GSM原理及其网络优化-第2章

1、GSM网络优化网络优化第2章GSM无线接口理论2.1 工作频段的分配2.1.1 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1 800MHz频段。2.1 工作频段的分配2.1.2 频道间隔相邻两频点间隔为为200kHz 。2.1.3 频道配置(1)GSM900MHz频段：f1(n)=890.2MHz+(n-1)0.2MHz(移动台发，基站收)fh(n)=f1(n)+45MHz(基站发，移动台收)；n1，1242.1 工作频段的分配(2)GSMl800MHz频段为：f1(n)=1710.2MHz+(n-512)0.2MHz(移动台发，基站收) fh(n)=f

2、1(n)+95MHz(基站发，移动台收)；n512，885在我国GSM900使用的频段为：905915MHz 上行频率950960MHz 下行频率频道号为76124，共10M带宽。2.1 工作频段的分配2.1.4 干扰保护比载波干扰比(C/I)是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。同频干扰保护比：C/I9dB。(工程中一般加3dB余量，即要求C/I12dB)邻频干扰保护比：C/A-9dB。(工程中一般加3dB余量，即要求C/A-6dB。)载波偏离400kHz的干扰保护比：C/I-41dB。2.2 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

3、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)。GSM的多址方式为TDMA+FDMA并结合跳频的方式，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。一个时隙的长度为0.577ms，每个时隙间隔包含156.25bit，GSM的调制方式为GMSK，调制速率为270.833kbit/s。2.2 时分多址技术(TDMA)2.2.1 TDMA信道的概念GSM中的信道可分为物理信道和逻辑信道。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)。逻辑信道

4、: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。并通过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。2.2 时分多址技术(TDMA)2.2.1.1 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。1)话音业务信道：TCH/FS：全速率语音信道13kbit/s；TCH/HS：半速率语音信道6.5kbit/s。2.2 时分多址技术(TDMA)2)数据业务信道：TCH/F9.6：9.6kbit/s全速率数据信道；TCH/F4.8：4.8kbit/s全速率数据信道；TCH/H4.8：4.8kbit/s半速率数据信道；TCH/H2.4：2.4

5、kbit/s半速率数据信道；TCH/F2.4：2.4kbit/s全速率数据信道。2.2 时分多址技术(TDMA)2.2.1.2 控制信道 用于携带信令或同步数据，可分为广播信道、公共控制信道和专用控制信道。1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。用于MS与BTS之间保持同步。1）频率校正信道(FCCH)2）同步信道(SCH)3）广播控制信道(BCCH)2.2 时分多址技术(TDMA)2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。下行方向有

6、： PCH、AGCH和CBCH信道；上行方向有：RACH信道。1）寻呼信道(PCH)2）接入许可信道(AGCH)3）小区广播控制信道(CBCH)4）随机接入信道(RACH)2.2 时分多址技术(TDMA)3专用控制信道 包括SDCCH、SACCH、FACCH，这些信道被用于某一个具体的MS上。1）独立专用控制信道(SDCCH)2）慢速随路控制信道(SACCH)3）快速随路控制信道(FACCH)2.2 时分多址技术(TDMA)2.2.2 TDMA帧GSM中，每一个载频被定义为一个TDMA帧。每帧包括8个时隙(TS0TS7)，并都有一个帧号，这是因为在计算加密序列的A5算法中是以TDMA帧号为一个

7、输入参数。当有了TDMA帧号后，移动台就可以判断控制信道TS0上传送的为哪一类逻辑信道了。2.2 时分多址技术(TDMA)2.2 时分多址技术(TDMA)2.2.3 突发脉冲序列(Burst)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。1）普通突发脉冲序列2）接入突发脉冲序列3）频率校正突发脉冲序列4）同步突发脉冲序列5）空闲突发脉冲序列2.2 时分多址技术(TDMA)2.2.3 突发脉冲序列(Burst)每种突发脉冲都包括以下内容：1）尾比特2）消息比特3）训

8、练序列4）保护间隔2.2 时分多址技术(TDMA)2.2.3 突发脉冲序列(Burst)1普通突发脉冲序列2.2 时分多址技术(TDMA)2接入突发脉冲序列2.2 时分多址技术(TDMA)3频率校正突发脉冲序列2.2 时分多址技术(TDMA)4同步突发脉冲序列5空闲突发脉冲序列 不携带任何信息，它的格式与普通突发脉冲序列相同，只是其中加密比特改为具有一定比特模型的混合比特。2.2 时分多址技术(TDMA)2.2.4 逻辑信道与物理信道之间的对应关系 每个小区都有若干个载频，每个载频都有8个时隙，因而我们可以定义载频数为C0、C1、Cn，时隙数为 TS0、TS1、TS7。2.2.4.1 控制信道

9、的映射2.2.4.2 业务信道的映射2.2.5 系统消息介绍(略)2.3 移动环境中的电波传播2.3.1 陆地移动通信环境的特点1.移动台的天线比较低2.移动台的移动性3.信号电平随机变化4.在城市环境中存在着波导效应5.人为噪声现象严重6.干扰现象严重2.3 移动环境中的电波传播2.3.2 信号在无线路径上的衰落 当移动台和基站的距离逐渐增加时，所收到的信号会越来越弱，原因是发生了路径损耗。路径损耗不仅与载频频率、传播速度有关，而且还与传播地形和地貌有关。2.3.2.1 自由空间信号强度的传播衰落 在自由空间的传播衰落我们不考虑其它衰落因素，仅考虑由能量的扩散而引起的损耗。2.3 移动环境中

10、的电波传播Pr=Pt(/4d)2G1G2Pr-接收机的接收功率；Pt-发射机的发射功率(单位为w或mw)；-波长(即c/f)；d-接收机和发射机之间的距离；G1-发射机的天线增益；G2-接收机的天线增益。2.3 移动环境中的电波传播传播模型分为统计型模型和决定型模型。1)统计型模型是利用测试数据，进行统计分析得到的传播模型，一般计算量较小，对电子地图的数据要求也较低，统计型模型一般可以利用测试数据加以修正。2)决定型模型是根据传播路径上的地物、建筑物的几何信息，利用波的绕射、反射的理论得到的的模型。一般计算量大，对电子地图的数据要求也较高，它需要建筑物的信息，一般不能利用测试数据加以修正。2.

11、3 移动环境中的电波传播统计型模型和决定型模型的选择：1km的分水岭。 统计型模型在135km预测的准确性比较高。常见的统计型模型有Okumura-Hata模型、COST-231模型； 决定型模型在1km内预测的准确性较高，常见的决定型模型有COST-231-Walfish-Ikegami模型。2.3 移动环境中的电波传播2.3.2.2 长期衰落 常常在移动台和基站之间有高大建筑物、树林和高低起伏的地势地貌，这些障碍物的阻挡造成电磁场的阴影而产生阴影效应，致使接收信号强度下降。经过大量的野外测试表明，这种衰落服从对数正态衰落，它的接收信号的中值电场与基站和移动台的距离的4次方成反比。由于这种场

12、强的变化随着地理位置的改变而缓慢的变化，故称为长期衰落或慢衰落。又因为其接收场强中值受电磁场阴影影响而变化，所以又称为阴影衰落。2.3 移动环境中的电波传播长期衰落的统计特性:1)长期衰落是指接收到的衰落信号的平均值。2)长期衰落形成的原因是由于传播路径上的地形和人为环境结构的变化而造成的；3)长期衰落的概率密度分布服从对数正态概率密度函数，长期衰落的累积概率分布服从对数正态累积分布。2.3 移动环境中的电波传播2.3.2.3 短期衰落 移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号在城市中常常会受到建筑物或地形的阻挡，要经过直射、反射、散射等多种传播路径才到达接收端，而且随着移动台的移动，各条传

13、播路径上的信号幅度时延及相位也在随时随地发生着变化，所以接收到的信号是起伏不稳定的。这些多径信号相互迭加产生的矢量和就会形成一个严重的衰落谷点，使矢量和非常接近为零。迭加后的信号幅度变化符合瑞利分布，因而又被称为瑞利衰落。瑞利衰落随时间而急剧变化，又常常被称为短期衰落或快衰落。2.3 移动环境中的电波传播2.3 移动环境中的电波传播短期衰落的统计特性：1)短期衰落是指接收的衰落信号的瞬时值；2)短期衰落形成的原因是由于传播受到移动台周围(50100个波长内)的散射体(主要指人为建筑物)或自然障碍(主要指树林)的反射在地面上造成多径波干涉，结果形成驻波场。当移动台通过这个驻波场时，接收信号呈现短

14、期衰落，场强会出现起伏。2.3 移动环境中的电波传播2.3.2.4 多普勒频移 快速运动的移动台还会发生多普勒频移现象，这是因为在移动台高速运动时接收和发送信号将导致信号频率将发生偏移而引起的干扰。 当运动速度过高时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作频率越高，频移越大。2.3 移动环境中的电波传播2.3.3 无线信号的传播损耗2.3.3.1 传播损耗的定义 传输损耗是指对于某一无线电链路，从发射天线输出端的信号经过一定的传播路径，到达接收天线的输入端时，功率电平的损耗(或衰减)值，一般用dB表示。2.3.3.2 传播损耗与距离的一般关系 传输距离越大，损耗越大。2.3 移动环境中的电波传播2

15、.3.3.3 传播损耗的常见类型1)自由空间的传播损耗2)绕射损耗3)反射损耗4)建筑物贯穿损耗5)人体损耗6)车内损耗7)植被损耗2.3 移动环境中的电波传播2.3.4 信号传播的其它特性(略)2.3.5 分集接收 采用分集方法即在若干支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路的信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。 由于衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术主要包括空间分集、时间分集、频率分集、极化分集等。2.3 移动环境中的电波传播1空间分集在空间设立两副接收天线，独立接收同一信号，由于它们所处的传播环境和接收信号的衰落各不相同

16、，具有不相干或相干性很小的特点，因而采用分集合并技术并使之输出较强的有用信号，便降低了传播因素的影响。2时间分集通过一定的时延来发送同一消息，或在系统所能承受的时延范围以内在不同时间内各发送消息的一部分。2.3 移动环境中的电波传播3频率分集通过跳频来实现的。 4极化分集指把两副接收天线的极化角度互成一定的角度，这样就可以获得较好的分集增益，并且可以把这种分集天线集成于一副天线内实现。2.3 移动环境中的电波传播2.3 移动环境中的电波传播2.3 移动环境中的电波传播2.4 移动台和基站的时间调整 由于移动台是利用同一个频率合成器来进行发射和接收的，因而在接收和发送信号之间应有一定的间隔(3个

17、时隙)。 移动台在接收信号的同时，将在频率上平移45MHz，并在偏移3个时隙的基础上考虑TA后发送，然后可以再次平移以监视其它小区的BCCH信道。2.4 移动台和基站的时间调整 由于采用了TDMA技术，因此要求移动台必须在指配给它的时隙内发送，而在其余时间则必须保持沉默。否则它将对使用同一载频上不同时隙的另一些移动台的呼叫造成干扰。2.4 移动台和基站的时间调整 某一移动台非常靠近基站，指配给它的是TS2，它只能利用该时隙进行呼叫。在该移动台呼叫期间，它向远离基站的方向移动。因此，从基站发出的信息，将会延迟地到达移动台，与此同时，移动台的应答信息也会越来越迟的到达基站。如不采取措施，时延过长会

18、导致基站在收到此移动台TS2上消息时，与另一个移动台在TS3向基站发送的信息重叠起来，引起干扰。如何解决这个问题呢？2.4 移动台和基站的时间调整提前一段时间发送信号，采用时间提前TA。2.4 移动台和基站的时间调整由最大时间提前TA决定小区的覆盖范围。3.7us/bit63bit(3108)m/s2=35km思考：如想提高小区覆盖半径，该怎么办？2.5 跳频技术 跳频可分为快速跳频和慢速跳频，在GSM中采用的是慢速跳频，其特点是按照固定的间隔改变一个信道使用的频率。 GSM系统的基站无线信道的跳频是以每一个物理信道(时隙)为基础的，因此对于移动台来说，只需要在每个帧的相应时隙跳变一次即可，即

19、每秒跳217次。它在一个时隙内用固定的频率发送和接收，然后在该时隙后需跳到下一个TDMA帧。2.5 跳频技术2.5.1 跳频的种类及各自实现的方法 GSM中的跳频可分为基带跳频和射频跳频两种。基带跳频是通过腔体合成器来实现的，而射频跳频是通过混合合成器来实现的。 基带跳频的原理是在帧单元和载频单元之间加入了一个以时隙为基础的交换单元，通过把某个时隙的信号切换到相应的无线频率上来实现跳频，这种做法的特点是比较简单，而且费用也低。采用基带跳频的小区的载频数与该小区使用的频点数是一样的。2.5 跳频技术2.5.1 跳频的种类及各自实现的方法 射频跳频是通过对其每个TRX的频率合成器进行控制，使其在每

20、个时隙的基础上按照不同的方案进行跳频。它采用的混合合成器对频带的要求十分宽松，每个发信机都可使用一组相同的频率，采用不同的MAIO(移动分配索引偏移)加以区分。但它必须有一个固定发射BCCH频率的发信机，其它发信机可随着跳频序列的序列值改变而改变。2.5 跳频技术两者的比较：1)基带跳频采用的腔体合成器最多可配置8个发信机，而且衰耗小；射频跳频采用的混合合成器的容量较小，最多可配置4个发信机，而且衰耗大。当基站配置较大时，采用混合合成器的基站覆盖要小。2)腔体合成器对频段的要求不如混合合成器灵活，混合合成器所带的发信机可以使用一组频率，频点的间隔要求为200kHz；腔体合成器的发信机仅能使用固

21、定的频率发射，而且所用频点的间隔要求大于600kHz。2.5 跳频技术3)基带跳频的每个发信机只能对应一个频点，而射频跳频的每个发信机能够发送所有参与跳频的频点。当使用基带跳频时携带BCCH频点的TX若出现故障，则易导致整个区的瘫痪，而在射频跳频时则不会出现这类情况，因为每个TX都能发送BCCH频点，携带BCCH信道的载频优先级最高，当该载频出现问题时，携带BCCH信道的TDMA帧能够自动通过另一个载频发射出去。2.5 跳频技术2.5.2 跳频的优点 1跳频可起到频率分集的作用 2跳频可起到干扰源分集作用2.5 跳频技术2.5.3 跳频序列在小区参数的定义中定义了两个频率组，一个称为“小区分配

22、表CA”(CELL ALLOCATION)用来定义该小区所用到的所有频点，另一个被称为“移动分配表MA” (MOBILE ALLOCATION)用来定义参与跳频的所有频点。在此值得注意的是，携带有BCCH的载频，不能用于跳频，因为它携带有FCCH、SCH及BCCH信道，需要不停的向该小区的所有手机广播同步消息及系统消息。在GSM规范中有两个参数用来定义跳频序列，分别是MAIO(移动分配指针偏移)和HSN(跳频序列号)。2.5 跳频技术 MAIO因需描述跳频重复功能的起点(用于确定跳频的初始频点)，所以该参数的取值与参与跳频的频率数一样多。MA(移动配置表)的频点数应在164之间。 HSN有64

23、个不同的值，通常一个小区应使用相同的HSN值、不同的MAIO值，因为这是要避免同一小区信道之间的干扰。 在使用同一跳频组的相邻小区中，应注意使用不同的HSN，该做法可获得干扰源分集增益。但注意应尽量避开使用HSN=0的情况(它是循环跳频)，因为它会导致低质量的干扰源分集。2.6 源数据的传输过程 由于GSM系统是一个全数字系统，话音和不同速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，在接收端需要经过一系列的反过程来重现原始数据。2.6 源数据的传输过程 2.6 源数据的传输过程2.6.1 语音编码 GSM系统是一种全数字系统，话

24、音和其它信号都要进行数字化处理，因此移动台首先要将声音信号转换成模拟电信号，再把这模拟电信号通过A/D变换转换成13kbit/s的数字信号，用于无线传输。过程：第一阶段：话音分段(抽样、量化) 将语音分成20ms为单位的语音块，再将每个块用8kHz抽样，每个块由此得到160个样本。每个样本再经A率13bit(u率14bit)量化，每个样本16bit。因此，得到了128kbit/s的数据流。2.6 源数据的传输过程2.6.1 语音编码第二阶段：编码(压缩编码) 将128kbit/s的数据流通过编码器来进行编码压缩。如果用全速率的编码器的话，每个语音块将被编码为260bit，最后形成了13kbit

25、/s的源编码速率。260bit/20ms= 13kbit/s在BTS侧能够恢复13kbit/s的源速率，但为了形成速率为16kbit/s的TRAU帧以便于在Abis和Ater接口上传送，因而需再增加速率为3kbit/s的信令，这个信令称为带内信息。2.6 源数据的传输过程2.6 源数据的传输过程2.6.2 信道编码 信道编码的作用是改善传输质量，克服无线信道中传输过程的误码。 信道编码的基本原理是在原始数据上附加一些冗余比特信息，增加的这些比特是通过某种约定从原始数据中经计算产生的，接收端的解码过程利用这些冗余的比特来检测误码并尽可能的纠正误码。如果收到的数据经过同样的计算所得的冗余比特同收到

26、的不一样时，我们就可以确定传输有误。2.6 源数据的传输过程 信道编码的纠错和检错原理可以从下面简单的例子看出： 假定要发送的信息是一个“0”或是一个“1”。为了提高保护能力，以这样简单的方式添加3个比特，对于每一个比特（0或1），只有一个有效的编码组（0000或1111）。如果收到的不是0000或1111，就说明传输期间出现了差错，差错的情况有三种，错一个比特、错二个比特和错三或四个比特，错一个比特可以校正；错二个比特时不能够校正，但能够检出；错三或四个比特才发生误码。所以，这个简单的编码方式能够校正一个差错和检出二个差错。2.6 源数据的传输过程 GSM使用的编码方式有：块卷积码、纠错循环

27、码(FIRE CODE)、奇偶码(PARITYCODE)。 块卷积码主要用于纠错，当解调器采用最大似然估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果。 纠错循环码主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常和块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。 奇偶码是一种普遍使用的最简单的检测误码的方法。2.6 源数据的传输过程2.6.2.1 全速率TCH信道编码首先将对语音编码形成的260bit分成三类:50个最重要比特、132个重要比特、78个不重要比特对50个比特先添加3个奇偶检验比特(分组编码)，再与132比特和4个尾比特一起卷积编码，比率为1:2，形成378bit。 (50+3)+(132+4)*2

28、=378 另外78个不重要比特不予保护，最后将得到456bit。2.6 源数据的传输过程2.6.2.2 BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH信道的编码 LAPDm是数据链路层的协议，在连接模式下被用于传送信令。它被应用在逻辑信道BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH上，一个LAPDm帧共有23个字节(184bit)。为了获得456bit的保护字段，便可通过对LAPDm帧的编码来得到。2.6 源数据的传输过程 首先给184bit增加40bit的纠错循环码，这样就可以来检测物理层的差错校正码是否能正确的校正传输差错，再加上4个尾比特，得到228bi

29、t。最后通过1:2卷积编码速率，也会得到456bit的数据。2.6 源数据的传输过程2.6.2.3 SCH信道的编码 SCH信令信道不能用LAPDm协议。每个SCH信道有25bit的消息字段，其中19bit是帧号，6bit用于BSCI号。由于每个单独的SCH时隙都携带着一个完整的同步消息，而且SCH的突发脉冲的消息位的字段是78bit。因而需要将这25bit的数据编码成78bit。 将这25bit的数据加上10个奇偶校验比特和4个尾比特，得到了39bit。再将这39bit按照1:2的卷积编码速率，便得到了78bit的消息。2.6 源数据的传输过程2.6.2.4 RACH信道的编码 RACH的消息由8个比特组成，包括3bit的建立原因和5bit的随机鉴别符。由于RACH的突发脉冲的消息位的字段是36bit。因而需要将这8bit的数据编码成36bit。 将这8bit的数据加上6bit的色码（将6bit