第7章GSM数字蜂窝移动通信系统

1、1第第7章章 GSM数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统2本章提示本章提示l l GSM数字移动通信系统是基于TDMA的数字移动通信系统。GSM系统是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务做了明确规定，而且技术标准透明化的蜂窝系统。如今，GSM系统已遍及全世界“全球通”。3本章提示本章提示l l GSM系统的TDMA时隙和帧结构以及逻辑信道在物理信道上的组合方法，是设计其他无线数据传输系统的很好样板。4本章提示本章提示l l GSM系统是个时分多址系统，其功率发射是在严格规定的时间窗内，以突发形式不停地发射；所以接收机与发射机要保持严格地定时同步。无论移动台在小区任何位置，系统会随时调整

2、移动台的发射定时提前量，以保证基站及手机的正确接收。5本章提示本章提示l l GPRS是GSM网络向3G演进的重要一步，被称为2.5G技术。GPRS是基于GSM网无线接口所开发的分组数据传输业务；是按需分配占用信道资源，频谱利用率高。理论上数据传输速率最高可达到171.2kbit/s，适合各种突发性强的数据传输。6第第7章章 GSM数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统l 7.1 GSM数字蜂窝移动通信系统概述l 7.2 GSM数字蜂窝移动通信系统的无线传输方式l 7.3 GSM数字蜂窝移动通信系统主要技术l 7.4 GSM数字蜂窝移动通信系统向3G系统的过渡77.1 GSM数字蜂窝移动通信

3、系统概述数字蜂窝移动通信系统概述l 7.1.1 概述l 7.1.2 GSM系统与蜂窝结构的关系l 7.1.3 GSM系统的基本特点l 7.1.4 网络结构及功能l 7.1.5 接口和接口协议8n GSMGSM的含义的含义l 欧洲移动通信特别小组（Group Special Mobile），简称GSM；l 全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications ），简称GSM。n GSMGSM含义变化的背后含义变化的背后l 先进性：采用众多数字处理新技术，很好解决1G问题；l 开放性：标准对全球开放，统一定义接口与协议，不规定硬件实现方式；l 拓展性：规

4、范为全球布局和系统扩展有预留。事实上，事实上，GSM就是最具全球性的就是最具全球性的2G系统。系统。7.1.1 概述概述 9n 美国的数字蜂窝系统研制较欧洲稍晚一些。双方研制的大目标不尽相同，泛欧GSM系统是为了打破国界，实现漫游通话；n 美国的D-AMPS系统是为了扩大容量，实现与模拟系统兼容。D-AMPS系统即IS-54标准。n 日本的PDC系统也采用TDMA多址方式。7.1.1 概述概述 10n 为解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态发展起来的；n 1982年，成立“移动特别小组(Group Special Mobile)”简称“GSM”来制定有关的标准和建议书 ；n 1990年完成了G

5、SM900的技术规范，不同建议书分组成为一套12系列；n 1991年在欧洲开通了第一个系统，并将GSM更名为“全球移动通信系统”(Global system for Mobile communications)。同年移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCS1800系统；n 是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统；GSM系统的成长历程（系统的成长历程（1）11GSM系统的成长历程（系统的成长历程（2）n 1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务 ；n 1993年底，南美、亚洲和澳洲的几个国家也采用了GSM；n 现已成为世界上最流行、

6、最大的蜂窝系统，其成功超出了每个人的预想；n DCS1800是GSM的等效技术标准，它提供个人通信业务，工作在1.8GHz2.0GHz的频段上；n 1993年欧洲第一个DCS1800系统投入运营；n GSM具有开放的接口和统一标准，是目前开放性和标准化最好的。12l 1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50。l 2008年，行业组织3G Americas宣布，全球GSM手机用户已达30亿，占全球移动无线用户总数的88%。GSM系统的成长历程（系统的成长历

7、程（3）13GSM数字移动通信系统在我国的发展也十分迅速：1987年11月18日第一个TACS模拟蜂窝移动电话系统在广东省建成并投入商用1994年12月底广东首先开通了GSM数字移动电话网1995年7月中国联通GSM 130数字移动电话网在北京、天津、上海、广州建成开放1996年移动电话实现全国漫游，并开始提供国际漫游服务2002年1月8日中国网通集团北京通信控股的北京正通网络通信有限公司宣告成立，成为继中国移动、电信、网通、联通、铁通和卫通6大运营商外，国内第7家获信息产业部发牌的基础电信业务运营商。 2003年7月我国移动通信网络的规模和用户总量均居世界第一，手机产量约占全球的1/3，已成

8、为名副其实的手机生产大国截至2008年6月中国的GSM手机用户已达5.2亿户。 GSM系统的成长历程（系统的成长历程（4）14q GSM技术规范（全球开放）l 01 概述l 02 业务方面l 03 网络方面l 04 MS-BS接口与协议l 05 无线链路上的物理层l 06 话音编码规范l 07 MS终端适配器l 08 BS-MSC接口l 09 网络互通l 10 业务互通l 11 设备和型号认可规范 l 12 操作和维修 1982年春，第一阶段第一版完成，1992年底基本冻结；1993年底，完成第二阶段标准主要部分，1994年底基本冻结；1994年6月，开始考虑第2+阶段，后并入第二阶段，并宣布

9、不会有第三阶段。GSM系统的技术规范系统的技术规范15q GSM系统多址接入技术系统多址接入技术:l GSM蜂窝系统采用时分多址、频分多址和频分双工（TDMA/FDMA/FDD）制式。l 在25MHz的频段中共分125个频道，频道间隔200kHz。每载波含8个（可扩展为16个）时隙，时隙宽为0.577ms。l 8个时隙构成一个TDMA帧，帧长为4.615ms。GSM系统的无线传输特征（系统的无线传输特征（1）16GSM无线传输采用无线传输采用FDD全双工成对信道全双工成对信道GSM系统的无线传输特征（系统的无线传输特征（2）17q GSM采用采用TDMA/FDD帧结构帧结构GSM系统的无线传输

10、特征（系统的无线传输特征（3）18频 段移动台发、基站收基站发、移动台收GSM900/1800频段900MHz频段890-915MHz935-960MHz1800MHz频段1710-1785MHz1805-1880MHz国家无委分配给中国移动的频段900MHz频段890-909MHz935-954MHz1800MHz频段1710-1720MHz1805-1815MHz国家无委分配给中国联通的频段900MHz频段909-915MHz954-960MHz1800MHz频段1745-1755MHz1825-1835MHzq 工作频段工作频段 GSM系统的无线传输特征（系统的无线传输特征（4）19q

11、频道间隔频道间隔&双工收发间隔双工收发间隔&频道配置频道配置GSM系统的无线传输特征（系统的无线传输特征（5）900MHz频段1800MHz频段频道间隔相邻频道间隔为200KHz每个频道采用时分多址接入(TDMA)方式分为8个时隙，即8个信道 双工收发间隔45MHz95MHz等间隔频道配置频道序号1 124512 885频道数124374频道序号和频道标称中心频率的关系上行 下行其中， 上行 下行 其中， 1890.20010.200f nMHznMHz 11710.2005120.200f nMHznMHz1124n 145hfnfnMHz 195hfnfnMHz512,513,.,885n

12、 2020例：计算GSM 900MHz频段第121号频道的上下行工作频率 解： fl(121)=890.2+(121-1)0.2=914.2MHz fh(121)= fl(121)+45=959.2MHz GSM系统的无线传输特征（系统的无线传输特征（6）21q GSM延迟反向（上行）延迟反向（上行）TDMA帧帧GSM系统的无线传输特征（系统的无线传输特征（7）22l GSM有越区切换和漫游功能，可实现国际漫游；l GSM可以提供多种业务，包括话音业务和一些数据业务；l GSM有较好的保密功能，提供对移动识别码的加密、用户数据的加密以及用户鉴权等；l GSM还有一些其它的特点，如容量大、通话质

13、量较好、有电子信箱与短消息功能等。 q GSM的业务特点的业务特点GSM的业务与应用的业务与应用23q GSM业务主要分为基本业务和补充业务。业务主要分为基本业务和补充业务。GSM业务附加业务/补充业务基本业务承载业务/数据业务电信业务GSM的业务分类的业务分类24GSM支持的基本业务支持的基本业务基本业务分类基本业务分类功能功能电信业务（ Teleservices）又称用户终端业务 为用户通信提供包括终端设备功能在内的完整能力承载业务（Bearer Services）提供用户接入点（也称“用户/网络”接口 ）间信号传输的能力电信业务电信业务25电信业务电信业务电信业务类电信业务类型型业务码业

14、务码电信业务名称电信业务名称功功 能能话音传输话音传输11电电 话话为数字移动通信系统的用户和为数字移动通信系统的用户和其它所有与其联网的用户之间其它所有与其联网的用户之间提供双向电话通信提供双向电话通信紧急呼叫紧急呼叫12通过一种简单而统一的手续将用户接到通过一种简单而统一的手续将用户接到就近的紧急业务中心就近的紧急业务中心短消息短消息21MS终端的点对点短消息业务终端的点对点短消息业务由短消息业务中心完成存储和由短消息业务中心完成存储和前转功能前转功能22MS起始的点对点短消息业务起始的点对点短消息业务23小区广播短消息业务小区广播短消息业务传真传真61交替语音和三类传真交替语音和三类传真

15、语音与三类传真交替传送语音与三类传真交替传送62自动三类传真自动三类传真使用户以传真编码信息文件的形式自动使用户以传真编码信息文件的形式自动交换各种函件交换各种函件无需无需SIM卡！卡！26短消息业务短消息业务l 短消息业务包括移动台之间点对点短消息业务，以及小区广播式短消息业务。 点对点短消息业务是由短消息业务中心完成存储和转发功能的。短消息业务中心是与GSM系统相分离的独立实体，不仅可服务于GSM用户，也可服务于具备接收短消息业务功能的固定网用户。点对点消息的发送或接收应在呼叫状态或空闲状态下进行，由控制信道传送短消息业务，其消息量限制为160个字符。 小区广播式短消息业务是GSM移动通信

16、网以有规则的间隔向移动台广播具有通用意义的短消息，例如道路交通信息等。移动台连续不断地监视广播消息，并能在显示器上显示广播消息。此短消息也是在控制信道上传送的，移动台只有在空闲状态下才可接收广播消息，其消息量限制为93个字符。27短消息业务的传送过程短消息业务的传送过程VLRVLR移动台始呼的短消息移动台始呼的短消息移动台被呼的短消息移动台被呼的短消息短消短消息息NSSNSS小区广播的短消息业务小区广播的短消息业务BSSBSSBSSBSSNSSNSS操作维护接口操作维护接口空中接口空中接口A A接口接口28q 该类业务被限定在开放系统互连（OSI）参考模型的第1、2、3层上，所支持的业务数据速

17、率从300bps到9.6kbps。q GSM可以为用户数据提供标准信道编码并以透明方式传送数据，也可以提供基于特定数据接口的特殊编码功能并以非透明方式传送数据。 承载业务或数据业务：承载业务或数据业务：29q 补充/附加业务：本质上是数字业务，分为q 号码识别类补充业务；q 呼叫提供类补充业务；q 呼叫完成类补充业务；q 多方通信类补充业务；q 集团类补充业务；q 计费类补充业务；q 呼叫限制类补充业务。包括主叫号码识别显示、主叫号码识别限制、被叫号码识别显示、被叫号码识别限制和恶意呼叫识别等；主要包括无条件呼叫前转、遇移动用户忙呼叫前转、遇无应答呼叫前转、遇移动用户不可及呼叫前转、呼叫转移和

18、移动接入搜索等；主要包括呼叫等待、呼叫保持等；主要指三方业务主要指封闭用户群主要包括计费通知、免费业务和对方付费等307.1.2 GSM系统与蜂窝结构的关系系统与蜂窝结构的关系 l 泛欧GSM数字蜂窝移动通信系统是在频分多址下的时分多址，当它工作在跳频方式时，又引入了码分多址。l 数字移动通信系统也是蜂窝系统，即蜂窝区群结构和频率复用。l 蜂窝区群小区数的多少以及小区半径的大小，取决于数字系统保证正常通信所需载干比和本地区业务量的分布和大小。l 构成区群的小区数目越少，半径越小，系统的频谱效率就越高。317.1.2 GSM系统与蜂窝结构的关系系统与蜂窝结构的关系 图7-1 TDMA蜂窝系统区群

19、结构32载频复用与区群结构载频复用与区群结构 l 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。l 由于系统采取了多种抗干扰措施，如自适应均衡、跳频和纠错编码等，同频道射频防护比可降到C/I=9dB，因此在业务密集区，可采用3小区9扇区的区群结构。 337.1.3 GSM系统的基本特点系统的基本特点p GSM系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统，具有下列主要特点。 GSM系统是由几个分系统组成的，并且可与各种公用通信网（如PSTN、ISDN、PDN等）互联互通，各分系统之间或各分系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的

20、GSM系统或子系统能互联互联。347.1.3 GSM系统的基本特点系统的基本特点 GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游自动漫游功能，全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关。 GSM系统除了可以开放语音业务外，还可以开放各种承载业务各种承载业务、补允业务和与ISDN相关的业务。 GSM系统具有加密加密和鉴权鉴权功能，能确保用户保密和网络安全。357.1.3 GSM系统的基本特点系统的基本特点 GSM系统具有灵活灵活和方便的组网组网结构，频率重复利用率高频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承担能力一般都很强，保证在语音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量大容量、高密度高密度业务的要

21、求。 GSM系统抗干扰能力强抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。 GSM系统终端设备（手持机和车载机），随着大规模集成电路技术的进一步发展，移动机将向更小型小型、更轻巧轻巧和增强功能增强功能趋势发展。367.1.4 网络结构及功能网络结构及功能l GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统，如图7-2所示。377.1.4 网络结构及功能网络结构及功能图7-2 GSM数字蜂窝通信系统的网络结构387.1.4 网络结构及功能网络结构及功能l 基站子系统（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统由移动交换中心（MSC），操作维护中心（

22、OMC）以及原籍位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。 391移动台（移动台（MS）l 移动台是公用GSM移动通信系统中用户使用的设备用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个 GSM系统中的唯一设备。l 根据应用与服务情况，移动台可以是单独的移动终端单独的移动终端（MT）、手持机、车载机，或者是由移动终端（MT）直接直接与终端设备（TE）传真机相连接而构成，或者是由移动终端（MT）通过相关终端适配器终端适配器（TA）与终端设备（TE）相连接而构成。l 移动台另外一个重要的组成部分是用户识别模块用户识别模块（SIM），它基本上是一张

23、符合ISO标准的“智慧”卡，它包含所有与用户有关的被储存在用户无线接口用户无线接口一边的信息信息，其中也包括鉴权和加密信息鉴权和加密信息，使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。402基站子系统（基站子系统（BSS）l 基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本基本组成部分组成部分。l 它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送、接收无线发送、接收和无线资源无线资源管理管理。l 另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通

24、信连接通信连接，传送系统信号和用户信息等。l 基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分功能实体构成。 412基站子系统（基站子系统（BSS）图7-3 一种典型BSS组成方式422基站子系统（基站子系统（BSS）l （1）基站收发信台（BTS） 基站收发信台（BTS）属于基站子系统的无线部分无线部分，由基站控制器（BSC）控制，服务于某个小区的无线收发设备，完成BSC与无线信道与无线信道之间的转换之间的转换，实现BTS与移动台（MS）之间通过空中接口的无线传输无线传输及相关的控制功能，BTS主要分为基带单元基带单元、载频单元载频单元、控制单元控制单元三大部分。l （2）

25、基站控制器。 基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制部分控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即承担各种接口及无线资源和无线参数管理接口及无线资源和无线参数管理的任务。432基站子系统（基站子系统（BSS）l BSC主要由下列部分构成： 朝向与MSC相接的A接口接口或与码变换器相接的Ater接口的数字中继控制部分； 朝向与BTS相接的Abis接口接口或BS接口的BTS控制部分； 公共处理部分公共处理部分，包括与操作维护中心相接的接口控制。443网路子系统（网路子系统（NSS）l 网路子系统（NSS）主要包含GSM系统的交换功能交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能

26、数据库功能，它对GSM移动用户之间的通信和GSM移动用户与其他通信网用户之间的通信通信起着管理管理作用。453网路子系统（网路子系统（NSS）l （1）移动业务交换中心（MSC）。l （2）访问用户位置寄存器（VLR）。l （3）归属用户位置寄存器（HLR）。l （4）鉴权中心（AUC）。l （5）移动用户识别寄存器（EIR）。467.1.5 接口和接口协议接口和接口协议 l GSM系统的公用陆地移动通信网的信令系统是以7号信令号信令网络为基础的。l 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。471主要接口主要接口图7-4 GSM系统的主要接口482网络子系统内部接口

27、网络子系统内部接口l 网络子系统由移动业务交换中心（MSC）、访问用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）等功能实体组成。492网络子系统内部接口网络子系统内部接口图7-5 网络子系统内部接口示意图503GSM系统与其他公用电信网的接口系统与其他公用电信网的接口l 其他公用电信网主要是指公用电话网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）、分组交换公用数据网（PSPDN）和电路交换公用数据网（CSPDN）。l GSM系统通过系统通过MSC与这些公用电信网互连与这些公用电信网互连，其接口必须满足原CCITT的有关接口和信令标准及各个国家邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标

28、准。51n 移动终端与网络之间的接口为无线接口无线接口，它是保证不同厂家的移动台与不同厂家的系统设备之间互通的主要接口。n 无线接口自下而上分为三层：物理层、数据链路层和第三层。第三层又分为三个子层：无线资源管理层（RR）、移动性管理层（MM）和连接管理层（CM）。n 协议分层如图7-6所示。4各接口协议各接口协议524各接口协议各接口协议图7-6 GSM系统主要接口的协议分层示意图53n RR完成专用无线信道连接的建立、操作和释放等，它是在移动台与基站子系统间进行的；n MM完成位置更新、鉴权和临时移动用户号码的分配等工作；n CM完成电路交换的呼叫建立、维持和结束，并支持补充业务和短消息业

29、务等。n MM和CM层是移动台直接与移动交换机之间的通信，A接口不作任何处理。4各接口协议各接口协议54 7.2.1 GSM的帧结构 7.2.2 GSM的信道结构 7.2.3 时隙的格式 7.2.4 信道的组合方式7.2 GSM数字蜂窝移动通信系统的无线接口数字蜂窝移动通信系统的无线接口55GSM的帧结构的帧结构p帧p复帧p超帧p超高帧p突发脉冲序列（BP）56GSM中的频隙与时隙中的频隙与时隙57p时隙的持续时间时隙的持续时间被记为时间单元，即BPBP。所谓使用一个给定信道即在特定slot传送突发脉冲。p通常，一个信道的隙缝在时间上是不邻接不邻接的。p信道对于每个时隙具有给定给定的时间界限界

30、限和时隙号码号码。p一个信道的时间界限是循环重复循环重复的。与时间界限类似，信道的频率界限给出了属于信道的各隙缝的频率。GSM中的频隙与时隙中的频隙与时隙58一个TDMA帧包含8个时隙GSM中的频隙与时隙中的频隙与时隙59图7-8 GSM系统各种帧及时隙的格式GSM中的频隙与时隙中的频隙与时隙60p时隙：每个时隙含156.25个码元，占15/260.577 ms；p帧：每一个TDMA帧分07共8个时隙，帧长度为120/264.615 ms。不同帧用不同帧号标识；p复帧业务复帧 ：26帧组成的复帧，周期为120 ms，用于业务信道及其随路控制信道，其中24个突发序列用于业务，2个突发序列用于信令

31、。控制复帧 ：51帧组成的复帧，其周期为235.385 ms，专用于控制信道 ； GSM的无线帧结构的无线帧结构61p超帧 ：多个复帧构成超帧，是一个连贯的51*26TDMA帧，即一个超帧是由51个业务复帧或26个控制复帧组成，周期为1326个TDMA帧，长约6.12 s ；p超高帧 ：多个超帧构成超高帧，超高帧由2 048个超帧组成 ，周期为12 533.76秒，相当于3小时28分53秒760毫秒，用于加密的话音和数据，超高帧每一周期包含2715648个TDMA帧，这些帧按序编号，依次从0-2715647，帧号在同步信道中传送。 GSM的无线帧结构的无线帧结构62时隙的格式时隙的格式突突 发

32、发 脉脉 冲冲 p突发脉冲是以不同的信息格式携带不同逻辑信道，在一个时隙内传输的，由100多个调制比特组成的脉冲序列。p分类类型类型逻辑信道逻辑信道携带信息携带信息常规突发脉冲常规突发脉冲TCH及专用控制信道及专用控制信道 业务信息和业务信息和控制信息控制信息 频率校正突发脉冲频率校正突发脉冲频率校正信道（频率校正信道（FCCH）频率校正信息频率校正信息同步突发脉冲同步突发脉冲同步信道（同步信道（SYCH）系统同步信息系统同步信息接入突发脉冲接入突发脉冲随机接入信道（随机接入信道（RACH）随机接入信息随机接入信息空闲突发脉冲空闲突发脉冲控制信道控制信道 无无63p常规突发脉冲（NB：Norm

33、al Burst）57个信息比特：加密语音、数据或控制信息借用比特F：表明是否借用业务信道资源给FACCH 训练序列：一串已知比特，供信道均衡用尾比特TB：总是000，是突发脉冲开始与结尾的标志，用于帮助均衡器 知道起始位和停止位保护比特GP：防止由于定时误差而造成突发脉冲间的重叠整个突发共有156.25bit，时长0.577ms，速率为270kb/s。TB3信息比特信息比特57F1训练序列训练序列26F1信息比特信息比特57TB3GP8.250.577ms156.25bit普通突发脉冲序列普通突发脉冲序列 时隙的格式时隙的格式突突 发发 脉脉 冲冲 64p训练比特训练序列比特是一种用于自适应

34、型多用户检测器中解决时变多径信道随机变化的技术。即收发双方事先约定在固定的信道、时间发送一段特殊的symbol、bit或chip序列，收端可根据收到的这一段序列，估计信道对数字信道的畸变（包括幅度、相位）程度。运用这些信息对传送的数字信号进行处理，尽量消除信道的影响。 时隙的格式时隙的格式突突 发发 脉脉 冲冲 65p频率校正突发脉冲（FB：Frequency Correction Burst）频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率142个固定比特：全0，固定的频率校正信息，用于MS的定位，以及解调同一小区中的同步突发脉冲序列，与BCCH一起广播。保护时间仍为8.25bit。TB3固定比

35、特固定比特142TB3GP8.250.577ms156.25bit频率校正突发脉冲序列频率校正突发脉冲序列时隙的格式时隙的格式突突 发发 脉脉 冲冲 66p同步突发脉冲（SB：Synchronization Burst）用于移动台的定时同步；是从BTS到MS的突发，包括一个易于被检测的长同步序列：64 bit的训练序列，以及两端各39 bit数据，最后是8.25bit的保护时间。用于传输TDMA帧号和基站识别码（BSIC)；TDMA帧号用于数据加密；BSIC用于移动台进行信号强度测量时区分基站 。SB的重复发送构成同步信道（SCH），是MS在下行方向上解调的第一个突发脉冲。TB3加密比特加密比

36、特39同步序列同步序列64加密比特加密比特39TB3GP8.250.577ms156.25bit时隙的格式时隙的格式突突 发发 脉脉 冲冲 67p接入突发脉冲（AB：Access Burst）用于MS的随机接入，上行传输方向，在随机接入信道（RACH）上传送。是一种较短的突发脉冲，训练比特为41bit，信息比特为36bit，再加上7bit和3bit的分界标志，都为0，保护间隔为68.25bit。长保护时间GP：保护时间GP为68.25bit，适用于移动台首次接入和越区切换接入，因为随机接入不知道定时提前量。TB7训练比特训练比特41信息比特信息比特36TB3GP68.25时隙的格式时隙的格式突

37、突 发发 脉脉 冲冲 68p空闲突发脉冲（DB：Dummy Burst）当无信息发送时，出于系统的需要，在相应的时隙内还应有突发序列发送，这种突发序列称为空闲突发脉冲。DB结构与常规突发脉冲相同，只是发送的比特流为固定比特序列。TB3固定比特固定比特57F1训练比特训练比特26F1固定比特固定比特57TB3GP8.25突发（突发（0.577ms）时隙的格式时隙的格式突突 发发 脉脉 冲冲 69p偷帧(stealing frame)在业务信道中可传送快速随路控制信道(FACCH)的信息，将信令块插入到业务信道中称为偷帧。业务信息和信令信息都使用标准突发，但却有不同的信道编码。收端可在解调前区别出

38、突发中的内容是业务信息还是信令，从而分别采用不同的解码方式。这个用于区别的信息称为偷帧标志。它是利用26bit两端的1bit信息实现的，这两个比特为“0”时表示偷帧否则它们总是置于“1”。时隙的格式时隙的格式突突 发发 脉脉 冲冲 7070帧偏离与定时提前量帧偏离与定时提前量帧偏离帧偏离定时提前量定时提前量概念概念前向信道的前向信道的TDMA帧定时与帧定时与反向信道的反向信道的TDMA帧定时的帧定时的固定偏差固定偏差基站指示移动台基站指示移动台以一定的提前量以一定的提前量发送突发脉冲发送突发脉冲长度长度3个时隙个时隙视具体情况而定视具体情况而定目的目的避免移动台同一避免移动台同一时隙收发的必要

39、时隙收发的必要性，从而保证收性，从而保证收发的时隙号不变发的时隙号不变克服由突发脉冲克服由突发脉冲的传输延时所带的传输延时所带来的定时的不确来的定时的不确定定帧偏离与定时提前量示意图帧偏离与定时提前量示意图71GSM的信道结构的信道结构p物理信道：是BTS与MS之间的无线传输通道。p例如，对于FDMA系统，相当于一个频道；对于TDMA系统，相当于一个载频上的TDMA帧的一个时隙；对于CDMA系统，相当于一个载频上的码。pGSM物理信道是指TDMA中的时隙，采用频分和时分复用的组合，它由用于基站（BS）和移动台（MS）之间连接的时隙流构成。这些时隙在TDMA帧中的位置不变。p即GSM的一个载频上

40、可提供8个物理信道时隙时隙0 0时隙时隙1 1时隙时隙2 2时隙时隙3 3时隙时隙4 4时隙时隙5 5时隙时隙6 6时隙时隙7 772GSM的信道结构的信道结构p逻辑信道：是指根据物理信道上传递信息种类不同而定义的信道，在一个物理信道中作时间复用的。不同逻辑信道传送不同类型的信息。通过BTS将逻辑信道映射到不同的物理信道上来传送。 pGSM数字系统在物理信道上传输的信息是大约由100多个调制比特组成的脉冲串，称为突发脉冲序列 （Burst）,以不同的“Burst”信息格式来携带不同的逻辑信道。73GSM的信道结构的信道结构p根据BTS与MS之间传播的消息种类不同而定义不同的逻辑信道。GSM逻辑

41、信道分为两类：一类是业务信道（TCH），用于传输话音和数据；一类是控制信道（CCH），用于传输各种信令信息。74逻辑信道类型逻辑信道类型图7-10 GSM系统的信道分类75p根据交换方式的不同分为电路交换信道和数据交换信道。话音业务信道按速率的不同，可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）。数据业务信道按速率的不同，也分为全速率数据业务信道和半速率数据业务信道。 注：增强全速率业务信道（EFR）是指，它的速率与全速率信道的速率一样为13kbit/s，只是其压缩编码方案更为优越，所以有较好的话音质量。业务信道业务信道76TCH信道示意图信道示意图77 p广播信

42、息信道p公共控制信道p专用控制信道（2）控制信道）控制信道78p广播信息信道（BCH）：是“一点对多点”的单方向控制信道,用于基站向所有移动台广播公用信息。传输的内容是移动台入网和呼叫建立所需要的各种信息，它又分为以下信道： 频率校正信道（FCCH）同步信道（SCH）广播控制信道（BCCH）（2）控制信道）控制信道79p 频率校正信道（FCCH）传输供移动台校正其工作频率的信息，使手机工作在合适的频率；通过FCCH，MS可以定位一个小区并解调出同一小区的其它信息p 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，如22bit的TDMA帧号和6bit的基站色码p 广播控制信道（BC

43、CH）传输通用信息，用于移动台测量信号强度和识别小区标志等，同时广播系统消息，将必要的网络参数通知移动台。（2）控制信道）控制信道80p公共控制信道（CCCH）：是“一点对多点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息，它又分为以下信道：寻呼信道（PCH）随机接入信道（RACH）准许接入信道（AGCH） （2）控制信道）控制信道81p 寻呼信道（PCH）下行信道，传输基站寻呼移动台的信息。以通知被叫移动台启动寻呼流程。根据MS当前所登记的LAC向该LAC区域内所有小区通过PCH信道发寻呼消息。标示为TMSI或IMSI。（2）控制信道）控制信道82p 随机接入信

44、道（RACH）上行信道，移动台申请入网，向基站发送入网请求。又称争抢信道。移动台先通过该信道申请接入网络。由于同时可能有多个移动台会通过该信道申请接入网络，因此可能会发生碰撞。在该信道传递的信息为：1. 接入原因（主叫、被叫、位置更新等）2. 随机参考值（供MS区别属于自己的接入允许消息）3. 发送该消息的时刻（隐含）（2）控制信道）控制信道83p准许接入信道（AGCH）网络通过该信道对移动台在RACH上提出的接入申请进行初步确认，若为正确，则分配一个（独立专用控制）信道给移动台，以便进行进一步确认。在该信道传递的信息有以下两个：1. 接入申请中的接入原因、随机参考值和该消息发送的时刻2. 对

45、独立专用控制信道的描述（该信道所在绝对载频号、时隙号、子信道号等）（2）控制信道）控制信道84p专用控制信道（DCCH）：是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。其中又分为：独立专用控制信道（SDCCH）慢速辅助控制信道（SACCH）快速辅助控制信道（FACCH）（2）控制信道）控制信道85p独立专用控制信道（SDCCH）传输移动台与基站连接和信道分配的信令，包括建立连接的信令消息、位置更新消息、短消息、鉴权消息、加密命令、信道分配消息、以及各种附加业务等。p快速辅助控制信道（FACCH）传送和SDCCH相同的信息。使用时要

46、中断业务信息，插入FACCH，即借用TCH信道。只有在没有分配SDCCH的情况下才使用。传输速率较快，每次占用4帧时间，约18.5ms。（2）控制信道）控制信道86p慢速辅助控制信道（SACCH）该信道主要用于传送一些辅助信息。该信道始终与SDCCH或TCH伴随在一起。使用业务信道时表示为SACCH/T,使用控制信道时表示为SACCH/C。SACCH/C常与SDCCH联合使用。对于下行信道而言，主要传送：1、功率控制命令2、TA调整命令3、必要的网络参数（通过系统消息，由于移动台在非空闲模式下无法接收系统消息，为使移动台及时了解网络参数的改变）。对于上行信道而言，主要传送1、测量报告（用于提供

47、功率控制和切换所必须的信息）2、实际使用的发射功率3、实际使用的时间调整量（2）控制信道）控制信道87p移动台使用信道的顺序搜寻网络时，寻找BCCH空闲状态，监听BCCH和PCH需要与网络通信时，在RACH上发送信道请求监听AGCH，若收到确认信息，则转入分配的SDCCH+SACCH，当与网络完成接续等信令后，则转入网络分配的TCH+FACCH+SACCH，完成业务通信后，回到空闲状态887.2.4 信道的组合方式信道的组合方式 l 逻辑信道组合是以帧为基础的，“组合”是将各种逻辑信道装载到物理信道上去。l 逻辑信道与物理信道之间存在着映射关系。l 信道的组合形式与通信系统在不同阶段（接续或通

48、话）所需要完成的功能有关，也与传输的方向（上行或下行）有关，还与业务量有关。891业务信道的组合方式业务信道的组合方式 上行链路与下行链路的业务信道具有相同的组合方式，唯一的差别在于有一个时间偏移，即相对于下行帧，上行帧推后3个时隙。 帧号分配：GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同 ； 上行帧相对于下行帧推后3个时隙 ，以便移动台在这3个时隙内，进行帧调整以及对收发信机的调谐和转换。901业务信道的组合方式业务信道的组合方式l 业务信道有全速率和半速率之分，下面只考虑全速率情况。l 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）的映射关系如图7-17所示

49、。 24帧T用于传输业务信息， 1帧A，代表随路的慢速辅助控制信道， 一帧I为空闲帧。图7-17 业务信道的组成格式912控制信道的组合方式控制信道的组合方式 l 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是不相同的。 （1）BCH和CCCH在TS0上的复用。 （2）SDCCH和SACCH在TS1上的复用。 （3）公用控制信道和专用控制信道均在TS0上复用。922控制信道的组合方式控制信道的组合方式 l BCH和CCCH在TS0上的复用（下行）932控制信道的组合方式控制信道的组合方式 l 上图可见，控制复帧共有51个TS，此序列是以51个帧为循环周期的，所

50、以，虽然每帧只用了TS0，但从时间长度上讲，序列长度仍为51个TDMA帧。l 若没有寻呼或接入消息，F、S、B总在发射，以便使移动台能够测试该基站的信号强度，此时C（即CCCH）用空闲突发脉冲序列代替。942控制信道的组合方式控制信道的组合方式图7-19 TS0上RACH的复用l 对于上行链路，TS0只用于移动台的接入，即51个TDMA帧均用于随机接入信道。952控制信道的组合方式控制信道的组合方式图7-20 SDCCH和SACCH（下行）在TS1上的复用 下行链路占用102个TS，从时间长度上讲是102个TDMA帧。 由于在呼叫建立及入网登记时所需比特率较低，因此可在这些TS上放置8个SDC

51、CH（共64个TS1），用Dx表示；SACCH占用32个TS，用Ax表示；I为空闲帧，占6个TS。 专用控制信道的上下行链路结构相同。962控制信道的组合方式控制信道的组合方式图7-21 TS0上控制信道综合复用 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），此时TS1-TS7用于业务信道，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）。 此时下行链路包括BCH(F,S,B),CCCH(C),SDCCH(D0-D3),SACCH(A0-A3)和空闲帧I，共占102个TS。 上行链路包括RACH(R), SDC

52、CH(D0-D3)和SACCH(A0-A3) ，共占102个TS。972控制信道的组合方式控制信道的组合方式l 由上述分析可知，如果小区只有一对双工载频(C0)，则TS0用于控制信道，TS1-TS7用于业务信道；l 在多载频小区内，其中C0的TS0用于公用控制信道，TS1用于专用控制信道，TS2-TS7用于业务信道。每另加一个载频，其8个TS全部可用于业务信道。987.3 GSM数字蜂窝移动通信系统主要技术数字蜂窝移动通信系统主要技术 l 7.3.1 话音和信道编码技术l 7.3.2 跳频和间断传输技术l 7.3.3 调制与解调技术l 7.3.4 鉴权与加密技术l 7.3.5 位置登记l 7.

53、3.6 GSM系统的区域与号码l 7.3.7 主要业务99GSMGSM的基带处理的基带处理 话音信号在发送端无线接口的基带处理过程如下图所示，接收端的处理过程相反。语音在MS中的处理过程1001.语音编码2.信道编码3.交织4.突发脉冲的形成5.加密6.调制和解调7.跳频 话音信号在发送端无线接口的基带处理步骤如下：用于GSM系统的信道编码方法有三种：卷积码、分组码和奇偶码。 引入跳频技术主要是出于以下两点考虑：一是引入跳频可减少瑞利衰落的相关性；二是避开特定频段的干扰源。 GSMGSM的基带处理的基带处理1017.3.1 话音和信道编码技术话音和信道编码技术 l 数字化话音信号在无线传输时主

54、要面临三个问题： 一是选择低速率的编码方式，以适应有限带宽的要求； 二是选择有效的方法减少误码率，即信道编码问题； 三是选用有效的调制方法，减小杂波辐射，降低干扰。下面着重讨论GSM系统中话音编码和信道编码中的主要特点。102l GSM采用规则脉冲激励-长期预测编码（ RPE-LTP ）的编码方式，综合运用波形编码和声码器两种技术的优点。l 语音编码器输出20ms帧，260bit，码速率为13kb/s。l 半速率编码还可将速率降低到6.5kb/s。7.3.1 话音和信道编码技术话音和信道编码技术1、话音编码、话音编码1037.3.1 话音和信道编码技术话音和信道编码技术图7-23 GSM系统的

55、编码流程 104l 为了检测和纠正传输期间引入的差错，在数据流中引入冗余，通过加入额外字符来提高信道的抗差错性能。l GSM系统的信道编码方法有卷积码、分组码和奇偶码。7.3.1 话音和信道编码技术话音和信道编码技术2、信道编码、信道编码1057.3.1 话音和信道编码技术话音和信道编码技术图7-24 GSM系统的交织方式 3、交织、交织106456 456 比特交织比特交织三个语音帧A帧（20ms,857=456bit）B帧（20ms,456bit）C帧（20ms,456bit）7.3.1 话音和信道编码技术话音和信道编码技术3、交织、交织107交织在40ms共912bit间进行。当前帧的4

56、56bit分别与第n-1帧后半帧的228bit和第n+1帧的前半帧的228bit交织，即当前帧的1、2、3、4段和n-1帧的5、6、7、8段组成时隙1、2、3、4；当前帧的5、6、7、8段与n+1帧的1、2、3、4段组成时隙5、6、7、8。由此即实现了将912bit码流交织，分散到TDMA帧的8个时隙传输的目的。7.3.1 话音和信道编码技术话音和信道编码技术3、交织、交织1085678123456781234n-1帧10ms当前帧20ms（456bit）n+1帧10ms57时隙1时隙2时隙3时隙4时隙5时隙6时隙7时隙857*240ms（912bit）7.3.1 话音和信道编码技术话音和信道

57、编码技术3、交织、交织109l 一个突发脉冲包含一个语音帧中的两组。l 前后3个比特用于消息界定，随后是26个训练比特，训练比特前后各有1bit的偷帧标志。并携带两段57bit的声音信息。4 4、突发脉冲的形成、突发脉冲的形成TB3信息比特信息比特57F1训练序列训练序列26F1信息比特信息比特57TB3GP8.250.577ms156.25bit普通突发脉冲序列普通突发脉冲序列 7.3.1 话音和信道编码技术话音和信道编码技术1107.3.2 跳频和间断传输技术跳频和间断传输技术 l 1跳频 跳频是指载波频率在很宽频率范围内按某种图案（序列）进行跳变，即在不同时隙发射载频在不断改变。l 跳频

58、技术可以： 1、减少瑞利衰落的相关性。 2、避开特定频段的干扰源。l GSM系统的无线接口采用了慢速跳频技术，在整个突发序列传输期，传送频率保持不变。 111111l 采用每帧改变频率的方法，以提高抗干扰能力，即每隔4.615 ms改变载波频率，亦即跳频速率为1/4.615 ms 217跳/秒。图7-25 GSM系统的跳频示意图 1跳频跳频 1121跳频跳频 l 跳频系统的抗干扰原理与直接序列扩频系统是不同的。l 直接序列扩频是靠频谱的扩展和解扩处理来提高抗干扰能力的，而跳频是靠躲避干扰来获得抗干扰能力的。l 抗干扰性能用处理增益GP表征，GP的表达式为 l 式中：Bw是跳频系统的跳变频率范围

59、； Bc是跳频系统的最小跳变的频率间隔（GSM系统的Bc是200kHz）。 若Bw取15MHz，则Gp=18dB。10lgWPCBGB1132间断传输间断传输 l 为了提高频谱利用率，GSM系统还采用了话音激活技术。l 话音激活控制就是采用间断传输（DTX）技术。l 在没有话音时(VAD,话音活性检测)不发射功率，只是在固定间隔时间发送SID帧 (静寂帧) ，从而使接收端在相应空闲帧中填入“舒适噪声” 。l 使用间断传输（DTX）技术的基本原则是只在有话音时才打开发射机，这样可以减小干扰，提高系统容量，延长移动台的电池使用寿命。1147.3.3 调制与解调技术调制与解调技术 l 1调制技术 调

60、制器接收来自加密单元的比特流，并产生射频信号。 调制方式为高斯滤波最小移频键控（GMSK）。 调制速率近似为270.833kbit/s。1152解调技术解调技术l 解调是调制的逆过程，从受调制的电磁波中还原发送的数据。l 解调器对所收的失真信号，必须做调制数据序列估计。l 为使解调器完成此项工作，在每个突发脉冲序列中都含有一个接收机能识别的预定序列，如训练序列，以便接收机能估计出传播引起的信号失真。1167.3.4 鉴权与加密技术鉴权与加密技术 l 由于空中接口极易受到侵犯，GSM系统为了保证通信安全，采取了特别的鉴权与加密措施。l 鉴权是为了确认移动台的合法性，而加密是为了防止第三者窃听。l