换电话话网上。移移动交换换中心也也叫作移移动电话话交换局局 寻呼将简短的的信息广广播到整整个服务务区域中中,一般般通过许许多基站站同时广广播的方方式进行行 反向信信道用来从移移动用户户向基站站传输信信息的无无线信道道 漫游移动台可可以在不不是最初初登记的的区域内内通信 单工系系统只提供单单向通信信的通信信系统 用户使用移动动通信服服务而付付费的使使用者 收发信信机能同时发发送和接接收无线线信号的的设备频分双工工(FDDD)中中,一对对有着固固定频率率间隔
4、的的单向信信道用作作系统中中的特定定无线信信道。在在美国的的AMPPS标准准中,反反向信道道比前向向信道的的频率低低45MMHz(即手机机的发比比收低445MHHz)。模模拟无线线系统只只采用FFDD。时分双工工(TDDD)方方式,在在时间上上分享一一条信道道,将其其一部分分时间用用于从基基站向用用户发送送信息,而而其余的的时间用用于从用用户向基基站发送送信息。如如果信道道内的数数据传输输速率远远大于终终端用户户的数据据速率,就就可以存存储用户户数据,即即使在同同一时刻刻不存在在两条同同步无线线传输信信道,仍仍能给用用户提供供全双工工操作。TTDD只只在数字字传输和和数字调调制时才才可以使使用
5、。1.2 蜂窝无无线通信信系统蜂窝概念念是解决决频率不不足和用用户容量量问题的的一个重重大突破破,是一一种系统统级的概概念。其其思想是是用许多多小功率率的发射射机(小小覆盖区区)来代代替单个个的大功功率发射射机(大大覆盖区区),每每一个小小覆盖区区只提供供服务范范围内的的一小部部分覆盖盖。每个个基站分分配整个个系统可可用信道道中的一一部分,相相邻基站站则分配配另外一一些不同同的信道道,这样样基站之之间(以以及在它它们控制制下的移移动用 户之之间)的的干扰就就最小。只只要基站站间的同同频干扰扰在可以以接受的的范围以以内,可可用信道道就可以以尽可能能的复用用。1.2.1 频频率复用用 蜂窝窝无线系
6、系统依赖赖于整个个覆盖区区域内信信道的分分配及复复用。每每一个蜂蜂窝基站站分配一一组无线线信道,这这组无线线信道作作用于一一个小区区。给相相邻小区区的基站站分配一一个信道道组,所所包含的的信道全全部不能能在相邻邻小区内内使用。通通过将基基站天线线的覆盖盖范围限限制在小小区边界界以内,相相同的信信道组就就可用于于覆盖不不同的小小区,只只要距离离足够远远,相互互间的干干扰就可可以接受受。为整整个系统统中的所所有基站站选择和和分配信信道组的的设计过过程就叫叫做频率率复用(FFreqquenncy Reuuse)。现在考虑虑一个共共有S个个可用的的双向信信道的蜂蜂窝系统统。如果果每个小小区都分分配k个
7、个信道(kkS),并并且S个个信道在在N个小小区中分分为各不不相同的的、各自自独立的的信道组组,而且且每个信信道组有有相同的的信道数数目,那那么可用用无线信信道的总总数表示示为 SS = k NN 。共共同使用用全部 可用频频率的NN个小区区叫做一一簇(Cllustter)。如果簇在系统中共复制了M次,则双向信道的总数可以作为容量的一个度量C = M k N = M S。 蜂窝窝系统的的容量直直接与簇簇在某一一固定范范围内复复制的次次数成正正比。因因数N叫叫做簇的的大小,典典型值为为4、77、122。如果果簇的大大小N减减小但是是小区的的数目保保持不变变,则需需要更多多数目的的簇来覆覆盖原来来
8、给定的的范围,从从而获得得了更大大的容量量。M变变大N变变小意味味着小区区半径与与同频小小区间距距离之比比变大,MM变小NN变大则则意味着着小区半半径与同同频小区区间距离离之比变变小。从从设计的的角度来来看,NN尽可能能的取最最小值,以以便获得得某一给给定覆盖盖范围内内的最大大容量,但但是一定定要顾及及到使用用相同频频率的小小区距离离过近而而引起的的同频干干扰必须须限制在在可以接接受的范范围以内内。蜂窝窝系统的的频率复复用因子子为1/N,因因为一个个簇中的的每个小小区都只只能使用用所有可可用信道道的1/N。图1-11说明了了蜂窝频频率复用用的思想想。标有有相同字字母的小小区使用用相同的的频率,
9、相相同颜色色的小区区组成一一个簇,并并在覆盖盖区域上上进行复复制。图图中簇的的大小NN为7,频频率复用用因子为为1/77。FGDCEABDGFEACBEFDCAGBB内含KK个信道道此簇为NN=7M为复制制次数33 图图1-11 蜂窝窝频率复复用思想想图解1.2.2 越越区切换换 当一一个移动动台正在在通话的的时候,从从一个基基站移动动到另一一个基站站,为了了使通话话不被中中断,系系统自动动地将呼呼叫转移移到新基基站的信信道上。这这种切换换操作不不仅要识识别一个个新基站站,而且且要求将将话音和和信令信信号分派派到新基基站的信信道上,此此过程不不需要用用户的介介入。 在小小区内分分配空闲闲信道时
10、时,许多多切换策策略都使使切换请请求优先先于呼叫叫初始请请求。系系统设计计者必须须要指定定一个启启动切换换的最恰恰当的信信号强度度,一旦旦将某个个特定的的信号强强度指定定为基站站接收机机中可接接受的话话音质量量的最小小可用信信号(一一般在90 dBmm到 1000 dBBm之间间),稍稍微强一一点的信信号强度度就可作作为启动动切换的的门限,两两者之间间的信号号强度之之差值的选择择必须慎慎重。在在决定何何时切换换的时候候,很重重要的一一点是要要保证所所检测到到的信号号电平的的下降不不是因为为瞬时的的衰减,而而是由于于移动台台正在离离开当前前服务的的基站,所所以基站站在准备备切换之之前先对对信号监
11、监视一段段时间。1.2.3 信信道分配配 信道道分配策策略可以以分为两两类:固固定的和和动态的的。 在固固定的信信道分配配策略中中,每个个小区分分配给一一组预先先确定好好的语音音信道。小小区中的的任何呼呼叫都只只能使用用该小区区中的空空闲信道道,如果果该小区区的所有有信道都都已被占占用,则则出现呼呼叫阻塞塞。有一一种借用用策略,就就是当某某小区的的所有信信道都已已被占用用,则允允许它从从相邻小小区中借借用信道道并且不不影响借借出小区区的任何何一个正正在进行行的呼叫叫,该过过程由移移动交换换中心(MMSC)来管理。 在动动态的信信道分配配策略中中,语音音信道不不是固定定地分配配给各个个小区。每每
12、次呼叫叫请求来来的时候候,为它它服务的的基站就就向MSSC请求求一个信信道,交交换机则则根据一一种算法法给发出出请求的的小区分分配一个个信道,当当然这种种算法必必须考虑虑到避免免同频干干扰。动动态的信信道分配配策略可可以减小小阻塞的的可能性性,系统统中的所所有可用用信道对对于所有有小区都都可用。1.2.4 干干扰 干扰扰是蜂窝窝无线系系统性能能的主要要限制因因素,是是系统增增加容量量的重要要瓶颈。蜂蜂窝系统统中两种种主要的的干扰是是:同频频干扰和和邻频干干扰。同频干扰扰使用同一一组频率率的同频频小区之之间的信信号干扰扰叫做同同频干扰扰,减小小同频干干扰必须须在物理理上隔开开一个最最小的距距离。
13、 假设设每个小小区的大大小都差差不多,基基站也都都发射相相同的功功率,则则同频干干扰比例例与发射射功率无无关,而而变为小小区半径径R和相相距最近近的同频频小区的的中心之之间距离离D的函函数。增增加D/R的值值,同频频干扰减减小。参参数Q叫做同频频复用比比例,与与簇的大大小有关关。对于于六边形形来说,QQ表示为为:Q = DD/R =。QQ的值越越小,则则容量越越大;但但是Q的的值大则则同频干干扰小。邻频干扰扰 来自自所使用用信号频频率的相相邻频率率的信号号干扰叫叫做邻频频干扰。邻邻频干扰扰是由于于接收滤滤波器不不理想,使使得相邻邻频率的的信号泄泄漏到了了传输带带宽内而而引起的的。 邻频频干扰可
14、可以通过过精确的的滤波和和信道分分配而减减到最小小。通过过使小区区中的信信道间隔隔尽可能能的大,邻邻频干扰扰会减小小。通过过顺序地地将连续续的信道道分配给给不同的的小区,许许多分配配方案可可以使得得在一个个小区内内的邻频频信道间间隔为NN个信道道带宽,其其中N是是簇的大大小。有有些信道道分配方方案还通通过避免免在相邻邻小区中中使用邻邻频信道道来阻止止一些次次要的邻邻频干扰扰。1.2.5 小小区分裂裂随着服务务需求的的提高,实实际中使使用了小小区分裂裂、裂向向和覆盖盖区域逼逼近等技技术来增增大蜂窝窝系统容容量。 小区区分裂是是将拥塞塞的小区区分成更更小小区区的方法法,每个个新小区区都有自自己的基
15、基站并相相应地降降低天线线高度和和减小发发射机功功率。通通过设定定比原小小区半径径更小的的新小区区和在原原有小区区间安置置这些小小区,使使得单位位范围内内的信道道数目增增加,提提高了信信道的复复用次数数,因此此能提高高系统容容量。例如,将将一个半半径为RR的小区区分裂为为半径为为R/22的新小小区,则则需要44个新小小区才能能覆盖原原来的范范围。当当然,新新小区的的发射功功率也应应该下降降,通过过检查在在新旧小小区边界界接收到到的功率率,并令令它们相相等来得得到新小小区的发发射机功功率。实际上,不不是所有有的小区区都同时时分裂,不不同规模模的小区区将同时时存在,这这时需要要特别注注意保持持同频
16、小小区间所所需的最最小距离离,频率率分配将将变得更更为复杂杂,而且且发射机机的功率率也不尽尽相等。 2 GSSM全球球移动通通信系统统概述2.1 GSMM的发展展概述GSM原原意为“移动通通信特别别小组”(Grooup Speeciaal MMobiile),是欧洲邮邮电主管管部门会会议(CEPPT)为开发发第二代代数字蜂蜂窝移动动系统而而在19982年年成立的的机构,开开始制定定适用于于泛欧各各国的一一种数字字移动通通信系统统的技术术规范。1987年,欧洲15个国家的电信业务经营者在哥本哈根签署了一项关于在1991年实现泛欧900MHz数字蜂窝移动通信标准的谅解备忘录(Memorandum
17、of Understanding,简称MOU)。随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立,GSM逐步成为欧洲数字蜂窝移动通信系统的代名词。后来,欧洲的专家们将GSM重新命名为“Global System for Mobile Communications”,即“全球移动通信系统”的简称。目前,宣宣布采用用GSMM系统并并参加MMOU的的国家早早就不限限在欧洲洲。在119955年初,全全世界就就已有669个国国家约1118个个经营者者签字参参加了MMOU。2.2 GSMM的系统统构成GSM系系统由以以下分系系统构成成:交换换分系统统(MSSS);基站分分系统(BSSS);移动台台(MS)和操作与
18、与维护分分系统(OMSS)。它包包括了从从固定用用户到移移动用户户(或相相反)所所经过的的全部设设备,如如图2-11所示。2.2.1交换换分系统统(MSSS)包括以下下几个部部分:移移动交换换中心(MMSC),归属位置寄存器(HLR),拜访位置寄存器(VLR),认证(鉴权)中心(AUC),设备标志寄存器(EIR)。 移移动交换换中心(MMSCMoobille SServvicee Swwitcchinng CCentter)它主要处处理与协协调GSSM系统统内部用用户的通通信接续续。MSSC对位位于其服服务区内内的移动动台(MMS)进进行交换换与控制制,同时时提供移移动网与与固定公公众电信信网
19、的接接口。作作为交换换设备,MMSC具具有完成成呼叫接接续与控控制的功功能,同同时还具具有无线线资源管管理和移移动性管管理等功功能,例例如移动动台位置置登记与与更新,MMS的越越区转接接控制等等。移动动用户没没有固定定位置,要要为网内内用户建建立通信信时,路路由都先先接到一一个关口口交换局局(GMMSCGaatewway MSCC),即即由固定定网接到到GMSSC。GGMSCC的作用用是查询询用户的的位置信信息,并并把路由由转到移移动用户户当时所所拜访的的移动交交换局(VVMSCC)。GGMSCC首先根根据移动动用户的的电话号号码找到到该用户户所属的的归属位位置寄存存器HLLR,然然后从HHL
20、R中中查询到到该用户户目前的的VMSSC。GGMSCC一般都都与某个个MSCC合在一一起,只只要使MMSC具具有关口口功能就就可实现现。MSSC通常常是一个个大的程程控数字字交换机机,能控控制若干干个基站站控制器器(BSSC)。GGMSCC与固定定网相接接,固定定网有公公众电话话网PSSTN、综合业业务数字字网ISSDN、分组交交换公众众数据网网PSPPDN和和电路交交换公众众数据网网CSPPDN。MMSC与与固定网网互连需需要通过过一定的的适配才才能符合合对方网网络对传传输的要要求,称称其为适适配功能能(IWWFIntter Worrkinng FFuncctioon)。 归归属位置置寄存器
21、器(HLLRHomme LLocaate Reggistter)HLR是是管理移移动用户户的数据据库,作作为物理理设备,它它是一台台独立的的计算机机。每个个移动用用户必须须在某个个HLRR中登记记注册。在数字蜂窝网中,应包括一个或多个HLR。HLR所存储的信息分两类:一类是有关用户参数的信息,例如用户类别、所提供的服务、用户的各种号码、识别码,以及用户的保密参数等;另一类是用户当前的位置信息,例如移动台漫游号码、VLR地址等,用于建立至移动台的呼叫路由。HLR不受MSC的直接控制。 拜拜访位置置寄存器器(VLLRVissitoor LLocaatioon RRegiisteer)VLR是是存储
22、用用户位置置信息的的动态链链接库,当漫游用户进入某个MSC区域时,必须在MSC相关的VLR中进行登记,VLR分配给移动用户一个漫游号(MSRN)。在VLR中建立用户的有关信息,其中包括移动用户识别码(MSI)、移动台漫游号(MSRN)、移动用户所在位置区的标志及向用户提供服务等参数,而这些信息是从相关的HLR中传过来的。MSC在处理入网和出网呼叫时需要查访VLR中的有关信息。一个VLR可以负责一个或多个MSC区域。由于MSC与VLR之间交换信息很多,所以两者的设备通常合在一起。 认认证(鉴鉴权)中中心(AAUCAuutheentiicattionn Ceenteer)它直接与与HLRR相连,是
23、是认证移移动用户户身份及及产生相相应认证证参数的的功能实实体。认认证参数数包括随随机号码码RANND、信信号响应应SREEC和密密匙KCC。认证证中心对对移动用用户的身身份进行行认证,将将用户的的信息与与认证中中心的随随机号码码进行核核对,合合法用户户才能接接入网络络,并得得到网络络的服务务。 设设备标志志寄存器器(EIIREquuipmmentt Iddenttifiicattionn Reegissterr)EIR是是存储有有关移动动台设备备参数的的数据库库,用来来实现对对移动设设备的识识别、监监视、闭闭锁等功功能。EEIR只只允许合合法的设设备使用用,它与与MSCC相连接接。2.2.2
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