GSM基础介绍(涂国平).ppt
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1、2023/11/7,1,GSM移动通信系统 基础知识,主讲:涂国平,2023/11/7,2,CH1 概述CH2 GSM通信系统CH3 GSM通信系统的关键技术CH4 GSM网支持的业务CH5 呼叫过程CH6 移动通信组网方式,目录,2023/11/7,3,CH1 概述,1.1 通信系统的一般模型1.2 模拟通信和数字通信1.3 话音信号的数字化1.4 移动通信发展史1.5 GSM移动通信发展过程,2023/11/7,4,1.1 通信系统的一般模型,信息源和收信者发送设备和接收设备:将信源和传输媒介匹配起来传输媒介:可以分为无线和有线。干扰,通信系统除了完成信息传递之外,还需要进行信息交换,传输
2、系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统。,2023/11/7,5,几个名词,消 息信 息信 号信 令比 特信息速率(数码率、传码率),2023/11/7,6,1.2 模拟通信和数字通信,模拟信号:信号幅度是连续的信号模拟通信:利用模拟信号完成通信的方式一个话路(信道)的 带宽:300Hz-3400Hz,数字信号:信号幅度是离散的信号数字通信:利用数字信号完成通信的方式一个话路(信道)的 传码率:64Kbit/S,信息源可分为模拟信源和离散信源。模拟信源(如电话机,电视摄像机)输出幅度连续的信号;离散信源(如计算机)输出离散的符号序列或文字。模拟信源可通过采样和量化变化为离散信源。,2023/
3、11/7,7,a 幅度连续时间连续,b 幅度连续时间离散,d 幅度离散时间离散,c 幅度离散时间连续,t,A,t,t,t,A,A,A,信号的四种形式,2023/11/7,8,1.3 话音信号的数字化,在PCM通信系统中,先对话音信号采样,然后将每个样值的幅度取其有限个允许值中最接近的一个,因此在时间和幅度方面都得到量化.,采样器,量化器,编码器,再生器,线路,译码器,接收器,低通滤波器,低通滤波器,再生器,单路PCM原理框图,采样频率fs=8000Hz,采样周期Ts=125us,每个采样值编8位码,传码率=8*8000=64000bit/s=64kbit/s,模拟信号,2023/11/7,9,
4、30/32路PCM通信系统帧结构,把时间分成一个个小段称为时隙,每一个用户占一个指定的时隙.每时隙放一个样值次,每样值编8位码.多个用户每轮流一次的总时间称一帧.每帧长:125us,分为32个时隙,其中30个时隙传送话路信息;另外一个时隙传送帧同步信号码,一个时隙传送复帧同步信号码和信令码,TS1,TS0,TS0,TS15,TS16,TS17,TS30,TS31,一帧,125us,TS0:帧同步码TS1-TS15:CH1-CH15话路TS17-TS31:CH16-CH30话路TS16:复帧同步边码和信令码,30/32路PCM的传码率=32*64000=2048000bit/s=2.048Mbi
5、t/s,TS31,2023/11/7,10,终端用户的移动性需要随时知道用户当前位置;用户在通话时,还涉及到频道的切换问题等。无线接入方式频率资源的有限性用户与基站系统之间信号的干扰信息的安全保护等网络的互通功能移动通信网之间的自动漫游,移动通信网与其他网络的互通各种业务功能的实现等(电话业务、数据业务、短消息业务、智能业务等),移动通信的特点,2023/11/7,11,1.4 移动通信发展史,数字,2023/11/7,12,移动通信发展史(续),各系统间没有公共接口。无法与固定网迅速向数字化推进相适应,数字承载业务很难开展。频率利用率低,无法适应大容量的要求。安全性差,易于被窃听,易做假机。
6、,第一代模拟移动电话系统,2023/11/7,13,移动通信发展史(续),频谱利用率,系统容量最大 用户能获得多种服务(话音或非话音服务)能自动漫游话音质量比第一代好保密性好与ISDN、PSTN等的互连,第二代数字移动通信系统,由于TACS等模拟制式存在的各种缺点,90年代开发出了以数字传输、时分多址和窄带码分多址为主体的移动电话系统,称之为第二代移动电话系统。,2023/11/7,14,移动通信发展史(续),包含多种系统;世界范围设计的高度一致性;IMT-2000内业务与固定网络的兼容;高质量;世界范围内使用小型便携式终端。,第三代IMT-2000,W-CDMA 由欧洲和日本提出 CDMA2
7、000 由美国提出 TD-SCDMA 由中国提出,第三代移动通信系统是一个综合现有移动电话系统功能和提供多种服务的综合业务系统,2023/11/7,15,1.5 GSM移动通信发展过程,2023/11/7,16,中国蜂窝移动通信的现状及发展,移动电话用户7000多万。居世界第二位。普及率不到6%模拟TACS处在保持状态,用户约500万。GSM900/1800是目前的主体网,居世界第一。CDMA试验网约有用户10万,计划规模发展。发展潜力巨大,“市场大、发展快、持续时间长”2010年2.4亿,普及率18%。每年增加2000万户以上。,我国自从1992年在嘉兴建立和开通第一个GSM演示系统,并于1
8、993年9月正式开放业务以来,全国各地的移动通信系统中大多采用GSM系统,使得GSM系统成为目前我国最成熟和市场占有量最大得一种数字蜂窝系统。,2023/11/7,17,2023/11/7,18,CH1 概述CH2 GSM通信系统CH3 GSM通信系统的关键技术CH4 GSM网支持的业务CH5 呼叫过程CH6 移动通信组网方式,目录,2023/11/7,19,CH2 GSM通信系统,2.1 系统的组成2.2 交换网络子系统2.3 无线基站子系统2.4 移动台2.5 操作维护子系统2.6 系统的主要接口2.7 GSM系统功能分层,2023/11/7,20,MS,BTS,BSC,MSC/HLR,O
9、MC,SC,MSC/AUC,EIR,MSC/VLR,BTS,MS,PLMNPSTNISDNPSTDN,No.7MAP,X.25,Um,MS:移动台BTS:基站收发信机BSC:基站控制器SC:短消息中心,OMC:操作维护中心MSC:移动业务交换中心HLR:归属位置寄存器,AUC:鉴权中心VLR:拜访位置寄存器EIR:设备识别寄存器,2.1GSM系统框图,A,Abis,2023/11/7,21,GSM系统构成,*操作维护子系统(OSS)*网络子系统(NSS)MSCVLRHLRAUCEIR*基站子系统(BSS)BSCBTS*移动台系统(MS)SIM卡裸机,2023/11/7,22,2.2交换网络子系
10、统(NSS),移动业务交换中心(MSC):是网络的核心部分,对移动用户及在固定网络用户提供呼叫的交换功能.它提供交换功能,完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能,并提供面向系统其它功能实体和面向固定网(PSTN、ISDN等)的接口功能。作为网络的核心,MSC与网络其他部件协同工作,完成移动用户位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功能。MSC处理用户呼叫所需的数据三个数据库.(HLR、VLR、AUC).MSC根据用户当前位置和状态信息更新数据库.,NSS主要完成交换功能和客户数据与移动性管理办法,安全性管理所须数据库功能,2023/11/7,2
11、3,交换网络子系统(NSS),归属位置寄存器(HLR):存储与移动用户有关的数据,所有移动用户都在这数据库中存储其关的数据.(静态数据)。一个HLR能够控制若干个移动交换区域或整个移动通信网,所有用户的重要的静态数据都存贮在HLR中,包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。HLR还存储且为MSC提供移动台实际漫游所在的MSC区域的信息(动态数据),这样就使任何入局呼叫立即按选择的路径送往被叫用户。,2023/11/7,24,交换网络子系统(NSS),拜访位置寄存器(VLR):存储所有进入覆盖区的移动用户的信息,允许MSC去建立呼叫.可把它看成动态用户数据库.VLR从移动用户的
12、归属位置寄存器(HLR)处获取并存储必要的数据,一旦移动用户离开该VLR的控制区域,则重新在另一个VLR登记,原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。VLR的功能用户数据的检索 IMSI附着/分离位置登记鉴权MSRN的分配切换号码分配TMSI的分配,2023/11/7,25,交换网络子系统(NSS),鉴权中心(AUC):用于产生为确定移动用户的身份和对呼叫保密所需鉴权,加密的三参数(RAND,SRES,Kc)的功能实体移动设备识别寄存器(EIR):也是一个数据库,存储有关移动台设备参数.,EIR存贮着移动设备的国际移动设备识别号(IMEI),通过核查白色清单、黑色清单、灰色清单这三种表格,分别
13、列出准许使用、出现故障需监视、失窃不准使用的移动设备识别号(IMEI)。运营部门可据此确定被盗移动台的位置并将其阻断,对故障移动台能采取及时的防范措施。,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。鉴权中心(AUC)存储着鉴权信息与加密密钥,用来进行用户鉴权及对无线接口上的话音、数据、信令信号进行加密,防止无权用户接入和保证移动用户通信安全。,2023/11/7,26,2.3无线基站子系统(BSS),基站子系统BSS在GSM网络的固定部分和无线部分之间提供中继,一方面BSS通过无线接口直接与移动台实现通信连接,另一方面BSS又连接到网络端的移动交换机。BSS可分为两部分。
14、通过无线接口与移动台相连的基站收发信台(BTS)和另一侧与交换机相连的基站控制器(BSC),BTS负责无线传输、BSC负责控制与管理。BSS是由一个BSC与一个或多个BTS组成的,一个基站控制器根据话务量需要可以控制数十个BTS。BTS可以直接与BSC相连,也可通过基站接口设备BIE与远端的BSC相连。基站子系统还应包括码型变换器(TC)和子复用设备(SM),当BTS与BSC为远端配置方式时,则需采用Abis接口,这时,BTS与BSC两侧都需配置BIE设备;而当BSC与BTS之间的间隔不超过10米时,可将BSC与BTS直接相连,采用内部BS接口,不需要接口设备BIE。,BSS系统是在一定的无线
15、覆盖区中由MSC控制,与MS进行通信的系统设备,它主要完成无线发送接受和无线资源管理等功能.,2023/11/7,27,BSS的结构,TC码型变换器 TransCoderSM子复用 SubMultiplexingBIE基站接口设备 Base station Interface Equipment,2023/11/7,28,基站收发信机(BTS),基站收发信机(BTS):无线接口设备,它完全由BSC控制,主要负责无线传输,完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能.BTS包括无线收发信机和天线,此外还有与无线接口相关的信号处理电路。信号处理电路将实现多址复用所需的帧和时隙的形成和管
16、理,以及为改善无线传输所需的信道编、解码和加密、解密,速率适配等功能。BTS主要分为基带单元、载频单元及控制单元三大部分。基带单元,主要用于必要的话音和数据的速率适配以及信道编码等载频单元,主要用于调制/解调与发射机/接收机之间的耦合公共控制单元,主要用于BTS的操作与维护。,2023/11/7,29,基站控制器(BSC),基站控制器(BSC):具有对一个或多个BTS进行控制的功能,位于MSC与BTS之间,是基站子系统(BSS)的控制和管理部分,负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理,控制移动台与BTS无线连接的建立、接续和拆除等管理,控制完成移动台的定位、切换及寻呼,是个很强
17、的业务控制点.BSC主要由下列部分构成:系统控制功能(System Control Function)模块交换网络功能(Digital Switching Network Function)模块Abis接口功能(Abis Interface Function)模块A接口功能(A Interface Function)模块子复用功能(Sub-multiplex Function)模块,2023/11/7,30,2.4移动台(MS),移动终端:完成话音编码 信道编码 信息加密 信息的调制和解调信息发送和接受.用户识别卡(SIM):是一种智能卡,存有认证用户身份所需的所有信息,以防止非法用户进入网络
18、.,移动台是GSM系统的用户设备,可以是车载台、便携台和手持机。它包括移动终端和用户识别卡(SIM).,SIM卡还存储与网络和用户有关的管理数据,只有插入SIM卡后移动终端才能接入进网,2023/11/7,31,安全性管理,用户的鉴权和加密都需通过系统提供的用户三参数组参与来完成,而用户三参数组是在AUC(鉴权中心)中生成的。每个用户在注册登记时,就被分配一个用户号码和用户识别码(IMSI)。IMSI通过SIM写卡机写入SIM卡中,同时在写卡机中又产生一个对应此IMSI的唯一的用户密钥Ki,它被分别存储在SIM卡和AUC中。AUC中还有个伪随机码发生器,用户产生一个不可预测的伪随机数(RAND
19、)。RAND和Ki经AUC的A8算法(也叫加密算法)产生一个Kc,经A3算法(鉴权算法)产生一个响应数(SRES)。由RAND、SRES、Kc一起组成该用户的一个三参数组,AUC中每次对每个用户产生7-10组三参数组,传送给HLR,存储在该用户的用户资料库中。,2023/11/7,32,鉴权是为了保护合法用户,防止假冒合法用户的“入侵”。当用户请求接入时,MSC/VLR通过控制信道将RAND传送给用户,SIM卡收到后,用此RAND与SIM卡中的Ki经同样的A3算法得到响应数SRES,传送给MSC/VLR。MSC/VLR将收到的SRES与三参数组中的SRES进行比较,若相同就允许接入,若不同则拒
20、绝此次呼叫。VLR一次向HLR要5组三参数组,每鉴权一次用一组,当只剩下二组时,再向HLR要5组,如此反复。,鉴权,2023/11/7,33,2023/11/7,34,加密是指无线信道上的加密,是为了防止在BTS和MS之间交换用户信息和用户参数时被非法个人或团体监听或窃取。MS侧以A8算法得到Kc。根据MSC/VLR发送出的加密命令,BTS侧和MS侧同时使用Kc。在MS侧,由Kc、TDMA帧号和加密命令M一起经A5算法,对用户信息数据流进行加密(也叫扰码),在无线路径上传送。在BTS侧,把收到的数据流、TDMA帧号和Kc再经A5算法解密后传送给BSC和MSC。,加密,2023/11/7,35,
21、2023/11/7,36,加密,2023/11/7,37,2.5操作维护子系统(OMC),OMC主要是对整个GSM网络进行管理和监控,主要是一个软件系统。OMC用于BSC/BTS、MSC、VLR、HLR、AUC和EIR的操作与维护,对整个网络进行管理和监控。通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。具体实现时,OMC可分为OMCS和OMCR。OMC的任务主要 网络运行和维护 移动设备管理注册管理和计费OMC与MSC之间的接口(Q3接口)目前还未开放,短消息中心(SC):可开放端到端的短消息业务,2023/11/7,38,GSM系统中的接口,2023/11/7,39,2
22、.6 GSM系统中的主要接口,Um接口:空中接口,是移动台MS和基站系统BSS之间的接 口A接口:BSC与MSC间接口,用于在MSC和BSC之间传送 BSS管理、呼叫控制、移动性管理等信息Abis接口:BTS与BSC间接口,用于BSC和BTS间传送BTS管理、无线资源控制、频率分配等信息NSS中的内部接口,GSM系统中的主要接口有Um接口、Abis接口、A接口以及NSS中的内部接口,2023/11/7,40,2.7 GSM系统功能分层,传输:数据传输功能,在沿着通信路径的各段上提供携带用户数据,并提供实体间传送信令的方法。RR:无线资源管理,在呼叫期间建立和释放移动台和MSC之间的稳定连接,主
23、要由MS和BSC完成;,RR:无线资源管 CM:呼叫管理MM:移动性管理 OAM:运行维护管理,2023/11/7,41,GSM系统功能分层,MM:移动性和安全性管理,当环境发生变化时,移动台可以作出不同网络的蜂房选择,使呼叫用户过程有效建立,还需基础设施来管理用户的位置数据(位置更新);CM:通信管理,应用户要求,在用户之间建立连接,维持和释放呼叫。(可分为CC呼叫控制、SSM附加业务管理、SMS短消息业务);OAM:运行、管理和维护平面,为运营者操作提供手段;它直接由传输层提供服务。,2023/11/7,42,CH1 概述CH2 GSM通信系统CH3 GSM通信系统的关键技术CH4 GSM
24、网支持的业务CH5 呼叫过程CH6 移动通信组网方式,目录,2023/11/7,43,CH3 GSM通信系统的关键技术,3.1 工作频段的分配3.2 多址技术3.3 话音编码技术3.4 数字调制和解调技术3.5 信道编码与交织技术3.6 分集与自适应均衡技术3.7 话音控制与功率控制技术 3.8 越区切换与漫游技术,2023/11/7,44,3.1工作频段的分配,GSM900 工作的无线频率分别为:上行频率 890915MHz 下行频率 935960MHz 双工间隔为45MHz,工作带宽为25MHz,载频间隔200KHz,(Mz),880,890,905,915,925,935,960,950
25、,1710,1785,1805,1880,GSM1800:工作的无线频率分别为:上行频率:1710-1785MHz 下行频率1805-1880MHz双工间隔为95MHz,工作带宽为75MHz,载频同隔为200KHz,EGSM频段,TACS频段,GSM频段,GSM1800频段,上行频率,下行频率,上行频率,下行频率,2023/11/7,45,频道编号,GSM900系统的频道编号为:P-GSM900 Fl(n)=890+0.2n MHz Fu(n)=Fl(n)+45 MHz 1 n 124n值称为绝对射频频道号(ARFCN),通常第1和第124频道作为系统保护频道不予使用。E-GSM900 Fl(
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