GSM基本原理ppt课件

移动通信,GSM基础原理,1,GSM移动通信系统,第一节GSM数字移动通信系统一、GSM系统的基本特点GSM(globalsystemformobilecommunication)数字蜂窝移动通信系统（简称GSM系统）是完全依照欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM规范研制而成的，任何GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。GSM系统是一种典型的开放式结构，作为一种面向未来的通信系统，它具有下列主要特点：GSM系统由几个分系统组成，各分系统都有定义明确且详细的标准化接口方案，保证任何厂商提供的GSM系统设备可以互连。同时，GSM与各种公用通信网之间也都详细定义了标准接口规范，使GSM系统可以与各种公用通信网实现互连互通。,2,GSM系统除了可以开放基本的话音业务外，还可以开放各种承载业务、补充业务以及与ISDN相关的各种业务。GSM系统采用FDMA/TDMA及调频的复用方式，频率复用利用率较高，同时它具有灵活方便的组网结构，可满足用户的不同容量需求。GSM具有较强的鉴权和加密功能，能确保用户和网络的安全需求。GSM系统抗干扰能力较强，系统的通信质量较好。二、GSM系统提供的业务与功能GSM系统是一个多业务系统，可根据用户要传输信息的特点，提供各种形式的通信。,3,1、话音业务GSM提供最重要的业务是电话业务。它使GSM用户和通过普通电话网可达到的任何电话用户间能进行双向话音呼叫。根据GSM的专用术语紧急呼叫是由电话演变来的一项独立业务，允许移动台的用户通过一种简单固定的步骤，如119火警就可找到附近的紧急服务部门（消防队）。由电话业务发展的另一项业务是话音留言。2、数据业务与PSTN（公众交换电话网）用户的连接与ISDN（综合业务数据网）用户的连接GSM用户间的连接与PSPDN（分组交换公用数据网）用户的连接与CSPDN（电路交换公用数据网）用户的连接,4,3、短消息业务GSM能传输点对点短消息，并能区分接收到的“移动台点对点短消息业务”和使GSM用户能向另一个GSM用户发短消息的“移动台呼叫点对点短消息业务”。另一种短消息业务是“蜂窝广播短消息业务”，它是以固定的时间间隔将一般的短消息向给定地区中所有用户广播。（1）点对点短消息传输的点对点短消息业务是由几十个数字、字母组成的消息。功能：A：短消息接收后可以显示在接收该用户的GSM终端上B：移动台是否接收到消息C：消息是否保留在网络中以防止传递失败D：消息的发送者可以被告知结果E：收到的消息可以存储在不易丢失的存储器中F：可以实现短信群发,即点对多点业务.,5,（2）广播消息GSM中的蜂窝广播的业务是指周期地向指定地区的移动台广播数据消息。这些消息即无确定指向地址，也无加密，任何支持这项业务的移动台都能够接收并能正确解码。4、附加业务附加业务主要是允许用户选择网络处理主呼/被呼的方法，或提供给用户一些信息使之能智能地利用业务。5、本地业务作为一个集成终端，它无需网络的帮助，就可以提供许多本地功能，如：缩位拨号、存储接收到的短消息、编辑短消息、自动重复失败的呼叫、自动应答呼叫、呼叫保持等等。6、用户识别卡GSM移动台可分为两部分A：包括无线接口特有的软件和硬件B：用户数据用户识别卡（SIM卡:subscriberidentitymodule）现在为了扩充容量,满足mp3,mp4手机用户的需求,还增加了SD卡,TF卡:(securedigitalcard:安全数据存储卡),6,7、安全性功能A：用户鉴别，防止未注册的用户接入B：无线路径加密，特别是对所有的用户信息加密，以防止第三方偷听C：用户身份保护，以防止用户注册泄露这些功能不需要用户注册，也不受用户控制。GSM使用用户身份个人号码（PIN）控制对SIM卡的使用，只有输入正确的PIN码的移动台设备才能对SIM卡进行存取，读出数据并可入网。三、GSM系统的组成GSM系统由一系列单元组成，其具体组成如下图所示，分为MS（移动台）、NSS（网络子系统）、BSS（基站子系统）、OSS（操作维护子系统）等几个主要部分。,7,8,9,1、移动台/移动用户（MS）移动台是整个系统中直接由用户使用的设备，可分为车载型、便携型、和手持型三种。在GSM系统中，用户的所有信息都存储在SIM卡上，系统中的任何一个移动台都可以利用SIM卡来识别移动用户。由网络来进行相关的认证，保证使用移动网的是合法用户。移动台有自己的识别码IMEI，称为国际移动设备识别码。每个移动台的IMEI都是唯一的，网络对IMEI进行检查，可以保证移动台的合法性。SIM卡中存储着用户的所有信息，包括国际移动用户识别码IMSI等。怎样确认自己的手机内存储的IMEI码与CIE上的一致?2、基站子系统（BSS）广义来说，基站子系统包含了GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有基础设施，它通过无线接口直接与移动台实现通信连接，同时又连到网络的交换机，为移动台和交换子系统提供传输通，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能,同时又连接到网络的交换机,为移动台与交换子系统提供传输通,10,路，因此，BSS可以看作移动台与交换机之间的桥梁。按GSM规范提出的基本结构，BSS由两个基本部分组成：通过无线接口与移动台一侧相连的基站收、发信机（BTS）和与交换机一侧相连的基站控制器（BSC）。从功能上看，BTS主要负责无线传输，BSC主要负责控制和管理。值得指出的是，在GSM规范中，一个基站子系统指一个BSC以及由它所管辖的所有BTS，而不是一个交换机所带的无线系统。BTS在网络的固定部分和无线部分提供中继，移动用户通过空中接口与BTS相连。BTS包括收发信机和天线，以及与无线接口有关的信号处理电路等，它也可以看作是一个复杂的无线解调器。在GSM系统中，为了保持BTS尽可能的简单，BTS往往只包含那些靠近无线接口所必须的功能。BSC通过BTS和移动台的远端命令管理所有的无线接口，主要是进行无线信道的分配、释放以及越区信道的切换等，起着BSS系统中交换设备的作用。BSC由BTS控制部分、交换部分和公共处理器部分等组成。根据BTS的业务能力，一台BSC可以管理多达几十个BTS。,11,3、网络与交换子系统（NSS）网络与交换子系统包括实现GSM的主要交换功能的交换中心以及管理用户数据和移动性所需的数据库，有时也称之为交换子系统。它由一系列功能实体构成，各功能实体间以及NSS与BSS之间通过符合CCITT信令系统No.7协议规范的7号信令网络互相通信。它的主要作用是管理GSM用户和其它网络用户之间的通信。其主要任务是：A信道的管理和分配B呼叫的处理和控制C用户位置信息的登记与管理D越区切换和漫游的控制E用户号码和移动设备号码的登记和管理F服务类型的控制G对用户进行鉴权NSS可分为如下几个功能单元：移动业务交换中心MSC：MSC是网络的核心，它完成最基本的交换功能，即实现移动用户与其它网络用户之间的通信连接。为此，它提供面向系统其它功能实体的接口、到其它网络的接口以及与其它MSC互连的接口。MSC从HLR、VLR、AUC这三种数据库中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据，同时这三个数据库也会根据MSC最新信息进行自我更新。MSC为用户提供承载业务、基本业务与补充业务等一系列服,12,务。作为网络的核心，MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等性能及其它网络功能。对于容量较大的通信网，一个NSS可以包括若干个MSC、HLR和VLR，在建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫时，呼叫往往首先被接到入口MSC，再由入口MSC负责获取位置信息然后进行接续。MSC具有与固定网和其它NSS实体互通的接口，也就是我们通常所说的关口局。拜访位置寄存器VLR：VLR存储进入其覆盖区的所有用户的全部有关信息，为已经登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR是一个动态数据库，需要随时与有关的HLR进行大量的数据交换以保证数据的有效性。当用户离开其覆盖区时，用户的有关信息将被删除。,13,VLR在物理实体上总是与MSC一体，这样可以尽量避免由于MSC与VLR之间频繁联系所带来的接续时延。归属位置寄存器HLR：HLR是系统的中央数据库，存放与用户有关的所有信息，包括用户的漫游权限、基本业务、补充业务及当前位置信息等，从而为MSC提供建立呼叫所需的路由信息等相关数据。一个HLR可以覆盖几个移动交换区域甚至整个移动网。鉴权中心AUC：AUC存储用户的加密信息，可以保护用户在系统中的合法地位不受侵犯。由有空中接口的开放性，经由空中接口传送的信息极易受到侵犯，因此GSM采用了严格的保密措施如用户鉴权、信息的加密等。这些鉴权信息和加密密钥等均存放在AUC中，因此，AUC是一个受到严格保护的数据库。在物理实体上，AUC与HLR共存。,14,设备识别寄存器EIR：EIR存储与移动台IMEI有关的信息。它可以对移动台的IMEI进行核查，已确定移动台的合法性，防止未经许可的移动台设备使用移动网。4操作与维护子系统OSSOSS是操作人员与系统设备之间的中介，它实现了系统的集中操作与维护，完成包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作维护等功能。它的一侧与设备相连，（但并不包括BTS，因为在GSM规范中明确指出，对BTS的操作维护是经过BSC进行管理），另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维护的设备被称为操作维护中心OMC。GSM系统的每个组成部分都可以通过特有的网络连接至OMC，从而实现集中维护。OMC由两个功能单元构成。OMC-S（操作维护中心系统部分）用于MSC、HLR、VLR等交换子系统各功能单元的维护与操作。OMC-R（操作维护中心无线,15,部分）用于实现整个BSS系统的操作与维护，它一般是通过SUN工作站在BSS上的应用来实现。OMC也可以作为进入更高一层管理网络的关口设备。接口协议:A接口:NSS与BSS之间的通信接口,从系统的功能实体而言,就是移动交换中心与基站控制器之间的互联接口,传送的信息包括对移动台及基站管理/移动性及呼叫接续管理等.ABIS接口:基站控制器与基站收发信机两个功能实体之间的通信接口,主要支持所有用户提供的服务,并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配.Um接口:为BSS与MS之间的无线通信接口,它是GSM系统中最重要/最复杂的接口,此接口传递的信息包括无线资源管理/移动性管理和连接管理.,16,17,第二节GSM系统的编号计划GSM系统是一个十分复杂的通信系统，它包括众多的功能实体和繁杂的实体间、子系统间及网络间的接口。为了将一个呼叫接续至某个用户，系统需要调用相应的实体，因此要实现正确的寻址，编号计划就显得尤为重要。由于GSM系统的业务类似于ISDN网的延伸，因此GSM系统采用了CCITT建议中的“网号”编号方案，即将GSM系统作为一个电话网的独立编号方案，此时的PLMN相对于PSTN完全独立，其各种号码也就完全独立于PSTN。下面我们依次对GSM移动通信网中的各种号码进行介绍。,18,1移动用户号码（MSISDN）MSISDN指主叫用户为呼叫GSM移动用户所拨的号码。一个移动台可以分配一个或多个MSISDN号码。,19,其中：（1）CC：国家码。即移动台登记注册的国家码，中国为86。（2）NDC：国内网络接入码。中国移动网为134159，联通网为130133。（3）SN：用户号码。采用等长8位编号计划，具体号码分配有运营公司决定。2国际移动用户识别码（IMSI）为了在GSM系统中，每个用户都分配有一个唯一的IMSI，此号码在整个GSM系统中有效，用于用户身份的识别。,20,其中：MCC移动国家码。唯一的识别移动用户所属的国家。中国的MCC为460。MNC移动网号，识别移动用户所归属的移动通信网（PLMN）。中国移动的MNC为01，中国联通为02。MSIN移动用户识别码，唯一地识别某一移动通信网中的移动用户。NMSI国家移动用户识别码，由MNC与MSIN组成。,21,3.临时移动用户识别码(TMSI)考虑到系统地安全性,GSM系统提供了在空中接口传递TMSI代替IMSI的保密措施.TMSI由VLR为来访的移动用户在鉴权成功后分配,它是一个由VLR自行分配的4字节的BCD编码,仅限在VLR管辖区内代替IMSI临时使用,且与IMSI相互对应.4.移动用户漫游号码(MSRN)MSRN是在呼叫接续时由VLR临时分配给移动台的一个号码,用于GSM网络在接续时的路由选择.5.国际移动设备识别码(IMEI)IMEI唯一识别移动台,是一个15位的十进制编码.,22,其中:TAC:6位,型号批准码,由欧洲型号认证中心分配.FAC:2位,工厂装配码,由厂家编码,表示生产厂家及装配地我们公司的是00.SNR:6位,序列码,由厂家分配,用于识别每个设备SP:1位,备用码.,23,第三节GSM工作频段的分配一、我国GSM网络的工作频段我国陆地蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz与1800MHz频段。GSM900MHz频段为：890915MHz（移动台发，基站收），935960MHz（基站发，移动台收）；DCS1800MHz频段为：17101785MHz（移动台发，基站收），18051880MHz（基站发，移动台收）频段分配：GSM900MHz频段为:890-915MHz(移动台发射,基站接收,上行链路)935-960MHz(移动台接收,基站发射,下行链路)双工频率间隔:45MHz信道总数:124单工(simplex)/半双工(half-duplex)/双工(full-duplex)的区别?,24,EGSM900MHz频段为:880-915MHz(移动台发射,基站接收,上行链路)925-960MHz(移动台接收,基站发射,下行链路)双工频率间隔:45MHz信道总数:174DCS1800MHz频段为:1710-1785MHz(移动台发射,基站接收,上行链路)1805-1880MHz(移动台接收,基站发射,下行链路)双工频率间隔:95MHz信道总数:374GSM1900MHz频段为:1850-1910MHz(移动台发射,基站接收,上行链路)1930-1990MHz(移动台接收,基站发射,下行链路)双工频率间隔:80MHz信道总数:299二、频道间隔相邻两频点间隔为为200kHz，每个频点采用时分多址（TDMA）方式，分为8个时隙，既8个信道（全速率），如GSM采用半速率话音编码后，每个频点可容纳16个半速率信道，可使系统容量扩大一倍，但其代价必然是导致语音质量的降低。,25,三、频道配置绝对频点号和频道标称中心频率的关系为：GSM900MHz频段为:fl(n)=890.2MHz+(n-1)0.2MHz(移动台发,基站收）；fh(n)=fl(n)+45MHz(基站发,移动台收);n1，124GSM1800MHz频段为：fl(n)=1710.2MHz+(n-512)0.2MHz(移动台发,基站收）；fh(n)=fl(n)+95MHz(基站发,移动台收）；n512，885其中：fl(n)为上行信道频率、fh(n)为下行信道频率,n为绝对频点号（ARFCN）。,26,第四节时分多址技术（TDMA）多址技术就是要使众多的客户公用公共信道所采用的一种技术，实现多址的方法基本有三种，频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。我国模拟移动通信网TACS就是采取的FDMA技术。CDMA是以不同的代码序列实现通信的，它可重复使用所有小区的频谱，它是目前是最有效的频率复用技术。GSM的多址方式为时分多址TDMA和频分多址FDMA相结合并采用跳频的方式，载波间隔为200K，每个载波有8个基本的物理信道。一个物理信道可以由TDMA的帧号、时隙号和跳频序列号来定义。它的一个时隙的长度为0.577ms,每个时隙的间隔包含156.25比特GSM的调制方式为GMSK，调制速率为270.833kbit/s。,27,一、TDMA信道的概念在GSM中的信道可分为物理信道和逻辑信道。一个物理信道就是一个时隙，通常被定义为给定TDMA帧上的固定位置上的时隙（TS）。而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道是通过BTS来影射到不同的物理信道上来传送。逻辑信道又可分为业务信道和控制信道.（一）业务信道：业务信道用于携载语音或用户数据，可分为话音业务信道和数据业务信道。（二）控制信道：控制信道用于携载信令或同步数据，可分为广播信道、公共控制信道和专用控制信道。广播信道（BCH）：包括BCCH、FCCH和SCH信道，它们携带的信息目标是小区内所有的手机，所以它们是单向的下行信道。公共控制信道（CCCH）：包括RACH、PCH、CBCH、AGCH，前一个是单向上行信道，后者是单向下行信道。专用控制信道（DCCH）：包括SDCCH、SACCH、FACCH,28,1、广播信道：广播信道仅用在下行链路上，由BTS至MS。它们用在每个小区的TS0上作为标频，在一些特殊的情况下，也可用在TS2，4或6上，这些信道包括BCCH、FCCH和SCH。为了通信，MS需要于BTS保持同步，而同步的完成就要依赖FCCH和SCH逻辑信道，它们全部为下行信道，为点对多点的传播方式。频率校正信道（FCCH）：FCCH信道携带用于校正MS频率的消息，它的作用是使MS可以定位并解调出同一小区的其它信息。同步信道（SCH）：在FCCH解码后，MS接着要解出SCH信道消息，它给出了MS需要同步的所有消息及该小区的的标示信息如TDMA帧号（需22比特）和基站识别码BSIC号（需6比特）。广播控制信道（BCCH）：MS在空闲模式下为了有效的工作需要大量的网络信息。而这些信息都将在BCCH信道上来广播。信息基本上包括小区的所有频点、邻小区的BCCH频点、LAI（LAC+MNC+MCC）、CCCH和CBCH信道的管理、控制和选择参数,29,及小区的一些选项。所有这些消息被称为系统消息（SI）在BCCH信道上广播，在BCCH上系统消息有八种类型TYPE1、2、2bis、2ter、3、4、7和8。2、公共控制信道：公共控制信道包括AGCH、PCH、CBCH和RACH，这些信道不是供一个MS专用的，而是面向这个小区内所有的移动台的。在下行方向上，由PCH、AGCH和CBCH来广播寻呼请求、专用信道的指派和短消息。在上行方向上由RACH信道来传送专用信道的请求消息。寻呼信道（PCH）：当网络想与某一MS建立通信时，它就会在PCH信道上根据MS所登记的LAC号向所有具有该LAC号的小区进行寻呼，寻呼MS的标示为TMSI或IMSI，属下行信道，点对多点传播。接入许可信道（AGCH）：当网络收到处于空闲模式下MS的信道请求后，就将给之分配一专用信道，AGCH通过根据该指派的描述（所分信道的描述，和接入的参数），向所有的移动台进行广播，看属于谁的，下行信道，点对点传播。,30,小区广播控制信道（CBCH）：它用于广播短消息和该小区一些公共的消息（如天气和交通情况），它通常占用SDCCH/8的第二个子信道，下行信道，点对多点传播。随机接入信道（RACH）：当MS想与网络建立连接时，它会通过RACH信道来广播它所需的服务信道，请求消息包括3个比特的建立的原因（如呼叫请求、响应寻呼、位置更新请求、及短消息请求等等）和5个比特的用来区别不同MS请求的参考随机数，属上行信道，点对点传播方式。3、专用控制信道包括SDCCH、SACCH、FACCH、TCH，这些信道被用于某一个具体的MS上.独立专用控制信道（SDCCH）：SDCCH是一种双向的专用信道，它主要用于传送建立连接的信令消息、位置更新消息、短消息、用户鉴权消息、加密命令及应答及各种附加业务。慢速随路控制信道（SACCH）：SACCH是一种伴随着TCH和SDCCH的专用信令信道。在上行链路上它主要传递无线测量报告和第一层报头消息（包括TA值和功率控制级别）；在下行链路上它主要传,31,递系统消息type5、5bis、5ter、6及第一层报头消息。这些消息主要包括通信质量、LAI号、CELLID、邻小区的标频信号强度等信息、NCC的限制、小区选项、TA值、功率控制级别。快速随路控制信道（FACCH）：FACCH信道与一个业务信道TCH相关。FACCH在话音传输过程中如果突然需要以比慢速随路控制信道（SACCH）所能处理的高的多的速度传送信令消息，则需借用20ms的话音突发脉冲序列来传送信令，这种情况被称为偷帧，如在系统执行越局切换时。由于话音译码器会重复最后20ms的话音，所以这种中断不会被用户察觉的。二、突发脉冲序列TDMA信道上的一个时隙中的消息格式被称为突发脉冲序列，也就是说每个突发脉冲被发送在TDMA帧的其中一个时隙上。因为在特定突发脉冲上发送的消息内容不同，也就决定了它们格式的不同。可以分为五种突发脉冲序列：,32,l普通突发脉冲序列（normalburst）：用于携带TCH、FACCH、SACCH、SDCCH、BCCH、PCH和AGCH信道的消息。l接入突发脉冲序列（accessburst）：用于携带RACH信道的消息。l频率校正突发脉冲序列（frequencycorrectionburst）：用于携带FCCH信道的消息。l同步突发脉冲序列（synchronizationburst）：用携带SCH信道的消息.l空闲突发脉冲序列（dummyburst）：当系统没有任何具体的消息要发送时就传送这种突发脉冲序列（因为在小区中标频需连续不断的发送消息）。在每种突发脉冲的格式中，都包括以下内容：l尾比特（tailbits）：它总是0，以帮助均衡器来判断起始位和终止位以避免失步。l消息比特（informationbits）：用于描述业务消息和信令消息，空闲突发脉冲序列和频率校正突发脉冲序列除外。,33,l训练序列（trainingsequence）：它是一串已知序列，用于供均衡器产生信道模型（一种消除色散的方法）。训练序列是发送端和接收端所共知的序列，它可以用来确认同一突发脉冲其它比特的确定位置，它对于当接收端收到该序列时来近似的估算发送信道的干扰情况能起到很重要的作用。值得注意的是，它在普通突发脉冲序列可分为8种，但在接入突发脉冲和同步突发脉冲序列是固定的而并不随着小区的不同而不同。l保护间隔（guardperiod）：它是一个空白空间，由于每个载频的最多同时承载8个用户，因此必须保证各自的时隙发射时不相互重叠，尽管采用了定时提前技术，但来自不同移动台的突发脉冲序列仍会有小的滑动，因而就采用了保护间隔可是发射机在GSM规范许可的范围内上下波动。从另一角度来讲,GSM规范要求MS在一个突发脉冲的有用(不包括保护比特的其它比特)应保持恒定的传输幅度,并要求MS在两个突发脉冲之间传输幅度适当衰减,因此需要保护比特.相邻两个突发脉冲之间的幅度衰减并应用适当的调制比特流,将会减小对其它RF信道的干扰。,34,第五节数据源的传输过程由于GSM系统是一个全数字系统，话音和不同数率数据的传输都要进行数字化处理。为了将源数据转换为最终信号并通过无线电波发射出去，需经过几个连续的过程。相反，在接收端需经过一系列的反过程来重现原始数据。下面我们主要针对话音的传输过程描述，这个过程对其它用户数据和信令也是一样的。1、A/D转换:麦克风将声音信号转换成电信号.,35,2、语音编码由于GSM系统是一种全数字系统，话音和其它信号都要进行数字化处理，因