GSM移动通信网络的构成.doc

GSM移动通信网络的基本构成

一. 数字蜂窝陆地移动通信系统概论
1. 移动通信系统的发展历程
1.1. 大区制移动系统
• 单站覆盖整个区域 、
• 高功率发信设备
• 优点：组网简单，投资少、见效快，覆盖区域大。
• 缺点：容量不足、服务质量差、频谱利用率低
1.2. 蜂窝移动通信系统
• 接近正六边形的小区联网
• 小区覆盖变小，具有以下特点：
1.频谱利用率提高
2.组网灵活
3.系统发信功率降低
4.设备增多，结构复杂
2. 数字移动通信系统与模拟移动通信系统的不同之处
· 数字调制对载干比（C/I）的要求低得多
· 时分多址更能提供设计上的灵活性
· 数字系统中需增加信道编码
· 需采用自适应均衡技术
· 需采用回波控制技术
· 实施相当简单
3. 数字移动通信系统分析比较
· 世界上最具代表性和比较成熟的制式有：
• 欧洲的 GSM
• 美国的 ADC（也常称 D-AMPS）
• 日本的 JDC（现改称为 PDC）
· GSM的主要目标是与ISDN兼用；优点是各种接口规定明确，网路适合未来数字化要求；缺点是数模不兼容。
· 美国数字系统D-AMPS的目标是扩大容量和数模兼容；优点是充分利用现有模拟系统；缺点是不能与ISDN兼容，接口实现较困难。
· 日本PDC的情况类似美国，但数模不兼容。
4. GSM数字移动通信系统的发展历程
· 1982年：设立“移动通信特别小组”，即GSM。
· 1986年：进行现场试验
· 1987年：作出技术选择
· 1988年：十八个欧洲国家达成GSM谅解备忘录
· 1989年：GSM标准生效
· 1991年：GSM系统正式在欧洲问世，网路开通运行。从此，移动通信跨入了第二代。
二. GSM的基本特点
· 可与各种公用通信网互连互通，明确了接口规。
· 能提供穿越国界的自动漫游功能
· 支持多种业务
· 具有很好的网络安全性
· 组网结构灵活方便，频率复用率高，话务承担能力强。
· 抗干扰能力强，通信质量高。
· 用户终端更小、更轻便、功能更强。
三. GSM中使用的基本技术
1. 数字信号调制和解调
将需要远距离传输的低频信号加载到高频振荡的射频信号上，使这些射频信号的幅度、频率或相位受这些低频信号的控制，这个处理过程称为调制。相反的过程称为解调。这里的低频信号称为调制信号，射频信号称为载波。
2. 时分多址技术
· 多址技术
· 实现方法：
• 频分多址（FDMA）
• 时分多址（TDMA）
• 码分多址（CDMA）
· TDMA系统具有如下特性：
• 每载频多路
• 突发脉冲序列传输
• 时间色散，需自适应均衡
• 传输开销大
• 对新技术开放
• 共用设备的成本低
• 移动台较复杂
3. 时间色散和均衡
· 起源于反射，但与多径衰落不同，其反射信号来自远离接收天线的物体。
· GSM系统中1比特对应约 1.1公里。
· 采用自适应均衡技术来缓解这一问题的严重性。
· GSM规要求均衡器应能处理时延高达15μs左右（约对应4比特的时间）的反射信号。
4. 频率复用
· 频率复用是指在不同的地理区域上用一样的载波频率进行覆盖，这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频与邻频干扰可以忽略不计。
· 频率复用方式就是指将可用频道分成若干组。
5.话音编码
· 即将话音模拟信号转换成数字信号。
· PCM编码分为三步：采样、量化、编码。
· GSM采用：线性预测编码—长期预测编码—规则脉冲激励编码器（LPC—LTP—RPE编码器）。
· GSM每话音信道的编码速率为13kbit/s。
6.信道编码
· 采用数字传输时，所传信号的质量常常用“接收比特中有多少是错误的”来表示。
· 为了能检出和校正接收比特流中的差错，在原信息上加入了一些多余的比特帮助检错。
· 为此加大了传输的开销。
7.交织技术
· 比特差错成串发生，而信道编码仅能检测和校正单个差错和不太长的差错串。
· 把相继比特分散开发送
· 这样，在传输过程中，即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个的（或长度很短），这时再用信道编码的纠错功能纠正差错，恢复原消息。
8.衰落和抗衰落
8.1. 阴影衰落
• 阴影效应
• 当移动台通过不同障碍物形成的电磁场阴影时，接收场强中值就会发生变化。
• 可以通过调整基站位置，增加发射功率、天线高度的方法减少阴影衰落的不良影响。
8.2. 多径衰落
• 多径效应
ü 信号经直射和多次反射、散射
ü 形成合成场强
ü 形成随机驻波场
• 多径衰落也称快衰落
• 随信号瞬时值变动
8.3. 分集技术
分集技术就是在几个支路上接收同一个信号，然后通过合并技术将几个支路信号合并输出。
8.3.1. 空间分集
空间分集就是使两副独立的接收天线间保持一定的间隔距离，从而能各自接收同一个信号，最后再把接收到的信号矢量合并到一起。
8.3.2. 频率分集
· 跳频相当于频率分集，是指载波频率在很宽频带围按某种序列进行跳变。
· 加强安全性、抗干扰性，提高通信质量。
· 基带跳频
· 射频跳频
· 两种跳频方式的比较
9. 干扰和抗干扰
9.1. 互调干扰
• 互调干扰的产生原因
• 主要考虑三阶互调干扰，它的两种形式为
  2ωa -ωb、ωa +ωb -ωc
• 无三阶互调信道组
9.2. 同信道干扰
• 信道复用
• 信道复用产生同信道干扰
• 同信道复用保护距离
9.3. 邻信道干扰
邻信道干扰是指相邻或邻近信道之间的干扰。主要考虑发射机调制边带扩展和边带噪声的干扰。
四. 系统的结构与功能
1. 交换子系统(网络子系统NSS)
1.1. MSC（移动业务交换中心）
• MSC是网络的核心
• 提供交换功能
• 提供到固定网的接口
• 提供与其他MSC互连的接口
• MSC从三种数据库取得所需数据
1.2. HLR（归属位置寄存器）
• 与电信业务有关的用户信息都由归属位置寄存器HLR掌管。
• 每个用户当前位置的信息都存贮在HLR中。
1.3. VLR（拜访位置寄存器）
• VLR存贮进入其覆盖区的移动用户的全部有关信息。
1.4. AUC（鉴权中心）
• HLR从功能上分出一个子功能实体——鉴权中心，其功能只限于管理与安全性有关的用户数据，对用户进行鉴权。
1.5. EIR（设备识别寄存器）
• 对移动台IMEI进行核查，防止非法移动台进入网络。
2. 基站子系统（BSS）
· BSS包含GSM网络中无线通信部分的所有地面基站基础设施
· 与移动台连接
· 把无线信道连接到PCM信道上
· 两部分：基站收发信台（BTS）、基站控制器（BSC）。
3. 移动台（MS）和SIM卡
· 移动台是用户设备
· 国际移动台设备识别码（IMEI）
· SIM卡代表客户
· 国际移动用户识别码（IMSI）
· 个人识别码（PIN）
4. 操作和维护子系统（操作和维护中心OMC）
· 用于管理和监控
· 接口还未开放
五. 主要接口
1. A接口
NSS与BSS之间的接口，物理通过标准的 2.048Mb/s 或 1.544Mb/s PCM 数字传输链路来实现。
2. Abis接口
BSC与BTS之间的接口，物理通过标准的2.048Mb/s 或64kb/s PCM数字传输链路来实现。
3. Um接口（空中接口）
BTS与MS之间的接口，物理通过无线链路来实现。
六. 编号计划
1. 移动台ISDN（MSISDN）
· MSISDN是指主叫客户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动通信网中的客户所需拨的。
· 的结构：CC + NDC + SN
• CC=国家码
• NDC=国目的地码
• SN=客户
· 可扩充
2. 国际移动客户识别码（IMSI）
· 特定的客户识别码
· 用于GSM网所有信令中，存储在SIM卡、HLR和VLR中。
· IMSI结构：MCC + MNC + MSIN
• MCC=移动国家
• MNC=移动网号
• MSIN=移动客户识别码
3. 移动客户漫游（MSRN）
· 用于选择路由的临时
· 路由一旦建立，此就可立即释放。
· 结构与移动台ISDN（MSISDN）相似
4. 临时移动客户识别码（TMSI）
为了对IMSI，MSC/VLR可给来访移动客户分配一个唯一的TMSI。它由MSC自行分配，仅限在本MSC业务区使用。
5. 位置区识别码（LAI）
· 用于移动客户的位置更新、寻呼
· 结构：MCC + MNC + LAC
• MCC=移动客户国家码
• MNC=移动网号
• LAC=位置区
6. 全球小区识别码（CGI）
· CGI用来识别一个位置区的小区
· 结构：MCC + MNC + LAC + CI
• CI=小区号，最大16 bit。
7. 基站识别码（BSIC）
· BSIC是用于识别相邻网络的相邻基站的，为6 bit编码。
· 结构为：NCC + BCC
• NCC=网络色码
• BCC=基站色码
· 规划原则
8. 国际移动台设备识别码（IMEI）
唯一地识别一个移动台设备的编码，为一个15位的十进制数字。
七. 关于无线接口
1. 工作频段的划分
· GSM通信系统采用900MHz频段：
• 上行（移动台发，基站收）890~915MHz
• 下行（基站发，移动台收）935~960MHz
• 双工间隔为45MHz，相邻两频道间隔为200kHz。
· 我国GSM采用：
• 上行（移动台发，基站收）899~909~915MHz
• 下行（基站发，移动台收）944~954~960MHz
· 随着业务的发展，可视需要向下发展，或向DCS1800过渡，即1800MHz频段：
• 上行（移动台发，基站收）1710~1785MHz
• 下行（基站发，移动台收）1805~1880MHz
· GSM系统整个工作频段被分为124对载频，其序号用n表示。上下两频段中序号为n的载频频率可用下式计算：
• 上行，下频段：Fl(n)=(890+0.2n) MHz
• 下行，上频段：Fu(n)=Fl(n)+45=(935+0.2n) MHz
• 式中，n=1~124，称为绝对射频信道（ARFCN）
2. 保护带宽
当一个地区有不同移动通信系统共存时，系统之间应有约400kHz的保护带宽，即它们之间要少用一个频道。
3. 载波干扰保护比
· 载波干扰保护比（C/I）是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，简称载干比。
· GSM规中规定：
• 同频载干比：C/I≥9dB
• 邻频载干比：C/I≥-9dB
• 载波偏离400kHz时的载干比：C/I≥-41dB
4. 帧结构
· TDMA帧：每帧8个时隙
· 复帧：由TDMA帧构成
· 超帧：由复帧构成
· 超高帧：2048个超帧
5. 逻辑信道
5.1. 广播信道
是下行的点到多点的信道。它包含网络与本小区的通用信息。
5.1.1. 频率校正信道(FCCH)
它是未经调制的纯正弦波。使移动台能够调谐到广播频率。
5.1.2. 同步信道(SCH)
包含基站识别码（BSIC）和移动台的帧同步（TDMA帧号）。
5.1.3.广播控制信道(BCCH)
包含网络与小区的特定信息，如：小区所用的频率、跳频序列、信道组合、寻呼组、邻区信息
5.2. 公共控制信道（CCCH）
公共控制信道是被用来建立点到点的连接。
5.2.1. 寻呼信道(PCH)
它是下行信道，用于特定位置区中所有BTS寻呼移动台。
5.2.2. 随机接入信道(RACH)
它是公共控制信道中唯一的上行信道，是一个点到点的信道。移动台用它来初始化一个报文，或者作为寻呼信道的响应。
5.2.3. 允许接入信道(AGCH)
它是随机接入信道的响应，被用来为移动台分配独立专用控制信道，是一个下行的点到点的信道。
5.3. 专用控制信道
专用控制信道用于呼叫建立、发送测量报告与切换控制，是双向的点到点的信道。
5.3.1. 独立专用控制信道(SDCCH)
用于系统信令：呼叫建立、鉴权、位置更新、话务信道分配与短消息的传输。
5.3.2. 慢速随路控制信道(SACCH)
它与独立专用控制信道、话务信道联系在一起。用于传送测量报告、功率控制，有时也用来传输短消息。
5.3.3. 快速随路控制信道(FACCH)
用于切换。它被映射到一个话务信道上，置换掉20毫秒的语音。
5.4. 话务信道
双向信道，既可以传语音，又可以传数据。
· 半速率话务信道(TCH/H)
6.5 kbit/s
· 全速率话务信道(TCH/F)
13 kbit/s
· 增强型全速率话务信道(TCH/EFR)
13 kbit/s，能提供比全速率话务信道更好的语音质量。
6. 基站与移动台间时间提前量的调整
· 由于在空中接口采用了TDMA技术，那么任一移动台只能在指配给它的时隙发送信息，而在其余时间里保持静默，否则它会干扰使用同样载频上不同时隙的其它用户。
· 时间提前量直接用比特来表示，围是0~63个比特。
· 每秒2次
八. 呼叫处理
1. 客户状态
移动台客户一般是处于MS开机、MS关机和MS忙三种状态之一，因此网路需要对这三种状态做相应处理。
1.1. MS开机，网路对它作“附着”标记。
1.2. MS关机，从网路中“分离”。
1.3. MS忙
2. 位置更新
MS从一个位置区移到另一位置区时，必须进行登记，也就是说，一旦MS发现其存储器中的LAI与接收到的LAI不同，便进行登记。这个过程就叫“位置更新”。
2.1. 不同MSC/VLR位置区间的位置更新
2.2. 同一MSC/VLR，不同位置区间的位置更新
3. 周期性登记
GSM要求MS每隔一定的时间做一次位置更新，这就是周期性登记。这样，若GSM系统没有接收到某MS的周期性登记信息，VLR就以“隐分离”状态在该MS上做记录。只有当再次接收到正确的周期性登记信息后，才会将它改成“附着”状态。
4. 寻呼
呼叫MS的路由到达该MS服务的MSC后，MSC即向MS发寻呼信息，这个信息在整个位置区广播，这就是说位置区的所有基站收发信机都要向MS发送寻呼信息。LAI正在接收CCCH信息的被叫MS便会接收此寻呼消息并立即响应。
5. 初始化
初始化过程是一个随机接入过程。移动台用它来初始化一个呼叫，或者作为寻呼信道的响应。
6. 切换
一个蜂窝移动通信系统的覆盖区是由许多基站无线覆盖小区组成的。当一个正在通信的移动台由一个小区移动到另一个小区时，为了保证通信的连续性，系统会要求它从正在通信的信道转换到所进入小区的某一信道上，这个过程就叫做切换。
7.漫游
· 由于移动终端不限于一个地方，需要不同的网络为其提供服务。如果个网络运营者协同服务，他们就可以提供给用户比单个网络更广的覆盖围。这就是漫游。
· 在SIM卡基础上漫游
九. 措施
1. 提供三参数组
2. 鉴权
3. 加密
4. 设备识别
5. 临时识别码（TMSI）
6. PIN码

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