GSM数字蜂窝移动通信系统

12.1GSM数字蜂窝移动通信系统12.2码分多址(CDMA)蜂窝移动通信系统12.3卫星通信系统第12章典型通信系统介绍返回主目录第12章典型通信系统介绍12.1GSM移动通信系统出现在半个世纪以前，80年代以后得到了迅速发展。数字程控交换技术的采用，综合业务数字网（ISDN）的开发成功，智能网研究的新进展，为实现个人通信打下了网络基础。特别是随着蜂窝组网技术的完善和大容量系统的出现，移动通信已经成为发展速度最快、最受欢迎、最灵活方便的通信技术之一。数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区，移动用户可以从一个小区运动到另一个小区，依靠终端对基站的跟踪，从而使通信不中断。移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市，甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。数字蜂窝移动通信系统的组成原理如图12-1所示，主要由三部分组成：控制交换中心、若干基地台和诸多移动终端，通过控制交换中心进入公用有线电话网，从而实现移动电话与固定电话、移动电话与移动电话之间的通信。从基站到移动台的传输方向称为下行链路(或前向链路)，从移动台到基站的传输方向称为上行链路(或反向链路)。目前广泛应用的是第二代移动通信系统，采用窄带时分多址(TDMA)和窄带码分多址(CDMA)数字接入技术，已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统、美国的IS-54系统和IS-95系统、日本的PDC系统。我国主要采用欧洲的GSM系统。图12–1数字蜂窝移动通信系统组成原理图市话局市话用户有线电话网控制交换中心中继线MSCMBS基地站1陆上移动电话网中继线中继线基地站3基地站2MBSMBS中继线无线区1MS车载台无线区2无线区3MS固定台MS手持机手持机MS车载台MS12.1.1GSMGSM系统的主要性能如下所述。1.工作频率GSM900系统：上行链路频率890～915MHz，下行链路频率935～960MHz，双工间隔为45MHz，工作带宽为25MHz，载频间隔200kHz。GSM1800系统：上行链路频率1710～1785MHz，下行链路频率1805～1880MHz，双工间隔为95MHz，工作带宽为75MHz，载频间隔为200kHz；EGSM900系统：上行链路频率880～915MHz，下行链路频率925～960MHz。EGSM900比GSM900在上/下行频段向下扩展了10MHz工作带宽，以解决目前GSM900系统频道拥挤问题。2.271kF7W，即8个基本物理信道采用时分多址(TDMA)方式和高斯滤波最小移频键控(GMSK，BT=0.3)调制，每载波信息速率为270.833kb/s。3.小区结构和频率再用农村地区可采用宏小区，小区半径可达35km；城市地区的小区半径为10～20km；市中心等业务量密集地区可采用微小区，半径0.5km左右。地域覆盖模式为9小区的区群，同频保护比为=9dB。Ic4.语音编码器的基本速率为13.0kb/s，加纠错保护后的总速率为22.8kb/s；透明数据速率2.4kb/s、4.8kb/s和9.6kb/s；非透明数据基本速率12.0kb/s。5.由移动台进行小区选择，小区选择的条件是以路径损耗测量结果为依据。如果传输质量不满足指标要求或者不能对基站发射的寻呼块进行译码或者不能接入上行线路，则移动台就开始重新选择小区。GSM系统具有下列主要特点：(1)GSM系统是由几个分系统组成的，并且可与各种公用通信网(PSTN、ISDN、PDN等)互连互通。各分系统之间或各分系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的GSM系统或子系统都能互连；(2)GSM系统能提供国际间的自动漫游功能，所有GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关；(3)GSM系统除了可以提供话音业务外，还可以提供各种数字业务；(4)GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；(5)GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，业务承担能力强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；(6)GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高等。12.1.2GSM系统的结构及功能GSM系统的典型结构如图12-2所示，主要由三个相关的子系统组成，它们是网络子系统(NSS)、操作支持子系统(OSS)和基站子系统(BSS)。移动台(MS)也是一个子系统，但通常被认为是基站子系统的一部分。这些子系统通过一定的网络接口互相连接，并与用户相连。基站子系统也叫无线子系统，提供并管理着移动台和网络子系统之间的无线传输通道，同时也管理着移动台与所有其他GSM子系统的无线接口。基站子系统不直接与公用通信网互通。网络子系统管理着系统的交换功能，保证移动台与相关的公用通信网或与其他移动台之间建立通信。网络子系统不直接与移动台互通。操作支持子系统提供给运营部门一种手段来控制和维护系统的正常运行。图12–2GSM系统结构NMCDPPSPCSSEMCOSSMSCVLRBSCBTSBSSBTSHLRAUCOMCEIRPSTNISDNPDNNSSA接口MS1.基站子系统(BSS)基站子系统由多个基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)组成。基站控制器是基站子系统的控制部分，承担各种接口的管理、无线资源的管理和无线参数的管理。基站收发信台是基站子系统的无线部分，由基站控制器控制，完成基站控制器与无线信道之间的转换，实现基站收发信台与移动台之间通过空中接口的无线传输和相关的控制。基站子系统是GSM系统中最基本的组成部分，它通过无线空中接口与移动台连接，负责无线发送、接收和无线资源管理。另一方面，通过A接口，基站子系统与网络子系统中的移动业务交换中心(MSC)相连接，实现移动用户之间或移动用户和固定网络用户之间的通信连接，传送系统控制信息和用户信息等。移动台属于基站子系统的一部分，它是GSM系统中用户使用的设备，包括：手持台、便携台和车载台。移动台通过无线空中接口与基站收发信台连接。移动台另外一个重要组成部分是用户识别卡(SIM)。SIM卡是一种存储装置，可存储用户识别卡，为用户提供服务的网络、地区、专用键，以及其他特定用户信息等。没有SIM装置，GSM移动台不会工作。正是SIM使GSM用户能识别自己的身份。2.网络子系统(NSS)网络子系统主要由移动业务交换中心(MSC)、访问用户位置寄存器(VLR)、归属用户位置寄存器(HLR)、移动设备识别寄存器(EIR)和鉴权中心(AUC)等组成。网络子系统通过GSM规范的7号信令实现内部各功能块及与基站子系统的连接，承担GSM系统的交换功能和提供对用户管理和数据库。移动业务交换中心是网络的核心(MSC)，它提供基站子系统、归属用户位置寄存器、移动设备识别寄存器、鉴权中心、操作维护中心(OMC)、面向固定网络的接口等的交换。把移动用户之间或移动用户和固定网络用户之间相互连接起来。MSC为移动用户提供电信业务、承载业务和补充业务，同时还支持位置登记、越区切换、自动漫游等其他网络功能。访问用户位置寄存器(VLR)是为其控制区域内的移动用户服务的。对其控制区域内的移动用户进行登记，并为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。访问用户位置寄存器是一个动态数据库，其从已登记移动用户的归属用户位置寄存器获取或存储相关数据。当移动用户离开该VLR的控制区域，进入到另一个VLR的控制区域，则移动用户在新的VLR进行登记，而原VLR将删除该移动用户数据。归属用户位置寄存器(HLR)是GSM系统的中央数据库，存储该HLR控制区域内所有移动用户的数据。这些数据包括：移动用户识别号码、用户类型、访问能力、补充业务等。另外，HLR还存储移动用户实际漫游所在MSC区域的有关动态数据。鉴权中心(AUC)是归属用户位置寄存器的一个功能单元，它存储着用户鉴权信息和加密密钥，保证移动用户通信安全，防止无权用户接入系统。移动设备识别寄存器(EIR)存储每个移动用户的国际移动用户识别号码(IMSI),通过白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，确保网络内各移动用户的惟一性和安全性。IMSI由移动国家码、移动网号和移动用户识别号三部分组成，其结构如图12-3所示。图12-3IMSI结构MCCMSINMNCNMSIIMSI移动国家码(MCC)由三位数字组成，惟一地识别移动用户所属的国家；移动网号(MNC)最多由两位数字组成，用来识别移动用户归属的GSM移动通信网；移动用户识别号(MSIN)惟一地识别某个GSM网中的移动用户。IMSI总长度不超过15位十进制数，MNC和MSIN合起来构成国内移动用户标识。3.操作支持子系统(OSS)操作支持子系统是管理和服务中心，主要包括：网络管理中心(NMC)、安全性管理中心(SEMC)、用户识别卡管理的个人化中心(PCS)、计费管理的数据后处理系统(DPPS)等。其主要实现对移动用户管理、移动设备管理及网络操作和维护等功能。GSM系统各子系统之间通过相应的接口来连接，其原理如图12-4所示。主要接口包括：Um接口(无线空中接口)、Abis接口和A接口。这三种主要接口的标准化能保证不同厂商生产的GSM设备和系统互连。图12-4GSM系统中的各类接口BTS移动台BTSBTSBSCMSCPSTNA接口（标准化）Abis接口（标准化）SS7Um(GSM无线空中)接口（标准化）移动台连接移动台和基站收发信台之间的接口称为Um接口，它用于移动台和基站子系统之间的互通，其传递的信息有：无限资源管理、移动性管理和接续管理。连接基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)之间的接口称为Abis接口，它是通过标准的64kb/s或2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现BTS与BSC之间的互连的。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。连接基站控制器和移动业务交换中心(MSC)之间的接口称为A接口，它是通过标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现BSC与MSC之间的连接的。此接口传递的信息有：移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理。12.1.3GSM的信道类型GSM逻辑信道可以分为业务信道（TCH）和控制信道（CCH）。业务信道携带的是用户的数字化语音或数据，无论是上行还是下行链路都有同样的功能和格式。控制信道在移动站和基站之间传输信令和同步信息，在上下行链路之间有着不同的信道。在GSM中有6种类型的业务信道和很多类型的控制信道。1.GSM中的业务信道（TCH）GSM的业务信道携带用户数字化语音或数据信息，可分为全速率或半速率两种类型。全速率传送时，用户数据在一个时隙(TS)中传送。而半速率传输时，用户数据映射到同一时隙上，但是采用隔帧传送的方式，因此两个半速率的用户可以共享同一个时隙，但是每隔一帧交替发送。在GSM标准中，TCH数据不会在作为广播信道的频点的TDMA帧的TS0上传播。此外，TCH复帧（包含26帧）在第13和第26帧中会插入慢速辅助控制信道(SACCH)数据或空闲帧(IDLE)。如果第26帧中包含IDLE数据位，则为全速率TCH，如果包含SACCH数据则为半速率的TCH。业务信道复帧结构如图12-5所示。·全速率语音信道(TCH/FS)——包含13kb/s的语音编码数据，信道速率为22.8kb/s；·全速率9600b/s数据信道(TCH/F9.6)——包含9600b/s的用户数据,信道速率为22.8kb/s；·全速率4800b/s数据信道(TCH/F4.8)——包含4800b/s的用户数据,信道速率为22.8kb/s；图12–5业务信道复帧结构TS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7156.25比特576.92s4.615msTSn：第n个时隙T0T1T2…T10T11T12ST13T14T15…T22T23T24I/S120msTn：第n个TCH隙S：慢速辅助控制信道帧I：空闲帧（标准）话音复帧=26TDMA帧·全速率4800b/s数据信道(TCH/F4.8)——包含4800b/s的用户数据,信道速率为22.8kb/s；·全速率