GSM时分多址(TDMA)数字蜂窝网.ppt

第7章时分多址(TDMA)数字蜂窝网,7.1GSM系统总体7.2GSM系统的无线接口7.3GSM系统的控制与管理思考题与习题,7.1GSM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(ConferenceEuropeofPostandTelecommunications)提交了一份建议书，要求制定900MHz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。同年成立了欧洲移动通信特别小组，简称GSM(GroupSpecialMobile)。,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：GSM900和DCS1800，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7-1GSM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。,图7-1GSM蜂窝系统的网络结构,由图可见，GSM蜂窝系统的主要组成部分可分为移动台(MS)、基站子系统(BSS)和网络子系统(NSS)。基站子系统(简称BSS)由基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)组成；网络子系统(简称NSS)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、BSS和NSS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。,1.移动台(MS)移动台是GSM移动通信网中用户使用的设备。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Um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Sm，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。,表7-5GSM900系统的移动台功率等级,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，即，手机与卡是可分离和独立的。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。SIM卡包括有关移动用户指定的GSM业务和网络信息。它存储有用户识别号、位置信息和有关保密数据（如密钥）、禁止GSM网络和参考语言。SIM卡支持用个人身份码（PIN）来鉴别卡的用户，以防非法卡的使用。PIN由4到8位数字组成，在SIM卡出售时写入。移动台如无SIM卡只能进行紧急呼叫。,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台(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（Abis）设备(BIE)采用远端控制的连接方式与BSC相连接。,基站控制器（BSC）一个基站控制器（BSC）监视和控制几个基站。BSC的主要任务是实现频率管理以及BTS的控制和交换功能。BSC通过BTS和MS的远程命令对无线电接口进行管理，主要有无线信道安排和释放，切换的安排。BSC向下连接一系列BTS，向上连接移动交换中心（MSC）。一个BSC和与它相应的BTS可看成是一基站子系统（BSS）。,发送编码器和速率适配器单元（TRAU）TRAU网络单元负责对16kb/s到64kb/s的用户数据进行发送编码及速率适配。,基站收发信台BTS基站收发信台BTS为一套完整的无线收发信机。,表7-7基站的功率等级,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HLR。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(MSISDN、IMSI)、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(如用户当前VLR号码等)。,(3)访问位置寄存器VLR。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。一个移动区域有多个位置区；一个VLR管理多个位置区。,(4)鉴权中心AUC。GSM系统采取了特别的通信安全措施，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加密等。,(5)移动设备识别寄存器EIR。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，运营部门就可以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唯一性和安全性。(6)操作维护中心OMC。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。如把MSC和VLR合并在一起，或者把HLR、EIR和AUC合并为一个实体。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7-2GSM系统的接口,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。其物理链接通过采用标准的2.048Mb/s的PCM数字传输链路来实现。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BTS两个功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。,(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。,(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2.048Mb/sPCM数字传输链路实现的。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与PSTN或ISDN交换机之间采用2.048Mb/s的PCM数字传输链路来实现的。,5.1.2GSM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7-3GSM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（可以为国际区域或国内区域），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MSC组成（如：中国移动PLMN、中国联通PLMN）。(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)国际移动用户识别码IMSI。在GSM系统中，每个用户均分配一个唯一的国际移动用户识别码(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。,图7-4国际移动用户识别码(IMSI)的格式,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。中移动网为00;联通网为01。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（最多11位数字组成）。由MNC和MSIN两部分组成国内移动用户识别码(NMSI)。,(2)临时移动用户识别码(TMSI）考虑到移动用户识别码的安全性，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（国际移动用户识别码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)。TMSI总长不超过4个字节，其格式由各运营部门决定。,(3)国际移动设备识别码（IMEI）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7-5国际移动设备识别码(IMEI)的格式,(4)移动台的号码（MSDN）。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（国际范围）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：,图7-6移动台国际ISDN的格式,CC:（固定电话）国家号码，即移动台注册登记的国家代号，中国为86。NDC:国内地区码或网路接入号，每个PLMN有一个NDC。如130、131、.SN:移动用户号码（由HLR编号占4位加用户号码4位构成）。由NDC和SN两部分组成国内ISDN号码，一般国内呼叫用，其长度不超过13位数（我国目前为11位）。国际ISDN号码长度不超过15位数字。,移动台漫游号码(MSRN)。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、小区和基站的识别码。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,MCC:移动用户所属国家（移动网）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，中国移动GSMPLMN网为00，“中国联通公司”GSMPLMN网为0l。LAC：位置区编码，最大16bit，为一个2字节BCD编码，在一个GSMPLMN网中可定义65536个不同的位置区。,全球小区识别码(CGI)CGI是用来识别一个位置区内的小区，它是在位置区识别码(LAI)后加上一个小区识别码(CI)，其结构是：3位数字2位数字最大16bit最大16bitMCCMNCLACCI|-LAI-|-CGI-|CI是一个2字节BCD编码，由各MSC自定。,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基站。,图7-8基站识别色码(BSIC)的格式,NCC:PLMN色码(国家色码或国内不同运营商的网络)，为：XY1Y2X：运营者(例如：在国内，移动X1，联通X0)Y1Y2主要用来区分国界各侧的运营者(国内区别不同的省)，,BCC:基站色码，识别基站。由运营设定,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。,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。,7.2.1GSM系统无线传输特征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。,7.2GSM系统的无线接口,图7-9TDMA/FDMA接入方式,2.频率与频道序号的分配与编排GSM系统工作在以下射频频段：上行射频频段(移动台发、基站收)890915MHz下行射频频段(基站发、移动台收)935960MHz收、发频率间隔为45MHz，即935-890=960-915=45MHZ。上行带宽为25MHZ；下行带宽同为25MHZ。当以载频间隔0.2MHz来划分频段：上行射频频段890.2MHZ、890.4MHZ、890.6MHZ、.914.8MHZ。共124个频道。同理，下行射频频段935.2MHZ、935.4MHZ、935.6MHZ、.959.8MHZ。也是124个频道。,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0.2MHz，因此GSM系统整个工作频段分为124对载频，其频道序号用n（取1124）表示，则上、下两频段中序号为n的载频可用下式计算：上频段fl(n)=(890+0.2n)MHz(7-1)下频段fh(n)=(935+0.2n)MHz(7-2)n取值为1124。由同一n值确定的一对频率，构成一个双向通信频道。两频率间隔45MHZ。,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-60dBW的要求。高斯滤波器的归一化带宽Bt=0.3，基于200kHz的载频间隔及270.833kb/s的信道传输速率，其频谱利用率为(1.35b/s)/Hz。,4.载频复用与区群结构GSM系统中，基站发射功率为500W每载波，每时隙平均为500/8=62.5W。移动台发射功率分为0.8W、2W、5W、8W和20W五种，可供用户选择。小区覆盖半径最大为35km，最小为500m，前者适用于农村地区，后者适用于市区。,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120/264.615ms。每个时隙含156.25个码元，占15/260.577ms。,TDMA信道概念物理信道:一个时隙(TS)信道控制信道（CCH）逻辑信道业务信道(TCH)逻辑信道要映射到物理信道上传送。,7.2.2信道类型及其组合,图7-10GSM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120ms，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，这种复帧长235.385ms，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51264.61510-36.12s。由2048个超帧组成超高帧，超高帧的周期为20481326=2715648个TDMA帧，即12533.76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2715647。,图7-11上行帧号和下行帧号所对应的时间关系,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（不需要天线共用器）。,图7-12GSM系统的逻辑信道分类,2.逻辑信道分类图7-12示出了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：9.6kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F9.6)4.8kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F4.8)4.8kb/s,半速率数据业务信道(TCH/H4.8)2.4kb/s,全速率数据业务信道(TCH/F2.4)2.4kb/s,半速率数据业务信道(TCH/H2.4),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22.8kb/s和11.4kb/s。,(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)下行。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(基站识别码BSIC)，因为BSIC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(下行)；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(如信道指配、鉴权、登记等消息)。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（如基站功率控制、帧调整、MS信号强度报告等消息）。,快速辅助控制信道(FACCH)：传送基站与MS间越区切换的信令及与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0.577ms，其中包含156.25bit。TDMA信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,NormalBurst)脉冲序列（T）。常规突发脉冲序列亦称普通突发脉冲序列，用于业务信道（TCH）及专用控制信道（PCH、BCCH、AGCH、SDCCH、SACCH、FACCH），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,FrequencyCorrectionBurst)脉冲序列（F）。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，SynchronisationBurst)脉冲序列（S）。同步突发脉冲序列用于移动台的时间同步。其格式参见图7-13，主要组成包括64bit的同步信号(扩展的训练序列)，以及两段各39bit的数据，用于传输TDMA帧号和基站识别码(BSIC)。,(4)空闲突发(DB：DummyBurst)脉冲序列（I）。与普通突发脉冲序列结构相同，只是将普通突发序列中的加密信息比特换成固定比特，用于当无用户信息传输时，代替普通突发脉冲序列在TDMA时隙中传送。,(5)接入突发(AB,AccessBurst)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。保护期很长,近250微秒,为了使MS首次接入或切换到一个新的基站时,不知道时间的提前量而设置的。当保护时间最大252微妙时，允许小区半径为35KM。,图7-14接入突发脉冲序列的格式,4.信道的组合业务信道的组合方式:（主载频F0的TS2、TS3TS7以及其它所有载频F1FN的TS0TS7复用）。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)；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715f0频道TS2时隙作为业务信道的组合方式,(2)控制信道的组合方式（主载频F0的TS0上的复用）。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F0的TS0上的复用(下行链路)如图7-16所示。其中：F(FCCH):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；C（PCH、AGCH）：传输寻呼信息和接入允许信息；I(IDEL):空闲帧、也是51帧的复帧结束标志。,图7-16BCH和CCCH在主载频f0频道TS0上的复用,图7-17在主载频f0的TS0上RACH的复用,图7-18SDCCH和SACCH(下行)在主载频f0的TS1上的复用,SDCCH和SACCH在TS1上的复用。主载频F0上的TS1可用于独立专用控制信道SDCCH和慢速辅助控制信道SACCH。（上行链路与下行结构相同，只是在时隙上偏移3个TS，即上行前3个时隙为I时隙，最后一个为A7。下行链路F0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。,主载频F0的：,通过上面的分析，所有载频各时隙的使用分配如下：,基站在TS0上以51帧为复帧重复周期，用于传送下行控制信息：F、S、B、C、I等信息；,TS2以26帧为复帧重复周期，上下行帧均用于业务信道，只是时隙有3个TS的偏移：其中1帧A（传送下行控制命令，如：改变输出功率；I为空闲）；,TS1时隙均以102帧为复帧重复周期，用于传送（上行及下行）SDCCH、SACCH所需传送的控制信息（用于传送基站和移动台间的指令、信道指配、鉴权、登记、短消息业务、功率控制、帧调整、信号强度报告、链路质量、越区切换等信息）；,MS在TS0上以51帧为复帧重复周期，用于传送MS基站上行请求随机接入(RACH)信息；,TS3TS7以26帧为复帧重复周期，全部用于业务信道，上下行同样有3个时隙的偏移。,载频F1FN所有时隙TS0TS7的信道以26帧为复用周期，均作双向业务信道。,图7-19小容量一个小区一个频道时TS0上控制信道综合复用,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。,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过程与特点。,图7-20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7-20GSM系统的话音和信道编码组成框图,信道编码的前向纠错及交织（全速业务信道）过程：,GSM所采用的交织是一种既有块交织又有比特交织的交织技术。即，从语音编码器来的456bit输出被分成8个时块，每个子块57个比特，再将每57个比特进行比特交织，然后再根据奇偶原则分配到不同的突发块口。交织造成65个(时隙)突发周期或37.5ms滞后。,(20ms),图7-21GSM编码及交织流程,图7-22GSM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，采用自适应均衡抗多径衰落造成的码间干扰；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(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4.615ms改变载波频率，亦即跳频速率为1/4.615ms=217跳/秒。保证每帧使用同一频率传送。,图7-23GSM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=200kHz)。,2.不连续发送和话音激活检测（间断传输(DTx)）不连续发送是人们讲话的重要特性。当两人在交谈中，总是一方讲，一方听，如果二人同时讲，往往会造成混乱。GSM利用了这一特点，当GSM的话音编解码器检测到话音的间隙后，在间隙期不发送，这就是所谓的GSM不连续发送（DTX）。DTX能在通话期对话音进行13kb/s编码，在停顿期用500b/s编码。为什么在停顿期要用500b/s发送呢?原因是对听者来说，讲话的间隙如果太安静会十分困惑，使听者以为连接已中断。为避免这种情况，GSM在讲话停顿时发送称之为舒适的噪声，对讲话者的背景噪声进行编码。背景噪声往往是不同的，当讲话者在汽车内，可对汽车噪声进行编码；当讲话者在办公室，可以对背景办公室噪声进行编码，由于在停顿时，是对讲话者实际环境的背景噪声进行编码，因而使用户在通话时有连续感。,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。,3定时前置和功率控制,（1）定时前置（TimingAdvance）GSM具有非常严格的时间同步系统，处理传输时延变化的方法是考虑可能的最大传输时延。在每个时隙片的结尾要留有足够的保护时间作保护期。MS在保护期内不能发送用户数据，即使两个时间出现重叠只能在保护时间内重叠。GSM选择了小的保护期和对各时隙的定时进行动态控制的方案。定时前置允许对每个时隙的上行发送时间独立控制，远离BTS的MS要求比离BTS近的MS发射早。在GSM中最大的定时前置限制小区尺寸在35km左右。,（2）功率控制在GSM中，功率电平每60ms变化台阶为2dB（步长）。上行功率控制范围是2030dB，步长2dB；下行功率控制范围一般可达30dB，步长也是2dB。BSS是功率控制的管理者，通过指令规定BTS和MS的功率。BSS通过评估BTS对MS测量的结果，调整MS的传输功率。同样，BSS也通过评估MS报告的BTS下行传输功率，调整BTS的发射功率。,7.3GSM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LA，并以不同的位置区标志进行区别，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(注册)时，它必须通过移动交换中心(MSC)，在相应的原籍位置寄存器(HLR)中登记注册，把其有关的参数(如移动用户号码、移动用户识别码、移动台编号及业务类型、及写卡时产生的密钥Ki等)全部存放在HLR以及AUC中，于是网络就把这个位置寄存器称为原籍位置寄存器。同时，也要将有关信息存储到访问位置寄存器(VLR)中。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。如：在同一个VLR服务区中的不同LA区进行越区位置登记；或者在不同的VLR服务区中进行越区位置登记等。在任一个地区中进行初始位置登记；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（总是由网络发起）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(随机数RAND、符号响应SRES和加密密钥Kc)。在用户入网签约时，用户鉴权密钥Ki连同IMSI（国际移动用户识别号、MSISDN）一起分配给用户，这样每一个用户均有唯一的Ki和IMSI及MSISDN，它们存储于AUC数据库和SIM(SubscriberIdentityModule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7-26AUC产生三参数组,首先，AUC用Ki产生一个随机数(RAND)；用RAND和Ki通过加密算法(A8)计算出加密密钥Kc；用RAND和Ki通过鉴权算法(A3),计算出符号响应SRES；RAND、SRES和Kc作为一个三参数组一起送给HLR及MSC/VLR。1.鉴权无论是移动台主呼或被呼，都有鉴权过程。是否鉴权与MS的上一次操作有关；如网络的KC与MS的KC一致，就跳过鉴权直接进入加密程序，否则，就鉴权。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，MSC/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与其内部产生的SRES比较,验证其合法性(比较两个SRES是否一致)。,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唯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：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每次用IMSI向系统请求一种活动程序，如：位置更新、呼叫尝试或业务激活时，MSC/VLR将给MS分配一个新的TMSI，并写入MS的SIM卡中。TMSI由MSC/VLR分配，并不断进行更换，更换周期由网络运营者设置。更换频次越快，保密性越好，但频繁修改SIM卡，影响其寿命。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TMSI程序,翻看手机Menu，其中有一项就是手机密码，对于很多人來说手机密码到底怎用並不清楚，看著繁杂的密码种类如Pin、Pin2、Puk、Puk2、手机开机密码、Sim卡解锁码等简直是一头雾水。我们下面就帮助大家分別介紹一下手机常用密码各自的用途。手机密码手机密码是用以防止手机被盜用，在“保密设定”-“开机密码”-“手机密码”开启此功能之后，手机开机时需输入手机密码方可使用，即此密码是对手机本身的锁定。一般手机密码的预设值是1234或0000。Pin码Pin（PersonalIdentificationNumber）码是由供应商提供，用于Sim卡保密的個人识別码，在“保密设定”-“开机密码”-“Pin”开启此功能之后，手机开机时需输入Pin1码方可使用，即此密码是对Sim卡的锁定。预设值是1234。如果手机密码和Pin1码同时使用，则先输入Pin1码，后输入手机密码。Pin1码3次输入错误之后将被锁死，需用Puk來解锁。Puk码Puk码是由供应商提供的Pin码的解锁码，是一串无规律的数位。Puk十次输错，Sim卡将永久锁死，只得更换Sim卡。,5、PIN（PersonalIdentificationNumber）码,Pin码是由供应商提供，用于SIM卡保密的個人识別码。,Pin2码Pin2码是由供应商提供的Sim卡另一密码，用于限定拨号等功能的个人识別码，主要用于消除呼叫费用资料、设定通話费的计费币別和计算单位、费用限制功能、限定拨号（“保密设定”-“限定拨号”开启之后手机只能拨其中设定的号码且不可用电话本）。我的手机的Sim卡预值是2345。Pin2码3次输入错误之后将被锁死，需用Puk2来解锁。Puk2码Puk2码是由供应商提供的Pin2码的解锁码，是一串无规律的数位。Puk2十次输错，Sim卡也将永久锁死，只得更换Sim卡。注：Pin、Pin2、Puk、Puk2码均可到供应商处查询，且Pin、Pin2也可自己修改（须知原來的密码）。Sim卡解锁码主要用于锁定Sim卡功能的解锁，防止未知的Sim卡未经允许使用本手机，可开启锁定Sim卡（保密设定-锁定Sim卡）功能。这样，如果手机中的Sim卡未经允许，在开机时就要按照提示输入解锁码。预设值是00000000。,中国移动SIM卡密码分为PIN码、PIN2码，PUK码和PUK2码共四种，这四种密码的初始码都是由提供SIM卡的运营商中国移动提供的，四种密码的关系如下：PIN码(PIN1)就是SIM卡的个人识别密码。如果未经使用者修改，运营商设置的原始密码是1234或0000。如果启用了开机PIN码，那么每次开机后就要输入4位数PIN码，PIN码是可以修改的，用来保护自己的SIM卡不被他人使用。需要注意的是，如果输入三次PIN码错误，手机便会自动锁卡，并提示输入PUK码解锁，这个时候已经接近了危险的边缘，因此，如果擅自修改了PIN码，一定要牢记。PIN2码是设定手机计费时使用的。如果输入三次错误，手机会需要用PUK2码解锁，过程与先前介绍的PIN码、PUK码相同。不过这两种密码与网络计费及SIM卡内部资料的修改有关，所以不会公开，而且即便PIN2密码锁死，也不会影响手机的正常使用。因此，PIN2码和PUK2码不必去刻意理会。,PUK码(PUK1)由8位数字组成，这是用户无法更改的。当手机PIN码被锁，并提示输入PUK码时，千万不要轻举妄动，因为PUK码只有10次输入机会，10次都输错的话，SIM卡将会被永久锁死，也就是报废。部分SIM卡的PUK码是用户在购卡时随卡附带的，如中国移动的神州行等，而另一部分则需要向网络运营商索取，如果你的PIN码被锁且不知道PUK码，千万不要随便输入，此时正确的做法应该是致电SIM卡所属运营商的服务热线，在经过简单的用户资料核对后，即可获取PUK码，解开手机锁，该项服务是免费的？。,一、移动台开机后的工作当MS开机后，它将在GSM网中对自己进行初始化。由于MS对自身的位置、小区配置、网络情况，接入条件均不清楚，因此这些信息都要从网络中获得。为了获得这些必要的信息，MS首先必须确定BCCH频率，从中提取所在位置区标识(LAI)。如果该LAI与原来的LAI相同，则意味着移动台还在原来的位置区，不需要进行位置更新；若不同，意味着移动台已离开原来的位置区，则必须进行位置登记。在GSM900中，有124个无线频率，在DCS1800中有接近375个无线频率。要确定BCCH须搜索和对所有这些频率进行解码，这将花费许多时间。为了帮助MS完成这一任务，GSM允许在SIM中存储一张频率表，这些频率是前一次小区登录上的BCCH频率，以及在该BCCH广播的邻近小区的频点，MS上电后就开始搜索这些频率。,7.3.3呼叫接续,GSM所有的BCCH均满功率工作，即BCCH不进行功率控制，BTS在BCCH信道上所有的空闲时隙发空闲标志，这两点保证了BCCH频率有比小区其他频率有更大的功率密度。在找到无线频点以后，MS下一步要确定FCCH。使用同样的原理，由于FCCH功率密度大于BCCH频率（F信道时隙比B信道时隙多），在找到FCCH之后，MS通过解码使自身与系统的主频同步。一旦MS确定了FCCH并同步后，它可以正确地确定时隙和帧的边界，至此，它便取得了时间同步。MS知道在相同的频率上FCCH的第8个时隙后是同步信道SCH，它只需简单等待8个时隙，便可对SCH解码获得时间同步。至此，MS已可对BCCH上的其他数据进行解码了。,在选择MS所在的小区之前，MS不得不确定它能否从网络中获得服务。BCCH携带了有关GSM网络的有关该小区的识别号。MS可以自动（存储在用户识别模块SIM中的GSM表中）确定有效GSM网。如果当前小区不是有效GSM网络部分，MS只能寻找其他BCCH。一旦选择了有效的GSM网，MS就可选择登录的小区，MS有一个小区选择算法，用于确定最好的有效小区。有几个因数如MS收到的信号强度、位置区域和MS的功率等级等都可用于小区选择的确定。,在MS进行位置登记之前，首先必须建立与网络的通信链路。有了通信链路才能进行位置更新信息的变换，通信链路的建立程序由MS调谐到随机接入信道RACH上发出信道请求信息。然后转到接入许可信道AGCH，等待来自网络的响应。BTS收到信道请求后，便增加有关传输时延的信息一起传输给BSC。BSC能够通过比较时延进行赋值。MS送出信道请求信息有一个长的保护周期，因为这是MS第一次发送的信息，网络和MS对时延的大小都没有认识，长的保护周期可以保证即使该信息与下一个时隙的信息重叠，在BTS接收时，信息内容也不会丢失。,二、移动用户主呼（移动用户向固定用户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。,MS收到“立即分配”指令后，利用分配的独立专用控制信道(SDCCH)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“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。,图7-31移动用户主呼时的接续过程,三、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(GateWay)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)。,VLR把该MS的(MSRN)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。,图732移动用户被呼时的连接过程,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(SDCCH)，即在接入允许信道(AGCH)上给MS发送“立即指配”指令。MS利用分配到的SDCCH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”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。,图7-34同一个MSC/VLR区内，不同BSC间的切换示意,(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7-35同一MSC内BSC间的切换流程,图7-36不同MSC/VLR的切换示意图,(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给出了不同MSC/VLR的小区切换示意图。,图7-37不同MSC/VLR的小区切换流程由MSC1的小区向MSC2的小区进行切换的过程。,7.5GPRS通用分组无线业务,7.5.1GPRS的网络结构将现有GSM网络改造为能提供GPRS业务的网络需要增加两个主要单元：SGSN(GPRS服务支持节点)和GGSN(GPRS网关支持节点)。SGSN的作用是对移动终端进行定位和跟踪，并发