[信息与通信]07GSM系统2.ppt

第二代移动通信系统（二）The 2nd Generation Mobile Communication System（2）,问题1：与1G比，2G系统采用了哪些新技术？问题2：GSM系统组成、子系统功能、特点？本次课要回答的问题：GSM系统空中接口技术、GSM系统的接入控制机制、GSM系统的演进技术。重点：GSM系统空中接口规范；GSM系统呼叫接续和越区切换、漫游等控制机制；GPRS技术。难点：GSM无线帧结构与TDMA/FDMA多址方式,回顾与提示,内容提要（Contents）,GSM系统的接口与协议The Interface&Protocol of GSM System GSM系统的接入机制 The Access Mechanism of GSM System GSM 系统的演进 The Evolution of GSM System,内容提要（Contents）,GSM系统的接口与协议The Interface&Protocol of GSM System GSM系统的接入机制 The Access Mechanism of GSM System GSM 系统的演进 The Evolution of GSM System,GSM的接口与协议栈,GSM的A-ter接口,GSM的接口与协议栈（补充）,GSM主要接口及对应的协议,GSM空中接口规范（主要参数指标）,GSM的空中接口,GSM的无线帧结构,GSM的空中接口,GSM的无线帧结构时隙：每个含156.25个码元，占15/260.577 ms；帧：每一个TDMA帧分07共8个时隙，帧长度为120/264.615 ms，不同帧用不同帧号标识；业务复帧：26帧组成的复帧，长120 ms，用于业务信息的传输；控制复帧：51帧组成的复帧，长235.385 ms，专用于传输控制信息；超帧：由51个业务复帧或26个控制复帧组成，周期为1326个TDMA帧，长约6.12 s；超高帧：由2 048个超帧组成，周期为个TDMA帧，即12 533.76秒，相当于3小时28分53秒760毫秒；帧的编号（FN）：以超高帧为周期，从0到2 715 647。,GSM的空中接口,GSM的突发脉冲序列格式,在GSM系统中，每帧含8个时隙，时隙的宽度为0.577ms，包含156.25 bit。TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。常规突发（NB，Normal Burst）脉冲序列 频率校正突发（FB，Frequency Correction Burst）脉冲序列 同步突发（SB，Synchronization Burst）脉冲序列 接入突发（AB，Access Burst）脉冲序列,GSM的空中接口,常规突发脉冲（NB）用于业务信道及专用控制信道；信息位占116 bit，分成两段，各58 bit。其中，57位为数据（加密比特），另1位表示此数据的性质是业务信号或控制信号；26位训练序列：用作自适应均衡器的训练序列，以消除多径效应产生的码间干扰。将训练序列放在两段信息的中间位置，是考虑到信道会快速发生变化，使前后两部分信息比特和训练序列所受信道变化的影响不会有太大的差别；GSM系统共有8种训练序列，可分别用于邻近的同频小区。,GSM的空中接口,常规突发脉冲（NB）尾比特TB(0，0，0)：置于起始时间和结束时间，也称功率上升时间和拖尾时间，各占3 bit（约11us）。因为在无线信道上进行突发传输时，起始时载波电平必须从最低值迅速上升到额定值；突发脉冲序列结束时，载波电平又必须从额定值迅速下降到最低值（例如-70 dB）。有效的传输时间是载波电平维持在额定值的中间一段，在时隙的前后各设置3bit，允许载波功率在此时间内上升和下降到规定的数值。保护时间GP：占用8.25 bit（约30）。这是为了防止不同移动台按时隙突发的信号因传播时延不同而在基站发生前后交叠。,GSM的空中接口,频率校正突发（FB）频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率；起始和结束的尾比特各占3 bit，保护时间8.25 bit，它们均与普通突发脉冲序列相同；其余的142 bit，均置成“0”，相应发送的射频是一个与载频有固定偏移（频偏）的纯正弦波，以便于调整移动台的载频；同步突发（SB）用于移动台的时间同步；包括64 bit的位同步信号，以及两段各39 bit数据。用于传输TDMA帧号和基站识别码（BSIC)；TDMA帧号 用于数据加密；BSIC用于移动台进行信号强度测量时区分基站。,GSM的空中接口,接入突发（AB）用于上行传输方向，在随机接入信道（RACH）上传送，用于移动用户向基站提出入网申请。同步突发；它包括41 bit的训练序列，36 bit的信息，起始比特为8位(0，0，1，1，1，0，1，0)，而结束的尾比特为3 位(0，0，0)，保护期较长，为68.25 bit。,GSM的空中接口,除了上述四种格式之外，还有一种不发送实际信息的时隙格式，称为“虚设时隙”格式，用于填空，其结构和NB格式相同，但只发送固定的比特序列。,GSM的上下行链路同步帧号分配：GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同；上行帧相对于下行帧推后3个时隙，以便移动台在这3个时隙内，进行帧调整以及对收发信机的调谐和转换。,GSM的空中接口,GSM的信道结构,GSM的空中接口,GSM的业务信道话音业务信道 全速率话音业务信道（TCH/FS），22.8 kbps；和半速率话音业务信道（TCH/HS），11.4 kbps；全速率话音编码，话音帧长20 ms，每帧含260 bit话音信息，提供的净速率为13kbps。数据业务信道 9.6 kbps，全速率数据业务信道（TCH/F9.6）4.8 kbps，全速率数据业务信道（TCH/F4.8）4.8 kbps，半速率数据业务信道（TCH/H4.8）2.4 kbps，全速率数据业务信道（TCH/F2.4）2.4 kbps，半速率数据业务信道（TCH/H2.4）,GSM的空中接口,GSM的控制信道 广播信道（BCH）频率校正信道（FCCH）：传输供移动台校正其工作频率的信息；同步信道（SCH）：传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息，因为基站识别码是在同步信道上传输的；广播控制信道（BCCH）：传输系统公用控制信息，例如公共控制信道（CCCH）号码以及是否与独立专用控制信道（SDCCH）相组合等信息。,GSM的空中接口,GSM的控制信道公用控制信道（CCCH）寻呼信道（PCH）：传输基站寻呼移动台的信息；随机接入信道（RACH）：这是一个上行信道，用于移动台随机提出的入网申请，即请求分配一个独立专用控制信道（SDCCH）；准许接入信道（AGCH）：这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网申请作出应答，即分配一个独立专用控制信道。,GSM的空中接口,GSM的控制信道专用控制信道（DCCH)独立专用控制信道（SDCCH）：用于在分配业务信道之前传送有关信令。例如，登记、鉴权等信令均在此信道上传输，经鉴权确认后，再分配业务信道（TCH）；慢速辅助控制信道（SACCH）：在移动台和基站之间，需要周期性地传输一些信息。例如，移动台要不断地报告正在服务的基站和邻近基站的信号强度，以实现“移动台辅助切换功能”。快速辅助控制信道（FACCH）：传送与SDCCH相同的信息，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制信道。使用时要中断业务信息，把FACCH插入业务信道，每次占用的时间很短，约18.5 ms。,GSM的空中接口,GSM信道的复用与映射（举例）BCH和CCCH在TS0上的复用,GSM的空中接口,GSM频率复用与区群结构 GSM系统中，基站发射功率为每载波500 W，每时隙平均为500/8=62.5 W。移动台发射功率分为0.8 W，2 W，5 W，8 W和20 W五种，可供用户选择。小区覆盖半径最大为35 km，最小为500 m，前者适用于农村地区，后者适用于市区。由于系统采取了多种抗干扰措施（如自适应均衡、跳频和纠错编码等），同频道射频防护比可降到C/I=9 dB，因此在业务密集区，可采用3小区的区群结构 GSM的数字调制高斯型最小移频键控（GMSK）方式。矩形脉冲在调制器之前先通过一个高斯滤波器。这一调制方案由于改善了频谱特性，从而能满足CCIR提出的邻道功率电平小于的要求。高斯滤波器的归一化带宽BT=0.3。基于200 kHz的载频间隔及270.833 kbps的信道传输速率，其频谱利用率为1.35 bps/Hz。,GSM的空中接口,GSM语音信号信道编码,GSM的空中接口,GSM业务及控制信息根据重要性进行差错控制，不是所有的数据加前向纠错或校验。,GSM信道交织卷积编码后数据再进行交织编码，以对抗突发干扰；交织深度为8，流程见图；40 ms中的话音比特（2456=912 bit）组成8114矩阵，按水平写入、垂直读出的顺序进行交织；获得8个114 bit的信息段，每个信息段要占用一个时隙且逐帧进行传输；40 ms的话音需要用8帧才能传送完毕。,GSM的空中接口,GSM的话音编码RPE-LTE,GSM的空中接口,语音编码基于余值激励线性预测(RELP)，通过加入一个长时预测器(LTP)来增强它的性能。过程：将语音分成20ms为单位的段，每个段编成260比特的数据块，产生的比特率为13 kbps。语音编码器的评价标准：主观评价、速率、复杂度。采用语音激活控制，以断续传输模式(DTX)发射。接收补偿：引入一个背景噪声来补偿由于DTX而产生的不舒适静音。,GSM的空中接口,GSM的编码流程,GSM的空中接口,GSM的跳频与间断传输,采用每帧改变频率的方法，以提高抗干扰能力，即每隔4.615 ms改变载波频率，亦即跳频速率为1/4.615 ms 217跳/秒。采用话音激活技术实现间断传输，以减少干扰。,GSM的空中接口,内容提要（Contents）,GSM系统的接口与协议The Interface&Protocol of GSM System GSM系统的接入机制 The Access Mechanism of GSM System GSM 系统的演进 The Evolution of GSM System,GSM系统接入相关过程,位置登记 鉴权加密 呼叫接续 越区切换 漫游,核心问题：接续和移动性管理建立一个呼叫连接需要解决的三个问题：用户所在位置；用户识别；用户所要求提供的业务。接续和移动性管理就是以解决上述三个问题为出发点的，涉及网络的各个功能模块。,全国GSM网路结构,全国GSM移动电话网按大区设立一级汇接中心、省内设立二级汇接中心、移动业务本地网设立端局构成三级网路结构，它与PSTN网(公用电话网)的连接关系 如右上图，三级网路结构组成了一个完全独立的数字移动通信网路。模拟移动通信网路结构是与PSTN网混合方式来组建的(它与PSTN网的连接关系如右下图)。,GSM系统的网络覆盖（我国为例）,省内GSM网路结构,省内GSM移动通信网由省内的各移动业务本地网构成，省内设若干个移动业务汇接中心(即二级汇接中心)，汇接中心之间为网球网结构，汇接中心与移动端局之间成星状网。,GSM系统的网络覆盖（我国为例）,移动业务本地网的网路结构,全国可划分为若干个移动业务本地网，划分的原则是长途区号为2位或3位的地区为一个移动业务本地网。每个移动业务本地网中应设立一个HLR和一个或若干个移动业务交换中心(MSC)，还可以几个移动业务本地网共用一个MSC。,GSM系统的网络覆盖（我国为例）,用户位置登记（1）,位置登记的含义通信网为了跟踪移动台的位置变化，而对其位置信息进行登记、删除和更新的过程。也称“注册”。位置信息存储在原籍位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）中。网络的覆盖区域划分,GSM蜂窝通信系统把整个网络的覆盖区域划分为许多位置区，并以不同的位置区标志进行区别，如右中的LA1，LA2，LA3，,用户位置登记（2）,位置登记过程首次入网时，用户通过MSC，把移动用户识别码、移动台编号及业务类型等参数存放在HLR中；HLR随用户位置变化（越区或越局）而更新，当用户离开原籍而进入其它地区访问，由访问地区的VLR调取该用户HLR中相关信息并负责更新登记，HLR记下该用户所在地区；位置区的标志在广播控制信道（BCCH）中播送，移动台开机后，就可以搜索此BCCH，从中提取所在位置区的标志；如果台从BCCH中获取的是它原来用的位置区标志，不需要进行位置更新；如果不同，则必须进行位置更新。开关机、信号中断处置 关机：IMSI分离，网络阻止呼叫该用户（发“用户已关机”提示）开机：IMSI附着，网络允许呼叫该用户信号问题引起：IMSI分离/附着倒置，可要求用户周期性登记。,位置更新登记过程举例,用户位置登记（3）,用户鉴权与信息加密（1）,GSM系统的安全措施 用户入网的鉴权 鉴权的作用是保护网络，防止非法盗用并拒绝假冒合法用户的“入侵”。鉴权的出发点是验证网络端和用户端的鉴权键Ki是否相同。通信信息的加密 加密的目的是为空中接口的有权用户通信信息传输提供安全保障。移动设备的识 每一个移动台设备均有一个唯一的移动台设备识别码（IMEI），用于鉴别该设备是否允许入网。用户识别码（IMSI）保密 为了防止非法监听进而盗用IMSI，在无线链路上需要传送IMSI时，均用临时移动用户识别码（TMSI）代替IMSI。,用户鉴权过程 AUC产生三参数组,用户鉴权与信息加密（2）,用户鉴权过程（续）鉴权程序,用户鉴权与信息加密（3）,鉴权过程主要涉及到AUC、HLR、MSC/VLR和MS，它们均各自存储着用户有关的信息或参数。,用户传输信息加密加密开始时根据MSC发出的加密指令，BTS侧和MS侧均开始使用密钥。,用户鉴权与信息加密（4）,在MS侧，由Kc、TDMA帧号一起经过加密算法A5，对用户信息数据流加密，然后在无线信道上传输。在BTS侧，把从无线信道上收到的加密信息流、TDMA帧号和Kc，在经加密算法A5解密后，传给BSC和MSC。上述过程反之亦然。,设备识别在EIR中存储了所有移动台的设备识别码，每一个移动台只存储本身的IMEI。设备识别在呼叫建立尝试阶段进行。,用户鉴权与信息加密（5）,EIR中的用户识别清单：白名单：合法的移动设备识别号；黑名单：禁止使用的移动设备识别号；灰名单：是否允许使用由运营者决定，例如有故障的或未经型号认证的移动设备识别号。,用户识别码保密,用户鉴权与信息加密（6）,IMSI的使用：无线链路上需要传送IMSI时，均用临时移动用户识别码（TMSI）代替IMSI；仅在位置更新失败或MS得不到TMSI时，才使用IMSI；MS每次向系统请求一种程序，如位置更新、呼叫尝试等，MSC/VLR将给MS分配一个新的TMSI。IMSI是唯一且不变的，但TMSI是不断更新的。,呼叫接续（1）,移动用户主呼 基本流程,在服务小区内，一旦移动用户拨号后，移动台向基站请求接入信道。在移动台MS与移动业务交换中心MSC之间建立信令连接的建立关系。对移动台的识别码进行鉴权的过程，如果需加密，则设置加密模式，进入呼叫建立起始阶段。分配业务信道。采用7号信令，用户IUSP/TUP部分通过与固定网（ISDN/PTSN）建立至被叫用户的通路，并向被叫用户振铃，向移动台回送呼叫接通证实信号。被叫用户应答，向移动用户发送应答（连接）信息，最后进入通话阶段。,呼叫接续（2）,移动用户主呼 基本流程,呼叫接续（3）,移动用户被叫 基本流程,通过7号信令用户部分IUSP/TUP，网关MSC（GMSC）接收来自 固定网（ISDN/PTSN）的呼叫。GMSC向HLR询问有关被叫用户正在访问MSC的地址（即MSRN）。HLR请求被访问VLR分配MSRN，MSRN 是在每次呼叫的基础上由被访的VLR分配并通知HLR的。HLR从VLR获得MSRN后，就可重新寻找路由建立至被访MSC的通路。、被访从MSC获取有关用户数据。、MSC通过位置区内的所有BS向移动台发送寻呼消息。、被叫移动用户发回寻呼响应消息，然后执行与 相同的过程，直到移动台振铃，向主叫用户回送接通证实信号。移动用户应答，向固定网发送应答（连接）消息，最后进入通话阶段。,呼叫接续（4）,移动用户被叫 基本流程,呼叫接续（5）,越区切换 GSM切换的策略：采用分散控制移动台和基站均参与测量接收信号强度（RSSI）和质量（BER）。对不同基站RSSI的测量在移动台处进行，并以每秒两次的速率，将测量结果报告给基站。同时，基站对移动台所占用的业务信道也要进行测量，并报告基站控制器，最后由基站控制器决定是否需要切换。决定切换的指标：通常涉及反映信道链路的指标BER是一个反映当前小区内信号的接收质量。RSSI(Received Signal Strength Indicator)是一个反映信道间干扰和噪声的指标。,呼叫接续（6）,越区切换 基本流程,稳定呼叫连接状态 移动台对邻近基站发出的信号进行无线测量，包括测量功率、距离和话音质量，这三个指标决定切换的门限。无线测量结果通过信令信道报告给基站收发信台BTS。无线测量结果经过BTS预处理后传送给基站控制器BSC，BSC综合功率、距离和话音质量进行计算且与切换门限值进行比较，决定是否进行切换。若切换，则向MSCA发出切换请求。MSCA决定进行MSC之间的切换。MSCA请求在MSCB区域内建立无线信道，然后在MSCA与MSCB之间建立连接。MSCA向移动台发出切换命令，移动台切换到已准备好连接通路的基站。移动台发出切换成功的确认消息给MSCA，以释放原来的信息等资源。,呼叫接续（7）,越区切换 基本流程,呼叫接续（8）,呼叫中的业务信道和控制信道,以移动台主呼为例 基站用户同步：用户在监测BCH时，必须与相近的基站取得同步。用户呼叫：移动用户在随机接入信道(RACH)上，向基站发出“信道请求”信息。基站响应：若BS接收成功，就通过接入认可信道AGCH给移动用户分配一个独立专用控制信道（SDCCH），并向移动用户发出“立即分配”指令。等待调整：等待传给它的SACCH帧，该帧告知移动台要求的定时提前量和发射器功率。,呼叫接续（9）,呼叫中的业务信道和控制信道,以移动台主呼为例（续）业务请求：向MSC发送业务请求信息。检查用户的合法性及有效性：MSC收到移动用户业务请求信息后，通过SDCCH检查用户的合法性及有效性；MSC将话音通路接入服务基站。分配TCH：接着MS向MSC发出“建立呼叫请求”，MSC通过SDCCH分配给移动台一个TCH信道。呼叫成功：语音信号在TCH信道上传送，SDCCH被清空。,呼叫接续（10）,漫游 当移动台进入其它运营网络时需要漫游 分国内漫游和国际漫游 需要运营商间签订合约 目前收费较高 漫游需要验证移动台SIM信息并将验证请求发往归属运营商。漫游的其他技术过程类似切换,漫游资费有逐步取消趋势，比如好多国家没有国内漫游费，最近欧洲在降低国家间漫游费方面已出台新政。,内容提要（Contents）,GSM系统的接口与协议The Interface&Protocol of GSM System GSM系统的接入机制 The Access Mechanism of GSM System GSM 系统的演进 The Evolution of GSM System,演进的含义与动机,演进：英文Evolution，包含两层含义系统的完善与改进系统的更新换代 演进的原因系统自身完善需要新业务需求数据类（尤其因特网）业务 演进形式系统功能于性能完善GSM系统称为全球开放系统系统功能增强GPRS、EDGE革命性更新：3G（WCDMA、TDS-CDMA）,支持数据业务类型短消息业务(SMS)类同于高级寻呼系统，在控制信道上实现高速电路型数据业务(HSCSD)采用了新的信道编码方式，使每个时隙的传输速率从9.6kbps提高到14.4kbps，最高115kbps电路型数据。通用无线分组业务(GPRS)是GSM标准化组织为实现移动分组数据业务而制定的一套标准。（用于尤其是上网）速率可达170kbps分组数据GSM演进增强型数据（EDGE）采用8PSK，每时隙传48kbps，峰值384kbps分组数据,GSM的数据业务能力,GSM的增强系统GPRS,GPRS 的意义技术意义将分组交换机制引入到空中连接上提供灵活的带宽功能可以直接支持IP业务商业意义 对现有的GSM网络进行软件升级在现有网络上叠加GPRS网向3G过渡时，可保护现有设备投资可提供部分3G业务,GSM的增强系统GPRS,GPRS 的网络结构,GSM的增强系统GPRS,GPRS 的接口,GSM的增强系统GPRS,GPRS 的主要实体功能GPRS服务支持节点(SGSN)介入控制移动性管理分组接收与传送地址转换与映射数据包装GPRS网关(GGSN)GRPS与分组数据业务网的接口,GSM的增强系统GPRS,GPRS的分层协议结构,GSM的增强系统GPRS,GPRS的分层协议说明物理层RF层(Physical RF Layer)调制/解调物理链接层(Physical Link Layer)差错控制、拥塞控制数据链路层MAC(Medium Access Control)时隙 ALOHARLC(Radio Link Control)纠错LLC(Logical Link Control)永久连接,GSM的增强系统GPRS,GPRS的分层协议说明通过包装/解包装，GPRS移动台和基于X25、IP协议网络互连；在MS和SGSN间交互信息是通过子网依存汇聚协议（SNDCP）包装/解包装得，即包括复用压缩分段MAC协议是由时隙预约ALOHA转化过来的，在BTS与MS之间执行。,GSM的增强系统GPRS,用户与外网眼中的GPRS,GSM的增强系统GPRS,GPRS的基本路由,GSM的增强系统GPRS,GPRS的3种路由（举例）,GSM的增强系统GPRS,GPRS的移动性管理隧道,GSM的增强系统GPRS,GPRS的应用潜力,内容回顾与课后思考,本次课堂内容回顾GSM的空中接口GSM的接续与移动性管理GPRS系统思考题常规突发中的训练序列有何作用？为何将训练比特在帧中间位置？何谓TDMA系统的物理信道和逻辑信道？那么多种逻辑信道又是如何组合道物理信道之中传输的？请举例说明。简述GSM系统的鉴权中心产生鉴权三参数的原理以及鉴权原理 试画出一个移动台呼叫另一个移动台的接续流程 GPRS系统在GSM系统的基础上主要增加了哪些功能单元？,Thanks for Your Attention!,