代移动通信技术与设计基础.ppt

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1、1,蜂窝移动通信系统原理与应用,2,第5章 TDMA系统原理与应用,一、GSM系统基本结构二、GSM系统中的各类接口三、GSM系统主要接口协议模型四、GSM系统的控制与管理五、GSM系统的演进,3,一、GSM系统基本结构,BSC,MS,MS,EIR,MSC,MSC,HLR,VLR,AUC,OMC,PDN,PSTN,ISDN,BTS,BTS,BTS,BSC,BTS,BTS,BTS,网络交换子系统,基站子系统,移动台,公共网,4,1、数字蜂窝移动通信,数字化的原因提高频谱资源的利用率，增加系统容量可提供话音、数据和图像等多种业务用户信息保密数字信号的传输性能优良，在较差的信道条件下（衰落、噪声、干

2、扰）获得较好的话音质量便于与PSTN、ISDN、PDN、PTN网兼容数字化可采用数字信号处理技术，VLSI技术，有利于减少功耗、小型化、降低成本,5,数字移动通信系统需解决的技术问题信道机技术，包括话音编码，信道编码，数字调制数字传输技术，包括分集，交织，均衡，扩频网络技术，包括多址接入，功率控制，越区与漫游，信令与网管，网络互联,6,最主要的是提高了系统容量，改善了通信质量表征通信质量的重要参数模拟系统信噪比，数字系统误码率主要影响模拟：信道的多径衰落特性将对模拟信号的传输起主要影响数字：信道的时变色散特性将对数字信号的传输起主要影响解决方法模拟系统：抗幅度衰落数字系统：不仅要抗幅度衰落，还

3、要抗多径时延扩展和多径频谱扩展 为此采用分集、差错控制、交织编码、扩频、均衡等技术,数字化的效果,7,数字移动通信系统各个组成模块,8,数字移动通信系统各模块功能,移动交换中心（MSC）MSC是网络的核心，提供交换功能并面向下列功能实体：基站子系统（BSS）、原籍位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）、移动设备识别寄存器（EIR）、操作维护中心（OMC）和固定网（公用电话网、综合业务数字网等）。从而把移动用户与固定网用户、移动用户与移动用户之间互相连接起来。移动交换中心可以从三种数据库（即原籍用户位置寄存器、访问用户位置寄存器和鉴权中心）获取有关处理用户位置登记和呼叫请求等所需的全部数据。作

4、为网络的核心，MSC还支持用户位置登记和更新、过区切换和漫游服务等项功能。,9,数字移动通信系统各模块功能,原籍用户位置寄存器 原籍用户位置寄存器，简称HLR。它可以看作是GSM系统的中央数据库，存储该HLR管辖区内的所有移动用户的有关数据。其中，静态数据有移动用户码、访问能力，用户类别和补充业务等。此外，HLR还暂存移动用户漫游时的有关动态息数据。,10,数字移动通信系统各模块功能,访问用户位置寄存器 访问用户位置寄存器，简称VLR。它存储进入其控制区域内来访移动用户的有关数据，这些数据是从该移动用户的原籍位置寄存器获取并进行暂存的，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则临时存储的该移动用户

5、的数据就会被消除。因此，VLR可看作是一个动态用户的数据库。,11,数字移动通信系统各模块功能,鉴权中心AUC GSM系统采取了特别的通信安全措施，包括对移动用户鉴权，对无线链路上的话音、数据和信令信息进行保密等。因此，鉴权中心存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证无线通信安全。,12,数字移动通信系统各模块功能,移动设备识别寄存器 移动设备识别寄存器（EIR）存储看移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过核查白色、黑色和灰色三种清单，运营部门就可判断出移动设备是属于准许使用的，还是失窃而不准使用的，还是由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的MS设备，以确保网络内所使

6、用的移动设备的唯一性和安全性。,13,数字移动通信系统各模块功能,操作与维护中心 网络操作与维护中心（OMC）负责对全网进行监控与操作。如系统的自检、报警与备用设备的激活，系统的故障诊断与处理，话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及与网络参数有关的各种参数的收集、分析与显示等。,14,GMS移动通信系统组成示意图,15,二、GSM系统中的各类接口,BSC,MS,MS,EIR,MSC,MSC,HLR,VLR,AUC,OMC,PDN,PSTN,ISDN,BTS,BTS,BTS,网络交换子系统,基站子系统,移动台,公共网,Um,Abis,C,B,E,F,D,Sm,A,16,1、Um无线接口功能,规

7、定信道结构和接入能力定义MS-BS通信协议完成呼叫控制处理实现移动性、安全管理管理完成如功率控制等业务功能,17,1、Um无线接口功能,无线传输特征TDMA/FDMA接入方式频率与频道序号：上行：890-915 下行：935-960信道序号N=1124，共992个物理信道调制方式：GMSK速率：270.833kb/s载频复用与区群结构：C/I=9dB 可采用3小区9扇区结构,18,1、Um无线接口功能,信道类型及其组合帧结构信道分类时隙格式信道组合方式,19,GSM的物理信道与逻辑信道接入能力、误码检测、加密、物理信道信道及其类型业务信道（TCH）：电路交换、分组交换；全速率与半速率业务信道控

8、制信道（CCH）：广播信道：频率校正、同步、广播控制信道公共控制信道：寻呼、随机接入、接入允许专用控制信道：信道分配、功率控制、测量数据,GSM信道类型,20,1、Um无线接口功能,话音和信道编码话音：规则脉冲激励长期预测编码（RPELTP）信道编码：纠错编码、交织技术跳频和间断传输技术跳频速率：217跳/秒作用：间断传输/话音激活技术采用抗干扰措施自适应均衡卷积编码交织编码跳频技术,21,2、Abis接口及功能,基站控制台(BSC)和基站收发信机(BTS)之间的接口称为Abis接口。Abis接口支持网络对用户提供的所有服务,同时还支持BTS内的无线设备控制和无线频率分配。Abis接口由下列特

9、性所规定:物理和电器参数信道结构信令传输程序配置和控制程序操作和维护信息支持,22,2、Abis接口及功能,Abis接口功能 Abis接口为BSC和BTS完成各种功能时提供信息交换。这些功能包括:对BSC和BTS之间的地面信道进行管理,业务信道和控制信道的管理,随机接入,信道编解码,码型变换/速率适配,无线通道测量,时间提前,无线资源指示,加密寻呼移动管理和呼叫控制等。,23,地面信道功能地面信道分配、地面信道阻塞、测试呼叫无线信道管理信道配置管理无线业务信道管理：无线信道指配、无线业务信道监视、跳频管理、空闲业务信道监视、业务信道功率控制、业务信道释放广播、公共控制信道管理：随机接入与寻呼消

10、息专用信道管理：链路监视、信道释放、功率控制、无线信道指配,3、A接口功能,24,资源指示：空闲无线信道汇报信道编码解码码型转换/速率适配互通功能：IWF数据互通功能测量信息：空中链路测试、业务流量测试切换：小区内、小区间、外部切换移动管理：由MSC/VLR/HLR和MS共同完成呼叫控制：由MSC/VLR/HLR完成安全特性：用户数据密钥管理、用户识别、信令信息保密、用户鉴权,3、A接口功能,25,三、GSM系统主要接口协议模型,CM,MM,RRM,LAPD,无线,CM,MM,RRM,SCCP,MTP,64KBPS,RRM,LAPD,无线,LAPD,64KBPS,RRM,LAPD,64KBPS

11、,SCCP,MTP,64KBPS,Um接口,A接口,Abis接口,L1,L2,L3,MS,BTS,BSC,MSC,26,第一层 物理层低层，各类信道第二层 数据链路层中间层，LAPDm，各种数据传输结构，对数据传输进行控制。第三层 高层包括各类消息和程序，对业务进行控制，如：无线资源管理（RRM）移动性管理（MM）呼叫管理（CM）,接口协议层功能,27,四、GSM系统的控制与管理,位置登记（注册）首次入网位置更新周期性登记IMSI分离、IMSI附着移动台非激活（关机）、激活（开机）状态,28,GSM系统的控制与管理,鉴权与加密鉴权加密鉴权中心AUC提供的三个参数组：随机数RAND、符号响应SR

12、ES、密钥KcAUC参数产生过程鉴权过程加密过程设备识别用户各别码（IMSI）保密,29,GSM系统的控制与管理,设备识别每个移动台有一个唯一的国际移动台识别码（IMEI）即International Mobile Equipment Identity(国际移动设备身份)的简称，也被称为串号，它的最大功能是用来协助辨别手机身份真伪。EIR中存储所有移动台的设备识别码，包括三种设备清单合法的移动台设备识别号禁止使用的移动台设备识别号是否允许有运营者决定设备识别在呼叫建立尝试阶段进行,30,GSM系统的控制与管理,用户各别码（IMSI）保密在无线链路上均用临时移动用户识别码（TMSI）代替IMSI

13、MS每次向系统请求一种程序，如位置更新、呼叫尝试等，MSC/VLR将分配给一个新的TMSI,31,五、GSM系统的演进,1、GSM通信网的发展现在的电路交换服务的数据速率将增加。一个高速的分组数据方案将被引入，从而把GSM和INTERNET集成的更密切。这两个都可通过无线调制解调提供多种的数据速率。最后三代系统将被引入获得经济的多媒体通信。,32,五、GSM系统的演进,33,2、GSM数据业务的发展,GSM 在不断的满足GSM市场提出的新需求，使得GSM成为一个先进的平台规范和接口标准。GSM不断发展个人多媒体业务，新的数据服务将一步步地被引入到GSM网络。,34,2、GSM数据业务的发展,1

14、994年，GSM运营商开始提供数据服务数据短消息服务SMS，允许收发短的、基于字符的消息9.6K bit/s的数据呼叫允许很多无线的应用GSM不断发展个人多媒体业务，新的数据服务一步步地被引入到GSM网络。,35,2、GSM数据业务的发展,1998年高速的数据速率被引入GSM网络。高速电路交换数据HSCSD将数据速率提高，当四个采用14.4kbits/s编码时无线接口应用时达到57.6kbits/s。HSCSD将GSM数据服务采用PSTN/ISDN的标准，并且可以在将来发展到更高的数据速率。当信道速率提高时采用较少的信道就可达到同样的速率。,36,2、GSM数据业务的发展,1999年末GPRS

15、通用分组无线服务的提供是向个人多媒体功能前进的一个重要的里程碑，实现真正的分组数据模式连接。GPRS可以提供超过100Kbits/s的峰值速率（最大速率171.2kbit/s，8个21.4kbits/s信道）。通过消除建立连接的延迟，GPRS提高了数据业务应用的方便性和直接性。,37,3、GPRS的主要优点,在GSM覆盖区可获得标准的无线分组交换INTERNET接入；可变的速率，从低比特每秒到171.2 kbps；可基于流量收费，使得用户长时间在线而仅基于实际传送的数据收费；适用现在存在的服务和新应用；分组无线接口，最佳的无线资源应用；网络结构中的分组交换技术，优化网络资源；可随未来的无线接口

16、扩展。,38,4、GPRS的标准的发展,阶段1：TCP/IP 和X.25承载业务 GPRS利用为分组数据专门设计的新的加密算法支持通过GPRS的短消息 支持分组付费 阶段2：阶段2完全满足GPRS规范要求的能力，它将增加支持附加的特殊的点到点和点到多点的服务，可以支持不同的用户和网络接口：ISDN和其他分组网，也支持附加增殖业务。,39,5、GPRS的系统构成,GPRS是一种基于分组交换传输数据高效率的方式，其数据率是现有GSM的10倍以上实现GPRS网络，需要在传统的GSM网络中引入新的网络接口和通信协议，在移动用户和远端的数据网络（如支持TCPIP、X.25等）之间提供一种连接，从而给用户

17、提供高速无线IP和无线X.25业务。,40,5、GPRS的系统构成,GPRS网络是通过在GSM网络结构中引入两个新的网络节点，它们是GPRS网关支持节点GGSN（Gateway GPRS Supporting Node）和GPRS业务支持节点SGSN（Service GPRS Supporting Node）移动台则必须是GPRS移动台或GPRSGSM双模移动台。,41,5、GPRS的系统构成,GPRS数据包的发送与接收，其过程如下：笔记本电脑通过串行或无线方式接到GPRS蜂窝电话或Modem上，GPRS蜂窝电话或 Modem与GSM基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发

18、送到SGSN 节点，而不是通过MSC连接到语有网络上。SGSN与GGSN进行通信；GGSN对分组数据进 行相应的处理，再发送到目的网络，如 Internet或X.25网络。来自 Internet、标识 有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。,42,5、GPRS的系统构成,SGSN-SGSN通过帧中继与BTS连接，是GSM网络结构与移动台之间的接口，实现 与移动台之间数据的发送与接收，提供分组路由，跟踪移动台在服务区的位置，并实 现安全和访问控制功能。GGSN-GGSN通过基于IP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，是连接GSM网络结构与外 部分组交换网（如

19、 Internet和 LAN）的网关。GGSN也可以在这种网络之间建立多个连 接，即通过一个GGSN、一个 GSM网络可以连接到多个外部网上。,43,5、GPRS的系统构成,44,BTS,BSC,MSC,SGSN,GGSN,Internet,GPRS Backbone IP Network,Packet Switched,Circuit Switched,GPRS Core,Shared GSM and GPRS Infrastructure,GPRS Infrastructure,IP World,Host,Host,5、GPRS的系统构成,45,CG,DNS,SGSN,GGSN,LAN s

20、witch,FR Network,Internet or Intranet,BG,Firewall,Inter-PLMNnetwork,(Legal Interception Gateway),BSS,LIG,(DomainName Server),(Charging Gateway),(GPRS Gateway Support Node),(Border Gateway),(Serving GPRS Support Node),Firewall,OMC,5、GPRS的系统构成,46,RNC,RNC,UTRAN,Iu,Iur,Iub,无线接入网,核心网,UMSC,HLR,6、GSM、GPRS与

21、WCDMA,RNC=Radio Network controller,UMSC=UMTS Mobile Switching center,Node B Base Transceiver Station,47,WCDMA的特点,RAKE 接收机进一步展示在多进传输中的优越性。快速功率控制可以使链路采用最小的功率，保持系统的稳定性。软切换可以保证切换平滑的完成，减少掉话概率。高速数据速率：8Kbps 384Kbps 的可变速率传输，逐步增长到2Mbps。可实现上下链路非对称业务传输的要求用户可以选择不同性能的数据传输业务，业务传输方式有实时的和非实时的。具有公共信道传输短数据业务功能,48,WCD

22、MA与GSM的不同,49,GSM系统采用TDMA方式,f1,f2,f1,f1,f2,f2,f3,f1,f1,f2,f2,f3,f3,f1,f2,f1,f3,f1,MS1,MS2,MS3,MS4,BTS,时间,200 kHz,BTS,典型的频率复用方式,MS=移动用户,在统一载波上用户通过时隙相互区分,50,UMTS系统采用CDMA,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,f1,MS1MS2MS3MS4,BS,时间,5 MHz,CDMA系统频率复用方式,MS1MS2MS3MS4,BS,所用用户在用同一个频带,51,UMTS 频谱使用图

23、,保护频带,2110 MHz,保护频带,2112.8 MHz,2167.2 MHz,保护频带,1980 MHz,保护频带,1900 MHz,#1,#3,#2,1920 MHz,#4,非对称信道,1922.8 MHz,1977.2 MHz,1902.4 MHz,FDD 下行信道,FDD 上行信道和非对称TDD 信道,DECT,MSS,MSS,Operator#1,14.8 MHz,Operator#2,14.8 MHz,Operator#3,14.8 MHz,Operator#4,52,UTRAN,Iu,Iur,Iub,UMSC,Gs,64Kbit/s,ATM/AAL2,IP,GPRS 在UMT

24、S系统结构中的位置,WCDMA系统结构将构建在 GPRS 和GSM的演进系统之上，分组交换和电路交换服务在UMTS交换中心侧分离。,53,UTRAN,Iu,Iur,Iub,UMSC,Gs,GPRS+,64Kbit/s,GTP,GSM 64Kbit/s,ISDN,IP,话音通过 GSM 平台,数据通过 GPRS平台.分组交换和电路交换共享宽带接入网，,PLMN,基于GPRS演进的WCDMA系统构架-1,54,UTRAN,Iu,Iur,Iub,UMSC,Gs,GPRS+,GTP,ATM,AAL2ATM,ISDN,IP,电路交换平台引入 ATM，话音在ALL2上进行编码传输.所有数据依靠 GPRS平台,基于GPRS演进的WCDMA系统构架-2,55,UTRAN,Iu,Iur,Iub,UMSC,Gs,GPRS+,GTP,IWF,ISDN,IP,利用 GPRS 平台进行数话同传(using Voice over IP).,基于GPRS演进的WCDMA系统构架-3,