GSM空中接口关键技术教学课件

1、 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础任务任务4 GSM空中接口关键技术空中接口关键技术 内容内容1: 时间提前量时间提前量内容内容2: 跳频技术跳频技术内容内容3: 不连续发送不连续发送DTX内容内容4：功率控制技术：功率控制技术学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础任务任务4 GSM空中接口关键技术空中接口关键技术 课前复习和预习检测课前复习和预习检测1、在、在GSM系统中什么是时间提前量系统中什么

2、是时间提前量 ？2、GSM系统为什么要引入跳频技术？系统为什么要引入跳频技术？3、GSM系统采用不连续发送系统采用不连续发送DTX的目的是什么？的目的是什么？学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础 GSM蜂窝移动通信系统的用户始终保持强劲的发展势头，蜂窝移动通信系统的用户始终保持强劲的发展势头，而频谱资源的利用日趋紧张。如何在现有频谱资源的情况下，而频谱资源的利用日趋紧张。如何在现有频谱资源的情况下，更好地提高网络容量、改善信号质量、提高频谱资源利用率已更好地提高网络容

3、量、改善信号质量、提高频谱资源利用率已是迫在眉睫。而是迫在眉睫。而GSM移动通信系统用于提高频谱利用率的技术移动通信系统用于提高频谱利用率的技术手段主要体现在手段主要体现在GSM空中接口的关键技术中，其关键技术包括：空中接口的关键技术中，其关键技术包括：时间提前量、跳频技术、不连续发送时间提前量、跳频技术、不连续发送DTX技术、功率控制技术技术、功率控制技术等。本节课的任务就是介绍等。本节课的任务就是介绍GSM系统中提高网络容量、改善信系统中提高网络容量、改善信号质量、提高频谱利用率的关键技术。号质量、提高频谱利用率的关键技术。任务任务4 GSM空中接口关键技术空中接口关键技术 任务描述任务描

4、述学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础任务任务4 GSM空中接口关键技术空中接口关键技术 内容内容1: 时间提前量时间提前量内容内容2: 跳频技术跳频技术内容内容3: 不连续发送不连续发送DTX内容内容4：功率控制技术：功率控制技术学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础 在在GSM系统中，由于空中接口采用系统中，由于空中接口采用TDMA技术，移

5、动台必须在指配给它技术，移动台必须在指配给它的时隙内发送，而在其他的时间必须保持寂静，否则会干扰使用同一载频其的时隙内发送，而在其他的时间必须保持寂静，否则会干扰使用同一载频其他时隙上的用户。如图他时隙上的用户。如图1所示。所示。 学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 012345670123456701012345670123456701偏移下行链路：上行链路：BTS 发送；：MS 发送TDMA 帧号TDMA 帧号图图1 TCH上下行偏移上下行偏移GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础 由于信号在空间传输

6、是有延迟的，如移动台在呼叫期间向远离基由于信号在空间传输是有延迟的，如移动台在呼叫期间向远离基站的方向移动，则从基站发出的信号将站的方向移动，则从基站发出的信号将“越来越迟越来越迟”的到达移动台，与的到达移动台，与此同时，移动台的信号也会此同时，移动台的信号也会“越来越迟越来越迟”的到达基站，延迟过长会导致的到达基站，延迟过长会导致基站收到的某移动台在本时隙上的信号与基站收下一个其它移动台信号基站收到的某移动台在本时隙上的信号与基站收下一个其它移动台信号的时隙相互重叠，引起码间干扰，因此，在呼叫进行期间，移动台发给的时隙相互重叠，引起码间干扰，因此，在呼叫进行期间，移动台发给基站的测量报告上携

7、带有移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到基站的测量报告上携带有移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达的时间，并在下行信道上以达的时间，并在下行信道上以480ms一次的频率向移动台发送指令，指一次的频率向移动台发送指令，指示移动台提前发送的时间，这个时间就是时间提前量。示移动台提前发送的时间，这个时间就是时间提前量。学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础任务任务4 GSM空中接口关键技术空中接口关键技术 内容内容1: 时间提前量时间提前量内容内容2: 跳频技术跳频

8、技术内容内容3: 不连续发送不连续发送DTX内容内容4：功率控制技术：功率控制技术学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础应用跳频技术的主要目的应用跳频技术的主要目的 数字移动通信系统中，为了提高系统抗干扰能力，常数字移动通信系统中，为了提高系统抗干扰能力，常用到扩频技术，其中包括直扩方式和跳频方式，在用到扩频技术，其中包括直扩方式和跳频方式，在GSM系系统中采用的是跳频方式。其目的是：统中采用的是跳频方式。其目的是： 1、改善传输质量、改善传输质量 2、改善网络质量、改

9、善网络质量 3、确保通信的秘密性和抗干扰性、确保通信的秘密性和抗干扰性 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 引入跳频的原因有两个。第一是基于频率分集的原理，用于引入跳频的原因有两个。第一是基于频率分集的原理，用于对抗瑞利衰落。第二是基于干扰源特性，引入跳频使得干扰能在对抗瑞利衰落。第二是基于干扰源特性，引入跳频使得干扰能在许多呼叫频点之间分散，而不是集中在一个呼叫频点上。许多呼叫频点之间分散，而不是集中在一个呼叫频点上。GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护

10、学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础跳频的原理跳频的原理 跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种序列进行跳变。跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种序列进行跳变。信息数据经过调制后成为基带信号，送入载波调制，然后载波信息数据经过调制后成为基带信号，送入载波调制，然后载波频率在伪随机码的控制下改变频率，这种伪随机码序列即为跳频率在伪随机码的控制下改变频率，这种伪随机码序列即为跳频序列。最后再经过射频滤波器送至天线发射出去。接收机根频序列。最后再经过射频滤波器送至天线发射出去。接收机根据跳频同步信号和跳频序列确定接收频率，把相应的跳频后信据跳频同步信号和跳频序列确定接收频率，把

11、相应的跳频后信号接收下来，进行解调，如图号接收下来，进行解调，如图2所示。所示。 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础跳频的原理跳频的原理图图2 跳频的原理跳频的原理同同步步电电路路跳跳频频序序列列发发生生器器可可变变频频率率合合成成器器信信息息调调制制上上变变频频发发送送信信息息解解调调下下变变频频接接收收GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础跳频的原理跳频的原理跳频技术对接收信号的改善如下图跳频技术对接收信号的改善如下图3所示：所示： 其跳频的增益为：其跳频

12、的增益为：G10LgN (N为频点数目）为频点数目）图图3 跳频技术对接收信号的改善跳频技术对接收信号的改善GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础非跳频网络中的干扰情形 空间上干扰集中在同频的信道 时间上干扰无时不在用户受到持续的干扰 解决手段加大同频基站的距离 代价频率复用程度的降低f1f1Interference areas图图4 非跳频网络的干扰非跳频网络的干扰 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础 空间上空间上干扰分布在各个扇区干扰分布在各个扇区 时间上

13、时间上干扰无时不在干扰无时不在用户仅受到临时的干扰用户仅受到临时的干扰f1 f2 f3 f4f1 f2 f3 f4f1 f2 f3 f4f1 f2 f3 f4跳频网络中的干扰情形跳频网络中的干扰情形图图5 跳频网络中的干扰跳频网络中的干扰GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础f1 f2 f3 f4f1 f2 f3 f4f1 f2 f3 f4f1 f2 f3 f4跳频网络中的干扰情形跳频网络中的干扰情形干扰在时域和空间的分散干扰干扰在时域和空间的分散干扰分集分集 减少每个用户受到干扰的减少每个用户受到干扰的机率机率 充分发挥信道编

14、码和交织充分发挥信道编码和交织技术技术 平均话音质量得以提高平均话音质量得以提高图图5 跳频网络中的干扰跳频网络中的干扰GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础跳频的原理跳频的原理 跳频技术由来已久，首先用于军事方面，其目的是保密。在跳频技术由来已久，首先用于军事方面，其目的是保密。在GSM中有两种方法实现跳频，即基带跳频和射频跳频。中有两种方法实现跳频，即基带跳频和射频跳频。 基带跳频的原理是将话音数字信号随时间的变换使用不同频率基带跳频的原理是将话音数字信号随时间的变换使用不同频率的发射机发射。原理如图的发射机发射。原理如图6

15、所示。所示。GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础频率时间f4f3f2f1T1 T2T6 T7 T8 T9 T10图图6 基带跳频的原理基带跳频的原理跳频的原理跳频的原理 T3 T4 T5GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础跳频的原理跳频的原理调制调制信道编码与交织信道编码与交织语音数字化及编码语音数字化及编码f1f2f3f4f1信息通过不断跳跃的频率被传输信息通过不断跳跃的频率被传输图图7 跳频信号的发射跳频信号的发射GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行

16、与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础基带跳频的原理是将话音数字信号随时间的变基带跳频的原理是将话音数字信号随时间的变换使用不同频率的发射机发射，原理如下图换使用不同频率的发射机发射，原理如下图8示。示。基带跳频的实现框图基带跳频的实现框图TRX1基带信号f3f2f1TRX2TRX3发射器时隙交换图图8 基带跳频的实现原理基带跳频的实现原理GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础 射频跳频的原理是将话音数字信号用固定的发射机，由跳频射频跳频的原理是将话音数字信号用固定的发射机，由跳频序列控制，采用不同频率发

17、射序列控制，采用不同频率发射。原理如图原理如图9所示。广播信道不允许所示。广播信道不允许跳频！跳频！（跳频：F1-Fn）图图9 射频跳频的原理射频跳频的原理跳频的原理跳频的原理TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS8TS9TS10BCCH固定频率F0GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础射频跳频的实现框图射频跳频的实现框图 射频跳频比基带跳频具有更高的性能改善和抗同射频跳频比基带跳频具有更高的性能改善和抗同频干扰能力，但只有每个小区拥有频干扰能力，但只有每个小区拥有4个频率以上时效果个频率以上时效果才比较明显。下图才比较

18、明显。下图10为实现框图。为实现框图。射频调制频率合成器TDMA帧处理器射频调制TDMA帧处理器频率合成器1频率合成器n发射机TRX1TRX2f0f1-fn图图10 射频跳频的实现原理射频跳频的实现原理GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础比较两种跳频技术比较两种跳频技术（1）射频跳频比基带跳频有更高的性能改善和抗同频干扰能力。）射频跳频比基带跳频有更高的性能改善和抗同频干扰能力。（2）基带跳频实现简单，发射机的频率固定，但对每个小区的）基带跳频实现简单，发射机的频率固定，但对每个小区的载频数有要求，不能小于载频数有要求，不能小

19、于4个载频。个载频。（3）射频跳频的发射机频率由跳频序列控制而改变，小区只需）射频跳频的发射机频率由跳频序列控制而改变，小区只需要有要有2个载频即可实现，但射频跳频损耗大，对基站覆盖范围有个载频即可实现，但射频跳频损耗大，对基站覆盖范围有影响。影响。 因此，综上所述现阶段跳频技术比较成熟，而射频跳频具有因此，综上所述现阶段跳频技术比较成熟，而射频跳频具有很多优势，所以大部分采用射频跳频。很多优势，所以大部分采用射频跳频。GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础任务4 GSM空中接口关键技术 内容内容1: 时间提前量时间提前量内容内

20、容2: 跳频技术跳频技术内容内容3: 不连续发送不连续发送DTX内容内容4：功率控制技术：功率控制技术学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础不连续发送不连续发送DTX 不连续发送不连续发送DTX（Discontinuous Transmission ）。在一）。在一个正常的通话中，主叫和被叫存在谈话和沉默两种状态，听对个正常的通话中，主叫和被叫存在谈话和沉默两种状态，听对方讲话的时间大约占一半。如果没有话音进入麦克风，也就没方讲话的时间大约占一半。如果没有话音进入麦克风

21、，也就没有信息在无线信道上发送。不连续发送是仅在检测到通信中有有信息在无线信道上发送。不连续发送是仅在检测到通信中有话音时才发射。所以利用语音编码器检测到话音间隙后，在间话音时才发射。所以利用语音编码器检测到话音间隙后，在间隙期不发送，这就是所谓的不连续发送。通话时进行隙期不发送，这就是所谓的不连续发送。通话时进行13Kb/s编编码，停顿期用码，停顿期用500b/s编码发送舒适的噪声编码发送舒适的噪声 ，如图，如图11所示。所示。GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础不连续发送不连续发送DTX GSM系统中采用系统中采用DTX方

22、式，并不是在语音间隙简单地关闭发方式，并不是在语音间隙简单地关闭发射机，而是要求在发射机关闭之前，必须把发端背景噪声的参射机，而是要求在发射机关闭之前，必须把发端背景噪声的参数传送给收端，收端利用这些参数合成与发端相似的噪声（通数传送给收端，收端利用这些参数合成与发端相似的噪声（通常称为常称为“舒适噪声舒适噪声”）。）。 TRAU BTSBTS MS舒适噪声帧话音帧480 ms图图11 DTX方式话音帧的传输方式话音帧的传输GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础不连续发送不连续发送DTXDTX基本原理如图基本原理如图12所示：所

23、示： 语音活动检测语音编码器舒适噪声估计发射信道语音输入语音活动检测语音编码器舒适噪声估计发射信道语音输入语音活动检测语音活动检测语音编码器语音编码器舒适噪声估计舒适噪声估计发射发射发射信道信道语音输入语音输入图图12 DTX原理图原理图GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础不连续发送不连续发送DTX不连续发送不连续发送DTX的优点：的优点： 1）降低空中总的干扰电平）降低空中总的干扰电平 2）节约发射机的功耗）节约发射机的功耗 不连续发送不连续发送DTX的缺点：的缺点： 当通信双方都是当通信双方都是GSM的移动用户时，如果系统

24、上下行都采用的移动用户时，如果系统上下行都采用DTX功能，那么语音质量会受到一定的影响。功能，那么语音质量会受到一定的影响。 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础任务4 GSM空中接口关键技术 内容内容1: 时间提前量时间提前量内容内容2: 跳频技术跳频技术内容内容3: 不连续发送不连续发送DTX内容内容4：功率控制技术：功率控制技术学习情境一学习情境一 夯实夯实GSMGSM理论基础理论基础 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础概念：概念：功控即功率控制，就是

25、根据需要调整基站与手机的发射功率。目的：目的：在保证足够好的通话质量的情况下，降低发射功率，从而降低网络的干扰、减少功耗。 功控是什么？功控是什么？为什么要功控？为什么要功控？功率控制技术GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础功率控制技术功率控制技术 所谓的功率控制，就是在无线信号发射时对手机或基站的所谓的功率控制，就是在无线信号发射时对手机或基站的实际发射功率进行控制，以尽可能降低基站或手机的发射功率实际发射功率进行控制，以尽可能降低基站或手机的发射功率，这样就能降低手机和基站的功耗以及降低整个，这样就能降低手机和基站的功耗以

26、及降低整个GSM网络干扰网络干扰。当然，功率控制的前提是要保证正在通话的信道拥有比较好。当然，功率控制的前提是要保证正在通话的信道拥有比较好的通信质量。的通信质量。 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础功控的分类：功控的分类：功率控制分为上行功率控制和下行功率控制，上下行控制独立进行。Value measured at downlink 上行功控：上行功控：调整调整MS的输出功率，的输出功率，使BTS获得稳定接收信号强度，以减小同同频道和邻频道的干扰，降低移动台功耗。 下行功控：下行功控：调整调整BTS输出功率，输出功率，使M

27、S获得稳定接收信号强度，以减小同同频道和邻频道的干扰，降低基站功耗。功率控制技术功率控制技术GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础功率控制技术功率控制技术 提供功率控制过程进行决策提供功率控制过程进行决策的原始信息是来自手机和基站的原始信息是来自手机和基站的测量数据，通过处理和分析的测量数据，通过处理和分析这些原始数据，作出相应的控这些原始数据，作出相应的控制决策。和切换控制过程类似制决策。和切换控制过程类似，一般来说，整个功率控制过，一般来说，整个功率控制过程程,如图如图13所示所示 。测量数据保存测量数据保存测量数据平均处理

28、测量数据平均处理功率控制决策功率控制决策功率控制命令发送功率控制命令发送测量数据修正测量数据修正图图13 功率控制过程功率控制过程GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础功率控制技术功率控制技术 功率控制的速度最快是功率控制的速度最快是480 ms一次，也就是说，一个完整一次，也就是说，一个完整功率控制过程最快是功率控制过程最快是480 ms被执行一次。被执行一次。 功率控制过程的控制幅度都是固定的，一般取值是功率控制过程的控制幅度都是固定的，一般取值是2 dB或或4 dB，然而，在很多实际的情况下，固定的功率控制幅度并不能，然而

29、，在很多实际的情况下，固定的功率控制幅度并不能达到最优的效果。达到最优的效果。 GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GSMGSM理论基础理论基础功率控制技术功率控制技术 当当MS在离基站很近的地方发起呼叫，它使用的初始发射功率在离基站很近的地方发起呼叫，它使用的初始发射功率是小区是小区BCCH信道上广播的系统消息中手机最大发射功率，很明信道上广播的系统消息中手机最大发射功率，很明显，这时由于手机离基站的天线非常近，功率控制过程应该尽可显，这时由于手机离基站的天线非常近，功率控制过程应该尽可能快地将它的发射功率降下去。然而，每次只能命令手机降能快地将它的发

30、射功率降下去。然而，每次只能命令手机降2 dB或或4 dB，加上每两次功率控制之间会有一定的间隔，因此，要将，加上每两次功率控制之间会有一定的间隔，因此，要将手机发射功率降到合理的值，会经历一段比较长的时间，下行方手机发射功率降到合理的值，会经历一段比较长的时间，下行方向也是一样的。这对降低整个向也是一样的。这对降低整个GSM网络的干扰情况明显不利，要网络的干扰情况明显不利，要改善这一点，就是加大每次功率控制的幅度，这就是快速功率控改善这一点，就是加大每次功率控制的幅度，这就是快速功率控制的核心思想。制的核心思想。GSMGSM基站系统运行与维护基站系统运行与维护学习情境一夯实学习情境一夯实GS

31、MGSM理论基础理论基础功率控制技术功率控制技术 快速功率控制过程能够根据实际的信号强度和信号质量情况快速功率控制过程能够根据实际的信号强度和信号质量情况，判断出应该使用的功率控制幅度，不再局限于一个固定的幅度，判断出应该使用的功率控制幅度，不再局限于一个固定的幅度，这样就可以轻易解决手机初始接入时功率的控制问题。当然，这样就可以轻易解决手机初始接入时功率的控制问题。当然，它的作用也不仅仅局限于这种情况，还有很多，比如快速移动的它的作用也不仅仅局限于这种情况，还有很多，比如快速移动的手机、突然出现的干扰或障碍等等，只要出现需要进行大幅度功手机、突然出现的干扰或障碍等等，只要出现需要进行大幅度功率控制的