GSM培训系统概述课件

2010年GSM移动通信系统原理培训讲义（一）系统概述1内容提要总述GSM移动通信系统原理GSM信令协议2一、总述移动通信发展蜂窝通信原理GSM的发展进程3模拟移动通信的缺陷各个系统之间没有公共接口，难于实现漫游无法与固定网向数字化推进相适应频谱利用率比较低安全保密性比较差业务种类受限移动设备成本高、体积大网络的管理控制存在问题5数字移动通信的优点抗干扰能力强频谱利用率高可方便实现数据业务易于加密便于网络的管理和控制便于设备的集成6频谱利用率不够高—容量问题传输速率较低—业务单一存在多个标准—无法实现全球漫游现有第二代数字移动通信系统的不足个人通信的目标—“任何人，在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通信。”为什么要发展第三代？7移动通信发展的技术基础集成电路的发展数字程控交换技术的发展蜂窝结构的出现信道与信源编码的技术革新9一、总述移动通信发展蜂窝通信原理GSM的发展历程10蜂窝通信原理移动通信特点电波传播环境十分恶劣多普勒频移产生附加调频噪声移动台受干扰和噪声骚扰移动设备要求有很大的动态范围频谱拥挤建网技术复杂11蜂窝通信原理PSTN另一有线网另一有线网MSCMSCBSCBSCBSCBSCBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCBSC137小区频率重复再用3751632435617524361277425131414基站扇区化cellsitecellsitecellsite全向小区（OMNICELLSITE）3扇区/小区（120ºSECTOR/CELLS）6扇区/小区（60ºSECTOR/CELLS）=1ANTENNA=3ANTENNA=6ANTENNA15无线频谱分配45MHz双工间隔基站发射频率基站接收频率2MHz保护频带960905890880872950935925917915GSMTACS/GSMEGSMETACS17DCS1800频谱分配基站发射频率基站接收频率2MHz保护频带18801805178590MHz双工间隔1710DCS180018GSM系统频段GSM900主频段（P-GSM）上行：890MHz-915MHz（移动台发，基站收）下行：935MHz-960MHz（基站发，移动台收）GSM扩展频段（E-GSM）上行：880MHz-890MHz（移动台发，基站收）下行：925MHz-935MHz（基站发，移动台收）DCS1800频段上行：1710MHz-1785MHz（移动台发，基站收）下行：1805MHz-1880MHz（基站发，移动台收）19一、总述移动通信发展蜂窝通信原理GSM的发展进程21GSM标准制定委员会委员会名称标准分工SMG1DefinitionofServiceSMG2SpecificationofRadioTransmissionSMG3NetworkArchitetureSignallingProtocols，OperinterfaceSMG4DataServiceSMG5UMTS技术规范01,0203,05,0603,04,08,0907-SMG6OperationandMaintenace11SeriesTestSpecification121122发展进程（一）1979年，世界无线电管理委员会(WARC)划定了今后欧洲用于蜂窝移动通信系统的频段；1982年，欧洲邮政与电信委员会（CEPT）内建立了特别移动组（GroupeSpecialMobile)；1986年，在巴黎建立了GSM永久核心；1988年，欧洲电信标准协会（ETSI）成立，并接管了GSM委员会；231993年，GSM规范Phase2被冻结；1994年，GSM商用运营远超出GSM委员会的范围（中国、印度、中东、远东、俄罗斯等国家和地区）1996年，ETSI推出GSM规范Phase2＋1995年，DCS1800商用系统开始在泰国、卡塔尔、英国等国家和地区运营；发展进程（三）2501系列：系统概述02系列：业务03系列：网络结构和网络功能04系列：无线接口信令（L2、L3）05系列：无线接口物理层06系列：语音编码（FR、EFR、HR）GSM规范（一）26二、GSM系统原理业务系统结构和功能主要技术组网29GSM系统提供的业务电信业务用户终端业务承载业务基本业务基本业务基本业务＋补充业务基本业务＋补充业务30承载业务：它在某个接入点上提供用户所需的传送相应信号的能力。双向异步数据电路（300～9600bps）双向同步数据电路（1200～9600bps）异步分组数据接入电路（300～9600bps）双向同步分组数据（2400～9600bps）交替语音和数据数据后接语音业务GPRS业务承载业务31用户终端业务：是一种电信业务，它提供给用户包括终端设备功能在内的各种必须功能，使之能与其他用户通信。用户终端业务（一）32电话业务紧急呼叫业务数据通信短消息业务移动被叫点对点短消息业务移动主叫点对点短消息业务广播型短消息业务语音和三类传真交替业务自动三类传真业务用户终端业务（二）33用于补充或修改基本业务，以提供用户完整的业务补充业务不能独立存在补充业务（一）34呼叫偏转（有被叫，实时前转）呼叫前转（无条件、遇忙、无应答、不可及）主叫号码识别呼叫等待（被叫忙时，接收新业务）呼叫保持（保持当前呼叫，发起新呼叫）呼入呼出限制其它补充业务（二）35语音群呼叫（VGCS）话音广播业务（VBS）多用户特征（MSP）移动定位业务增强型补充业务36业务－小结承载业务语音、数据用户终端业务基本、补充、增强37二、GSM系统原理业务系统结构和功能主要技术组网38GSM网络结构PSTNOMCOMCNMCOMSSIMMEMSBTSBTSBSCAUmMSCMSCVLRVLRHLRAUCBCEGHDNSSBSSNSS39系统接口A接口：MSC与BSC间的接口Abis接口：BSC与BTS间的接口Um接口：BTS与MS间的接口B接口：MSC与VLR间的接口C接口：MSC与HLR间的接口D接口：HLR与VLR间的接口E接口：MSC与MSC间的接口G接口：VLR与VLR间的接口H接口：HLR与AUC间的接口40MSC/VLR业务区域MSC/VLR业务区域VLRMSCLocationAreaVLRMSC41位置区（LocationArea）MSCVLRLA1LA2LA3LA4LA5LA6cell11cell12cell7cell8cell9cell4cell6cell5cell3cell2cell142GSM各区域间的关系GSM业务区PLMN业务区MSC业务区位置区LAC小区Cell43MSC功能与作用呼叫处理呼叫建立、连接与清除切换过程移动性管理位置更新过程用户身份识别移动设备识别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44HLR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HLR45VLR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VLR46AUC功能与作用鉴权和加密数据Ki,RANDA3,A8算法Kc,SresMSCMSCBTSBTSBTSACDHEF47鉴权（Authentication）

SIMKiA8A3VLRSresKcRANDKcSres=?SresKcRANDA8A3KiAUC48加密（Ciphering)

MSSIMKiA8A3KcSresA5Speech,DataVLR无线通路BTSSpeech,DataSresKcRANDA549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) :H1H2H3国际移动用户识别号(IMSI)MCCMNCMSIN国内移动用户识别码国际移动用户识别码50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)51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BDC编码临时移动用户识别号(TMSI)52

移动用户ISDN号码(MSISDN)

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ISDN53

基站子系统(BSS)组成基站控制器－BSC基站收发信机－BTS无线操作维护中心－OMC-R码变换器－TC(Transcoder)UM接口MSAbis接口Ａ接口BTSOMC-RBSCTCBTS54

BSC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55

BSC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56

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AbisBTS的功能模块Um跳频控制时钟功率控制57

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58发信机实现用户基带数据到射频信号的转换上变频信号激励功率放大功率控制59收信机实现射频信号到用户基带数据的转换低噪声放大下变频信号激励自动增益控制（AGC）信号场强提取（RSSI）60天馈系统实现射频信号的合路与分路，控制带外的杂散，实现网络设计规定的扇区分布等。在需要时，实现上下行信号的双工功能，抑制收发信干扰。61BTS信令处理Um接口数据链路层：Dm信道链路接入协议LAPDmAbis接口数据链路层：D信道链路接入协议LAPDAbis接口与Um接口间信令协议转换无线信道管理62

BSS链路连接结构CellSiteBTSCellSiteBSCBTSCellSiteBSCBTSCellSiteBTSCellSiteBTSCellSiteBTSCellSiteBTSColocatedBSSRemoteBTSDaisyChainedBTS63TC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64MS结构SIMMEMS65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IMSI TMSI 使用的语言Ki

LAI 话费数据接入控制级 Kc安全算法 禁止的PLMN66

位置区识别码(LAI)与CI位置区识别码(LocationAreaIdentity)小区全球识别码(CellGlobalIdentity)MCCMNCLACL1L2L3L4MCCMNCLACCI小区识别码(CI)：二字节的BCD编码67

GSM的功能分层Transmission操作维护人员用户RRMMCMOAM68

GSM的功能层传输(Transmission)用户信息（话音或数据）信令消息（物理层到网络层）无线资源管理(RR)建立和释放MS到MSC间的联接有效利用无线和对应的陆地资源完成切换过程移动性管理位置管理(MS,HLR/AUC,MSC/VLR)安全管理69

GSM的功能层通信管理(CM)呼叫控制面向电路的业务（MSC/VLR,GMSC,HLR,IWF)路由管理补充业务管理修改和检查补充业务的实际配置和状态涉及MS和HLR两个实体短消息业务点到点的短消息(SM-SC)两个功能实体（SMS-GMSC,SMS-IWMSC)运行、维护和管理(OAM)用户全部登记管理，网络运行维护，用户设备管理70

GSM的功能协议结构BTSBSCMSC/VLRHLRGMSCCMMMRRHLRMSC/VLRBSCBTSMSGSM的协议结构Transmission71GSM系统结构和功能－小结结构HLR、VLR、AUC、EIR、MSC、BSC、BTS、TRAUMSOMC功能层72二、GSM系统原理业务系统结构和功能主要技术组网73主要技术（一）频率复用GMSK调制话音编码非连续传输（DTX）收发时隙偏差和时间提前74主要技术（二）非连续接收（DRX）分集技术、均衡技术切换技术功率控制技术跳频技术75GSM4×3标准复用模式无线区族4各基战每个站3扇区基站结构3个120度或三叶草扇区C/I≥12dB

AAABBBBCCCDDDDc2c2c2c1c1c1c3c3c3b2b2b2b2b3b3b3b3b1b1b1b1a2a2a2a3a3a3a1a1a1d2d2d2d2d3d3d3d3d1d1d1d176GSM3

3标准复用模式复用方式３个基站９个扇区特点不增加新基站容量增加（有限）抗干扰措施CABCc2c1a2c3a3a1b2b3c3c1c2b177

GSM空中接口调制高新数字预滤波MSK调制10011GaussianMinimumShiftKeying1001178

GSM调制频谱PowerFrequency200KHz79RPE－LTP ：规则脉冲激励－长时线性预测编 码功能 ：13KRPE－LTP<->64KPCM帧长 ：20ms速率 ：13Kb/sMOS ：3.6复杂度 ：4.7MIPS抗干扰能力 ：7dB，BER＝一类0.61%，二类8.3%语音编解码功能－FR80ACELP ：代数码本激励线性预测编码功能 ：13KACELP<->64KPCM帧长 ：20ms速率 ：12.8Kb/sMOS ：4.0复杂度 ：18.1MIPS抗干扰能力 ：优于FR（BER很高时－4％，13％， 一样）语音编解码功能－EFR81通过限制无用信息的发送：减少空间干扰降低发信机功率，延长MS的电池使用时间使用DTX的意义－182定量分析=40％D=8dBC/I>3dB等效于频率复用距离减少20%～50%使用DTX的意义－2D=4dB、8dB、12dB、16dBD：DTX衰减因子，83收发时隙偏差与时间提前移动台收123456703TSOFFSETTDMAFRAMEN移动台收123456703TSOFFSETTDMAFRAMEN移动台收12345670TDMAFRAMEN移动台收12345670TDMAFRAMENTIMEADVANCE84不连续接收(DRX)PPPPPPPPBCCHMSBeingpagedMSinSleepingmodeMSinlistenmodeMSinSleepmodeBCCHMultiframe(P=PagingChannel)85传播损耗自由空间传播损耗慢衰落－分集由地形起伏、建筑物及障碍物的遮蔽等引起慢衰落（阴影衰落）快衰落－均衡由各种反射物和散射体产生的直射波、反射波和散射波的相互干扰和串扰，以及多普勒（Doppler）频移等产生的快衰落（多径衰落）86均衡－多径衰落87分集技术和合并技术分集空间、极化、频率合并技术选择、最大比、等增益、开关式88切换(Handover)切换89切换目的：援救切换：当移动台离开管理它的小区的无线覆盖时。减小干扰：当移动台与另一小区联系，可以大大改进总的干扰电平时业务量切换：当一个小区拥塞，而邻近小区较空闲时目的90准则援救切换连接上的传输质量。传输误码率、无线传输的路径损耗、传播时延等。减小干扰比较相应小区的每个邻近小区的上下行链路的质量。实际使用移动台和几个邻近小区的下行路径损耗。业务量切换以BTS负荷为基础，可以选择那些由于其它原因接近切换的移动台。91双频切换支持同层网络间优先级切换(PL)支持多层网络间优先级切换(HCS)在切换候选小区排队中体现不同层的优先级支持网络负载原因的切换支持速度原因的切换支持其他常规原因的切换92避免频繁切换采用改进的滤波技术，去除测量数据中因衰落造成的抖动，保证测量数据更准确，切换更真实。设置不对称的切换边界只有当邻区的信号比本小区的信号好到一定程度时才切换。采用强行迟滞方法，一次切换后必须经过一定的时间才能切回原小区。在多层网时，启动速度原因切换。93移动台跳频工作过程f0f1f2f3f4f5f6f7f0f1

f2

f3f4

f5

f6f7tt0123456跳频图案：（5、4、7、0、6、3、1）94跳频参数MobileAllocation(MA)MobileAllocationIndicationOffset(MAIO)HoppingSequenceNumber(HSN)HSN=0CyclicHSN=1-63PseudoRandomHoppingARFCN=AbsoluteRadioFrequencyChannelNumber95主要技术－小结多址技术、调制、信源编码、频率复用DTX、功率控制、跳频、切换分集、均衡、信道编译码DRX、收发时隙偏差和时间提前96二、GSM系统原理业务系统结构和功能无线信道主要技术组网97公众陆地移动网(PLMN)结构AuCHLRVLRVLREIR数据库层SPSPSPSPSPSPSPSPHBSCLEBTSBTSGMSCMSCMSC网络层PSTNPLMN信令层用户层98PLMN的组网-移动业务本地网TS2LSTS3LSTS1LSBSSBSSBSSMSCMSCMSC长途编号区3长途编号区2长途编号区199移动业务本地网本地移动业务网设置原则本地网设置在长途编号区为２位或３位的地区４位长途区号地区，归入２位或３位区号的本地网每个移动业务本地网设立一个或多个HLR每个移动业务本地网设立一个或若干个MSC（移动端局）长途编号区为二位、三位、四位地区可设立MSC每个MSC可划分成若干个蜂窝小区第个MSC与局所在地的长途局和市话汇接局相连（话务良足够大时可与本地市话端局相连）100PLMN的组网-省内蜂窝通信网TS1TMSCTMSCTMSCBSSBSSBSSMSCMSCMSC101省内数字蜂窝移动通信网省内数字蜂窝网构成由省内的各移动业务本地网组成省内设若干移动业务汇接中心TMSC/VLR（二级汇接中心、省级汇接中心）单独设置：不带VLR基站，只作汇接。混合设置：既起接作用，又可作移动端局，与基站相连，可带用