时分多址tdma数字蜂窝网.ppt
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1、第 6 章 时分多址(TDMA)数字蜂窝网,6.1 GSM系统总体 6.2 GSM系统的无线接口 6.3 GSM系统的控制与管理 6.4 三种TDMA蜂窝系统分析比较,6.1 GSM系统总体,6.1.1 网络结构,表 6 1 GSM 标 准,图 6 1 GSM蜂窝系统的网络结构,1.移动台(MS)移动台是GSM移动通信网中用户使用的设备。移动台类型可分为车载台、便携台和手机。其中,手机本身小型、轻巧,而且功能也较强,因此手机的用户将占移动用户的绝大多数。移动台通过无线接口接入GSM系统,即具有无线传输与处理功能。此外,移动台必须提供与使用者之间的接口。移动台另外一个重要组成部分是用户识别模块(
2、SIM),亦称SIM卡。,2.基站子系统(BSS)基站子系统(BSS)是GSM系统的基本组成部分。它通过无线接口与移动台相接,进行无线发送、接收及无线资源管理。另一方面,基站子系统与网络子系统(NSS)中的移动交换中心(MSC)相连,实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间的通信连接。基站子系统主要由基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC)构成。BTS可以直接与BSC相连接,也可以通过基站接口设备(BIE)采用远端控制的连接方式与BSC相连接。此外,基站子系统为了适应无线与有线系统使用不同传输速率进行传输,在BSC与MSC之间增加了码变换器及相应的复用设备。,3.网络子系统(NSS),
3、(1)移动交换中心(MSC)。移动交换中心(MSC)是网络的核心,它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。作为网络的核心,MSC还支持位置登记和更新、过区切换和漫游服务等项功能。,(2)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
4、是GSM系统的中央数据库,存储该HLR管辖区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信息数据。(3)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。,(4)鉴权中心。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
5、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。(5)移动设备识别寄存器。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,以确保网络内所使用的移动设备的惟一性和安全性。,(6)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。例如,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。,4.G
6、SM网络接口,图 6-2 GSM系统的接口,(1)主要接口。GSM系统的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。这三种主要接口的定义和标准化可保证不同厂家生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能够纳入同一个GSM移动通信网运行和使用。A接口。A接口定义为网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口。从系统的功能实体而言,就是移动交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的互连接口,其物理连接是通过采用标准的 2.048 Mb/s PCM数字传输链路来实现的。此接口传送的信息包括对移动台及基站管理、移动性及呼叫接续管理等。,Abis接口。Abis接口定义为基站子系统的基站控制
7、器(BSC)与基站收发信机两个功能实体之间的通信接口,用于BTS(不与BSC放在一处与BSC之间的远端互连方式,它是通过采用标准的 2.048 Mb/s或 64 kb/s PCM数字传输链路来实现的。此接口支持所有向用户提供的服务,并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。Um接口(空中接口)。Um接口(空中接口)定义为移动台(MS)与基站收发信机(BTS)之间的无线通信接口,它是GSM系统中最重要、最复杂的接口。,(2)网络子系统内部接口。它包括B、C、D、E、F、G接口。B接口。B接口定义为移动交换中心(MSC)与访问用户位置寄存器(VLR)之间的内部接口。用于MSC向VLR询问有关移
8、动台(MS)当前位置信息或者通知VLR有关MS的位置更新信息等。C接口。C接口定义为MSC与HLR之间的接口,用于传递路由选择和管理信息。两者之间是采用标准的2.048 Mb/s PCM数字传输链路实现的。,D接口。D接口定义为HLR与VLR之间的接口,用于交换移动台位置和用户管理的信息,保证移动台在整个服务区内能建立和接受呼叫。由于VLR综合于MSC中,因此D接口的物理链路与C接口相同。E接口。E接口为相邻区域的不同移动交换中心之间的接口。用于移动台从一个MSC控制区到另一个MSC控制区时交换有关信息,以完成越区切换。此接口的物理链接方式是采用标准的 2.048 Mb/s PCM数字传输链路
9、实现的。,F接口。F接口定义为MSC与移动设备识别寄存器(EIR)之间的接口,用于交换相关的管理信息。此接口的物理链接方式也是采用标准的 2.048 Mb/s PCM数字传输链路实现的。G接口。G接口定义为两个VLR之间的接口。当采用临时移动用户识别码(TMSI)时,此接口用于向分配TMSI的VLR询问此移动用户的国际移动用户识别码(IMSI)的信息。G接口的物理链接方式与E接口相同。,(3)GSM系统与其它公用电话网接口。GSM系统通过MSC与公用电信网互连。一般采用 7 号信令系统接口。其物理链接方式是MSC与 PSTN或ISDN交换机之间采用 2.048 Mb/s的PCM数字传输链路实现
10、的。,6.1.2 GSM的区域、号码、地址与识别,1.区域定义,GSM系统属于小区制大容量移动通信网,在它的服务区,设置很多基站,移动台只要在服务区内,移动通信网就必须具有控制、交换功能,以实现位置更新、呼叫接续、过区切换及漫游服务等功能。在由GSM系统组成的移动通信网络结构中,其相应的区域定义如图 6-3 所示。,图 6-3 GSM的区域定义,2.号码与识别,(1)移动用户识别码。,图 6-4 国际移动用户识别码(IMSI)的格式,(2)临时移动用户识别码。考虑到移动用户识别码的安全性,GSM系统能提供安全保密措施,即空中接口无线传输的识别码采用临时移动用户识别码(TMSI)代替IMSI。两
11、者之间可按一定的算法互相转换。访问位置寄存器(VLR)可给来访的移动用户分配一个TMSI(只限于在该访问服务区使用)。总之,IMSI只在起始入网登记时使用,在后续的呼叫中,使用TMSI,以避免通过无线信道发送其IMSI,从而防止窃听者检测用户的通信内容,或者非法盗用合法用户的IMSI。TMSI总长不超过 4 个字节,其格式可由各运营部门决定。,(3)国际移动设备识别码。国际移动设备识别码(IMEI)是区别移动台设备的标志,可用于监控被窃或无效的的移动设备。,图 6-5 国际移动设备识别码(IMEI)的格式,(4)移动台的号码。移动台国际ISDN号码(MSISDN)。,图 6-6 移动台国际IS
12、DN的格式,移动台漫游号码(MSRN)。当移动台漫游到一个新的服务区时,由VLR给它分配一个临时性的漫游号码,并通知该移动台的HLR,用于建立通信路由。一旦该移动台离开该服务区,此漫游号码即被收回,并可分配给其它来访的移动台使用。漫游号码的组成格式与移动国际(或国内)ISDN号码相同。,(5)位置区和基站的识别码,位置区识别(LAI)码。,图 6-7 位置区识别码的格式,基站识别色码(BSIC)。,图 6-8 基站识别色码(BSIC)的格式,6.1.3 主要业务,1.通信业务分类,表 6-2 GSM电信业务分类,2.业务定义电话业务。(2)紧急呼叫业务。(3)短消息业务。(4)可视图文接入。(
13、5)智能用户电报传送。(6)传真。,6.2 GSM系统的无线接口,6.2.1 GSM系统无线的传输特征,表 6-3 GSM等三种数字蜂窝网主要参数,1.TDMA/FDMA接入方式,图 6-9 TDMA/FDMA接入方式,2.频率与频道序号 GSM系统工作在以下射频频段:上行(移动台发、基站收)890915 MHz 下行(基站发、移动台收)935960 MHz 收、发频率间隔为 45 MHz。移动台采用较低频段发射,传播损耗较低,有利于补偿上、下行功率不平衡的问题。,由于载频间隔是0.2MHz,因此GSM系统整个工作频段分为 124 对载频,其频道序号用n表示,则上、下两频段中序号为n的载频可用
14、下式计算:下频段 fl(n)=(890+0.2 n)MHz 上频段fh(n)=(935+0.2 n)MHz式中,n=1124。例如 n=1,fl(1)=890.2MHz,fh(1)=935.2 MHz,其它序号的载频依次类推。每个载频有8个时隙,因此GSM系统总共有1248=992 个物理信道,有的书籍中简称GSM系统有1 000个物理信道。,3.调制方式 GSM的调制方式是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提出的邻信道功率电平小于-60 dBW的要求。高斯滤波器的归一化带宽 BT=0.3。基于200
15、 kHz的载频间隔及 270.833 kb/s的信道传输速率,其频谱利用率为 1.35 b/s/Hz。,4.载频复用与区群结构 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 9 扇区的区群结构。,6.2.2 信道类型及其组合,1.帧结构,蜂窝通信
16、系统要传输不同类型的信息,按逻辑功能而言,可分为业务信息和控制信息。因而在时分、频分复用的物理信道上要安排相应的逻辑信道。在时分多址的物理信道中,帧的结构或组成是基础。,图 6-10 GSM系统各种帧和时隙的格式,每一个TDMA帧分07共8个时隙,帧长度为 120/264.615 ms。每个时隙含156.25个码元,占 15/260.577 ms。由若干个TDMA帧构成复帧,其结构有两种:一种是由 26 帧组成的复帧,这种复帧长 120 ms,主要用于业务信息的传输,也称作业务复帧;另一种是由 51 帧组成的复帧,这种复帧长 235.385 ms,专用于传输控制信息,也称作控制复帧。,由 51
17、 个业务复帧或 26 个控制复帧均可组成一个超帧,超帧的周期为 1 326个TDMA帧,超帧长 51264.61510-36.12 s。由 2 048 个超帧组成超高帧,超高帧的周期为 2 0481 326=2 715 648 个TDMA 帧,即12 533.76 秒,即 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。,图 6-11 上行帧号和下行帧号所对应的时间关系,2.信道分类,图 6-12 GSM系统的信道分类,(1)业务信道。业务信道TCH主要传输数字话或数据,其次还有少量的随路控制信令。业务信道有全速率业务信道(TCH/F
18、)和半速率业务信道(TCH/H)之分。半速率业务信道所用时隙是全速率业务信道所用时隙的一半。话音业务信道。载有编码话音的业务信道分为全速率话音业务信道(TCH/FS)和半速率话音业务信道(TCH/HS),两者的总速率分别为 22.8 kb/s和11.4 kb/s。对于全速率话音编码,话音帧长 20ms,每帧含 260 bit 话音信息,提供的净速率为 13 kb/s。,数据业务信道。在全速率或半速率信道上,通过不同的速率适配和信道编码,用户可使用下列各种不同的数据业务:9.6 kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F9.6)4.8 kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F4.8)4.8 kb/
19、s,半速率数据业务信道(TCH/H4.8)2.4 kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F2.4)2.4 kb/s,半速率数据业务信道(TCH/H2.4),(2)控制信道。控制信道(CCH)用于传送信令和同步信号。广播信道(BCH)。广播信道是一种“一点对多点”的单方向控制信道,用于基站向移动台广播公用的信息。传输的内容主要是移动台入网和呼叫建立所需要的有关信息。其中又分为: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,即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
20、(CCCH)号码以及是否与独立专用控制信道(SDCCH)相组合等信息。,公用控制信道(CCCH)。CCCH是一种双向控制信道,用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。其中又分为: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。,专用控制信道(DCCH)。DCCH是一种“点对点”的双向控制信道,其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行当中,在移动台和基站之间传输必需的控制
21、信息。其中又分为: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”。此外,基站对移动台的功率调整、时间调整命令也在此信道上传输,因此SACCH是双向的点对点控制信道。SACCH可与一个业务信道或一个独立专用控制信道联用。SACCH安排在业务信道时,以SACCH/T表示;安排在控制信道时,以SACCH/C表示。,快速辅助控制信道(F
22、ACCH):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。,3.时隙的格式 在GSM系统中,每帧含 8 个时隙,时隙的宽度为 0.577 ms,其中包含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。根据所传信息的不同,时隙所含的具体内容及其组成的格式也不相同。(1)常规突发(NB,Normal Burst)脉冲序列。,图 6-13 常规突发脉冲等序列的格式,(2)频率校正突发(FB,Frequency Correction Burst)脉冲序列。
23、频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率,其格式比较简单,参见图 6-13 所示。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(频编)的纯正弦波,以便于调整移动台的载频。,(3)同步突发(SB,Synchronisation Burst)脉冲序列。同步突发脉冲序列用于移动台的时间同步。主要组成包括 64 bit的位同步信号,以及两段各39bit数据,用于传输TDMA帧号和基站识别码(BSIC)。基站识别码(BSIC)用于移动台进行信号强度测量时区分同一个载频而不同的基
24、站。,(4)接入突发(AB,Access Burst)脉冲序列。接入突发脉冲序列用于上行传输方向,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。,图 6-14 接入突发脉冲序列的格式,4.信道的组合方式,(1)业务信道的组合方式。,图 6 15 业务信道的组合方式,(2)控制信道的组合方式。控制信道的复帧含 51 帧,其组合方式类型较多,而且上行传输和下行传输的组合方式也是不相同的。BCCH和CCCH在TS0上的复用。,图 6-16 BCCH和CCCH在TS0上的复用,图 6-17 TS0上RACH的复用,SDCCH和SACCH在TS1上的复用。,图 6-18 SDCCH和
25、SACCH(下行)在TS1上的复用,公用控制信道和专用控制信道均在TS0上的复用。,图 6-19 TS0上控制信道综合复用,6.2.3 话音和信道编码,数字化话音信号在无线传输时主要面临三个问题:一是选择低速率的编码方式,以适应有限带宽的要求;二是选择有效的方法减少误码率,即信道编码问题;三是选用有效的调制方法,减小杂波辐射,降低干扰。,图 6-20 GSM系统的话音和信道编码组成方框图,图 6-21 GSM的编码流程,图 6-22 GSM的交织方式,6.2.4 跳频和间断传输技术,1.跳频,图 6-23 GSM系统的跳频示意图,跳频系统的抗干扰原理与直接序列扩频系统是不同的。直扩是靠频谱的扩
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