第5章 无线通信系统-1

5.1GSM移动通信系统5.4卫星通信5.3第三代移动通信系统5.2CDMA蜂窝移动通信系统5.5无线局域网第5章无线通信系统5.6其他无线通信系统1

5.1GSM移动通信系统5.1.1概述GSM是GlobalSystemforMobilecommunications(全球移动通信系统)的缩写;是由欧洲电信标准化协会提出的第二代数字蜂窝移动通信系统标准。GSM有三种不同的版本，分别是GSM900、DCS1800(总的可用带宽约是900MHz的三倍，且降低了移动台的最大发射功率)和PCS1900(个人通信系统，主要用于美国)，用户遍布130多个国家和地区。GSM系统采用FDD双工方式，采用TDMA/FDMA多址接入方式，以语音业务为主，也支持无线的数据业务。2

GSM系统由三部分组成，即基站子系统(BSS)【移动台】，网络子系统(NSS)和运营支持子系统(OSS)

。图5-1GSM系统的总体结构3网络子系统(NSS)主要由移动业务交换中心(MSC)、访问用户位置寄存器(VLR)、归属地用户位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)、移动设备识别寄存器(EIR)等几部分构成。4提供各种接口，如与BSC的接口，与内部各功能实体的接口，与PSTN、PLMN等其他通信网络的接口。支持电信业务，承载业务和补充业务支持位置登记、越区切换和自动漫游等其它网络功能MSC的功能-移动业务交换中心整个GSM网络的核心5为其控制区域内移动用户服务的一个寄存器存储进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，并为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR的功能-

访问用户位置寄存器6GSM系统的中央数据库存储每一个相同MSC中所有注册用户的个人信息和位置信息。包括用户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数据，以及漫游移动用户所在MSC区域的有关动态数据HLR的功能-归属地用户位置寄存器7属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理存储鉴权信息和加密密钥，防止非授权用户接入系统和防止无线接口中数据被窃AUC的功能-鉴权中心8存储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）使得网络具有防止非授权用户接入、监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能EIR的功能-移动设备识别寄存器9NMC：网络管理中心DPPS：数据后处理系统PCS：用户识别卡个人化中心SEMC：安全性管理中心 运营支持子系统OSS是负责网络的组织和运行维护，

负责调整所有基站参数和网络计费过程。10运营支持子系统OSS的主要功能如下：

①维护特定区域中所有的通信硬件和网络操作；

②管理所有收费过程；某特定用户的一次具体的呼叫要花费多少钱?同时还存在着大量的不同业务类型和功能选项，每个用户都可以在运营商指定的消费方案中作出自己的个性化选择。

③管理网络中的所有移动设备。如果网络中存在造成全系统干扰的移动终端设备，则这些设备必须被识别出来，并禁止其继续运行于网络中。

OSS支持一个或多个操作维护中心(OMC)。

操作维护中心(OMC)用于管理网络中的所有MS、BTS、BSC和MSC的性能，负责调整所有基站参数和网络计费过程。GSM网络中的每一个任务都有一个特定的OMC负责。11移动台的功能 移动台由SIM卡与物理设备组成，二者是分离的物理设备可以是手持机、车载机或是由移动终端直接与终端设备相连而构成.SIM卡上包含所有与用户有关的无线接口一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息。固化数据：IMSI、Ki、安全算法（A3、A8)临时网络数据：TMSI、LAI、KC、被禁止的PLMN业务相关数据：PIN(个人识别号)

12无线子系统包括基站子系统(BSS)和移动台(MS)两部分。

基站子系统BSS：基站控制器BSC和基站收发信机BTS。通常一个BSC可以控制多个BTS。

5.1.2GSM无线子系统的结构原理13Um接口：BTS与MS之间的接口；Abis接口：BSC与BTS之间的接口；A接口：BSC与MSC之间的接口。GSM系统主要接口14图5-2无线子系统的网络结构示意图15接口管理BTS的管理操作与维护支持呼叫控制切换话务量统计无线链路的测量无线参数及无线资源管理BSC的功能16

基站控制器BSC主要完成如下功能：

(1)接口管理。支持与MSC间的A接口、与BTS间的Abis接口及与OMC间的X.25接口。

(2)BTS之间的信道管理。BSC对BTS间的无线信令链路、操作维护链路进行监测，并对无线业务信道进行分配管理。

(3)无线参数及无线资源管理。无线参数包括BTS载频频率、空中接口是否应用了非连续接收/发射、移动台接入网最小电平设置、逻辑信道与物理信道的映射关系等。无线资源管理(RRM)包括小区内信道配置、专用信道与业务信道的分配管理、切换资源管理等。17

(4)无线链路测量与话务量统计。根据移动台和BTS送上的无线链路测量报告(通过对业务信道的阻塞率、呼叫成功率、越区切换频度等作出统计)，决定是否需调整BTS和移动台的功率或是否需要切换。

(5)控制小区切换。根据小区功率电平、话音质量及干扰情况，选择切换的目的对象，同一BSC控制的小区间切换由BSC完全控制。

(6)支持呼叫控制。通过移动交换中心实现话路连接，还可提供主、被叫排队机制。

(7)操作与维护。收集BSC及BTS告警，并传至OMC，同时更新自身内部资源表，配合OMC实现对BSS的软件升级。18BSC机柜内部结构BSC机柜顶板19BSC主要性能指标20

1)基站收发信机BTS

BTS是服务于某蜂窝小区的无线收发信号设备，通过Abis标准接口与BSC互连，通过Um接口与MS通信，从而实现BSC与MS之间的信息转换。

BTS主要由公共子系统、载频子系统、射频前端子系统和天馈子系统四个功能子系统组成。

BTS中有4类总线：数据总线(DBUS)、控制总线(CBUS)、时钟总线(TBUS)和跳频总线(FHBUS)。21图5-3典型BTS的逻辑功能框图22BTS机框布局23

(1)公共子系统。

公共子系统内配置有：定时/传输和管理单元(DTMU)、环境监控单元(DEMU)、天线与塔放控制单元(DATU)。

信号防护部分主要完成进出机柜信号的防雷保护，包括E1信号、监控信号、开关量信号等扩展信号的防雷防护。

公共子系统主要的功能：E1信号接入和防雷，环境告警采集和监控，基站时钟供给，开关量接入和电调天线控制及塔放馈电等。24

(2)载频子系统。

载频子系统分为基带部分和射频部分。主要功能：实现基带信号处理、射频信号的收发处理、功率放大、支持发射分集和接收分集等。

基带处理部分功能：实现信令处理、信道编译码、交织和反交织、调制与解调等。

射频发送部分功能：实现两个载波基带信号到射频信号的调制、上变频、滤波、射频跳频、信号放大、合路输出等；

射频接收部分功能：实现两个载波的射频信号分路、接收分集、射频跳频以及解调等。25

(3)射频前端子系统。

射频前端子系统通过CBUS3总线与收发信机通信，完成多载波合路输出、收发信号双工、前端低噪声放大器增益控制、支持在线软件升级等功能。

(4)天馈子系统。

天馈子系统是射频信号发射和接收的通道，由天线、馈线、跳线和塔顶放大器等组成。26

馈线：为减少传输损耗，BTS采用低损耗射频电缆，主馈线电缆有7/8英寸(20-80米)、5/4英寸(超过80米)等多种规格可供选择。

天线到馈线、天线到塔放、机柜到避雷器之间采用1/2英寸(20米以内)超柔电缆连接。

天线：位于发射的最后端和接收的最前端的一种转换器，将馈线中传输的电磁能量转换为在空间中传播的电磁波，同时也将在空间中传播的电磁波转换为馈线中传输的电磁能量。天线的类型、增益、方位角等都会影响系统性能。

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塔顶放大器:简称塔放(TMA)，是安装在天线塔顶上的低噪声放大器模块。常选用三工塔放。

功能：将天线接收到的上行信号在经过馈线传输衰耗之前进行放大；

作用：提高系统的上行覆盖范围；

大大降低热噪声，改善了上行信号的传输质量。

提高基站系统的接收灵敏度；

可有效降低手机的发射功率；

提高通话质量。

2)BSS的操作维护子系统

操作维护子系统通过OMC对基站进行远端操作维护的功能，或是通过人机接口(MMI)终端对BSS进行本地近端操作维护的功能。两者都需要BSS操作维护程序的支持。282930

2. 无线子系统的组网

基站子系统BSS组网指的是BTS与BSC的网络连接关系。

由于一个BSC可以控制多个BTS，所以他们之间的连接方式就有不同的形式。此外，一般BSS都内置多种传输方式，可以有E1、STM-1等传输方式，还有外置的卫星传输方式及微波传输方式等，从而提供灵活的组网方式。

按网络拓扑可以分为：星型组网、链型组网、树型组网和环型组网。31

1)星型组网

适用于一般的应用场合，尤其是在城市人口稠密的地区。

优点：组网中每个BTS都有E1线直接和BSC相连，组网方式简单，维护、工程施工、扩容等都很方便。由于信号经过的环节少，因此，线路可靠性较高。

缺点：对传输线的需求量比其他组网方式大。图5-6星型组网示意图32

2)链型组网

适用于呈带状分布的业务区域，或用户密度较小的特殊地区，如高速公路沿线、铁路沿线等。

优点：可以降低传输设备成本、工程建设成本和传输链路租用成本。

缺点：链型组网信号经过的环节较多，线路可靠性较差；上级BTS的故障可能会影响下级BTS的正常运行；

对串联的级数有限制，串联的节点数一般要求不超过5级。图5-7链型组网示意图33

3)树型组网

适用于网络结构、站点及用户密度分布较复杂的情况，比如大面积用户热点地区或小面积用户交错的地区。

优点：传输线的消耗量小于星型组网。

缺点：由于信号经过的环节多，因此线路可靠性相对较低，工程施工难度较大，维护相对困难；上级BTS的故障可能会影响下级BTS的正常运行；扩容

不方便，可能会引起对网络的

较大改造。

树型组网对串联的级数有限制，

一般要求串联不超过5级，

即树的深度不要超过5层。34

4)环型组网

适用于一般的应用场合。环型组网有较强的自愈能力，如果某处的E1损坏，则环型网可以自愈成一个链型网，业务不会受到任何影响。一般情况下，只要路由允许，都应尽可能组建环型网。图5-9环型组网示意图在实际的工程应用中，往往是以上各种组网方式的综合使用。合理地应用各种组网方式，可以在提供合格的服务质量的同时，节省大量的传输设备投资。35

3.无线子系统的信号流

主要有下行业务信号流、上行业务信号流和基站的信令处理信号流三部分。

1)下行业务信号流（BS→MS）

DTMU接收来自BSC的业务数据，然后把业务数据发送给相应的收发信机DTRU。DTRU完成数字滤波，经过射频电路进一步上变频、滤波、放大，

最后把信号传送给DDPU。

DDPU内的双工器对信号进行

双工滤波，然后把信号通过

馈线和塔顶天线发射出去。36

2)上行业务信号流（MS→BS

）

天线接收MS发射的上行信号，经过塔顶放大器TMA对接收信号放大，然后通过馈线传送给DDPU。DDPU完成双工器接收滤波和低噪声放大后，传送给收发信机DTRU。DTRU进一步对信号进行放大和下变频处理，输出至DTMU。DTMU把信号通过Abis接

口传输给基站控制器BSC。37

3)基站的信令处理信号流

Abis接口接收来自BSC信令面的数据，并把这些信令数据转发给DTMU。DTMU对信令进行判决和处理，然后把信令传送给DTRU、DDPU。DTRU、DDPU分别把单元状态信息上报给DTMU。DTMU收集所有单元的状态信息后，进行分析和处理得出BTS的状态，然后把BTS状态通过Abis接口传送给BSC。38

4.BTS软件结构

1)信令处理软件

信令处理是BTS业务处理的核心内容，完成BTS的绝大部分业务处理功能。信令处理软件运行于DTRU上。

2)基带信号处理软件

运行于DTRU上，并与DTRU数字信号处理部分一起实现无线信道上的语音、数据和信令的编码、译码以及接收信号的解调工作。

3)操作维护和传输设备控制软件

运行于DTMU上，是BTS软件的公共控制部分。传输设备控制软件：控制BSC和BTS之间的地面传输链路。395.1.3GSM系统的主要规格参数

GSM系统的主要规格参数如表5-1所示。40GSM无线接口（Um接口）Um接口频率规划GSM系统频点分配Um接口物理信道物理信道帧结构突发脉冲种类与功能Um接口逻辑信道逻辑信道的作用逻辑信道的分类逻辑信道的功能逻辑信道的组合41

1.TDMA/FDMA多址接入方式

GSM蜂窝系统采用时分多址、频分多址和频分双工(TDMA/FDMA/FDD)体制。每载频带宽为200kHz。

对GSM900，将25MHz的频段分为125个射频信道，去掉上下各一个100kHz的保护带宽，实际可用的射频信道是124个。这124个射频信道以绝对射频信道号(ARFCN)标识。一个ARFCN代表一对前向和反向射频信道。

对GSM900，前向和反向信道的频率间隔为45MHz；对DCS1800和PCS1900，前向和反向信道的频率间隔为95MHz。42每载波都在时间上划分成时隙(TS)，一个时隙号码和ARFCN相结合构成前向链路和反向链路中的一个物理信道。一个时隙的时间宽为0.577ms，8个时隙构成一个TDMA帧，一个TDMA帧长为4.615ms。43GSM无线接口几个基本概念：突发脉冲序列：占有一个限定的持续时间和占有限定的无线频谱，它们在时间和频率窗上输出时隙是隙缝的时间间隔，它的持续时间被用于作为时间单元BP，意为突发脉冲序列周期（BurstPeriod）.使用一个给定的信道就意味着在特定的时刻和特定的频率中传送突发脉冲序列200KHz带宽称为频隙，相当于GSM规范书中的无线频道，也称射频信道TDMA帧通常被表示为接连发生的i个时隙。GSM系统目前采用全速率业务信道，i取为844突发脉冲（Burst）GSM的每个载频是时分复用，每个载频分给八个全速