GSM通讯系统原理入门.ppt

1、NBU HW Team 李庚申 2007.9.17,GSM移动通讯系统入门,GSM 发展历史回顾,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（Groupe Special Mobile)； 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； 1990年，GSM规范Phase 1 被冻结； 1991年，DCS1800 规范Phase 1被冻结；GSM委员会开始考虑下一代无线通信系统；,1992年，GSM委员会更名为“ Specia

2、l Mobile Group”,GSM系统更名为“Global System for Mobile Communication”, DCS1800规范 Phase 2被冻结； 1992年，GSM开始商业运营； 1993年，GSM规范 Phase 2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） 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； 1996年，ETSI推出GSM规范Phase 2,目录 1,1 移动通信的基本概念 1-1接入方式 1-2传输方式 1-3多址方式 1-4频率资源复用 2 GSM系统

3、的构成 2-1 MSC 2-2 BSS 2-3 MS,3 GSM空间接口 3-1频带分配 3-2物理信道 3-3多址方式 3-4 TDMA Burst 3-5调制方式 3-6收发双工时序 3-7功率控制 3-8时序控制,目录 2,4 身份鉴别 SIM 4-1 IMSI 4-2 MCC 4-3 MNC 4-4 用户存储的信息 5 话音编码与传输 5-1 话音编码 5-2 传输 6 逻辑信道,7 呼叫建立过程 7-1 登录网络 7-2 手机发起呼叫 7-3 基站发起呼叫,1 移动通信的基本概念,移动通信范指用户可以在移动中进行通信的系统。 1.通信方向: 单向通信（例如BP 机） 双向通信 2.用

4、户范围： 公用 专用（例如对讲机）,1-1接入方式,终端设备与通信网络的连接：射频无线电 公用移动通信系统为双向的无线通信系统: “Uplink上行” 由手机到网络的通信信号 “Downlink下行” 从网络到手机的通信信号 手机必须能够同时进行双向的通信，所以上行和下行的射频信号不能在同一个频率上进行传输。一般的，移动通信系统的上行和下行信号分别位于互不重叠的两个频率带中。,1-2传输方式,移动通信的传输方式: 模拟方式需要传输的低频信号通过模拟的调制方式调制到可供通信的射频频率上进行通信 数字方式将待传输的低频信号先进行数字编码，全部变成只有0 和1 两种状态的数字信号再进行调制与传输,模

5、拟传输方式 优点： 终端结构简单 缺点： 易受到干扰 通信速率较低 射频电路性能要求较高 保密性差,数字传输方式 优点： 抗干扰能力较强 通信速率较高 对射频电路要求相对较低 保密性好 缺点： 终端结构复杂,1-3多址方式,多个用户同时与一个系统进行通信的方式叫多址通信。多址方式可以分为FDMA、TDMA 和CDMA 三种方式。 FDMA（Frequency Division Multiple Access）频分多址：多个用户各自在互不相同频带上同时与系统进行通信。此种通信方式多用于模拟通信系统。 TDMA（Time Division Multiple Access)时分多址：多个用户在同一个

6、频带上按顺序轮流与系统进行通信，在某一时刻，只有一个用户与系统进行通信。此种方式主要用于数字通信系统。 CDMA（Code Division Multiple Access）码分多址：多个用户在同一时间、同一频带内与系统进行通信，但各自发出的信号编码互不相同，由系统识别各用户的通信内容。此种通信方式也用于数字系统。,1-4频率资源复用,频率复用通过将一个大范围的通信覆盖区域分割成若干个小的通信区域来实现的。 小区通信：在每个小区之中，有限的用户与此小区的系统在部分的可用频带内进行多址通信。 小区复用：相临小区的用户只能使用不同的频带，而不相临小区的用户可以重复使用相同的频带。 蜂窝系统：将一个

7、大的地区分割成为许多个小的区域，每个小区的形状近似于六边形，因此移动通信系统又称为“蜂窝系统”。 越区切换：相临小区允许使用的频带不相同，所以手机在通信之中由一个小区移动到另一个小区中时必须由系统控制进行越区切换。 报告位置：由于手机所在位置经常会移动，所以手机必须及时向系统报告自身所处的位置以便系统能够随时找到手机。,7小区频率重复再用,基站扇区化,cell site,cell site,cell site,全向小区 （OMNI CELL SITE）,3扇区/小区 （120 SECTOR/ CELLS）,6扇区/小区 （60 SECTOR/ CELLS）,=1 ANTENNA,=3 ANTE

8、NNA,=6 ANTENNA,2 GSM系统的构成,2-1 MSC,Mobile Switching Center移动交换中心： 主要功能： 整个移动通信系统数据的传输交换 网络管理 与其他通信系统的联接等作用 相关功能: 手机用户的身份确认与位置更新 通信的路由选择等系统功能 系统提供的其他功能也需要MSC 来实现,2-2 BSS,Base Station System基站系统： BSS是由基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)所组成,它是把控制与传输功能结合起来.BTS与BSC可设置在同一地点或者是分开设置也可以,完全是视网路规划来决定。 Base Station Controlle

9、r 基站控制器 Base Transceiver Station 基站收发信台,2-2-1 BSC,Base Station Controller 基站控制器 接口管理: 支持与MSC间A接口,与BTS间的Abis接口及与OMC间的X.25接口. BTS-BSC之间的地面信道管理: BSC对BTS间的无线信令链路,操作维护链路进行监测,对无线业务信道进行分配管理. 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。 无线资源包括: 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,测

10、量和统计： 对无线链路的测量: 处理移动台和BTS送上的测量报告，决定是否需调整BTS和移动台功率，决定是否切换。 话务量统计: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，为系统扩容和小区分裂等提供凭据。 切换： 根据小区功率电平、话音质量及干扰情况，选择切换的目标对象。对于小区内切换，同一BSC控制的小区间切换，BSC完全控制。而不同BSC控制的小区间切换，则由MSC完成。 支持呼叫控制： 通过交换电路实现话路连接，还可提供主、被叫排队机制。 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。,2-2-2 BTS,Ba

11、se Transceiver Station 基站收发信台： 受控于基站控制器(BSC) ，属于基站子系统(BSS)的无线部分，服务于某小区的无线收发信设备，实现BTS与移动台(MS)空中接口的功能。 基带单元：主要用于话音和数据速率适配以及信道编码等 载频单元：主要用于调制/解调与发射机/接收机间的耦合 控制单元：用于BTS的操作与维护,2-3 MS,Mobile Station移动台，即手机，,3 GSM空间接口,3-1频带分配,PGSM 系统的上行频带分配为890MHz915MHz；下行频带为935MHz960MHz，对于一个通信信道，收发双工间隔为45MHz。 EGSM 系统比PGSM

12、 系统的工作频带向下拓展了10MHz，上行频带分配为880MHz915MHz；下行频带为925MHz960MHz，收发双工间隔为45MHz。 DCS 系统的上行频带分配为1710MHz1785MHz；下行频带为1805MHz1880MHz，收发双工间隔为95MHz。 PCS 系统的上行频带分配为1850MHz1910MHz；下行频带为1930MHz1990MHz，收发双工间隔为85MHz。,3-2物理信道,为便于系统控制，我们将上/下行频带中分割出的成对的 上/下行频带按照数字编号，称为物理信道。相应的信道编号称为ARFCN（Absoluteness RF Channel Number）绝对射

13、频信道号。一个ARFCN 对应着一对上行和下行信道，这称为GSM 系统中的物理信道。 在所有GSM系统中，信道的频率间隔均为200kHz。 PGSM 系统的ARFCN 为1124，CH1 上行的中心频率为890.2MHz，ARFCN 为n 的上行信道的中心频率 fn=f1+(n-1)200kHz。 对应的下行信道中心频率需要加上双工间隔频率，PGSM为45MHz。 EGSM 系统包括了PGSM 系统的1124 信道，由CH1 的频率向下扩展了10MHz，ARFCN 为9751023，此外还有CH0。CH975 上行信道的中心频率为880.2MHz，CH0 的上行信道的中心频率为890MHz。,

14、DCS 系统的ARFCN 为512885，CH512 的上行中心频率为1710.2MHz。 PCS 系统的ARFCN 为512810，CH512 的上行中心频率为1850.2MHz。 需要说明的是DCS和PCS的ARFCN有很多是重合的，这是因为PCS系统仅限于北美使用，而北美没有DCS系统，也就是说DCS和PCS系统不可能在同一地区存在，所以ARFCN也就能够重合。,3-3多址方式,GSM 系统采用了FDMA/TDMA 的多址方式，在给定的上/下行频带中根据FDMA 分割称为等频带间隔的信道，在每个信道频带中按照TDMA 分为8 个时隙。,1,2,3,4,5,6,7,3,4,5,6,7,0,

15、1,2,Time,Frequency,Amplitude,ARFCN,Timeslot,物理信道是由 ARFCN 和 Timeslot组成,FDMA 与 TDMA,3-4 TDMA Burst,2.4.5 TDMA Burst GSM 系统是一个时分多址的通信系统，8 个用户时分复用同一个信道。对于一个用户来说，发射信号是脉冲形的。 TDMA Burst（突发）：手机在一个脉冲时间内所发射的所有频谱分量的集合，它携带着一个脉冲中所要传送的信息。 GSM 系统对一个Burst 在每段时间的频谱宽度与幅度都有严格的要求，我们对手机发射信号的测试中有许多部分是对Burst 的测试。,The GSM

16、Burst,GSM TDMA Power Burst（功率脉冲）,3-5调制方式,GMSK GSM使用的调制是BT = 0.3的GMSK，其调制速率为270.833千波特。 调制的功能就是按照一定的规则把某种特性强加到电磁波上，这个特性就是要发射的数据。GSM系统中承载信息的是电磁场的相位，即调相方式。 Viterbi 使用Viterbi算法进行解调。 解调的功能是接收信号，从一个受调的电磁波中还原发送的数据。,3-6收发双工时序,GSM 系统对手机的发射和接收时序也有规定。 第三个时隙: 手机在接收信号的时隙后的第三个时隙发射信号。 监听: 在实际情况中，手机在发射时隙到接收时隙的间隔中会将

17、接收频率调整到邻近小区的广播信道上来监听邻近小区信号的场强，以便系统判断何时进行越区切换。 工作状态: 所有手机均遵循此规则，这样，在同一时刻GSM 手机只有一种工作状态，即发射、接收、监听或待机。,上行链路滞后下行链路3个时隙 上行链路和下行链路使用相同的时隙号 上行链路和下行链路使用相同的信道号 (ARFCN) 上行链路和下行链路使用不同的频段 (间隔45MHz),下行链路与上行链路,测量相邻小区广播信道功率,3-7功率控制,一个小区中的手机用户可能有很多，当许多用户同时与基站进行通信的时候，如果发射功率都相同，离基站近的用户会对离基站远的用户造成阻塞效应；而离基站较近的用户用大功率发射时

18、电池消耗也比较大，所以基站必须能够对手机的发射功率进行调整，手机也应该具备改变发射功率的能力。 GSM 规范：要求手机必须能够以2dBm为单位调整发射功率。 PGSM：手机的发射功率分为115 共15 级，15 级功率相等，均为33dBm，5 级以下的功率以每级2dBm 的差值递减。EGSM规范从15 级向下增加到19 级。 DCS 与PCS 系统：均设015 共16 级功率，最大功率0 级为30dBm，其它功率同样以2dBm 递减。,3-8时序控制,手机用户离基站有远近，发射的信号到达基站的时间会有差别。这样按照同一个时序发射的脉冲经过传输到达基站有可能会发生重叠。为避免此种情况的发生，需要

19、对手机发射的时序进行调整，使距离基站远的手机在基站的控制下提前一定时间发射，使得到达基站的脉冲满足时序而不发生重叠。,4 身份鉴别 SIM,GSM 系统需要确定每个用户是否具有合法的身份后才能允许用户接入网络。记录着用户身份信息的部分称为SIM（Subscriber Identification Module）卡，网络会根据上面的信息确定用户的合法性。SIM卡作为一个单独的部分插入手机，上面记录着如下内容。,4-1 IMSI,International Mobile Subscriber Identification国际移动用户身份鉴别信息。此号码为国际唯一的号码，代表用户的身份，在登录系统的

20、时候，系统会根据此项信息找到用户的信息。 另外，在手机等移动设备硬件中还有一个号码IMEI（International Mobile Equipment Identification），国际移动设备鉴别号，也是国际唯一的号码，系统也可以根据此号码鉴别设备的合法性。,4-2 MCC Mobile Country Code移动国家号，代表用户归属网络所在国家的编号。 4-3 MNC Mobile Network Code移动网络号，代表用户归属网络运营商的编号。 4-4 用户存储的信息 SIM卡上还有一些存储空间，可以用来存储一些用户自己的数据，例如电话本，设置等。,5 话音编码与传输,GSM 系

21、统的传输为数字方式，模拟的话音编码被转换成为数字信号再进行传输。如果将全部的话音信号都传送出去，会占用非常多的频带，所以需要进行数据压缩编码。话音信号主要经过以下的过程进行传输。,5-1 话音编码,我们这里主要介绍一下话音信号的发送过程，接收过程与此相反。 取样、量化与编码： 模拟的话音信号经过数字抽样变为离散的信号，再经过量化编码为PCM数字信号。 数据压缩编码： 数字语音信号流以20ms 为一个时间单位，每个单位共有456 bits。这20ms 的数据通过RELP/LTP（残余激励线性预测编码/长期预测）编码器进行压缩编码，变成260 bits 的数据。这时的码速率为13kbps，称为全速

22、率编码。 纠错编码： 20ms 的260bits 的数据按照重要性被分为182bits 的I 类比特和78bits 的II 类比特，182bits 的I 类比特又进一步分为50bits 的Ia 类重要比特和132bits 的Ib 类比特。182bits 的I 类比特有卷积纠错码进行保护，其中Ia 类比特有CRC 码进行保护。78bits 的II 类比特没有被保护。 这样，经过纠错编码后182bits 的I 类比特变为378bits，与78bits 的II 类比特组成在20ms 中的456bits 的数据。,语音编码器,错误纠正（加校验位）,Block Code,132,78,50,Type I

23、a,Type Ib,Type II,Re-ordering,Half rate convolutional code,CRC,25,25,78,4,66,66,3,Tail,CRC,Type Ia,Type Ib,Type Ia,Type Ib,Type II,260 Bits in,456 Bits Out,456,Bits from 20ms of Speech,5-2 传输,这样，话音信号完成了到数字信号的转换，接下来就进行分时隙传输。 时隙 在GSM 系统中，每个用户被允许在各自的时隙(Time Slot)中发射信号，每一个正常时隙携带156.25bits 的数据，长为576.92s。

24、 帧 8 个时隙组成一个帧（Frame），长4.615ms。 复帧 26 个帧组成一个复帧（Multiframe），长120ms。 超帧 51 个多帧组成一个超帧（Superframe)，长6.12s。,帧与复用帧,(normal burst),交织、传输,交织、传输 20ms 的456bits 数据被分为8 块，每块57bits。 每个Burst 在中间同步字两端各传送57bits 数据，共114bits 话音数据。实际上每个Burst 传送2 个不同20ms中的数据。 120ms 内，6 个20ms 块，共2736bits 数据共同被交织传输，组成24 个Burst，分别位于24 个帧中。

25、一个复帧的周期也是120ms，有26 个帧，传送24 个话音数据帧后有两个帧多余，其中一个用于SACCH 控制信道，另一个保留。,6 逻辑信道,在GSM 系统中，所有数据均由Burst 传输，但Burst 并不只携带话音数据，还传输许多用于控制的数据。我们将这些Burst 按照功能分成一些逻辑信道。 TCHTraffic CHannel 业务信道：负责传送话音数据的信道。 SACCHSlow Associated Control CHannel 慢速随路控制信道：一个复帧有26 个帧，正常情况下，24 个用于TCH，1 个用于SACCH。SACCH 的下行信道主要负责传送系统对手机的控制数据，

26、如功率等级控制信号，时序控制信号，小区的信道配置信息如基站地址列表、信道地址列表等。SACCH 的上行信道用于传输手机向系统报告的一些数据，如接收信号等级（RX Level）报告，接收信号质量（RX Quality）报告，邻近小区场强测量报告，手机状态等。SACCH 的周期比较长，只能用来传输一些对速度要求不高的控制数据。 FACCHFast Associate Control CHannel 快速随路控制信道：当手机需要越区切换时，系统与手机需要交换一些重要的控制信息，如新的信道号和时隙号等，仅仅靠SACCH 的控制就不够了。这时由系统控制，将TCH 变为传送控制数据的Burst，这就是FA

27、CCH，这样可以很快地完成控制信息的传输。不过由于TCH 被占用，所以在越区切换时可能会造成话音中断。,BCH Broadcast CHannel，广播信道：顾名思义，BCH 的作用类似广播，只用于单向传输数据。BCH 的作用象一个灯塔，每一个小区内只有一个BCH，用于标识网络的存在，并广播一些公用和专用的控制信息。它的内容有许多方面，按照功能还可以细分为许多子信道。 FCH Frequency Correction Channel 校准信道：由一个特定比特序列组成，使手机自身内部的频率能同步调谐到基站的频率上。 SCHSynchronization CHannel 同步信道，手机在和FCH

28、同步后，利用SCH 调整自己的时序，与网络的复帧同步。 BCCHBroadcast Control CHannel 广播控制信道：用于标识网络的存在，传送网络的识别信息与小区内可以使用的信道信息。 CCCHCommon Control CHannel 公用控制信道：用于传送一些公用控制信号的信道。 PCHPaging CHannel 寻呼信道：CCCH 的一个子信道，用于系统寻找手机。当手机在PCH 上发现自己后，返回一个RACH 信号，请求服务。 AGCHAccess Grant CHannel 接入允许信道：CCCH 的另一个子信道，发出允许手机接入网络的信号，并指示手机进入指定的SDCCH 或TCH 中。,RACHRandom Access CHannel 随机接入信道：手机发出接入请求的信道，它利用BCH 对应的上行信道。在一个小区内所有手机都需要利用RACH 进行呼叫申请，这些RACH 呼叫是随机产生的，所以有互相碰撞的可能。为减少这种情况的发生，AGCH 的Burst 比正常的Burst 要短。 SDCCHStand-alone Dedicated Control CHannel 独立专用控制信道：有时作为BCH 的一个逻辑信道，更多时候拥有独立的物理信道以及自己的SACCH 和FACC