移动通信(第四章)

1、第四章 GSM移动通信系统v学习要点 掌握GSM系统的主要参数 了解GSM系统的特点 掌握GSM系统的网络结构和各部分网络组件的 主要功能 了解GSM系统的主要接口及其协议 掌握GSM系统的多址方式和帧结构 掌握GSM系统的信道功能及其组合方式 掌握GSM系统的抗干扰技术、切换技术、鉴权和 加密技术 掌握GSM系统的呼叫流程第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的发展历史1988年欧洲18个国家联合颁布了GSM标准1991年在欧洲开通了第一个系统，同年完成了DCS1800系统规范1992年大多数欧洲GSM运营商开始商用业务1993年，欧洲第一个DCS1800系统投入运营1995年，完成了190

2、0MHz频段的PCS1900移动电信业务规范我国1992年GSM网络试运行，随后中国移动、中国联通开通GSM商用网，2000年中国移动在全国开通GPRS系统。第四章 GSM移动通信系统vGSM系统概述 GSM系统基本特点：使用标准化接口规范保证GSM系统各分系统之间或各分系统与公共网之间的互联互通提供穿越国际边界的自动漫游功能提供多种业务，处语音业务外，还开放各种承载业务、补充业务和与ISDN相关的业务具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全具有灵活方便的组网结构，满足大容量、高密度业务要求抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高终端设备可向小型化、多能型发展第四章 GSM移动通信系统vGSM

3、系统概述 GSM系统的主要参数： 工作频段：800MHz、900MHZ、1800MHz、1900MHz频段 多址方式：TDMA/FDMA；双工方式：频分双工（FDD） 载波间隔：200kHz；信道分配：每载波8个时隙 信道总速率：270.83kb/s 调制方式：GMSK(高斯最小频移键控)，调制指数BT=0.3 话音编码：RPE-LPT 13kb/s规则脉冲激励线性预测编码 数据速率：9.6kb/s 抗干扰技术：跳频技术 217跳/s、分集接收技术、 信道编码技术、 均衡技术 小区结构：在农村地区可采用宏小区，小区半径可达35km； 城市地区小区半径一般为10-20km；市中心等业 务密集地区

4、可采用微小区，半径0.5km。第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成 GSM系统由四个子系统组成 移动台(MS: mobile station) 基站子系统(BSS: base station subsystem) 网络交换子系统(NSS: network switching subsystem) 操作维护子系统(OMS: operation & maintenance subsystem) 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成BTSMSMSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCOMCEIRMSCMSCAUCVLRHLRPDNPSTNISDN基站子系统移动台网络交换子系统

5、公共网第四章 GSM移动通信系统vGSM网络组件)()()OMS()EC()()()()()()()()()()BTS()()()()(NMCOMCIWFAUCEIRVLRHLRMSCNSSXCDRBSCBSSSIMMEMSGSM网络管理中心操作维护中心操作维护系统回声消除器互通功能鉴权中心设备识别寄存器访问位置寄存器归属位置寄存器移动交换中心网络交换子系统变码器基站控制器基站收发信机基站子系统用户识别模块移动设备移动台系统构成第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-MS 移动台子系统有移动设备和用户识别模块两部分 移动设备(ME)可分为车载台、手提式和手机 车载台：安装在交通工具里，天线

6、安装在交通工具 的外面。最大发射功率8W ； 手提式：操作时这种设备可以手持，但天线并不与 其手持机连接。最大发射功率5W； 手机： 小型手持电话。天线与手持机连在一起。 最大发射功率2W第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-MS 用户识别模块(SIM) 存储用户信息 移动台国际综合业务数字网号码(MSISDN) 国际移动用户识别码(IMSI) 用户鉴权键(Ki) 临时移动用户识别码(TMSI) 位置区域识别码(LAI) 存储应用程序 运营商开通的一些服务程序 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-BSS 基站子系统(BSS)功能：无线资源的管理和控制与NSS共同完成呼叫处理功能组

7、件：基站控制器(BSC)基站收发信机(BTS)变码器(XCDR)第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-BSS 基站收发信机(BTS)功能： 无线与有线介质的转换 有限的无线资源控制 无线相关功能的实施者控制能力： 可支持1个小区或多个扇区化小区 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-BSS 基站控制器(BSC)控制功能： 无线资源的控制和管理呼叫处理功能： 传递BTS和MSC的业务和信令 连接地面链路和空中接口信道 对所辖范围内的MS执行切换控制 控制能力： 只能和一个MSC相连 可至少控制一个BTS第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-BSS 变码器(XCDR)功能： 完成

8、空中编码和陆地网络编码的转换 PCM与RPE-LTP之间的转换 64Kbps的PCM与16Kbps的RPE-LTP 之间的转换第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-NSS功能：处理GSM网络内及其它网络间的通信功能组件：移动交换中心(MSC)归属位置寄存器(HLR)访问位置寄存器(VLR)设备识别寄存器(EIR)鉴权中心(AUC)互通功能(IWF)回声消除器(EC)第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-NSS 移动交换中心(MSC)交换：信道的管理和分配互通功能移动性管理：呼叫的处理和控制越区切换和漫游的控制用户位置信息的登记和管理用户号码和移动设备号码的登记和管理服务类型的控制

9、对用户实施鉴权计费第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-NSS 归属位置寄存器 (HLR)功能：与VLR共同完成移动性管理内容：存贮本地用户信息的数据库 永久性参数 用户号码预定的附加业务附加的业务信息鉴权键和鉴权功能 暂时性参数：用户状态(已登记/已取消登记)当前用户VLR(当前位置)移动台漫游号码(MSRN)第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-NSS 访问位置寄存器 (VLR)功能：与HLR共同完成移动性管理内容：存储访问用户信息的数据库 移动台状态 位置区域识别码(LAI) 临时移动用户识别码(TMSI) 移动台漫游码(MSRN)第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-

10、NSS 设备识别寄存器(EIR) 功能：用于移动设备的鉴权 内容：存储移动设备参数的数据库第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-NSS 鉴权中心(AUC) 功能：用于移动用户的鉴权 与 HLR一般处于同一位置第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-NSS 互通功能(IWF) 功能：提供与其他数据网络的连接数据速率的匹配协议的匹配第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-NSS 回声消除器(EC) 用于消除移动网络和固定网络通话时，移 动网络的回声第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-OMS操作维护中心(OMC) (区域性管理) 每个网络多个OMC 区域性网络管理用于日常操作供

11、网络操作员使用网络管理中心(NMC) (全局性管理)每个网络一个NMC全局性网络管理用于长期性规划供网络管理者和规划者使用24小时监视第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-OMS 网络管理中心(NMC) 功能：监视网络节点监视GSM网络单元的统计数据监视OMC地区并向OMC操作员提供信息使整个网络的长期性规划得以进行第四章 GSM移动通信系统vGSM系统组成-OMS 操作与维护中心(OMC)功能：配置管理事件/告警管理保密管理故障管理性能管理 分类：OMC-R 专门控制基站系统OMC-S 专门控制网络交换系统第四章 GSM移动通信系统v接口和接口协议MSMSCEIRHLRVLRVLRMS

12、CBSSSmUmAbisABECFDG第四章 GSM移动通信系统v接口和接口协议 Um接口规定信道结构和接入能力定义MS-BS通信协议完成呼叫控制处理实现移动性、安全管理完成功率控制等业务功能第四章 GSM移动通信系统v接口和接口协议 A接口地面信道功能地面信道分配、地面信道阻塞、测试呼叫无线信道管理信道配置管理无线业务信道管理：无线信道指配、无线业务信道监视、跳频管理、空闲无线业务监视、业务信道功率控制、业务信道释放、广播、公共控制信道管理：随机接入、寻呼消息专用信道管理：链路监视、信道释放、功率控制、无线信道指配第四章 GSM移动通信系统v接口和接口协议 A接口资源指示：BSS向MSC汇报

13、空闲无线信道状态信道编码解码码型转换/速率适配互通功能：对其他网络数据呼叫的互通功能由MSC完成测量信息：空中链路、业务流量测试，MS报告，BSS接收 和预处理，传送给MSC处理。切换：小区内、小区间、外部切换移动管理：由MSC/HLR/VLR和MS共同完成呼叫控制：由MSC/VLR/HLR完成安全特性：用户数据密钥管理、用户识别、信令信息保密、用户鉴权第四章 GSM移动通信系统v接口和接口协议 其他接口 接口名称 对应实体Abis接口 BTS-BSCMAP/B接口 MSC-VLRMAP/C接口 MSC-HLRMAP/D接口 HLR-VLRMAP/E接口 MSC-MSCMAP/F接口 MSC-

14、EIRMAP/G接口 VLR-VLR 第四章 GSM移动通信系统v接口和接口协议第四章 GSM移动通信系统v接口和接口协议第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的多址方式：TDMA-FDMA-FDD制式工作频段 GSM900：上行 890-915MHz 下行 935-960MHz 双工间隔45MHz 频分带宽200kHz 124个ARFCN EGSM900：上行880-915MHz 下行 925-960MHz 双工间隔45MHz 频分带宽200kHz 174个ARFCN DCS1800：上行1710-1785MHz 下行 1805-1880MHz 双工间隔95MHz 频分带宽200kHz 37

15、4个ARFCN PCS1900：上行1850-1910MHz 下行 1930-1990MH 双工间隔80MHz 频分带宽200kHz 299个ARFCN第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的多址方式：TDMA-FDMA-FDD制式工作频段 绝对射频信道号(ARFCN)是指将GSM系统的上行或下行工作频段按200kHz进行划分编号, 用这些编号来标识某个绝对的射频信道(ARFC)，即标识一个载波或频点。 GSM900MHz频段为: fl(n)=890MHz +n0.2MHz (上行） fh(n)=fl(n)+45MHz (下行)； n1，124 GSM1800MHz频段为： fl(n)=171

16、0MHz + (n-511) 0.2MHz (上行） fh(n)=fl(n)+95MHz (下行）；n512，885第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的多址方式：TDMA-FDMA-FDD制式工作频段 我国移动公司： 上行 905909MH 下行 950954MHz 还有1800网络的信道号为512-562的10MHz带宽 我国联通公司： 上行 909915MH 下行 954960MHz 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的多址方式：TDMA-FDMA-FDD制式时隙 每个载波含8个时隙，时隙宽为0.577ms。8个时隙构成一个TDMA帧，帧长4.615ms。对双工载波各用一个时隙构成

17、一个双向的物理信道，GSM900系统物理信道共有1000个，根据需要分配给不同的用户使用。移动台在特定的频率上和特定的时隙内，以促发方式向基站传输信息，基站在相应的频率和相应的时隙内，以时分复用的方式向各个移动台传输信息 。第四章 GSM移动通信系统vGSM系统调制方式 GSM系统的调制方式为高斯最小频移键控，调制指数为BT=0.3。基于200kHz的载波间隔及270.833kb/s的信道传输速率，频谱利用率为1.35b/s/Hz。根据香农信道容量公式，其只达到信道容量的40%。第四章 GSM移动通信系统v区群结构 GSM系统中，基站发射功率为每载波500w，每时隙平均为62.5w。手机最大发

18、射功率为2w。小区覆盖半径最大为35km，最小为500m。前者适用于农村地区，后者适用于市区。GSM系统采用4/12复用模式。将射频防护比降为C/I=9 dB时，可采用3/9复用模式，用于业务密集区。第四章 GSM移动通信系统vGSM的区域与号码区域 GSM的区域有大到小分别为GSM服务区、PLMN业务区、MSC业务区、位置区、基站区和扇区。其中位置区(LA)由一个或若干个基站控制器(BSC)所辖范围组成，在位置区内移动台移动时，不需要作位置更新当寻呼移动用户时，在位置区内全部基站同时发寻呼信号。系统中，位置区由位置区识别码(LAI) 来标识。第四章 GSM移动通信系统vGSM的区域与号码GS

19、M系统的识别号码国际移动用户识别码(IMSI)临时移动用户识别码(TMSI)国际移动设备识别码(IMEI)移动台国际综合业务数字网号码 (MSISDN)移动台漫游号码(MSRN)位置区域识别码(LAI)基站识别码(BSIC) 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道概念 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)。 GSM的 空中物理信道是一个频宽200kHz，时长0.577ms的 物理实体。 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

20、物理信道上来传送。 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道帧 结 构第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道帧结构 帧编号(FN)以超高帧为周期，从0到2715647。 GSM系统上行传输所用的帧号与下行传输所用的帧号相同。但上行帧相对于下行帧在时间上推后3个时隙，这样安排允许移动台在这3个时隙内，进行帧调整以及对收发信机的调谐和转换。(因为为了简化移动台设计，移动台仅有一个收发器，从微观上看是半双工，但从一个TDMA帧的宏观层次上看在一个TDMA帧的时间内完成了收和发，即全双工)第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道业务信道TCH：话音信道 全速率话音业务信道TCH/FR(1

21、3kbps) 增强全速率话音业务信道TCH/EFR(12.2kbps) 半速率话音业务信道TCH/HR(6.5kbps) 数据信道 全速率数据业务信道TCH/9.6 半速率数据业务信道TCH/4.8 速率数据业务信道TCH/2.4第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道控制信道CCH广播控制信道（BCH） 频率校正信道（FCCH）：移动台频率校正 同步信道（SCH）：移动台的帧同步和基站识别 广播控制信道（BCCH）：发送一般消息公共控制信道（CCCH） 寻呼信道（PCH）：基站寻呼移动台 随机接入信道（RACH）：移动台随机接入网络 准予接入信道（AGCH）：给成功的接续分配专用控制信道

22、专用控制信道（DCCH） 独立专用控制信道（SDCCH）：传送移动台与基站连接及分配信道的信令 快速辅助控制信道（FACCH）：传送功率控制、测量数据等特定信息 慢速辅助控制信道（SACCH）：携带信令与FACCH相同，但速率较慢。第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道 频率校正信道(FCCH)下行的广播信道内容是全”0”在BCCH载波上频繁发射，MS依据FCCH与发射基站进行频率同步在BCCH载波的时隙0发射，是MS辨别BCCH载波时隙0的标志第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道同步信道(SCH)下行广播信道传送供移动台进行同步和识别基站的信息： 定时信息 帧号 基站识别码(B

23、SIC)第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道广播控制信道(BCCH)下行广播信道传送系统参数： 位置区识别码 移动台需要监测的的相邻小区名单 小区所使用的频率表 小区识别码 功率控制指示 接入控制参数第四章 GSM移动通信系统vMS开机搜索GSM系统的过程 1. MS扫描全部支持频段的频点(如GSM900共124个频点) 2. MS将所有频点的信号强度由强到弱排队 3. MS调谐至队列最强信号的频点，听到频率校正信道FCCH，从而确定BCCH载波时隙0所在的位置4. MS在BCCH载波时隙0继续听同步信道SCH的信息，获得载波的定时信息、帧号和基站识别码5. MS在BCCH载波的时隙0

24、继续听广播控制信道BCCH的信息，从而获得小区系统的信息，进入GSM系统。 如果当前小区的信息与MS的相关参数不能一致，则MS放弃此小区频点，MS重新调谐到次强的频点，重复第3、4、5步 如果MS非首次开机，则上次关机时存贮了当时信号最强的6个频点，MS再次开机时，首先尝试扫描存贮的6个频点，进行上述过程，如果都不符合条件，则重新按全频点扫描。第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道随机接入信道(RACH)下行公共信道移动台申请接入GSM网络时，向基站发送接入请求信息RACH发生在移动台主叫或响应呼叫等情况 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道接入允许信道(AGCH)单向的下行公共

25、信道响应在随机接入(RACH)接收的接入信息BTS利用AGCH为MS分配一个专用控制信道(SDCCH)MS将转移到专用控制信道以便建立呼叫、响应呼叫、位置更新或短消息服务等第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道寻呼信道(PCH)单向下行公共信道用于发射寻呼信息当网络寻呼MS时，可用IMSI、TMSI或IMEI执行第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道独立专用控制信道(SDCCH) 双向信道一个物理信道可以传送多条独立专用控制信道一个SDCCH是一个移动台在呼叫、鉴权、位置更新及点对点短消息时使用第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道慢速随路控制信道(SACCH) 双向信道慢速

26、随路控制信道在下行链路方向传送功率控制、定时信息和临小区列表信息慢速随路控制信道在上行链路方向传送测量报告包括：服务小区下行信号的质量、强度等 临小区的BCCH载波信号强度 临小区的BSIC第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道快速随路控制信道(FACCH)用于载送用户突发性(紧急控制)信息：如切换在业务信道上发射，发送FACCH时占用相应的TCH的资源: 可以占用全部的一个突发序列资源也可占用一半的一个突发序列资源第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道组合方式GSM逻辑信道复帧业务信道26复帧控制信道51复帧第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道组合方式业务信道26复帧结构

27、：可位于任何载波上可位于任何时隙上复帧帧长为120ms SACCH固定占用No.12帧No.25帧是空闲帧其他帧测临小区的信号强度(只有Idle帧不测) 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道组合方式控制信道51复帧结构复帧帧长235.365ms分类：复合复帧和非复合复帧第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道组合方式控制信道51复合复帧用于低容量小区BCCH group/CCCH group/DCCH group 共用一个时隙只能使用BCCH载波的时隙0BCCH载波的其他时隙用于业务信道上行和下行之间有15帧的延迟第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的信道组合方式控制信道51非复

28、合复帧用于高容量小区BCCH group/CCCH group共用BCCH载波BCCH group只能占用时隙0，CCCH group可占用0/2/4/6时隙DCCH group放在另外的载波上，可以占用任何时隙所有载波的其他时隙用于业务信道第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的突发序列突发序列的类型频率校正突发序列(FCB)同步突发序列(SB)接入突发序列(AB)标准突发序列(NB)伪突发序列(DB)第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的突发序列第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的位置更新为什么位置更新：使移动台总与网络保持联系 位置更新的分类：开机位置更新越区位置更新周期性位置更新

29、第四章 GSM移动通信系统vGSM系统位置更新首次入网位置登记 由于MS第一次被使用，所以MSC/VLR没有此MS的任何信息，若MS发现当前的LAI码与原来的不同，MS接入系统要求登记，MSC/VLR登记该MS的位置信息并将该请求往HLR记录，MSC/VLR对该MS作“附着”标记，这时这个MS被激活。第四章 GSM移动通信系统vGSM系统位置更新开机位置更新 若MS不是第一次开机，而是关机后开机的，MS接收到LAI与它SIM卡中原来存贮的LAI不一致，那么它也是立即向MSC发送” 开机位置更新请求”，MSC只需对该客户的SIM卡原来的LAI码改写成新的LAI码，并在该客户对应的IMSI作”附着

30、”标记即可；若MS关机再开机时，所接收到的LAI与它SIM卡中原来存贮的LAI相一致，那么MSC只对该客户作”附着”标记。第四章 GSM移动通信系统vGSM系统位置更新周期性位置更新 当MS向网络发送“IMSI分离”消息时，无线链路质量差，系统有可能不能正确译出信息，由于没有证实消息发送给MS，之后MS也没有再发分离信号，因此系统仍认为MS处于附着状态，为解决这一问题，系统采取了强制登记措施，要求MS每过一定周期要登记一次。 若系统没有接收到某MS的周期性登记信息。它所处的VLR就以“分离”在此MS上做标记，该程序称“隐分离”。第四章 GSM移动通信系统v移动台状态 1 1、移动台关机、移动台

31、关机 系统启动IMSI分离进程，在有关的VLR和HLR中设置标志。MS不能应答寻呼消息，网络不能达到MS。同时它也不能通知网络其所处的位置区的变化。IMSI“分离”状态。2 2、移动台开机，空闲状态、移动台开机，空闲状态 系统可以成功地寻呼MS，IMSI“附着”状态。3 3、移动台忙、移动台忙 网络分配给MS一个业务信道传送话音或数据，当MS移动时它必须有能力进行定位和切换。 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统呼叫流程移动用户呼叫固定用户 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统呼叫流程移动用户呼叫固定用户MS通过RACH要求分配信令信道SDCCHBSC分配SDCCH后，用AGCH通知MSM

32、S通过SDCCH向MSC/VLR发送呼叫建立请求。其后，所有呼叫建立前所需流程均在其上传送，包括鉴权、加密、设备识别、发送被叫号码等MSC/VLR要求BSC分配一个TCH给MS并转至BTS，由BTS告知MSMSC/VLR传送被叫号码到PSTN，根据被叫号码建立连接第四章 GSM移动通信系统vGSM系统呼叫流程固定用户呼叫移动用户第四章 GSM移动通信系统vGSM系统呼叫流程固定用户呼叫移动用户 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统呼叫流程固定用户呼叫移动用户 第四章 GSM移动通信系统vGSM系统的跳频和间断传输技术跳频技术 跳频是GSM系统抗干扰抗衰落的一种技术，它具有频率分集的作用，通过躲避的方法来抗干扰。GSM系统每TDMA帧改变一次频率，即跳频速率为1/4.615ms=21