无线通讯网路概论GSM篇.ppt

1、無線通訊網路概論GSM 篇,閱讀書籍: 無線通訊網路概論 書籍出版社: 文魁資訊股份有限公司 作者: 禹帆 大綱:1.GSM 2.GPRS 3.3 G 4.WAP 5.各種應用,第 零 章 基礎的通訊原理,訊號對雜訊比,在通訊理論上雜訊對訊號的干擾程度的比值,以S/N(Signal to Noise)表示. S/N 單位是以 dB 表示. S/N 的數值一定必須大於一. S/N 數值越高,訊號的品質越佳. 雖然數值越高越好,但是發射功率是受系統業者,FCC,官方機構規範限定.,電波強度,計量電波強度的單位最簡單的表示方法是瓦特(W),瓦特代表電子設備每秒消耗或法設多少功率. 電波強度的另外一種

2、表示方法是將瓦特的數值轉換成的 dBm (Decibels). 換算式:dBm=10 Log(P2/P1). 工程上描述電波強度時,通常都會採用dBm的計量單位.,調變(Modulation),通訊系統發射無線電波訊號時,為增加訊號的傳輸效能以及減少傳輸後的衰減,通常必須將無線電波的來源訊號頻率與更高的頻率互相結合,以更高的頻率內的相位與頻率變化來表示來源訊號內的內容,此種程序成為調變.,FM 調變,FM收音機發出的語音頻率介於303000Hz間,但是收音機的接收頻率介於90165Hz間,這廣播電台在送出語音前,將語音以FM調變方式轉換到90165Hz的載波上.,無線通訊的調變技術目標,無線通

3、訊最佳的調變技術目標是希望傳輸無線電波時,不僅佔用最少的頻寬,而且仍然維持最好的品質.,類比調變,類比調變是載波內振幅與頻率的連續性變化表示機頻內的類比訊號 早期的行動通訊系統就是採用類比的調變技術,例如:美國(1984)AMPS系統,歐洲則多達五種有TACS、NMT、C-450、Radiocom2000、RTMS 調幅AM與調頻FM是最常見的類比調變技術,FM調變的優點,不易受雜訊干擾 增加頻寬以得到更佳的通訊品質 減少電池耗電功率 Capture effect,Capture effect,FM 調頻的原理使FM具有所謂的 Capture effect 特性, Capture effect

4、 特性是當某個單一頻率同時出現兩個強高低不同的訊號時,FM 調變的接受器將接收強度較高的訊號加以調變,較低強度的訊號不會被接受器接收,這種特性能避免同頻干擾現象.,數位調變的優點,優異的抗干擾能力. 當不同型態的資料經過數位調變後,就能多工混和後由相同的頻道傳送. 特定的密碼將資料進行編碼,避免訊號傳輸時遭其他人竊取.,數位調變技術的評估,在低訊號雜訊比S/N時,仍有的的錯誤率. 再多重反射或是衰減嚴重的傳輸環境時,仍能正常用作. 佔用相當少的評寬 硬體設備價格便宜,第一章 GSM 行動通訊標準的制定過程與特色,無線行動通訊再過去二十年內,發展迅速,許多的無線行動通訊標準,都被陸續制定出來.

5、GSM為目前最流行的行動通訊系統 GSM900,GSM1800,GSM1900 最主要的不同只在於操作的頻率,頻率越高系統可以容納的通化內容越多,但是無線電波傳播時,高頻電波的衰減較低頻電波來的大.,蜂巢式(Cellular)通訊系統,1970年代貝爾公司首先提出HCMTS,將頻率重覆使用的觀念應用與行動通訊中,方法是以多個低功率的發射天線取代原本的高功率發射天線,每個發射天線電波涵蓋範圍購成一個微細胞,避免相鄰的微細胞干擾,相鄰的微細胞分配不同的頻率,達到頻率能重覆使用.,頻率重覆使用的觀念應用,F1,F1,F1,F1,F2,A,B,C,微細胞組成的叢集,將通訊區域切割成許多微細胞,若干的微

6、細胞組成一個叢集,叢集內的微細胞分配不同的頻率. 叢集n的數目越大,同頻率的微細胞距離越遠,經由這種設計,頻率就能夠重覆利用.,N=3,N=4,GSM 通訊標準制定是改善類比式通訊系統,GSM通訊標準約於1980年代初期起源於歐洲,當時歐洲已有許多國家採用蜂巢類比式通訊,但是隨著手機使用者的快速增加,類比式通訊系統的問題也一一浮現.,類比式通訊的缺點,通話數容量有限. 採用類比傳輸,易受干擾. 各國的通訊系統互不相同 廠商各自發展專屬設備,無法大量生產,手機及設備價格高 由於以上的缺點,歐洲各國認為必須制定一個新標準,因此1980年初既開始發展一個行動電話的共同標準.,GSM 網路的快速發展,

7、從GSM系統的用戶人口來看,1992年中,第一個GSM系統正式於瑞典、德國、法國、英國、等地區營運,到1994年初,全世界累積到一百三十萬用戶. 從此以後,用戶數更是飛快成長,由1995年初五百萬用戶,短短一年內,到1995年底,就達八百用戶.專家並且預估往後數年GSM的用戶市場都將呈等比級數成長.,GSM 行動通訊系統的優點,更大的通話量與改善通話品質 國際慢遊 使通訊系統設備與手機更便宜 增加通訊的安全性 提供更多的通訊服務 GSM 網路系統上的應用服務 語音服務 數據傳輸的訊息服務 加值服務,加值服務,Call forwarding (自動轉接) Call Barring (限制撥號設定

8、) Call Waiting (插撥通知) Call Hold (電話插撥),第二章 GSM 通訊網路的子系統與通訊特色,在GSM標準上,將GSM通訊網路分為許多子系統,包括行動台MS,基地台BSS,交換機SS以及管理維護GSM子系統,各個子系統以不同的介面互相連接,各有不同的功能,彼此互相配合才能達成行動通訊系統的運作. 子系統間的溝通,是一連串的訊號互相的交換,交換訊號包含有系統中非常重要的辨識碼(Identity),GSM 通訊系統的各個子系統行動台MS(Mobile Station),GSM 通訊系統的行動台MS是能夠與基地台通訊的移動是設備 MS設備約可區分為二個類別 第一種等級是V

9、ehicular mounted, 此種的手機固定於汽車內 第二種Handheld, 此種的手機設計如手掌般大小,SIM 卡,在GSM系統中,為了方便使用者能夠購買使用各廠牌的手機,將使用者的基本資料與識別碼紀錄在獨立的識別卡SIM(Subscriber Identity Module)上. SIM 卡有兩種大小,較小的稱為Plug-in SIM,較大的有如名信片大小的稱為ID-1 SIM.,BSS(Base Station System)子系統包括BTS與BSC.,基地台BSS子系統BSS (Base Station System),MS (Mobile Station),BTS (Base

10、 Transceiver Station),BTS (Base Transceiver Station) 包含許多天線與電路,負責接收發送與手機間的無線電波訊號. BTS 提供無線電頻道,實體層與數據連結層之介面.,BSC (Base Station Controller),BSC 為BSS系統的訊號處理中心 BSC 主要負責無線電資源管理,通訊頻道的指派,跳頻控制,通話交遞,無線電性能量測,功率控制. 一部BSC會同時連接許多BTS基地台,SS(Switching System) 交換機SS子系統,基地台BSS子系統BSS (Base Station System),SS,MS (Mobil

11、e Station),BSS,BTS,BSC,BTS,BTS,交換機SS子系統,BSC,GMSC,ISC,MSC(Mobile Switching Center),MSC 是將從BSC進來的撥號,依照發話者撥號的目的地號碼,傳遞到另外一個交換機MSC上,最後再所有交換機間建立一條撥號手機與受話手機間的連線 當系統需要驗證適用者身分,或是尋找受話手機位置時,MSC會詢問HLR AUC VLR 等資料庫內的儲存資料,作為建立連線時的控制參數,ISC(International Switching Center)當任何有關國際間的通話時,就由ISC負責處理與其他不通國家間的語音通話.,GMSC (P

12、ublic Land Mobile Network) GSM 網路可以與有限公眾電話系統PSTN 或其他電信業者的GSM網路PLMN相連接,互相之間的連接點就是GMSC.,HLR(Home Location Register)紀錄電話號碼與加值服務紀錄手機所在位置,供GMSC建立連線時查詢,VLR (Visited Location Register) GSM系統將整個區域分成若干小單位LA,每個LA區域都會連結到VLR 控制LA區域的VLR會記錄該區域內的所有手機位置,AUC(Authentication Center)GSM系統的驗證中心,紀錄和驗證有關的資料,並負責計算驗證SRES參數與

13、編碼Kc參數,EIR (Equipment Identity Register) 每隻手機再出廠時都會有一個號碼,在GSM上稱為IMEI碼 EIR就是負責紀錄手機的IMEI碼,可限制手機被竊或被盜的手機使用系統的權利,管理維護OMS子系統,電信業者再實際營運時,都會藉助管理維護系統OMS (Operation Maintenance System),幫助營運更有效率. 好的OMS通常為中央集中控制,具有方便性的操作介面,依照功能可歸納為設定管理、錯誤管理、效能管理、安全管理.,GSM 系統的識別碼(Identity),GSM 系統利用SIM卡上的識別碼來變是使用者的身分並加以計費,所以在系統與

14、手機內一定同時都儲存著和使用者資料有關的辨識碼,辨識碼的分配,有如給予每位手機使用者一個獨一無二的身分證件.,GSM 各識別碼的用途,MSISDN 相當於呼叫每個手機使用者的識別碼 IMSI 為防止被他人冒用,規範出另一個識別碼 MSRN 路徑資料與手機建立連線用 IMEI 手機的識別碼,紀錄於EIR內 TMSI 用於通過系統的驗證碼,GSM系統的通訊特色,1.因應移動通訊得特殊設計 為了使有線電話能立即與手機通話,GSM必須隨時掌握手機位置. 2.系統控制手機的發射功率 自動搜尋基地台訊號的強弱,連接上訊號家的基地台. 利用BSC控制手機發射訊號的強弱.,第三章 GSM通訊系統的地理階層與通

15、訊協定,GSM通訊系統是由許多子系統共同組成,當建設GSM通話系統時,必須將各個子系統安置在通訊區域內.,微細胞 (Cell),GSM通訊係通又稱為蜂巢式行動電話 每一個微細胞都只含有一個BTS,由BTS負責接收與該微細胞內的手機訊號 微細胞的涵蓋範圍與週遭基地台的位置強度,以及訊號的強度有關. 手機通過交會點時將進行通話交遞(Handover),或是位置更新.,微細胞的邊界範圍,微細胞的種類,Omnidirectional Cell:基地台的天線在四面八方各個發射方向的發射強度都相同，因此稱為全方向性(Omnidirectional)，這種微細胞通常用於鄉村地區，一個全方向性微細胞的區域內只

16、有包含一個基地台。 Sectored Cell:基地台的天線具備方向性(Directional)，通常將訊號的發射分為3個方向， 每個方向的電波發射角度為120度，因此一個基地台的週遭包括三個Sectored微細胞，Macrocell通常架設在高塔或是大樓的頂端。 Microcell安裝在特定小區域內，如機場隧道以及地下鐵。 Picocell更小的區域，安裝在大樓內的一個樓層。,Omnidirectional與Sector型態的微細胞,許多微細胞共同組成一個LA區域,每個微細胞的BTS都會連接到BSC上,同一個LA區域內可含有一個或多個BSC. 一個LA區域 一定只由 一個MSC 來控制.,L

17、A區域(Location Area),BSC,BSC,雖然一個La區域由一個MSC控制,但是一個MSC卻通時能控制多 個La區域,一個 MSC所能控制的所有 La範圍既構成MSC/VLR 服務區域,MSC/VLR服務區域(Service Area),MSC,VLR,HLR,PLMN 服務區域(Service Area),許多MSC/VLR 服務區域所構成的區域稱為PLMN(Public Land Mobile Network).,GSM 服務區域(Server Area),全世界所有的PLMN區域聯合起來構成了GSM 服務區域,各個子系統間的介面與各層協定的功能,各個子系統間的標準介面,GSM

18、第三層的子層,GSM網路通訊協定的第三層分為許多子層, 由上而下分為 CM、MM與RR,各個子成負責不同的功能,當上面的子層發出命令後,由下面的子層負責傳遞訊號,界已完成GSM網路內的各項功能.,RR子層(Radio Resources Management),RR子層掌官手機與MSC間連線的維護,通訊頻道的建立與釋放,並負責任何與電波發射有關的任何管理. 例如功率控制、飛連續傳送、以及發射時間的提前.,通話交遞(Handover),為了確保清晰的通話品質,GSM通訊系統可將正在進行中的通話,移轉盪不同的基地台或改變通話的頻道,不同頻道的收激發設電波也不相同,手機使用者並不會感覺通話有任何中斷

19、.,通話交遞(Handover),MM子層(mobility Management),MM(Mobility Management)子層負責與手機移動有關的任何功能,使GSM通訊系統隨時能掌握手機的位置,MM子層並且負責手機用戶的驗證與訊號編碼的功能.,用戶驗證與訊息編碼,GSM通訊系統驗證與編碼,就是利用辨識碼配合系統特殊演算法,計算比對數據資料,確認每位用戶身分與權限,並將語音訊息加以編碼處理,避免在空間中傳送時被其他人所破解竊聽.,GSM通訊系統在驗證(Authentication)與編碼(Ciphering)時的信號交換程序,VLR,HLR,AUC,Location Updating,

20、+,_,=,手機的位置更新,GSM 通訊系統為掌握目前手機位置,手機必須隨時將目前所在LA區域的LAI識別碼回報給系統,然後系統將手機位置紀錄在負責區域的VLR內.,TMSI Reallocation Complete,位置更新時的訊號交換過程,VLR,HLR,BSS/MSC,IMSI,TMSI Ki,Kc,LAI,Start Ciphering,Generate TMSI,Authentication,SERS,SERS,CM子層(Call Control),CM子層負責掌管與撥號有關的控制CC(Call Control) CM還負責加值服務SS的管理,以及簡訊的管理.,系統建立通話連線時的

21、訊號交換過程,MSC,HLR,GMSC,BSC,VLR,ISDN PSTN,3,1,MSRN,4,MSRN,2,MSISDN,MSISDN,第四章 網路的無線通訊介面,GSM 900 系統,實際上用到的通訊頻譜介於890MH至z960Mhz之間. 通訊為了能夠允許多個手機用戶同時利用該頻譜來做通訊,對頻譜都有特定的利用方法,這種方法成為多重存取技術MA(Multiple Access). 目前兩大陣營:GSM、CDMA,GSM 通訊頻譜,GSM900:上傳 890915 MHz 下傳 935960 MHz GSM1800:上傳 17101785 MHz 下傳 18051880 MHz,通訊系統

22、多重存取方法,FDMA將頻段切換成許多頻道,每個通話都同時具有上傳和下傳的頻道,每個頻道保留給一個通話使用. 例C-Netz系統上,將4.44切成222個頻道,每個頻道20KHz,如圖中 三個頻道只能 容納三通電話.,Frequency,Time,ch3,ch2,ch1,FDMA,F3,F2,F1,20KHz,FDMA(Frequency Division Multiple Access),Downlink,FDMA與TDMA通訊系統,TDMA將時間分割成許多時槽,載波可將這些分配給許多不同的通話使用,固定數目的時槽構成一個TDMA Frame. 在Frame內數據,與控制信號,都經由phys

23、ical Channel傳送.,CDMA,CDMA將每個手機的無線訊號加以特別的編碼後,經基地台接收後再加以解碼還原,所有的手機使用者都利用相同的頻譜來傳輸訊號. CDMA的標準稱為IS95 CDMA或cdmaOne,傳輸頻段為1.25MHz,屬於窄頻.,GSM 900與 GSM1800兩系統分配頻段與系統的差異,TDMA Frame n,GSM的多重存取方法同時用到TDMA與FDMA,TDMA Frame n+1,TS0,TS1,TS3,TS4,TS5,TS6,TS7,TS8,FDMA,200KHz,1,2,3,124,915KHz,890KHz,25KHz Uplink,200KHz,1,

24、2,3,124,960KHz,935KHz,25KHz Uplink,上傳,下傳,4.615ms,channel,channel,GSM通訊系統的邏輯頻道,手機與基地間的語音與控制信號 ,都經由實體通道. 在GSM通續系統對各種不同功能的訊號,又定義出一種特別的稱呼,稱為邏輯頻道(Logical Channels). 邏輯頻道可分為控制頻道(Traffic Channels)與語音頻道(Control Channels).,邏輯頻道,控制頻道,語音頻道,廣播頻道,一般性 控制頻道,專屬性 控制頻道,控制頻道(Traffic Channels),控制頻道上的訊息作為控制手機與基地台間的通話機制.

25、 控制頻道依功能可區分為廣播頻道BCH(Broadcast Channel),一般性控制頻道CCCH(Common Control Channels),專屬控制性頻道DCCH(Dedicated Control Channels),廣播頻道 BCH,將手機與基地台間的同步與頻率選擇等訊息,傳遞到手機上. (1)BCCH (2)FCCH (3)SCH,BCCH FCCH SCH,(1)Broadcast Control Channel(BCCH) 提供手機有關於網路的一般參數. (2)Frequency Correction Channel(FCCH) 提供手機有關頻率的訊息. (3)Synch

26、ronization Channel(SCH) 提供手機更進一步的同步資訊.,一般性控制頻道 CCCH,CCCH 主要是基地台將一些撥號訊息傳遞到尚未通話的手機上 Paging Channel (PCH), 手機會隨時監聽PCH上的訊號,當基地台需要呼叫手機時,會從PCH發送呼叫收機的廣播訊息. Random Access Channel (RACH),當手機收到PCH呼叫.將回應RACH,RACH會要求系統分配訊號頻道. Access Grand Channel (AGCH),系統收到手機RACH,從RACH可得知手機位置,專屬性控制頻道DCCH,專屬性控制頻道主要是基地台與正在通話的手機間

27、的一些控制訊號交換. Stand-alone Dedicated Control Channel(SDCCH),手機分配SDCCH, 手機將獲得有關建立通話連時的訊息. Slow associated Control Channel (SACCH),手機由SACCH將附近微細胞訊號量測數據回報基地台,作為系統決定通話交遞的依據. Fast associated Control Channel(FACCH),GSM網路功能都賴於邏輯頻道,邏輯頻道內得控制頻道掌管基地台對手機的控制訊號, 使手機能夠確知目前所在位置、 執行手機的通話交遞等,語音控制不僅傳遞手機通話,還能將訊號量測數據傳回基地台.,

28、微細胞內的BCCH,電信業者在進行微細胞的頻率規劃時,必須分配給每個微細胞若干個載波頻率,每個載波頻段200KHz,作為手機連上基地台無線訊號所用的頻道,再微細胞所有載波當中,必須選擇一個載波頻率來傳送邏輯頻道內的各種控制訊號,這個特殊的載波頻率成為BCCH載波.,頻率跳躍,微細胞內的通話交遞是將正在進行中的通話,改變到不同頻道上,這是將下一個TDMA Frame 要出現的Burst,經由頻率跳躍的方式,跳要道不同的載波頻率上,頻率跳躍能減少電波在傳輸過程中的衰減,提高通話品質.,Control Channel,通話交替運用頻率跳躍的方法,Uplink,Domnlink,D0,D1,D2,D3

29、,U3,U1,U0,U2,BCCH Carrier,手機如何將數據傳回基地台,手機是不斷的在發射、量測、接收這三個過程. 在接收過程時 ,收機不僅收到基地台發出的訊號內容,還會記錄訊號的強弱及誤碼率. 手機在發射階段會將接收與量測的紀錄,傳回基地台,基地台由這些數據測得知訊號品質,當通訊不佳時,基地台會將訊號交替到訊號佳的基地台.,第五章 語音轉換成無線電波,A/D Seagmentation,Speech Coding,Channel coding,Interleaving,Ciphering,Burst Assembling,Modulation,Radio Channel,Microph

30、one,類比轉成數位,語音編碼,頻道編碼,交錯,編碼,組成資料單位,調變,無線傳輸,麥克風,語音編碼 (Speech Coding),不管是有線或無線電話系統PSTN或是無線通訊系統,為了傳送每個人的語音訊號,必須透過電話或手機將語音的類比聲波訊號轉換成電子數位訊號.,頻道編碼 (Channel coding),無線電波在傳輸訊號時,週遭的地形與第物天候,等因素,皆會干擾訊號傳送,解決方法是將語音編碼後的位元內,加入一些錯誤更正的檢查字串,接收端可以利用這些檢查字串再解碼的過程時將錯誤位元更正,或是將錯誤位元捨棄掉不使用.,交錯 (Interleaving),雖然頻道編碼能使手機在解碼時能更正錯誤的位元,但是在訊號接收不佳的區域內,往往會連續收到數個錯誤的位元,在解碼時並不會將其錯誤更正過來,解決方法是將邏輯頻道經過解碼後的區段456個位元,切割成許多段落,與其他區段的段落混合在送出去,降低錯誤的發生率.,語音頻道:區段經過切割互相組成交錯區段,B,B+1,