现代无线跟移动通信系统第三章章节-资料课件

现代无线与移动通信系统第三章李少谦电子科技大学GSM数字移动通信系统一、概述GSM主要特点n nGSM是世界首次推出的实用数字蜂窝移动通信系统，是目前全球规模最大、用户最多的系统。n nGSM具有典型的通同公众蜂窝移动通信系统结构，具有较完备的、开放的接口和通用的接口标准GSM主要特点n n用户权利的保护和传输信息的加密用户权利的保护和传输信息的加密 SIMSIM卡：认证用户身份特征，网络操作，卡：认证用户身份特征，网络操作，安全保密等信号。安全保密等信号。n n支持电信业务，承载业务和补充业务支持电信业务，承载业务和补充业务 电信业务：电话、紧急呼叫、传真电信业务：电话、紧急呼叫、传真承载业务：数据承载业务：数据补充业务，本质上是数字业务，呼叫转移、补充业务，本质上是数字业务，呼叫转移、短消息、来电显示。短消息、来电显示。GSM主要特点n n具有跨国漫游能力n n系统容量大、频谱效率高系统容量比TACS模拟系统高2倍，系统载干比一般只要求9dB，频率重复利用率高，组网灵活方便。二、移动通信系统结构PSTNBTSMSCBTSIP NET GATEWAY系统结构系统结构：各分系统与设备n n基站分系统(BSS)：基站收发信机(BTS)、基站控制器(BSC)n n移动分系统(MS)：手持台、车载台n n交换分系统(MSS)：移动交换机(MSC)、位置寄存器(HLR、VLR)、鉴权中心(AUC)等n n操作与支持系统(OSS)：操作维护中心(OMC)、网络管理中心(NMC)等系统结构：设备间的接口三、空中接口(Um接口)n n空中接口是系统的最重要的接口，它决定了系统的主要特征和功能n n空中接口包含了下述特性：信道结构和接入能力MS-BS通信协议维护和操作特性性能特性业务特性空中接口的分层结构空中接口分层结构n n物理层：为最低层。包括各类信道，为高层信息的传输提供基本的无线信道。n n数据链路层：为中间层，记为LAPDm。它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。n n第三层：为最高层，记为L3。它包括各类消息和程序，对业务进行控制。它包括无线资源管理(RRM)、移动性管理(MM)、呼叫管理(CM)三个子层。各设备间分层协议模型物理层的主要功能n n支持在物理媒介上传输比特流所要求的全部功能n n物理信道：多址接入和时隙、帧结构n n逻辑信道及其类型n n逻辑信道至物理信道的映射。包括信道的组合、信道定义、分配参数n n误码检测、加密、跳频能力等n n与二层、三层功能单元之间的接口数据链路层的主要功能n n接受物理层的服务，向第三层提供服务，对三层的各功能提供数据传输n n允许三层消息单元在三层实体间透明传输n n包括帧类型识别、序列控制、流量控制、数据格式与错误检测等第三层主要功能n n无线资源管理(RRM)：包含物理信道的建立与维持，支持越区切换等n n移动性管理(MM)：对移动台移动特性进行管理，同时负责无线信道的安全n n呼叫管理(CM)：移动台建立呼叫的所需功能n n补充业务支持(SS)：如呼叫转移、计费等n n短消息业务支持(SMS)物理层主要性能指标：发射频率：移动台发送发射频率：移动台发送890915890915MHzMHz；基站发送基站发送935960935960MHzMHzDCS1800DCS1800：移动台发送移动台发送1710178517101785MHzMHz；基站发送基站发送1805188018051880MHzMHzn n双工间隔双工间隔：4545MHzMHzn n载波频道间隔：载波频道间隔：200200KHzKHzn n多址方式：多址方式：TDMA/FDMATDMA/FDMA每载频有每载频有8 8个基本物理信道采用个基本物理信道采用TDMATDMA，通常每扇区频道数通常每扇区频道数7 7，物理信道数，物理信道数5656，每载波，每载波码元速率码元速率270.833270.833kb/skb/s。物理层主要性能指标：n n调制方式调制方式：高斯滤波最小移频键控高斯滤波最小移频键控（GMSKGMSK）BT=0.3BT=0.3。n n语音编码语音编码：1313kb/sRPE-LPkb/sRPE-LP编码编码n n时隙和时隙和TDMATDMA帧：时隙周期为帧：时隙周期为576.9576.9ss，8 8个时个时隙构成一个隙构成一个TDMATDMA帧，若干帧构成复帧。帧，若干帧构成复帧。n n基站最大输出功率：每载波基站最大输出功率：每载波500500WW，每基本物每基本物理信道理信道62.562.5WW。n n同频复用：同频复用：N=9N=9，C/I=9dBC/I=9dB，增加增加3 3dBdB余量，一余量，一般用三扇区。般用三扇区。信道类型n n逻辑信道逻辑信道业务信道（业务信道（TCHTCH）控制信道（控制信道（CCHCCH）n n业务信道：传送数字话和数据业务信道：传送数字话和数据n n话音：分全速率和半速率话音：分全速率和半速率n n全速率：全速率：1313kb/skb/s，纠错保护后总速率纠错保护后总速率22.222.2kb/skb/sn n半半速速率率：6.56.5kbpskbps，纠纠错错保保护护后后总总速速率率11.411.4kb/skb/s半速率为交替帧发送。半速率为交替帧发送。n n数据：数据：2.42.4、4.84.8、9.69.6kbpskbps透明数据业务。透明数据业务。三个主要的控制信道：n n广播信道（BCH），前向链路。广播控制信道（BCCH）。广播小区网络识别，小区现在特征（信道利用率，阻塞）等消息。频率校正信道（FCCH）。每10帧发一次，用于用户校正频率同步信道（SCH）。每10帧发一次，用于时钟同步公共控制信道（CCCH）寻呼信道（PCH），前向链路。用于寻呼用户，短消息也用此信道。随机接入信道（RACH），反向链路。用于用户接入，响应PCH信道上的寻呼。接入认可信道（AGCH），前向链路。用于系统准予用户接入。专用控制信道（DCCH）双向传输独立专用控制信道（SDCCH），在专用信道上，移动台与网统进行业务建立前的信令交换。快速辅助控制信道（FACCH），传某些特定信息，如功率和帧调整控制信息，测量数据用于切换。慢速辅助控制信道（SACCH）所携带信令与FACCH相同，但速率较慢。逻辑信道分类示意图例：移动台接入过程：n n当当移移动动台台进进入入某某小小区区，首首先先收收听听广广播播控控制制信信道道信信息息（BCCHBCCH），进进行行网网络络识识别别和和频频率率、码码元元同同步步，并在自己的寻呼组搜索是否有寻呼信息。并在自己的寻呼组搜索是否有寻呼信息。n n当当移移动动台台发发现现有有寻寻呼呼信信息息，由由随随机机接接入入信信道道（RACHRACH）向向网网络络申申请请接接入入，要要求求分分配配专专用用信信令令信信道道，于于是是系系统统在在下下行行的的接接入入准准许许信信道道（AGCHAGCH）上上为移动台分配独立专用控制信道（为移动台分配独立专用控制信道（SDCCHSDCCH）。）。n n在在专专用用信信道道上上，移移动动台台和和网网络络间间进进行行鉴鉴权权和和业业务务信信道道建建立立前前的的信信令令交交换换，此此后后转转入入业业务务信信道道TCHTCH进行话音或数据通信。进行话音或数据通信。信道组合方式：n n大容量系统若每个小区有7个载频，则1个载频中的8个物理信道，将0、1信道设为控制信道，27设为业务信道，其余载频都设为业务信道。n n小容量系统将减少控制信道数量n n不同的逻辑信道可组合成物理信道四、系统的构成与功能1.移动台MS功能无线接入无线接入GSMGSM数字移动通信网，并完成各种控数字移动通信网，并完成各种控制功能制功能。支持各种基本业务支持各种基本业务(电信业务和承载业务电信业务和承载业务)和补和补充业务。充业务。间断接收间断接收(DBX)DBX)和间断发射和间断发射(DTX)DTX)。加密，对用户数据和信令单元进行加密。加密，对用户数据和信令单元进行加密。语音编解码和信道编译码语音编解码和信道编译码。协助协助BSSBSS完成完成APCAPC、跳频及各种切换。跳频及各种切换。无线信道速率和用户数据速率之间的适配无线信道速率和用户数据速率之间的适配。支持人机接口支持人机接口(MMI)MMI)各种功能各种功能。呼叫过程的提示。呼叫过程的提示。SIM卡为GSM提供的安全保密功能如下：n nA A、用户个人身份号码用户个人身份号码PINPIN PINPIN用用于于控控制制对对SIMSIM卡卡的的使使用用，只只有有输输入入正正确确的的PINPIN码码，移移动动台台设设备备才才能能对对SIMSIM卡卡进进行行存存取，读出数据，并可以进网。取，读出数据，并可以进网。n nB B、鉴权过程鉴权过程鉴权过程在鉴权过程在GSMGSM网络和网络和SIMSIM卡之间进行，卡之间进行，以验证用户身份的合法化以验证用户身份的合法化。n nC C、加密加密 系统对用户传输信息进行加密处理，加密系统对用户传输信息进行加密处理，加密用于无线接口，用于无线接口，SIMSIM含加密参数。含加密参数。n nD D、使用临时移动用户识别号码使用临时移动用户识别号码 2、基站系统（BSS）n n基站系统主要由基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）组成。每个基站控制器可控制几个基站收发信机。基站子系统功能n n协助MSC完成地面信道管理。n n无线信道测量和分配。链路监视、功率控制、跳频管理。n n无线信道资源指示。n n信道编解码，对用户数据和用户单元进行加密。n n码型转换及速率适配。基站子系统功能n n独立完成小区内和同一BSC内的切换，执行MSC指令的在BSC间的切换。n n信号的收发与处理。n n交换功能，将无线信道连接到A接口PCM信道上。n n空间分集接收。BSC的主要功能：n n接口互连n n地面信道管理和交换n n无线信道管理无线信道的资源管理和分配、呼叫信道监测、APC功能、加密管理、BSC控制区内的切换、码型转换。n n操作和维护n n扩容功能，小区分裂或扩容。附属设备n nTC单元GSMPSTN之间实现码型和速率转换13kb/s+3kb/sPCM64kb/s接口将一条PSTN的2.048Mb/sPCM链路，3064kb/s转化为3016kb/s业务，同时建立一个64kbps的7号信令信道。TC的位置一般在MSC一侧。附属设备n nSM单元将4个16kbps合成1个64kbpsn nBIE单元远距离接口4.网络子系统n n网络子系统由六个功能单元组成：移动交换中心MSC归属用户位置寄存器（HLR）访问用户位置寄存器VLR鉴权中心（AUC）移动设备识别寄存器EIR操作支持子系统OSS移动交换中心MSCn nMSC是NSS的核心。n nMSC是交换机，在接口上的信道与通向其它MSC或PSTN的信道之间建立交换连接、呼叫控制和计费。具有移动用户呼叫建立和控制、位置更新、切换、数据查询、移动应用、信令连接、用户保护和话音加密等移动功能。归属用户位置寄存器（HLR）n n中央数据库，存着用户所有相关数据，识别号码、访中央数据库，存着用户所有相关数据，识别号码、访问能力、用户类别、补充业务等。问能力、用户类别、补充业务等。n n移动用户是运动的，一旦发出呼叫会出现主叫者不知移动用户是运动的，一旦发出呼叫会出现主叫者不知被叫移动台位于何处，因此，在交换系统中需要建立被叫移动台位于何处，因此，在交换系统中需要建立一些数据库，用来保存一些数据库，用来保存MSMS的踪迹。当一个人购买了一的踪迹。当一个人购买了一个个GSMGSM移动台后，他的订单将被登记在移动台后，他的订单将被登记在HLRHLR中。中。HLRHLR中包含用户信息，如补充业务和鉴权参数。中包含用户信息，如补充业务和鉴权参数。n n此外，此外，HLRHLR还要有还要有MSMS位置的信息，即位置的信息，即MSMS当前停留在当前停留在哪个哪个MSCMSC区，这一信息将随区，这一信息将随MSMS的移动而相应改变。的移动而相应改变。MSMS要把它的位置信息（经由要把它的位置信息（经由MSC/VLRMSC/VLR）发往它的发往它的HLRHLR，这样便提供了能接收呼叫的先决条件。这样便提供了能接收呼叫的先决条件。访问用户位置寄存器VLRn n拜访位置寄存器（拜访位置寄存器（VLRVLR）也是一个数据库，是也是一个数据库，是动态数据库，它包含了当前处在本区（动态数据库，它包含了当前处在本区（MSCMSC区）区）的全部的全部MSMS的有关信息。的有关信息。n n当某一个当某一个MSMS用户漫游到新的用户漫游到新的MSCMSC区，与该区，与该MSCMSC连接的连接的VLRVLR就向其就向其HLRHLR请求该请求该MSMS的有关的有关数据。与此同时，其数据。与此同时，其HLRHLR将通知该将通知该MSMS当前正当前正处在哪一处在哪一MSCMSC区。如果该区。如果该MSMS用户想建立呼叫，用户想建立呼叫，则则VLRVLR将建立该将建立该MSMS用户所必须的全部信息，用户所必须的全部信息，无需每次都要与无需每次都要与HLRHLR交换信息。交换信息。鉴权中心（AUC）n n存贮鉴权算法和密钥，保证各种保密参数的安全性，向HLR提供鉴权参数。移动设备识别寄存器EIRn n存贮移动设备的国际移动设备识别码（IMEI）、确保入网移动设备是入网许可的，不是失窃的和无故障的。操作支持子系统OSSn n支持一个和多个操作维护中心（包括OMC和网络管理中心）。n n用于GSM的操作和维护（监视和维护，收费，改参数）。n nOMC对基站分系统和交换分系统分别进行操作和维护，基站（OMC-R）、交换（OMC-S）。移动交换中心MSC的特点移动接入功能n n 移移动动交交换换完完成成主主叫叫与与被被叫叫用用户户之之间间的的电电路路接接续续功功能能，但但由由于于用用户户的的移移动动性性，其其呼呼叫叫接接入入处处理理过过程程与与一一般般交交换换有有所所不不同同，主主要要表表现现为为：必必须须向向VLRVLR发发出出询询问问，请请求求提提供供MSMS的的用用户户数数据据；必必须须向向HLRHLR发发出出询询问问，请请求求提提供供至至MSMS的的选选路路信息。信息。n n 移移动动呼呼叫叫接接人人处处理理较较为为复复杂杂，涉涉及及到到需需与与其其它它网网络络设设备备交交换换信信令令消消息息，需需要要较较多多的的信信息息存存储容量。储容量。移动用户位置管理功能n n位位置置登登记记有有定定时时登登记记、强强迫迫登登记记和和呼呼叫叫自自动动登登记记三三种种方方式式。后后两两种种方方式式由由移移动动台台自自动动完完成成，定定时时登登记记则则是是在在MSCMSC控控制制下下完完成成的的。MSCMSC周周期期性性地地向向所所有有MSMS发发送送当当前前时时间间值值和和登登记记周周期期。MSMS据据此此定定时时向向MSCMSC报报告告其其所所在在的的位位置置区区。MSCMSC根根据据收收到到的的登登记记消消息息，对对每每个个MSMS的的位位置置消消息息进进行行修修改改。如如果果超超时时未未收收到到登登记记报报告告，则则认认为为该该MSMS已已关关机机停停用用，以以后后将将对对其其来来话话呼呼叫叫予予以以拒拒绝绝。MSCMSC内内部部设设置置有有移移动动台台位位置置管管理理表表，动态记录每个移动台的位置及活动状态。动态记录每个移动台的位置及活动状态。移动用户位置管理功能n n位置更新是位置更新是MSCMSC通过登记发现新的来访用户后，通过登记发现新的来访用户后，通过信令消息告知通过信令消息告知VLRVLR，再由再由VLRVLR通知通知HLRHLR完完成的。位置删除则是逆过程，由成的。位置删除则是逆过程，由HLRHLR发出删除发出删除消息，通知消息，通知VLRVLR和和MSCMSC完成。完成。频道切换功能n n频道切换是移动交换特有的功能。它完成移动台的越区切换功能，它包括信号监视、信号测量、切换控制和切换接续几个子功能。前两个子功能由BS和MS完成，用来触发频道切换和选择切换目标小区，后两个子功能则由MSC完成。实时数据库管理功能n n在移动交换中，MSC必须与HLR、VLR、EIR及AUC交换大量的数据，这些网络设备实质上是分布式大容量实时数据库。数据检索的实时性是MSC最重要的设计要求，这直接关系到移动呼叫建立时延和频道切换的速度，对移动服务质量指标有直接的影响。移动交换节点硬件子系统与一般交换机基本相同。在软件子系统中，MTS称为移动电话子系统，完成移动呼叫控制功能。五、信令n n在在通通信信网网中中，为为了了完完成成用用户户随随时时随随地地都都可可以以建建立立通通信信的的要要求求，除除了了要要传传送送用用户户到到用用户户的的信信息息(如如话话音音、数数据据)外外，还还要要在在交交换换局局与与交交换换局局、用用户户与与交交换换局局之之间间传传送送用用于于建建立立和和释释放放呼呼叫叫为为主主的的控控制制信信号号，以以便便完完成成用用户户进进行行通通信信的的正正常常接接续续。这这些些控控制制信信号号称称为为信信令令，通通信信网网中中对对这这些些信信令令所所遵遵守守的的协协议议称称为为信信令令方方式式；每每个个交交换换局局为为完完成成特特定定信信令令方方式式的的传传递递与与控控制制所所实实现现的的功能实体称为信令系统。功能实体称为信令系统。No.7信令n n对对于于移移动动通通信信网网，信信令令方方式式一一般般采采用用No.7No.7公公共共信信道道信信令令方方式式，它它是是利利用用局局间间公公共共的的几几条条信信令令链链路路传传送送话话路路的的信信令令信信息息。No.7No.7信信令令具具有有传传输输速速度度快快、信信令令容容量量大大、可可靠靠性性高高、使使用用灵灵活活、成成本本低低、适适用用能能力力强强等等特特点点，同同时时可可开开放放很很多多新新业业务务功功能能，具具有有很很好好的的应应用用前前景景。我我国国No.7No.7信信令令的的应应用用和和发发展展很很快快，目目前前已已在在电电话话网网、移移动网、动网、ISDNISDN网和智能网中广泛应用。网和智能网中广泛应用。No.7信令结构n nNo.7信令按功能及结构可分为消息传递(MTP)和用户(UP)两大部分，MTP又分为数据链路功能级(第一级)、信令链路功能级(第二级)和信令网功能级(第三级)三个功能级。用户部分主要包括电话用户部分(TUP)和ISDN用户部分(1SUP)。其中在移动网中起重要作用的是移动应用部份MAP。No.7信令结构MAP由七大类程序组成n n位置登记删除n n补充业务处理n n呼叫建立期间用户参数的检索n n切换（两个MSC之间）n n用户管理n nHLR故障后的复原n n国际移动设备识别（IMEI）的管理