TZ_BT02_C1_0 GSM基本原理 36

TZ_BT02_C1_0 GSM基本原理第1章 GSM系统目 录第1章 GSM系统11.1 GSM的定义11.2 GSM的特点11.3 帧结构和无线信道31.3.1 无线帧结构31.3.2 物理信道41.3.3 逻辑信道41.4 关键技术71.4.1 频道分配和频率复用71.4.2 非连续发送（DTX）111.4.3 GMSK调制111.4.4 跳频技术121.4.5 分集接收141.4.6 功率控制151.4.7 时间提前量17第2章 GPRS技术192.1 GPRS的定义192.2 GPRS的特点192.3 GPRS标准规范202.4 GPRS网络结构212.4.1 物理信道22第3章 EDGE技术253.1 EDGE的定义253.2 EDGE的特点253.3 EDGE关键技术263.3.1 8-PSK调制263.3.2 信道编码273.3.3 连接质量控制273.3.4 随多时隙能力而改变的窗口大小2831第1章 GSM系统& 知识点：本章介绍GSM系统的特点及其相关的标准规范和关键技术。1.1 GSM的定义GSM开始是欧洲为900 MHz波段工作的通信系统所制定的标准。由于模拟通信系统的扩充能力有限，因此基于增加业务容量的需求而发展了该项技术，取得了全球性的成功。GSM成为当今广泛认可的无线电通信标准。GSM数字移动通信的发展过程可归纳如下。l1982年：欧洲邮电行政会议（CEPT）设立了“移动通信特别小组”，即GSM（Group Special Mobile）。它以开发第2代移动通信系统为目标；l1986年：在巴黎采纳了欧洲各国经大量研究和实验后提出的八个建议，并进行现场试验；l1987年：GSM成员国经现场测试和论证比较，就数字系统采用“窄带时分多址TDMA，规则脉冲激励长期预测（RPELTP）话音编码和高斯滤波最小移频键控（GMSK）调制方式”达成一致意见；l1988年：十八个欧洲国家达成GSM谅解备忘录（MOU）；l1989年：GSM标准生效；l1991年：GSM系统正式在欧洲问世，网络开通运行；l1992年，GSM标准基本冻结；l1993年，GSM第二阶段标准基本完成了主要部分；l1994年：为了进一步完善GSM作为移动数据业务的平台又增加了一个研究阶段即（Phase 2+）。1.2 GSM的特点GSM系统有如下特点：l频谱效率高由于采用高效调制器、信道编码、交织、均衡和话音编码技术，GSM系统具备高频谱效率。l容量大GSM系统的容量效率（每兆赫每小区信道数）比TACS（全接入通信系统，1G标准）系统高35倍。l话音质量好鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。l接口开放GSM标准中所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且包括网络之间以及网络中各设备实体之间，例如A接口和Abis接口。l安全性高对移动台识别码加密，可使窃听者无法确定用户的移动台电话号码，对用户位置起到了保密作用。对移动用户的话音、信令数据和识别码加密，可使非法窃听者无法收到通信的具体内容。l与ISDN、PSTN等互连与其他网络的互连通常利用现有的标准接口，如ISUP或TUP等。l漫游功能GSM引入了SIM卡，将用户和终端设备分离，支持用户漫游功能。l提供多种业务GSM业务种类繁多，共提供三类业务，即电信业务，承载业务和补充业务。l具有越区切换功能移动台在通话期间，不断向所在工作区基站报告本区及相邻区的无线环境的详细数据。当需要越区切换时，移动台主动向本区基站发出越区切换请求。1.3 帧结构和无线信道GSM是数字化系统，其任务是传输比特流。为了更好地把通信业务与传输方案对应起来，引进了信道（CHANNEL）的概念。不同的信道可以同时传输不同的比特流，信道可分为物理信道和逻辑信道，逻辑信道至物理信道的映射是指将要发送的信息安排到合适的TDMA帧和时隙的过程。1.3.1 无线帧结构GSM的无线帧结构有五个层次，即时隙、TDMA帧、复帧、超帧和超高帧。1时隙是物理信道的基本单元。2TDMA帧是由8个时隙组成的，是占据载频带宽的基本单元，即每个载频有8个时隙。3复帧有以下两种类型：（1）由26个TDMA帧组成的复帧。这种复帧用于TCH、SACCH和FACCH。（2）由51个TDMA帧组成的复帧。这种复帧用于BCCH、CCCH和SDCCH。4超帧是一个连贯的5126的TDMA帧，由51个26帧的复帧或26个51帧的复帧构成。5超高帧是由2048个超帧构成。图 1.31中示出了GSM系统分级帧结构的示意图。图 1.31 GSM系统分级帧结构1.3.2 物理信道GSM系统采用的是FDMA（频分多址）和TDMA（时分多址接入）混合技术，具有较高的频率利用率。FDMA是指在GSM900频段的上行（MS到BTS）890915 MHz或下行（BTS到MS）935960 MHz频率范围内分配了124个载波频率，简称载频，每个载频之间的间隔为200 kHz。上行与下行载频是成对的，即是所谓的双工通信方式。双工收发载频对的间隔为45 MHz。TDMA是指在GSM900的每个载频上按时间分为8个时间段，每一个时隙段称为一个时隙（Time Slot），如图1.32所示。这样的时隙叫做信道，或者叫物理信道。一个载频上连续的8个时隙组成一个TDMA帧，也就是说GSM的一个载频上可提供8个物理信道。图1.32 物理信道的时频结构1.3.3 逻辑信道如果把TDMA帧的每个时隙看作为物理信道，那么在物理信道所传输的内容就是逻辑信道。逻辑信道是指依据移动网通信的需要，为传送的各种控制信令和语音或数据业务在TDMA的8个时隙所分配的控制逻辑信道或语音、数据逻辑信道。GSM数字系统在物理信道上传输的信息是由大约100多个调制比特组成的脉冲串，称为突发脉冲序列“Burst”。以不同的“Burst”信息格式来携带不同的逻辑信道。逻辑信道分为公共信道和专用信道两大类。图1.33为GSM所定义的各种逻辑信道。图1.33 GSM逻辑信道1.3.3.1 公共信道公共信道主要是指用于传送基站向移动台广播消息的广播控制信道和用于传送移动业务交换中心与移动台之间建立连接所需的双向信号的公共控制信道。1广播信道广播信道（BCH）是从基站到移动台的单向信道，它包括：l频率校正信道（FCCH）：此信道用于给用户传送校正移动台频率的信息。移动台在该信道接收频率校正信息并用来校正移动台用户自己的时基频率。l同步信道（SCH）：此信道用于传送帧同步（TDMA帧号）信息和BTS识别码（BSIC）信息给移动台。l广播控制信道（BCCH）：此信道用于向每个BTS广播通用的信息。例如在该信道上广播本小区和相邻小区的信息以及同步信息（频率和时间）信息。移动台则周期地监听BCCH，以获取BCCH上的信息，如本地区识别（Local Area Identity）；相邻小区列表（List of Neighboring Cell）；本小区使用的频率表；小区识别；功率控制指示；间断传输允许；接入控制，例如紧急呼叫等；CBCH的说明。BCCH载波是由基站以固定功率发射，其信号强度被所有移动台测量。2公共控制信道公共控制信道（CCCH）是基站与移动台间的一点对多点的双向信道。包括：l寻呼信道（PCH）：此信道用于广播基站寻呼移动台的寻呼消息，是下行信道。l随机接入信道（RACH）：移动台随机接入网络时用此信道向基站发送信息。发送的信息包括：对基站寻呼消息的应答；移动台始呼时的接入。移动台在此信道还向基站申请一独立专用控制信道（SDCCH）。此信道是上行信道。l接入允许信道（AGCH）：AGCH用于基站向随机接入成功的移动台发送指配了的独立专用控制信道SDCCH。此信道是下行信道。1.3.3.2 专用信道专用信道主要是指用于传送用户语音或数据的业务信道，另外还包括一些用于控制的专用控制信道。1专用控制信道专用控制信道（DCCH）是基站与移动台间的点对点的双向信道。它包括：l独立专用控制信道（SDCCH）：其用于传送基站和移动台间的指令与信道信息，如鉴权、登记信令消息等。此信道在呼叫建立期间支持双向数据传输，以及短消息业务信息的传送。l慢速随路信道（SACCH）：基站一方面用此信道向移动台传送功率控制信息、帧调整信息；另一方面，基站用此信道接收移动台发来的信号强度报告和链路质量报告。l快速随路信道（FACCH）：此信道主要用于传送基站与移动台间的越区切换的信令消息。2业务信道业务信道（TCH）是用于传送用户的语音和数据业务的信道。根据交换方式的不同，业务信道可分为电路交换信道和数据交换信道；依据传输速率的不同可分为全速率信道和半速率信道。GSM系统全速率信道的速率为13 kbps；半速率信道的速度为6.5 kbps。另外，增强型全速率信道是指其速率与全速率信道的速率一样为13 kbps，只是其压缩编码方案比全速率信道的压缩编码方案优越，所以它有较好的语音质量。1.4 关键技术1.4.1 频道分配和频率复用1.4.1.1 频道分配1工作频段目前，GSM通信系统可以采用900 MHz、扩展900 MHz和1800 MHz频段，有些国家也采用1900 MHz频段。（1）900 MHz频段上行（移动台发送，基站接收）频率范围：890 MHz915 MHz下行（基站发送，移动台接收）频率范围：935MHz960 MHz（2）扩展900 MHz频段上行（移动台发送，基站接收）频率范围：880 MHz915 MHz下行（基站发送，移动台接收）频率范围：925 MHz960 MHz（3）850 MHz频段上行（移动台发送，基站接收）频率范围：824 MHz849 MHz 下行（基站发送，移动台接收）频率范围：869 MHz894 MHz （4）1800 MHz频段上行（移动台发送，基站接收）频率范围：1710 MHz1785 MHz下行（基站发送，移动台接收）频率范围：1805 MHz1880 MHz（5）1900 MHz频段上行（移动台发送，基站接收）频率范围：1850 MHz1910 MHz下行（基站发送，移动台接收）频率范围：1930 MHz1990 MHz2频道间隔所有频段相邻两频道的间隔都为200 kHz。3频道配置采用等间隔频道配置方法。（1）900 MHz频段频道序号为1124，共124个频点。频道序号和频点标称中心频率的关系为：Fu（n）=8900.2n（MHz），上行Fd（n）=Fu（n）45（MHz），下行其中1n124，n为频道序号，或称绝对射频信道号ARFCN。（2）扩展900 MHz频段频道序号为0124和9751023，共174个频点。频道序号和频点标称中心频率的关系为：Fu（n）=8900.2n（MHz），0n124Fu（n）=8900.2（n1024）（MHz），975n1023Fd（n）=Fu（n）45（MHz）（3）850 MHz频段频道序号为128251，共124个频点。频道序号和频点标称中心频率的关系为：Fu（n）=824.2+0.2（n128）（MHz）Fd（n）=869.2+0.2（n128）（MHz）128n251（4）1800 MHz频段频道序号为512885，共374个频点。频道序号和频点标称中心频率的关系为：Fu（n）=1710.20.2（n512）（MHz）Fd（n）=Fu（n）95（MHz）512n885（5）1900 MHz频段频道序号为512811，共300个频点。频道序号和频点标称中心频率的关系为：Fu（n）=1850.20.2（n512）（MHz）Fd（n）=Fu（n）80（MHz）512n8114双工收发间隔（1）900 MHz频段双工收发频率间隔为45 MHz。（2）扩展900 MHz频段双工收发频率间隔为45 MHz。（3）850 MHz频段双工收发频率间隔为45 MHz。（4）1800 MHz频段双工收发频率间隔为95 MHz。（5）1900 MHz频段双工收发频率间隔为80 MHz。1.4.1.2 频率复用目前，GSM网络的覆盖方式采用小区制，即蜂窝系统，它把整个GSM网络服务区分成若干个小区，每个小区设置一个基站，负责本小区移动通信的联络和控制，同时又在MSC的统一控制下实现小区间移动用户的通信以及与市话用户间的通信。在蜂窝系统中，主要通过频率复用来增大系统的容量，即小区之间在间隔足够远的情况下（干扰信号不至于影响有用信号的接收），可使用相同的频率，一般情况下把可用的N个频道分成F组，依次把F组频道分配给相邻小区使用，如图1.41所示。其中每个小区的频道数约为N/F个，如果采用全向型天线，通常在每个小区的中心位置设立一个基站（如图1.41中O），称为O型站点；如果采用定向扇型天线，则通常在三个小区的交叉点上设立一个基站（如图1.41中S），称为S型站点，该站点覆盖相邻的三个小区。图1.41 蜂窝小区中频率复用示意图常用的4/12和3/9频率复用方式。4/12复用方式是把频率分成12组，并轮流分配到4个站点（A、B、C、D），每个站点可用3个频率组，4/12复用的小区组成如图1.42所示。图1.42 按4/12方式复用的小区示意图3/9复用方式时，即把有限的频率分成9组，并轮流分配到3个站点（A、B、C），每个站点可用到3个频率组，如图1.43所示。图1.43 按3/9方式复用的小区示意图从以上两种频率复用方式可看出，随着频率复用的密度增加，即频率分组的减少，频率的利用率就越高，用户数会增加，但是频率复用的间距也减少了，同时也带来了小区间的干扰，如载干比C/I（当不同小区使用相同频率时，另一小区对服务小区产生的干扰）、C/A（在频率复用模式下，邻近频道对服务小区使用的频道进行的干扰）减小等。在频率复用的时候，主要考虑的是C/I和C/A，GSM系统中一般要求C/I9 dB，C/A-9 dB。当确定了频率复用关系后，也就确定了所需划分的频率组N，如对于4/12频率复用模式来说，N=12；对于3/9复用模式来说，N=9。1.4.2 非连续发送（DTX）话音传输有两种方式：一种是无论用户是否讲话，话音总是连续编码（每20 ms一个话音帧）。另一种是非连续发送方式DTX（Discontinuous Transmission）：在话音激活期进行13 kbps编码，在话音非激活期进行500 bit/s编码，每480 ms传输一个舒适噪声帧（每帧20 ms），如图1.44所示。图1.44 非连续发送采用DTX方式有两个目的，一是降低空中总的干扰电平，二是节约发射机的功率。DTX模式与普通模式是可选的，因为DTX模式会使传输质量稍有下降。1.4.3 GMSK调制GMSK是一种特殊的数字FM调制方式。调制速率为270.833千波特。比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK（最小频移键控）。在GSM中，使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频谱。它可以降低频率转换速度。GMSK可以通过I/Q图表示。如果没有高斯滤波器，当传送一连串恒定的1时，MSK信号将保持在高于载波中心频率67.708 kHz的状态。如果将载波中心频率作为固定相位基准，67.708 kHz的信号将导致相位的稳步增加。相位将以每秒67,708次的速率进行360旋转。在一个比特周期内（1/270.833 kHz），相位将在I/Q图中移动四分之一圆周、即90的位置。数据1可以看作相位增加90。两个1使相位增加180，三个1是270，依此类推。数据0表示在相反方向上相同的相位变化。实际的相位轨迹是被严格地控制的。GSM无线系统需要使用数字滤波器和I/Q或数字FM调制器精确地生成正确的相位轨迹。GSM规范允许实际轨迹与理想轨迹之间存在均方根（rms）值不超过5、峰值不超过20的偏差。1.4.4 跳频技术数字移动通信系统中，为了提高系统抗干扰能力，常用到扩频技术，其中包括直扩方式和跳频方式，在GSM系统中采用的是跳频方式。引入跳频的原因有两个。第一是基于频率分集的原理，用于对抗瑞利衰落。移动无线传输在遇到障碍时不可避免地会遭受短期的幅度变化，这种变化称为瑞利衰落。不同的频率遭受的衰落不同，而且随着频率差增加，衰落更加独立。通过跳频，突发脉冲不会被瑞利衰落以同一种方式破坏。第二是基于干扰源特性。在业务量密集区，蜂窝系统容易受到频率复用产生的干扰限制，相对载干比（C/I）可能在呼叫中变化很大。引入跳频使得它可以在一个可能干扰小区的许多呼叫之间分散干扰，而不是集中在一个呼叫上。跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种序列进行跳变。控制和信息数据经过调制后成为基带信号，送入载波调制，然后载波频率在伪随机码的控制下改变频率，这种伪随机码序列即为跳频序列。最后再经过射频滤波器送至天线发射出去。接收机根据跳频同步信号和跳频序列确定接收频率，把相应的跳频后信号接收下来，进行解调。跳频基本结构如图1.45所示。图1.45 跳频基本结构跳频技术的特点主要有如下几点：l采用跳频技术可增加系统工作频带，从而提高通信系统抗干扰和抗衰落能力。l通过跳频可以改善和保护有效信息部分的脉冲不受通信环境中的瑞利衰落影响，经过跳频后由信道解码恢复为原数据。l通过增加跳频数来提高跳频增益，从而使系统的抗干扰和抗衰落的能力提高。跳频技术实际是避开外部干扰，使之跟不上频率的改变从而避免或明显降低同频道干扰和频率选择性衰落。而增加跳频数是因为跳频系统的增益等于跳频系统的频带宽度与N个最小跳频间隔的比值，所以增加跳频可使跳频增益提高。通常的跳频数应大于3。如果跳频系统再加上频率的分集，若干组跳变频率同时传送一个信息然后用大数判定定律更有效地判决信息，则可使更多用户同时工作而相互干扰最小。跳频有两种方式：基带跳频与射频跳频。l基带跳频是每个载频单元的发射与接收频率不变，只是在不同的FN（帧号）时刻，帧单元发信数据送给不同的载频单元发射出去。l射频跳频是对每个收发信机的频率合成器进行控制，使其在每个时隙上按不同的方案跳频。1.4.5 分集接收为了减少由多径引起的系统性能降低，GSM系统BTS在无线接口采用分集接收技术，即接收处理部分有两套，接收两路不同的信号。分集技术就是把各个分支的信号，按照一定的方法再集合起来变害为利。把收到的多径信号先分离成互不相关的多路信号，由少变多，在将这些信号的能量合并起来，由多变少，从而改善接收质量。分集技术包括：时间分集、空间分集、频率分集、极化分集等。1空间分集在空间设立两副接收天线，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。所谓相关性是指信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，两天线间距大于0.6个波长，即d0.6l，并且最好选在l/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到l/4，也能起到相当好的分集效果。2时间分集时间分集是指采用一定的时延来发送同一消息或者在系统所能承受的时延范围内在不同的时间内发送消息的一部分。在GSM系统中，通过交织技术实现时间分集。3频率分集频率分集是指用两个以上的频率同时传送一个信号，在接收端对不同频率的信号进行合成，利用不同频率的无线载波的不同路径减少或消除衰落的影响。这种方法的效率较好，且接收天线只需一副。在GSM系统中通过跳频技术实现频率分集。4极化分集极化分集是指把两副接收天线的极化方向互成一定的角度进行接收，可以获得较好的分集效果。极化分集可以把两副分集接收天线集成在一副天线内实现，这样对于一个小区只需一副发送天线和一个接收天线即可，如果采用双工器，则只需一副收发合一的天线，大大减少了天线的数量。1.4.6 功率控制所谓的功率控制，就是在无线传播上对手机或基站的实际发射功率进行控制，以尽可能降低基站或手机的发射功率，这样就能达到降低手机和基站的功耗以及降低整个GSM网络干扰这两个目的。当然，功率控制的前提是要保证正在通话的呼叫拥有比较好的通信质量。可以通过图1.46所示来简单说明一下功率控制过程。图1.46 功率控制从图1.46可见，由于在A点的手机离基站的天线比较远，而电波在空间的传播损耗与距离的N次方成正比，因此，为了保证一定的通信质量，A点的手机通信时就要使用比较大的发射功率。相比而言，由于B点离基站的发射天线比较近，传播损耗也就比较小，因此，为了得到类似的通信质量，B点的手机通信时就可以使用比较小的发射功率。当一个正在通话的手机从A点向B点移动时，功率控制可以使它的发射功率逐渐减小，相反，当正在通话的手机从B点向A点移动时，功率控制可以使它的发射功率逐渐增大。功率控制可以分为上行功率控制和下行功率控制，上行和下行功率控制是独立进行的。所谓的上行功率控制，也就是对手机的发射功率进行控制，而下行功率控制，就是对基站的发射功率进行控制。不论是上行功率控制还是下行功率控制，通过降低发射功率，都能够减少上行或下行方向的干扰，同时降低手机或基站的功耗，表现出来的最明显的好处就是：整个GSM网络的平均通话质量大大提高，手机的电池使用时间也大大延长。1.4.6.1 功率控制过程提供功率控制过程进行决策的原始信息是来自手机和基站的测量数据，通过处理和分析这些原始数据，作出相应的控制决策。和切换控制过程类似，一般来说，整个功率控制过程如图1.47所示。图1.47 功率控制过程框图1测量数据保存与功率控制有关的测量数据类型包括：上行信号电平、上行信号质量、下行信号电平和下行信号质量。2测量数据平均处理为了减小复杂的无线传输对测量值带来的影响，对测量数据的平滑处理一般采用前向平均法。也就是说在功率控制决策时，使用的是多个测量值的平均值。对不同的测量数据类型，求平均的过程中参数设置可以不一样，也就是说所使用的测量数据的个数可以不一样。3功率控制决策功率控制决策需要三个参数：一个门限值，一个N值和一个P值。若最近的N个平均值中有P个超过门限值，就认为信号电平过高或信号质量太好，若最近的N个平均值中有P个低于门限值，则认为信号电平过低或信号质量太差。根据信号电平或信号质量的好坏，手机或基站就可以判断如何控制发射功率，提高或降低的幅度由预先配置好的值决定。4功率控制命令发送根据功率控制决策的结论，将相应的控制命令通知基站，由基站负责执行或转发给手机。5测量数据修正在功率控制之后，原先的测量数据和平均值已经没有意义，如果仍旧原封不动地保留的话，会造成后面的错误功率控制决策，因此，要将原来的这些数据统统废弃，或对其进行相应的修正，使得数据仍旧可以继续使用。功率控制的速度最快是480 ms一次，实际上也就是测量数据的最快上报速度。也就是说，一个完整功率控制过程最快是480 ms被执行一次。1.4.6.2 快速功率控制ETSI规范推荐的功率控制过程的控制幅度都是固定的，一般取值是2 dB或4 dB，然而，在很多实际的情况下，固定的功率控制幅度并不能达到最优的效果，举一个简单的例子：当手机在离基站天线很近的地方发起一次呼叫，它使用的初始发射功率是所在小区BCCH信道上广播的系统消息中手机最大发射功率MS_TXPWR_MAX_CCH，很明显，这时由于手机离基站的天线非常近，功率控制过程应该尽可能快地将它的发射功率降下去。然而，规范推荐的功率控制过程做不到，因为它每次只能命令手机降2 dB或4 dB，加上每两次功率控制之间会有一定的间隔期（由于要收集足够多新的测量数据），因此，要将手机发射功率降到合理的值，会经历一段比较长的时间，下行方向也是一样的。可见，这对降低整个GSM网络的干扰情况明显不利，要改善这一点，就是加大每次功率控制的幅度，这就是快速功率控制的核心思想。快速功率控制过程能够根据实际的信号强度和信号质量情况，判断出应该使用的功率控制幅度，不再局限于一个固定的幅度，这样就可以轻易解决手机初始接入时功率的控制问题。当然，它的作用也不仅仅局限于这种情况，还有很多，比如快速移动的手机、突然出现的干扰或障碍等等，只要出现需要进行大幅度功率控制的现象，快速功率控制过程都能够完满地给予解决。1.4.7 时间提前量在GSM系统中，由于空中接口采用TDMA技术，移动台必须在指配给它的时隙内发送，而在其他的时间必须保持寂静，否则会干扰使用同一载频其他时隙上的用户。在GSM系统中，移动台收发信号要求有3个时隙的间隔，如图1.48所示。图1.48 TCH上下行偏移假设某移动台占用了时隙2，在呼叫期间向远离基站方向移动，则从基站发出的信息，将会越来越迟地到达移动台，同时移动台的应答信息，也越来越迟地到达基站，如果不采取措施，该时延将导致该移动台在时隙2发送的信息与基站在TS3接收到的另一个呼叫信息重叠。所以在呼叫期间，必须监视呼叫到达基站的时间。随着移动到基站的距离的变化，系统随时向移动台发送指令，指示移动台需要提前发送的时间，这个过程也就是时间提前量的调整。当一个特定的连接建立时，BTS不断地测量脉冲时隙与收到的MS时隙之间的时间偏移量，基于这个测量，它可以向MS提供要求的时间提前量，并在SACCH上以一定的频率通知MS。第2章 GPRS技术第2章 GPRS技术& 知识点：本章介绍GPRS的特点及其相关的标准规范和关键技术。2.1 GPRS的定义GPRS：英文全称General Packet Radio Service，中文名称是通用分组无线业务。GPRS是在GSM Phase2+阶段引入的分组型数据业务，为用户提供端到端的基于分组交换和传输技术的移动数据业务。可有效地利用无线资源和网络地面资源，特别适合于长时间、小流量的突发数据业务。2.2 GPRS的特点GPRS的主要特点可以归结为：l与IP网无缝连接GPRS的核心网络层采用IP技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的IP网无缝连接。l高速率借助于多时隙绑定和高速编码方案，GPRS第一阶段采用CS1和CS2编码方案，可提供高达115 kbps的接入速率，在GPRS第二阶段采用CS3和CS4编码方案，速率可提至171 kbps。l时时在线，流量计费GPRS提供“处处可连接，时时在线上”的性能，为移动用户高速接入Internet、访问Intranet提供新手段。GPRS终端一旦开机，和GPRS网络连接以后，可一直保持在线状态，用户可随时收发信息，不再需要电路交换方式的拔号过程。GPRS终端只要不传输数据，就不会占用网络和无线资源，因此移动数据用户更可从流量计费上获得好处，长时间在线而不产生高额帐单。l技术成熟GPRS提供了在现有成熟的GSM技术及网络中实施数据服务的方案，投资小，见效快。2.3 GPRS标准规范欧洲最早是在1993年就提出了在GSM网上开通GPRS业务，1997年GPRS的标准化工作取得重大进展，10月份ETSI发布了GPRS Phase1业务描述。1999年底完成GPRS Phase2的工作。GPRS的标准分3个阶段，这3个阶段分别制订了18个新的标准并对几十个现有标准进行修订，以实现GPRS。表 2.31列出了这3个阶段。表 2.31 GPRS的标准的3个阶段Phase 1Phase 2Phase 302.60 业务描述03.60 系统描述和网络结构04.60 RLC/MAC协议03.64 无线接口描述04.61 PTM-M业务03.61 点对多点-广播业务04.62 PTM-G业务03.62 点对多点-群呼04.64 LLC 04.65 SNDCP07.60 用户互通08.14 Gb层108.16 Gb层网络业务08.18 BSSGP、Gb接口09.16 Gb层209.18 Gb层309.60 Gn & Gp接口09.61 外部网路互通按照ETSI的设想，GPRS应首先实现：lPTP业务lPTP TCP/IP的用户互通l从MS至GGSN的X.28协议，GGSN至外部PDN的X.25协议lGn、Gb、Gr、Gp、Gs、Gi接口l对PTP和漫游的安全保障l计费l运营者决定的呼叫闭锁和呼叫终止，运营者呼叫过滤l为PTM无线接口作准备工作l匿名接入l通过GPRS支持SMS-MO和-MT2.4 GPRS网络结构GPRS网络结构如图2.41所示。图2.41 GPRS网络结构为了支持GPRS功能，GSM系统引入了两种新的设备：服务GPRS支持节点SGSN和网关GPRS支持节点GGSN。BSC增加分组控制模块（PCU）并且对BSS进行相关软件升级。lSGSN类似于MSC，完成GPRS信道分配、移动性管理、加密和计费等功能。lGGSN主要提供多种互连接口，支持与Internet、X.25等外部PDN以及其他PLMN的互连。运营商通过增加这两种设备，利用现有的传输网络，组建一个GPRS骨干网，并且对原有的GSM网络进行适当改造，就可以轻松地提供电路和分组双业务，有效地利用无线资源和网络地面资源。GPRS移动台可以为以下3类：lA类GPRS移动台A类移动台能同时连接到GSM和GPRS系统，能在两个系统中同时激活，并同时收听两个系统的信息，同时提供GPRS业务和GSM电路交换业务，包括SMS。A类移动台能够在两个系统上同时发起/接收呼叫，并且能够自动进行业务切换。它在分组数据传送期间能够在不中断数据传输的情况下接收语音呼叫并通话。lB类GPRS移动台B类移动台能同时连接到GSM和GPRS系统，可提供GPRS业务和GSM电路交换业务，但是两者不能同时工作，在某一时刻，它只能使用其中一项业务。当B类MS在GPRS业务期间，有一个电路交换呼叫呼入，MSC/VLR送给SGSN一个“挂起”通知，SGSN收到通知后“挂起”（临时中断）GPRS连接。当电路交换呼叫完成以后，MSC/VLR送给SGSN一个“恢复“通知，SGSN收到通知后再恢复GPRS连接，这样避免了MS重建GPRS连接。目前市场上大部分GPRS移动台属于B类。lC类GPRS移动台C类移动台只能轮流使用GSM业务和GPRS，它只能通过人工进行业务转换。2.4.1 物理信道由于GPRS的一个基本设计思想是尽量保持与GSM系统的兼容性，GPRS完全采用了GSM系统的频带利用方式和无线传输方式。前者指FDMA方式下的TDMA，后者指在无线路径上的基本传输单位是持续时间为15/26 ms的突发脉冲（相当于约156.25个调制比特）。与GSM系统一样，GPRS系统将一个载波划分成8个时隙，构成8个基本的时分信道。因此一个物理信道就能以一个TDMA帧序列、一个时隙号（模8）和一个确定的跳频序列唯一确定。由于GPRS的设计目标是与原先的GSM语音传输共存，因此在一个支持GPRS的GSM小区中，可能有一些物理信道（时隙）用于语音传输，另一些物理信道用于GPRS分组数据传输。而且一些GPRS信令流程将在CS信道上完成，如分组系统消息广播、分组接入、资源分配等。第3章 EDGE技术第3章 EDGE技术& 知识点：本章介绍EDGE的特点及其相关的标准规范和关键技术。3.1 EDGE的定义EDGE代表的是增强数据速率的GSM演化，包括EGPRS（增强通用分组无线业务）和ECSD（增强电路交换数据）。EDGE是提高GSM的无线连接中数据传输速率的一种方法。从根本上来讲，EDGE仅仅是一种新的调制技术和新的信道编码，可以用于传输分组交换（PS）和电路交换（CS）数据/语音。作为一个从GPRS到UMTS的演进方案，EDGE使现有的网络运营商可以最大限度地利用现有的无线网络设备，在第三代移动网络商业化之前，提前为用户提供个人多媒体通信业务。3.2 EDGE的特点EDGE网络的体系结构与GPRS网络的体系结构基本上相同。EDGE在接入业务和网络建设方面所具有以下特性：1接入业务性能l带宽得到明显提高，移动数据业务的传输速率在峰值可以达到384 kbps。l更为精准的网络层提供位置服务。2网络建设lEDGE是一种调制编码技术，它改变了空中接口的速率。lEDGE的空中信道分配方式、TDMA的帧结构等空中接口特性与GSM相同。lEDGE不改变GSM或GPRS网的结构，也不引入新的网络单元，只是对BSS进行升级。l核心网络采用3层模型：业务应用层、通信控制层和通信连接层，各层之间的接口应是标准化的。采用层次化结构可以使呼叫控制与通信连接相对独立，这可充分发挥分组交换网络的优势，使业务量与带宽分配更紧密，尤其适应VoIP业务。l引入了媒体网关（MGW）。MGW具有STP功能，可以在IP网中实现信令网的组建（需VPN支持）。此外，MGW既是GSM的电路交换业务与PSTN的接口，也是无线接入网（RAN）与3G核心网的接口。lEDGE同时支持分组交换和电路交换两种数据传输方式。它支持的分组数据服务可以实现每时隙高达11.2 kbps69.2 kbps的速率。EDGE可以用28.8 kbps的速率支持电路交换服务，它支持对称和非对称两种数据传输，这对于移动设备上网是非常重要的。比如在EDGE系统中，用户可以在下行链路中采用比上行链路更高的速率。3.3 EDGE关键技术相同干扰受限传播环境下以4+1移动台的MMS业务为例，传送同样一份125kBytes的包含文本、高清晰度图像和MP3音频的文件，EDGE只需15秒，GPRS需要50秒；而在1分钟内，EDGE足可以传送一份480kBytes的包含文本和视频录像的文件。EDGE的“高速数据吞吐率”主要得益于采用了8PSK（8相键控）调制技术。同时，结合不同纠错和检错能力的信道编码方案，EDGE共提供9种不同的“调制编码方案MCS”，较之使用单一调制技术的GPRS提供的四种“编码方案CS”，EDGE可以适应更恶劣、更广泛的无线传播环境；在相同带宽内，EDGE可以提供更高的数据率。3.3.1 8-PSK调制EDGE选择的调制标准是8相移键控法（8-PSK）。从在相邻的信道上产生的干扰来看，8-PSK调制与GMSK具有相同的质量。这使得可以将EDGE信道完全集成进现有的频率规划中，并可以象标准GSM信道一样，分配新的EDGE信道。8-PSK是一种线性调制，其中三个连续的位映射为I/Q图中的一个符号。虽然符号率，也即在一定时间内发送的符号的数量，与GMSK相同，但是每个符号现在代表三个位，而不是一个，这样总体的数据传输速率将会是原来的三倍。当然，这也不会完全没有损失。对于图中不同的“符号”之间的距离，8-PSK的相对要小些。因此，无线接收器检测它接收到了什么符号将更为困难。在良好的无线通讯环境中，这可能没有什么影响，但在较差的环境中的确会有影响，但是“多余”的位可以用来添加更多的纠错编码，从而可以恢复正确的信息。只有在非常恶劣的无线环境中时，GMSK的效率才会较高。3.3.2 信道编码EDGE的9种MCS根据相互之间的相关特性被分为3组，即Family A（MCS-3、MCS-6、MCS- 8、MCS-9）、Family B（MCS-2、MCS-5、MCS-7）和Family C（MCS-1、MCS-4）。各组内的几种编码方案的结构之间具有相互包含或被包含的关系，更易于实现编码速率的转换。实际应用中需要平衡有效信息的传递速率和有效的传递质量两项因素，传送有效信息较少而包含较多的冗余纠错比特的低速信道编码方案更适用于传输质量较差的环境中，如在小区边界更适宜使用速率偏低的GMSK调制方式下的MCS1-4以补偿较差的链路质量；在传播条件较好的小区中心区域，可以采用信息速率较高的MCS。3.3.3 连接质量控制EGPRS和GPRS的连接质量控制方法简单说来都是以一种负反馈的方式，即发送端根据接收端反馈的位图来判断哪些分组接收端没有正确接收到，从而决定网络侧是否对相应分组进行重转。不同的是，在GPRS中分组数据只能以初始发送的编码方式进行重转。由于需要重转本身就可能说明链路质量不足以支撑相应的编码方式，而重传又不能引入更为强壮的编码方式，因此GPRS的重传效率是比较低的，尤其是初始编码选择速率较高的编码方式时，此问题更加突出。而在EGPRS中引入了两种新的重传方法：分段重组和增量冗余。3.3.3.1 分段重组方式EGPRS之所以能采用分段重组方式，完全是因为其在9种编码方式中引入了Family的概念，属于同一个Family的编码方式，每个无线块所携带的分组数据量成整数倍的关系，例如MCS9、MSC6、MCS3所携带的有效载荷分别是1224 BIT、612 BIT、316 BIT。因此如果需要重传以编码方式MSC6发送的数据块，可以将该数据一分为二后，以两个MCS3块重新发送，由于MCS3比MCS6抗干扰性更强，手机正确接收的概率会更高，而且选择这样的重传方式不会扰乱已接收数据的块序号，因此是一种行之有效的重传方法。3.3.3.2 增量冗余（IR）方式增量冗余是一种比分段重发更好的重传方法，要了解其工作原理，首先要了解EGPRS的编码过程。编码的第一个步骤是将有效载荷进行1/3卷积，例如长度为612比特的有效载荷若采用MCS9编码，经过1/3卷积之后，长度增加为1836比特，在卷积过程中，添加了2/3预定义的保护码。接下来的一个步骤称为瓦解，即将保护码从卷积码中删除，根据删除的方法不同，将产生不同的码组，分别称为P1、P2（MCS16）或P1、P2、P3（MCS79）。不同的码组携带相同的有效载荷，不同的冗余信息。仍以MCS6编码方式为例，如果需要重传以MCS6方式编码的块，重传块仍采用MSC6编码，只不过重传不同的码组，例如，前次如果发送的P1，重传即可采用P2，以此类推。接收端需要将未解出的码流保留，以便和发送端重传的码流联合解码，如此一来，不同码组中的冗余码流相互补充，使得成功解码的概率提高。增量冗余之所以是一种比分段重传更好的编码方式是因为采用增量冗余接收端能够接收到更多的信息比特，多次传输的不同信息可以相互补充。3.3.4 随多时隙能力而改变的窗口大小窗口大小随多时隙能力而改变，是EGPRS相对与GPRS的另一个改进。这个改进的提出是因为由于系统时延相对固定，多时隙能力越强的MS越容易在传输过程中出现窗口停滞。在GPRS中，由于窗口大小固定，窗口停滞的问题较为明显。EGPRS带来更加复杂的编解码过程，系统时延必然有所增加，因此，在EGPRS中提出窗口大小随多时隙能力的改变而改变是必须的。附录A 缩略语附录A 缩略语缩略语英文全称中文释义AACAddress Control地址控制AGCHAccess Grant Channel准予接续信道AUCAuthentication Center鉴权中心BBCHBroadcast Channel广播信道BCCHBroadcast Control Channel广播控制信道BSCBase Station Controller基站控制器BSICBase Station Identity Code基站识别码BSSBase Station Subsystem基站子系统BSSGPBSS GPRS ProtocolBSS GPRS协议BTSBase Transceiver Station基站收发信台BVCBSSGP Virtual ConnectionBSSGP虚拟连接BVCIBSSGP Virtual Connection IdentifierBSSGP虚拟连接标识符CCBCHCell Broadcast Channel小区广播信道CCCHCommon Control Channel公共控制信道CEPTConference of European Posts and Telecommunications欧洲会议CGFCharging Gateway Function计费网关功能 C/ICarrier-To-Interference Ratio载干比CMConnection Management呼叫连续管理CS-iCoding Scheme （GPRS）编码方式EECSDEnhanced Circuit Switched Data增强的电路交换数据EDGEEnhanced Data Rates For GSM EvolutionGSM演进增强型数据率系统EGPRSEnhanced GPRS增强型GPRSEIREquipment Identity Register设备识别寄存器ETSIEuropean Telecommunications Standards Institute欧洲电信标准协会FFACCHFast Associated Control Channel快速随路控制信道FCCHFrequency Correction Channel频率校准信道FDMAFrequency Division Multiple Access频分多址FSFianl Slot最后段GGGSNGateway GPRS Support NodeGPRS网关支持节点GMSCGateway MSC网关MSCGMSKGaussian Minimum Shift Keying高斯最小相移键控GPRSGeneral Packet Radio Service通用分组无线电业务GSMGlobal System for Mobile Communication全球移动通信系统GTPGPRS Tunnel ProtocolGPRS隧道协议HHLRHOME Location Register归属位置寄存器HSCSDHigh-Speed Circuit Switched Data高速电路交换数据IIMSIInternational Mobile Subscriber Identity国际移动用户识别码IPInternet Protocol英特网协议IRIncremental Redundancy增量冗余ISDNIntegrated Services Digital Network综合业务数字网ISUPIWFInterworking Function交互功能LLALink Adaptation连接适应LLCLogic Link Control逻辑链路控制LQCLink Quality Control连接质量控制MMACMedium Access Control媒体访问控制MAPMobile Application Protocol移动应用协议MCSModulation and Coding Scheme （EDGE）调制与编码形式MGWMedia GateWay媒体网关MMMobile Management移动管理MSMobile Station移动台MSCMobile Switching Center移动交换中心MTPMessage Transfer Part消息传递部分NNSEINetwork Service Entity Identifier网络业务实体标识符NSSNetwork Switching Subsystem网络子系统OOMSOperation and Maintenance Subsystem操作维护子系统OSIOpen System Interconnect开放系统互连PPACCHPacket Associated Control CHannel分组伴随控制信道PAGCHPacket Access Grant CHannel分组接入允许信道PBCCHPacket Broadcast Control CHannel分组广播控制信道PCCCHPacket Common Control CHannel分组公共控制信道PCHPaging Channel寻呼信道PCUPacket Control Units分组控制单元PDNPublic Data Networks公用数据网PDPPacket Data Protocol包数据协议PDTCHPacket Data Traffic Channel分组数据流量信道PLMNPublic Land Mobile Network公众陆地移动通信网PNCHPacket Notification Channel分组通知信道PPCHPacket Paging Channel分组寻呼信道PRACHPacket Random Access Channel分组随机接入信道PSTNPublic Swit