GSM网络原理解析

GSM网络原理吉安分公司网优中心2012年10月内容介绍移动通信技术的演进无线传播原理GSM网络结构GSM识别号 GSM物理信道GSM简单呼叫流程目录

数字技术IMT-2000(ITU)UMTS(WCDMA,TD-SCDMA),CDMA2000第二代19902000第一代第三代数字技术例如:GSM,CDMA(IS-95)模拟技术例如:TACS,AMPS移动通信技术的演进全球移动通信系统移动通信技术的演进在开始下面的课程之前，我们首先了解一下多址接入的概念，常用的多址接入根据不同的特点可分为：FDMA、TDMA、CDMA。FDMA:频分多址技术，即不同的用户占用不同的频率，通过不同的频率来区分不同的用户。

TDMA:时分多址技术，即不同的用户占用不同的时间，通过不同的时间段来区分不同的用户CDMA:码分多址技术，所有的用户都占用同样的时间和频率，但之间有不同的特征。这个特征为不同的编码频率时间功率TDMA多址接入技术FDMA频率时间功率CDMA时间频率功率Code1Code2CodeN移动通信技术的演进移动通信技术的演进第一代移动通信系统是模拟移动通信系统，主要以英国的TACS和美国的AMPS(AdvancedMobilePhoneSystem)为主。它们都是双频、双工

模拟移动通信系统，采用频分多址技术（FDMA）

特点：

1、系统容量小。

2、频谱利用率低。

3、保密性能差。

4、不同的国家采用不同的频段等原因造成国际漫游受阻。

5、各系统之间没有公共接口，很难开展数据承载业务。移动通信技术的演进第二代移动通信系统是数字移动通信系统，主要以欧洲的GSM和美国的CDMA(IS-95)为主。GSM采用时分多址技术（FDMA+TDMA）；CDMA(IS-95)采用码分多址技术（CDMA）。

特点：

1、具有开放的接口和统一标准，容易扩容功能和开发新业务。

2、频谱利用率相对较高，系统抗干扰性较强。

3、通过语音加密，保密性能强。

4、在采用GSM的国家之间能够实现国际漫游。

5、可以获得更好的通话质量。 目前们采用的频段为：890~915和935~960，双工间隔45MHz，移动通信技术的演进我国陆地蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz与1800MHz频段:GSM900MHz频段为：890~915(移动台发,基站收),935~960(基站发,移动台收);DCS1800MHz频段为：1710~1785(移动台发,基站收),1805~1880(基站发,移动台收);GSM绝对频道号ARFCNGSM900主频段（P-GSM）上行：Fl=890+0.2N（MHz）（1N124）（两个频点之间的间隔为200KHZ）下行：Fu=Fl+45（MHz）GSM扩展频段（E-GSM）上行：Fl=890+0.2（N-1024）（MHz）下行：Fu=Fl+45（MHz）（975N1023）DCS1800频段上行：Fl=1710.2+0.2（N-512）（MHz）下行：Fu=Fl+95（MHz）（512N885）移动通信技术的演进第三代移动通信系统是数字移动通信系统，主要以欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000以及我国的TDS-CDMA为主。

特点：

1、每一用户由不同的码来区分，所有用户分享同样的频谱资源，频 普利用率更高。

2、系统有很高的抗干扰性、抗衰落性、保密性3、采用软切换及更软切换技术，减少掉话

4、采用Rake多径分集接收技术，有效利用多径传输来的信号，提高系统的接收性能5、采用快速功率控制，快速准确的闭环功率控制有效地降低近-远效

效应，提高系统容量

6、数据传送速率大123电信联通移动

2G网络GSM900上行890-909，下行935-9542G网络GSM1800上行1710-1725，下行1805-18203G网络TDA频段2010-2015，F频段1880-1920，E频段2300-2400三大运营商2G和3G的频段划分现状

2G网络CDMA1X上行825-835，下行870-8803G网络CDMAEVDORELA上行825-835，

下行870-880；上行1920-1935，下行2110-2125

2G网络GSM900上行909-915，下行954-9602G网络GSM1800上行1745-1755，下行1840－18503G网络WCDMA上行1940-1955，下行2130-2145移动通信技术的演进内容介绍移动通信技术的演进无线传播原理GSM网络结构GSM识别号 GSM物理信道GSM简单呼叫流程GSM网络原理课程进度2.1电波传播2.2传播模型2.3天线系统2.4GSM系统分集技术2.5干扰2.6抗干扰措施2.7无线链路平衡无线链路传播电波传播理论是一门严谨的科学

无线电波传播理论问题：移动通信比较固定通信有那些特殊性呢?多径无线传播无线路径是一个很复杂的传播媒介手机发射功率有限手机的发射功率客观限制了蜂窝小区的服务范围手机电池寿命和对人体危害决定了发射功率大小频率资源有限带宽一定信道编码等占用额外频率资源频率需要被重复利用==>产生同频干扰用户行为的不确定性移动通信环境多径传播阴影效应地形、地貌反射信号的相互干扰无线信道特点强烈的信号反射会带来无法容忍的信号时延反射信号落在接收机均衡器时间窗口内，可以容忍否则，就会产生信号交叠自干扰直射信号弱，反射信号强均衡器时间窗口16s信号强度延迟时间长距离反射，反射信号落在均衡器窗口外:==>干扰效应反射均衡－多径衰落均衡当多径之间的路程小于4.4公里时，GSM的均衡能力都可以将其认为是同一个信号，否则会导致干扰。慢衰落(正态衰落)传播路径上大的阻挡物引起的阴影效应快衰落(瑞利衰落)几路信号破坏性的叠加“衰落谷点”,“信号黑洞”+100-10-20-30012345m电平(dB)920MHz

v=20km/h信号衰落timepower2sec4sec6sec+20dBmean

value-20dB正态衰落瑞利衰落信号衰落自由空间信号传播

信号强度随距离指数倍衰减镜面反射漫反射

反射

镜面反射信号强度:A-->*A(<1)相位:

-->-材料的偏振性决定相位的变化

漫反射信号强度:A-->*A(<<1)相位:

-->随机相位偏振性影响:随机

D电波传播

吸收效应

深度信号衰减相位变化因材料而异去偏极衍射

锲型模型刀刃模型多刀刃模型AA-5..30dB电波传播频率越高，空间传播损耗越大频率越高，穿透能力越强频率越低，衍射能力越强室内衍射信号的强度要高于穿透信号的强度电波传播常用单位辨析日常表征功率常用w、mw等单位，但是在实际工作当中不方便，于是引入了dBm，dB，dBi，dBd等单位定义：发射功率P为1mw时，折算为dBm后为0dBm公式为：10*log（P/1mw）

1w=30dBm5w=37dBm

2w=33dBm10w=40dBmdBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。dBi=dBd+2.15常用于天线增益dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）1,Okumura-Hata（奥村模型）经验公式适用于大范围的传播预测（5-20Km）一般不用于小范围传播预测（<1km）2,Walfish-IkegamiModel适用于小范围传播预测（<1km）传播预测模型其中f 频率，单位为MHz150--2000h 基站天线高度[米]30--200a(h) 手机天线高度的函数d 手机和基站之间的距离[公里]L路径损耗dBA=69.55,B=26.16(150..1000MHz)A=46.3,B=33.9(1000..2000MHz)不同地貌的衰减因子奥村模型市区 小区半径小,信号衰减很大森林 信号被强烈阻挡或吸收影响随季节不同而变化开阔田地 信号传播容易，接近自由传播水面 信号传播非常容易，应特别注意信号的水面反射!大山体 信号被反射冰川信号被强烈反射，容易引起严重干扰山丘 可以有效用于小区分界，降低干扰地物地貌类型适用于市区复杂情况下微蜂窝传播预测假设市区建筑规则分布总的信号传播损耗包括3大部分：直线传播损耗LLOS屋顶到街道信号损耗LRTS手机周为环境损耗LMShwbdWalfish-Ikegami模型时间分集频率分集空间分集极化分集多径分集编码,交织跳频多单极化天线双极化天线均衡器tfGSM系统的分集技术分集增益取决于环境分集增益能增加覆盖吗?天线分集

可以获得3-5dB信号增益 相当于可以容忍更大的路径损耗 获得更大的有效覆盖范围RR(div)~1,3RA 1.7A覆盖面积扩大70%

以上估算基于传播环境平坦而言分集带来的好处信号=

所有有用信号 carrier

所有无用信号 interference=GSM标准:同频：C/I>=9dB，工程上:C/I>=12dB

邻频：C/I>=-9dB

，工程上：C/I>=-6dB

400K邻频：C/I>=-41dB，工程上：C/I>=-38dB有用信号环境噪声其他信号干扰信号质量下降比特误码可修复: 信道编码,纠错不可修复: 相位失真干扰的影响接收质量（RXQUALparameter）接收质量等级（0...7）RXQUAL MeanBER BERrangeclass (%) from...to0 0,14 <0,2%1 0,28 0,2...0,4%2 0,57 0,4...0,8%3 1,13 0,8...1,6%4 2,26 1,6...3,2%5 4,53 3,2...6,4%6 9,05 6,4...12,8%7 18,1 >12,8%较好

不可容忍好可以接受GSM系统信号质量多径信号(回声效应)频率复用的同邻频干扰外部干扰

网络质量的提高更要注意网络干扰的有效控制

尽可能降低网络的干扰干扰源科学的频率分配方案合理的站点布局天线下倾和方位角合理调整合理的天线型号非法干扰源的排除合理的参数控制，包括跳频、非连续发射、功率控制降低干扰的方法good

locationbad

locationFH（跳频）一种分集技术,“副作用”就是分担了网络干扰效果

==>更少的衰落谷点 解码增益 干扰分集DPC（自动功率控制）原理：评估信号电平和质量DTX（不连续发射）语音间隙关闭发射机。。。。。。。。。降低干扰的方法一种分集技术对抗快衰落对静止和慢速移动用户效果明显基带跳频min.=3TRX射频跳频分周期和随即跳频宽带合路器支持第一个TRX除外（BCCH）频率分集本来是针对静止用户抗快衰落的，由此却产生了抗干扰效果跳频延长电池寿命降低网络干扰可变步长和固定步长包括上行功控和下行功控电平和质量驱动BSC是总判决者时间信号电平目标电平值：

e.g.-85dmBCCH载频不参加功率控制功率控制DTX:不连续发射在语音间歇期关闭发射仅发射SIDframes接收端码变换器产生舒适燥声DTX:下行没有使用，上行在使用延长电池寿命降低干扰不连续发射课程进度2.1电波传播2.2传播模型2.3天线系统2.4GSM系统分集技术2.5干扰2.6抗干扰措施2.7无线链路平衡无线传播链路什么是链路平衡?双向通信系统中需要考虑链路平衡不同于电台或电视台等单向通信系统原则上下行传播损耗相同:

downlink=uplink上下行链路必须平衡传播链路平衡链路预算第一步：根据手机的发射功率计算最大路径损耗第二步：计算基站的最大发射功率第三步：设定信号门限第四步：计算小区半径传播链路平衡链路预算第一步：根据手机的发射功率计算最大路径损耗第二步：计算基站的最大发射功率第三步：设定信号门限第四步：计算小区半径传播链路平衡链路预算第一步：根据手机的发射功率计算最大路径损耗第二步：计算基站的最大发射功率第三步：设定信号门限第四步：计算小区半径链路预算链路预算第一步：根据手机的发射功率计算最大路径损耗第二步：计算基站的最大发射功率第三步：设定信号门限第四步：计算小区半径举例：假如墙体损耗22db，人体损耗4db，慢衰落冗余8.5db那么：覆盖门限可以定义为：-102+22+8.5+4=-67.5dbm根据上面计算，天线出口功率为50dbm路径损耗为50-（-67.5）=117.5db，根据hata模型计算小区半径：链路预算内容介绍移动通信技术的演进无线传播原理GSM网络结构GSM识别号 GSM物理信道GSM简单呼叫流程GSM网络原理BSCHLR/AC/EIRTCSMMSC/VLRBTS

AbisInterface

AterInterface

AInterface

AirInterfaceTC

Ater’Interface网络架构MSC功能与作用操作与维护数据库管理测量人机接口（MMI）网间互通计费MSC为其服务区内的移动用户提供交换和信令功能MSCHLR功能与作用HLR:HomeLocationRegister用户识别号（IMSI,MSISDN）当前用户的VLR（当前位置）业务能力、业务限制信息用户申请的补充业务补充业务信息（例：当前转移的电话号码）用户状态（registered/deregistered）移动用户漫游号（MSRN）传递HLRVLR功能与作用VLR:VisitorLocationRegister移动台状态部分补充业务数据移动站的位置登记(LAI)临时移动用户识别号(TMSI)管理MSRN管理VLRAUC功能与作用鉴权和加密数据Ki,RANDA3,A8算法Kc,SresMSCMSCBTSBTSBTSACDHEF加密是通过一个泊松随机序列（由加密钥Kc与帧号通过A5算法产生）和常规突发脉冲之中114个信息比特进行异或操作而得到的。EIR功能与作用EIR：EquipmentIdentityRegister存储移动设备分类表(IMEI)用来管理所有移动台设备的国际移动用户识（IMSI）号码以及检查每个移动台设备是否为合法设备。它包括一个数据库，存储着所有签约用户所使用的移动台设备的IMEI号码等。白名单、黑名单、灰名单BSS子系统拓扑图BTSBSCTCBTSOMC-RBSC的一般结构数字中继交换网络处理器网络数字中继A接口Abis接口BSCBSC的功能作用实现A接口物理层规定(PCM/E1)实现A接口No.7号信令功能(SP)实现Abis接口物理层规定(PCM/E1)实现Abis接口数据链路层(LAPD)实现A接口与Abis接口间信道交换功能实现部分网络层的功能实现无线资源管理(RR)实现BSS管理应用部分的功能实现切换功能等BTS的一般结构基站接口设备信令处理编码与交织译码与解交织加密加密发信机天线收信机均衡解调解密AbisUm跳频控制时钟功率控制BTS的功能作用实现Abis接口物理层规定(PCM/E1)实现Abis接口数据链路层(LAPD)实现BTS管理功能实现部分无线资源管理(RR)实现Um接口物理层规定(PCM/E1)实现Um接口数据链路层(LAPDm)实现实现跳频功能实现信道加密、解密功能实现信道编译码、交织与解交织功能实现调制与解调功能码变换器(Transcoder)BBS64KBPS16KBPSMSC30PCMTRAFFICCHANNEL*4TC120GSMTRAFFICCHANNELS011631TCTC功能全称：TranscoderRateAdaptorUnit语音编解码功能（FR、EFR）非连续发射功能（DTX）数据速率适配功能与BTS的远端通信功能MS结构SIMMEMSMS

用户识别模块(SIM)用户固定数据 网络临时数据 业务相关数据IMSITMSI 使用的语言Ki LAI 话费数据接入控制Kc安全算法禁止的PLMNSIMBSS部分接口BSS接口协议栈CMMMRRLAPDmLayer1Layer1LAPDmRR´Layer1LAPDBTSMLayer1LAPDBTSMRRSCCPMTPSCCPMTPBSSAPBSSAPCMMMDTAPOMAPDTAPOMAPISUPMAPTCAPairinterfaceAinterfaceAbisinterfaceG.703GMSKmodulationLayer1Layer2Layer3MS接口协议栈NSS部分接口ISUPTUPAMAPEMAPCDMAPGMAPBFMAPMAPBSSAPPSTNBSSMSCVLREIRHLRVLRMSCISDNNSS接口内容介绍移动通信技术的演进无线传播原理GSM网络结构GSM识别号 GSM物理信道GSM简单呼叫流程GSM网络原理国际移动用户识别码(IMSI)移动国家号码(MCC) :中国为460.移动网号(MNC) :移动为00，联通：01.移动用户识别码(MSIN):H1H2H3MCCMNCMSIN国内移动用户识别码国际移动用户识别码IMSI

国际移动设备识别号(IMEI)FACVLSNRTAC6个数字2个数字6个数字1个数字型号批准码(TAC)：由认证中心分配工厂装配码(FAC)：由厂家编码，表示制造厂家及最后装配地。序列号(SNR)： 由厂家分配版本级别(VL)： 由认证中心确定，与TAC关联。 IMEI移动用户漫游号码：位长10位VLR临时分配给用户的一个号码与该MSC所属HLR有一定联系在VLR中与IMSI一一对应

移动用户漫游号(MSRN)MSRN临时移动用户识别码(TMSI)提高IMSI使用的安全性本地分配的4字节的BSC编码

临时移动用户识别号(TMSI)TMSI移动用户ISDN号码(MSISDN)国家号码(CC):中国为86MAC：移动接入码，=139(8、7、6、5、0、1)移动用户号：H0H1H2H3ABCDH0H1H2H3：：HLR识别码，由总部统一分配到本地网；H0=0ABCD：移动用户号，由HLR自行分配

CCMACSN国内有效移动用户ISDN号码国际移动用户ISDNMSISDNLAI

(位置区)

用来唯一确定用户所在的区域标识。用户在相同的谓之区域内移动不用向网络（VLR）汇报.网络通过在一个位置区中进行寻呼来寻找某个手机用户。LAICGI(全球小区号)是所有GSMPLMN中小区的唯一标识是在位置区识别LAI的基础上再加上小区识别CI构成的CGIBSIC(基站色码)用于移动台识别相邻的采用相同载频的不同的基站收发信台BTS，特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载频的相邻BTS。BSIC为一个6比特编码。NCC：PLMN色码用来唯一地识别相邻国家不同的PLMN相邻国家要具体协调NCC的配置BCC：BTS色码用来唯一地识别采用相同载频相邻的不同的BTSBSIC内容介绍移动通信技术的演进无线传播原理GSM网络结构GSM识别号 GSM物理信道GSM简单呼叫流程GSM网络原理GSM900:GSM1800:

信道间隔：200kHz

1710178518051880双工距离:95MHz890915935960双工距离:45MHz运营商A运营商B

B

A暂未分配GSM系统频率资源GSM900andGSM1800就像一对孪生兄弟

GSM900GSM1800频率带宽

890...960MHz1710...1880MHz信道数

124 374信道间隔

200kHz 200kHz接入技术

TDMA TDMA手机功率

2W 1WGSM900和GSM1800没有很大区别，通信机制完全一样GSM900/1800异同比较1.5GSM系统的主要性能参数

干扰保护比

： 载波干扰保护比（C/I）就是接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，GSM规范中规定：同频道干扰保护比：C/I9dB邻频道干扰保护比：C/I－9dB载波偏离400KHZ时的干扰保护比：C/I－41dB

需要注意在实际规划中，我们会要求有3db保护。GSM干扰保护

GSM900andGSM1800的逻辑信道划分是一样的广播信道

(BCH)专用控制信道

（DCCH）通用控制信道

(CCCH)话音信道

(TCH)FCCHSCHBCCH(系统消息)TCH/FAGCHRACHSDCCHFACCHSACCHTCH/HTCH/9.6F

TCH/4.8F,H

TCH/2.4F,HPCH通用信道

(CCH)专用信道

(DCH)逻辑信道空中接口逻辑信道

GSM900andGSM1800的逻辑信道划分是一样的广播信道

(BCH)专用控制信道

（DCCH）通用控制信道

(CCCH)话音信道

(TCH)FCCHSCHBCCH(系统消息)TCH/FAGCHRACHSDCCHFACCHSACCHTCH/HTCH/9.6F

TCH/4.8F,H

TCH/2.4F,HPCH通用信道

(CCH)专用信道

(DCH)逻辑信道空中接口逻辑信道下行信道上、下行信道上行信道FCCHSCHBCCHPCHAGCHBCHCCCH通用信道SDCCHSACCHFACCHTCH/FTCH/HDCCHTCH专用信道系统下行信道结构RACHCCCH通用信道SDCCHSACCHFACCHTCH/FTCH/HDCCHTCH专用信道系统上行信道结构搜寻频率校正脉冲搜寻同步脉冲解读系统消息侦听寻呼消息发送接入脉冲信令信道分配呼叫建立话音信道分配通话呼叫释放FCCHSCHBCCHPCHRACHAGCHSDCCHFACCHTCHFACCH空闲状态关机状态专用模式空闲状态各逻辑信道作用示意内容介绍移动通信技术的演进无线传播原理GSM网络结构GSM识别号 GSM物理信道GSM简单呼叫流程GSM网络原理MSBSCChannelactivationackChannelactivationEncryptioncommandChannelrequiredCompleteLayer3Info.AuthenticationrequestCallproceedingCipherModeCompleteSABM(cm_serv_req)ImmediateassigncommandestablishindicationBTSChannelrequestUA(cm_serv_req)CipherModeCommandImmediateassignmentMSCAuthenticationresponseSetupCipherModeCommandCipherModeComplete(Tobecontinued)移动主叫（一）MSBSCBTSMSCAssignmentRequestChannelactivationackAssignmentcommandestablishindicationAssignmentCompleteAssignmentCompleteDeactivateSACCHReleaserequestReleaseconfirmRFChannlereleaseRFChannelreleaseackAlertingConnectConnectacknowledgeSABMUAChannelactivation(Tobecontinued)移动主叫（二）MSBSCBTSMSCChannelReleaseReleaseCompleteReleaseClearCommandRFChannlereleaseDISCDeactivateSACCHRFChannelreleaseackReleaseIndicationUADisconnectClearComplete(End)移动主叫（三）MSBSCBTSMSCChannelactivationackChannelactivationEncryptioncommandChannelrequiredCompleteLayer3Info.AuthenticationrequestCallconfirmCipherModeCompleteSABM(pag_resp)ImmediateassigncommandestablishindicationChannelrequestUA(pag_resp)CipherModeCommandImmediateassignmentAuthenticationresponseSetu