GSM移动通信原理

GSM移动通信原理呼和浩特市领翔科技有限责任公司移动通信的定义移动通信是指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交流的通信.移动体之间的通信只能依靠无线电传输.那什么是无线通信呢？无线通信指利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式.电磁波是它的载体.22010-6-2呼和浩特市领翔科技有限责任公司电磁波频段与波段(C=L*F)频段名称频率范围波段名称波长范围极低频（ELF）3~30Hz极长波100~10Mm超低频（SLF）30~300Hz超长波10~1Mm特低频（ULF）300~3000Hz特长波1000~100Km甚低频（VLF）3~30KHz甚长波100~10Km低频（LF）30~300KHz长波10~1Km中频（MF）300~3000kHz中波1000~100m高频（HF）3~30MHz短波100~10m甚高频（VHF）30~300MHz超短波10~1m特高频（UHF）300~3000MHz分米波1~0.1m超高频（SHF）3~30GHz厘米波10~1cm极高频（EHF）30~30GHz毫米波10~1mm至高频（THF）30~3000GHz亚毫米波1~0.1mm光波310-6~310-8m32010-6-2移动通信的特点电波传播环境十分恶劣多普勒频移产生附加调频噪声移动台受干扰和噪声骚扰移动设备要求有很大的动态范围频谱拥挤建网技术复杂呼和浩特市领翔科技有限责任公司42010-6-2移动通信的发展历程第一代移动通信系统模拟蜂窝移动通信系统，主要技术是模拟调频、频分多址FDMA，使用频段为800/900MHz（早期曾使用450MHz）。缺点：频谱利用律低；通信容量有限；通话质量一般；保密性差；制式多，标准不统计，互不兼容；不能提供非话音数据业务；不能提供自动漫游。第二代移动通信系统数字蜂窝系统以数字传输、时分多址TDMA或码分多址CDMA为主体技术，采用双工FDD。主要有欧洲的GSM（2.5G加上了GPRS）、美国的窄带CDMA。优点：具有数字传输的优点，话音质量提高，保密性提高，可以自动省际、省内漫游。缺点：通信带宽有限，限制了数据业务的发展，也无法实现移动的多媒体业务，各国标准不统一，无法实现全球漫游。第三代（3G）移动通信系统，可以提供更宽的频带，不仅传输话音，还能传输高速数据，从而提供快捷方便的无线应用。目前的主要标准有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。但是第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统,尽管其传输速率可高达2Mb/s，仍无法满足多媒体通信的要求。目前相互兼容移动通信技术的第四代移动通信标准（4G）正在业界萌动，第四代移动通信系统的提供便是希望能满足提供更大的频宽需求，满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。数据传输数率将达到100Mbps，可实现三维图像高质量传输。呼和浩特市领翔科技有限责任公司52010-6-2移动通信发展历程AMPSTACSNMT其它GSMCDMAIS95TDMAIS-136PDC第一代80年代模拟第二代90年代数字第三代IMT-2000UMTSWCDMAcdma2000需求驱动需求驱动模拟技术数字技术语音业务宽带业务TD-SCDMA呼和浩特市领翔科技有限责任公司62010-6-2历代移动通信系统比较第一代模拟第二代数字第三代IMT-2000成熟时间80年代1990年试用1993年商用2001年商用空中接口FDMATDMA/CDMACDMA频谱利用率低中高提供业务话音话音、传真、短消息、电路型数据、分组型数据话音、传真、多媒体消息、电路型数据、分组型数据、高速分组数据、多媒体数据速率GSM9.6Kbit/sGPRS144Kbit/s车速环境：144kb/s步行环境：384kb/s室内环境：2Mb/s呼和浩特市领翔科技有限责任公司72010-6-2GSM移动通信概述/简介GSM（GLOBALSystemforMobileCommunications）——全球移动通信系统多址技术蜂窝通信技术呼和浩特市领翔科技有限责任公司82010-6-2多址技术就是要使众多的用户共用公共通信线路而相互不干扰所采用的一种技术常用的方法基本上有三种：频分多址FDMA、时分多址TDMA、码分多址CDMAGSM系统采用了FDMA、TDMA方式.多址技术呼和浩特市领翔科技有限责任公司92010-6-2各用户使用不同的频率时间频率FDMA频分多址FDMA频分就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频），每个信道可以传输一路话音或控制信息.呼和浩特市领翔科技有限责任公司102010-6-2时间频率TDMA各用户使用不同的时隙时分多址TDMA时分多址是指在一个宽带的无线载波上，将某一信道按时间加以分割，各信号按一定顺序占用某一时间间隙（时隙）.即多路信号利用同一个信道在不同时间各自独立地传送。呼和浩特市领翔科技有限责任公司112010-6-2时间频率CDMA码各用户使用不同的正交代码序列码分多址CDMA码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式.它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息.其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息.呼和浩特市领翔科技有限责任公司122010-6-2蜂窝技术移动通信系统是采用一个叫基站的设备来提供无线服务范围的.基站BTS的覆盖范围有大有小，我们把基站BTS的覆盖范围称之为蜂窝，即小区CELL.许多小区像蜂窝一样能布满（即覆盖）任意形状的服务地区.采用大功率的基站主要是为了提供比较大的服务范围，但它的频率利用率较低，也就是说基站提供给用户的通信通道比较少，我们也称之为大区制.采用小功率的基站主要是为了提供大容量的服务范围，同时它采用频率复用技术来提高频率利用率，有限的频率得到多次使用，所以系统的容量比较大，这种方式称之为小区制或微小区制.大区制与小区制呼和浩特市领翔科技有限责任公司132010-6-2大区制与小区制大的小区GSM最大的小区直径达80km，但这和小区覆盖区域的地形及MS的功率级有关。基站周围无障碍物阻挡，MS的发射功率越高，小区可以越大。大的小区一般用在：偏远地区海边用户很少的区域面积大但需要用最少的基站覆盖的地方小的小区小的小区用在MS数多的小区域，或者为了减小干扰而要求发射功率低的区域。小的小区一般覆盖直径为200m以上。小的小区一般用在：城区要求低功率发射的区域MS数多的区域呼和浩特市领翔科技有限责任公司142010-6-2基站扇区化cellsitecellsitecellsite全向小区（OMNICELLSITE）3扇区/小区（120ºSECTOR/CELLS）6扇区/小区（60ºSECTOR/CELLS）=1ANTENNA=3ANTENNA=6ANTENNA呼和浩特市领翔科技有限责任公司152010-6-2频率复用：处在不同位置(不同小区)上的用户可以同时使用相同频率的信道可以极大地提高频谱利用率如果系统设计得不好，将产生严重的干扰同频干扰（C/I）：因频率复用造成的相邻小区相同频率对信道的干扰.GSM要求C/I=9DB.邻频干扰（C/A）：小区内外相邻频率产生的干扰.GSM要求C/A=-9DB.频率复用呼和浩特市领翔科技有限责任公司162010-6-2频率复用方案：在系统的作用区域内重复使用相同的频率——这种频率复用方案使整个频谱分配被划分为K个频率复用的模式.如K可取3、4、7等值.C1C1f1P0f1P0RRD(D/R)2=3×kD—频率复用距离R—小区半径K—频率复用模式频率复用呼和浩特市领翔科技有限责任公司172010-6-21234123412341K=41111213456711K=7A3A1A2B3B1B2C3C1C2A3A1A2A3A1A2B3B1B2C3C1C2C3C1C2A3A1A2B3B1B2C3C1C2A3A1A2A3A1A2B3B1B2C3C1C2C3C1C2A3A1A2B3B1B2C3C1C2A3A1A2A3A1A2B3B1B2C3C1C2C3C1C2K=33x3小区复用模式注意：从理论上来说，K应该大些，但分配的信道总数是固定的.如果K太大，则K个小区中分配给每个小区的信道数将减少，中继效率就会降低.呼和浩特市领翔科技有限责任公司182010-6-2GSM最基本的频率复用模式为4×3频率复用“4”表示4个站点，“3”表示每个站点有3个小区由这12个小区组成一个区群同一区群中的各小区，使用的频率不同189210465371112R小区复用模式呼和浩特市领翔科技有限责任公司192010-6-2GSM系统结构（一）PSTNISDNPDNOMCOMCNMCOSSSIMMEMSBTSBTSBSCAUmMSCMSCVLRVLRHLRAUCEIRBCEFGHDNSSBSSNSSAbis呼和浩特市领翔科技有限责任公司202010-6-2GSM系统结构与功能一个GSM系统由MS移动台和基站子系统(BSS)和网络与交换子系统(NSS)、操作与维护子系统(OSS)组成.基站子系统BSS是GSM系统中与无线通信部分关系最直接的基本组成部分.通过无线接口直接与移动台相连，负责无线发送接收和无线资源的管理.它与NSS相连，为移动台和交换子系统提供传输通路，传送系统信息和用户信息等网络与交换子系统NSS是整个系统的核心，它对GSM移动用户与其他用户之间通信起着交换、连接与管理的功能.主要负责完成呼叫处理、通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安全性管理、用户数据和设备管理、计费记录处理、公共信道、信令处理和本地运行维护等.操作与维护子系统OSS对整个GSM网络进行管理和监控，完成移动用户管理、移动设备管理、系统的操作与维护.呼和浩特市领翔科技有限责任公司212010-6-2移动台由SIM卡与机身设备组成。SIM卡上包含所有与用户有关的无线接口一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息。固化数据：IMSI、Ki、安全算法(A3、A8)临时网络数据：TMSI、LAI、KC业务相关数据：PIN(个人识别号)、PUK机身设备可以是手持机，车载台等。可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收移动台(MS)的功能呼和浩特市领翔科技有限责任公司222010-6-2接口管理BTS的管理操作与维护支持呼叫控制切换话务量统计无线链路的测量无线参数及无线资源管理BSC的功能呼和浩特市领翔科技有限责任公司232010-6-2BTS受控于BSC实现BTS与移动台(MS)空中接口的功能BTS的功能呼和浩特市领翔科技有限责任公司242010-6-2接口管理支持电信业务，承载业务和补充业务支持位置登记、越区切换和自动漫游等其它网络功能MSC的功能网络的核心，为用户提供交换和信令功能呼和浩特市领翔科技有限责任公司252010-6-2服务于其控制区域内移动用户存储进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息（MSRN、TMSI、LAC等）VLR的功能呼和浩特市领翔科技有限责任公司262010-6-2GSM系统的中央数据库所有移动用户的重要数据都存储在HLR中。包括用户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数据，以及漫游移动用户所在MSC区域的有关动态数据HLR的功能呼和浩特市领翔科技有限责任公司272010-6-2属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理存储鉴权信息和加密密钥，防止无权用户接入系统和防止无线接口中数据被窃AUC的功能呼和浩特市领翔科技有限责任公司282010-6-2存储移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查三种表格（白名单、灰名单、黑名单）使得网络具有防止无权用户接入、监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能EIR的功能呼和浩特市领翔科技有限责任公司292010-6-2GSM系统接口Um接口：BTS与