GSM系统结构与接口.ppt

GSM系统结构与接口,课程内容,GSM系统结构GSM系统主要接口GSM系统Um接口详述,GSM系统结构与功能,GSM系统结构与功能,GSM系统可由三个子系统组成，即操作支持子系统(OSS)，基站子系统(BSS)和网路子系统(NSS)三部分：基站子系统BSS是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，通过无线接口直接与移动台相连，负责无线发送接收和无线资源的管理；它与NSS相连，实现移动用户间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信息和用户信息等；与操作支持子系统OSS之间实现互通。,GSM系统结构与功能,网路子系统NSS是整个系统的核心，它对GSM移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换、连接与管理的功能。主要负责完成呼叫处理、通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安全性管理、用户数据和设备管理、计费记录处理、公共信道、信令处理和本地运行维护等。操作支持子系统OSS完成移动用户管理、移动设备管理、系统的操作与维护。,移动台的功能,移动台由SIM卡与物理设备组成，二者是分离的物理设备可以是手持机，车载机或是由移动终端直接与终端设备相连而构成.SIM卡上包含所有与用户有关的无线接口一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息。固化数据：IMSI、Ki、安全算法（A3、A8)临时网络数据：TMSI、LAI、KC、被禁止的PLMN、PLMN选择预编程业务相关数据：PIN(个人识别号),接口管理,BTS的管理,操作与维护,支持呼叫控制,切换,话务量统计,无线链路的测量,无线参数及无线资源管理,BSC的功能,BTS受控于BSC,实现BTS与移动台(MS)空中接口的功能,BTS的功能,支持位置登记、越区切换和自动漫游等其它网络功能,MSC的功能,服务于其控制区域内移动用户,存储进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息,VLR的功能,GSM系统的中央数据库,所有移动用户的重要数据都存储在HLR中。包括用户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数据，以及漫游移动用户所在MSC区域的有关动态数据,HLR的功能,属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理,AUC的功能,存储移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查三种表格（白名单、灰名单、黑名单）使得网络具有防止无权用户接入、监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能,EIR的功能,GSM系统主要接口,A接口、Um接口为开放式接口Abis接口为内部接口,Um接口,A接口,A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口.其物理链接通过采用标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现.此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等.,Abis接口,Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信接口.物理链接通过采用标准的2.048Mb/s或64kbit/sPCM数字传输链路来实现.BS接口作为Abis接口的一种特例，用于BTS（与BSC并置）与BSC之间的直接互连方式，此时BSC与BTS之间的距离小于10米.,Um接口,Um接口（空中接口）定义为移动台与基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通.其物理链接通过无线链路实现.传递的信息包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等.,NSS内部接口,B接口,B接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的内部接口.用于移动业务交换中心（MSC）向访问用户位置寄存器（VLR）询问有关移动台（MS）当前位置信息或者通知访问用户位置寄存器（VLR）有关移动台（MS）的位置更新信息.,C接口,C接口定义为归属用户位置寄存器（HLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的接口.用于传递路由选择和管理信息.在建立一个至移动用户的呼叫时，入口移动业务交换中心（GMSC）应向被叫用户所属的归属用户位置寄存器（HLR）询问被叫移动台的漫游号码.C接口的物理链接方式是标准的2.048MB/S的PCM数字传输链路.,D接口,D接口定义为归属用户位置寄存器（HLR）与访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口.用于交换有关移动台位置和用户管理的信息，为移动用户提供的主要服务是保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼叫.实用化的GSM系统结构一般把VLR综合于移动业务交换中心（MSC）中，而把归属用户位置寄存器（HLR）与鉴权中心（AUC）综合在同一个物理实体内.D接口的物理链接是通过移动业务交换中心（MSC）与归属用户位置寄存器（HLR）之间的标准2.048Mb/s的PCM数字传输链路实现的.,E接口,E接口定义为控制相邻区域的不同移动业务交换中心（MSC）之间的接口.此接口用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换.E接口的物理链接方式是通过移动业务交换中心（MSC）之间的标准2.048Mbit/sPCM数字传输链路实现的.,F接口,F接口定义为移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的接口.用于交换相关的国际移动设备识别码管理信息.F接口的物理链接方式是通过移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的标准2.048Mbit/s的PCM数字传输链路实现的.,G接口,G接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口.此接口用于向分配临时移动用户识别码（TMSI）的访问用户位置寄存器（VLR）询问此移动用户的国际移动用户识别码（IMSI）的信息.G接口的物理链接方式是标准2.048Mbit/s的PCM数字传输链路,GSM系统与公众电信网的接口,公众电信网主要是指公众电话网（PSTN），综合业务数字网（ISDN），分组交换公众数据网（PSPDN）和电路交换公众数据网（CSPDN）.GSM系统通过MSC与这些公众电信网互连.GSM系统与PSTN和ISDN网的互连方式采用7号信令系统接口.其物理链接方式是通过MSC与PSTN或ISDN交换机之间标准2.048Mbit/s的PCM数字传输实现的.,GSM各接口协议,CM：通信管理BTSM：BTS的管理部分MTP：信息传递部分MM：移动性管理Um：MS与BTS间接口MSC：移动业务交换中心RR：无线资源管理Abis：BTS与BSC间接口BSC：基站控制器MS：移动台SCCP：信令连结控制部分BTS：基站收发信台L1-L3：信号层1-3A：BSC与MSC间接口BSSMAP：基站子系统LAPDm：ISDN的Dm数据链路协议移动应用部分,协议分层结构,信号层1（物理层）这是无线接口的最低层、提供传送比特流所需的物理链路（例如无线链路）、为高层提供各种不同功能的逻辑信道.信号层2（L2）主要目的是在移动台和基站之间建立可靠的专用数据链路，L2协议基于ISDN的D信道链路接入协议（LAP-D），但作了更动，因而在Um接口的L2协议称之为LAP-Dm.信号层3（L3）这是实际负责控制和管理的协议层.L3包括三个基本子层：无线资源管理（RR）、移动性管理（MM）和接续管理（CM）.其中一个CM子层中含有多个呼叫控制（CC）单元，提供并行呼叫处理.为支持补充业务和短消息业务，CM子层中还包括补充业务管理（SS）单元和短消息业务管理（SMS）单元.,信号层3的互通,RR在基站子系统中终止，RR消息在BSS中进行处理和转译，映射成BSS移动应用部分（BSSMAP）的消息在A接口中传递,移动性管理（MM）和接续管理（CM）都至MSC终止，MM和CM消息在A接口中是采用直接转移应用部分（DTAP）传递，基站子系统（BSS）则透明传递MM和CM消息,BSSAP：BSS应用部分SCCP：信令连接控制部分DTAP：直接转移应用部分MTP：消息传递部分BSSMAP：BSS移动应用部分,NSS内部及GSM与PSTN之间的协议,与非呼叫相关的信令采用移动应用部分（MAP），用于NSS内部接口（B、C、D、E、F、G）之间的通信.与呼叫相关的信令则采用电话用户部分（TUP）和ISDN用户部分（ISUP），分别用于MSC之间和MSC与PSIN、ISDN之间的通信.,GSM无线接口（Um接口）,Um接口频率规划GSM无线信道特点GSM系统频点分配Um接口物理信道物理信道帧结构突发脉冲种类与功能突发脉冲应用实例Um接口逻辑信道逻辑信道的作用逻辑信道的分类逻辑信道的功能逻辑信道的组合逻辑信道应用实例,GSM无线接口,几个基本概念：突发脉冲序列：占有一个限定的持续时间和占有限定的无线频谱，它们在时间和频率窗上输出时隙（TimeSlot）是隙缝的时间间隔，它的持续时间被用于作为时间单元BP，意为突发脉冲序列周期（BurstPeriod）.使用一个给定的信道就意味着在特定的时刻和特定的频率中传送突发脉冲序列200KHz带宽称为频隙（FrequencySlot），相当于GSM规范书中的无线频道（RadioFrequencyChannel），也称射频信道TDMA帧（Frame）通常被表示为接连发生的i个时隙.GSM系统目前采用全速率业务信道，i取为8,物理信道上的突发脉冲,Um接口频率规划,GSM900无线频道特点：上行（MSBTS）：890-915MHZ下行（BTSMS）：935-960MHZ双工间隔：45MHz载频间隔：200KHz我国目前实际占用高端10M频段从上往下6M，电信4M,DCS1800：上行（MSBTS）：1710-1785MHZ下行（BTSMS）：1805-1880MHZ我国目前实际使用低45MHz双工间隔：95MHz载频间隔：200KHz频点使用情况见示意图.,Um接口频率规划,GSM频道编号方法GSM900频道编号：上行频率Fl(n)=(890+0.2n)MHz下行频率Fu(n)=(935+0.2n)MHz其中：n为绝对射频号，从1到124DCS1800频道编号：上行频率Fl(n)=1710+0.2(n-511)MHz下行频率Fu(n)=1805+0.2(n-511)MHz其中：n为绝对射频号，从512-885，实际上，我国从512-（512+224）,Um接口频率规划,Um接口频率规划,频率复用技术：4*3频率复用同心圆技术（MRP）IntelligentUnderlayOverlay(IUO)Hopping,物理信道帧结构,什么是突发脉冲？GSM的每个载频是时分复用的每个载频分给八个全速率用户使用；每个用户在一个限定的、不连续的时间段内占用载频发送信号；突发脉冲一个突发脉冲占用的时间缝隙时隙；,每个载频上的帧结构如何组成,帧结构中涉及以下概念：时隙TDMA帧复帧超帧超高帧业务信道与信令信道的帧结构组成不同，请看下页图示：,控制信道帧结构8时隙TDMA帧26TDMA帧1复帧51复帧1超帧2048超帧1超高帧,业务信道帧结构8时隙TDMA帧51TDMA帧1复帧26复帧1超帧2048超帧1超高帧,Um接口突发脉冲种类,常规突发脉冲序列（NB）频率校正突发脉冲序列（FB）同步突发脉冲序列（SB）接入突发脉冲序列（AB）,Um接口突发脉冲功能,常规突发双向信道上完成常规信息的传送频率校正突发下行信道上完成手机频率校正功能同步突发下行信道上完成手机帧同步功能接入突发上行信道上完成手机接入申请功能,突发脉冲应用实例,以手机开机为例，说明突发脉冲的应用：开机频率校正突发接收下行信道信息，完成手机频率校正功能同步突发接收下行信道信息，完成手机帧同步功能常规突发接收下行信道上的系统消息接入突发在上行信道上完成手机接入申请功能常规突发在双向信道上完成鉴权，加密后，进入空闲状态,Um接口逻辑信道,为什么引入逻辑信道Um接口物理信道上传送的信息种类繁多；每一类信息均有一定的要求和规律；由一定的物理信道支撑；为了表述每一类信息的方便，定义了多种逻辑信道.,逻辑信道的分类,逻辑信道分为两类：业务信道（TrafficChannel）：传业务信息，包括：话音和数据；控制信道（ControlChannel），或称为信令信道（SignallingChannel）：传各种控制信息；,逻辑信道类型,话音业务信道全速率话音业务信道（TCH/F)半速率话音业务信道（TCH/H)增强型全速率话音业务信道（EnhancedTCH/F）,业务信道,SpeechTrafficType,话音编码速率（Kbit/s）,信道编码速率（Kbit/s）,Full-rateSpeech,13,22.8,EnhancedFull-rateSpeech,12.2,Half-rateSpeech,6.5,11.4,数据业务信道9.6kbit/s，全速率数据业务信道（TCH/F9.6）4.8kbit/s，全速率数据业务信道（TCH/F4.8）4.8kbit/s，半速率数据业务信道（TCH/H4.8）2.4kbit/s，全速率数据业务信道（TCH/F2.4）2.4kbit/s，半速率数据业务信道（TCH/H2.4）,业务信道,作用：控制信道（CCH）用于传送信令或同步数据.分类（三大类）广播信道（BCH）公共控制信道（CCCH）专用控制信道（DCCH）,控制信道,特点：下行信道，传频率校正、同步及系统消息分类（三种）：频率校正信道（FCCH）同步信道（SCH）广播控制信道（BCCH）,广播信道（BCH）,频率校正信道（FCCH），传送：移动台的频率校正信息同步信道（SCH），传送同步信息：基站识别码BSIC简化TDMA帧号广播控制信道（BCCH），传送：手机由此获得各种系统参数,广播信道（BCH）功能,特点：系统内移动台共用分类：寻呼信道（PCH）随即接入信道（RACH）接入允许信道（AGCH）,公共控制信道（CCCH）,寻呼信道（PCH），下行，用于：寻呼移动台随即接入信道（RACH），上行，用于：移动台提出入网申请，请求分配一条SDCCH；接入允许信道（AGCH），下行，用于：入网应答，分配一条SDCCH或TCH,公共控制信道（CCCH）功能,特点：由基站分给某一特定的移动台专用分类：独立专用控制信道（SDCCH）非组合的SDCCH/8；与CCCH组合的SDCCH/4,专用控制信道（DCCH）,慢速随路控制信道（SACCH）TCH/F随路控制信道（SACCH/TF）TCH/H随路控制信道（SACCH/TH）SDCCH/4随路控制信道（SACCH/C4）SDCCH/8随路控制信道（SACCH/C8）快速随路控制信道（FACCH）TCH/F随路控制信道（FACCH/F）TCH/H随路控制信道（FACCH/H）,独立专用控制信道（SDCCH），双向，用于：传送鉴权、业务信道指配信息；慢速随路控制信道（SACCH），双向，与一条业务信道或一条SDCCH联用；在传送用户信息期间代传某些特定信息，例如无线传输的测量报告、功率控制.快速随路控制信道（FACCH）与一条业务信道联用，携带与SDCCH同样的信号；只在未分配SDCCH时才分配FACCH；通过从业务信道借取的帧来实现信令传输；传送诸如“越区切换”等指令信息.,专用控制信道（DCCH）功能,还有其他的逻辑信道吗,小区广播控制信道CBCH，用于下行短消息业务的小区广播信息！,YES！,逻辑信道的组合,几种不同的逻辑信道可以在同一物理时隙上传输，同一逻辑信道也可以在不同的物理时隙上传输.逻辑信道的组合多种组合方法：TCH/F+FACCH/F+SACCH/TFTCH/H+FACCH/H+SACCH/TH26复帧FCCH+SCH+BCCH+CCCHFCCH+SCH+BCCH+CCCH+SDCCH/4+SACCH/C4BCCH+CCCHSDCCH/8+SACCH/C851复帧,逻辑信道组合的实例（一）,广播和公共控制信道的复帧组合示意图,逻辑信道组合的实例（二）,业务信道的复帧组合示意图,逻辑信道应用实例,以MS开机为例，说明逻辑信道的应用：开机FCCH：接收频率校正信息SCH：接收BS同步信号BCCH：接收系统消息RACH：接入申请AGCH：允许接入，并分配SDCCHSDCCH/SACCH：在SDCCH上进行鉴权；在SACCH上进行功率控制空闲状态接收BCCH,Um接口语音处理技术,以GSM系统的语音发送为例，语音信号的无线传输流程及相关技术如下：话音的接收仅仅是发送的反过程。,首先，语音通过一个模/数(A/D)转换器，实际上是经过8KHZ抽样，每个脉冲均匀量化为13bit；每20ms为一段，再经语音编码后降低传码率为13Kbit/s；经信道编码后变为22.8Kbit/s；再经码字交织、加密和突发脉冲格式化后变为33.8kbit/s的码流；经调制后发送出去。接收端的处理过程相反。,Um接口语音处理技术,GSM系统的语音编码方式被称为“规则脉冲激励长期预测编码(RPE-LTP)”。其处理过程是先进行8KHZ抽样，调整每20ms为一帧，每帧长为4个子帧，每个子帧长5ms，纯比特率为13kbit/s。语音编码器建立在残余激励线性预测编码器（REIP）的基础上，并通过长期预测器（LTP）增强压缩效果。语音编码器以20ms为单位，经压缩编码后输出260bits，因此码速率为13kbps。GSM的13kbps的话音速率比传统的PCM线路上的直接语音编码速率要低得多；如果采用半速率话音编码器可以将速率进一步降低到6.5kbps。,语音编码,信道编码,为了检测和纠正传输期间引入的误码，在数据流中引入冗余BIT用于纠错；信道编码器把话音分成“很重要（50bit）、较重要（132bit）和不重要（78bit）三部分。对前两部分分别加入3、4位奇偶校正码(50+3)+(132+4)=189bits然后做1:2的卷积，189*2=378bits再加上不重要的78bit，形成了456bits/20ms=22.8kbit/s的信道编码组最终结果使20ms段bit数从260bits增加到456bits，相应的话音速率从13Kbps增加到22.8Kbps。,为什么引入话音交织？无线传输干扰和误码通常在某个较小时间段内发生，影响连续的几个突发脉冲；如果把话音帧内的bit顺序按一定的规则错开，使原来连续的bit分散到若干个突发脉冲中传输，则可分散误码，使连续的长误码变为若干分散的短误码，以便于纠错，提高话音质量。交织处理的优/缺点：,交织,一次交织（块间交织）,第一次交织把456bit/20ms的话音码分成8块，每块57bits。前后两个20ms段的块交织，组成8个114bit的块,二次交织（块内交织）,第二次交织把每个114bits块里来自两个20ms话音码段的57bit块进行比较交织，形成第二次交织后的114bits块。,对无线接口上传送的信息（话音或数据）进行加密，防止无线侦听导致失密；GSM系统的加密技术仅仅保护无线接口。,加密技术,Um接口控制技术,您知道吗？系统如何控制手机与基站的功率？系统如何控制手机的信号传输起始时刻？什么是DTX、DRX？什么是跳频技术？系统如何控制手机的发射时刻？,为何需要APC？可降低手机功耗，延长电池使用时间；可减小系统内的干扰，提高频率利用率，增加系统容量.如何进行APC？MS功率控制：MS接收BTS发射的信号，得到射频信号强度、质量等级参数，进行APC；手机起始发射功率由系统消息决定；可能导向切换、掉话.BTS功率控制：BTS接收MS发射信号，得到射频信号强度、质量等级参数，（BTS预处理）上报BSC，由BSC进行APC,自动功率控制技术（APC）,为何需要DTX？通话是双向的，对于MS用户/来说，平均的说话时间约在40%以下；可降低手机功耗，延长电池使用时间；可减小系统内的干扰，提高频率利用率，增加系统容量.如何进行DTX？采用VAD（话音激活检测）技术：在说话时，正常发射信号；在停止说话时，每隔一段时间发送一个静音帧，由静音帧在BTS产生舒适噪声；使对方不会误以为通话中断.重新开始说话时，由VAD功能检测到话音，重新正常发射信号.,非连续发射技术（DTX）,为何需要DRX？手机绝大部分时间处于空闲状态，此时需要随时准备接收BTS发来的寻呼信号；系统按照IMSI将MS用户分类，不同类别的手机在不同的时刻接收系统寻呼消息，无需连续接收；可降低手机功耗，延长电池使用时间；如何进行DRX？系统根据IMSI将MS分类，分时刻接收寻呼消息.,非连续接收技术（DRX）,跳频即：在不同时隙发射载频在不断地改变为何引入跳频？可减少瑞利衰落，提高每用户的话音质量；可减小系统内的干扰，提高频率利用率，增加系统容量GSM系统的无线接口采用了慢速跳频（SFH）技术，即系统在整个突发序列传输期(BP)，传送频率保持不变,跳频技术,为什么引入时延调整？由于GSM采用TDMA，每载频8个时隙，应严格保持时隙间的同步；GSM的小区半径可以达到35km，从手机出来的信号需要经过一定时间才能到达基站，单程传输极限时间是100US，双程传输极限时间为200US；因此我们必须采取一定的措施，来保证信号在恰当的时候到达基地站.时延调整,时延调整,时延调整,如何进行时延调整？采用时间提前量参数调整发信时间正常通话中，当MS接近基站时，基站就会通知MS减小时间提前量；而当MS远离小区中心时，基站就会要求MS加大时间提前量.,