移动通信课件

概

论1.1移动通信的含义移动通信是指通信双方至少有一方处在移动中的状态所进行的信息传输和交换的通信方式，包括移动体和移动体之间的通信，移动体和固定点之间的通信。它与无线通信的关系：被包含与包含关系它与有线通信的关系：互不包容关系*1.2移动通信系统的工作需求移动用户如何与通信网络联系；通信网络如何找到移动的用户；通信网络如何为移动的用户提供恰当的服务；通信网络如何保证移动的用户通信的可靠性；通信网络如何保证移动的用户通信的连续性。*移动通信旨在解决在固定的点对点通信的基础上，如何在多点间利用无线电波进行非固定位置的通信。1.3移动通信的主要特点通信利用无线电波进行信息传输；通信设备要求苛刻，须适于在移动环境中使用：接收设备应具有很大的动态范围；通信需要采用位置登记/更新、过境切换、漫游等移动性管理技术。通信在复杂的干扰环境中运行：电波传播条件恶劣、多普勒效应、噪声干扰；*1.4移动通信系统的组成*AUCHLRVLREIRMSBSSMSCMSCPSTN图1蜂窝移动通信系统的基本结构方框图实例1：GSM网络*实例2：

CDMA网络*CoreNetworkAccessNetworkMSCPSTNCircuitDataNetworkInternetIntranetBSCMetroCellBTSPresideIWFBSSMMAPMTX1.5移动通信系统的分类按服务范围分：专用网和公用网按信号形式分：模拟网和数字网按业务类型分：电话（语音）网、数据网和综合业务网按信道共用方式分：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和它们的组合方式当前常用移动通信系统：无线寻呼、无绳电话、无线调度、无线对讲、数字蜂窝移动电话、“小灵通”移动电话*1.6移动通信系统的发展20世纪70~80年代：模拟蜂窝移动电话AMPS、TACS分别在美国、英国投入使用；20世纪90年代：GSM数字蜂窝移动电话和窄带CDMA数字移动通信系统及卫星移动通信投入使用；21世纪初：宽带CDMA(CDMA2000,W-CDMA,UMTS,TD-SCDMA)处于实验测试阶段;现在:宽带移动通信系统准备进入试运行阶段;*1.7我国移动通信系统的发展及现状20世纪80年代：900MHzTACS模拟蜂窝移动通信系统于1987年在广州、上海首先开通使用；1994年：中国电信组建GSM数字移动通信系统；中国联通成立，组建其自己的GSM数字移动通信系统；1999年：中国联通组建IS-95CDMA数字蜂窝通信系统；中国制定的RTT候选方案TD-SCDMA成为IMT-2000的三种主流标准之一。2008年:举办奥运会的北京将试运行第3代宽带移动通信系统;*附：移动通信规范(Standardformobilecommunications1)Theprimarypurposeofastandardformobilecommunicationsistospecifyhowmobilephonecallsaretobehandledbyamobilenetwork.Forexample,thisincludesspecificationofthefollowing:·Thesignalstobetransmittedandreceivedbythemobilephone·Theformatofthesesignals·Theinteractionofnetworknodes·ThebasicnetworkserviceswhichshouldbeavailabletomobilesubscribersThebasicnetworkstructure(i.e.cells,etc.)*StandardforMobileCommunication2**1.8移动通信的标准化组织*

Eachofthesegroupsisaforumforglobalwirelessoperators,networkmanufacturers,andhandsetmanufacturers.ITUInternationalTelecommunicationsUnionCATTChinaETSIEuropeanTelecommunicationsStandardsInstituteGSMMOUGlobalSystemforMobileUMTSForumUniversalMobileTelecommunicationsBusinessForumTTAETRIKoreaIMT2000ConsortiumARIBAssociationofRadioIndustriesandBusinessesJapanTTCTelecommunicationsTechnologyCouncilJapanTIATelecommunicationsIndustryAssociationUSACDG(IS-95)CDMADevelopmentGroup(USA)UWCC(IS-136)UniversalWirelessCellularCommunications下一章思考题移动通信网的基本结构及其各节点的功能；移动通信网的接口及相关协议；多址技术的种类及各自的特点；区域覆盖的概念及信道配置；信令的概念和分类；*

无线通信技术基础*

*2.1无线通信信号处理流程语音编码语音信道编码调制功率放大接收解调信道解码语音解码语音无线传输

存在于基站与移动终端的通信过程中的点对点通信，包括了编码、调制、同步、均衡等基本通信技术。*2.2语音编码语音数码化阶段：抽样、量化、编码编码方式：时域编码：PCM、ADPCM方式等，如PHS系统；频域（参数）编码：线性预测码等；

混合编码：如RPE-LTP（GSM）、CELP（CDMA）。*信道编码常采用纠错编码，其基本方式为：发送端在发送的信息上附加上一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联。接收端按照既定的规则检查信息码元与监督码元之间的关系，若传输过程中发生差错，两者间的约束关系就会受到破坏，接收端从而可以发现甚至纠正错误。常用纠错码：循环冗余校验码CRC(PHS,CDMA)、卷积码(GSM,CDMA)、交织码(GSM,CDMA)、扰码(CDMA).2.3信道编码*2.4调制和解调定义：利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位，可分为移幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK);各系统采用的方式：PHS：

/4-QPSK；GSM：GMSK（高斯滤波的最小移频键控）；CDMA：QPSK/OQPSK

解调方式：相干解调：利用本地同频率/相位的载波；非相干解调：微分电路+包络检波；2.5均衡技术原理：在一个通信系统中，发送信号通过等效基带信道滤波器后，若在接收端经过均衡器（即等效基带信道滤波器的逆滤波器），则在效果上等同于经过一个理想的具有平坦频率响应和线性相位响应的信道，从而克服码间干扰的影响。自适应均衡器：一般采用横向滤波器结构，通过自适应算法对权值进行调整，使得输出符号与发送符号的均方误差最小。*2.6扩频技术1.扩频(SpreadSpectrum)通信的含义：信号的频谱被展宽；采用扩频码序列来调制信号；采用相关/相干解调来解扩。2.扩频通信的理论基础：

香农公式：

结论：信号带宽可以与信噪比互换。即使信噪比较低，也可采用增加信号带宽的方法来可靠地传输信息。*扩频通信与宽带通信的区别**3.直接序列(DirectSequence)扩频：在发端直接用具有高码率的扩频码序列与信息序列相乘来扩展信号的频谱。*2.7信令技术定义：在通信系统中传输的除用户信息（例如话音）以外的其它一切控制信号称为信令。信令完成呼叫接续的建立、拆除、监控等一系列的操作与控制，保证用户信息有效且可靠的传输。例：有线电话网的拨号音、忙音、拨号、振铃、回铃等。信令系统与用户信息传输系统是二个相伴随的系统共同构成整个通信系统。信令系统可以看成整个通信系统的神经中枢。信令的传送所必须遵守的协议或规定称为信令方式；为完成和实现信令传递的功能实体称为信令设备。*

信令分类

(1).按信令传输通道是否独立分类①随路信令：与用户信息时分或频分共用传输通道。②共路信令：使用独立的传输通道。(2).按信号类型分类①模拟信令。②数字信令。(3).按信令传输位置分类①接入信令：用户终端←→网络节点。②网络信令：网络节点之间。*7号信令网是共路信令，是与PSTN平行的独立信令网络。它由三个部件组成：

(1)信令点SP(SignalingPoint)：收/发信令的设备，既可以发出又能接收信令。它包括：①业务交换点SSP：交换机②业务控制点SCP：数据库(2)信令链路：信令传输通路(3)信令转移点STP(SignalingTransferPoint)：

将信令消息从一条信令链路转到另一条信令链路。信令消息可分成：消息信令单元、链路状态信令单元、填充信令单元。它们以分组交换的形式被传递。

我国的7号信令网由HSTP、LSTP和SP三级组成。

7号信令7号信令系统协议的结构*UP部分MTP部分*移动网中7号信令的网络结构SCP：业务控制点：SSP：业务交换点；STP：信令转移点*

2.8工作方式收发工作方式种类：单工、半双工、双工双工方式：频分双工（FDD）：设备同时具有两个无线通道分别进行发射和接收；上、下行通道在频率上是分离的；时分双工（TDD）：设备由一个无线通道分时进行发射和接收；上、下行通道在时间上是分离的；系统采用方式：

FDD：GSM、CDMATDD：PHS2.9交换技术常用的交换方式：1.电路交换2.报文交换3.分组交换4.帧中继5.ATM*思考题点对点无线通信过程中，话音从一方传递到另一方需要经过哪些环节？时域编码与频域编码各自的优缺点是什么？谈谈信源编码与信道编码的意义和目的。现有的移动通信系统的采用了哪些无线信号调制的方式？扩频通信与宽带通信的含义是相同的吗？7号信令网的组成单元有哪些？*

抗噪声和干扰技术3.1.1电波的传输方式：直射波、反射波、绕射波3.1.2移动信道的特征：多径效应:到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。瑞利衰落：信号包络服从瑞利分布的多径衰落。快衰落和慢衰落：前者指由多种传输电波形成的使接收信号产生深度且快速的衰落；后者指局部中值信号电平随地点、时间等作比较平缓的变化。*3.1电波传播和分集接收3.1.3多径传播与快衰落*θi移动通信的多径传播BSMSS0反射/散射波直射波反射波diSid1S1…d2S2Sv接收信号S=ΣSi，i=1,2…，为多径信号的矢量和,不同位置合成信号幅度不同,发生干涉现象，产生快衰落。*

MS移动时地形、地物大幅度慢变化会引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落，如图所示。

d/m(d=vt)t/s-30-10010相对电平/dB中值信号快衰落及慢衰落特性3.1.4慢衰落1．多径时散*射频信号包络发收t多径时散

多径传播时延不同(时延散布,简称时散),造成接收数字信号波形展宽,形成码间窜扰,增大误码率。3.1.5

多径时散与相关带宽

*

多径时散在频域上导致频率选择性衰落：信道对不同频率成分有不同响应。若信号带宽过大，就会引起严重失真。r延时2ΔST(t)SR(t)多径时散的双路经(双射线)信道等效网络2.相关带宽STSR0SR归一化t多径时散的双路经(双射线)信道近似t11*信道频率特性为由此作出信道幅频特性如下:幅频特性不平坦，在一些频率有衰落(频率选择性衰落)。1+r1-r*或相邻两个频率衰落点的频差满足得多径时散的相关带宽:若所传输的信号带宽较宽，大于BC时，信号将产生明显畸变。为防止这个问题应选取实际情况远比这复杂。对调角信号，相关带宽工程估算式为式中，Δ为时延扩展。3.2分集接收定义：指接收端对它收到的多个衰落特性相互独立的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。特点：分散接收、集中处理。*

3.2.1分集接收原理及方式

1.分集接收原理*接收信号包络tabC=a+ba,b统计独立,同时发生深度衰落的概率很小接收端分别接收多个衰落特性统计独立、携带同一信息的信号，再合并为一路信号，可减小衰落的影响。

微分集空间分集:d>0.5λ~0.8λ频率分集:fd>Bc极化分集场分量分集角度分集时间分集:t>Tc*2.分集方式：宏分集:多基站3.合并方式选择式合并最大比值合并等增益合并*检测器检测器RX1RX2(S/N)1(S/N)2①选择合并特点：a.

简单

b.

有一路信号能量未利用，性能较差*②最大比值合并特点：a.按信噪比加权各路信号后再合并，合并后信噪比大，衰落小。

b.控制复杂将输入信号(包络为ri)以某种方式加权(

ai)，再相加合并。图中采用，ai=ri/Ni,ri为信号包络，Ni为噪声，ai为信噪比。则RX1RX2a2a1r1r2检测器rR③等增益合并*特点：a.

性能与②接近

b.

电路简单采用较多RX1RX2r1r2检测器rE*选择式合并最大比值合并等增益合并3.3噪声与干扰3.3.1噪声内部噪声：接收机内部热噪声；发射机噪声及寄生辐射自然噪声：大气噪声、宇宙噪声人为噪声：电火花噪声，无线电噪声**讨论：(1).f>100MHz的移动通信工作频段，自然噪声（大气噪声、太阳噪声、银河噪声）低于接收机内部噪声，可忽略不计。

移动通信中主要考虑人为噪声。(2).人为噪声

①来源：人类电设备电火花的电磁辐射干扰等

②特点：市区高于郊区，因为市区电火花设备多。

3.3.2干扰邻频道干扰同频道干扰互调干扰阻塞干扰近端对远端的干扰*3.3.2.1邻频道干扰*B=16KHzB=25KHz例：：最大调制频偏。=3000Hz)；：最高调制频率(话音300~3000Hz,

式中,

①收发信机中心频率（载频）准确度及稳定度有限，造成频率偏差，则调制频谱边带会落入邻道.②模拟FM，实际上有无穷多对边频分量。它们的高次边频会落入邻道。Fmax=3KHz时，时，以上两种似乎都能满足频道带宽B=25KHz的规定，但实际上后者会对邻道产生严重干扰，因为：设模拟FM信号占据带宽：

所以，发射信号带宽及接收机带宽都应按16KHz设计，两边留有一定的保护边带。这样做可防止信号落入邻频道对应的接收端，使得该接收端接收不到本频道的部分信号，从而减小对邻频道接收信号的干扰。FM通信系统即使采取以上措施，与相隔远的频道相比，对相邻频道的干扰多少总是存在的，所以同一小区内不使用邻频道。数字调制与模拟FM频谱有相似之处，带外衰减不是无穷陡，邻道干扰多少有一些，所以对FDMA及TDMA数字移动通信系统而言，同一小区内亦不使用邻频道。*邻频道干扰示意图*TXRX准确度差RX稳定度差TXRX理想RX通带衰减特性TXTXTXTXTXTXTX3.3.2.2同频道干扰与射频防护比1.同频道干扰落入接收机通带内的任何无用信号都会对有用信号造成干扰，称为同频道干扰。最常见的情况是当蜂窝网按区群实行频率再用,不同区群使用相同频率的小区之间所造成的同频道干扰。2.射频防护比同频干扰对接收的有用信号造成干扰，使接收机输出S/N恶化，话音质量等级下降。为保证一定的话音质量等级，必须使接收机输入射频有用信号电平S与干扰信号电平I之比（信干比S/I）大于门限信干比(S/I)S,又称为射频防护比。同频干扰的影响及(S/I)s与调制方式有关。*3.同频道再用距离

*MS在此最不利位置，S/I最小,若此时刚好满足S/I=(S/I)S,则D为同频道再用(最小)距离.DBSABSB同频道再用小区MSMSMSDIDS

=r0MS3.3.2.3互调干扰原理及分类

二个或多个与有用信号频率不同的信号,经过传输通道中非线性电路,会产生各种组合频率分量,其中与有用信号处于同一频道的组合频率分量会对有用信号造成干扰,称为互调干扰.互调干扰原理*代入上式展开两干扰信号同时作用于该非线性电路（2）非线性电路输入、输出特性如下不等，但与有用信号设（1）干扰信号在同一频段内。、*若,则形成三阶互调干扰.若,则形成五阶互调干扰.……因为高阶非线性系数a5,a7…<a3,所以高阶互调干扰的幅度小于三阶互调干扰,一般不考虑，只考虑三阶互调干扰.2.

发射机互调干扰*…BS（FDMA、TDMA系统）末级功放非线性3.接收机互调干扰

*…BPF高放混频三阶互调3.3.2.4阻塞干扰

当外界存在一个离接收机工作频率较远，但能进入接收机并作用于其前端电路的强干扰信号时，由于接收机前端电路的非线性而造成对有用信号增益降低或噪声增高，使接收机灵敏度下降的现象称为阻塞干扰。这种干扰与干扰信号的幅度有关，幅度越大，干扰越严重。当干扰电压幅度非常强时，可导致接收机收不到有用信号而使通信中断。*3.3.2.5近端对远端的干扰

当基站同时接收从两个距离不同的移动台发来的信号时，距基站近的移动台Ｂ（距离ｄ2)到达基站的功率明显要大于距离基站远的移动台Ａ（距离ｄ1，d2<<d1）的到达功率，若二者频率相近，则距基站近的移动台Ｂ就会造成对距基站远的移动台Ａ的有用信号的干扰或抑制，甚至将移动台Ａ的有用信号淹没。这种现象称为近端对远端干扰（远近效应）。*

3.4

跳频技术*用作降低同频道干扰和频率选择性衰落。采用每帧改变频率的方法，即每隔4.615ms改变载波频率，217跳/秒。3.5功率控制技术为补偿小区的不同距离造成的衰落，BTS能指导MS改变它的发射功率，以使到达BTS的功率在每个时隙相同,从而克服“远近效应”。*思考题：信道的快衰落和慢衰落现象有何不同，是由哪些原因造成的？与发送信号相比较，具有频率选择性衰落的信道所输出的接收信号在时域和频域上可能会有何变化？具有怎样的特性的信号才可能成为分集信号？有哪些方法来获得需要的分集信号？*

移动通信网组网技术*3.1网络结构3.1.1基本：

基站通过网络结构传输链路和交换机相连，交换机再与固定的电信网络相连，形成移动用户——基站——交换机——固定网络——固定用户——或移动用户——基站——交换机——基站——移动用户等通信链路。（见图2）**固定网络交换机交换机基站移动台图2*

3.1.2实例：GSM网络结构BTSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCMSCMSCVLRHLRAUCEIRVLROMCPSTNUm接口A-bis接口A接口B接口D接口C接口E接口F接口MSTRAUG接口

移动台（MS）移动台包括车载台、便携式移动台和手机。GSM900系统的移动台功率等级有5级：20W,8W,5W,2W,0.8W。DCS1800系统的移动台功率等级有2级:1W,0.25W。一个GSM移动台可以分成两部分：一部分包括与无线接口有关的硬件和软件；另一部分包括用户特有的数据：用户识别模块（SIM）卡。它存储有用户识别号、位置信息和有关保密数据（如密钥）等。*A.各组成部分功能简介基站收发信机（BTS）BTS是移动台到网络的接口。一个BTS由无线收发信机及多块用于无线电接口的信号处理模块组成。基站控制器（BSC）BSC的主要任务是实现频率管理以及BTS的控制和交换功能。BSC通过BTS和MS的远程命令对无线电接口进行管理，如无线信道安排和释放，切换的安排。*发送编码器和速率适配器单元（TRAU）TRAU网络单元负责对16kb/s到64kb/s的用户数据进行发送编码及速率适配。移动业务交换中心（MSC）MSC的主要功能是协调去GSM或来自GSM用户的呼叫。它由交换机及支持呼叫建立所需的几个数据库组成。*归属位置寄存器（HLR)HLR是用于移动用户管理的数据库，用于用户数据的存储、检索、提供移动用户漫游号，支持鉴权、位置登记等。访问者位置寄存器（VLR）VLR包含所有当前在服务MSC中的移动用户的有关数据。鉴权中心（AUC）AUC认证移动用户的身份及产生相应认证参数。*设备识别寄存器（EIR）EIR是存储有关移动台设备参数的数据库。操作和维护中心（OMC）OMC是网络操作维护人员对全网进行监控和操作的功能实体。*B.各接口功能简介空中接口（Um）从低到高层依次为：RF,LAPDm,RIL-3A-bis接口从低到高层依次为：物理层(E1=2.048Mb/s),LAPD,RIL-3A接口低三层：MTP1~MTP3上两层：SCCP,BSSMAP*移动应用部分接口（MAP）从低到高层依次为：MTP1~MTP3,SCCP,TCAP可分为5种：MAP-B,MAP-C,MAP-D,MAP-E,MAP-F,MAP-GPSTN接口ISUP信令*

3.2多址技术

即指基站周围的移动台以何种方式抢占信道进入基站和从基站接收信号的技术。

3.2.1多信道共用(即每信道容纳用户数问题)A.话务量

A=S(次/小时)×λ(小时/次)

(Erl)（流入话务量）B.呼损率（通信服务等级）

B=(A-A0)/A（A0:完成话务量）

B=（n：信道数）*

C.繁忙小时集中度

K=最忙小时话务量/全日话务量每用户最忙时话务量（T：占用信道时间(秒/次)）

Aa=C×T×K/3600(C:每天平均呼叫次数）每信道容纳用户数

m=A/n/Aa已知服务等级B，共用信道总数n和每用户最忙时话务量，可计算出每信道可容纳的用户数。见P185，表5-3。*空闲信道选取方式：专用寻呼信道方式标明空闲信道方式：1.循环定位2.循环不定位3.2.2频分多址（FDMA）*3.2.3时分多址（TDMA）*帧帧SftCH

1…2NCH12…N…时隙…N个信道帧上行下行上行*典型的时隙结构多信道共用方式

(1).

信道数＝频道数×时隙数(2).多信道共用方式：专用信令信道方式

•专用信令信道：多个，传递共路信令

•业务信道：多个，传送用户信息及随路信令

*3.2.4码分多址(CDMA)1.FH-CDMA2.DS-CDMA**3.3区域覆盖和信道配置3.3.1区域覆盖1.带状网

2.蜂窝网a.小区形状：正六边形b.区群（由不同信道的N个小区组成）

组成模式：满足c.基站设置方式：中心激励、顶点激励d.小区分裂*铁路、河道……ABAB区群的组成

区群组成要求：

①无空隙覆盖全部服务区。

②相邻同信道小区距离相等，则同频道再用距离最大。

可以证明，满足以上要求的区群组成应满足下式*N=3,j=1i=1N=4,j=2i=0N=7,j=2i=1……式中，N为区群内小区数；i、j为正整数。由此式得出的各种区群形状如下：同频道(信道)小区距离D（以N=19,

j＝3,i＝2为例来推导）*ji**中心激励顶点激励中心激励与顶点激励小区分裂*

3.3.2信道配置1.等频距分配法（主要考虑避免邻频道干扰）设有M个信道，将其分成N个信道组，则每个信道组中有M/N个信道，N个信道组的信道序列可以确定如下：

K+jN,K=1,2,3,…,N:j=0,1,2,…,(M/N)-1K为信道组的序列号；j为信道序号的取值。2.分区分组配置法（主要考虑无三阶互调干扰，但可能出现邻频道干扰）3.信道分配策略（固定和动态分配策略）*4/12频率复用模式*4/12（或4×3）频率复用模式是指用4个3向的基站支持12个小区（使用12组频率）：联通使用6MHz带宽，共有30个载频。12个小区将占用12个频道作为广播控制信道，且不参加跳频。余下的18个频道作为业务信道，其中12个平均分配到各小区，剩余的6个频道按话务密度选择性分配到各小区。

思考题移动通信网由哪些主要的功能实体组成？它们各自的主要作用是什么？GSM网络中的Um、A、A-bis接口位于哪些功能实体之间？在移动通信系统中，采用了哪些多址方式？这些方式的主要区别是什么？区群中的小区数目可以是任意的吗？这些小区可以使用相同的信道吗？*

数字蜂窝移动通信网典型的TDMA数字蜂窝网有以下三种：GSM(欧洲，1988年)：GlobalSystemforMobilecommunicationGSM900,DCS1800.D-AMPS(美国IS-54标准，又称为ADC，1990年)JDC(日本，1993年)*HistoryofGSMDevelopment**GSM

Specification*GSMPHASES

*Phase1Phase1containsthemostcommonservicesincluding:·Voicetelephony·Internationalroaming·Basicfax/dataservices(upto9.6kbits/s)·Callforwarding·CallbarringShortMessageService(SMS)*Phase2AdditionalfeatureswereintroducedinGSMphase2including:·Adviceofcharge·Callinglineidentification·Callwaiting·Callhold·ConferencecallingAdditionaldatacommunicationscapabilities*Phase2+Thephase2+programwillcovermultiplesubscribernumbersandavarietyofbusinessorientedfeatures.SomeoftheenhancementsofferedbyPhase2+include:·Multipleserviceprofiles·Privatenumberingplans·AccesstoCentrexservices·InterworkingwithGSM1800,GSM1900andtheDigitalEnhancedCordlessTelecommunications(DECT)standard*4.1GSM网络结构

移动台（MS）

基站收发信机（BTS）

基站控制器（BSC）

发送编码器和速率适配器单元（TRAU）移动业务交换中心（MSC）

网络管理支撑数据库（HLR、VLR、EIR、AUC）*GSM网络结构及接口*BTSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCMSCMSCVLRHLRAUCEIRVLROMCPSTNUm接口A-bis接口A接口B接口D接口C接口E接口F接口MSTRAUG接口*1.移动台MS(MobileStation)(1).类型：车载台及手机。手机用户占绝大多数。

(2).接口：人机界面：键盘、显示器、及送受话器。

TE：其他终端设备，例如，PC机、传真机等。

SIM卡(SubscriberIdentityModule用户识别模块)：存储用户有关信息：①固定信息：

a.

用户号码：国际移动用户识别码(IMSI)等。

b.

鉴权和加密信息：鉴权键，鉴权和加密算法。②动态信息：

a.

临时移动用户识别码TMSI。

b.

所在位置区识别码LAI。(1).连接关系及功能

①通过Um无线接口与MS实现通信连接。

②与网络子系统NSS中的MSC连接，实现移动用户与其他固定及移动用户之间的通信。(2).功能实体

①基站收发信机BTS(BaseTransceiverStation)：

无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。

②基站控制器BSC(BaseStationController)：

具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网络资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等。*2.基站子系统BSS(BaseStationSubsystem)(1).功能

①.移动用户交换、接续：移动

移动、移动

固定，连接通信。

②.移动性管理：位置登记(更新)、越区切换。

③.安全性管理：鉴权与加密。(2).功能实体

①.移动交换中心MSC

GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可完成网络接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS与MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。*3.网络子系统NSS(NetworkSubsystem)②.原籍（用户）位置寄存器（HLR）

用户中央数据库，存储在该移动通信网注册（入网）的所有本地移动用户的有关信息：静态数据：

a.MS用户号码：IMSI、MSISDN

b.MS用户类别、业务类别等动态数据：位置信息：MS用户正在访问的MSC/VLR的地址码等。③.访问（用户）位置寄存器VLR：

VLR是正在该MSC/VLR服务区访问的所有移动用户（包括本地及外地用户）的动态数据库：

*a.

取自HLR的用户参数（号码、业务类别）。b.

动态数据：临时移动用户识别码TMSI（用在空中信令中，保密IMSI）；MS所在位置区识别码LAI。4）操作维护中心OMC：

它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。

*

4.2GSM的区域及号码*GSM服务区PLMN1服务区PLMN2服务区MSC1区MSC2区位置区1位置区2基站区1基站区2扇区1扇区2扇区3。。。(小区)(120度扇形定向天线)。。。。。。。。。区域的定义GSM服务区：由许多个PLMN组成。例如，中国的GSM网络（包括中国移动GSM和中国联通GSM）。公用陆地移动通信网（PLMN）：由若干MSC区组成，对应于PSTN的同一长途区号的区域。MSC区：指一个移动交换中心所控制的区域，包含若干个位置区。位置区：由若干个小区组成，是MS未通话时网络能定位MS的最小区域(在MSC/VLR设置)。

基站区：即小区。扇区：*号码*国际移动用户识别码

IMSI(InternationalMobileSubscriberIdentity)：

①.功能：在全球GSM系统中，一个移动用户唯一对应一个IMSI，存放在用户SIM卡及系统的HLR及VLR中。用在MS的移动性、安全性管理及呼叫接续中。②.组成：MCCMNCMSIN

中国：46000移动H0H1H2H3XXXXX01联通MCC：移动用户所属国家代码MNC：移动网号MSIN：移动用户识别号(包含有HLR识别号H0H1H2H3)*

移动台国际ISDN号码(MSISDN)①.功能：其他用户呼叫该MS时所需拨的号码。存放在HLR及VLR中.例如.组成：CCNDCSN

CC：国家代码，中国为86NDC：国内目的代码，包括国内网号及HLR识别码。HLR识别码国内网号移动联通……139,159135134130H0H1H2H3

SN：用户号注:3GTD:157临时移动用户识别码(TMSI)①.功能：

GSM系统的安全保密措施之一是：空中信令尽可能用TMSI代替IMSI，以防他人从空中非法窃取并盗用IMSI。由VLR临时给来访MS用户分配一个在该服务区使用的TMSI号码，并且MS每向网络发出请求一次就重新分配一个TMSI。

②.组成：

长度≤4个字节，格式由运营部门自定。HLR号码

MSISDN号码中NDC所包含的HLR识别码，例：138H0H1H2H3…1个物理HLR可对应多个号码。**MSC/VLR号码

例：1390M0M1M2M3

用来表明VLR的位置和区分不同的VLR。移动台漫游号码(MSRN)

①.功能：

MS被呼时，由它所访问的VLR分配一个MSRN(其中包括VLR号码)给发来请求的MSC，以此来确定该MSC至被叫MS的路由。路由一旦建立，该号码立即被释放。

②.组成：例，1390M0M1M2M3X1X2X3MCCMNCLAC

位置区识别码LAI组成：同IMSIMCC：移动用户国家代码MNC：移动网号LAC：位置区码，二个字节十六进制数例：中国460008EF0

*NCC：PLMN色码，用来识别相邻PLMN网BCC：BTS色码，用来识别相同载频的不同基站。

基站识别码BSICNCCBCC3bit3bit国际移动设备识别码（IMEI）

是区别移动台设备的标志，用于监控被窃或无效的移动设备。4.3GSM的主要业务基本业务（Basicservices）

电信业务(teleservices)

*

电话业务紧急呼叫业务短消息业务可视图文接入智能用户电报传送传真承载业务(bearerservices)

同步/异步数据、PAD接入、分组接入、话音数据/交替补充业务(supplementaryservices)号码识别（主叫号码显示）呼叫服务（前向呼叫无条件转移、移动台忙时前向呼叫、无应答前向呼叫）呼叫完成（呼叫保持）计费（计费信息显示）呼叫限制（所有呼叫禁止、所有呼入禁止）*

4.4GSM的无线接口4.4.1数字蜂窝网主要参数对比*欧洲GSM中国移动GSM美国D-AMPS多址方式TDMA/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMA基站收频率(MHz)890~915890~909824~849基站发频率(MHz)935~960935~954869~894载频间隔(kHz)20020030时隙数/载频8/168/163/6调制方式GMSKGMSKπ/4-QPSK话音速率(kb/s)22.822.813信道速率(kb/s)270.8270.848.6TDMA帧长(ms)4.6154.61540

MS发射频率低，传播损耗低，有利于补偿上、下行功率不平衡。频道数=(25MHz/200KHz)–1=124(频段二端频率未用)频道序号：

n=1~124载频：fn上行=(890+0.2n)MHz

fn下行=(935+0.2n)MHz*

频率与频道序号

TDMA/FDMA混合多址方式

物理信道数=124(载频)

8(时隙/载频)=992(时隙)≈1000(时隙)

每信道等效带宽=200KHZ/8=25KHZ，与模拟FM相同。4.4.2信道类型及其组合帧结构(针对1个用户而言)*小结：*帧(TDMA帧：帧长4.615ms，时隙长0.577ms)复帧=超帧=1326帧=超高帧=2048个超帧=2048×1326=2715648帧(约3.5小时)26帧，业务信道帧51帧，控制信道帧51×26，业务信道复帧(51个)26×51，控制信道复帧(26个)

帧的编号以超高帧为周期（=3小时28分），从0~2715647*上行帧相对下行帧滞后3个时隙：

1）系统为FDD频分双工，但MS不同时收发，则可简化电路；2）便于进行上行时隙时间提前量TA的调整；MS2发送时刻应提前TA/2时间(TAmax=233us)；提前量(TA)由BS测量计算后,经SACCH(慢速辅助控制信道)传送给MS。BSMS3MS20km

35km来回延时TA=233usTA/2

MS上行时隙实际到达时刻TS3TS2TS6

BS规定时序(在BS处观测)TS4TS5TS3TS2TS2

TS3577μs物理信道与逻辑信道的对应*逻辑信道分类*信道CH控制信道CCH业务信道TCH广播信道BCH专用控制信道DCCH频率校正信道FCCH同步信道SCH广播控制信道BCCH随机接入信道RACH准许接入信道AGCH寻呼信道PCH公用控制信道CCCH慢速辅助控制信道SACCH快速辅助控制信道FACCH独立专用控制信道SDCCH(随路信令)(下行)(下行)(下行)(下行)(下行)(上行)(上/下行)(上/下行)(上/下行)(上/下行)SACCH/CFACCH/T慢速辅助控制信道SACCH业务信道TCH（全速率和半速率）话音业务信道：分为TCH/FS(22.8kb/s)和TCH/HS(11.4kb/s)；提供的话音信息净速率分别为13kb/s和6.5kb/s。数据业务信道：有TCH/F9.6,TCH/F4.8,TCH/H4.8等。业务信道中还可安排慢速/快速辅助控制信道。*控制信道(CCH)频率校正信道（FCCH）：广播MS载波频率同步信号。同步信道（SCH）：广播时间同步信号及BS识别码。广播控制信道（BCCH）：广播本小区通用信息。广播信道（BCH）：用于BS向MS广播公用的有关MS入网和呼叫建立所需要的信息。公用控制信道（CCCH）（呼叫接续开始阶段信令传输信道，全体空闲MS公用）寻呼信道（PCH）随机接入信道（RACH）：用于传输MS随机提出的入网请求，即申请分配一个SDCCH信道。准许接入信道（AGCH）：用于传输BS对MS的入网申请作出的应答，分配一个SDCCH信道。*专用控制信道（DCCH）（呼叫接续主要阶段(第二阶段)信令传输信道，分配给一台MS专用的“点对点”双向控制信道）独立专用控制信道（SDCCH）：用于在分配业务信道之前传递有关信令，如登记、鉴权。慢速辅助控制信道（SACCH）：用于MS与BS之间传递信号强度、功率调整、时间调整命令等。快速辅助控制信道（FACCH）

在MS进行话音信道切换时，传递新话音信道分配所需信息及TA信息等。一般在SDCCH已拆除后，通过插入业务信道来使用FACCH信道。时隙的格式每帧含8个时隙，时隙宽度为0.577ms,包含156.25bit。*常规突发脉冲序列（NB）：用于业务信道及专用控制信道和其它信道。频率校正突发脉冲序列（FB）：校正MS的载波频率。同步突发脉冲序列（SB）：用于MS的时间同步；发送帧号和基站识别码。

接入突发脉冲序列（AB）：用于MS向BS提出入网申请。时隙格式*

TB3信息比特57IB1训练比特26IB1信息比特57

TB3

GP8.25156.25bit

=0.577ms

TB3固定比特（全0）142

TB3

GP8.25

TB3加密比特39扩展训练比特64加密比特39TB3

GP8.25TB8训练序列41加密比特36TB3GP68.25(250μS)1时隙长度=0.577ms,包含156.25bit码元；故1帧长度=8个时隙=4.615ms.信道的逻辑帧长度为物理帧长度，但1个用户实际只占用1个时隙传输信号数据。接入突发序列常规突发序列频率校正突发序列同步突发序列小结：*

信道的组合方式

指逻辑信道与物理信道的映射关系。*

物理信道安排设每个基站分配n个双工频道C0,C1,…Cn-1，而每载频有8个时隙TS0,TS1

…TS7

，则有8n个物理信道：

CH0,CH1,CH2,…CH8n-1

一般安排如下：

CH0（C0

的TS0）：BCH和CCCH信道；CH1（C0

的TS1）：SDCCH和SACCH信道；…TCH信道（包含SACCH或FACCH）CH2（C0

的TS2）：业务信道组合方式（含26个TDMA帧，使用主载频C0上的TS2-TS7及C1-Cn-1的所有8个时隙）*控制信道（含51个TDMA帧）组合方式BCH和CCCH信道组合方式（利用主载频C0上的TS0的下行链路）F：FCCHS：SCHB：BCCHC：CCCH（PCH/AGCH）

RACH信道组合方式（利用C0上TS0的上行链路）*

SDCCH和SACCH信道的组合方式（102个TDMA帧）（一般利用主载频C0上的TS1的双向链路，但不是唯一做法）4.4.3话音和信道编码*话音编码话音采样及传输方式：

采用8KHz采样速率，以13bit字进行量化，输出速率为104kb/s,再送入话音编码器.话音编码方式选取的考虑Consideringthat8subscribersuseoneradiochannel,theoverallbitratewouldbe8x104kbits/s=832kbits/s.Thisbitratewouldnotfitintothe200kHzavailableforall8subscribers.Thekeytoreducingthebitrateistosendinformationaboutthespeechinsteadofthespeechitself.InGSM,thespeechcodingprocessanalyzesspeechsamplesandoutputsparametersofwhatthespeechconsistsofthetone,lengthoftone,pitch,etc.ThisisthentransmittedthroughthenetworktoanotherMS,whichgeneratesthespeechbasedontheseparameters.*话音编码

采用RPE-LTP编译码器，提取话音生成的特征量进行压缩编码：对输入的104kb/s信号,每20ms输出260bit话音信号,形成13kb/s(=260/0.02)的话音序列，送入信道编码器。*信道编码

将260bit话音块分成3类加以编码（卷积码），使数据达到456bit,速率成为22.8kb/s，送入交织编码器。*信道编码信道交织

用作抗突发干扰和瑞利衰落。将40ms的话音比特交织后占用8个时隙（帧）来传送到调制器。**小结：MS话音收发框图*MIC13位线性A/DRPE-LTP编码GMSK解调纠错编码交织无线接入及GMSK调制D/ARPE-LTP解码纠错解码去交织双工器SP8×13kb/s13kb/s22.8kb/s22.8kb/s270.833kb/s话音编码信道编码

4.4.4抗干扰和节约功率技术跳频（FrequencyHopping)用作降低同频道干扰和频率选择性衰落。采用每帧改变频率的方法，即每隔4.615ms改变载波频率，217跳/秒。(注：BCCH和CCCH信道不跳频）**

信道编码中的交织(interleaving)

抗RayleighFading（瑞利衰落）ReceivedInterleavedMessageBlocksRayleighFading（瑞利衰落）*

ThesignalisnotreceivedonalineofsightpathdirectlyfromtheTxantenna.Rather,itisreflectedoffbuildings,forexample,andisreceivedfromseveraldifferentindirectpaths.Rayleighfadingoccurswhentheobstaclesareclosetothereceivingantenna.*AdaptiveEqualization（自适应均衡）

抗时间串扰（Timedispersion)TheMSandBTSincludesthetrainingsequence(showninthefigureas“S”)initstransmissions.Thereceivedtrainingsequenceiscomparedwiththeknowntrainingsequencethatisusedinthiscell.Itcanbeassumedthatproblemsintheradiopathaffectedthesebitsmustalsohavehadasimilaraffectonthespeechdatabitssentinthesameburst.Thereceiverbeginsaprocessinwhichitusesitsknowledgeofwhathappenedthetrainingsequencetocorrectthespeechdatabitsofthetransmission.*TimeDispersion（时间串扰）

Thesequence1,0issentfromtheBTS.Ifthereflectedsignalarrivesonebittimeafterthedirectsignal,thenthereceiverdetectsa1fromthereflectedwaveatthesametimeitdetectsa0fromthedirectwave.Thesymbol1interfereswiththesymbol0andtheMSdoesnotknowwhichoneiscorrect.定时前置（TimingAdvance)

抗时间排列（Timealignment)*TDMAFRAMEItworksbyinstructingthemisalignedMStotransmititsburstearlierorlaterthanitnormallywould.MSmaybeinstructedtodoitstransmissionbyacertainnumberofbittimesearlierorlaterrelatedtopreviousposition,toreachitstimeslotattheBTSinrighttime.Maximum63bittimescanbeusedinGSMsystems.ThislimitsGSMnormalcellsizeto35kmradius.间断发射(DTX)和话音激活检测（VAD）

当MS检测到用户在通话过程中没有发声时，就周期性地发送“POST”信号给BSC。该信号中携带有通话时的背景噪声，从而节省MS的发射功率。VAD技术使得一旦用户讲话出现停顿就能给出指示，进入到DTX阶段。间断接收(DRX)

将寻呼信道分成多个子信道，供给指定的MS守候。*功率控制

为补偿小区的不同距离造成的衰落，BTS能指导MS改变它的发射功率，以使到达BTS的功率在每个时隙相同。思考题：GSM系统中有哪些主要的号码，它们的主要作用是什么？GSM网络的物理信道是如何区分的？有哪些控制信道？这些控制信道有何作用？基站的识别码信息一般是通过哪个物理信道以何种形式发送出去的？GSM系统采用了哪些主要的抗干扰及功率控制技术？*4.5GSM的呼叫流程4.5.1鉴权和加密(Authentication&Encryption)*鉴权：

为了确认移动台用户的合法性，在MS请求服务时均要由系统和MS间进行鉴权。由AUC提供Triplet(RAND、SRES、KC)；用户鉴权键Ki和IMSI存储在AUC和SIM卡中。

Authenticationcanbyoperator’schoicebeperformedduring:·Eachregistration·Eachcallsetupattempt·Locationupdating·Beforesupplementaryserviceactivationanddeactivation*AUC产生三参数组AUC产生三参数组的过程Thefollowingstepsarecarriedouttoproduceonetriplet:1.Anon-predictablerandomnumber,RAND,isgenerated.2.RANDandKiareusedtocalculateSRESandKc,usingtwodifferentalgorithms,A3andA8respectively.3.RAND,SRESandKcaredeliveredtogethertotheHLRasaTriplet.**鉴权流程AuthenticationProcedure*1.

TheMSC/VLRtransmitstheRANDtotheMS.2.TheMScomputesthesignatureSRESusingRANDandthesubscriberauthenticationkey(Ki)throughtheA3algorithm.3.TheMScomputestheKcbyusingKiandRANDthroughA8algorithm.KcwillthereafterbeusedforcipheringanddecipheringinMS.4.ThesignatureSRESissentbacktoMSC/VLR,whichperformsauthentication,bycheckingwhether,theSRESfromtheMSandtheSRESfromtheAUCmatch.Ifso,thesubscriberispermittedtousethenetwork.Ifnot,thesubscriberisbarredfromnetworkaccess.加密

为确保用户信息及与用户有关的信令的私密性，在开通话音或数据通信之前要在MS和BTS之间完成加密过程。（见后面的流程图）*设备识别和用户识别码(IMSI)的保密

设备识别通过将MS的IMEI号与EIR中的3种名单里存储的设备号作比较，从而识别出该MS设备是否合法；在无线链路上需要传送IMSI时，须用TMSI代替IMSI，以防非法监听或盗用IMSI。当MS每次向系统请求位置更新、呼叫尝试等，MSC/VLR将给MS分配一个新的TMSI。*设置加密模式流程加密流程*MSBTSMSC/VLRA5加密A5解密A5解密A5加密TDMA帧号KcTDMA帧号Kc加密数据数据数据(信令、话音)数据数据加密数据TDMA帧号KcTDMA帧号KcCipheringProcedure*1.MandKcaresentfromtheMSC/VLRtotheBTS.2.MisforwardedtotheMS.3.MisencryptedusingKc(calculatedearlierwithSRESintheauthenticationprocedure)andtheTDMAframenumberwhicharefedthroughtheencryptionalgorithm,A5.4.TheencryptedmessageissenttotheBTS.5.EncryptedMisdecryptedintheBTSusingKc,theTDMAframenumberandthedecryptionalgorithm,A5.6.IfthedecryptionofMwassuccessful,thecipheringmodecompletedmessageissenttotheMSC.Allinformationovertheairinterfaceiscipheredfromthispointon.4.5.2MS开机后的工作1.获取系统参数*确定载频频道按SIM中存贮的BCCH频率表进行搜索，若无该表，或搜索不到，则将系统所有可用频点顺序搜索和比较，直到找到信号功率最强的频点。确定并读取FCCH信道从而通过解码使自身与系统主频一致。确定并读取SCH信道从而取得时间同步，可以正确确定时隙和帧的边界。确定并读取BCCH信道

*MS从BCCH信道中得到的参数信息：

网络和相邻小区的识别信息，位置区识别，相邻小区BCCH的频率信息。描述当前控制信道结构的信息。小区所支持的选择信息，如：是否允许DTX；MS在接入控制信道时可使用的最大发射功率级等；控制接入的信息，如：最多的试呼次数，是否允许紧急呼叫等。MS从FCCH和SCH信道中得到的参数信息：

MS从FCCH获得系统的参考频率，纠正它的内部时钟基准；从SCH中接收TDMA帧号和BSIC码，并调整内部定时方案。2.小区选择（CellSelection）（MS待机时进行）选择有效GSM网查找SIM中的GSM表中的小区识别号,与BCCH携带的小区识别号对比。选择登陆的小区（主要依据如下）