GSM移动通信系统原理第1部分

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1、,GSM 移动通信系统原理,课程内容,第一部分 数字移动通讯技术及GSM简介 第二部分 GSM网络结构 第三部分 GSM系统中语音信号的传输 第四部分 GSM无线接口与系统消息 第五部分 GSM呼叫流程举例 第六部分 GSM业务介绍,第一部分 数字移动通讯技术及GSM简介,移动通信的发展历史 GSM发展历史 数字移动通信的几个基本概念 GSM的特点,第一章 移动通信发展历史,移动通信系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。 20 年代开始在军事及某些特殊领域使用 40 年代才逐步向民用扩展； 最近十年间才是移动通信真正迅猛发展的时期，而且由于其许多的优点，前景十分广阔。,当前的几

2、种通讯制式,GSM 发展历史,GSM 发展历史,GSM 标准制定委员会,GSM 技术规范,GSM 技术规范,多址技术 频率控制 蜂窝技术,第二章 蜂窝通信基本概念,多址技术,多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现多址的方法。基本上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的 频分多址（FDMA） 时分多址（TDMA） 码分多址（CDMA） 三种接入方式,多址技术,频分多址 FDMA,频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一路话音或控制信息。在系统的控制下，任何一个用户都可以

3、接入这些信道中的任何一个。,模拟蜂窝系统是FDMA 结构的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM 系统就采用了FDMA。,时分多址TDMA,时分多址是在一个宽带的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。GSM 系统就是采用了此种方式。,TDMA 是一种较复杂的结构，最简单的情况是单路载频被划分成许多不同的时隙，每个时隙传输一路猝发式信息。TDMA 中关键部分为用户部分，每一个用户分配给一个时隙（在呼叫开始时分配），用户与基站之间进行同步通信，并对时隙进行计数。

4、当自己的时隙到来时，手机就启动接收和解调电路，对基站发来的猝发式信息进行解码。同样，当用户要发送信息时，首先将信息进行缓存，等到自己时隙的到来。在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去，然后又开始积累下一次猝发式传输。,TDMA特点,每一频点上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道 特点： 每载频多路 传输速率高、自适应均衡 突发脉冲序列传输 传输开销大 公用设备成本低 移动台较复杂,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，也就是说，允许用户之间的相互

5、干扰。,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。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）,功率控制,功率控制,当手机在小区内移动时，它的发射功率需要进行变化。当它离基站较近时，需要降低发射功率，减少对其它用户的干扰，当它离基站较远时，就应该增加功率，克服增加了的路径衰耗。 所有的GSM 手机都可以以2dB 为一等级来调整它们的发送功率，SM900移动台的最大输出功

6、率是8W（规范中最大允许功率是20W，但现在还没有20W 的移动台存在）。DCS1800 移动台的最大输出功率是1W。相应地，它的小区也要小一些。,蜂窝技术,蜂窝技术,什么是蜂窝技术？,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。 基站的覆盖范围有大有小，我们把基站的覆盖范围称之为蜂窝。 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，系统的容量也就大不起来，对于话务量不大的地方可以采用这种方式，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，相同的服务区域内

7、增加了基站的数目，有限的频率得到多次使用，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,一个基站覆盖整个城市 通信质量差 频率利用率低 系统容量小,大的小区,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。在GSM 系统中，MS 的发射功率可达8w，显然MS 的发射功率越高，小区可以越大。如果基站设在山上，而且周围没有什么障碍物，无线电波可以传得很远。如果基站设在城市中间，周围高的建筑物会阻挡无线电波的传播路径。,大的小区,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,频率复用,某网络运营商分配了2

8、8 个频点，需要用这些频点覆盖一个很大的区域，如广东省。由前面可知，大的小区其直径约为70km，显然这28 个频点无法覆盖整个广东省。为解决频率受限的问题，网络运营商必须将同一个频率重用一遍又一遍，这就称为“频率复用”。网络规划者在做频率复用规划时必须考虑频率的复用率及小区间的距离，否则会产生同信道干扰或邻信道干扰，或者二者都有。网络运营商还要考虑需要被覆盖的区域的不同特性，在人口稠密的城区频率复用率需要比较高，采用小的小区能提供高的容量；在人口稀少的农村频率复用率低可以较，采用大的小区，提供的容量也较小。,频率复用的必要性,干扰,同信道干扰 如果使用相同频率的两个载频离得过近，它们之间将会互

9、相干扰，这种干扰称为同信道干扰。 邻信道干扰 RF 载频受到另一个使用邻近频率的RF 载频的干扰，这种干扰称为邻信道干扰。,7小区频率重复再用,基站扇区化,基站扇区化,使用扇区化的目的 一方面可以避免干扰，需要让使用相同频率RF 载频的小区之间相距足够远，另一方面，为了获得更高的容量，需要尽量提高频率复用率。在实际情况中，RF 载频分配及小区大小选择的原则主要就是为了使以上二者之间达到平衡。 将基站扇区化之后，在相同的地理区域内可以有更多的小区，更多的移动用户可以接入并使用蜂窝网络。一般对人口稠密地区或者移动用户较集中区域（比如会议中心/商务建筑物）内的基站扇区化。,无线频谱分配,GSM系统频

10、段,GSM900主频段（P-GSM） 上行： 890 MHz 915 MHz（移动台发，基站收） 下行： 935 MHz 960 MHz（基站发，移动台收） GSM扩展频段（E-GSM） 上行： 880 MHz 890 MHz （移动台发，基站收） 下行： 925 MHz 935 MHz （基站发，移动台收） DCS1800频段 上行： 1805 MHz 1880 MHz （移动台发，基站收） 下行： 1710 MHz 1785 MHz （基站发，移动台收）,DCS1800频谱分配,GSM绝对频道号,GSM900主频段（P-GSM） 上行：Fl = 890 + 0.2 N (MHz) (1 N

11、 124) 下行：Fu = Fl + 45 (MHz) GSM扩展频段（E-GSM） 上行：Fl = 890 + 0.2 (N - 1024) (MHz) 下行：Fu = Fl + 45 (MHz) (975 N 1023) DCS1800频段 上行：Fl = 1710.2 + 0.2 (N-512) (MHz) 下行：Fu = Fl + 95 (MHz) (512 N 885),我国的频点分配（GSM900）,我国使用的频段为： 上行频率 890-915MHz 下行频率 935-960MHz 频道号为：1 共带宽 中国移动：890-909（上行）935-954（下行） ARFCN 为1 中国

12、联通：909-915（上行）954-960（下行） 共只有带宽，个频 点 ARFCN 为,我国的频点分配（DCS1800）,我国DCS1800使用的频段为： 中国移动：1710-1720（上行） 1805-1815（下行） 中国联通：1745-1755 （上行） 1840-1850（下行）,GSM常用频率再用模式,4 3标准复用模式（GSM体制推荐） 紧密复用模式 3 3 1 3 （NORTEL） 2 6 （MOTOROLA） 多重复用MAP（ERICSSON）,GSM 4 3 标准复用模式,无线区族 4个基站 每基站3扇区 基站结构 3个120或三叶草扇区 C/I 12 dB,复用方式 3个

13、基站9个扇区 特点 不增加新基站 容量增加（有限） 抗干扰措施,GSM 3 3 标准复用模式,GSM常规信道分配方式,要求 各小区禁止使用同频 各小区使用的邻频间隔尽可能大 链形分配,3 3复用方式，27个业务信道载频分配,4 3复用方式，36个无线载频分配,信道链形分配示意,GSM特性,GSM 特点,兼容性 抗噪声与干扰 信道扩充 标准化开放接口 安全与保密,越区切换平稳 用户识别 ISDN兼容 语音与数据业务 增强型业务与补充业务,兼 容 性,自1980 年以来，欧洲移动通信取得了飞速发展，目前已经形成了多种制式的移动通信系统，这些系统之间互相不兼容。对于移动通信来说显然需要有一个统一的标

14、准，为了调整这种复杂的状况，于是便成立了相应机构来制订新的标准化的网络标准。 GSM 标准由欧洲多个国家共同制订，使得这一系统在全欧洲范围内，以及世界各地被采用。 这样带来的另一个好处是GSM 产品的市场增大，生产厂家生产的设备数量增加，产品质量也得到提高。同时，由于生产厂家数量的增加，相应的增强了竞争，降低了产品价格，使移动用户和网络运营商受益。,兼容性,噪声干扰来源 车辆点火系统 雷电 同频干扰 邻频干扰 背景杂散噪声,抗噪声与干扰,GSM 对抗干扰的对策 数字接口 交织 差错检测 差错校正,标准化开放接口,安全与保密,GSM 提供: 加密 ME 鉴权 用户身份鉴权 跳频 SIM,制定GS

15、M 系统时，充分考虑了针对盗话和盗机的安全性问题。 在GSM 种，不仅移动用户有识别号，移动设备ME（MobileEquipment）也有识别号。ME 在生产时就给它分配了一个独一无二的识别号。移动台每次发起呼叫时，系统可以检查其识别号，根据系统数据库的信息验证移动设备的身份。移动用户的身份鉴别是通过一张称为用户识别模块SIM（Subscriber Identity Module）的智能卡实现的，系统通过在系统数据库检查相关信息来鉴别移动用户身份。 GSM 能对空中接口的所有信令加密。不同的加密级别可以满足不同用户或国家的需要。 通过对移动设备和移动用户身份的鉴别，以及对空中接口信号的加密和数

16、字编码，使得“黑客”很难窃听个人电话。 除此之外，GSM 还支持跳频。跳频即是使MS 和基站之间每个突发脉冲序列的信息都在不同的频率上发送，这也使得黑客很难窃听到某个电话。但安全性不是采用跳频技术的主要目的，跳频的主要目的是为了优化忙区网络和克服干扰，提高通话质量和提高网络容量。,灵活的切换处理,灵活的切换处理,GSM 的切换考虑到了： ?通话质量（上行/下行） ?干扰（上行/下行） ?RF 电平（上行/下行） ?MS 距离 ?功率预算,移动台在小区间移动时，如果一个小区的射频信号逐渐减弱，另一个小区的射频信号逐渐增强，那么这时将发生切换。 MS 会从一个信道切换到另一个信道，或从一个小区切换到另一个小区以保证通话