第8章TDMA蜂窝移动通信系统

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1、第8章 TDMA蜂窝移动通信系统 8.1 GSM蜂窝系统的网络结构及其功能 8.2 GSM蜂窝系统的无线传输方式 8.3 GSM系统主要技术 8.4 主要接续流程 8.5 三种TDMA蜂窝移动通信系统的比较 习题 8.1 GSM蜂窝系统的网络结构及其功能 8.1.1TDMA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。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

2、。由于在相同服务质量条件下，数字系统允许比模拟系统更低的载干比要求。换句话说，可采用更小的区群结构，从而提高频谱的利用率。TDMA蜂窝系统采用的区群结构如图8-1所示。图8-1TDMA蜂窝系统区群结构(a)3扇区3小区的区群结构；(b)6扇区2小区的区群结构；(c)3扇区4小区的区群结构8.1.2系统的基本特点GSM数字蜂窝移动通信（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。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：GSM系统是由几个分系统组成的，并且可

3、与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关。GSM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。GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；GSM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。GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。GSM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

4、型、更轻巧和增强功能趋势发展。8.1.3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8-2所示。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。图8-2GSM数字蜂窝通信系统的网络结构1.移动台（MS）移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备， 也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的惟一设备。移动台的类型不仅包括车载台和便携台，还包括手持台。随着G

5、SM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势， 手持台的用户将占整个用户的极大部分。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， 负责无线发送收、 接和无线资源管理。 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。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。实际上，一个基站控制器根据话务量大约可以控制数十个BTS。BTS可以直接与BSC相连

6、接，也可以通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。需要说明的是， 基站子系统还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM）。码变换器在更多的情况下是置于BSC和MSC之间，在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具有许多优点。因此，一种具有本地和远端配置BTS的典型BSS组成方式如图8-3所示。图8-3一种典型BSS组成方式(1)基站收发信台(BTS)。基站收发信台(BTS)属于某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。 B

7、TS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。(2)基站控制器。基站控制器(BSC)是基站控制系统(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。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)(1)移动业务交换中心(MSC)。移动业务交换中心(MSC)是网络的核心， 它提供交换功能和接口功能。接口功能包括面向基站子系统BSS、 面向系统其它功能实体(归属用户位置

8、寄存器HLR、 鉴权中心AUC、移动设备识别寄存器EIR、 操作维护中心OMC)和面向固定网(公用电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN、电路交换公用数据网CSPDN)的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。移动业务交换中心MSC可从归属用户位置寄存器(HLR)、 访问用户位置寄存器(VLR)和鉴权中心(AUC)这三种数据库获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。MSC可为移动用户提供如下的系列业务：电信业务。承载业务。补充业务。(2)访问用户位置寄存器(VLR)。访问用

9、户位置寄存器(VLR)是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息， 为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。(3)归属用户位置寄存器(HLR)。归属用户位置寄存器(HLR)是GSM系统的中央数据库， 存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。(4)鉴权中心(AUC)。GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的语音、数据和信号信息进行保密等。(5)移动用户识别寄存器(EIR)。移动用户识别寄存器(EIR)存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格(在表格中分别列出了准许使用的、

10、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码)，使得运营部门对于不管是失窃还是由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的MS设备，都能采取及时的防范措施，以确保网络内所使用的移动设备的惟一性和安全性。8.1.4接口和接口协议为了保证网络运营部门能在充满竞争的市场条件下， 灵活地选择不同供应商提供的数字蜂窝移动通信设备，GSM系统在制定技术规范时，就对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了比较具体的定义， 使不同供应商提供的GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通、组网的目的。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。如图8-4所示。这三

11、种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、 基站子系统和网络子系统设备能纳入同一个GSM数字移动通信网运行和使用。图8-4GSM系统的主要接(1)A接口。A接口定义为网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的互连接口，其物理链接通过采用标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现。(2)Abis接口。Abis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， 用于BTS(不与BSC并置)与BSC之间的远端互连方式，物理链接通过采用标准的2.

12、048Mbs或64kb/sPCM数字传输链路来实现。图8-4所示的BS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10m，此接口支持所有向用户提供的服务，并支持所有面向用户提供的服务， 并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。(3)Um接口(空中接口)。Um接口(空中接口)定义为移动台与基站收发信台(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， 其物理链接通过无线链路实现。 此接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。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

13、)、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， 因此GSM技术规范定义了不同的接口以保证各功能实体之间的接口标准化。其示意图如图8-5所示。图8-5网络子系统内部接口示意图(1)D接口。D接口定义为归属用户位置寄存器(HLR)与访问用户位置寄存器(VLR)之间的接口。(2)B接口。B接口定义为访问用户位置寄存器(VLR)与移动业务交换中心(MSC)之间的内部接口，用于移动业务交换中心(MSC)向访问用户位置寄存器(VLR)询问有关移动台(MS)当前位置信息或者通知访问用户位置寄存器(VLR)有关移动台(MS)的位置更新信息等。(3)C接口。C接口定义为归属用户位

14、置寄存器(HLR)与移动业务交换中心(MSC)之间的接口。用于传递路由选择和管理信息。(4)E接口。E接口定义为控制相邻区域的不同移动业务交换中心(MSC)之间的接口。(5)F接口。F接口定义为移动业务交换中心(MSC)与移动设备识别寄存器(EIR)之间的接口。 用于交换相关的国际移动设备识别码管理信息。(6)G接口。G接口定义为访问用户位置寄存器(VLR)之间的接口。3GSM系统与其它公用电信网的接口其它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

15、口必须满足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。根据我国现有公用电话网(PSTN)的发展现状和综合业务数字网(ISDN)的发展前景，GSM系统与PSTN和ISDN网的互连方式采用7号信令系统接口， 其物理链接方式是通过MSC与PSTN和ISDN或ISDN交换机之间标准2.048Mb/sPCM数据传输链路实现的。4.各接口协议GSM系统各功能实体之间的接口定义明确，同样， GSM规范对各接口所使用的分层协议也作了详细的定义。协议是各功能实体之间共同的“语言”。通过各个接口互相传递有关的消息，为完成GSM系统的全部通信和管理功能建立起有效的信息

16、传送通道。图8 - 6给出了GSM系统主要接口所采用的协议分层示意图。图8-6系统主要接口的协议分层示意图8.2 GSM蜂窝系统的无线传输方式8.2.1TDMA/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(TDMAFDMA/FDD)制式。 在25 MHz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0.577 ms。 8个时隙构成一个TDMA帧，帧长为4.615ms，如图8-7所示。图8-7TDMAFDMA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890915MHz下行(基站发、移动台收)为935960MHz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。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)MHz式中，n=1124。例如n=1，fl(1