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广州大学华软软件学院移动通信技术第4章全球数字移动通信（GSM）系统GSM系统简介GSM的无线接口频率复用技术学习目标•熟练掌握GSM的概念、系统结构和特点，能用自己的语言陈述GSM系统发展、业务与应用。•熟练掌握GSM系统的信道结构、帧结构和GSM系统的基带处理流程。•掌握频率复用的原理和方法。•初步能用自己的语言陈述一些GSM的控制与管理工作流程如位置更新、切换等。学习指导在世界范围内，移动通信的发展如日中天。从所提供业务的角度来看，移动通信发展可以分为三个阶段：（1）第一阶段：提供移动语音业务，如模拟的移动通信系统和早期的GSM系统；（2）第二阶段：提供语音加电路型数据业务，如GSM系统和CDMAIS-95B系统；（3）第三阶段：增加提供分组数据业务，如GPRS系统和cdma2000-1x系统。本章主要介绍GSM数字移动通信系统，主要涉及了GSM的发展、特点、主要参数，GSM系统的帧结构、信道结构、基带处理，频率复用的原理和方法以及GSM的控制与管理。重难点：GSM系统的帧结构、信道结构、基带处理、位置更新与切换和频率复用技术。学习指导知识地图GSM系统GSM概述GSM的无线接口频率复用技术*GSM的控制与管理发展历程，基本特点，主要参数和业务与应用帧结构信道结构基带处理蜂窝系统的原理频率复用的原理及方法位置更新切换4.1GSM系统简介•GSM的发展•GSM的业务与应用1．GSM系统概述GSM数字移动通信系统史源于欧洲。1982年，欧洲已开始了模拟蜂窝移动系统的运营，如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统）等。为了进一步实现全欧洲移动电话的漫游需要，1982年北欧向CEPT（欧洲邮电行政大）提议成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组（GroupSpecialMobile）”，简称“GSM”，来制定有关900MHz频段的公共欧洲电信业务的标准和建议书。4.1.1GSM的发展4.1GSM系统简介1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE-LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式等达成一致意见。1990年完成了GSM900的规范，1991年在欧洲开通了第一个系统，为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（GlobalsystemforMobilecommunications），从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCSI800系统。该系统GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM的很小一部分，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为GSM系统。4.1GSM系统简介1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50％。2008年，行业组织3GAmericas宣布，全球GSM手机用户已达30亿，占全球移动无线用户总数的88%。在这之后，GSM用户逐渐转网为3G用户。4.1GSM系统简介1987年11月18日,第一个TACS模拟蜂窝移动电话系统在广东省建成并投入商用。1994年12月底,广东首先开通了GSM数字移动电话网。1995年7月,中国联通GSM130数字移动电话网在北京、天津、上海、广州建成开放。1996年,移动电话实现全国漫游，并开始提供国际漫游服务。2002年1月8日,中国网通集团北京通信控股的北京正通网络通信有限公司宣告成立，成为继中国移动、电信、网通、联通、铁通和卫通6大运营商之后，国内第7家获信息产业部发牌的基础电信业务运营商。GSM数字移动通信系统在我国的发展也十分迅速：4.1GSM系统简介4.1GSM系统简介2003年7月,我国移动通信网络的规模和用户总量均居世界第一，手机产量约占全球的1/3，已成为名副其实的手机生产大国。2008年6月，我国的GSM手机用户已达5.2亿户。在这之后，我国也开始了3G系统的商用，不少GSM用户也逐渐转网为3G用户。由移动台子系统、基站子系统、网络子系统、管理子系统等构成。GSM系统有如下的特点：•GSM有越区切换和漫游功能，可以实现国际漫游；•GSM可以提供多种业务，包括话音业务和一些数据业务；•GSM有较好的保密功能，提供对移动识别码的加密、用户数据的加密以及用户鉴权等；•GSM还有一些其它的特点，如容量大、通话质量较好、有电子信箱与短消息功能等。2．GSM的系统构成及其特点4.1GSM系统简介•频段：935MHz~960MHz为基站发、移动台收的频段；890MHz~915MHz为移动台发、基站收的频段；•频段宽度：25MHz；•通信方式：全双工；•载波间隔：200kHz；•信道分配：TDMA每载波8时隙，全速率信道8个，半速率信道16个；•信道总速率：270.83kbit/s；•调制方式：GMSK，调制指数为0.3；•语音编码：RPE-LPT13kbit/s规则脉冲激励线性预测编码；•数据速率：9.6kbit/s。3．GSM系统的主要参数4.1GSM系统简介4.1.2GSM的业务与应用GSM业务按照ISDN的原则主要分：电信业务和数据业务。一般所说的GSM业务主要是指其，用户业务可分为三大类：电信业务是GSM系统提供的最重要业务。经过GSM网与固定网，为移动用户与移动用户之间或移动用户与固定网电话用户之间提供实时双向会话。电信业务还包括紧急呼叫业务、可视图文接入、智能用户电报传送和传真业务等。4.1GSM系统简介提供用户接入点（也称“用户/网络”接口）间信号传输的能力，所支持的业务数据速率从300bps到9.6kbps。GSM可以为用户数据提供标准信道编码并以用透明方式传送数据，也可以提供基于特定数据接口的特殊编码功能并以非透明方式传送数据。（本质上是数字业务），又分为如下几种：4.1GSM系统简介电信业务终端设备数字蜂窝PLMN传输网终端网终端设备承载业务•呼叫提供类补充业务，主要包括无条件呼叫前转、遇用户忙呼叫前转、遇无应答呼叫前转、遇移动用户不可及呼叫前转、呼叫转移和移动接入搜索等；•呼叫完成类补充业务，主要包括呼叫等待、呼叫保持等；•多方通信类补充业务，主要指三方业务；•集团类补充业务，主要指封闭用户群；•计费类补充业务，主要包括计费通知、免费业务和对方付费等；•呼叫限制类补充业务。4.1GSM系统简介•号码识别类补充业务，主要包括主叫号码识别显示、主叫号码识别限制、被叫号码识别显示、被叫号码识别限制和恶意呼叫识别等；4.2GSM的无线接口•GSM的帧结构•GSM的信道结构•GSM的基带处理移动终端与网络之间的接口为无线接口，它是保证不同厂家的移动台与不同厂家的系统设备之间互通的主要接口。无线接口自下而上分为三层：物理层、数据链路层和第三层。第三层又分为三个子层：无线资源管理层（RR）、移动性管理层（MM）和连接管理层（CM）。这些功能是在移动台和网络实体间进行的，不同的功能对应于不同的网络实体。其中：4.2GSM的无线接口•RR：完成专用无线信道连接的建立、操作和释放等，它是在移动台与基站子系统间进行的；•MM：完成位置更新、鉴权和临时移动用户号码的分配等工作；•CM：完成电路交换的呼叫建立、维持和结束，并支持补充业务和短消息业务等。4.2GSM的无线接口MobileCommunicationTheoryGSM系统多址接入技术采用频分多址接入（FDMA）和时分多址接入（TDMA）混合技术FDMA是说在规定频率范围内分配n个载频TDMA是说在每个载频上按时间分为8个时间段，每个时隙段称为一个时隙（slot），一个载频上连续的8个时隙组成一个帧(Frame)时隙0时隙1时隙2时隙3时隙4时隙5时隙6时隙7时分多址接入原理示意图4.2GSM的无线接口4.2.1GSM的帧结构GSM系统采用时分多址、频分多址和频分双工的制式，每个TDMA信道上的一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列(Burst)，简称突发序列，它是GSM系统无线传输上的重要概念。突发脉冲序列占有一个限定的持续时间和无线频谱，它们在时间和频率窗上输出，而这个窗被人们称为隙缝（Slot）。确切地说，在系统频段内，每200KHz设置时隙缝的中心频率(以FDMA角度观察)，每隙缝在时间上循环地发生，每次占15/26ms，即近似为0.577ms（以TDMA角度观察）。4.2GSM的无线接口4.2GSM的无线接口这样，用时间/频率图把隙缝画为一个小矩形，其长为15/26ms，宽为200KHz，如图4-1所示。在给定的小区内，所有隙缝的时间范围是同时存在的。这些隙缝的时间间隔称为时隙（TimeSlot），而它的持续时间被用于作为时间单元，记为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，也就是说在特定的隙缝中传送突发脉冲序列。通常，一个信道的隙缝在时间上不是邻接的。信道对于每个时隙具有给定的时间限界和时隙号码TN（TimeSlotNumber），这些都是信道的要素。一个信道的时间限界是循环重复的。与时间限界类似，信道的频率限界给出了属于信道的各隙缝的频率。它把频率配置给各时隙，而信道带有一个隙缝。对于固定的频道，频率对每个隙缝是相同的。对于跳频信道的隙缝，可使用不同的频率。4.2GSM的无线接口1．帧帧（Frame）通常被表示为接连发生的i个时隙。在GSM系统中，目前采用全速率业务信道，i取为8。一个TDMA帧包含8个时隙，这其实就是8个基本的物理信道，可用来传输控制数据与不同的用户数据，如下图所示。4.2GSM的无线接口2．复帧下图给出了TDMA帧的完整结构还包括了时隙和突发脉冲序列。（必须记住TDMA帧是在无线链路上重复的物理帧）每一个TDMA帧含8个时隙，共占4.615ms。每个时隙含156.25个码元，占0.557ms。多个TDMA帧构成复帧（Multiframe），其结构有两种，如图中行c所示，分别含连贯的26个或51个TDMA帧。当不同的逻辑信道复用到一个物理信道时，需要使用这些复帧。含26帧的复合帧其周期为120ms，用于业务信道及其随路控制信道。其中24个突发序列用于业务，2个突发序列用于信令。含51帧的复合帧其周期为3060/13≈235.385ms，专用于控制信道。4.2GSM的无线接口GSM帧、时隙和突发脉冲序列4.2GSM的无线接口3．超帧多个复帧又构成超帧（Superframe），它是一个连贯的51×26TDMA帧。即一个超帧可以是包括51个26TDMA复帧，也可以是包括26个51TDMA复帧，如上图中行b所示。超帧的周期均为1326个TDMA帧，即6.12秒。4.2GSM的无线接口4．超高帧•多个超帧构成超高帧（Hyperframe）。它包括2048个超帧，如上图中行a所示，周期为12533.76秒，即3小时28分53秒760毫秒，用于加密的话音和数据，超高帧每一周期包含2715648个TDMA帧，这些TDMA帧按序编号，依次从0至2715647，帧号在同步信道中传送。帧号在跳频算法中是必需的。•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。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的调谐和转换。4.2GSM的无线接口•时分数字系统的无线载波发送用间歇方式。突发开始时，载波电平从最低值迅速升到预定值并保持一段时间，此时发送突发中的有用信息，然后又迅速降到最低值，结束一个突发的发送。突发的开始和结束阶段传送的是保护部分。•有用部分包括被传送的数据、突发序列及尾比特码，对应于发射载波的电平维持期间。保护部分不传输信息，它是用来分隔相邻突发的，对应于载波电平的上升和下降期间。4.2GSM的无线接口5．突发脉冲序列（BP）在上图可看出，GSM建议中对不同的逻辑信道规定了五种不