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GSM基本原理基本原理移动研究所网规网优部课程目的课程目的学习完本课程，你将能够：学习完本课程，你将能够：了解GSM的系统结构及业务功能熟悉GSM无线接口理论和关键技术掌握GSM基本信令流程了解GSM编号计划目录目录GSM移动通信概述GSM系统结构GSM无线接口理论GSM信令流程GSM编号计划移动通信的发展GSM移动通信概述移动通信概述GSM发展简史发展简史1989年：GSM标准生效11991年，GSM系统在欧洲商用移动通信跨入第二代21994年，GSM进入中国32000年，中国移动用户近4000万居世界第二4用户需求竞争加剧技术发展GSM移动通信概述移动通信概述GSM系统要求系统要求qGSM系统规范商业要求：系统规范商业要求：m每个国家都应拥有=2个运营商，便于运营商共存竞争mGSM必须是一个开放的系统，便于设备商共存竞争mGSM的引入不影响PSTNqGSM系统规范技术要求：系统规范技术要求：m系统必须是泛欧。m系统必须保持良好的话音质量。m系统必须尽可能有效的使用无线频率。m系统必须拥有足够大的容量。m系统必须与其他数据通信规范兼容。m系统必须在用户和发送信息两方面保持良好的安全性。GSM移动通信概述移动通信概述GSM系统优点系统优点q由由GSM系统标准得到的优点如下：系统标准得到的优点如下：m系统能容许更多的区间干扰。m可获得较之模拟蜂窝系统更好的平均话音质量。m全网支持数据传输。m话音加密和用户信息安全性得到保证。m由于与ISDN的兼容性，较之模拟系统可提供新的业务。m在采用GSM系统的所有国家范围内，国际漫游在技术上成为可能。m巨大的市场加剧竞争，降低投资及使用价格。GSM移动通信概述移动通信概述GSM系统业务功能系统业务功能GSM提供的基本业务承载业务电信业务基本承载业务补充业务补充业务短消息业务话音业务数据业务most importantGSM规范规范q01系列：系统概述q02系列：业务q03系列：网络结构和网络功能q04系列：无线接口信令（L2、L3）q05系列：无线接口物理层q0系列：语音编码（FR、EFR、HR）GSM通信系统通信系统q0系列：移动台终端适配功能q08系列：A接口和Abis接口q09系列：网络互连（ISDN、PSTN、PSPDN）q10系列：PH2新功能q11系列：测试q12系列：网管（操作维护、用户和终端业务数据监视、性能、设备管理）GSM规范规范GSM通信系统通信系统目录目录GSM移动通信概述GSM系统结构GSM无线接口理论GSM信令流程GSM编号计划移动通信的发展GSM系统结构系统结构GSM系统结构系统结构ACEIRBTSOMCMSCVLRHLRBSCBTSBTSBTSBTSBSCBSS-Base StationSubsystemNSS-Network SubsystemNMS-Network Management SystemMSAbisAirAIWFSCPSPDNPSTNISDNTranscoderGSM系统各模块功能系统各模块功能GSM系统结构系统结构qMS(Mobile Station)：m移动台，实现移动终端功能qBTS(Base Transceiver Station)：m基站收发信台，实现移动通信系统与MS之间的无线通信qBSC(Base Station Controller)：m基站控制器，实现无线系统到交换系统的集线功能、无线资源管理功能以及其它与无线相关的控制功能GSM系统各模块功能系统各模块功能GSM系统结构系统结构qHLR(Home Location Register)：m归属位置登记处。实际上是一个数据库，主要储存二类数据：l用户数据，主要包括：l用户的位置信息qVLR(Visitor Location Register)：m拜访位置登记处。实际上是一个数据库，储存用户信息，主要包括：lMSRN(Mobile Station Roaming Number):移动台漫游号码TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identification):临时移动用户身份l移动台登记的位置区（LAC）l与补充业务有关的数据用户的身份IMSI(International Mobile Subscriber Identification)用户ISDN号码VLR地址GSM系统各模块功能系统各模块功能GSM系统结构系统结构qMSC(Mobile service Switching center)：m移动业务交换中心，实现移动业务交换功能qAUC(Authenticate Center):m鉴权中心，用于对用户身份的鉴别qEIR(mobile station Equipment Identity Register):m移动台设备身份登记处，用于储存及鉴别移动台的设备身份。qOMC(Operation and Maintenance Center)：m操作维护中心，提供人机界面实现对系统设备的监测和控制功能GSM三个网络子系统三个网络子系统GSM系统结构系统结构qGSM网络由三个网络子系统组成网络由三个网络子系统组成Abis开放接开放接口口开放接口开放接口AirAO&MBSS系统系统GSM系统结构系统结构qBSS由以下单元组成由以下单元组成mBSC 基站控制器mBTS 基站mTC 码形转换器qBSS主要功能主要功能m无线控制网和管理m话音代码转换mAir接口信令和数据处理m对NSS信令和空中接口NSS系统系统GSM系统结构系统结构qNSS由以下单元组成由以下单元组成mMSC 移动业务交换中心 mHLR 本地位置寄存器 mVLR 访问位置寄存器 mAC 监权中心mEIR 设备识别寄存器 qNSS主要功能主要功能m呼叫控制m记费m移动管理m和其他网络基站相关的信令m用户数据处理 m用户定位NMS系统系统GSM系统结构系统结构qNMS主要功能主要功能m监控网络的各个功能和单元。l故障管理l配置管理l性能管理目录目录GSM移动通信概述GSM系统结构GSM无线接口理论GSM信令流程GSM编号计划移动通信的发展工作频段工作频段GSM无线接口理论无线接口理论GSM系统系统上行上行/MHz下行下行/MHz带宽带宽/MHz双工间隔双工间隔/MHz双工信道数双工信道数GSM900890 915935 902 2545124GSM900E880 890925 9352 354514GSM1800110 1851805 18802 59534GSM190018501910193019902 080299工作频段工作频段GSM无线接口理论无线接口理论q频道间隔频道间隔m每载频占200 KHz带宽，采用TDMA，含8个物理信道q频道配置频道配置mGSM900MHz频段：lfu(n)=890.2MHz+(n-1)*0.2MHzlfd(n)=fu(n)+45MHzmGSM1800MHz频段：lfu(n)=110.2MHz+(n-512)*0.2MHzlfd(n)=fu(n)+95MHzfu(n)：上行频率，移动台发，基站收fd(n)：下行频率，基站发，移动台收干扰保护比干扰保护比GSM无线接口理论无线接口理论q载波干扰比载波干扰比C/Im定义：l接收到的希望电平与非希望电平比值。m同频干扰保护比C/I：l指不同小区使用相同频率时，另一小区对服务小区干扰，即C/Il规范要求：C/I=9dB，l工程要求：加3dB余量，即C/I=12dBm邻频干扰保护比C/A：l指不同小区使用相邻频率时，另一小区对服务小区干扰，即C/Al规范要求：C/I=9dB，l工程要求：加3dB余量，即C/I=dBm载频偏离400KHz时的干扰保护比C/I=-41dB频率复用技术频率复用技术q频率复用：频率复用：m处在不同位置上的用户同时使用相同频率的信道。极大地提高频谱效率。系统设计不合理，容易导致网内同、邻频干扰。系统设计不合理，容易导致网内同、邻频干扰。GSM无线接口理论无线接口理论频率复用技术频率复用技术GSM无线接口理论无线接口理论频率复用技术频率复用技术qGSM最基本的频率复用模式：最基本的频率复用模式：43“4”个站点“3”个小区12个小区群12个频率组成一组GSM无线接口理论无线接口理论q多址技术：多址技术：m众多的用户共用公共通信线路而相互不干扰多址技术多址技术GSM技术技术FDMATDMACDMA多址技术多址技术GSM无线接口理论无线接口理论多址技术多址技术-FDMAqFDMA：m以不同的频率信道来实现通信GSM无线接口理论无线接口理论qTDMA：m以不同的时隙来实现通信多址技术多址技术-TDMAGSM无线接口理论无线接口理论qCDMA：m以不同的代码序列来实现通信多址技术多址技术-CDMAGSM无线接口理论无线接口理论TDMA信道信道GSM无线接口理论无线接口理论TDMA信道物理信道逻辑信道业务信道控制信道一个物理信道即一个时隙，定义为给定TDMA帧上固定位置上的时隙TS根据传递消息种类不同而定义的不同逻辑信道，通过BTS影射到不同的TS来传送物理信道物理信道TSGSM无线接口理论无线接口理论B TS.Bursts from Mobile StationOne Time Slot业务信道业务信道GSM无线接口理论无线接口理论q业务信道业务信道m用于携载或用户数据，分为语音业务信道和数据业务信道。m语音业务信道lTCH/FS：全速率语音信道 13Kbit/slTCH/HS：半速率语音信道 5.Kbit/sm数据业务信道lTCH/F9.：全速率数据信道 9.Kbit/slTCH/F4.8：全速率语音信道 4.8Kbit/slTCH/H4.8：半速率数据信道 9.Kbit/slTCH/H2.4：半速率语音信道 =2.4Kbit/slTCH/F2.4：全速率语音信道 =2.4Kbit/s控制信道控制信道GSM无线接口理论无线接口理论q控制信道控制信道m携载信令m同步数据Control channelCCHDCCHSDCCHACCHSACCHFACCHCCCHRACHCBCHPCH/AGCHBCCHBCCHSCHFCCHNBABNBNBNBFBSBNB/DB广播信道广播信道BCHGSM无线接口理论无线接口理论m广播控制信道BCCH，广播网络系统信息：l小区频点l邻小区BCCH频点lLAIlCCCH和CBCH信道的管理l控制和选择参数等BCH仅用于下行链路m频率校正信道FCCH，携带用于校正MS频率的信息，使MS可以定位并解调出同一小区的其它信息m同步信道SCH，给出MS需要同步的所有消息及该小区的TDMA帧号及BSIC公共控制信道公共控制信道CCCHGSM无线接口理论无线接口理论CCCH面向这个小区内面向这个小区内所有移动台所有移动台m寻呼信道PCH下行信道，点多多点。l用于寻呼MS，寻呼范围为MS所在整个LAC区m接入许可信道AGCH下行信道，点对多点l用于BTS给MS分配专用控制信道m小区广播控制信道CBCH下行信道，点对多点m随即接入信道RACH上行信道，点对点lMS通过RACH发起接入请求l用于广播短消息及该小区的一些公用信息 专用控制信道专用控制信道DCCHGSM无线接口理论无线接口理论m独立专用控制信道SDCCH双向信道l用于呼叫建立过程，如鉴权l位置更新l短消息l用于指配TCHDCCH被用于某一个具体的MSm慢速随路控制信道SACCH双向信道，伴随TCH和SDCCH的专用信令信道l用于传递测量报告l 传递MS功率控制消息l传递TAm快速随路控制信道FACCH双向信道，伴随TCHl提供比SACCH高又多的速度来传送信令信息l借用20ms的突发话音突发脉冲序列来传递信令，称为偷帧TDMA帧帧GSM无线接口理论无线接口理论2042042101个超高帧2048个超帧0123451个帧8个时隙0252410504911个复帧2个帧1个复帧51个帧0504910252411个超帧51个复帧1个超帧2个复帧m每个载频被定义为一个帧，每帧包含8个时隙，并都有帧号。m每时隙长度为0.5ms。简单了解GSM编号计划目的：目的：抑制高频分量，防止过量的瞬时频率偏移，满足相干检测的需要要求要求：带外辐射功率为080dB特点：特点：实现简单，在原MSK调制器的基础上增加前置滤波器 高斯滤波器：带宽窄且为锐截止型较低的过脉冲响应输出脉冲的面积不变 应用：应用：GSM系统高斯成型滤波器GMSK调制技术调制技术GSM无线接口理论无线接口理论信道编码信道编码去交织码器信道交织码器内编码器内解码器外编码器外解码器话音编码器话音解码器13 kbit/s33.9 kbit/s22.8 kbit/s话音输出话音输入GSM无线接口理论无线接口理论交织技术交织技术 交织技术:就是把信息码在发端加以排列组合,使信息码相互穿插交织后发送到信道中去.接收端进行去交织,恢复成原始的码序列.目的是将冲击差错转换成随机差错,再用信道编码的方法来进行纠正341234123412341234134123412341234123412341234122消息分组交织交织后的消息分组发生误码GSM无线接口理论无线接口理论分集技术分集技术就是把各个分支的信号,按照一定的方法再集合起来变害为利.把收到的多径信号先分离成互不相关的多路信号,由少变多,在将这些信号的能量合并起来,由多变少,从而改善接收质量分集技术包括:时间分集,空间分集,频率分集,极化分集等 GSM无线接口理论无线接口理论DTXmVAD：话音激活检测m话音控制：就是采用非连续发射（DTX）在语音通信中,双方交谈时每方说话时间平均不会超过交谈时间的40%.mDTX的作用：l降低干扰，改善通话质量，提高容量l 减少发射机的功率，延长电池的工作时间GSM无线接口理论无线接口理论功率控制技术功率控制技术q功率控制:目的在于使在保证服务质量的前提下只发射所须的最小有效功率,而不是所有机都发射小区边界所须的最大功率.减少同频干扰。q动态功率控制:通话过程中,基站和移动台的输出功率可以随着传播路径损耗及信号质量的变化而进行调节控制,从而使得空中传播信号的强度尽量小,而基站和移动台所接收到的信号又能满足系统的期望值。GSM无线接口理论无线接口理论时间提前量时间提前量TATA移动台收1234503TSOFFSETTDMA FRAME N移动台收1234503TSOFFSETTDMA FRAME N移动台收123450TDMA FRAME N移动台收123450TDMA FRAME NTIME ADVANCEGSMGSM无线接口理论无线接口理论跳频技术跳频技术f0 f1 f2 f3 f4 f5 f f f0 f1 f2 f3 f4 f5 f ftt0 1 2 3 4 5 跳频图案：（跳频图案：（5 5、4 4、 、0 0、 、3 3、1 1）GSMGSM无线接口理论无线接口理论目录目录GSM移动通信概述GSM系统结构GSM无线接口理论GSM信令流程GSM编号计划移动通信的发展GSM移动网络功能移动网络功能概述概述GSM系统移动网络功能系统移动网络功能m支持通信业务的网络功能l支持系统的基本业务和补充业务，保证系统用户件通信的建立。m移动性管理网络功能 l支持用户的移动性带来的一切问题，包括位置更新、切换、漫游m安全性管理网络功能l支持移动用户鉴权、移动用户识别的保密、用户数据保密、信令数据保密等安全措施。m支持呼叫处理的附加网络功能 l支持呼叫重建、排队、非连续接收等附件网络功能。重点！重点！位置更新位置更新GSM移动网络功能移动网络功能HLRVLRMSC(old)VLRMSC(new)LocationUpdatem位置更新由手机发起m当前位置信息存储于SIM卡中m手机时时监听网络信息，一旦发现当前位置信息与SIM卡中存储的信息不一致，则发起位置更新。位置更新位置更新GSM移动网络功能移动网络功能q位置更新的种类位置更新的种类m开关机lIMSI ATTACH/DETACHl位置登记lMS开关机m一般位置更新lMS改变所在位置区m周期性位置更新m运营商设定周期m当两次位置更新间隔超过该周期，发起位置更新VLRMSCLA 2LA 1ON位置更新位置更新GSM移动网络功能移动网络功能q信令流程信令流程切换切换qWhy 切换？切换？m在移动中保持通话的连续m提高网络服务质量l降低掉话率l降低拥塞率qWho 参与切换？参与切换？mMS、BTS、BSC、MSClMS：测量无线子系统下行链路性能和从周围小区中接收的信号强度lBTS：监视每个被服务的MS上行接收电平和质量，监视干扰电平，结果送往BSClBSC：最初判决由BSC完成lMSC：对从其它BSS和MSC发来的信息，测量结果的判决由MSC完成GSM移动网络功能移动网络功能切换分类切换分类按触发条件分按触发条件分l功率预算切换l救援性电平切换l救援性质量切换l距离切换l话务切换按定时提前分按定时提前分l同步切换l异步切换按叫唤点位置分按叫唤点位置分l小区内切换l小区间切换lBSC内切换lBSC间切换lMSC间切换GSM移动网络功能移动网络功能切换小区内切换切换小区内切换GSM移动网络功能移动网络功能切换小区内切换切换小区内切换GSM移动网络功能移动网络功能切换小区间切换切换小区间切换GSM移动网络功能移动网络功能切换切换BSC内切换内切换GSM移动网络功能移动网络功能切换小区间切换小区间BSC内切换内切换GSM移动网络功能移动网络功能切换切换BSC间切换间切换GSM移动网络功能移动网络功能切换切换BSC间切换间切换GSM移动网络功能移动网络功能切换切换MSC间切换间切换GSM移动网络功能移动网络功能切换切换MSC间切换信令流程间切换信令流程GSM移动网络功能移动网络功能 MSBTSBSC-AMSC-ABSC-BMSC-BVLR-BHandover Required(new BTS)RRPerform handover(new BTS,Ch type)Handover Request(new BTS)Handover Req Ack(Radio Ch)Allocate handover numberSend handover report(MSRN)(MSRN)Radio Ch Ack(Radio Ch,MSRN)IAM(MSRN)ACMHandover Command(Radio CH)RRHandover Complete RRClear CommandRRClear CompleteRRSend End SignalAnswerMeasurement Result RRMS主叫主叫放大看看放大看看GSM移动网络功能移动网络功能MS被叫被叫放大看看放大看看GSM移动网络功能移动网络功能目录目录GSM移动通信概述GSM系统结构GSM无线接口理论GSM信令流程GSM编号计划移动通信的发展GSM编号计划编号计划GSM位置区域位置区域PLMN区区MSC区区LAC区区BTS区区CELL区区GSM业务区业务区GSM编号计划编号计划编号计划编号计划MSISDNqMSISDN移动用户号码移动用户号码m主叫用户呼叫GSM移动用户所拨打的号码mCC：国家码，中国为8mNDC：国内网络接入码（中移：135139）mSN：用户号码，等长8位编码，由运营商分配CCNDCSN移动台国内有效ISDN号码移动台国际有效ISDN号码GSM编号计划编号计划编号计划编号计划IMSIqIMSI国际移动用户识别码国际移动用户识别码m每个移动用户都分配有一个唯一的IMSI，在整个GSM系统有效，用于用户身份识别。mMCC：移动国家码，唯一识别移动用户所属国家，中国为40mMNC：移动网号，识别移动用户所归属的移动通信网PLMN（如，中移为01）mMSIN：移动用户识别码，唯一识别某一移动通信网中的移动用户mNMSI：国家移动用户识别码MCCMNCMSINNMSIIMSI=LA=一个小区一个小区m作用：l用于检测位置更新和信道切换的请求。MCCMNCLAC位置区识别LAI3 3位位2 2位位最大最大1bit1bitmLAC：位置区号码，用于识别GSM网络中的一个位置区，由运营商定义。GSM编号计划编号计划编号计划编号计划CGIqCGI全球小区识别码全球小区识别码mCGI是在所有GSM PLMN中用作小区识别的唯一标识，由LAICI构成mCI：小区识别码，由运营商自行定义，是一个2Byte BCD码MCCMNCLAC位置区识别码LAICI全球小区识别码CGIGSM编号计划编号计划编号计划编号计划BSICqBSIC基站识别色码基站识别色码m用于识别相邻国家的相邻基站，是一个bit码mNCC：PLMN色码，用于区分国界两侧的运营商，国内用于区分不同省份mBCC：基站色码，由运营商自行分配，用于区分采用相同基站的相邻BTSNCCBCC基站识别码BSIC3bit3bitGSM编号计划编号计划编号计划编号计划IMEIqIMEI国际移动设备识别码国际移动设备识别码mIMEI唯一识别移动台，是一个15位的十进制编码mTAC：型号批准码mFAC：工厂装配码，表示生产厂家及装配地mSNR：序号码，用于识别每个设备mSP：备用码TACFACSNRSP国际移动设备识别码IMEI位2位位2位目录目录GSM移动通信概述GSM系统结构GSM无线接口理论GSM信令流程GSM编号计划移动通信的发展移动通信的发展移动通信的发展GSM系统的发展系统的发展SMSSMSInformationInformationServicesServicesChatChatRoomRoomE-MailE-Mailm-stock tradingm-stock tradingm-bankingm-bankingm-cashm-cashPicture MailPicture MailRoute planningRoute planningMulti-playerMulti-playerGamesGamesMobile OfficeMobile OfficeSchedule ManagementSchedule ManagementWork flow ManagementWork flow ManagementElectronic ConferenceElectronic ConferenceFile SharingFile SharingRadioRadioMusicMusicVideo MailVideo MailVideo streamingVideo streamingWebWebInteractive TVInteractive TVTV ConferenceTV Conference低低低低速速速速数数数数据据据据高高高高速速速速数数数数据据据据WAPWAPWAPWAPGPRSGPRSGPRSGPRS3G3G3G3G移动数据业务的发展移动数据业务的发展移动通信的发展移动通信的发展至至3G演进路线演进路线移动通信的发展移动通信的发展TD-SCDMA