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1、第7章 时分多址(TDMA)数字蜂窝网,7.1 GSM系统总体 7.2 GSM系统的无线接口 7.3 GSM系统的控制与管理 7.4 三种TDMA蜂窝系统分析比较 7.5 GPRS通用分组无线业务 思考题与习题,7.1 GSM系统总体,GSM的历史可以追溯到 1982 年，当时，北欧四国向欧洲邮电行政大会CEPT(Conference Europe of Post and Telecommunications)提交了一份建议书，要求制定 900 MHz频段的欧洲公共电信业务规范，建立全欧统一的蜂窝网移动通信系统，以解决欧洲各国由于采用多种不同模拟蜂窝系统造成的互不兼容，无法提供漫游服务的问题。
2、,同年成立了欧洲移动通信特别小组，简称GSM(Group Special Mobile)。在19821985年期间，讨论焦点是制定模拟蜂窝网还是数字蜂窝网的标准，直到 1985年才决定制定数字蜂窝网标准。1986 年，在巴黎对欧洲各国经大量研究和实验后所提出的8个数字蜂窝系统进行了现场试验。1987年 5月，GSM成员国经现场测试和论证比较，选定窄带TDMA方案。,1988 年，18 个欧洲国家达成GSM谅解备忘录，颁布了GSM标准，即泛欧数字蜂窝网通信标准。它包括两个并行的系统：GSM 900 和DCS 1800，这两个系统功能相同，主要的差异是频段不同。在GSM标准中，未对硬件作出规定，只
3、对功能、接口等作了详细规定，便于不同公司的产品可以互连互通。GSM标准共有 12 项内容，如表 7-1 所示。,表 7-1 GSM 标 准,7.1.1 网络结构 数字蜂窝移动通信是在模拟蜂窝移动通信的基础上发展起来的，在网络组成、设备配置、网络功能和工作方式上，二者都有相同之处。但因数字蜂窝网采用全数字传输，因而在实现技术和管理控制等方面，均与模拟蜂窝网有较大的差异。简单说来，数字蜂窝网技术更先进，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(如综合业务数字网ISDN、公用数据网PDN)的互连。,GSM蜂窝系统的网络结构如图 7-1 所示。由图可见，GSM蜂窝系统的主要组成部分可分为
4、移动台、基站子系统和网络子系统。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)、操作维护中心(OMC)、原籍位置寄存器(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。一个MSC可管理多达几十个基站控制器，一个基站控制器最多可控制256个BTS。由MS、BS和网络子系统构成公用陆地移动通信网，该网络由MSC与公用交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)和公用数据网(PDN)进行互连。,图 7-1 GSM蜂窝系统的网络结构,1.移动台(MS)移动台是GSM移动通信网中用户使用的设
5、备。移动台类型可分为车载台、便携台和手机。其中，手机小巧、轻便，而且功能也较强，因此使用手机的用户占移动用户的绝大多数。,移动台通过无线接口接入GSM系统，具有无线传输与处理功能。此外，移动台必须提供与使用者之间的接口，比如，为完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和各种按键；或者提供与其它一些终端设备(TE)之间的接口，如与个人计算机或传真机之间的接口。,移动台的另外一个重要组成部分是用户识别模块(SIM)，亦称SIM卡。它基本上是一张符合ISO(开放系统互连)标准的“智慧”磁卡，其中包含与用户有关的无线接口的信息，也包括鉴权和加密的信息。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处
6、理异常的紧急呼叫时，才可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。SIM卡的应用使一部移动台可以为不同用户服务，因为GSM系统是通过SIM卡来识别移动用户的，这为今后发展个人通信打下了基础。,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、接收及无线资源管理。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。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
7、与BSC相连接。,3.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。下面分别讨论各功能实体的主要功能。,(1)移动交换中心(MSC)。移动交换中心(MSC)是网络的核心，它提供交换功能并面向下列功能实体：基站子系统(BSS)、原籍位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)、移动设备识别寄存器(EIR)、操作维护中心(OMC)和固定网(公用电话网、综合业务数字网等)，从而把移动用户与固定网用
8、户、移动用户与移动用户之间互相连接起来。,(2)原籍位置寄存器。原籍位置寄存器简称HLR。它可以看作是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。其中，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。此外，HLR还暂存移动用户漫游时的有关动态信息数据。,(3)访问位置寄存器。访问位置寄存器简称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。GSM系统采取了特别的通信安
9、全措施，包括对移动用户鉴权，对无线链路上的话音、数据和信令信息进行保密等。,(5)移动设备识别寄存器。移动设备识别寄存器(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、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惟一性和安全性。(6)操作维护中心。网络操作维护中心(OMC)负责对全网进行监控与操作。,4.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。比如，把MSC
10、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 7-2 所示。,图 7-2 GSM系统的接口,(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。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。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。Abis接口。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
11、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。Um接口(空中接口)。Um接口(空中接口)定义为移动台(MS)与基站收发信机(BTS)之间的无线通信接口，它是GSM系统中最重要、最复杂的接口。,(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。C接口定义为MSC与HLR之间的接口，用于传递路由选择和管理信息，两者之间是采用标准的 2.048 Mb/s PCM数字传输链
12、路实现的。D接口。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。E接口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。F接口。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。G接口定义为两个VLR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
13、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。,7.1.2 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 7-3 所示。,图 7-3 GSM的区域定义,(1)GSM服务区。服务区是指移动台可获得服务的区域，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。(2)公用陆地移动通信网(PLMN)。一
14、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时，基站区分为若干个扇区。,2.号码与识别 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
15、(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 7-4 所示。,IMSI的总长不超过 15 位数字，每位数字仅使用 09 的数字。图中：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。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)。,图 7-4 国际移动用户识别码(IMSI)的格式,(2)临时移动用户识别码。考虑到移动用户识别码的安全性
16、，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)。,图 7-5 国际移动设备识别码(IMEI)的格式,(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，可用于监控被窃或无效的移动设备。IMEI的格式如图 7-5 所示。图中：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 7-6 移动台国际IS
17、DN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 7-6 所示。图中：,CC:国家代号，即移动台注册登记的国家代号，中国为 86。NDC:国内地区码，每个PLMN有一个NDC。SN:移动用户号码。由NDC和SN两部分组成国内ISDN号码，其长度不超过 13 位数。国际ISDN号码长度不超过 15 位数字。,移动台漫游号码(MSRN
18、)。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。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。,(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 7-7 所示。,图 7-7 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同载频且相邻的基站。BSIC为一个 6 比特
19、编码，其格式如图 7-8 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 7-8 基站识别色码(BSIC)的格式,7.1.3 主要业务 1.通信业务分类 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 7-2。,表 7-2 GSM电信业务分类,2.业务定义(1)电话业务。电话业务是GSM系统提供的最主要业务。(2)紧急呼叫业务。在紧急情况下,移动用户通过一种简单的拨号方式即可拨通紧急服务中心。(3)短消息业务。短消息业务包括移动台之间点对点短消息业务以及小区广播短消息业务。,(4)可视图文接入。可视
20、图文接入是一种通过网络完成文本、图形信息检索和电子函件功能的业务。(5)智能用户电报传送。智能用户电报传送能够提供智能用户电报终端间的文本通信业务。此类终端具有文本信息的编辑、存储和处理等能力。(6)传真。语言和3类传真交替传送的业务。,7.2 GSM系统的无线接口,7.2.1 GSM系统无线传输特征 表 7-3 给出了GSM系统的主要参数，为便于比较，表中还列出了另外两种时分多址数字蜂窝网的对应参数。,表 7-3 GSM等三种数字蜂窝网主要参数,1.TDMA/FDMA接入方式 GSM系统中，由若干个小区(3 个、4 个或 7 个)构成一个区群，区群内不能使用相同的频道，同频道距离保持相等，每
21、个小区含有多个载频，每个载频上含有 8 个时隙，即每个载频有 8 个物理信道，因此，GSM系统是时分多址/频分多址的接入方式，参见图 7-9 所示。,图 7-9 TDMA/FDMA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)890915 MHz下行(基站发、移动台收)935960 MHz收、发频率间隔为 45 MHz。,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 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)=(
22、890+0.2 n)MHz(7-1)上频段 fh(n)=(935+0.2 n)MHz(7-2),3.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 270.833 kb/s的信道传输速率，其频谱利用率为(1.35 b/s)/Hz。,4.载频复用与区群结构 GSM系统中，基站发射功率为500 W每载波，每时隙平均为 500/8=62.5 W。移动台发射功率分为 0.8 W、2
23、 W、5 W、8 W和20 W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。,7.2.2 信道类型及其组合 1.帧结构 图 7-10 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 120/264.615 ms。每个时隙含 156.25 个码元，占 15/260.577 ms。,图 7-10 GSM系统各种帧及时隙的格式,由若干个TDMA帧构成复帧，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
24、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 51264.61510-36.12 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 12 533.76 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 2 715 647。,GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同，但上行帧相对于下行帧来说，在时间上推后 3 个时隙，见图 7-11。这样安排，允许移动台
25、在这 3 个时隙的时间内进行帧调整以及对收发信机进行调谐和转换。,图 7-11 上行帧号和下行帧号所对应的时间关系,2.信道分类 图 7-12 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 7-12 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
26、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/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
27、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
28、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
29、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,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 7-13 所示。,图 7-13 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 7-13 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
30、 7-13，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 7-14 所示。,图 7-14 接入突发脉冲序列的格式,4.信道的组合(1)业务信道的组合方式。业务信道有全速率和半速率之分，下面只考虑全速率情况。业务信道的复帧含 26 个TDMA 帧，其组成的格式和物理信道(一个时隙)的映射关系如图 7-15 所示。图中给出了时
31、隙 2(即TS2)构成一个业务信道的复帧，共占 26 个TDMA帧，其中 24 帧T(即TCH),用于传输业务信息；1 帧A，代表随路的慢速辅助控制信道(SACCH),传输慢速辅助信道的信息(例如功率调整的信令)；还有1帧I为空闲帧(半速率传输业务信息时，此帧也用于传输SACCH的信息)。,图 7-15 业务信道的组合方式,(2)控制信道的组合方式。控制信道的复帧含 51 帧，其组合方式类型较多，而且上行传输和下行传输的组合方式也不相同。BCH和CCCH在TS0上的复用。广播信道(BCH)和公用控制信道(CCCH)在主载频(C0)的TS0上的复用(下行链路)如图 7-16 所示。其中：F(FC
32、CH):用于移动台校正频率；S(SCH):移动台据此读TDMA帧号和基站识别码BSIC；B(BCCH)：移动台据此读有关小区的通用信息；I(IDEL):空闲帧。,图 7-16 BCH和CCCH在TS0上的复用,图 7-17 TS0上RACH的复用,SDCCH和SACCH在TS1上的复用。主载频C0上的TS1 可用于独立专用控制信道和慢速辅助控制信道。下行链路C0上的TS1的映射如图 7-18 所示。下行链路占用 102 个TS1，从时间长度上讲是 102 个TDMA帧。,图 7-18 SDCCH和SACCH(下行)在TS1上的复用,公用控制信道和专用控制信道均在TS0上的复用。在小容量地区或建
33、站初期，小区可能仅有一套收发单元，这意味着只有 8 个TS(物理信道)。TS1TS7均用于业务信道，此时TS0既用于公用控制信道(包括BCH、CCCH)，又用于专用控制信道(SDCCH、SACCH)，其组成格式如图 7-19 所示。,图 7-19 TS0上控制信道综合复用,7.2.3 话音和信道编码 数字化话音信号在无线传输时主要面临三个问题：一是选择低速率的编码方式，以适应有限带宽的要求；二是选择有效的方法减少误码率，即信道编码问题；三是选用有效的调制方法，减小杂波辐射，降低干扰。下面着重讨论GSM系统中话音编码和信道编码的主要特点。,图 7-20 GSM系统的话音和信道编码组成框图,图 7
34、-20 示出了GSM系统的话音编码和信道编码的组成框图。其中，话音编码主要由规则脉冲激励长期预测编码(RPE-LTP编译码器)组成，而信道编码归入无线子系统，主要包括纠错编码和交织技术。RPE-LTP编码器是将波形编码和声码器两种技术综合运用的编码器，从而以较低速率获得较高的话音质量。,图 7-21 GSM编码流程,图 7-22 GSM的交织方式,7.2.4 跳频和间断传输技术 1.跳频 前已指出，在GSM系统中，采用自适应均衡抵抗多径效应造成的时散现象，采用卷积编码纠随机干扰，采用交织编码抗突发干扰，此外，还可采用跳频技术进一步提高系统的抗干扰性能。跳频是指载波频率在很宽频率范围内按某种图案
35、(序列)进行跳变。图 7-23 为GSM系统的跳频示意图。采用每帧改变频率的方法，即每隔 4.615 ms改变载波频率，亦即跳频速率为 1/4.615 ms=217 跳/秒。,图 7-23 GSM系统的跳频示意图,跳频系统的抗干扰原理与直接序列扩频系统是不同的。直扩是靠频谱的扩展和解扩处理来提高抗干扰能力的，而跳频是靠躲避干扰来获得抗干扰能力的。抗干扰性能用处理增益GP表征，GP的表达式为,(7-3),式中：BW跳频系统的跳变频率范围；BC跳频系统的最小跳变的频率间隔(GSM的BC=200 kHz)。,2.间断传输 为了提高频谱利用率，GSM系统还采用了话音激活技术。此技术也被称为间断传输(D
36、Tx)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。,7.3 GSM系统的控制与管理,7.3.1 位置登记 所谓位置登记(或称注册)，是通信网为了跟踪移动台的位置变化，而对其位置信息进行登记、删除和更新的过程。由于数字蜂窝网的用户密度大于模拟蜂窝网，因而位置登记过程必须更快、更精确。,位置信息存储在原籍位置寄存器(HLR)和访问位置寄存器(VLR)中。GSM蜂窝通信系统把整个网络的覆盖区域划分为许多位置区，并以不同的位置区
37、标志进行区别，如图 7-24 中的LA1,LA2,LA3,。,图 7-24 位置区划分的示意,当一个移动用户首次入网时，它必须通过移动交换中心(MSC)，在相应的位置寄存器(HLR)中登记注册，把其有关的参数(如移动用户识别码、移动台编号及业务类型等)全部存放在这个位置寄存器中，于是网络就把这个位置寄存器称为原籍位置寄存器。移动台的不断运动将导致其位置的不断变化。这种变动的位置信息由另一种位置寄存器，即访问位置寄存器(VLR)进行登记。,位置区的标志在广播控制信道(BCCH)中播送，移动台开机后，就可以搜索此BCCH，从中提取所在位置区的标志。,移动台可能在不同情况下申请位置更新。比如，在任一
38、个地区中进行初始位置登记，在同一个VLR服务区中进行过区位置登记，或者在不同的VLR服务区中进行过区位置登记等。不同情况下进行位置登记的具体过程会有所不同，但基本方法都是一样的。图 7-25 给出的是涉及两个VLR的位置更新过程，其它情况可依此类推。,图 7-25 位置登记过程举例,7.3.2 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，这样每一个用户均
39、有惟一的Ki和IMSI，它们存储于AUC数据库和SIM(用户识别)卡中。根据HLR的请求，AUC按下列步骤产生一个三参数组，参见图 7-26。,图 7-26 AUC产生三参数组,首先，产生一个随机数(RAND)；通过加密算法(A8)和鉴权算法(A3),用RAND和Ki分别计算出加密密钥(Kc)和符号响应(SRES)；RAND、SRES和Kc作为一个三参数组一起送给HLR。1.鉴权 无论是移动台主呼或被呼，都有鉴权过程，鉴权程序如图 7-27 所示。,图 7-27 鉴权程序,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，MS
40、C/VLR就向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。,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，如图 7-28 所示。,图 7-28 加密程序,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
41、：白名单：合法的移动设备识别号；,黑名单：禁止使用的移动设备识别号；灰名单：是否允许使用由运营者决定，例如有故障的或未经型号认证的移动设备识别号。设备识别程序如图 7-29 所示。,图 7-29 设备识别程序,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。图 7-30 示出了位置更新时使用的新的TMSI程序。,图 7-30 位置更新时的新的TMS
42、I程序,7.3.3 呼叫接续 1.移动用户主呼 移动用户向固定用户发起呼叫的接续过程如图 7-31 所示。移动台(MS)在随机接入信道(RACH)上，向基站(BS)发出“信道请求”信息，若BS接收成功，就给这个MS分配一个专用控制信道，即在准许接入信道(AGCH)上向MS发出“立即分配”指令。MS在发起呼叫的同时，设置一定时器，在规定的时间内可重复呼叫，如果按预定的次数重复呼叫后，仍收不到BS的应答，则放弃这次呼叫。,图 7-31 移动用户主呼时的接续过程,MS收到“立即分配”指令后，利用分配的专用控制信道(DCCH)与BS建立起信令链路，经BS向MSC发送“业务请求”信息。MSC向VLR发送
43、“开始接入请求”应答信令。VLR收到后，经MSC和BS向MS发出“鉴权请求”，其中包含一随机数(RAND)，MS按鉴权算法A3进行处理后，向MSC发回“鉴权”响应信息。,2.移动用户被呼 固定用户向移动用户发起呼叫的接续过程如图 7-32 所示。固定用户向移动用户拨出呼叫号码后，固定网络把呼叫接续到就近的移动交换中心，此移动交换中心在网络中起到入口(Gate Way)的作用，记作GMSC。GMSC即向相应的HLR查询路由信息，HLR在其保存的用户位置数据库中查出被呼MS所在的地区，并向该区的VLR查询该MS的漫游号码(MSRN)。,图 7 32 移动用户被呼时的连接过程,VLR把该MS的(MS
44、RN)送到HLR，并转发给查询路由信息的GMSC。GMSC即把呼叫接续到被呼MS所在地区的移动交换中心，记作VMSC。由VMSC向该VLR查询有关的“呼叫参数”，获得成功后，再向相关的基站(BS)发出“寻呼请求”。基站控制器(BSC)根据MS所在的小区，确定所用的收发台(BTS)，在寻呼信道(PCH)上发送此“寻呼请求”信息。,MS收到寻呼请求信息后，在随机接入信道(RACH)向BS发送“信道请求”，由BS分配专用控制信道(DCCH)，即在公用控制信道(CCCH)上给MS发送“立即指配”指令。MS利用分配到的DCCH与BS建立起信令链路，然后向VMSC发回“寻呼”响应。VMSC接到MS的“寻呼
45、”响应后，向VLR发送“开始接入请求”，接着启动常规的“鉴权”和“置密模式”过程。,VMSC收到MS的“呼叫证实”信息后，向BS发出信道“指配请求”，要求BS给MS分配无线业务信道(TCH)。,7.3.4 过区切换 所谓过区切换，是指在通话期间，当移动台从一个小区进入另一个小区时，网络能进行实时控制，把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道，并保证通话不间断(用户无感觉)。如果小区采用扇区定向天线，当移动台在小区内从一个扇区进入另一扇区时，也要进行类似的切换。,GSM系统采用的过区切换办法称之为移动台辅助切换(MAHO)法。其主要指导思想是把过区切换的检测和处理等功能部分地分散到各个移
46、动台，即由移动台来测量本基站和周围基站的信号强度，把测得结果送给MSC进行分析和处理，从而作出有关过区切换的决策。,图 7-33 同一个BSC的过区切换示意,(1)同一个BSC控制区内不同小区之间的切换，也包括不同扇区之间的切换。这种切换是最简单的情况，如图 7-33 所示。(2)同一个MSC/VLR业务区内，不同BSC控制区的小区之间的切换，如图 7-34 所示。,图 7-34 同一个MSC/VLR区内，不同BSC间的切换示意,图 7-35 同一MSC的BSC间的切换流程,(3)不同MSC/VLR控制区的小区之间的切换。这是一种最复杂的切换，切换中需进行很多次信息传递。图 7-36 给出了不
47、同MSC/VLR的小区切换示意图。图 7-37 为切换流程，即由MSC1 的小区向MSC2的小区进行切换的过程。,图 7-36 不同MSC/VLR的切换示意图,图 7-37 不同MSC/VLR的小区切换流程,7.4 三种TDMA蜂窝系统分析比较,7.4.1 D-AMPS的特征 美国的TDMA蜂窝移动系统(D-AMPS)采用美国电子工业协会(EIA)制定的IS-54 标准。该标准规定的频道间隔(30 kHz)是与AMPS一致的，而且移动台的工作模式是数/模兼容的，或称双模方式。因此，D-AMPS和AMPS可以在同样的无线环境中并存，有利于逐步扩大数字用户，以实现模拟通信系统向数字通信系统的平滑过
48、渡。,1.工作频段移动台发射频段：824849 MHz;基站发射频段：869894 MHz;频道间隔：30 kHz;双工频率间隔：45 MHz。,2.多址方式 采用时分多址/频分多址/频分双工(TDMA/FDMA/FDD)制式。时分多址帧长为 40 ms,每帧含 6 个时隙。与GSM通信系统一样，D-AMPS系统也定义了全速率与半速率两种物理信道，目前使用的全速率信道占 2 个时隙，相当于每载波含 3 个物理信道。将要开发的半速率信道只占一个时隙，相当于每载波含 6 个物理信道。每个时隙含 324 bit，即系统的信道传输速率为 3246/40=48.6 kb/s，帧和时隙的格式如图 7-38
49、 所示。其中：,图 7-38 D-AMPS的帧及时隙格式,G:保护时间；R:功率上升时间；SACCH:慢速辅助控制信道；SYNC:同步信道；DATA:业务信道(含快速辅助控制信道)；DVCC:数字识别色码；RSVD:保留(备用)时间。,3.话音编码 D-AMPS系统话音编码采用“矢量和激励线性预测(VSELP)”编码方式，编码速率为 7.95 kb/s。在20 ms的话音编码帧中，共有 159 个信息比特，分为两类：1 类是对差错敏感的 77 bit；2 类是对差错不敏感的 82 bit。1 类比特加上CRC校验位(7 bit)和尾比特(5 bit)，进行码率为 1/2和约束长度为 5 的卷积
50、编码，变成 178 个传输比特；2 类比特不进行差错保护。两类比特之和为 260 bit，相应的话音速率为 260/20=13 kb/s。为防止突发性干扰的影响，这些传输比特在发送之前还要在 40 ms的时间间隔中进行交织编码。,4.控制信道 双模系统的移动台因为要与模拟系统相通，因而系统中必须保留AMPS原有的控制信道，但为了对数字传输进行必要的控制，就必须在业务信道中设置必需的专用控制信道。与GSM系统相似，IS-54 标准的双模系统也设置了慢速辅助控制信道(SACCH)和快速辅助控制信道(FACCH)。由图 7-38 可见，在每一时隙中SACCH占有 12 bit，其中 6 bit 是信
