《GSM通信原理》PPT课件.ppt

,GSM通信原理,河北省通信建设有限公司,课程内容,1、GSM移动通信概述,2、GSM系统结构与接口,4、GSM移动区域与编号计划,5、无线逻辑信道,3、语音信号处理过程,4、GSM系统技术介绍,6、GSM移动区域与编号计划,1.GSM移动通信概述,1.1 GSM在中国,1.2 多址技术,1.3 频率复用技术,GSM在中国,1、什么是GSM?1982年，欧洲邮电行政大会CEPT设立了“移动通信特别小组”即GSM（Special Mobile Group），以开发第二代移动通信系统为目标；1989年，GSM标准生效；1991年，GSM系统欧洲问世；1992年，系统命名 Global System for Mobile（全球通）,2、GSM在中国 目前中国移动与中国联通两家运营商都在使用GSM网络。GSM频率两家分配。,多址技术,多址技术使众多的用户共用公共的通信线路而相互不干扰。常用的方法基本上有三种，即频分多址FDMA、时分多址TDMA和码分多址CDMA。GSM系统采用了FDMA、TDMA两种方式。,频分多址FDMA,FDMA是以不同的频率信道来实现通信,时间,频率,FDMA,频分就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频），每个信道可以传输一路话音或控制信息.,时分多址TDMA,TDMA是以不同的时隙实现通信,时间,频率,TDMA,时分多址是指在一个宽带的无线载波上，将某一信道按时间加以分割，各信号按一定顺序占用某一时间间隙（时隙）.即多路信号利用同一个信道在不同时间各自独立地传送,码分多址CDMA,CDMA是以不同的代码序列来实现通信,时间,频率,CDMA,码,码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式.它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息.其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息.,C,1,C,1,f,1,P,0,f,1,P,0,R,R,C/I=,C/I=,D,(D/R)2=3kD频率复用距离R小区半径K频率复用模式,频率复用,频率复用指处在不同位置(不同小区)上的用户可以同时使用相同频率的信道。可以极大地提高频谱效率。但如果系统设计得不好，将产生严重的干扰。(同频干扰、邻频干扰）,同频干扰（C/I）：因频率复用造成的相邻小区相同频率对信道的干扰.GSM要求C/I=9DB.邻频干扰（C/A）：小区内外相邻频率产生的干扰.GSM要求C/A=-9DB.,1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4,1,K=4,1,1,1,1,2,1,3,4,5,6,7,1,1,K=7,A3,A1,A2,B3,B1,B2,C3,C1,C2,A3,A1,A2,A3,A1,A2,B3,B1,B2,C3,C1,C2,C3,C1,C2,A3,A1,A2,B3,B1,B2,C3,C1,C2,A3,A1,A2,A3,A1,A2,B3,B1,B2,C3,C1,C2,C3,C1,C2,A3,A1,A2,B3,B1,B2,C3,C1,C2,A3,A1,A2,A3,A1,A2,B3,B1,B2,C3,C1,C2,C3,C1,C2,K=3,3x3,小区复用模式,小区复用模式,GSM最基本的频率复用模式为43频率复用“4”表示4个站点，“3”表示每个站点有3个小区，由这12个小区组成一个小区群。同一小区群中的不同小区，频率是不同的。,1,8,9,2,10,4,6,5,3,7,11,12,R,2.GSM系统结构与接口,2.1 GSM系统结构与功能,2.2 GSM主要接口,2.1 GSM系统结构与功能,OMC,HLR/AUC/EIR,SMC,MSC/VLR,BSC,其他MSC,BTS,MS,MS,BTS,BTS,MAP接口,A-bis接口,A接口,PSTNISDN,移动台(MS)的功能,移动台由SIM卡与机身设备组成。,SIM卡上包含所有与用户有关的无线接口一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息。固化数据：IMSI、Ki、安全算法(A3、A8)临时网络数据：TMSI、LAI、KC 业务相关数据：PIN(个人识别号)、PUK机身设备可以是手持机，车载台等。,BSC的功能,接口管理,BTS-BSC之间的信道管理,操作与维护,支持呼叫控制,切换,话务量统计,无线链路的测量,无线参数及无线资源管理,BTS的功能,BTS受控于基站控制器(BSC),实现BTS与移动台(MS)空中接口的功能。,MSC的功能,MSC是整个网络的核心，协调、控制整个GSM网络中BSS、OSS的各个功能实体。,接口管理,支持电信业务，承载业务和补充业务,支持位置登记、越区切换和自动漫游等其它网络功能。,VLR的功能,访问用户位置寄存器(VLR)是服务于其控制区域内移动用户的.,它存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息。是一个动态的数据库,HLR的功能,归属用户位置寄存器(HLR)是GSM系统的中央数据库，存储该HLR控制的所有存在的移动用户的相关信息。,所有移动用户的重要数据都存储在HLR中。包括用户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数据，HLR也存储部分漫游移动用户所在MSC区域的有关动态数据。,AUC的功能,鉴权中心(AUC)存储着鉴权信息和加密密钥，防止无权用户接入系统和防止无线接口中数据被窃。,AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。,EIR的功能,移动设备识别寄存器(EIR)存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查三种表格（白名单、灰名单、黑名单）使得网络具有防止无权用户接入、监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能。,2.2 BSS侧主要接口,GSM系统的主要接口：A接口、Abis接口和Um接口。其中，A接口、Um接口为开放式接口。,MS,BTS,BSC,MSC,Um接口,Abis接口,A接口,A接口,A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口.其物理链接通过采用标准的2.048Mb/s PCM数字传输链路来实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。传输话音和七号信令,Abis接口,Abis 接口定义为基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)之间的通信接口.物理链接通过采用标准的2.048Mb/s 数字传输链路来实现。采用LAPD协议BS接口作为Abis 接口的一种特例，用于BTS（与BSC并置）与BSC之间的直接互连方式，此时BSC与BTS之间的距离小于10米.,Um接口,Um 接口(空中接口)定义为移动台与基站收发信台(BTS)之间的无线通信接口。其物理链接通过无线链路实现。传递的信息包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等。采用LAPDm协议,传播时延t,传播时延t,TA,这样下去不行，得让手机提前一个TA值时间发给我！,GSM系统技术介绍,定时提前（TA）,信号在空间传输是有延迟的，如移动台在呼叫期间向远离基站的方向移动，则从基站发出的信号将“越来越迟”的到达移动台，与此同时，移动台的信号也会“越来越迟”的到达基站，延迟过长会导致基站收到的某移动台在本时隙上的信号与基站收下一个其它移动台信号的时隙相互重叠，引起码间干扰，因此，在呼叫进行期间，移动台发给基站的测量报告头上携带有移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达的时间，并在下行信道上以480ms一次的频率向移动台发送指令，指示移动台提前发送的时间，这个时间就是TA（时间提前量），TA的值域是063（0233s），它被GSM定时提前的编码063bit所限，使GSM最大覆盖距离为35km，计算如下：1/2*3.7us/bit*63bit*c=35km其中，3.7s/bit为每bit时长（156/577），63bit为时间调整最大比特数，c为光速（信号传播速度）。1/2考虑了信号的往返。根据上述，1bit对应的距离是554m，由于多径传播和MS同步精度的影响，TA误差可能会达3bit左右（1.6km)。,延长电池寿命降低干扰,VAD:语音激活检测(Voice Activity Detection)码变换器实现,DTX:不连续发射(Discontinuous Transmission)在语音间歇期关闭发射仅发射静音指示帧接收端码变换器产生舒适噪声,DTX,在通信过程中，其实移动用户仅有40%的时间用于通话，大部分时间都没有有用信息传递，如果将这些信息全部传递给网络的话，这不但会对系统资源造成浪费，而且也将使系统内干扰加重。针对这种情况，GSM采用了DTX技术，即在没有话音信号传输时就禁止传送无线信号，从而使干扰电平降低来提高系统的效率。此外，该机制还可以节省移动台电池，从而延长移动台待机时间。当然，在传递数据时，该功能不使用。GSM系统有两种传输模式，一种是正常模式，在这种情况下，噪声将与话音具有同样的传输质量，另一种便是不连续发射模式，在这种情况下，移动台将仅传送噪声信号，这种噪声是人为制造的，原则是不会让听者厌烦，也不会让听者认为通话中断，因此称为“舒适噪声”，舒适噪声的传送满足了系统测量的需要，DTX传送模式，每480ms时间只传送260bit编码，而在正常模式下，每20ms将产生260bit的编码。在DTX模式下，这260bit将生成SID(Silence Descriptor，静音描述)帧，向话音帧一样，经历信道编码、交织、加密和调制，最后在被8个连续的突发脉冲发送出去。在其他时间上，不发送任何消息。,DTX模式是可选的，但在DTX模式下，传输质量会稍有下降，特别是通信双方都是移动用户时，由于DTX将在同一路径上使用两次，因此，影响更严重。另外，为了实现DTX功能，信源必须能够指示出什么时候进行不连续传输，什么时候停止，编码器还必须能检测出信号是话音还是噪声，这就要用到VAD技术。VAD算法通过比较测量所得的信号能量和本身所定义的门限值来决定每一输出帧包含的是语音还是背景噪声。判断的原则是：噪声的能量总是要比话音能量低。,跳频是指某次通话所使用载波频率在一定范围内，按某种规律跳变。每个小区信道组的跳频功能都能单独激活或关闭。,跳频,Bn|fn,Bn-1|fn-1,B1|f1,BURST,跳频分类,按参与跳频的最小时间单位分时隙跳频帧跳频,按实现方式分基带跳频射频跳频,跳频分类,基带跳频,跳频分类,射频跳频,跳频分类,帧跳频频率的改变以TDMA帧为单位。同一TRX上不同无线信道使用相同MAIO,时隙跳频频率的改变以时隙为单位。同一TRX上不同无线信道使用不同MAIO,频率改变单位分类：,跳频的作用,可获得一个良好的电波环境。提供给每个用户大体相同的通话质量。可以使用更紧密的频率复用以实现增容。,平滑快衰落环境,跳频的作用,跳频的频率分集,平滑、均化干扰,跳频的作用,f4,f3,f2,f1,跳频的干扰分集,跳频参数,空中接口某个突发脉冲上采用的载频号是集合MA中的一个元素，用MAI来指示，指向集合MA中一个特定的元素，满足：0 MAIn-1MAI是TDMA帧号FN、跳频序列号HSN和跳频序列偏移量 MAIO 的函数。,跳频参数,HSN：跳频序列（发生器）号（063）；HSN=0时为循环跳频；HSN0为随机跳频。每个序列都对应一种伪随机序列,跳频参数,跳频模式：用于决定基站系统采用的跳频方式，包括不跳频，基带跳频，射频跳频三种选择。CA（小区分配表）：指小区内所有可用的频点，并且从有效频点0开始连续配，不能夹着空的数据项；同时频点配置从小到大填写。,跳频参数,MA（移动分配集）：跳频时可用的载频频点集合。最多由16个频点组成。其中使用的频点必须是属于【小区/小区分配表】内相应小区号的频点，并且不能包含任何BCCH信道的频点。位置：在【本局/跳频数据表】中。HSN（跳频序列号）：用于确定跳频的实际规则。0表示顺序跳频，其它值表示伪随机序列跳频。位置：在【本局/跳频数据表】中。,跳频参数,MAIO（跳频序列偏移量）：用于确定跳频的初始频点。一个跳频TRX内的所有信道的MAIO必须相同（帧跳频），同一个小区内的不同跳频TRX内的信道的MAIO必须不同。TSC（训练序列号）：训练序列号必须与基站色码相同。移动台或基站接收信号时，通过指定的训练序列进行时延均衡，而对于不同TSC的同频信号，则因为不能进行时延均衡而无法接收解调，这样可以有效地防止错误的无效接收，防止同频干扰。,延长电池寿命降低网络干扰包括上行功控和下行功控功率控制基于电平和质量BSC、BTS是判决者,BCCH载频不参加功率控制,功率控制,功控是什么？,为什么要功控？,功控目的,功率控制：根据需要调整基站与手机的发射功率。依据：手机和基站上报的测量报告。目的：在保证通话质量的情况下，降低发射功率，从而降低整网干扰、减少功耗。,功控分类,功率控制分为上行功率控制和下行功率控制，上下行控制独立进行。上行功控：调整MS的输出功率，使BTS获得稳定接收信号强度，以减少对同邻频的干扰，降低移动台功耗。下行功控：调整BTS输出功率，使MS获得稳定接收信号强度，减少同邻频干扰，降低基站功耗。,功控执行,功控命令的执行过程从发送命令到执行需要3个测量报告周期,5 无线逻辑信道,时隙和帧结构逻辑信道分类逻辑信道组合公共控制信道配置,5.1 时隙和帧结构,帧和信道,5.1 时隙和帧结构,8bit,41同步bit,36加密bit,3bit,68.25bit,尾比特,尾比特,保护间隔,数据,接入突发脉冲序列(AB)：用于MS初始化接入,5.1 时隙和帧结构,突发脉冲,3bit,57加密bit,57加密bit,3bit,8.25bit,尾比特,尾比特,保护间隔,数据,数据,26bit,1,1,训练序列,偷帧标志,普通突发脉冲序列(NB)：用于携带业务信道和除RACH之外的控制信道上的信息,5.1 时隙和帧结构,5.2 逻辑信道分类,SDCCH,SACCH,FACCH,TCH/F,TCH/H,DCCH,TCH,专用信道,5.2 逻辑信道分类,下行逻辑信道,SDCCH,SACCH,FACCH,TCH/F,TCH/H,DCCH,TCH,专用信道,5.2 逻辑信道分类,上行逻辑信道,搜寻频率校正脉冲搜寻同步脉冲解读系统消息侦听寻呼消息发送接入脉冲信令信道分配呼叫建立话音信道分配通话呼叫释放,FCCHSCHBCCHPCHRACHAGCHSDCCHSDCCHTCHFACCH,5.2 逻辑信道分类,逻辑信道作用举例,TCH/F+FACCH/F+SACCH/TF（全速率TCH）TCH/H+FACCH/H+SACCH/TH（半速率TCH）26帧复帧FCCH+SCH+BCCH+CCCH（主BCCH）FCCH+SCH+BCCH+CCCH+SDCCH/4+SACCH/4(组合BCCH)BCCH+CCCH（扩展BCCH）SDCCH/8+SACCH/C8（主SDCCH）+FACCH/851帧复帧,5.3 逻辑信道组合,PCH,RACH,AGCH,下行CCCH,上行CCCH,如何决定小区总的CCCH资源?如何合理分配AGCH和PCH?,5.4公共控制信道配置,4.4公共控制信道配置,GSM系统最多支持99共81个寻呼组，也就是说MS从寻呼组角度最多被分成81个子组。由于无论哪种组合方式，每51复帧可用于寻呼的块不超过9个，系统对51复帧进行了再一轮循环，寻呼组号以“相同寻呼间帧数”个51复帧为周期循环往复。假设相同寻呼间帧数为7，每51复帧用于寻呼的块(9or3-接入允许保留块数)为4，那么寻呼组号就是027循环。系统术语中，将任何一个51复帧中的寻呼块称之为一个寻呼超组，因此系统寻呼超组的数目也就是“相同寻呼间帧数”，每个超组中的寻呼组数目就是9 or 3-“接入允许保留块数”。,寻呼组,哈尔滨,沈阳,天津,乌鲁木齐,兰州,西安,上海,武汉,成都,广州,拉萨,北京,6.GSM移动区域与编号计划,3.1 GSM区域定义,3.2 编号计划,6.1 GSM区域定义,.,服务区,PLMN区,MSC区.,MSC区.,位置区.,位置区.,基站区.,基站区.,小区,小区,.,.,PLMN区,区域定义,服务区是指移动台可获得服务的区域，即不同通信网（如PLMN、PSTN或ISDN）用户无需知道移动台的实际位置而可与之通信的区域.PLMN是由一个公用陆地移动通信网(PLMN）提供通信业务的地理区域.一个PLMN区可由一个或若干个移动业务交换中心（MSC）组成MSC是由一个移动业务交换中心所控制的所有小区共同覆盖的区域构成PLMN网的一部分.一个MSC区可以由一个或若干个位置区组成.,区域定义,位置区是指移动台可任意移动不需要进行位置更新的区域.位置区可由一个或若干个小区（或基站区）组成.为了呼叫移动台，可在一个位置区内所有基站同时发寻呼信号.基站覆盖区：由置于同一基站点的一个或数个基站收发信台（BTS）包括的所有小区所覆盖的区域。它还不是一个蜂窝小区：指由一个基站的一个扇型天线(BTS)覆盖的区域.在基站采用全向天线结构时，小区即为基站覆盖区域，基站区或CELL,Not more than 15 digits,3 digits,2 digits,IMSI,MCC,MNC,MSIN,NMSI,6.2 编号计划IMSI,MCC：移动国家码，三个数字，如中国为 460。MNC：移动网号，两个数字，如中国移动的MNC为00。MSIN：在某一PLMN内MS唯一的识别码,编码格式为:H1 H2 H3 SXXXXXXNMSI：在某一国家内MS唯一识别码。,IMSI,IMSI是GSM系统分配给移动用户(MS)的唯一的识别号。采取E.212编码方式。存储在SIM卡、HLR和VLR中，在无线接口及MAP接口上传送。IMSI分配原则：最多包含15个数字(0-9)。例:460002289000168,TMSI,TMSI是为了加强系统的保密性而在VLR内分配的临时用户识别，在某一VLR区域内与IMSI唯一对应。TMSI分配原则：包含四个字节，可以由八个十六进制数组成，其结构可由各运营部门根据当地情况而定。,MSISDN,CC：Country Code，国家码，如中国为86。NDC：National Destination Code，国内接入号，如139、130等等。SN：Subscriber NumberMSISDN的一般格式为86-139-H0 H1 H2 H3 ABCD,CC,NDC,SN,National(significant),Mobile number,Mobile station international,ISDN number,MSISDN,MSISDN是指主叫用户为呼叫GSM PLMN中的一个移动用户所需拨的号码，作用同于固定网PSTN号码采取E.164编码方式,LAI,MCC：Mobile Country Code，移动国家码，中国为 460。MNC：Mobile Network Code，移动网号，两个数字，如中国移动的MNC为00。LAC：Location Area Code，是2个字节长的十六进制BCD码，0000与FFFE不能使用。例:460008C90,在检测位置更新时，要使用位置区识别LAI，寻呼移动台是以LAI为单位进行,Location Area Identification,MCC,MNC,LAC,CGI,CGI是所有GSM PLMN中小区的唯一标识，是在位置区识别LAI的基础上再加上小区识别CI构成的。编码格式为LAI+CICI：Cell Identity,是2个字节长的十六进制BCD码，可由运营部门自定例：4600017A728FD,BSIC,NCC-PLMN色码。用来唯一地识别相邻国家不同的PLMN。相邻国家要具体协调NCC的配置。BCC-BTS色码。用来唯一地识别采用相同载频、相邻的、不同的BTS。(取值07)例：25,用于移动台识别相邻的、采用相同载频的、不同的基站收发信台（BTS），特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载频的相邻BTS.,基站识别色码BSIC,NCC,BCC,IMEI,TAC-型号批准码，由欧洲型号批准中心分配。FAC-最后装配码，表示生产厂家或最后装配所在地，由厂家进行编码SNR-序号码。这个数字的独立序号码唯一地识别每个TAC和FAC的每个移动设备。SP-备用,为0例：490547403767335,IMEI唯一地识别一个移动台设备，用于监控被窃或无效的移动设备,#06#,IMEI（15位数字）,TAC,SP,FAC,SNR,6个数字,2个数字,6个数字,1个数字,