第7章-GSM数字蜂窝移动通信系统

第7章GSM数字蜂窝移动通信系统本章提示GSM数字移动通信系统是基于TDMA的数字移动通信系统。GSM系统是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务做了明确规定，而且技术标准透明化的蜂窝系统。如今，GSM系统已遍及全世界——“全球通”。本章提示GSM系统的TDMA时隙和帧结构以及逻辑信道在物理信道上的组合方法，是设计其他无线数据传输系统的很好样板。本章提示GSM系统是个时分多址系统，其功率发射是在严格规定的时间窗内，以突发形式不停地发射；所以接收机与发射机要保持严格地定时同步。无论移动台在小区任何位置，系统会随时调整移动台的发射定时提前量，以保证基站及手机的正确接收。本章提示GSM系统是一个数字蜂窝系统。为了便于系统管理，它有条件安排9种逻辑信道，如何将这么多逻辑信道映射到TDMA的物理信道上（即信道组合）是很值得学习的。本章提示GPRS是GSM网络向3G演进的重要一步，被称为2.5G技术。GPRS是基于GSM网无线接口所开发的分组数据传输业务；是按需分配占用信道资源，频谱利用率高。理论上数据传输速率最高可达到171.2kbit/s，适合各种突发性强的数据传输。第7章GSM数字蜂窝移动通信系统7.1GSM数字蜂窝移动通信系统概述7.2GSM数字蜂窝移动通信系统的无线传输方式7.3GSM数字蜂窝移动通信系统主要技术7.4GSM数字蜂窝移动通信系统向3G系统的过渡7.1GSM数字蜂窝移动通信系统概述7.1.1概述7.1.2GSM系统与蜂窝结构的关系7.1.3GSM系统的基本特点7.1.4网络结构及功能7.1.5接口和接口协议7.1.1概述欧洲电信管理部门（CEPT）于1982年成立了一个被称为GSM（移动特别小组）的专题小组，开始制定适用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。7.1.1概述在GSM标准中，未对硬件进行规定，只对功能和接口等进行了详细规定，便于不同公司产品的互联互通。它包括GSM900和DCS1800两个并行的系统。这两个系统功能相同，其差别只是工作频段不同。两个系统均采用TDMA接入方式。7.1.1概述美国的数字蜂窝系统研制较欧洲稍晚一些。双方研制的大目标不尽相同，泛欧GSM系统是为了打破国界，实现漫游通话；美国的D-AMPS系统是为了扩大容量，实现与模拟系统兼容。D-AMPS系统即IS-54标准。另外，还有日本的PDC系统也采用TDMA多址方式。7.1.2GSM系统与蜂窝结构的关系泛欧GSM数字蜂窝移动通信系统是在频分多址下的时分多址，当它工作在跳频方式时，又引入了码分多址。数字移动通信系统也是蜂窝系统，即蜂窝区群结构和频率复用。7.1.2GSM系统与蜂窝结构的关系蜂窝区群小区数的多少以及小区半径的大小，取决于数字系统保证正常通信所需载干比和本地区业务量的分布和大小。构成区群的小区数目越少，半径越小，系统的频谱效率就越高。7.1.2GSM系统与蜂窝结构的关系图7-1TDMA蜂窝系统区群结构7.1.3GSM系统的基本特点GSM数字蜂窝移动通信系统（简称GSM系统）是完全依据欧洲通信标准委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。7.1.3GSM系统的基本特点GSM系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统，具有下列主要特点。①GSM系统是由几个分系统组成的，并且可与各种公用通信网（如PSTN、ISDN、PDN等）互联互通，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系统或子系统能互联。7.1.3GSM系统的基本特点②GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关。③GSM系统除了可以开放语音业务外，还可以开放各种承载业务、补允业务和与ISDN相关的业务。④GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全。7.1.3GSM系统的基本特点⑤GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承担能力一般都很强，保证在语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。7.1.3GSM系统的基本特点⑥GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。⑦GSM系统终端设备（手持机和车载机），随着大规模集成电路技术的进一步发展，移动机将向更小型、更轻巧和增强功能趋势发展。7.1.4网络结构及功能GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统，如图7-2所示。7.1.4网络结构及功能图7-2GSM数字蜂窝通信系统的网络结构7.1.4网络结构及功能基站子系统（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统由移动交换中心（MSC），操作维护中心（OMC）以及原籍位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。1．移动台（MS）移动台是公用GSM移动通信系统中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。1．移动台（MS）根据应用与服务情况，移动台可以是单独的移动终端（MT）、手持机、车载机，或者是由移动终端（MT）直接与终端设备（TE）传真机相连接而构成，或者是由移动终端（MT）通过相关终端适配器（TA）与终端设备（TE）相连接而构成。1．移动台（MS）移动台另外一个重要的组成部分是用户识别模块（SIM），它基本上是一张符合ISO标准的“智慧”卡，它包含所有与用户有关的被储存在用户无线接口一边的信息，其中也包括鉴权和加密信息，使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。2．基站子系统（BSS）基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送、接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。2．基站子系统（BSS）基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分功能实体构成。2．基站子系统（BSS）图7-3一种典型BSS组成方式2．基站子系统（BSS）（1）基站收发信台（BTS）。基站收发信台（BTS）属于基站子系统的无线部分，由基站控制器（BSC）控制，服务于某个小区的无线收发设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动台（MS）之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能，BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。2．基站子系统（BSS）（2）基站控制器。基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即承担各种接口及无线资源和无线参数管理的任务。2．基站子系统（BSS）BSC主要由下列部分构成：朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相接的Ater接口的数字中继控制部分；朝向与BTS相接的Abis接口或BS接口的BTS控制部分；公共处理部分，包括与操作维护中心相接的接口控制。3．网路子系统（NSS）网路子系统（NSS）主要包含GSM系统的交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间的通信和GSM移动用户与其他通信网用户之间的通信起着管理作用。3．网路子系统（NSS）（1）移动业务交换中心（MSC）。（2）访问用户位置寄存器（VLR）。（3）归属用户位置寄存器（HLR）。（4）鉴权中心（AUC）。（5）移动用户识别寄存器（EIR）。7.1.5接口和接口协议GSM系统的公用陆地移动通信网的信令系统是以7号信令网络为基础的。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。1．主要接口图7-4GSM系统的主要接口1．主要接口（1）A接口。（2）Abis接口。（3）Um接口（空中接口）。2．网络子系统内部接口网络子系统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）等功能实体组成。2．网络子系统内部接口图7-5网络子系统内部接口示意图2．网络子系统内部接口（1）D接口。（2）B接口。（3）C接口。（4）E接口。（5）F接口。（6）G接口。3．GSM系统与其他公用电信网的接口其他公用电信网主要是指公用电话网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）、分组交换公用数据网（PSPDN）和电路交换公用数据网（CSPDN）。GSM系统通过MSC与这些公用电信网互连，其接口必须满足原CCITT的有关接口和信令标准及各个国家邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。4．各接口协议图7-6GSM系统主要接口的协议分层示意图7.2GSM数字蜂窝移动通信系统的无线传输方式7.2.1TDMA/FDMA接入方式7.2.2信道及其组合7.2.3时隙的格式7.2.4信道的组合方式7.2.1TDMA/FDMA接入方式1．时隙GSM蜂窝系统采用时分多址、频分多址和频分双工（TDMA/FDMA/FDD）制式。在25MHz的频段中共分125个频道，频道间隔200kHz。每载波含8个（以后可扩展为16个）时隙，时隙宽为0.577ms。8个时隙构成一个TDMA帧，帧长为4.615ms，如图7-7所示。1．时隙对双工载波各用一个时隙构成一个双向物理信道，这种物理信道共有125 × 8 = 1000个，根据需要分配给不同的用户使用。移动台在特定的频率上和特定的时隙内，以猝发方式向基站传输信息，基站在相应的频率上和相应的时隙内，以时分复用的方式向各个移动台传输信息。1．时隙图7-7TDMA/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）为890MHz～915MHz下行（基站发、移动台收）为935MHz～960MHz收、发频率间隔为45MHz。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。2．频率与频道序号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的载频可用下式计算：下频段fl(n) = (890 + 0.2n)MHz上频段fh(n) = (935 + 0.2n)MHz3．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。4．载频复用与区群结构GSM系统中，基站发射功率为每载波500W，每时隙平均为500/8=62.5W。移动台发射功率分为0.8W、2W、5W、8W和20W五种，可供用户选择。4．载频复用与区群结构小区覆盖半径最大为35km，最小为500m。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 = 9dB，因此在业务密集区，可采用3小区9扇区的区群结构。7.2.2信道及其组合1．帧结构图7-8给出了GSM系统各种帧及时隙的格式。1．帧结构图7-8GSM系统各种帧及时隙的格式1．帧结构图7-9上行帧号和下行帧号所对应的时间关系2．信道分类图7-10GSM系统的信道分类2．信道分类（1）业务信道。①语音业务信道。②数据业务信道。2．信道分类（2）控制信道。①广播信道（BCH）。②公用控制信道（CCCH）。③专用控制信道（DCCH）。独立专用控制信道（SDCCH）慢速辅助控制信道（SACCH）快速辅助控制信道（FACCH）7.2.3时隙的格式在GSM系统中，每帧含8个时隙，时隙的宽度为0.577ms，其中包含156.25bit。TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。1．常规突发（Norm