第7章 时分多址

1、$第第7 7章章 时分多址时分多址(TDMA) (TDMA) 数字蜂窝网数字蜂窝网7.1 GSM系统总体 7.2 GSM系统的无线接口 $7.1 GSM系统总体GSM网络接口 一、一、GSMGSM网络接口网络接口 GSM系统各部分之间的接口如右图所示。(1) 主要接口。GSM系统的主要接口是指A接口、 Abis接口和Um接口。这三种主要接口的定义和标准化可保证不同厂家生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能够纳入同一个GSM移动通信网运行和使用。A接口。 A接口定义为网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口。 Abis接口。 Abis接口定义为基站子系统的基站控制器(BSC)

2、与基站收发信机两个功能实体之间的通信接口，用于BTS(不与BSC放在一处)与BSC之间的远端互连方式。$GSM系统总体GSM网络接口 Um接口(空中接口)。 Um接口(空中接口)定义为移动台(MS)与基站收发信机(BTS)之间的无线通信接口， 它是GSM系统中最重要、 最复杂的接口。(2) 网络子系统内部接口。它包括B、C、D、E、F、G接口。 B接口，B接口定义为移动交换中心(MSC)与访问位置寄存器(VLR)之间的内部接口， 用于MSC向VLR询问有关移动台(MS)当前位置信息或者通知VLR有关MS的位置更新信息等。 C接口。C接口定义为MSC与HLR之间的接口，用于传递路由选择和管理信息

3、，两者之间是采用标准的2.048 Mb/s PCM数字传输链路实现的。$GSM系统总体GSM网络接口 D接口。 D接口定义为HLR与VLR之间的接口， 用于交换移动台位置和用户管理的信息， 保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼叫。 由于VLR综合于MSC中， 因此D接口的物理链路与C接口相同。 E接口。E接口为相邻区域的不同移动交换中心之间的接口，用于移动台从一个MSC控制区到另一个MSC控制区时交换有关信息，以完成越区切换。 F接口。F接口定义为MSC与移动设备识别寄存器(EIR)之间的接口，用于交换相关的管理信息。 G接口。G接口定义为两个VLR之间的接口。$GSM的区域、号码、地址与识

4、别(3) GSM系统与其它公用电信网接口。GSM系统通过MSC与公用电信网互连， 一般采用 7 号信令系统接口。 其物理链接方式是通过在MSC与 PSTN或ISDN交换机之间采用 2.048 Mb/s 的PCM数字传输链路来实现的。二、二、GSM的区域、号码、地址与识别的区域、号码、地址与识别 1. 区域定义 GSM系统属于小区制大容量移动通信网，在它的服务区内设置有很多基站，移动通信网在此服务区内，具有控制、 交换功能，以实现位置更新、呼叫接续、越区切换及漫游服务等功能。 在由GSM系统组成的移动通信网络结构中，其相应的区域定义如右图所示，GSM的区域定义图。$GSM的区域、号码、地址与识别

5、(1) GSM服务区。 服务区是指移动台可获得服务的区域，即不同通信网(如PSTN或ISDN)用户无需知道移动台的实际位置而可与之通信的区域。(2) 公用陆地移动通信网(PLMN)。 一个公用陆地移动通信网(PLMN)可由一个或若干个移动交换中心组成。PLMN与各种固定通信网之间的接口是MSC，由MSC完成呼叫接续。(3) MSC区。MSC区系指一个移动交换中心所控制的区域，通常它连接一个或若干个基站控制器，每个基站控制器控制多个基站收发信机。从地理位置来看，MSC区包含许多个位置区。$GSM的区域、号码、地址与识别(4) 位置区。位置区一般由若干个小区(或基站区)组成，移动台在位置区内移动无

6、需进行位置更新。通常呼叫移动台时，向一个位置区内的所有基站同时发寻呼信号。(5) 基站区。 基站区系指基站收发信机有效的无线覆盖区，简称小区。(6) 扇区。 当基站收发信天线采用定向天线时，基站区分为若干个扇区。采用120度定向天线，一个小区分为3个扇区，采用60度定向天线，一个小区分为6个扇区。$ 2. 号码与识别 各种号码的定义及用途如下： (1) 移动用户识别码。 在GSM系统中，每个用户均分配一个惟一的国际移动用户识别码(IMSI)。此码在所有位置(包括在漫游区)都是有效的。通常在呼叫建立和位置更新时，需要使用IMSI。 IMSI的组成如图所示。 国际移动用户识别码(IMSI)的格式：

7、 IMSI的总长不超过 15 位数字，每位数字仅使用 09 的数字。 图中： MCC: 移动用户所属国家代号，占3 位数字，中国的MCC规定为 460。 MNC： 移动网号码，最多由两位数字组成， 用于识别移动用户所归属的移动通信网。 MSIN: 移动用户识别码，用以识别某一移动通信网(PLMN)中的移动用户。 由MNC和MSIN两部分组成国内移动用户识别码(NMSI)。$GSM的区域、号码、地址与识别(2) 临时移动用户识别码。 考虑到移动用户识别码的安全性， GSM系统能提供安全保密措施， 即空中接口无线传输的识别码采用临时移动用户识别码(TMSI)代替IMSI。 两者之间可按一定的算法互

8、相转换。 访问位置寄存器(VLR)可给来访的移动用户分配一个TMSI(只限于在该访问服务区使用)。(3) 国际移动设备识别码。 国际移动设备识别码(IMEI)是区别移动台设备的标志，可用于监控被窃或无效的移动设备。 国际移动设备识别码(IMEI)的格式： IMEI的格式如图所示。图中： TAC: 型号批准码，由欧洲型号标准中心分配。 FAC: 装配厂家号码。 SNR: 产品序号，用于区别同一个TAC和FAC中的每台移动设备。 SP: 备用。$GSM的区域、号码、地址与识别(4) 移动台的号码。 移动台的号码类似于PSTN中的电话号码，是在呼叫接续时所需拨的号码， 其编号规则应与各国的编号规则相

9、一致。移动台的号码有下列两种： 移动台国际ISDN号码(MSISDN)。 MSISDN为呼叫GSM系统中的某个移动用户所需拨的号码。一个移动台可分配一个或几个MSISDN号码，其组成格式如图所示。 移动台国际ISDN的格式：图中： CC: 国家代号， 即移动台注册登记的国家代号， 中国为 86。 NDC: 国内地区码， 每个PLMN有一个NDC。 SN: 移动用户号码。 由NDC和SN两部分组成国内ISDN号码， 其长度不超过 13 位数。 国际ISDN号码长度不超过 15 位数字。$GSM的区域、号码、地址与识别 移动台漫游号码(MSRN)。 当移动台漫游到一个新的服务区时， 由VLR给它分

10、配一个临时性的漫游号码， 并通知该移动台的HLR， 用于建立通信路由。 一旦该移动台离开该服务区， 此漫游号码即被收回， 并可分配给其它来访的移动台使用。 漫游号码的组成格式与移动台国际(或国内)ISDN号码相同。(5) 位置区和基站的识别码。 位置区识别码(LAI)。 在检测位置更新和信道切换时， 要使用位置区识别码(LAI)。 LAI的组成格式如图所示。图中的MCC和MNC均与IMSI的相同。位置区码LAC用于识别GSM移动通信网中的一个位置区，最多不超过两个字节，采用十六进制编码，由各运营部门自定。在LAI后面加上小区的标志号CI，可以组成小区识别码。 位置区识别码的格式： 基站识别色码

11、(BSIC)。 基站识别色码(BSIC)用于移动台识别相同载频的不同基站，特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载频且相邻的基站。 BSIC为一个 6 比特编码，其格式如图所示。 基站识别色码(BSIC)的格式：$主要业务 NCC: PLMN色码， 用来识别相邻的PLMN网。 BCC： BTS色码， 用来识别相同载频的不同的基站。三、主要业务三、主要业务1. 通信业务分类 GSM系统能提供6类10种电信业务，其编号、名称、业务类型及实现阶段见表。$主要业务2. 业务定义 (1) 电话业务。电话业务是GSM系统提供的最主要业务。 (2) 紧急呼叫业务。在紧急情况下, 移动用户通过一种简单的拨号

12、方式即可拨通紧急服务中心。 (3) 短消息业务。短消息业务包括移动台之间点对点短消息业务以及小区广播短消息业务。 (4) 可视图文接入。 可视图文接入是一种通过网络完成文本、 图形信息检索和电子函件功能的业务。 (5) 智能用户电报传送。 智能用户电报传送能够提供智能用户电报终端间的文本通信业务。 此类终端具有文本信息的编辑、 存储和处理等能力。 (6) 传真。 语言和3类传真交替传送的业务。 $7.2 GSM系统的无线接口一、一、GSMGSM系统无线传输特征系统无线传输特征 表中给出了GSM系统的主要参数，为便于比较，表中还列出了另外两种时分多址数字蜂窝网的对应参数。 表 GSM等三种数字蜂

13、窝网主要参数$7.2 GSM系统的无线接口1. TDMA/FDMA接入方式 GSM系统中，由若干个小区(3 个、 4 个或 7 个)构成一个区群，区群内不能使用相同的频道，同频道距离保持相等，每个小区含有多个载频，每个载频上含有 8 个时隙，即每个载频有 8 个物理信道，因此，GSM系统是时分多址/频分多址的接入方式，参见图所示。 TDMA/FDMA接入方式：$7.2 GSM系统的无线接口2. 频率与频道序号 GSM系统工作在以下射频频段： 上行(移动台发、 基站收) 890915 MHz 下行(基站发、 移动台收) 935960 MHz 收、 发频率间隔为 45 MHz。 移动台采用较低频段

14、发射，传播损耗较低， 有利于补偿上、 下行功率不平衡的问题。 由于载频间隔是 0.2 MHz，因此GSM系统整个工作频段分为 124 对载频，其频道序号用n表示，则上、 下两频段中序号为n的载频可用下式计算： 下频段 fl(n)=(890+0.2 n) MHz 上频段 fh(n)=(935+0.2 n) MHz 其中n为1-124 $7.2 GSM系统的无线接口3. 调制方式 GSM的调制方式是高斯型最小移频键控(GMSK)方式， 矩形脉冲在调制器之前先通过一个高斯滤波器。 这一调制方案由于改善了频谱特性， 从而能满足CCIR提出的邻信道功率电平小于-60 dBW的要求。 高斯滤波器的归一化带

15、宽 Bt=0.3， 基于200 kHz的载频间隔及 270.833 kb/s的信道传输速率， 其频谱利用率为(1.35 b/s)/Hz。4. 载频复用与区群结构 GSM系统中， 基站发射功率为500 W每载波， 每时隙平均为 500/8=62.5 W。 移动台发射功率分为 0.8 W、 2 W、 5 W、 8 W和20 W五种， 可供用户选择。 小区覆盖半径最大为 35 km， 最小为 500 m， 前者适用于农村地区， 后者适用于市区。系统采用多种抗干扰措施，同频道射频防护比可降到9db,在业务密集区，可采用3小区9扇区的区群结构。二、信道类型及其组合二、信道类型及其组合1. 帧结构 每一个

16、TDMA帧分 07 共 8 个时隙， 帧长度为 120/264.615 ms。 每个时隙含 156.25 个码元， 占 15/260.577 ms。$7.2 GSM系统的无线接口 图中给出了GSM系统各种帧及时隙的格式。$7.2 GSM系统的无线接口 由若干个TDMA帧构成复帧， 其结构有两种： 一种是由 26 帧组成的复帧， 这种复帧长 120 ms， 主要用于业务信息的传输， 也称作业务复帧； 另一种是由 51 帧组成的复帧， 这种复帧长 235.385 ms， 专用于传输控制信息， 也称作控制复帧。 由 51 个业务复帧或 26 个控制复帧均可组成一个超帧，超帧的周期为 1326 个TD

17、MA帧，超帧长 51264.61510-36.12 s。 由 2048 个超帧组成超高帧，超高帧的周期为 20481326=2 715 648 个TDMA 帧，即 12 533.76 秒， 也即 3 小时 28 分 53 秒 760 毫秒。 帧的编号(FN)以超高帧为周期，从 0 到 2 715 647。 GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同， 但上行帧相对于下行帧来说，在时间上推后3个时隙，见图。 这样安排， 允许移动台在这3个时隙的时间内进行帧调整以及对收发信机进行调谐和转换。上行帧号和下行帧号所对应的时间关系如右图： $7.2 GSM系统的无线接口2. 信道分类 (1)

18、业务信道。 业务信道TCH主要传输数字话音或数据， 其次还有少量的随路控制信令。 话音业务信道。 载有编码话音的业务信道分为全速率话音业务信道(TCH/FS)和半速率话音业务信道(TCH/HS)， 两者的总速率分别为 22.8 kb/s和11.4 kb/s。 数据业务信道。在全速率或半速率信道上， 通过不同的速率适配和信道编码，用户可使用下列各种不同的数据业务： 9.6 kb/s, 全速率数据业务信道 (TCH/F9.6) 4.8 kb/s, 全速率数据业务信道 (TCH/F4.8) 4.8 kb/s, 半速率数据业务信道 (TCH/H4.8) 2.4 kb/s, 全速率数据业务信道 (TCH

19、/F2.4) 2.4 kb/s, 半速率数据业务信道 (TCH/H2.4)$7.2 GSM系统的无线接口(2) 控制信道。 控制信道(CCH)用于传送信令和同步信号， 主要分为三种： 广播信道(BCH)、 公共控制信道(CCCH)和专用控制信道(DCCH)。 广播信道(BCH)。 广播信道是一种“一点对多点”的单方向控制信道， 用于基站向移动台广播公用的信息， 传输的内容主要是移动台入网和呼叫建立所需要的有关信息。 广播信道又分为：l 频率校正信道(FCCH)： 传输供移动台校正其工作频率的信息；l 同步信道(SCH)： 传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息， 因为基站识别码是在同步信道

20、上传输的；l 广播控制信道(BCCH)： 传输系统公用控制信息，例如公共控制信道(CCCH)号码以及是否与独立专用控制信道(SDCCH)相组合等信息。 公用控制信道(CCCH)。 CCCH是一种双向控制信道， 用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。 公用控制信道又分为：l 寻呼信道(PCH)： 传输基站寻呼移动台的信息；l 随机接入信道(RACH)： 这是一个上行信道， 用于移动台随机提出入网申请， 即请求分配一个独立专用控制信道(SDCCH)；$7.2 GSM系统的无线接口l 准许接入信道(AGCH)： 这是一个下行信道， 用于基站对移动台的入网申请作出应答， 即分配一个独立专用控制

21、信道。 专用控制信道(DCCH)： 这是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。专用控制信道又分为：l 独立专用控制信道(SDCCH)： 用于在分配业务信道之前传送有关信令。 l 慢速辅助控制信道(SACCH)： 在移动台和基站之间， 需要周期性地传输一些信息。 l 快速辅助控制信道(FACCH)： 传送与SDCCH相同的信息，只有在没有分配SDCCH的情况下， 才使用这种控制信道。$7.2 GSM系统的无线接口GSM系统的信道分类总图：3. 时隙的格式 在GSM系统中， 每帧含 8 个时隙， 时隙的宽度为 0.577 ms

22、， 其中包含156.25 bit。 TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。 根据所传信息的不同， 时隙所含的具体内容及其组成的格式也不相同。$7.2 GSM系统的无线接口(1) 常规突发(NB, Normal Burst)脉冲序列。 常规突发脉冲序列亦称普通突发脉冲序列， 用于业务信道及专用控制信道， 其组成格式如下图所示。(2) 频率校正突发(FB, Frequency Correction Burst)脉冲序列。频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率， 其格式比较简单，参见下图所示。(3) 同步突发(SB，Synchronisation Burst)脉冲序列。同步突发脉

23、冲序列用于移动台的时间同步。其格式参见下图，主要组成包括 64 bit的同步信号(扩展的训练序列)，以及两段各 39 bit的数据，用于传输TDMA帧号和基站识别码(BSIC)。$(4) 接入突发(AB, Access Burst)脉冲序列。 接入突发脉冲序列用于上行传输方向， 在随机接入信道(RACH)上传送， 用于移动用户向基站提出入网申请。接入突发脉冲序列的格式如下图所示。 接入突发脉冲序列的格式：4. 信道的组合 (1) 业务信道的组合方式。 业务信道有全速率和半速率之分， 下面只考虑全速率情况。 业务信道的复帧含 26 个TDMA 帧， 其组成的格式和物理信道(一个时隙)的映射关系如

24、图下图所示。业务信道的组合方式：7.2 GSM系统的无线接口$7.2 GSM系统的无线接口 图中给出了时隙 2(即TS2)构成一个业务信道的复帧， 共占 26 个TDMA帧， 其中 24 帧T(即TCH), 用于传输业务信息； 1 帧A， 代表随路的慢速辅助控制信道(SACCH), 传输慢速辅助信道的信息(例如功率调整的信令)； 还有1帧I为空闲帧(半速率传输业务信息时， 此帧也用于传输SACCH的信息)。(2) 控制信道的组合方式。 控制信道的复帧含 51 帧， 其组合方式类型较多， 而且上行传输和下行传输的组合方式也不相同。 BCH和CCCH在TS0上的复用。广播信道(BCH)和公用控制信

25、道(CCCH)在主载频(C0)的TS0上的复用(下行链路)如下图所示。 其中： F(FCCH): 用于移动台校正频率； S(SCH): 移动台据此读TDMA帧号和基站识别码BSIC； B(BCCH)： 移动台据此读有关小区的通用信息； I(IDEL): 空闲帧。$7.2 GSM系统的无线接口 对于上行链路而言：TS0只用于移动台的接入，即51个TDMA帧均用于随机接入信道（RACH），其映射关系如图：TS0上RACH的复用： SDCCH和SACCH在TS1上的复用。 主载频C0上的TS1 可用于独立专用控制信道和慢速辅助控制信道。 下行链路C0上的TS1的映射如图所示。下行链路占用 102 个TS1， 从时间长度上讲是 102 个TDMA帧。SDCCH和SACCH(下行)在TS1上的复用：$7.2 GSM系统的无线接口 公用控制信道和专用控制信道均在TS0上的复用。 在小容量地区或建站初期，小区可能仅有一套收发单元， 这意味着只有 8 个TS(物理信道)。 TS1TS7均用于业务信道，此时TS0既用于公用控制信道(包括BCH、 CCCH)， 又用于专用控制信道(SDCCH、 SACCH)， 其组成格式如图所示。 TS0上控制信道综合复用：$7.2 GSM系统的无线接口三、话音和信道编码三、话音和信道编码 数字化话音信号在无线传输时