GSM基础知识(整理)

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1、GSM基础知识和移动通信原理2010年04月01日GSM系统组成n网络交换子系统(NSS)q移动交换中心(MSC)q归属位置寄存器(HLR)q访问位置寄存器(VLR)q鉴权中心(AUC)q设备识别寄存器(EIR)n基站子系统(BSS)q基站控制器(BSC)q基站收发信台(BTS)n操作维护中心(OMC)n移动台(MS)MSCnMSC网络核心, 对控制区域内的移动用户进行通信控制和管理 1）信道的管理和分配； 2）呼叫的处理和控制； 3）过区切换和漫游的控制； 4）用户位置信息的登记与管理； 5）用户号码和移动设备号码的登记和管理; 6）服务类型的控制； 7）对用户实施鉴权; 8）与其它公用通信

2、网络互连HLR+VLR+AUC+EIRnHLR 存储本地用户位置信息的数据库 登记内容： 永久性的参数暂时性的需要随时更新的参数nVLR 存储漫游用户位置信息的数据库nAUC可靠地识别用户身份，只允许有权用户接入网络并获得服务。nEIR存储移动台设备参数的数据库，对移动设备进行鉴别监视，拒 绝非移动台入网可靠地识别用户身份，只允许有权用户接入网络 并获得服务。OMCnOMCn对全网进行监控和操作，如系统自检、报警 、故障诊断与处理、话务量的统计和计费数 据的记录传递及各种资料的收集分析和显示 等友好的用户界面提供标准的网管接口BSC的主要功能n信道管理建立与释放无线资源，执行逻辑信道的组合、

3、物理信道的映射 响应MS和MSC的呼叫请求n协议转换实现MSC-BSC侧七号信令和BSC-BTS侧LAPD 信令的转换BTS的主要功能无线资源的接入基带数字处理：包括信道编/解码，交织/去交织，加密/去加密， TDMA帧建立，速率匹配等，由帧单元（FU）完 成射频处理： 实现900M无线信号的调制解调，由载频单元（CU） 完成 信道管理： 将指定的逻辑信道组合到实际的物理信道上MSn移动台由SIM卡与物理设备组成，二者是分离的. 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、K

4、C、被禁止的PLMN、 PLMN选择预编程 业务相关数据：PIN(个人识别号) 物理设备可以是手持机，车载机或是由移动终端直接 与终端设备相连而构成.无线传输标准 nGSM系统将无线频率定在900MHz范围，第二阶段DCS为1800MHz。第一阶段的指标如 下：n频段：GSM900主频段（P-GSM）w上行：890MHz-915MHz（移动台发，基站收）w下行：935MHz-960MHz（基站发，移动台收） n频带宽度：25MHz；n上下行频率间隔：45MHz；n载频间隔：200KHz；n通信方式：全双工；n信道分配：每载频8个时隙，包含8个全速信道，16个半速信道；n每个时隙的信道速率：22

5、.8kbit/s；n信道总速率：270kbit/s；n调制方式：GMSK，高斯滤波最小频移键控；n接入方式：TDMA；n话音编码：规则脉冲激励线性预测编码RPELPC 13kbit/s；n分集接收：跳频每秒217跳，交错信道编码，自适应均衡。wDCS1800频段w上行：1710MHz-1785MHz（移动台发，基站收）w下行：1805MHz-1880MHz（基站发，移动台收）GSM接口- 主要接口GSM系统的主要 接口指A接口、 Abis接口和Um 接口.A接口、Um接 口为开放式接口.GSM接口- 主要接口（A接口）nA接口定义为网路子系统（NSS）与基站子 系统（BSS）之间的通信接口.n

6、其物理链接通过采用标准的2.048Mb/s PCM 数字传输链路来实现.n此接口传递的信息包括移动台管理、基站管 理、移动性管理、接续管理等.GSM接口- 主要接口（Abis接口）nAbis 接口定义为基站子系统的两个功能实体 基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS ）之间的通信接口.n物理链接通过采用标准的2.048Mb/s 或 64kbit/s PCM 数字传输链路来实现.nBS接口作为Abis 接口的一种特例，用于BTS （与BSC并置）与BSC之间的直接互连方式 ，此时BSC与BTS之间的距离小于10米.GSM接口- 主要接口（Um接口）nUm 接口（空中接口）定义为移动台与基站

7、收发信台（BTS）之间的通信接口，用于移 动台与GSM系统的固定部分之间的互通.n其物理链接通过无线链路实现.n传递的信息包括无线资源管理，移动性管理 和接续管理等-即层三LAYER3信令.GSM接口- NSS内部接口语音编码 nGSM中语音处理一般过程： 1.语音输入 2.语音 编码 3.信道 编码 4.交织 5. 形成 Burst6.加密 7.调制 1.信号接收2.解调3.解密4.分解 Burst 5.反交织6.信道 解码7.语音 解码8. 语音输出语音编码 n13Kbit/s RPE-LTP(规则脉冲激励长期预测) 编码 ：采样速率8KHz 帧长20ms，每帧编码260bit ，平均分为

8、4个子帧 外置方式同步 信道编码 n信道编码与交织 GSM系统使用以下三种信道编码方式卷积码：主要用于纠错循环码：通常与前一中方法混合使用，用于 检错和纠错 奇偶码：主要用于检错 交织作用：抗快衰落，防止持续误码 交织度 ：8 调制解调 n 调制速率 = 270.833Kbit/s，BT = 0.3 n 无线频谱利用率 1bit/Hz：高n 调制复杂性：合理 自动功率控制技术（APC）n为何需要APC？q可降低手机功耗，延长电池使用时间；q可减小系统内的干扰，提高频率利用率，增加系统容量.n如何进行APC？nMS功率控制：qMS接收BTS发射的信号，得到射频信号强度、质量等级 参数，进行APC

9、；q手机起始发射功率由系统消息决定；q可能导向切换、掉话.nBTS功率控制：qBTS接收MS发射信号，得到射频信号强度、质量等级参 数，（BTS预处理）上报BSC，由BSC进行APC功率控制n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.n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，GSM900 移动台的最大 输出功率是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

10、要小一些.非连续发射技术（DTX）n为何需要DTX？q通话是双向的，对于MS用户/来说，平均的说话时间约在 40%以下；q可降低手机功耗，延长电池使用时间；q可减小系统内的干扰，提高频率利用率，增加系统容量.n如何进行DTX？q采用VAD（话音激活检测）技术：q在说话时，正常发射信号；q在停止说话时，每隔一段时间发送一个静音帧，由静音帧 在BTS产生舒适噪声；使对方不会误以为通话中断.q重新开始说话时，由VAD功能检测到话音，重新正常发射 信号.非连续接收技术（DRX）n为何需要DRX？q手机绝大部分时间处于空闲状态，此时需要随时 准备接收BTS发来的寻呼信号；系统按照IMSI将 MS用户分类

11、，不同类别的手机在不同的时刻接 收系统寻呼消息，无需连续接收；q可降低手机功耗，延长电池使用时间；n如何进行DRX？q系统根据IMSI将MS分类，分时刻接收寻呼消息.GSM系统的频分复用 nGSM采用频分多路（FDMA）和时分多路（TDMA）的混合技术 ，具有较高的频谱利用率。每个频率的中心频带为200kHz，将 所给频带890915MHz等间隔（200kHz）分成125个载频，每 个载频又分成8个时隙，每个时隙为一个信道，总计为1000个信 道。GSM引入的另一项技术是跳频（Frequency Hopping）。它 规则地改变MS到BTS上的传输载频，能提供抗多径衰落的能力 ，改善传输质量。

12、nGSM无线路径上的传输单位是由大约100个调制bit组成的脉冲串 ，称“Burst”。“Burst”是有限长度，占据有限频谱的信息，它在一 个时间和频率窗口上发送，这个窗口称为“Slot”。“Slot”的中心频 率位于系统频带上200kHz的间隔上，并且以15/26ms（约 0.577ms）的时间重复。这个由频域和时域构成的空间“Slot”就 是FDMA和TDMA在GSM中的应用。在一个小区内，全部“Slot” 的时间范围都是一样的，这个相同的时间间隔称为时隙（Time Slot），把它作为一个时间单位，恰好是一个“Burst”周期， GSM系统的频分复用 n“Slot”是一个15/26ms

13、长和200kHz宽的矩形，“Slot”在频域上的这个相同的间隔 称为频隙（Frequency Slot），在GSM规范中定义为无线信道。n使用一条指定的信道，其实际意义就是在某个时间和频率段上传输“Burst”。信 道就对应“Slot”的概念，是一个二维的矩形。一个信道的“Slot”在时间上是不连 续的，因一个信道是由一组临时定义的“Slot”组成，信道在“Slot”的组合上是周 期的，也就是说此一组“Slot”组合的重复周期构成了一个信道。n与时隙定义共存的是信道特性的频域定义。信道的频率是指信道构成中每个 “Slot”的频率。它可以是一个固定频率，此时信道占据的“Slot”具有相同频率，

14、也可以是不同频率，也就是我们说的跳频情况。对于双向信道（如TCH），在 两个方向上可以用不同的方法定义各自的信道。通常，上下行保持固定的 45MHz频率间隔（900MHz情况下）或90MHz频率间隔（1800MHz情况下）。 同时根据信道类型，保持一个时间偏移，通过这一约定可以很容易地从时间和 频率上发现上行和下行的关系。n信道在时域上总是周期性的，周期的长短、“Slot”的数量随信道类型而变，周期 的同步可以通过系统同步机制获得每个小区都有一个参考时钟用以定义时隙位 置，除此之外还要遵循系统中所有信道周期所规定的时间安排。在GSM系统中 ，不同频率上的每个时隙都有一个序号，BTS和MS通过对

15、序号的约定取得同步 ，因此序号也是同步信息的一部分。时隙序号具有一个很长的重复周期，大约 是3.5小时，在此周期内任何一个“Slot”都具有一个明确的时隙号和频隙号。GSM系统的TDMA帧结构 n我们把成对分配的TCH/F和SACCH信道冠以TACH/F的名字， TACH/F的周期由8个BP组成，时长为（15/26）8约等于 4.615ms。所有的时隙号可以分解成8整数n，n=0，1， 27对应于8个BP。我们可以用模8描述一个信道的位置，8 个BP组成的周期称为TDMA帧 。因此，可以用TN定义8个不同 类型的TACH/F，具有相同模8整数倍的两个TACH/F共存于同一 个TDMA帧中。在网

16、络一侧不同TN的8个TACH/F可以由一个发 信机激励，也就每个TACH/F是时分激励的，这是时分多路概念 的核心所在。正因此，可以大大减少收发信机的数量。nTACH/F（或TCH/F与SACCH组）在时间域上是以26个TDMA帧 为周期的，时长268BP = 120ms。在26个TDMA中，24个用于 TCH/F的发送，一个用于SACCH的发送，一个空闲。但它们并 不是简单地按TDMA帧号划分，而是复杂地交织在一起， 频道间隔 n相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时 分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙， 即8个信道（全速率）。每信道占用带宽 200kHz8=25kHz，同模拟网TACS制式每 个信道占用的频率带宽。从这点看二者具有 同样的频谱利用率。 n将来GSM采用半速率话音编码后，每个频道 可容纳16个半速率信道。 跳频技术n跳频即：在不同时隙发射载频在不断地改变n为何引入跳频？n可减少瑞利衰落，提高每用户的话音质量；n可减小系统内的干扰，提高频率利用率，增 加系统容量nGSM系