gsm无线网络原理剖析

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1、GSM无线网络原理,2013-6,为不影响他人听课,请在整个上课过程将手机设置在静音或振动状态,手机状态,课程大纲,数字技术 IMT-2000 (ITU) UMTS (WCDMA, TD-SCDMA), CDMA 2000,第二代,1990,2000,第一代,第三代,数字技术 例如: GSM, CDMA (IS-95),模拟技术 例如: TACS, AMPS,全球移动通信系统,移动通信技术的演进,在开始下面的课程之前，我们首先了解一下多址接入的概念，常用的多址接入根据不同的特点可分为：FDMA、TDMA、CDMA。 FDMA:频分多址技术，即不同的用户占用不同的频率，通过不同的频率来区分不同的

2、用户。 TDMA:时分多址技术，即不同的用户占用不同的时间，通过不同的时间段来区分不同的用户 CDMA:码分多址技术，所有的用户都占用同样的时间和频率，但之间有不同的特征。这个特征为不同的编码,移动通信技术的演进,美国的AMPS（先进移动电话系统）1978年 工作频段：800MHZ，FDD 北欧的 NMT（北欧移动电话）1981年 工作频段： 450MHZ，FDD 英国的TACS（全接入通信系统） 工作频段： 900MHZ ，FDD 日本的NTT（日本电话和电报） 工作频段： 900MHZ ，FDD,模拟第一代移动通信（1G),大哥大(1G)即第一代模拟移动电话，在中国是1987年左右上马的，

3、当时中国正在改革开放初期，香港、澳门已用的比较广泛了，所以对临近的广州、深圳影响大，中国1G(大哥大)最早是在广东开始，所用的模拟移动电话是采用的欧洲TACS系统。 由于当时的电池容量限制和模拟调制技术需要硕大的天线和集成电路的发展状况等等制约，1G网络的手机外表四四方方，只能成为可移动算不上便携，很多人称呼这种手机为“砖头”或是黑金刚等。 当时要搞到一部手机可不容易，官价是一万五千元左右，很难买到，要走“后门”或是其它方法才能购到，一般要在二万五千元左右，并且话费比较贵，市话1元/分钟左右。因此，“大哥大”手机是一种人的身份代表，不少老板手拿一斤多的半个砖头大小的手机，往饭桌上一放，让你刮目

4、相看，很可能一项合同凭这个手机所代表的身份就能谈成，因为你会认为他了不起，是大款。,第一代移动通信在我国的应用,1G 移动网的共同特点,采用FDMA的接入方式，用户独占一个频率资源 FDD双工方式 调制方式为调频 业务种类单一：语音 系统保密性差 频谱利用率较低 有限的漫游 接口开放性差（除空中接口外全部是内部接口） 总之，1G网络只能进行语音通信，无法支持各种移动智能和数据业务，通信盲区比较多，收讯效果不稳定，且保密性不足，无线带宽利用不充分。此中手机类似于简单的无线电双工电台，通话是锁定在一定频率，所以使用可调频电台就可以窃听通话。,第一代移动通信的共同特点,新蜂窝网络的背景与需求,移动电

5、话首先是从欧洲兴起的，八十年代初期，欧洲各国使用的许多移动电话系统各不相同且是互不兼容的。由于对电信服务的需求日益增加，人们逐步认识到移动电话系统的这种各不相同，而且互不兼容的特性阻碍了移动通信的发展。为此，欧洲邮电管理会议CEPT专门成立了一个小组，为西欧规划一个公共移动通信系统。该小组被命名为“移动通信特别小组”，从此系统也被称为GSM。,新蜂窝网络的背景与需求,新蜂窝网络的标准要求,主 要 的 要 求 ： 每 个 国 家 应 该 拥 有 若 干 网 络 运 营 者 ，这 将 在 费 用 和 提 供 的 业 务 上 引 入 竞 争 。 系 统 必 须 是 一 个 开 放 系 统 - 在 不

6、 同 的 系 统 部 件 之 间 包 含 良 好 定 义 的 接 口 。 GSM 网 的 构 建 不 会 引 起 已 经 存 在 的 公 用 交 换 电 话 网 (PSTN)任 何 大 的 变 动,其 它 要 求 ： 泛 欧 良 好 的 语 音 质 量 无 线 频 率 的 有 效 使 用 大 容 量 与 ISDN 兼 容 与 其 它 数 据 通 信 规 范 兼 容 对 用 户 和 传 输 的 信 息 保 持 良 好 的 安 全 性,新蜂窝网络的标准要求,第二代数字网络的典型代表 欧洲的GSM（全球移动通信系统） 美国的窄带CDMA（IS - 95）,数字第二代移动通信(2G),Total:13

7、83M, GSM:75%,采用不同技术的移动用户的分布,GSM优点,GSM 能 有 效 地 使 用 无 线 频 率 ， 并 且 由 于 采 用 数 字 无 线 通 道 ， 系 统 能 容 许 更 多 的 区 间 干 扰 。 平 均 话 音 质 量 比 现 有 的 模 拟 系 统 更 高 。 全 网 络 支 持 数 据 传 输 。 语 音 加 密 和 用 户 信 息 安 全 性 得 到 保 证 。 由 于 与 ISDN 的 兼 容 性 ， 较 之 模 拟 系 统 可 提 供 新 的 业 务 。 在 涉 及 到 的 所 有 国 家 范 围 内 ， 国 际 漫 游 在 技 术 上 成 为 可 能 。

8、 巨 大 市 场 加 剧 了 竞 争 ， 并 且 降 低 了 投 资 和 使 用 价 格 。,GSM的优点,我国陆地蜂窝数字移动通信 网GSM通信系统采用900MHz与1800MHz频段: GSM900MHz频段为：890915(移动台发,基站收),935960(基站发,移动台收); DCS1800MHz频段为：17101785(移动台发,基站收),18051880(基站发,移动台收);,GSM的频段,GSM 900 : GSM 1800 : 信道间隔： 200kHz,1710,1785,1805,1880,双工距离 : 95 MHz,890,915,935,960,双工距离 : 45 MHz

9、,运营商 A,运营商 B,B,A,暂未分配,GSM系统频率资源,GSM 900 and GSM 1800 就像一对孪生兄弟 GSM 900 GSM 1800 频率带宽 890.960 MHz 1710.1880 MHz 信道数 124 372 信道间隔 200 kHz 200 kHz 接入技术 TDMA TDMA 手机功率 2 W 1 W,GSM900 和 GSM1800没有很大区别，通信机制完全一样,GSM900/1800 异同比较,GSM900 and GSM1800 的逻辑信道划分是一样的,空中接口逻辑信道,搜寻频率校正脉冲 搜寻同步脉冲 解读系统消息 侦听寻呼消息 发送接入脉冲 信令信

10、道分配 呼叫建立 话音信道分配 通话 呼叫释放,FCCH SCH BCCH PCH RACH AGCH SDCCH FACCH TCH FACCH,各逻辑信道作用示意,MSC,BSC,BTS,Um,Air,Abis,A,BTS,BTS,Air,GSM系统结构,BTS,BTS,BTS,BSC,MSC,EIR,AUC,HLR,VLR,PLMN PSTN ISDN,OMC,OMC,NMC,ADC,Um,ABIS,A,SS7,系统框图,MS,BSS,NSS,OSS,MS,GSM系统结构,GSM系统结构,GSM系统的组成 MS（移动台） BSS（基站子系统） NSS（交换子系统） NMS（网络管理子系统

11、）,NMS,MS,BSS,NSS,空中接口,A,O&M,GSM系统结构,NSS：网络交换子系统 。主要由HLR、MSC、 VLR、AC、EIR组成。 BSS：基站子系统 。主要由BSC、BTS、TCSM组成。 NMS：网络管理子系统。主要由若干工作站、服务器和路由器组成。,GSM网络各子系统的组成,网络各子系统的作用,NSS：网络交换子系统。负责执行呼叫控制功能。比如，管理一个呼叫的建立，保持，释放，以及这个呼叫的计费信息。 BSS：基站子系统。充当手机用户和NSS之间的一个接口。同时，它还对无线接口和基站子系统中的各网络元素之间的传输链路进行控制。 NMS：网络管理子系统。管理整个GSM网络

12、。它包括告警管理以及反映网络性能的一些测量和统计报告。,GSM网络各子系统的作用,在移动通信网中，用户可以到处移动，在这样的情况下，如何保持连接呢？在切换功能的帮助下，保持移动用户的话务连接成为可能的。 以下我们引入盲区和切换的概念。,25,B,盲区的概念,A,B,当用户从一个小区覆盖的区域移动到另一个小区时，必须要建立与目标小区的新连接，释放与旧小区的连接。,切换的概念,由于通信原因引起的切换 当小区的容量接近最大值时，小区边缘的移动台可 能被切换到通信负荷较低的相邻小区。 MSC作出开始切换的过程 由于信号质量和强度引起的切换 当一个移动用户在通话过程中移动时，他可能从一个小区移动到另一个

13、小区 移动台被切换到新的小区 由BSC控制当前小区作出切换的决定，执行切换,执行切换的两个原因,28,小区内部切换。 同一BSC之内，不同小区之间的切换。 同一MSC之内，不同BSC之间的切换 不同MSC之间的切换,切换的四种类型,29,小区内部切换,小区内部切换,同一BSC内，不同小区间的切换,同一MSC之内，不同BSC之间的切换,MSC,MSC,BSC,BSC,不同MSC之间的切换,下面我们将举例说明几种简单的通话过程,34,市话交换机,百花路分局,中原路机房,基站控制器,手机拨打固定电话,手机拨打固定电话,1.一个用户想用手机拨打固定电话,手机通知基站要进行通话 2.基站通知基站控制器有

14、用户要进行通话 3.基站控制器通知交换机有用户要通话 4.交换机检查用户要拨叫的号码,得知用户要呼叫百花路分局管辖的一个用户,并和百花路分局的交换机进行联系 5.百花路分局的交换机通知被呼叫的用户,被呼叫用户的电话振铃,手机拨打固定电话,基站 为手机用户提供接入GSM网络,即给手机用户提供无线信道。,GSM网的基本设备（1）,基站控制器 对基站进行管理和控制、分担交换机的工作量,GSM网的基本设备（2）,38,交换机 负责为手机与手机，手机与固定电话之间进行通信提供电路。,GSM网的基本设备（3）,39,基于位置的业务（LBS-Location Based Service ）是通过GSM 网络

15、获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。随着移动电话成为我们的生活中不可或缺的一部分，移动定位服务的重要性逐渐凸显出来。 开通了基于位置的业务，终端用户就可以方便地获知自己目前所处的位置，并用终端查询他附近各种场所的信息：我在哪里、离我最近的医院在哪儿、我周围有哪些银行、从这里到某地怎么走、我的好朋友现在的位置、紧急救助、老人跟踪、车队管理基于位置业务的巨大魅力在于能在正确的时间、正确的地点、把正确的信息发送给正确的人。,GSM特色业务LBS,利用GSM 网络所采用的定位技术: Cell ID E OTD A GPS,LBS的定位技术,Cell ID 定位技术特点： 开放的标准； 实现简单：手机不需要增加专门的定位功能，网络不需要专门的定位测量设备； 定位响应时间快，一般3s ； 定位精度取决于小区覆盖半径，市区平均在300 500 米。 E OTD 定位技术特点： 标准技术； 需要修改现有GSM 手机软件； 网络侧需要增加定位测量单元（LMU ）和SMLC 。 定位精度一般在100 150 米。,LBS的定位技术,A GPS 定位技术特点： 标准技术； 定位精度高，精度一般在10 50 米；用户需更换新的手机； 相比传统GPS 定位有明显优势：手机成本低、功耗低、灵敏度更高；启动定位时间短（一般在10s 以内），卫