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1、第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统,5.1 蜂窝概念5.2 GSM系统原理5.3 GSM系统总体与接口 5.4 GSM系统的区域与号码5.5 GSM系统的信道配置5.6 GSM系统的控制与管理 5.7 GPRS通用分组无线业务 思考题与习题,1、区域覆盖:通常人们习惯地按照覆盖区半径大小、服务区的几何形状来对系统的网络结构分类。按照覆盖区半径的大小，分成大区网、小区网；按照服务区的几何形状，分成带状网、蜂房状网等等。(1)大区制：是指在一个服务区域（一个城市或一个地区）内只设置一个基站，由它负责移动通信的联络和控制。通常基站天线架设的比较高，发射机的输出功率也比较大，为25200W,覆盖区域半
2、径一般为2550km,用户容量为几十至几百个。这种方式的优点是组网简单、投资少，一般在用户密度不大或业务量较少的区域使用。因为服务区域内的频率不能重复使用，无法满足大容量通信的要求。,5.1 蜂窝概念,(2)小区制：是指将一个服务区划分为若干个无线小区（小块的区域），每个小区分别设置一个基站，由它负责移动通信的联络和控制。其基本思想是用许多的小功率发射机（小覆盖区域）来代替单个大功率发射机（大覆盖区域），相邻的基站则分配不同的频率，每个小区设置一个发射功率为520W的小功率基站，覆盖区域半径为510km。因为每个小区分配不同的频率，所以需要大量的频率资源、频谱利用率低，为了提高频谱利用率，需将
3、相同的频率在相隔一定距离的小区中重复使用，并保证使用相同频率的小区（同频小区）之间的干扰足够小，这种技术称为同频复用。,(3)带状网：带状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等，其服务区内的用户呈带状分布。带状网的基站天线若为定向天线辐射，服务覆盖区为扁圆形的；基站天线若为全向天线辐射，服务覆盖区为圆形的。带状网可进行频率复用，可采用不同信道的两个或多个小区组成一个区群，在一个区群内各小区使用不同的频率，不同的区群可以使用相同的频率，一般有双频群、三频群或多频群。从成本和资源利用率而言，双频群最好；但从抗频干扰而言，双频群最差，应考虑三频群或多频群比较有利。,(4)蜂窝网：正六边形小区所覆盖的面积最
4、大,如果用正六边形作小区覆盖模型，可用最少的小区数量就能覆盖整个服务区域，这样所需的基站数良最少，也就最经济；而且正六边形最接近圆形的辐射模式，基站的全向天线和自由空间传播辐射模式都是圆形的。正六边形构成的网络形同蜂窝，因此把小区形状为正六边形的小区制移动通信网称为移动蜂窝网。移动蜂窝网的出现是移动通信的一次革命，采用的频率复用技术大大提高了频谱利用率和增大了系统容量，网络智能化实现了越区切换和漫游功能，大大扩大了用户的服务范围。基于蜂窝状的小区制是目前公共移动通信网的主要覆盖方式。常见的蜂窝移动通信系统按照功能的不同可以分为四类，它们分别是宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝以及智能蜂窝，通常这四种蜂窝
5、技术各有特点。,宏蜂窝 在网络运营初期，运营商的主要目标是建设大型的宏蜂窝小区，取得尽可能大的地域覆盖率，宏蜂窝每小区的覆盖半径大多为1km25km，由于覆盖半径较大，所以基站的发射功率较强，一般在10W以上，基站天线尽可能做得很高。微蜂窝 微蜂窝技术具有覆盖范围小、传输功率低以及安装方便灵活等，该小区的覆盖半径为30m300m，发射功率较小,一般在1W以下；基站天线置于相对低的地方（一般高于地面5m-10m),传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。微蜂窝可以作为宏蜂窝的补充和延伸，微蜂窝的应用主要有两方面：一是提高覆盖率，应用于一些宏蜂窝很难覆盖到的盲点地区，如地铁、地下室；二是提
6、高容量，主要应用在高话务量地区，如繁华的商业街、购物中心、体育场等。,微微蜂窝 随着容量需求进一步增长，运营者可按同一规则安装第三或第四层网络，即微微蜂窝小区。微微蜂窝实质就是微蜂窝的一种，只是它的覆盖半径更小，一般只有10m30m；基站发射功率更小，大约在几十毫瓦左右；其天线一般装于建筑物内业务集中地点。微微蜂窝也是作为网络覆盖的一种补充形式而存在的，它主要用来解决商业中心、会议中心等室内“热点”的通信问题。智能蜂窝 智能蜂窝是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线系统，智能地监测移动台所处的位置，并以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。智能蜂窝小区既可以是宏蜂窝，也
7、可以是微蜂窝。利用智能蜂窝小区的概念进行组网设计，能够显著地提高系统容量，改善系统性能。,分级蜂窝结构,它包括宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝。每种蜂窝执行早已定义好的不同功能，即：宏蜂窝用于处理快速移动车辆的业务；微蜂窝处理慢速移动，集中于步行或交通阻塞车辆的业务；微微蜂窝用于覆盖商场和办公区等室内区域。当用户接入时，系统根据所测得的信号强度和各蜂窝的容量为某一呼叫选择最恰当的蜂窝(宏蜂窝、微蜂窝或微微蜂窝)，层间切换与普通的蜂窝切换一样，切换点由系统决定，由移动台自动辅助切换测量来完成，切换过程还取决于当时各级的容量，如果微蜂窝和微微蜂窝已饱和，业务将切换至更高一级的蜂窝。,GSM数字移动通信系统
8、采用蜂窝区群结构和频率复用技术，采用频分多址和时分多址，基于时间分割信道。5.2.1 多址方案 GSM系统基于时间分割信道。如图5.1所示，MS1占用时隙1，MS2占用时隙2，MSK占用时隙K，这些时隙互不重叠。,5.2 GSM系统原理,每帧分为8个时隙，时隙和移动用户一一对应。,5.2.2 GSM系统的同步与定时 由于移动台的运动，通信双方的距离是变化的。各个移动台的突发信号，会因距离的变化而引起传播时延的变化，造成基站接收多个移动台的突发，发生重叠。如图5.2所示。因此，需要考虑整个系统的定时、保护时间和定时提前量。,系统的定时，即网同步，采用独立时钟法或采用主从时钟法来实现。独立时钟法要
9、求系统内的每一个终端都设有高精度时钟，经过全网定时校正后，利用时钟的高稳定性保持系统的高精度定时同步。主从时钟法采用全球定位系统(GPS)，各个终端设备的GPS接收机获得GPS时基，使全网定时同步。GSM蜂窝移动通信系统，在基站设置高精度的主时钟，定时向全网广播定时信息。系统内的终端接收主时钟定时信息，将从时钟锁定到主时钟上，从而保证全网的定时同步。保护时间与移动台在小区内的最大活动半径有关，半径越大则保护时间设置的越大。定时提前量调整距离变化带来的影响，其大小与移动台与基站间距离成正比。,5.3.1 网络结构 GSM技术更先进，功能更完备且通信更可靠，并能适应方便地与其它数字通信网(如综合业
10、务数字网ISDN、公用数据网PDN)的互连。,5.3 GSM系统总体与接口,由图可见，GSM蜂窝系统的主要组成部分可分为基站子系统、网络子系统、操作维护子系统。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)、归属位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)和移动设备识别寄存器(EIR)等组成；操作维护子系统(OMC)。一个MSC可管理多达几十个基站控制器。由MS、BS和网络子系统构成公用陆地移动通信网，网络通过移动业务交换中心（MSC）还与公共交换电话网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）、公用移动网络（
11、PLMN）以及公共数据网（PSPDN）相联接。,1.网络子系统(NSS)网络子系统对GSM移动用户之间通信和移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。其主要功能包括：交换、移动性管理与安全性管理等。NSS由很多功能实体构成，它们之间的信令传输都符合CCITT信令系统7 号协议。(1)移动交换中心(MSC)。是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可完成网络接口、信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。,(2)归属位置寄存器(HLR)。它可以看作是
12、GSM系统的中央数据库，存储该HLR管辖区的所有移动用户的有关数据。它主要存储两类信息：其中，一是有关客户的参数（静态数据）有移动用户号码、访问能力、用户类别和补充业务等。二是有关客户目前所处位置的信息（有关动态信息数据），以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等此外。(3)访问位置寄存器(VLR)。它存储进入其控制区域内来访移动用户的有关数据，这些数据是从该移动用户的原籍位置寄存器获取并进行暂存的，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则临时存储的该移动用户的数据就会被删除。因此，VLR可看作是一个动态用户的数据库。,(4)鉴权中心（AUC）。GSM系统采取了特别的通信安全措施，包
13、括对移动用户鉴权，对无线链路上的话音、数据和信令信息进行保密等。用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。通常，HLR、AUC合设在一个物理实体中，VLR、MSC合设于一个物理实体中，MSC、VLR、HLR、AUC、EIR也可合设于一个物理实体中。,(5)移动设备识别寄存器(EIR)。它存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查白色、黑色和灰色三种清单，运营部门就可判断出移动设备是属于准许使用的，还是失窃而不准使用的，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，以确保网络内所使用的移动设备的
14、惟一性和安全性。（1）白名单存贮已分配给可参与运营的GSM各国的所有设备识别标识IMEI。（2）黑名单存贮所有应被禁用的设备识别标识IMEI。（3）灰名单存贮有故障的以及未经型号认证的设备识别标识IMEI，由网路运营者决定（运营商目前没有使用）,2.基站子系统(BSS)基站子系统(BSS)是GSM系统的基本组成部分。它通过无线接口与移动台相接，进行无线发送、接收及无线资源理。另一方面，基站子系统与网络子系统(NSS)中的移动交换中心(MSC)相连，实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间的通信连接。基站子系统主要由基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC)构成。一个基站控制器最多可控制5
15、12(1024TRX)个BTS。BTS可以直接与BSC相连接，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。,（1）BSC：具有对一个或多个BTS进行控制以及相应呼叫控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。BSC以及相应的BTS组成了BSS(基站子系统)BSC8 BM8 x 128MAX:1024TRX(512BTS)100TRX/BM(HW=64),（2）BTS：为一个小区服务的无线收发信设备，无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。
16、BTS-12TRX/机柜-S 24/24/24（3）码型变换器（TC）：码型变换器TC主要完成16kbit/s编码和64kbit/s A律PCM之间的语音变换。在典型的实施方案中，TC位于MSC与BSC之间。当TC位于MSC侧时，通过MSC和BSC之间以及BSC和BTS之间的传输线路子复用器SM、BIE，可以充分利用在空中接口使用的低语音编码传输速率，降低传输线路的成本。BSC与TC之间的接口称为Ater接口；在TC与MSC之间的接口称为A接口,3.操作维护子系统（OSS）：它主要是对整个网络网元进行管理和监控。通过它实现对网络内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。依据厂家的实现方式
17、可分为无线子系统的操作维护中心(OMC-R)和交换子系统的操作维护中心(OMC-S)。(可以合设、分设）它主要具有以下功能：维护测试功能、障碍检测及处理功能、系统状态监视功能、系统实时控制功能、局数据的修改、性能管理、用户跟踪、告警、话务统计功能等。OMC的功能大部分分布在MSC/VLR、HLR/AUC、BSS等实体中与操作维护相关的有关模块中完成，OMC操作台主要实现OMC的人机接口。OMC功能与一般的维护台功能类似，但需遵守相关规范要求。,图5.6 OSS基本结构,4.移动台 移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡（SIM）。根据业务的状况，移动设备可包括
18、移动终端(MT)，终端适配功能(TAF)和终端设备(TE)等功能部件。移动终端就是“手机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。SIM卡是（Subscriber Identity Model客户识别模块）的缩写，也称为智能卡、用户身份识别卡。SIM卡上存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入进网。,5.GSM网络接口 在实际的GSM通信网络中，由于网络规模不同、运营环境不同和设备生产厂家的不同，上述的各个部分可以有不同的配置方法。比
19、如，把MSC和VLR合并在一起，或者把HLR、EIR和AUC合并为一个实体。不过，为了各个厂家所生产的设备可以通用，上述各部分的连接都必须严格符合规定的接口标准及相应的协议。GSM系统各部分之间的接口如图 5.7 所示。,图 5.7 GSM系统的接口,(1)主要接口。GSM系统的主要接口是指A接口(标准）、Abis接口(非标）和Um接口(标准）。这三种主要接口的定义和标准化可保证不同厂家生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能够纳入同一个GSM移动通信网运行和使用。A接口(标准）：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。(不同厂家NSS与BSS可以互联互通）当B
20、SC与MSC不在同一站址，为节省BSC与MSC间传输线路，应尽量采用16Kbit/s*4的子复用设备(符合CCITT RecI460)。,Abis接口(非标准）：Abis接口定义为基站子系统的基站控制器(BSC)与基站收发信机两个功能实体之间的通信接口，用于BTS(不与BSC放在一处)与BSC之间的远端互连方式。当BSC与BTS之间的距离小于10米时，BSC与BTS间采用直接互连方式，此时的接口称为BS接口，属于Abis接口的特例（BS接口10m)(不同厂家BSC与BTS不能互联互通）Um接口(空中接口)(标准）：Um接口(空中接口)定义为移动台(MS)与基站收发信机(BTS)之间的无线通信接
21、口。为了保证用户终端的全国漫游乃至全球漫游，在某种型号的用户终端上市前必须通过严格的兼容性测试。(不同厂家MS与BSS可以互联互通）,人机接口Sm：指用户与网络间的接口。主要包括用户对移动终端进行的操作程序，移动终端向用户提供的显示、信号音等。此接口还包括用户识别卡(SIM)与移动终端(ME)间接口的内容。(2)网络子系统内部接口。它包括B、C、D、E、F、G接口。B接口：B接口定义为移动交换中心(MSC)与访问位置寄存器(VLR)之间的内部接口，用于MSC向VLR询问有关移动台(MS)当前位置信息或者通知VLR有关MS的位置更新信息等。,C接口(标准）：定义为MSC与HLR之间的接口，用于传
22、递路由选择和管理信息，两者之间是采用标准的 2.048 Mb/sPCM数字传输链路实现的。(不同厂家MSC与HLR可以互联互通）D接口：定义为HLR与VLR之间的接口，用于交换移动台位置和用户管理的信息，保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼叫。由于VLR综合于MSC中，因此D接口的物理链路与C接口相同。E接口(标准）：定义为相邻区域的不同移动交换中心之间的接口，用于移动台从一个MSC控制区到另一个MSC控制区时交换有关信息，以完成越区切换。(不同厂家MSC与MSC可以互联互通）,F接口：定义为MSC与移动设备识别寄存器(EIR)之间的接口，用于交换相关的管理信息。G接口：接口定义为两个VLR
23、之间的接口。(3)GSM系统与其它公用电信网接口。GSM系统通过MSC与公用电信网互连，一般采用7号信令系统接口。其物理链接方式是通过在MSC与 PSTN或ISDN交换机之间采用 2.048 Mb/s 的PCM数字传输链路来实现的。,Ai接口：MSC与 PSTN间的接口，物理链接通过MSC与PSTN之间的标准2Mbit/S的PCM数字传输链路来实现。Ai接口还应具有采用中国 1号信令的能力。Di接口：MSC与ISDN之间的接口,物理链接通过MSC与ISDN之间的标准2Mbit/S的PCM数字传输链路来实现。O接口：移动业务交换中心、基站子系统至操作维护中心OMC接口。此接口基于2.4-64Kb
24、it/s CCITT X.25接口或64kbit/s的No.7信令网接口。应基于TMN Q3协议。P接口：MSC与短消息业务中心(MC)之间的接口。N接口：HIR与短消息业务中心(MC)之间的接口。,5.4.1 GSM的区域、号码、地址与识别 1.区域定义 GSM系统属于小区制大容量移动通信网，在它的服务区内设置有很多基站，移动通信网在此服务区内，具有控制、交换功能，以实现位置更新、呼叫接续、越区切换及漫游服务等功能。在由GSM系统组成的移动通信网络结构中，其相应的区域定义如图 5.8 所示。,5.4 GSM系统的区域与号码,图 5.8 GSM的区域定义,(1)GSM服务区：是指移动台可获得服
25、务的区域，即不同通信网(如PSTN或ISDN)用户无需知道移动台的实际位置而可与之通信的区域。(中国GSM网）(2)公用陆地移动通信网(PLMN)：一个公用陆地移动通信网(PLMN)可由一个或若干个移动交换中心组成。(3)MSC区：MSC区系指一个移动交换中心所控制的区域，通常它连接一个或若干个基站控制器，每个基站控制器控制多个基站收发信机。,(4)位置区：位置区一般由若干个小区(或基站区)组成，移动台在位置区内移动无需进行位置更新。通常呼叫移动台时，向一个位置区内的所有基站同时发寻呼信号。(5)基站区。基站区系指基站收发信机有效的无线覆盖区，简称小区。(6)扇区：当基站收发信天线采用定向天线
26、时，基站区分为若干个扇区。（3扇区1200，1扇区3600),2.GSM系统的号码 各种号码的定义及用途如下：(1)移动用户识别码。在GSM系统中，每个用户均分配一个惟一的国际移动用户识别码(IMSI)。此码在所有位置(包括在漫游区)都是有效的。通常在呼叫建立和位置更新时，需要使用IMSI。IMSI的组成如图 5.9 所示。,IMSI的总长不超过 15 位数字，每位数字仅使用 09 的数字。,图 5.9 国际移动用户识别码(IMSI)的格式,MCC:移动用户所属国家代号，占3位数字，中国的MCC规定为 460。MNC：移动网号码，最多由两位数字组成，用于识别移动用户所归属的移动通信网。移动：0
27、0；联通：01 MSIN:移动用户识别码，用以识别某一移动通信网(PLMN)中的移动用户。由MNC和MSIN两部分组成国内移动用户识别码(NMSI)。中国MSIN：H1H2H3 S XXXXXX H1H2H3-HLR编号,(2)临时移动用户识别码。考虑到移动用户识别码的安全性，GSM系统能提供安全保密措施，即空中接口无线传输的识别码采用临时移动用户识别码(TMSI)代替IMSI。两者之间可按一定的算法互相转换。访问位置寄存器(VLR)可给来访的移动用户分配一个TMSI(只限于在该访问服务区使用)。,(3)国际移动设备识别码。国际移动设备识别码(IMEI)是区别移动台设备的标志，可用于监控被窃或
28、无效的移动设备。IMEI的格式如图 5.10 所示。,TAC:型号批准码，由欧洲型号标准中心分配。FAC:装配厂家号码。SNR:产品序号，用于区别同一个TAC和FAC中的每台移动设备。SP:备用。,图 5.10 国际移动设备识别码(IMEI)的格式,(4)移动台的号码。移动台的号码类似于PSTN中的电话号码，是在呼叫接续时所需拨的号码，其编号规则应与各国的编号规则相一致。移动台的号码有下列两种：移动台国际ISDN号码(MSISDN)。MSISDN为呼叫GSM系统中的某个移动用户所需拨的号码。一个移动台可分配一个或几个MSISDN号码，其组成格式如图 5.11 所示。,CC:国家代号，即移动台注
29、册登记的国家代号，中国为 86。,我国国内有效ISDN号码的结构为：,国内有效ISDN号码为一个十一位数字的等长号码。(a)移动业务接入号（N1N2N3）识别不同的移动系统，目前邮电的移动业务接入号为135139(159)；联通为130、131。(b)HLR识别号（H1H2H3）HLR识别号中H1H2全国统一分配；H3由各省自行分配。HLR可包含一个或若干个H1H2H3数值。移动用户号（ABCD）ABCD为每个HLR中移动用户的号码，由各HLR自行分配。,移动台漫游号码(MSRN)。当移动台漫游到一个新的服务区时，由VLR给它分配一个临时性的漫游号码，并通知该移动台的HLR，用于建立通信路由。
30、一旦该移动台离开该服务区，此漫游号码即被收回，并可分配给其它来访的移动台使用。漫游号码的组成格式与移动台国际(或国内)ISDN号码相同。它的结构86-13SM0 0 M1M2M3 ABC M1M2M3为MSC的号码，M1M2与MSISDN号码中的H1H2相同。如86-13900477089。,(5)位置区和基站的识别码。位置区识别码(LAI)。在检测位置更新和信道切换时，要使用位置区识别码(LAI)。LAI的组成格式如图 5.12 所示。,图 5.12 位置区识别码的格式,基站识别色码(BSIC)。基站识别色码(BSIC)用于移动台识别相同载频的不同基站，特别用于区别在不同国家的边界地区采用相
31、同载频且相邻的基站。BSIC为一个 6 比特编码，其格式如图 5.13 所示。NCC:PLMN色码，用来识别相邻的PLMN网。BCC：BTS色码，用来识别相同载频的不同的基站。,图 5.13 基站识别色码(BSIC)的格式,5.4.2 主要业务 电信业务、承载业务、补充业务、智能业务平台与增值业务（1）承载业务：为通信的双方提供一个数字信号传送管道，通信双方可以在这个通信管道的基础上进行更高协议层上的应用通信。如：移动上网、移动IP电话、远程测量等。（2）补充业务：提供对基本业务的增强或限制。可分为号码识别类、呼叫提供类、呼叫限制类、呼叫完成类、多方通话类、集群通话类、计费类、附加信息传送类-
32、7大类。,号码识别类：CLIP（主叫号码显示）、CLIR（主叫号码识别限制）、COLP（被连号码显示）、COLR（被连号码识别限制）、CI（恶意呼叫识别)（3）智能业务平台与增值业务：将业务逻辑和业务逻辑生成功能从交换设备中独立出去形成新的网络。GSM系统能提供 6 类 10 种电信业务，其编号、名称、业务类型及实现阶段见表 5-2。,表 5-2 GSM电信业务分类,GSM系统工作频段：收、发频率间隔为 45 MHz。上行(移动台发、基站收)890915 MHz下行(基站发、移动台收)935960 MHz,5.5 GSM系统的信道配置,5.5.1 GSM系统无线传输特征1、频率与频道序号,随着
33、业务的发展，可视需要向下扩展，或向1.8GHz频段的DCSI800过渡，即1800MHz频段：17101785（移动台发、基站收）18051880（基站发、移动台收）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。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。,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 0.2 MHz，因此GSM系统整个工作频段分为 1
34、24 对载频，其频道序号用n表示，则上、下行两频段中序号为n的载频可用下式计算：下行频段 fl(n)=(890+0.2 n)MHz(5-1)上行频段 fh(n)=(935+0.2 n)MHz(5-2),频道配置：采用等间隔频道配置方法，频道序号为76124，共49个频点（见图5.14）。频道序号和频点标称中心频率的关系为：,2、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。这一调制方案由于改善了频谱特性，从而能满足CCIR提出的邻信道功率电平小于-60 dBW的要求。高斯滤波器的归一化带宽 Bt=0.3，基于200 kHz的载频间隔及
35、 270.833 kb/s的信道传输速率，其频谱利用率为(1.35 b/s)/Hz。,GSM系统中，基站发射功率为20W每载波。移动台发射功率分为0.8W、2W、5W、8W和20W五种，可供用户选择。小区覆盖半径最大为35 km，最小为 500 m，前者适用于农村地区，后者适用于市区。,5.5.2 信道类型及其组合 1.帧结构 图 5.15 给出了GSM系统各种帧及时隙的格式。每一个TDMA帧分 07 共 8 个时隙，帧长度为120/26 4.615 ms。每个时隙含 156.25 个码元，占120/26/8 0.577 ms。,图 5.15 GSM系统各种帧及时隙的格式,由若干个TDMA帧构
36、成复帧，其结构有两种：一种是由26帧组成的复帧，这种复帧长 120 ms，主要用于业务信息的传输，也称作业务复帧；另一种是由 51 帧组成的复帧，这种复帧长 235.385 ms，专用于传输控制信息，也称作控制复帧。由 51 个业务复帧或 26 个控制复帧均可组成一个超帧，超帧的周期为1326个TDMA帧，超帧长51264.61510-3 6.12 s。由 2048 个超帧组成超高帧，超高帧的周期为20481326=2 715 648 个TDMA 帧，即 12533.76 秒，也即3 小时 28 分 53 秒 760 毫秒。帧的编号(FN)以超高帧为周期，从 0 到 2715647。,2.信道
37、分类 图 5.16 示出了GSM系统的信道分类。(1)业务信道:业务信道TCH主要传输数字话音或数据，其次还有少量的随路控制信令。话音业务信道。载有编码话音的业务信道分为全速率话音业务信道(TCH/FS)和半速率话音业务信道(TCH/HS)，两者的总速率分别为 22.8 kb/s和11.4 kb/s。,图 5.16 GSM系统的信道分类,数据业务信道。在全速率或半速率信道上，通过不同的速率适配和信道编码，用户可使用下列各种不同的数据业务：9.6 kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F9.6)4.8 kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F4.8)4.8 kb/s,半速率数据业务信道(TCH/
38、H4.8)2.4 kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F2.4)2.4 kb/s,半速率数据业务信道(TCH/H2.4),(2)控制信道。控制信道(CCH)用于传送信令和同步信号，主要分为三种：广播信道(BCH)、公共控制信道(CCCH)和专用控制信道(DCCH)。广播信道(BCH)。广播信道是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向移动台广播公用的信息，传输的内容主要是移动台入网和呼叫建立所需要的有关信息。广播信道又分为：,频率校正信道(FCCH)：传输供移动台校正其工作频率的信息；同步信道(SCH)：传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息，因为基站识别码是在同步信道上传输的;广
39、播控制信道(BCCH)：传输系统公用控制信息，例如公共控制信道(CCCH)号码以及是否与独立专用控制信道(SDCCH)相组合等信息。,公用控制信道(CCCH)。CCCH是一种双向控制信道，用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。公用控制信道又分为：寻呼信道(PCH)：传输基站寻呼移动台的信息；随机接入信道(RACH)：这是一个上行信道，用于移动台随机提出入网申请，即请求分配一个独立专用控制信道(SDCCH)；准许接入信道(AGCH)：这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网申请作出应答，即分配一个独立专用控制信道。,专用控制信道(DCCH)：这是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼
40、叫接续阶段以及在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。专用控制信道又分为：独立专用控制信道(SDCCH)：用于在分配业务信道之前传送有关信令。慢速辅助控制信道(SACCH)：在移动台和基站之间，需要周期性地传输一些信息。快速辅助控制信道(FACCH)：传送与SDCCH相同的信息，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制信道。,3.时隙的格式 在GSM系统中，每帧含 8 个时隙，时隙的宽度为 0.577 ms，其中包含156.25 bit。TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。根据所传信息的不同，时隙所含的具体内容及其组成的格式也不相同。(1)常规突发(NB,
41、Normal Burst)脉冲序列。常规突发脉冲序列亦称普通突发脉冲序列，用于业务信道及专用控制信道，其组成格式如图 5.17 所示。,图 5.17 突发脉冲序列的格式,(2)频率校正突发(FB,Frequency Correction Burst)脉冲序列。频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率，其格式比较简单，参见图 5.17 所示。(3)同步突发(SB，Synchronisation Burst)脉冲序列。同步突发脉冲序列用于移动台的时间同步。其格式参见图 5.17，主要组成包括 64 bit的同步信号(扩展的训练序列)，以及两段各 39 bit的数据，用于传输TDMA帧号和基站识
42、别码(BSIC)。,(4)接入突发(AB,Access Burst)脉冲序列。接入突发脉冲序列用于上行传输方向，在随机接入信道(RACH)上传送，用于移动用户向基站提出入网申请。接入突发脉冲序列的格式如图 5.17 所示。1个时隙=156.25bit=0.577ms-3.7us/bit 时间超前量变 TA=0233us-63bit 覆盖距离=233 x C/2=35 km 扩展小区（时隙捆绑）TA=63+156.25(1个时隙)=219.25(bit)覆盖距离=3.7 x 219.25x C/2=120 km,5.5.3 间断传输技术(话音激活DTx)为了提高频谱利用率，GSM系统还采用了话音
43、激活技术。此技术也被称为间断传输(DTx)技术，其基本原则是只在有话音时才打开发射机，这样可以减小干扰，提高系统容量。采用DTx技术，对移动台来说更有意义，因为在无信息传输时立即关闭发射机，可以减少电源消耗。GSM中，话音激活技术采用一种自适应门限话音检测算法。,5.6 GSM系统的控制与管理 5.6.1 鉴权与加密 由于空中接口极易受到侵犯，GSM系统为了保证通信安全，采取了特别的鉴权与加密措施。鉴权是为了确认移动台的合法性，而加密是为了防止第三者窃听。鉴权中心(AUC)为鉴权与加密提供了三参数组(RAND、SRES和Kc)，在用户入网签约时，用户鉴权密钥Ki连同IMSI一起分配给用户，这样
44、每一个用户均有惟一的Ki和IMSI，它们存储于AUC数据库和SIM(用户识别)卡中。,每个客户在签约(注册登记)时，就被分配一个客户号码(客户电话号码)和客户识别码(IMSI)。IMSI通过SIM写卡机写入客户SIM卡中，同时在写卡机中又产生一个对应此IMSI的唯一的客户鉴权键Ki，它被分别存储在客户SIM卡和AUC中。AUC中还有个伪随机码发生器，用于产生一个不可预测的伪随机数(RAND)。RAND和Ki经AUC中的A8算法(也叫加密算法)产生一个Kc(密钥)，经A3算法(鉴权算法)产生一个响应数(SRES)。由产生Kc和SRES的RAND与Kc、SRES一起组成该客户的一个三参数组，传送给
45、HLR，存储在该客户的客户资料库中。一般情况下，AUC一次产生5组三参数，传送给HLR，HLR自动存储。HLR可存储10组三参数，当MSCVLR向HLR请求传送三参数组时，HLR又一次性地向MSCVLR传5组三参数组。MSCVLR一组一组地用，用到剩2组时，再向HLR请求传送三参数组。,图 5.18 AUC产生三参数组,根据HLR的请求，AUC按下列步骤产生一个三参数组，参见图5.18。,鉴权 无论是移动台主呼或被呼，都有鉴权过程，鉴权程序如下图5.19所示。,鉴权过程主要涉及到AUC、HLR、MSC/VLR和MS，它们均各自存储着与用户有关的信息或参数。当MS发出入网请求时，MSC/VLR就
46、向MS发送RAND，MS使用该RAND以及与AUC内相同的鉴权密钥Ki和鉴权算法A3,计算出符号响应SRES，然后把SRES回送给MSC/VLR,验证其合法性。在数字移动通信系统中，用户接入网络系统（开机、起呼、寻呼等），需要对用户合法性进行检查，具体包括两部分：(1)用户终端的合法性；(2)用户身份的合法性。2.加密 GSM系统为确保用户信息(话音或非话音业务)以及与用户有关的信令信息的私密性，在BTS与MS之间交换信息时专门采用了一个加密程序，如下图5.20 所示。,3.设备识别 每一个移动台设备均有一个惟一的移动台设备识别码(IMEI)。在EIR中存储了所有移动台的设备识别码，每一个移动
47、台只存储本身的IMEI。设备识别的目的是确保系统中使用的设备不是盗用的或非法的设备。为此，EIR中使用三种设备清单：白色、黑色和灰色三种清单,4.用户识别码(IMSI)保密 为了防止非法监听进而盗用IMSI，当在无线链路上需要传送IMSI时，均用临时移动用户识别码(TMSI)代替IMSI，仅在位置更新失败或MS得不到TMSI时才使用IMSI。MS每次向系统请求一种程序，如位置更新、呼叫尝试等，MSC/VLR将给MS分配一个新的TMSI。下图 5.21 示出了位置更新时使用的新的TMSI程序。,5.PIN码 SIM卡上设置了PIN码操作(类似计算机上的Password功能)。PIN码是由4-8位
48、数字组成，其位数由客户自己决定。如客户输入了一个错误的PIN码，它会给客户一个提示，重新输入，若连续3次输入错误，SIM 卡就被闭锁，即使将SIM卡拔出或关掉手机电源也无济于事。闭锁后，用“个人解锁码”可以解锁，它由8位数字组成。若连续10次输入错误“个人解锁码”，SIM卡将再一次闭锁，这时只有到SIM卡管理中心，由SIM卡业务激活器解决。,5.6.2 GSM基本业务流程一、移动用户状态 移动用户一般处于MS开机(空闲状态)、MS关机和MS三种状态之一，因此网络需要对这三种状态作相应的处理。1.MS开机，网络对它作“附着”标记，分以下三种情况：(1)若MS是第一次开机：在SIM卡中没有位置区识
49、别码(LAI)，MS向MSC发送“位置更新请求”消息，通知GSM系统这是一个此位置区的新用户。MSC根据该用户发送的IMSI号，向HLR发送“位置更新请求”，HLR记录发请求的MSC号以及相应的VLR号，并向MSC回送“位置更新接受”消息。至此MSC认为MS已被激活，在VLR中对该用户对应的IMSI上作“附着”标记，再向MS发送“位置更新证实”消息，MS的SIM卡记录此位置区识别码。,(2)若MS不是第一次开机，而是关机后再开机的，MS接收到的LAI与它SIM卡中原来存储的LAI不一致，则MS立即向MSC发送“位置更新请求”，VLR要判断原有的LAI是否是自己服务区的位置：如判断为肯定，MSC
50、只需要对该用户的SIM卡原来的LAI码改成新的LAI码即可。若为否定，MSC根据该用户的IMSI号中的信息，向HLR发送“位置更新请求”，HLR在数据库中记录发请求的MSC号，再回送“位置更新接受”，MSC再对用户的IMSI作“附着”标记，并向MS回送“位置更新证实”消息，MS将SIM卡原来的LAI码改成新的LAI码。(3)MS再开机时，所接收到的LAI与它SIM卡中原来存储的LAI相一致：此时VLR只对该用户作“附着”标记。,2.MS关机，从网络中“分离”MS切断电源后，MS向MSC发送分离处理请求，MSC/VLR对该MS对应的IMSI上作“分离”标记。当该用户被寻呼后，HLR向拜访MSC/
