移动通信基站基础知识-课件

高级工程师高级工程师n 移动通信移动通信是指通信是指通信双方双方或至少或至少一方一方处于处于移动移动中中进行进行信息交互信息交互的通信，即的通信，即移动体移动体与与移动体移动体、移动体移动体与与固定体固定体之间的之间的通信通信。n按照按照移动体移动体所处的所处的运动区域运动区域不同，移动通信可不同，移动通信可分为分为陆地移动通信陆地移动通信、海上移动通信海上移动通信和和空中移动空中移动通信通信。n陆地移动通信以陆地移动通信以蜂窝移动通信蜂窝移动通信系统应用最为广系统应用最为广泛，以泛，以数字蜂窝移动通信数字蜂窝移动通信发展最为迅速，本章发展最为迅速，本章着重介绍着重介绍数字蜂窝移动通信系统数字蜂窝移动通信系统。2024/7/112024/7/112 2 第一节第一节 移动通信的特点及分类移动通信的特点及分类 移动通信系统由于移动通信系统由于用户的移动性用户的移动性，管理技术管理技术要要比比固定通信固定通信要复杂，要复杂，移动移动通信网中依靠的是通信网中依靠的是无线无线电波电波的的传播传播，传播，传播环境环境比比有线媒质有线媒质的传播特性的传播特性复复杂杂，移动通信移动通信有着与有着与固定通信固定通信不同的特点。不同的特点。一、移动通信的特点一、移动通信的特点 1 1、无线电波传播环境复杂：、无线电波传播环境复杂：移动通信的电波处在移动通信的电波处在特高频特高频（3003003000MHz3000MHz）频）频段，电波传播主要方式是段，电波传播主要方式是视距传播视距传播。电磁波在传。电磁波在传播时不仅有播时不仅有直射波直射波信号，还有经信号，还有经地面地面、建筑群建筑群等等产生的产生的反射反射、折射折射、绕射绕射的的传播传播，从而产生，从而产生多径多径传播传播引起的引起的快衰落快衰落、阴影效应阴影效应引起的引起的慢衰落，慢衰落，系系统必需配有统必需配有抗衰落抗衰落措施，才能保证正常运行。措施，才能保证正常运行。2024/7/112024/7/113 32 2、噪声和干扰严重：、噪声和干扰严重：移动台在移动台在移动时移动时即受到即受到环环境噪声境噪声的干扰，又有的干扰，又有系统系统干扰。由于系统内有干扰。由于系统内有多个用户多个用户，必须采用，必须采用频率复用频率复用技术，系统就有技术，系统就有了了互调干扰互调干扰、邻道干扰邻道干扰、同频干扰同频干扰等主要的等主要的系系统干扰统干扰，这就要求系统有合理的，这就要求系统有合理的同频复用同频复用规划规划和和无线网络优化无线网络优化等措施。等措施。3 3、用户的移动性：、用户的移动性：用户用户的的移动性移动性和移动的和移动的不可预不可预知性知性，要求系统有完善的，要求系统有完善的管理技术管理技术对用户的对用户的位位置置进行进行登记登记、跟踪，跟踪，不因不因位置位置改变改变中断通信。中断通信。4 4、频率资源有限：、频率资源有限：ITUITU对对无线频率无线频率的划分的划分有严格有严格规定规定，要设法提高系统的频率利用率。，要设法提高系统的频率利用率。2024/7/112024/7/114 4二、移动通信的分类二、移动通信的分类 1.1.按服务对象分类：按服务对象分类：公用移动通信公用移动通信和专用移动通信。和专用移动通信。2.2.按组网方式分类：按组网方式分类：峰窝状移动通信峰窝状移动通信、移动卫星通信、移动数据、移动卫星通信、移动数据通信、公用无绳电话、集群调度电话等。通信、公用无绳电话、集群调度电话等。3.3.按工作方式分类：按工作方式分类：单向和单向和双向双向通信方式两大类，双向通信方通信方式两大类，双向通信方式可又分为单工、式可又分为单工、双工双工和半双工通信方式。和半双工通信方式。4.4.按采用的技术分类：按采用的技术分类：分为模拟移动通信系统和分为模拟移动通信系统和数字移动通信系数字移动通信系统统。2024/7/112024/7/115 5 第二节第二节 移动通信的发展历程移动通信的发展历程n8080年代发展起来的第一代年代发展起来的第一代模拟模拟移动通信系统。移动通信系统。n9090年代初发展为第二代年代初发展为第二代数字数字移动通信系统。移动通信系统。n现正在建设第三代现正在建设第三代宽带宽带数字移动通信系统（数字移动通信系统（3G3G）。）。n3G3G以以宽带宽带多媒体移动通信多媒体移动通信为目标，数据传输速率：为目标，数据传输速率：高速移动高速移动环境环境 144kbit/s144kbit/s；步行慢速移动步行慢速移动环境环境 384kbit/s384kbit/s；室内静态室内静态环境环境 2Mbit/s2Mbit/s；n3G3G世界三大主流标准：世界三大主流标准：WCDMAWCDMA、CDMA 2000CDMA 2000、TD-SCDMATD-SCDMA（我国提出的标准我国提出的标准）。2024/7/112024/7/116 6 第三节第三节 数字移动通信技术数字移动通信技术一、数字调制技术一、数字调制技术n数字调制是使在信道上传送的数字调制是使在信道上传送的信号特性信号特性与与信道信道特性特性相匹配相匹配的一种技术。的一种技术。n模拟语音信号，经过模拟语音信号，经过语音编码语音编码所得到的所得到的数字信数字信号号必须经过必须经过调制调制才能实际传输。才能实际传输。n无线传输无线传输系统中，是利用系统中，是利用载波载波来来携带携带语音编码语音编码信号的，即用信号的，即用语音编码语音编码后的后的数字信号数字信号对对载波载波进进行行调制调制。n数字调制方式有以下几种：数字调制方式有以下几种：2024/7/112024/7/117 7l移频键控（移频键控（FSKFSK）：）：载波的载波的频率频率按照按照数字信号数字信号 “1”1”、“0”0”变化变化而对应而对应变化变化；l移相键控（移相键控（PSKPSK）：）：载波的载波的相位相位按照按照数字信号数字信号“1”1”、“0”0”变化变化而对应而对应变化变化；l振幅键控（振幅键控（ASKASK）：）：载波的载波的振幅振幅按照按照数字信号数字信号“1”1”、“0”0”变化变化而对应而对应变化变化。lGSMGSM移动通信系统采用移动通信系统采用高斯预滤波最小移频键控高斯预滤波最小移频键控GMSKGMSK。n移动通信使用的移动通信使用的调制技术调制技术还有：还有：二相移相键控二相移相键控（BPSKBPSK）、四相移相键控（）、四相移相键控（QPSKQPSK）、正交调幅）、正交调幅（QAMQAM）,频谱利用率较高频谱利用率较高,设计设计难度难度和和成本成本较高。较高。2024/7/112024/7/118 8二、多址技术二、多址技术 n多址技术就是把多址技术就是把多个用户多个用户接入接入一个传输媒质实一个传输媒质实现现相互间通信时，给相互间通信时，给每个用户信号每个用户信号赋予赋予不同的不同的特征特征，以，以区分不同区分不同的的用户用户的技术。的技术。n常用的多址方式：常用的多址方式：頻分多址頻分多址（FDMAFDMA）、时分多址时分多址（TDMATDMA）和和码分码分多址多址（CDMACDMA）。nGSMGSM系统使用：系统使用：频分多址（频分多址（FDMAFDMA）/时分多址时分多址（TDMATDMA）混和多址方式，即混和多址方式，即 FDMA/TDMAFDMA/TDMA。n3G3G系统多址方式使用：系统多址方式使用：码分多址（码分多址（CDMA)CDMA)方式。方式。2024/7/112024/7/119 9 1 1、频分多址（、频分多址（FDMAFDMA）nFDMAFDMA是把工作频段划分成是把工作频段划分成多个无线载频多个无线载频，每，每一个载一个载频信道频信道可以传输可以传输一路语音一路语音或或控制控制信息，通信时不同信息，通信时不同的的MSMS占用占用不同的频率信道不同的频率信道进行通信。进行通信。nFDMAFDMA的特点：的特点：（1 1）信道的）信道的带宽较窄带宽较窄（252530KHz30KHz），相邻频道要），相邻频道要留有留有防护频带防护频带；（2 2）与）与TDMATDMA系统比，系统比，FDMAFDMA系统的系统的复杂程度复杂程度低。低。（3 3）采用）采用单路单载波单路单载波（SCPCSCPC）设计，需使用高性能）设计，需使用高性能的的射频射频（RFRF）带通滤波器带通滤波器来减少邻道干扰，成本较来减少邻道干扰，成本较高。高。2024/7/112024/7/1110102 2、时分多址（、时分多址（TDMATDMA）nTDMATDMA是把是把时间时间分成周期性的分成周期性的帧帧，每，每一帧一帧再分割再分割成成若干时隙若干时隙，一个，一个时隙时隙就是一个通信就是一个通信信道信道。n通信时，给通信时，给每个用户每个用户分配分配一个时隙一个时隙，使各，使各移动移动台台在在每帧内每帧内只能按只能按指定的时隙指定的时隙向基站向基站发射发射或或接接收收信号。同信号。同一个频道一个频道就可供就可供几个用户同时几个用户同时进行进行通信。通信。nGSMGSM系统系统无线路径上无线路径上采用采用TDMATDMA方式，方式，每一个载频每一个载频可分成可分成8 8个个时隙，一个时隙为一个时隙，一个时隙为一个信道信道，一个载，一个载频最多可有频最多可有8 8个个移动用户移动用户同时同时进行通信。进行通信。供几个用户供几个用户2024/7/112024/7/111111n如下图所示的频分多址和时分多址方式：如下图所示的频分多址和时分多址方式：a.FDMA b.TDMA2024/7/112024/7/111212n时分多址（时分多址（TDMATDMA）的特点）的特点 （1 1）TDMATDMA系统中系统中几个用户几个用户共享共享同一个载频同一个载频，但，但每个用户使用彼此每个用户使用彼此互不重叠互不重叠的的时隙时隙。（2 2）TDMATDMA系统中的系统中的数据发射是不连续的数据发射是不连续的，是以，是以突发突发方式发射，方式发射，耗电较少耗电较少，移动台可在，移动台可在空闲空闲的的时时隙隙里里监听监听其他其他基站基站，使，使越区切换越区切换大为简化。大为简化。（3 3）共享设备的）共享设备的成本低成本低，每，每一载频一载频为为许多用户许多用户提供业务，用户平均成本大大低于提供业务，用户平均成本大大低于FDMAFDMA系统。系统。（4 4）移动台）移动台复杂复杂，它需要，它需要处理复杂处理复杂的的数字信号数字信号。2024/7/112024/7/111313 3 3、码分多址（、码分多址（CDMACDMA）移动通信中，移动通信中，多个用户多个用户使用的使用的频率频率和和时间时间都是都是相同的相同的，而给每个，而给每个移动台移动台分配一个分配一个独立独立的的码序列码序列，这种用这种用不同不同的的正交编码序列正交编码序列来来区分区分不同移动不同移动用户用户的的通信方式通信方式，称为，称为码分多址码分多址。n码分多址（码分多址（CDMA)CDMA)的特点的特点 （1 1）系统容量大。）系统容量大。CDMA CDMA 无线信道容量无线信道容量 比比 FDMAFDMA大近大近1010倍倍。（2 2）有很强的抑制干扰和多径衰落的能力。）有很强的抑制干扰和多径衰落的能力。CDMACDMA的的扩频系统扩频系统可以把多径干扰信号可以把多径干扰信号解扩解扩去除。去除。（3 3）具有软容量和小区呼吸功能。系统）具有软容量和小区呼吸功能。系统忙时忙时只只需少许增加需少许增加系统噪声系统噪声就可就可增加通话用户增加通话用户，即所谓，即所谓软容量。小区呼吸功能是指软容量。小区呼吸功能是指负荷量动态控制负荷量动态控制。2024/7/112024/7/111414（4 4）软切换）软切换。当当 移动台超越移动台超越小区小区或或扇区扇区时，由于时，由于工作工作频率频率相同，只是相同，只是地址码地址码序列不同，不需要序列不同，不需要频频率率的的切换切换，称之为软切换。，称之为软切换。软切换是先接后断切软切换是先接后断切换换，软切换，软切换可靠性高可靠性高。（5 5）存在多址干扰和远近效应。）存在多址干扰和远近效应。CDMACDMA的的地址码地址码不不可能可能完全正交完全正交，在，在解扩解扩过程中必然带来过程中必然带来用户间用户间的的干扰；干扰；CDMACDMA的的信道信道也采用也采用地址码地址码分割，并切公用分割，并切公用载波载波，增加，增加信道信道的同时干扰也的同时干扰也增加增加。CDMACDMA系统通过系统通过自动功率控制自动功率控制减轻其影响。减轻其影响。n由于由于信道地址码信道地址码的相互作用，任何的相互作用，任何一个信道一个信道将受将受到其他到其他不同地址码信道不同地址码信道的的干扰干扰，称为，称为多址干扰多址干扰。2024/7/112024/7/111515nCDMACDMA系统的系统的多址干扰多址干扰直接限制直接限制容量容量的扩大。的扩大。码分多址技术是基于以下两种码分多址技术是基于以下两种扩频通信扩频通信方式：方式：（1 1）跳频技术）跳频技术 跳频技术是跳频技术是扩频通信扩频通信中的一种，中的一种，GSMGSM系统中系统中使用跳频技术，其主要功能是可有效地减小使用跳频技术，其主要功能是可有效地减小传传播信道播信道对某个对某个频率频率的的选择性选择性衰落；可避免衰落；可避免多径多径信号信号的干扰。的干扰。跳频分为跳频分为基带跳频基带跳频和和射频跳频射频跳频两种。两种。如图所示。（如图所示。（a a）基带跳频）基带跳频 （b b）射频跳）射频跳频频 （2 2）扩频技术）扩频技术2024/7/112024/7/111616TRXnTRX2TRX1耦耦 合合 器器基带信号基带信号时隙时隙交叉交叉控制控制图图 1.21.2（a a）基带跳频）基带跳频2024/7/112024/7/111717PNPN码发生器码发生器可变频率合成器可变频率合成器射频调制射频调制频率合成器频率合成器射频调制射频调制耦耦 合合 器器基带信令基带信令基带信息基带信息F0F1-Fn图图 1.21.2（b b）射频跳频）射频跳频2024/7/112024/7/111818 扩频通信是将扩频通信是将信息信号信息信号的的频谱扩展频谱扩展后再进行后再进行传输传输，提高了系统的，提高了系统的抗干扰抗干扰能力，在能力，在强干扰强干扰甚甚至信号至信号被噪声淹没被噪声淹没的情况下，能保证的情况下，能保证可靠通信。可靠通信。常用的扩频通信技术如下：常用的扩频通信技术如下：l直接扩频（直接扩频（DSDS）将要传输的将要传输的信息数据信息数据用用高速高速伪随机码序列调制伪随机码序列调制，由于，由于伪随机序列伪随机序列的速率的速率（带宽）远大于（带宽）远大于信息数据信息数据速率，使要传递速率，使要传递信息信息数据数据信号的信号的频谱频谱被展宽。被展宽。l跳频（跳频（FHFH）荷载信息荷载信息的的信号信号受受伪随机序列伪随机序列的的控制控制，在，在一组预先指定一组预先指定的的频率上频率上离散地离散地跳变跳变，从而扩展了从而扩展了发射信号发射信号的的频谱频谱。2024/7/112024/7/111919三、双工方式三、双工方式 1 1、频分双工（、频分双工（FDDFDD）：）：收发信收发信各占用一个频率各占用一个频率。优点是收、发信号同时进行，时延小，技术成熟，优点是收、发信号同时进行，时延小，技术成熟，缺点是设备成本高。缺点是设备成本高。2 2、时分双工（、时分双工（TDDTDD）：）：收发信收发信使用使用同一个频率同一个频率,但使用但使用不同时隙不同时隙。优点是频谱利用灵活优点是频谱利用灵活,上、下行上、下行使用使用相同的频率相同的频率，传输特性相同传输特性相同，有利于使用，有利于使用智能天线智能天线,无无收发间收发间隔隔要求要求,支持支持不对称业务不对称业务,设备成本低设备成本低等。等。缺点是小区半径小缺点是小区半径小,抗快衰落和多普勒效应的能抗快衰落和多普勒效应的能力低于力低于FDD,FDD,终端移动速度不能超过终端移动速度不能超过120km/h120km/h。2024/7/112024/7/112020四、频率复用技术四、频率复用技术 在移动通信系统中，在移动通信系统中，频率资源有限频率资源有限，为提高，为提高频频谱利用率谱利用率，在，在相隔一定距离相隔一定距离后重新使用后重新使用相同的频相同的频率组率组，这种，这种采用同頻复用采用同頻复用和和頻率分组頻率分组来提高来提高頻率頻率利用率利用率方式，就是方式，就是频率复用技术频率复用技术。n实际应用中常采用实际应用中常采用 4/12 4/12 和和 3/9 3/9 频率复用频率复用分组分组方式方式。即将。即将1212组頻率组頻率轮流分配到轮流分配到4 4个基站个基站和将和将9 9组组頻率頻率轮流分配到轮流分配到3 3个基站个基站，每个，每个站点站点可用到可用到3 3个频个频率组率组。n频率复用会带来频率复用会带来小区间小区间的的干扰干扰，GSMGSM系统要求：系统要求：同频干扰保护比同频干扰保护比 C/I9dBC/I9dB 邻频干扰保护比邻频干扰保护比 C/I-9dB C/I-9dB 2024/7/112024/7/112121图图 1.3 1.3 按按4/124/12方式复用的小区示意图方式复用的小区示意图2024/7/112024/7/112222图图1.5 1.5 按按3/93/9方式复用的小区示意图方式复用的小区示意图2024/7/112024/7/112323 第四节第四节 无线电频谱管理与使用无线电频谱管理与使用 1 1、无线电频谱管理、无线电频谱管理 2 2、移动通信的频谱特性和管理、移动通信的频谱特性和管理2024/7/112024/7/112424nGSMGSM是是全球第一个标准化全球第一个标准化的的数字数字蜂窝移动通信系蜂窝移动通信系统，它对统，它对数字调制数字调制方式、方式、网络结构网络结构和和业务种类业务种类等等进行进行标准化规范标准化规范，GSMGSM系统可以提供系统可以提供全球漫游全球漫游。n主要特点主要特点1 1、频谱效率高：采用了高效调制器、信道编码和、频谱效率高：采用了高效调制器、信道编码和语音编码等技术，系统具有高频谱效率。语音编码等技术，系统具有高频谱效率。2 2、容量大：比、容量大：比TACSTACS（模拟移动通信系统）高（模拟移动通信系统）高3-53-5倍倍3 3、话音质量好：、话音质量好：接收信号在接收信号在门限值门限值以上时，达到与以上时，达到与有线传输相同有线传输相同的水平而与无线传输质量无关。的水平而与无线传输质量无关。2024/7/112024/7/112525 4 4、开放的接口：、开放的接口：GSMGSM系统从系统从空中接口空中接口到到网络之间网络之间以及网络中以及网络中各实体各实体之间之间，提供的，提供的接口接口都是都是开放性的开放性的。5 5、安全性高：、安全性高：通过鉴权、加密和通过鉴权、加密和TMSITMSI（临时用户（临时用户识别码）号码的使用，实现了安全保护，识别码）号码的使用，实现了安全保护，鉴权鉴权用来用来验证用户的入网权力验证用户的入网权力，加密加密防止有人跟踪而防止有人跟踪而泄漏地泄漏地理位置理位置。6 6、可与、可与ISDNISDN（综合业务数据网）、（综合业务数据网）、PSTNPSTN（公用电（公用电话网）等互连，与话网）等互连，与其它网络互连其它网络互连是利用是利用现有接口现有接口。n在在SIMSIM卡卡基础上实现基础上实现漫游漫游，漫游漫游是移动通信的是移动通信的重要重要特征特征，GSMGSM系统可以提供系统可以提供全球漫游全球漫游。2024/7/112024/7/112626 第一节第一节 GSMGSM系统的结构系统的结构一、一、GSMGSM系统的结构系统的结构 主要由主要由 移动台移动台（MSMS）、）、基站子系统基站子系统 （BSSBSS）和）和 网络子系统网络子系统（NSSNSS）三部分组成。）三部分组成。GSMGSM系统通过一定的系统通过一定的网络接口网络接口和和用户连接用户连接。其结构方框图见图其结构方框图见图2.12.12024/7/112024/7/112727SMC图图2.1 GSM2.1 GSM系统的结构图系统的结构图2024/7/112024/7/1128281.1.移动台（移动台（MSMS）：）：是移动用户是移动用户设备设备部分，由部分，由移动终端移动终端和和用户识别卡用户识别卡(SIM)(SIM)两部分组成，移动终端是两部分组成，移动终端是“机机”，SIMSIM卡是卡是“身份卡身份卡”，存有认证用户身份的所有信息。，存有认证用户身份的所有信息。SIMSIM卡卡还存储与网络和用户有关的管理数据，只有还存储与网络和用户有关的管理数据，只有插入插入SIMSIM卡后卡后移动台才能移动台才能接入进网接入进网。2.2.基站子系统（基站子系统（BSSBSS）：）：由由基站控制器基站控制器（BSCBSC）和）和基站收发信机基站收发信机（BTSBTS）两部）两部分组成，是分组成，是GSMGSM系统的基本组成部分。系统的基本组成部分。n 基站控制器（基站控制器（BSCBSC）：具有对）：具有对一个一个或或多个多个BTSBTS进行进行控制控制的功能，主要负责的功能，主要负责无线资源管理无线资源管理、小区配置数小区配置数据据管理、管理、功率控制功率控制、定位定位和和切换切换等。等。基站控制器（基站控制器（BSC)BSC)是一个很强的是一个很强的业务控制点业务控制点。2024/7/112024/7/112929n 基站收发信台（基站收发信台（BTSBTS）：）：是是无线接口无线接口设备，主要包括设备，主要包括无线发射无线发射和和接收接收设备、设备、天线设备天线设备及及信号处理信号处理部分。完成部分。完成无线传输无线传输、有线有线与与无线转换无线转换、分集分集、加密加密、跳频跳频等。实现等。实现BTS BTS 与与 MS MS 之间之间无线传输无线传输和和相关控制相关控制功能。功能。3.3.网络子系统（网络子系统（NSSNSS）：）：由由移动业物交换中心移动业物交换中心（MSCMSC）、）、来访用户位置寄存器来访用户位置寄存器（VLRVLR）、）、归属用归属用户位置寄存器户位置寄存器（HLRHLR）、）、鉴权中心鉴权中心（AUCAUC）和）和移动移动设备识别寄存器设备识别寄存器（EIREIR）、）、短消息业物中心短消息业物中心（SMC)SMC)等单元组成。主要完成等单元组成。主要完成交换功能交换功能和和用户数用户数据据与与移动性管理移动性管理、安全性管理安全性管理所需的所需的数据库功能数据库功能。2024/7/112024/7/113030 （1 1）移动业务交换中心（移动业务交换中心（MSCMSC）：）：n是是GSMGSM系统的系统的核心核心，它一侧和，它一侧和 BSSBSS接口，另一侧接口，另一侧与与外部网络外部网络接口，主要提供接口，主要提供交换功能，交换功能，MSCMSC可以可以从从HLRHLR、VLRVLR和和AUCAUC中中获取获取有关处理用户有关处理用户位置登记位置登记和和呼叫请求呼叫请求的全部数据，支持的全部数据，支持位置登记位置登记和和更新更新、越区切换越区切换、漫游漫游和和计费计费功能。功能。n外部网络用户与外部网络用户与GSMGSM用户之间呼叫时，外部网络用户之间呼叫时，外部网络用户首先被接到用户首先被接到入口入口移动交换中心移动交换中心（GMSCGMSC网网关移动业务交换中心），它负责获取关移动业务交换中心），它负责获取移动用户移动用户的的位置位置信息，并把信息，并把呼叫转移到呼叫转移到可向被叫用户提可向被叫用户提供服务的供服务的 MSCMSC。2024/7/112024/7/113131（2 2）来访用户位置寄存器（）来访用户位置寄存器（VLRVLR）：）：是一个是一个动态动态用户数据库用户数据库，存储着，存储着进入进入其控制区域内其控制区域内来访的移来访的移动用户动用户的有关数据。这些数据是从该用户的归属的有关数据。这些数据是从该用户的归属位置寄存器位置寄存器获得获得并并暂存的暂存的，当，当该用户离开该用户离开它的控它的控制区域时，制区域时，暂时存储暂时存储的该用户数据即的该用户数据即被删除被删除。VLRVLR可以看作是一个可以看作是一个动态用户数据库。动态用户数据库。VLRVLR总是和总是和MSCMSC集成在一起的（集成在一起的（MSC/VLRMSC/VLR）。）。（3 3）归属用户位置寄存器（）归属用户位置寄存器（HLRHLR）：它也是一个）：它也是一个数据库数据库，存储着存储着该该GSMGSM系统业务区内系统业务区内所有移动用所有移动用户户的有关数据。的有关数据。存储的静态数据有：存储的静态数据有：移动用户号码移动用户号码、访问能力访问能力、用户类别用户类别和和补充业务补充业务等，还暂存移动用户等，还暂存移动用户漫游时漫游时的有关的有关动态动态信息数据。信息数据。2024/7/112024/7/113232（4 4）鉴权中心（）鉴权中心（AUCAUC）：用于）：用于产生产生为确定移动用户为确定移动用户 的的身份身份和对和对呼叫保密呼叫保密所需所需监权监权、加密加密的的3 3个个参数参数（随机数（随机数RAND.RAND.响应数响应数SRES.SRES.密钥密钥KcKc）。）。（5 5）移动设备识别寄存器（）移动设备识别寄存器（EIREIR）：也是一个）：也是一个数据库数据库，存储有关移动台存储有关移动台设备识别码设备识别码（IMSIIMSI）。）。通过核查通过核查白色白色、黑色黑色和和灰色灰色三种清单，完成对三种清单，完成对移移动设备动设备的的识别识别、监视监视、闭锁闭锁功能，以防止功能，以防止非法非法移动移动台的使用。台的使用。（6 6）短消息业务中心（）短消息业务中心（SMCSMC）：短消息业务是一）：短消息业务是一 种种类似类似传呼机传呼机的业务功能，在移动用户和移动用户之的业务功能，在移动用户和移动用户之间或移动用户和固定用户之间或移动用户和固定用户之 间发送间发送较短较短的信息。的信息。2024/7/112024/7/1133334.4.操作维护中心（操作维护中心（OMCOMC）操作维护中心，是对操作维护中心，是对整个整个GSMGSM网络网络进行进行控制控制和和操操作作。通过它实现对。通过它实现对GSMGSM系统内系统内的的自检自检、故障诊断故障诊断和和处处理理、话务量统计话务量统计和和计费数据计费数据的的记录记录和和传递传递，以及各，以及各种参数的种参数的收集收集、分析分析与与显示显示等。等。5.GSM5.GSM的网络接口的网络接口 如图如图5.25.2所示。所示。（1 1）主要接口）主要接口 GSMGSM主要接口是指主要接口是指 A A接口接口、AbisAbis接口接口和和 U Um m 接口接口。这三种接口可保证这三种接口可保证不同厂商不同厂商生产的生产的MSMS、BSSBSS及及NSSNSS等设备等设备能够纳入能够纳入GSMGSM系统中系统中正常运行正常运行和和使用使用。2024/7/112024/7/113434BTSMSVLRMSCEIRBSCHLRVLRMSCUmAbisABCDEFG图图2.2 GSM2.2 GSM系统的接口系统的接口 BTSMSVLRMSCEIRBSCHLRVLRMSCUmAbisABCDEFGBTSMSVLRMSCEIRBSCHLRVLRMSCUmAbisABCDEFG2024/7/112024/7/113535 1 1）A A接口。接口。nA A接口为接口为NSSNSS与与BSSBSS之间的通信接口。之间的通信接口。从系统实体来看，就是从系统实体来看，就是MSCMSC与与BSCBSC之间的互连接之间的互连接口，其口，其网络连接网络连接是通过采用标准的是通过采用标准的2.048Mbit/s2.048Mbit/s的的PCMPCM数字传输链路来实现的。数字传输链路来实现的。nA A接口传送的信息包括对接口传送的信息包括对移动台移动台和和基站基站的管理、的管理、移动性移动性及及呼叫接续呼叫接续管理等。管理等。2 2）AbisAbis接口。接口。是基站子系统的是基站子系统的BSCBSC与与BTSBTS之间的之间的通信接口通信接口。它是采用标准的。它是采用标准的2.048Mbit/s2.048Mbit/s或或64Kbit/s64Kbit/s的的PCMPCM数字传输链路来实现。数字传输链路来实现。AbisAbis接口支持所有向接口支持所有向用户用户提供的服务，支持提供的服务，支持对对BTSBTS无线设备的无线设备的控制控制和和无线资源无线资源的分配。的分配。2024/7/112024/7/113636 3 3）UmUm接口（空中接口）。接口（空中接口）。UmUm接口定义为接口定义为 MS MS 和和 BTS BTS 之间的之间的无线通信无线通信接口，接口，是是GSMGSM系统中系统中最重要最重要、最复杂最复杂的接口，包含的接口，包含信令信令接口接口和和物理接口物理接口两方面的含义。两方面的含义。网络子系统（网络子系统（NSSNSS）内部接口。）内部接口。NSSNSS内部接口有：内部接口有：B B接口、接口、C C接口、接口、D D接口、接口、E E接口、接口、F F接口、接口、G G接口。接口。GSMGSM系统与其它公用网络接口。系统与其它公用网络接口。GSMGSM通过移动业务交换中心通过移动业务交换中心 MSC MSC 与与 PSTNPSTN、ISDNISDN等等公用网络公用网络连接，一般采用连接，一般采用No.7No.7信令信令接口，其物接口，其物理连接是理连接是2.048Mbit/s2.048Mbit/s的的PCMPCM数字传输链路。数字传输链路。2024/7/112024/7/113737 第二节第二节 GSMGSM的的 TDMA TDMA 信道信道nGSMGSM系统的系统的无线网络无线网络，由，由小区小区构成，每个小区有构成，每个小区有多个多个载频载频，每个载频又，每个载频又有有8 8个个时隙时隙，即，即8 8个物理信道个物理信道。nGSM GSM 采用采用 FDMA/TDMAFDMA/TDMA 的混和接入方式的混和接入方式。下面介绍下面介绍FDMA/TDMAFDMA/TDMA接入方式中的接入方式中的无线信道无线信道。一、一、TDMA TDMA 信道信道nTDMATDMA信道：可分为信道：可分为物理信道物理信道和和逻辑信道逻辑信道。n物理信道：一个物理信道就是物理信道：一个物理信道就是一个时隙一个时隙。n逻辑信道：是根据逻辑信道：是根据 BTS BTS 与与 MS MS 之间传递的之间传递的消息种类消息种类不同而定义的不同不同而定义的不同逻辑信道逻辑信道，逻辑信道逻辑信道要通过要通过BTSBTS影影射射到不同的物理信道上来到不同的物理信道上来传送传送，从，从BTSBTS到到MSMS的的方向方向称称为为下行链路下行链路，从，从MSMS到到BTSBTS方向称为方向称为上行链路上行链路。2024/7/112024/7/113838 逻辑信道又可分为逻辑信道又可分为业务信道业务信道和和控制信道控制信道。1 1、业务信道（、业务信道（TCHTCH）用于传送用于传送数字话音数字话音或或数据数据，还有少量，还有少量控制信令控制信令。业务信道可分为：业务信道可分为：语音业务信道语音业务信道和和数据业务信道数据业务信道，在在TCHTCH中可安排中可安排慢速随路控制信道慢速随路控制信道（SACCH)SACCH)或或快速随快速随路控制信道路控制信道（FACCH)FACCH)。2 2、控制信道（、控制信道（CCHCCH）用于传送用于传送信令信令或或同步数据同步数据。根据所完成的功能把。根据所完成的功能把 控制信道分为：控制信道分为：广播信道广播信道 (BCH)(BCH)、公共控制信道公共控制信道(CCCH)(CCCH)和和专用控制信道专用控制信道 (DCCH)(DCCH)。（1 1）广播信道（）广播信道（BCHBCH）：用于）：用于基站基站向向移动台广播公移动台广播公用用 2024/7/112024/7/113939 用于用于基站基站向向移动台移动台广播广播公用信息公用信息。BCHBCH包括包括广播控制信道广播控制信道（BCCHBCCH）、）、频率校正频率校正信道信道（FCCHFCCH）和）和同步信道同步信道（SCHSCH）。）。它们携带的它们携带的信息目标信息目标是是小区内小区内所有手机，是所有手机，是一点一点 对对多点多点的的单向单向的的下行下行信道信道。（2 2）公共控制信道（）公共控制信道（CCCHCCCH）：用于传输）：用于传输MSMS接入过程接入过程中所需的中所需的控制指令控制指令。接入许可信道接入许可信道（AGCHAGCH）、）、寻呼寻呼信道信道（PCHPCH）、）、小区广播控制信道小区广播控制信道（CBCHCBCH）和）和随机接随机接入信道入信道（RACHRACH）。）。（3 3）专用控制信道（）专用控制信道（DCCHDCCH）：是一种）：是一种双向双向控制信道，控制信道，其用途是在其用途是在呼叫接续呼叫接续阶段以及在阶段以及在通信通信进行中，在进行中，在 MS MS 和和 BTS BTS 之间之间传输传输必需的必需的控制信息控制信息。又分为又分为SDCCHSDCCH、SACCH SACCH 和和 FACCHFACCH。2024/7/112024/7/114040二、二、TDMA TDMA 帧结构帧结构 nGSMGSM系统系统TDMATDMA的的物理信道物理信道，是用，是用帧帧来描述的，来描述的，每每一个载频一个载频被定义为被定义为一个帧一个帧。n每个帧的每个帧的周期周期是是4.615ms4.615ms，包括，包括8 8个时隙个时隙：TS0 TS0 TS7,TS7,每个时隙占每个时隙占 0.577ms0.577ms。nTDMATDMA帧的编号以超高帧为周期的：帧的编号以超高帧为周期的：从从 0 0，每，每个个TDMATDMA帧帧为一个为一个超高帧超高帧。n一个一个超高帧超高帧由由20482048个超帧个超帧组成，一个组成，一个超帧超帧的的帧长为帧长为6.12s6.12s，它由，它由5151业务复帧业务复帧或或2626个控制复个控制复帧帧组成。组成。2024/7/112024/7/114141 第三节第三节 话音、信道编码和交织话音、信道编码和交织一、话音编码一、话音编码 1.GSM 1.GSM 是是全数字系统全数字系统，话音话音或其他信号都要或其他信号都要进进行数字化行数字化处理，第一步就是要把处理，第一步就是要把话音模拟信号话音模拟信号转换成数字信号转换成数字信号。2.PCM2.PCM编码是编码是波形波形编码，可分为三个步骤：编码，可分为三个步骤：采样采样 量化量化 编码编码 3.3.采用采用PCMPCM方式编码方式编码数字话信号的数字话信号的速率速率是：是：8bit8bit（一个字节）（一个字节）80008000次次/s/s64Kbit/s64Kbit/sn8 8个个时隙时隙的的速率速率：64kbit/s8=512kbit/s64kbit/s8=512kbit/s。2024/7/112024/7/114242 GSM GSM系统若采用这种编码方式，则系统若采用这种编码方式，则8 8个个语音信道的语音信道的比特率就是比特率就是 64kbt/s8 512Kbit/s，GSMGSM系统系统的的载频间隔载频间隔为为200KHz200KHz,要保持在规定的要保持在规定的频带内频带内，必，必需大大需大大降低降低每路每路语音信道语音信道的的编码编码的的比特率比特率。4 4、GSMGSM采用了采用了规则脉冲激励长期预测编码器规则脉冲激励长期预测编码器（RPE-RPE-LTPLTP编码器）编码器）,来来降低降低每路语音每路语音信道编码信道编码比特率。比特率。这种这种混和混和编码编码一路数字话一路数字话的比特率为的比特率为 13Kbt/s13Kbt/s；混合混合编码的优点：编码速率低编码的优点：编码速率低,语音质量好。语音质量好。8 8路数字话的速率是：路数字话的速率是：13Kbit/s13Kbit/s8 8104Kbit/s104Kbit/s,满足了满足了无线信道带宽无线信道带宽(200Kbit/s)(200Kbit/s)的传输要求。的传输要求。2024/7/112024/7/114343图图2.4 GSM2.4 GSM话音编码器框图话音编码器框图2024/7/112024/7/114444二、信道编码二、信道编码n信道编码的目的信道编码的目的 信道编码用于信道编码用于改善信道的传输质量改善信道的传输质量，克服各种，克服各种干扰因素干扰因素对对信号信号产生的产生的不良影响不良影响。是以。是以增加比增加比特特而而降低信息量降低信息量为代价的。为代价的。n编码的基本原理编码的基本原理 在所传送的数据上在所传送的数据上增加增加一些一些冗余冗余比特信息，进比特信息，进行行纠错编码纠错编码，减少减少传输过程中传输过程中比特差错率比特差错率。n信道编码的纠错方式信道编码的纠错方式 1.1.块卷积码：主要用于块卷积码：主要用于纠错纠错，纠错效果好。，纠错效果好。2.2.纠错循环码：用于纠错循环码：用于检测检测和和纠正成组纠正成组的误码。的误码。3.3.奇偶校验码：常用最简单的奇偶校验码：常用最简单的检测误码检测误码的方法。的方法。2024/7/112024/7/114545三、交织技术三、交织技术n无线电信道是无线电信道是变参变参信道，比特差错经常是信道，比特差错经常是成串成串发发生的，这是由于持续的生的，这是由于持续的深衰落深衰落会影响到会影响到相继一串相继一串的比特。的比特。n办法是信息中的办法是信息中的相继比特相继比特分开，把顺序相关的比分开，把顺序相关的比特特非相关化非相关化，使突发差错信道变为，使突发差错信道变为离散信道离散信道，再，再用用信道编码信道编码的纠错功能来的纠错功能来纠正差错纠正差错，这种办法就，这种办法就是是交织技术交织技术。n交织交织可以把可以把码字顺序相关的码字顺序相关的bitbit非相关化非相关化，把，把 m m 个个bitbit的码字分布到的码字分布到 n n 个传输单元之中个传输单元之中,n,n 越大，越大，非相关性越好非相关性越好,持续误码越少持续误码越少,传输质量越高。传输质量越高。但会增加但会增加传输时延传输时延，移动台移动台和和中继电路中继电路上增加了上增加了回波回波抵消器，改善由抵消器，改善由时延时延引起的引起的通话回音通话回音。2024/7/112024/7/114646 第四节第四节 GSMGSM的调制技术的调制技术一、一、GSMGSM调制方式调制方式 GSMGSM采用的是采用的是高斯滤波最小移频键控高斯滤波最小移频键控GMSKGMSK。n工作原理：工作原理：在保持在保持MSKMSK较好的频谱特性和较低较好的频谱特性和较低的误码率基础上，在的误码率基础上，在MSKMSK之前加入一之前加入一高斯滤波器高斯滤波器，输入的输入的基带信号基带信号经过经过高斯滤波器高斯滤波器形成的形成的高斯脉高斯脉冲包络冲包络无无陡峭沿陡峭沿、拐点拐点，经，经调制调制后的信号后的信号比较比较平滑平滑，改善了，改善了频谱特性频谱特性。nGMSKGMSK调制方式，改善了调制方式，改善了频谱特性频谱特性，加快，加快带外衰带外衰减减，满足了相邻信道干扰电平小于，满足了相邻信道干扰电平小于-60dB-60dB要求。要求。2024/7/112024/7/114747二、二、GMSKGMSK的解调的解调n可以采用正相干解调，但相干载波提取比较难。可以采用正相干解调，但相干载波提取比较难。nGMSKGMSK信号的信号的解调解调常采用常采用差分解调差分解调和和鉴频器解调鉴频器解调等等非相干非相干解调。解调。预调制滤波器预调制滤波器MSK输入输入GMSKh=0.5图图5.5 GMSK5.5 GMSK调制原理框图调制原理框图2024/7/112024/7/114848 第五节第五节 GSMGSM的控制和管理的控制和管理 控制控制和和管理管理对对GSMGSM系统的正常运行是系统的正常运行是至关重要至关重要，本节仅就本节仅就位置登记位置登记和和更新更新、鉴权鉴权与与保密保密、呼叫接呼叫接续续和和越区切换越区切换等控制和管理进行讨论。等控制和管理进行讨论。一、位置登记和更新一、位置登记和更新 GSMGSM为了为了跟踪跟踪 MS MS 的的位置变化位置变化,对其对其位置信息位置信息进行进行登记登记、删除删除和和更新更新的过程。的过程。二、鉴权与加密二、鉴权与加密 GSMGSM系统为了保证系统为了保证安全安全，采取了，采取了鉴权鉴权与与加密加密。1.1.鉴权：确认鉴权：确认 MS MS 的的合法性合法性。2.2.加密：防止第三者加密：防止第三者窃听窃听。2024/7/112024/7/1149493.3.设备识别码（设备识别码（IMEI)IMEI)每个每个移动台移动台均有一个惟一的设备识别码均有一个惟一的设备识别码 IMEIIMEI，EIREIR中存储了所有入网中存储了所有入网移动台设移动台设备的备的IMEIIMEI，目的，目的是确保系统中使用的设备不是是确保系统中使用的设备不是盗用盗用或或非法非法的。的。EIREIR中存有中存有3 3种名单：即种名单：即白名单白名单（合法）、（合法）、黑名单黑名单（禁用）、（禁用）、灰名单灰名单（由运营商决定）。（由运营商决定）。4.4.临时识别码（临时识别码（TMSITMSI）是为防止是为防止非法监听非法监听或或盗用盗用用户识别码用户识别码 IMSIIMSI，在，在无线链路上需要传送无线链路上需要传送IMSIIMSI时，均用临时用户识别时，均用临时用户识别 码码TMSITMSI代替代替IMSIIMSI。由由 MSC/VLR MSC/VLR 分配并定期更换分配并定期更换TMSI,TMSI,在在无线信道无线信道上上传送的是传送的是TMSITMSI,确保了确保了IMSIIMSI的的安全性安全性。2024/7/112024/7/115050三、三、GSMGSM用户呼叫接续过程用户呼叫接续过程 1 1、移动用户、移动用户主叫主叫固定用户：固定用户：移动台在移动台在 “随机随机信道信道RACH RACH”向基站发出向基站发出“信道请求信道请求”信息，若信息，若BSBS接收成功，给接收成功，给 MS MS 分配一个分配一个“专用接入信道专用接入信道 DCCHDCCH ”，即在，即在“准许接入信道准许接入信道 AGCH AGCH”上，向上，向MSMS发出发出“立刻分配立刻分配”指令。指令。MSMS在发起呼叫的同时，设置一定在发起呼叫的同时，设置一定时器，在规定的时间内可时器，在规定的时间内可重复呼叫重复呼叫。MS MS 收到收到 “立即分配立即分配 ”的信令后，利用分配的的信令后，利用分配的DCCHDCCH与与 BS BS 建立起建立起信令链路信令链路，经，经 BSBS 向向 MSCMSC 发送发送“业务请求信息业务请求信息 ”。MSCMSC向向VLRVLR发送发送“开始接入请求开始接入请求”应答信令，应答信令，VLRVLR收到后，经收到后，经MSCMSC和和BSBS向向MSMS发出发出“鉴权请求鉴权请求”，其中包，其中包含一随机数（含一随机数（RANDRAND），），MSMS按鉴权算法按鉴权算法A3A3进行处理后，进行处理后，向向MSCMSC发回发回“鉴权鉴权”响应信息。响应信息。2024/7/112024/7/115151 若鉴权通过，承认若鉴权通过，承认MSMS的合法性，的合法性，VLRVLR就给就给MSCMSC发送发送“置密模式置密模式”信息，由信息，由 MSC MSC 经经 BS BS 向向 MS MS 发送发送“置密模式置密模式”指令。指令。MS MS 收到并完成置密后，要向收到并完成置密后，要向 MSC MSC 发送发送“置置密模式完成密模式完成”的相应信息，经的相应信息，经鉴权鉴权、置密置密完成后，完成后，VLRVLR才向才向 MSC MSC 作出作出“开始接入请求开始接入请求”应答。应答。为了保护为了保护 IMSI IMSI 不被不被监听监听或或盗用盗用，VLR VLR 将给将给 MSMS分配一个新的分配一个新的TMSITMSI。接着接着 MS MS 向向 MSC MSC 发出发出“建立呼叫请求建立呼叫请求”，MSCMSC收到后，向收到后，向 VLR VLR 发出指令，要求它传送建立发出指令，要求它传送建立呼叫所需的信息。呼叫所需的信息。2024/7/112024/7/115252 如果成功，如果成功，MSC MSC 即向即向 MS MS 发送发送“呼叫开始呼叫开始”的指令，并向的指令，并向 BS BS 发出发出分配无线业务信道分配无线业务信道的的“信信道指配道指配”指令。指令。如果如果 BS BS 有空闲有空闲“业务信道业务信道 TCH TCH”，即向，即向 MS MS 发出发出“信道指配信道指配 ”指令，当指令，当 MS MS 得到业务得到业务信道时，向信道时，向 BS BS 和和 MSC MSC 发送发送“信道指配完成信道指配完成 ”的信息。的信息。MSC MSC 在在无线链路无线链路和和地面有线链路地面有线链路建立后，把建立后，把呼叫接续呼叫接续到到固定网络固定网络，并和被叫的，并和被叫的固定用户固定用户建立建立连接连接，然后给，然后给 MS MS 发送发送回铃音回铃音。当被叫固定用户当被叫固定用户摘机摘机后，后，MSC MSC 向向 BSBS和和 M MS S 发送发送“连接连接”指令，待指令，待 MSMS 发回发回“连接连接”确认确认后，即转入后，即转入通话状态通话状态，完成整个，完成整个接续过程接续过程。2024/7/112024/7/1153532 2、固定用户主叫移动用户：、固定用户主叫移动用户：固定用户向移动用固定用户向移动用户拨出号码后发起呼叫后，户拨出号码后发起呼叫后，固定网络固定网络把把呼叫呼叫接续接续到就近到就近入口入口移动交换中心移动交换中心 GMSCGMSC。GMSCGMSC即向相应的即向相应的 HLR HLR 查询查询路由路由信息，信息，HLRHLR 在保存的在保存的用户位置用户位置数据库中，查出被叫数据库中，查出被叫 MSMS 所在所在的的地区地区，并向该区，并向该区 VLR VLR 查询该查询该 MS MS 的的漫游号码漫游号码MSRNMSRN，VLR VLR 把该把该 MSMS 的的 MSRNMSRN 送到送到 HLRHLR,并转发并转发给查询路由信息的给查询路由信息的GMSCGMSC。GMSC GMSC 即把即把呼叫呼叫接续到被叫接续到被叫 MS MS 所在地区的所在地区的移动交换中心移动交换中心 VMSCVMSC。VMSC VMSC 向该向该 VLRVLR 查询有关查询有关的的“呼叫参数呼叫参数 ”，获得成功后，再向相关的，获得成功后，再向相关的基基站站BSBS 发出发出“寻呼请求寻呼请求”。2024/7/112024/7/115454 基站控制器基站控制器 BSCBSC 根据根据 MSMS 所在的所在的小区小区，确定所，确定所用的收发台用的收发台 BTSBTS，在，在“寻呼信道寻呼信道BCHBCH ”上发送此上发送此“寻呼要求寻呼要求 ”信息。信息。MS MS 收到收到寻呼请求信息寻呼请求信息后，在后，在“随机信道随机信道 RACHRACH”向向 BS BS 发送发送“信道请求信道请求 ”，由，由 BS BS 分配分配“专用控制信道专用控制信道 DCCHDCCH”，在，在“公用控制信公用控制信道道CCCHCCCH”上给上给 MS MS 发送发送“立即分配立即分配 ”指令。指令。MS MS 利用分配到的利用分配到的 DCCHDCCH 与与 BS BS 建立起建立起信令链路信令链路，然后，然后向向 VMSCVMSC 发回发回“寻呼寻呼 响应响应 ”。VMSCVMSC接到接到 MS MS 的的“寻呼相应寻呼相应”后，向后，向 VLRVLR 发送发送“开始接入