GSM技术简介

GSM简介STC尤志欣[e-mail]系统历史•1982年，为了建立全欧统一的蜂窝系统成立了移动通信特别小组GSM(GroupSpecialMobile)。•1986年，决定制定数字蜂窝网标准并在巴黎对不同公司、不同方案的系统（8个）进行了比较，包括现场试验。•1987年5月选定窄带TDMA方案。•1988年颁布了GSM标准，也称泛欧数字蜂窝通信标准。•1990年完成GSM900的规范。•1991年制定DCS1800的规范，并将GSM更名为全球移动通信系统(GlobalSystemforMobilecommunications)。•在GSM建议中，对功能和接口制定了详细规定，这样便于不同产品可以互通。•工作频率–移动台发、基站收：890~915MHz–基站发、移动台收：935~960MHz•频道间隔–200KHz•每个频道采用TDMA方式分为8个时隙，即8个信道•采用半速率编码后，可用16个信道•频道配置–fl(n)=890.200MHz+(n-1)x0.200MHz–fh(n)=fl(n)+45MHz•n=76~124GSM的频率配置FDMA123456CDMA123456TDMA12341234FDMA、TDMA和CDMA•容量大•数字调制，安全性强•支持的业务种类多•标准体系完善•接口公开且兼容性好GSM的优点•移动台（MS）•基站子系统（BSS）–基站收发台（BTS）–基站控制器（BSC）•网络子系统（NSS）–移动交换中心（MSC）–原地位置寄存器（HLR）–访问位置寄存器（VLR）–鉴权中心（AuC）–设备标志寄存器（EIR）–操作维护中心（OMC）GSM系统的网络结构•硬件设备–便携台（手机）–车载台–终端设备（TE）–终端适配器（TA）•用户识别模块SIM卡移动台MS•无线接入GSM数字移动通信网，并完成各种控制功能•支持各种基本业务和补充业务•间断接收DRX和间断发送DTX•加密，对用户数据和信令单元加密•语音编解码和信道编译码•协助BSS完成APC、跳频及各种切换•无线信道速率和用户数据速率之间的适配•支持人机接口的各种功能•对呼叫过程的提示移动台功能•MS-0–具备支持某种业务功能(如通话)的终端设备•MS-1–ISDN终端类型的MS，通过S接口支持ISDN终端–通过适配器连接特定的终端设备•MS-2–能支持ITU-TX/V系列建议的非ISDN标准终端移动台分类•SIM(SubscriberIdentificationModule)卡–由CPU、RAM、ROM、EPROM、通信单元组成–两种结构•卡片式•嵌入式•SIM卡中存有三类信息–与卡和持卡者特征有关的信息–GSM网络操作所需信息–号码、网络承载性能、移动台设置参数、短消息业务信息•SIM卡的使用，事移动台设备与移动用户完全独立SIM卡•BSS是GSM系统与无线蜂窝方面最基本组成部分•一方面，BSS通过无线接口Um接口与MS相接，负责无线发送接收和无线资源管理•另一方面，与NSS中的MSC相连，实现移动用户之间及移动用户与固定网用户之间的通信连接•BSS由BTS和BSC组成基站子系统BSS•协助MSC完成地面信道管理•无线信道测量和分配、链路监视、功率控制、跳频管理•无线频道资源指示•信道编解码，对用户数据和用户单元进行加密•码型转换及速率适配•完成切换工作•DRX接收和DTX发射•空间分集接收BSS基本功能•无线接口设备，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•包括以下设备–发射机–接收机–支持各种小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线–连接基站控制器的接口电路–收发台本身所需要的检测和控制装置基站收发台BTS•具有对多个BTS进行控制的功能•主要功能是进行–无线信道管理–小区配置数据管理–定位–实施呼叫–通信链路的建立和拆除–切换基站控制台BSC•基站接口设备BIE–用于BSS中BSC和BTS远距离(15m)连接•子复用器SM–将4个16kbit/s信道复用到一个64kbit/s信道上，节约传输线路•码型转换器TC–GSM用户在空中接口上13kbit/sRPE-LPT编码与PSTN用户64kbit/sPCM编码的码型进行转换传输附属设备•对位于其控制区域内的移动用户进行通信控制和管理–信道的管理和分配–呼叫的处理和控制–过区切换和漫游的控制–用户位置信息的登记与管理–用户号码和移动设备号码的登记和管理–服务类型的控制–对用户实施鉴权–为系统中连接别的MSC及为其它公用通信网络提供链路接口移动交换中心MSC•访问位置寄存（VLR）是一种用于存储来访用户位置信息的数据库•VLR从移动用户的归属用户位置寄存器(HLR)处获取并储存必要数据，为已登记得移动用户提供建立呼叫接续的必要条件•VLR是一个动态数据库•VLR与MSC之间有大量数据需要存取，为了提高系统速度，一般MSC/VLR作为一个物理实体访问位置寄存VLR•HLR是一种用来存储本地用户位置信息的数据库。每个用户都必须在某HLR中登记。•登记的内容分为两类：–一种是永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务类型以及保密参数等–另一种是暂时性的需要随时更新的参数，即用户当前所处位置的有关参数，漫游用户所在的MSC/VLR地址•HLR中储存几组鉴权三参数，供MSC/VLR使用归属位置寄存HLR•AuC产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数•AuC的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并获得服务鉴权中心AuC•EIR是存储移动台设备参数的数据库，用于对移动设备的鉴别和监视，防止非法移动台入网•通过检查国际移动设备识别码IMEI–白色清单：准许使用–黑色清单：失窃，不准使用–灰色清单：出现异常要求监视设备标志寄存器EIR•OMC的任务是对全网进行监控和操作–系统的自检、报警–备用设备的激活–系统的故障诊断与处理–话务量的统计–计费数据的记录与传递–各种资料的收集、分析与显示操作和维护中心OMC•MSISDN-移动用户的ISDN号码–国家码+国内目的地码+用户号码•国家码CC：我国86•国内目的地码–移动业务接入号：N1、N2、N3、N4–HLR识别号：H1、H2、H3•用户号码SN：4位，由HLR自行分配•IMSI-国际移动用户识别码•MSRN-移动用户漫游号码•TMSI-临时移动用户识别码•IMEI-国际移动台识别码编号方式•物理信道–一个载频上等TDMA帧的一个时隙称为一个物理信道，GSM每个载频有8个物理信道•逻辑信道–业务信道（TCH）•传输编码和加密后的话音和数据–控制信道•广播信息（BCH）•公共控制信道（CCCH）•专用控制信道（DCCH）GSM系统信道•话音业务信道–全速率话音业务信道（TCH/FS）–半速率话音业务信道（TCH/HS）•数据业务信道–全速率数据业务信道–半速率数据业务信道GSM系统业务信道•下行信道，点对多点方式广播公用信息–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–广播控制信道（BCCH）•传输通用信息，用于移动台测量信号强度和识别小区标志等。广播信道（BCH）•用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息–寻呼信道（PCH）•传输基站寻呼移动台的信息•下行信道，点对多点方式–随机接入信道（RACH）•移动台申请入网时，向基站发送入网请求信息•上行信道，点对点方式–准许接入信道（AGCH）•基站在呼叫接续开始时，向移动台发送分配专用控制信道的信令。•下行信道，点对点方式公共控制信道（CCCH）•其用途是在移动台和基站之间传输必需的控制信息–独立专用控制信道（SDCCH）•传输移动台和基站连接和信道分配的信令•上行和下行信道，点对点方式–慢速辅助控制信道（SACCH）•在移动台和基站之间，周期地传输一些信息•上行和下行信道，点对点方式–快速辅助控制信道（FACCH）•传送与SDCCH相同的信息。•借用模式专用控制信道（DCCH）•时隙：15/26ms•TDMA帧：120/26ms–1个TDMA帧含8个时隙•复帧–26个TDMA帧1复帧：120ms–51个TDMA帧1复帧：3060/13ms•超帧：6.12s–1326(26x51)个TDMA帧•超高帧：2048个超帧帧结构•鉴权–由AuC提供三参数，MSC/VLR中鉴权•设备识别–在EIR中辨别IMEI•加密–三参数通过A8算法得到加密键•识别号码保密–VLR为防止IMSI被窃取，分配用户TMSIGSM安全管理•小区分裂技术•频段扩展和频率紧密复用技术•采用更紧密的频率复用技术•微蜂窝与微微蜂窝技术•采用GSM900／1800双频系统•定期进行网络优化提高GSM网络的容量•确保已建基站可继续使用•应保持频率复用方式的规则性与重复性•尽量减少或避免过渡区•确保今后可继续进行小区分裂小区分裂技术频段扩展和紧密复用技术•跳频•非连续发射（DTX）•功率控制•半速率信道•分集采用更紧密的频率复用技术•7个基站区的复用方式•4×3复用方式•3×3复用方式•2×6复用方式•1×3复用方式微蜂窝与微微蜂窝技术•“热点”地区–如大型宾馆、饭店、写字楼、大型商场、娱乐场所及车站、码头、机场•解决全网容量问题,在宏蜂窝下建连续覆盖的微蜂窝–宏蜂窝用于覆盖低话务密度地区，以解决高速移动用户的覆盖；微蜂窝用于覆盖高话务地区，以解决低速运动用户的覆盖。微蜂窝特点•优点:–设备体积小，安装简单灵活，可快速解决热点地区的容量与覆盖问题–无需改变网络结构，无需特殊手机–采用后容量可明显提高•缺点:–为解决大城市的连续覆盖，需要大量的微蜂窝，投资十分庞大–采用分层结构时，网络结构复杂，增加了频率规划的难度采用GSM双频系统•DCS-1800移动电话网–是频率为1800MHz的数字式蜂窝移动通信系统,DCS英文原义为DigitalCommunicationSystem,即数字通信系统。–由于DCS-1800和GSM-900在网络结构、语音编码、调制技术、信令规程等方面均相同。把DCS-1800改称为GSM-1800。D网和G网的不同点•无线电波传播规律不同–DCS-1800的频率较高，无线基站的密度要比G网高，蜂窝半径相对要小–手机的输出功率不同–抗干扰性能不同采用GSM900／1800双频系统•除射频部分外，两系统具有基本相同的软硬件结构•两网络拓扑结构相同，可共用MSC、HLR、BSC及OMC•两网络可共用站址•虽然电波的传播特性不尽相同，但无线频率规划方法及工具却基本相同•GSM1800无线覆盖范围小，小区半径小，覆盖相同的区域需要较多基站，因此提高了单位面积的网络容量•由于两者原理与系统结构相同，可以节约网络运行维护及人员培训费用。•网络数据的收集。–通过场强测试而掌握无线覆盖情况–通过呼叫质量的测试，从用户的角度去了解网络情况–通过OMC的话务报告，掌握话务分布情况–通过收集频率规划数据，了解小区频率规划的合理性–通过采集交换机数据，了解交换机运行情况•对收集到的数据进行分析，并依据分析结果进行网络调整定期进行网络优化GSM标准阵营的演进SpeechSMSCircuitDataCAMELEFRHSCSD32kHSCSD64kEDGEGPRS171kUMTS功能时间•宽带化•智能化•业务增强化•超大容量GSM的发展方向•现有GSM网络提供数据业务存在缺陷–速度低–通信费用昂贵–信道利用率低•为了适应移动数据业务的发展–GPRS：通用分组无线业务–EDGE：供GSM演进的增强数据速率GSM的宽带化•采用分组技术，提高网络资源利用率–数据传输时才占用带宽，提高利用率–按量计费•采用多时隙联合应用和高速编码方案–GPRS可提供115.2kb/s的数据速率•GPRS同时支持IP协议和X.25协议GPRS的特点•改变调制方式–单个信道传输速率提高到48kb/s。•多时