GSM基础理论培训教材(无线部分)

运建部集中维护中心GSM基础理论培训教材一、GSM综述背景八十年代初欧洲邮电管理会议CEPT成立了命名为“移动通信特别小组”“GroupSpecialeMobile”的小组，规划了一个公共移动系统，该系统也称为GSM，即我们目前所用系统。GSM目前最常见解释为全球移动通信系统（GlobalSystemforMobilecommunications)GSM技术规范GSM系统的特点频谱效率高容量大抗干扰能力强，话音质量好开放的接口安全性：鉴权、加密和TMSI号码的使用。与其他网络的互连：标准信令接口如ISUP、TUP等实现。漫游功能：GSM可提供全球漫游功能电信业务：

GSM的主要业务，包括电话、紧急呼叫、三类传真以及短消息业务承载业务：移动数据业务补充业务：种类较多，如呼叫转移、线路识别、呼叫等待、呼叫保持、多方会话等GSM系统提供的业务二、GSM通信系统GSM系统分成三个部分：网络交换子系统（NetworkSwitchingSubsystemNSS）；基站子系统（BaseStationSubsystemBSS）；移动台（MS）。还有附加的网络管理子系统（NetworkManagementSubsystemNMS），又叫操作维护中心（OMC--Operation&MaintenanceCenter）。网络子系统NSS是整个GSM系统的核心。它对GSM移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换连接与管理的功能。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组成部分，它通过无线接口直接与移动台相连负责无线信息的发送接收，无线资源管理及功率控制等，同时它与NSS相连实现移动用户间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信息和用户信息等。网络管理子系统NMS负责NSS和BSS系统维护管理工作。GSM系统组成GSM系统组成GSM系统组成TMSC：专门用于转接话务的移动交换中心。GMSC：移动关口交换中心，主要用于和其它电信运营商设备的互联互通。MSC：整个交换网络的核心，完成或参与NSS的全部功能。对呼叫进行控制与接续，提供计费信息并协调控制整个网络中的各个功能实体。VLR：拜访位置寄存器，VLR是服务于其控制区域内移动用户的数据库。存储进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR通常与MSC合设在一起。HLR：归属位置寄存器，专门存储本地移动用户数据的静态数据库。包括用户识别号码，访问能力，用户类别和补充业务等数据。同时也存储移动用户所在VLR区域的有关动态数据。AUC：鉴权中心，AUC存储着鉴权信息和加密密钥，防止无权用户接入系统和防止无线接口数据被窃。EIR：设备识别寄存器，EIR存储着移动设备的国际移动设备识别码。IMEI通过核查三种表格：白名单、灰名单、黑名单，使网络具有防止无权用户接入。监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能。网络交换子系统基站控制器BSC：BSC是基站子系统BSS的控制部分。主要完成接口管理，BTS--BSC之间的地面信道管理，无线参数及无线资源管理测量和统计切换支持呼叫控制操作与维护等功能。基站收发信台BTS：BTS受控于基站控制器BSC。属于基站子系统BSS的无线部分，是服务于某小区的无线收发信台设备。实现BTS与移动台MS空中接口的功能，BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三部分。基带单元主要用于话音数据速率适配以及信道编解码等。载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机间的耦合。控制单元则用于BTS的操作与维护。

基站子系统移动台MS移动台MS就是移动客户设备部分，由移动终端MS和客户识别卡（SIM）组成。网络管理子系统NMS通过网络管理子系统实现对GSM网内各设备功能的告警监视、状态报告、故障诊断、配置管理、事件管理等功能，主要是基于TMN（电信管理网）和数据库技术的。移动台和网络管理子系统三、GSM关键技术使用频段、双工间隔：GSM900：890~915MHz（上行）、935~960MHz（下行），双工间隔：45MHz，带宽：200KHzGSM1800：1710~1785MHz（上行）、1805~1880MHz（下行），双工间隔：95MHz，带宽：200KHz频道配置：1－124共124频道号，可以计算标称中心频率干扰保护比（载干比C/I）：

同频道载干比C/I>=9dB

邻频道载干比C/I>=－9dB工作频段的分配蜂窝的概念和频率复用蜂窝是将整个服务区划分为若干个无线区，每个小无线区分别设置一个基地台负责本区的移动电话通信的联络和控制。实现小区之间移动台通信又可在移动电话交换局的统一控制之下。每个小区使用一组频道，邻近的小区使用不同的频道。由于小区内基地台服务区域缩小，所以在整个服务区中，同一组频道可以多次重复使用。因而大大提高了频率利用率。另外，在区域内可根据用户的多少确定小区的大小。随着用户数目的增加，小区制具有相当大的灵活性，可以继续缩小，即“小区分裂”以便适应用户的增加，因此小区制具有相当的灵活性。这样，小区制解决了大区制中所存在的频道有限和用户不断增加的矛盾，小区缩小可使用户量大大增加。除此之外，由于基地台服务区域缩小，移动台和基地台的发射功率减少，同时也减少了电台之间的相互干扰。但是，在这种结构中，移动用户在通话过程，从一个小区转入另一个小区的概率增加，移动台需要经常更换工作频道，而且，由于增加了基地台的数目，所以带来了控制交换复杂，建网的成本也高。工作频段的分配频率复用技术是指同一载频的无线信道用于覆盖不同的区域，这些区域彼此相隔一定的距离，以便把频率干扰控制在系统允许范围内，这样作的结果相当于宝贵的频率资源获得再生。在按蜂窝结构的移动网中，蜂窝小区是以N个正六边形组成群，各蜂窝小区群可以按一定的规律使用相同的频率组。假设每个群有N个小区，则需用N组频率。频率复用结果，使系统内部必然会产生频率干扰，因此必须采取抗干扰措施，使频率干扰控制在系统允许范围内。根据GSM体制的推荐，GSM无线网络规划基本上采用4*3频率复用方式，即每4个基站为一群，每个基站分成3个三叶草形60°扇区或3个120°扇区，共需12组频率。因为这种方式同频干扰保护比C/I能够比较可靠的满足GSM标准的要求。工作频段的分配工作频段的分配A3A2A1A3A2A1D3D2D1C3C2C1C3C2C1D3D2D1A3A2D3D2D1A1B3B2B1C3C2C1B3B2B1B3B2B1C3C2C1B3B2B1C3C2C1A3A2A14*3频率复用方式移动通信系统必须尽可能有效利用分配的频率，多址技术就是提高频率资源利用率，使共用公共信道成为可能的技术。分为：FDMA、TDMA、CDMA和SDMA四种。多址技术时间功率频率25kHz时间频率功率123456200kHz频率功率时间1.23MHzMSMSMSBTS空间传播路径不同，波束形成智能天线，多个波束覆盖整个小区，智能天线可定位于每个MSTDMA信道GSM信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就是一个时隙（TS），而逻辑信道是根据BTS和MS间传递的信息种类而定义的，逻辑信道是通过映射到物理信道完成信息传送的。物理信道：一个载频上的TDMA帧的一个时隙称为一个物理信道。GSM中每个载频有8个物理信道,信道0～7(时隙0～7)。在一个TS中发出的信息称为一个突发脉冲序列。逻辑信道：分为业务信道、控制信道TDMA帧TDMA帧4.615msTDMATDMA第n帧TDMA第n+1帧TDMA第n+2帧FDMA200kHz12312312425MHzChannel890上行915FDMA200kHz12312312425MHzChannel935下行960时隙577μs124信道×8时隙=922双工信道逻辑信道业务信道（TCH）：用于传送话音或用户数据控制信道（CCH）：用于传送信令或同步数据。分广播、公用及专用控制信道（1）广播控制信道：频率校正信道（FCCH）、同步信道（SCH）、广播控制信道（BCCH）。FCCH：此信道供用户传送校正MS频率的信息。SCH：此信道传送给MS的帧同步(TDMA帧号)和BTS的识别码(BSIC)的信息。BCCH：此信道广播每个BTS的通用信息(小区特定信息)。TDMA帧（2）公共控制信道：寻呼信道（PCH）、随机接入信道（RACH）、允许接入信道（AGCH）PCH：此信道用于寻呼(搜索)MS。下行。RACH：MS通过此信道申请分配一个SDCCH,它可作为对寻呼的响应或MS主叫登记时的接入。上行。AGCH：此信道用于为MS分配一个SDCCH。下行。

（3）专用控制信道：独立专用控制信道（SDCCH）、慢速随路控制信道（SACCH）、快速随路控制信道（FACCH）SDCCH:用于在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。例如登记和鉴权在此信道上进行。TDMA帧SACCH:与一个业务信道TCH或一个独立专用控制信道SDCCH相关。它是一个传送连接信息的连续数据信道;如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台参与的切换功能是必要的,它还用于MS的功率管理和时间的调整。FACCH:与一个业务信道TCH相关。FACCH在话间传输过程中,如果突然需要以比慢速随路控制信道SACCH所能处理的高得多的速度传送信令信息,则借用20ms的话音(数据)突发脉冲序列来传信令。这种情况通常在切换时使用。由于话音译码器会重复最后20ms的话音,所以这种中断不被用户查觉。TDMA帧突发脉冲序列定义：FDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。分类：普通突发脉冲序列（NB）：用于携带TCH及除RACH，SCH和FCCH以外的控制信道上的信息。频率校正突发脉冲序列（FB）：用于移动台的同步。相当于一个带载频的未调载波。同步突发脉冲序列（SB）：用于移动台的时间同步。接入突发脉冲序列（AB）：用于随机接入。空闲突发脉冲序列（DB）：不携带任何信息。TDMA帧TDMA帧普通突发脉冲序列NBTB3加密比特5711训练比特26加密比特57TB3GP8.250.577ms156.25bits一个帧中的时隙布局为：有两个58比特的用户信息脉冲串，其中57比特传送用户信息，1比特是用来识别传输的话音，“0”比特状态表示话音信息，“1”表示被快速随路信令借用。在时隙的中间有26个比特的训练脉冲串，在时隙的开始和结束均有3个比特的逻辑零的尾位。GP：保护间隔8.25bit大约30μs，是一个空白空间。由于每个信道最多有8个用户，我们必须保证它们使用各自时隙时不互相重叠。TDMA帧频率校正突发脉冲序列FBTB3固定比特142TB3GP8.25

0.577ms156.25bit142固定比特：为“0”bit状态下的载频f0

+67.5kHzTDMA帧同步突发脉冲序列SBTB3加密比特39同步序列64加密比特39TB3GP8.250.577ms156.25bit39加密比特：25bit信息位+10bit奇偶校验+4bit尾比特，再经过1:2卷积编码，得到总比特数78bit。其中25bit信息位由两部分组成：6bit基站识别码信息BSIC信息+19bitTDMA帧号。TDMA帧接入突发脉冲序列ABTB3同步序列（41）加密比特36TB3GP68.250.577ms156.25bit36加密比特：其中有8bit的信息位（3bit为接入原因，5bit为随机鉴别器），加上6bit奇偶校验，再加上4bit的尾比特，总数为18bit。最后经过1:2的卷积编码得到36bit。TDMA帧突发脉冲序列与TDMA帧01234567

数据训练数据5712515733突发脉冲序列148bit156.25bit0.577ms逻辑信道到物理信道的映射BCCH与CCCH在TS0上的复用TDMA帧FSBBBBCCCCFSCCCCCCCCFSCCCCCCCC…I012…701…70…BCCH与CCCH在TS0上的复用下行链路TS0上RACH的复用TDMA帧

012…701…70…RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRTDMA帧RACH上行链路SDCCH和SACCH在TS1上的复用TDMA帧012---7012------701-----TDMA帧A5A6A7111D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2

A3111D0D1D2D3D4D5D6D7A7SDCCH+SACCH上行链路TDMA帧SDCCH+SACCH下行链路D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3111

D0D1D2D3D4D5D6D7A4A5A6A7111012---7012------701-----TDMA帧TCH在TS2—TS7上的复用TDMA帧

TTTTTTTTTTTTATTTTTTTTTTTTITDMA帧

TCH

下行链路012…7012…7012…A为控制时隙I为空闲时隙TCH上下行偏移TDMA帧下行

C0上行

C0

0101234567012345670123456701234567BTS到MSMS到BTS偏移GSM的上、下信道TDMA帧上行链路下行链路-------PCH+BCCH（寻呼）（系统信息）RACH（随机接入）AGCH（指配专用控制信道）SDCCH+SACCH（信令程序）（测量）SDCCH+SACCH（信令程序）（测量）TCH+SACCH（话音或数据业务或信令程序）（测量）TCH+SACCH（话音或数据业务或信令程序）（测量）TDMA分级帧结构一个超高帧，每个超帧持续时间为6.12秒，一个超帧又可分为复帧，复帧有两种类型：26帧的复帧：一个复帧有26个TDMA帧。51个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧包含用户业务信道，慢速随路控制信道（SACCH）和快速随路控制信道（FACCH）。51帧的复帧：一个复帧有51个TDMA帧。26个这样的复帧组成一个超帧，这种复帧用于广播控制信道（BCCH）和公共控制信道（CCCH）。TDMA帧01234562042204320442045204620470123474849500125240123222324250123474849500123456701234567012345670123456701234567012345671超高帧=2048超帧=2715648TDMA帧1超帧=1326TDMA帧（6.12秒）（=51（26帧）的复帧或26（51帧）的复帧）1（26帧）的复帧=26TDMA帧（120毫秒）1（51帧）的复帧=51TDMA帧（3060/13毫秒）012TDMA复帧自由空间的传播衰落

LS=33.4＋20lgf＋20lgd，实际无线电波传播Okomura或Egli模型更接近。衰落和干扰多径衰落或瑞利衰落，也称快衰落：移动台因受到高大建筑物的阻挡、反射、电离层的散射的影响，收到的信号往往不是直接波，而是从各种途径来的散射波（称为多径效应），相位和幅度随机，出现严重的衰落现象。阴影衰落，也称慢衰落：移动台受障碍物阻挡造成电磁场阴影，产生阴影效应，致使接受信号强度下降。远近效应：移动通信是在运动过程中进行通信，则大量移动台之间会出现近处移动台干扰远距离邻道移动台的通信，一般要求移动台的发射功率进行自动调整，同时因通信距离迅速改变，则移动台的收信机应有良好的自动增益控制。强干扰：移动台通信环境变化很大，太空粒子、车辆噪声和其他干扰。多卜勒效应：当频率增高，移动速度加快时，频谱延展，多卜勒效应很明显。路径的损耗和衰落分集技术分集技术是一项主要的抗衰落和干扰技术，它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性。对无线传输可靠性影响最大的是各类快衰落，他们是空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落，分集技术是一种极为有效的抗衰落措施。分集技术充分利用传输中的多径信号能量来改善传输的可靠性。为在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可通过空域、频域和时域不同角度、不同方法与措施来加以实现。

依分集的目的可分为：宏观分集：抗长期（慢）衰落为目的；微观分集：抗短期（快）衰落为目的。依信号传输的方式可分为：显分集：构成明显分集信号的传输方式，多指利用多付天线接收信号的分集；隐分集：分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集。分集技术显分级技术分类空间分集：利用在空间相距为d的多付天线接收信号来实现分集。当工作波长为λ时，要求d≥λ/2，以保证多付天线之间接收路径的独立性。极化分集：可利用垂直/水平极化的正交性来进行两路分集。时间分集：要求T>TC，即重发信号的间隔时间T要大于信道相关时间TC，以保证重发信号在时域上的独立性。移动通信系统中，常采用交织编码技术来达到时间分集的目的，其交织编码的深度应大于信道相关时间。频率分集：将待发送的信息分别调制在不同的载波上发送，要求不同的载波之间的间隔足够大。载波间隔△f要大于频率相关带宽，即△f≥△F。

显分集合并技术：最大信噪比准则（选择合并，最大比合并、等增益合并），最大眼图准则、最小误字率准则。

分集技术隐分级技术分类依传输信号的方式不同，可实现时间隐分集和频率隐分集。所采用的技术主要有交织编码技术，跳频技术和直接序列扩频技术。交织技术：交织编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码（FEC）技术消除随机差错。跳频技术：信号时隙的承载频率不断跳变，以达到抗衰落和干扰的技术。如抗同频干扰、抗频率选择性衰落等。跳频分为基带跳频（信号以在分配不同频点的载频上跳变传送）和合成器跳频（信号以在同一载频上频率跳变传送）。扩频技术：接收机利用多径信号中含有可利用信息这一特点，通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。通常采用RAKE接收机来实现。RAKE接收机是通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。时间色散和均衡时间色散：信号传播过程中由于反射原因，在传播时间有滞后，造成直射信号和反射信号间码子的相互干扰。采用自适应均衡技术来解决由于时间色散造成的码间干扰。均衡技术：频域均衡：通过幅频特性和群时延校正，达到信号无失真传输时域均衡：时间响应考虑满足整个系统无码间干扰，由于GSM信号是时变系统，因此，采用时域均衡，主要通过横向滤波器来实现。（训练序列的应用）时间提前量下行

C0上行

C0

0101234567012345670123456701234567BTS到MSMS到BTS偏移时间提前量接入突发序列的时延基站移动台时间下行线时延总时延

基站不断测量自己脉冲时隙与收到的MS时隙之间的时间偏量，基于这个测量，它可以向MS提供要求的时间提前量，并在SACCH上以每秒2次的频度通知MS。时间提前量在0－63个比特的任意值，63比特是调整的最大值，也是BTS和MS最大距离，也即GSM最大范围：3.7us×63×3×10^8m/s=70km。话音编码是信源编码，是将模拟话音信号变成数字信号以便在信道中传输，数字移动通信中GSM系统采用规则编码激励长期预测编码（RPE－LPT）。话音编码器的类型：波形编码（抽样、量化、编码），参量编码（提取语音特征参量），混和编码。GSM采用的规则脉冲激励长期预测编码（RPE－LTP）就是一种混和编码。规则脉冲激励长期预测编码:RPE-LTP(RegularPulseExcited–LongTermPrediction)：在有声段，进行语音编码产生编码语音帧。在无声段，接收端根据接收到的SID帧中的信息在无声功能期间内插入“舒适噪音”。这种语音间断传输方式称为DTX（DiscontinuousTransmission）。话音编码GSM系统语音编码数模变换部分：模拟语音进行13比特均匀量化的信号送至线性预测编码分析。线性预测编码分析：语音信号具有慢变化特征，对于大多数语音来说可以认为其激励和声道的特性在10－20ms内保持不变，语音信号的这种慢变化特征对于语音特征的提取和构造语音产生模型来说是有利的。规则脉冲编码：(RPE)，波形编码是用一组在位置上和幅度上都优化的脉冲序列来代替残差信号。这样每个子帧种供有6＋3×13＝45比特，20ms共有4×45比特＝180比特。每20ms将160个语音样本编码后为260比特话音编码话音编码3571265738.25时隙=156.25比特=577μs速率=270.833kb/s帧=8时隙=4.62ms12121324*I24帧：用户信息，*：系统控制信息，I：空闲。话音帧的复帧复帧=120ms信道编码主要是为了纠错，这种方式也称为前向纠错FEC（ForwardErrorCorrecting）。在移动信道上，误码也有两种类型，一种是随机性误码，它是单个码元错误，并且随机的发生，主要由于噪声引起。另一种是突发性误码，即连续数个码元发生差错，亦称群误码，主要是由于衰落或阴影造成的。信道编码是在数据发送之前，在信息码元中再增加一些码元－－冗余码元，也称为监督码元或检验码元，供接收端纠正或检出信息在信道中传输是为干扰，噪声或衰落所造成的误码。监督码元的增加就称为信道编码。信道编码主要有两种，即分组码和卷积码。卷积码是一种特殊的分组码，即任一组的监督码元不仅域本组信息码有关，而且和前面若干组的信息码元有关。因此码元分组是信道编码的基本格式。

信道编码GSM系统信道编码编码器每20ms的语音段产生260比特，并把它分成：50个最重要比特，加上3个奇偶校验比特，132个重要比特，加上4个尾比特，一起按1：2比率进行卷积编码，得到378比特，另外还有78比特不予保护，总计456比特。交织编码：把编码器40ms的输出共2×456＝912比特组成8×114的矩阵，横向写入，然后纵向读出，即共可取出8帧，每帧为114比特的数据流，所以这个交织要有40ms延时，把编码的数据分成8帧，将114比特分成两段，中间插入26比特的训练比特，是一串已知的比特，供均衡器用于产生信道模型，以消除时间色散的方法。训练比特可以不同的序列，分配给小区中使用相同频率的正向信道，以克服它们之间的干扰。信道编码为了提高系统信道编码及交织的有效性，可以采用跳频技术，跳频的原理是所有移动台依据从一个算法中导出的频率序列上发送它的时隙。移动台在一个时隙上发射或接收，下一个时隙又跳到另一个频率上发射或接收。支持广播控制信道（BCCH）的物理信道不跳。跳频主要是通过频率分集和干扰分集实现系统增益提升。跳频参数移动分配(MA，即MobileAllocation)：此参数告知移动台跳频系统所使用的频率集，应满足频率复用与区群结构的关系。移动分配偏离指示(MAIO，即MobileAllocationindicationoffset)：此参数告知移动台跳频系统使用的第一个频率。调频序列号(HSN，即HoppingSequenceNumber)：此参数告知移动台所使用的调频序列算法，其范围是0~63。跳频技术跳频技术时帧时间频率f0

f1

f2f3f4时隙跳频分类：每个收发信机停留在一个频率上，而是将基带数据通过交换矩阵切换到相应的收发信机，从而实现跳频。合成器跳频是改变频率合成器的频率，是无线收发信机的工作频率由一个频率调到另一个频率。在实际跳频系统中，每个基站只能使用一种跳频模式。每个移动台在每一TDMA帧中只发送和接收一次业务突发，其余的时间，还可以监听网内的控制信息：SACCH中的功率控制和定时信息，BCCH中的同步及系统信息。移动台要监听的本小区和周围小区的BCCH信息。移动台要在SACCH中发送周围小区的信号强度信息，以及本小区信道传输的信号质量信息。跳频技术加密技术数字移动电话系统为了保护用户和网络运营者的合法性，采取了以下安全措施。接入网络对移动终端要鉴权。无线传输要进行加密。采用临时移动用户识别码提高网络安全性。对移动设备进行设备识别，以保证系统中使用的设备不是盗用或非法的设备。 加密鉴权过程加密算法A8鉴权算法A3KcSRESRANDRANDSRESKcKiIMSI2KiIMSI1RAND产生随机数数据库IMSI和鉴权结果