GSM全球移动通信系统概述

1GSM全球移动通信系统概述►无线通信系统的基本概念、蜂窝通信►GSM系统组成、网络结构、接口与协议、业务功能►GSM无线传输原理、标准、语音编码、信道编码与调制解调►移动台登记、漫游、切换、呼叫接续过程1蜂窝无线通信系统的基本概念1.1无线通信系统的定义表1.1列出了用来描述无线通信系统基本要素的术语定义。2表1.1无线通信系统要素定义术语定义基站移动无线系统中的固定站台，用来和移动台进行无线通信。基站建在覆盖区域的中央或边缘，包含无线信道和架在塔上的发射与接收天线控制信道用于呼叫建立，呼叫请求，呼叫初始化和其他标志及控制用途前向通道用于从基站向用户传送信息的无线信道全双工系统同时允许双向通信的通信系统。发送和接收一般使用两个不同的频道（例如FDD），而新的无绳或个人通信系统使用TDD技术半双工系统使用一条信道来发送和接收，只允许单向通信的通信系统。在任一个指定的时刻，用户只能发送或接收信息切换将移动台从一个信道或基站切换到另一个信道或基站的过程移动台在蜂窝移动服务中，计划在不确定的地点并在移动中使用的终端移动交换/中心在大范围服务区域中协调呼叫路由的交换中心。在蜂窝系统中，移动交换中心将蜂窝基站和用户连到公用交换电话网上。移动交换中心也叫作移动电话交换局寻呼将简短的信息广播到整个服务区域中，一般通过许多基站同时广播的方式进行反向信道用来从移动用户向基站传输信息的无线信道漫游移动台可以在不是最初登记的区域内通信单工系统只提供单向通信的通信系统用户使用移动通信服务而付费的使用者收发信机能同时发送和接收无线信号的设备频分双工（FDD）中，一对有着固定频率间隔的单向信道用作系统中的特定无线信道。在美国的AMPS标准中，反向信道比前向信道的频率低45MHz(即手机的发比收低45MHz)。模拟无线系统只采用FDD。时分双工（TDD）方式，在时间上分享一条信道，将其一部分时间用于从基站向用户发送信息，而其余的时间用于从用户向基站发送信息。如果信道内的数据传输速率远大于终端用户的数据速率，就可以存储用户数据，即使在同一时刻不存在两条同步无线传输信道，仍能给用户提供全双工操作。TDD只在数字传输和数字调制时才可以使用。1.2蜂窝无线通信系统蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破，是一种系统级的概念。其思想是用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。每个基站分配整个系统可用信道中的一部分，相邻基站则分配另外一些不同的信道，这样基站之间（以及在它们控制下的移动用户之间）的干扰就最小。只要基站间的同频干扰在可以接受的范围以内，可用信道就可以尽可能的复用。1.2.1频率复用3蜂窝无线系统依赖于整个覆盖区域内信道的分配及复用。每一个蜂窝基站分配一组无线信道，这组无线信道作用于一个小区。给相邻小区的基站分配一个信道组，所包含的信道全部不能在相邻小区内使用。通过将基站天线的覆盖范围限制在小区边界以内，相同的信道组就可用于覆盖不同的小区，只要距离足够远，相互间的干扰就可以接受。为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程就叫做频率复用（FrequencyReuse）。现在考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统。如果每个小区都分配k个信道（kS），并且S个信道在N个小区中分为各不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，那么可用无线信道的总数表示为S=kN。共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇（Cluster）。如果簇在系统中共复制了M次，则双向信道的总数可以作为容量的一个度量C=MkN=MS。蜂窝系统的容量直接与簇在某一固定范围内复制的次数成正比。因数N叫做簇的大小，典型值为4、7、12。如果簇的大小N减小但是小区的数目保持不变，则需要更多数目的簇来覆盖原来给定的范围，从而获得了更大的容量。M变大N变小意味着小区半径与同频小区间距离之比变大，M变小N变大则意味着小区半径与同频小区间距离之比变小。从设计的角度来看，N尽可能的取最小值，以便获得某一给定覆盖范围内的最大容量，但是一定要顾及到使用相同频率的小区距离过近而引起的同频干扰必须限制在可以接受的范围以内。蜂窝系统的频率复用因子为1/N，因为一个簇中的每个小区都只能使用所有可用信道的1/N。图1-1说明了蜂窝频率复用的思想。标有相同字母的小区使用相同的频率，相同颜色的小区组成一个簇，并在覆盖区域上进行复制。图中簇的大小N为7，频率复用因子为1/7。B内含K个信道此簇为N=7M为复制次数3图1-1蜂窝频率复用思想图解1.2.2越区切换当一个移动台正在通话的时候，从一个基站移动到另一个基站，为了使通话不被中断，系统自动地将呼叫转移到新基站的信道上。这种切换操作不仅要识别一个新基站，而且要求将话音和信令信号分派到新基站的信道上，此过程不需要用户的介入。在小区内分配空闲信道时，许多切换策略都使切换请求优先于呼叫初始请求。系统设计者必须要指定一个启动切换的最恰当的信号强度，一旦将某个特定的信号强度指定为基BGACDFEBCAEFGDBAECDGF4站接收机中可接受的话音质量的最小可用信号（一般在–90dBm到–100dBm之间），稍微强一点的信号强度就可作为启动切换的门限，两者之间的信号强度之差值∆的选择必须慎重。在决定何时切换的时候，很重要的一点是要保证所检测到的信号电平的下降不是因为瞬时的衰减，而是由于移动台正在离开当前服务的基站，所以基站在准备切换之前先对信号监视一段时间。1.2.3信道分配信道分配策略可以分为两类：固定的和动态的。在固定的信道分配策略中，每个小区分配给一组预先确定好的语音信道。小区中的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道，如果该小区的所有信道都已被占用，则出现呼叫阻塞。有一种借用策略，就是当某小区的所有信道都已被占用，则允许它从相邻小区中借用信道并且不影响借出小区的任何一个正在进行的呼叫，该过程由移动交换中心（MSC）来管理。在动态的信道分配策略中，语音信道不是固定地分配给各个小区。每次呼叫请求来的时候，为它服务的基站就向MSC请求一个信道，交换机则根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道，当然这种算法必须考虑到避免同频干扰。动态的信道分配策略可以减小阻塞的可能性，系统中的所有可用信道对于所有小区都可用。1.2.4干扰干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素，是系统增加容量的重要瓶颈。蜂窝系统中两种主要的干扰是：同频干扰和邻频干扰。同频干扰使用同一组频率的同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰，减小同频干扰必须在物理上隔开一个最小的距离。假设每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为小区半径R和相距最近的同频小区的中心之间距离D的函数。增加D/R的值，同频干扰减小。参数Q叫做同频复用比例，与簇的大小有关。对于六边形来说，Q表示为：Q=D/R=N3。Q的值越小，则容量越大；但是Q的值大则同频干扰小。邻频干扰来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰。邻频干扰是由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的。邻频干扰可以通过精确的滤波和信道分配而减到最小。通过使小区中的信道间隔尽可能的大，邻频干扰会减小。通过顺序地将连续的信道分配给不同的小区，许多分配方案可以使得在一个小区内的邻频信道间隔为N个信道带宽，其中N是簇的大小。有些信道分配方案还通过避免在相邻小区中使用邻频信道来阻止一些次要的邻频干扰。1.2.5小区分裂随着服务需求的提高，实际中使用了小区分裂、裂向和覆盖区域逼近等技术来增大蜂窝系统容量。小区分裂是将拥塞的小区分成更小小区的方法，每个新小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安置这些小区，使得单位范围内的信道数目增加，提高了信道的复用次数，因此能提高系统容量。例如，将一个半径为R的小区分裂为半径为R/2的新小区，则需要4个新小区才能覆盖原来的范围。当然，新小区的发射功率也应该下降，通过检查在新旧小区边界接收到的功率，并令它们相等来得到新小区的发射机功率。5实际上，不是所有的小区都同时分裂，不同规模的小区将同时存在，这时需要特别注意保持同频小区间所需的最小距离，频率分配将变得更为复杂，而且发射机的功率也不尽相等。2GSM全球移动通信系统概述2.1GSM的发展概述GSM原意为“移动通信特别小组”（GroupSpecialMobile），是欧洲邮电主管部门会议（CEPT）为开发第二代数字蜂窝移动系统而在1982年成立的机构，开始制定适用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。1987年，欧洲15个国家的电信业务经营者在哥本哈根签署了一项关于在1991年实现泛欧900MHz数字蜂窝移动通信标准的谅解备忘录（MemorandumofUnderstanding，简称MOU）。随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM逐步成为欧洲数字蜂窝移动通信系统的代名词。后来，欧洲的专家们将GSM重新命名为“GlobalSystemforMobileCommunications”，即“全球移动通信系统”的简称。目前，宣布采用GSM系统并参加MOU的国家早就不限在欧洲。在1995年初，全世界就已有69个国家约118个经营者签字参加了MOU。2.2GSM的系统构成GSM系统由以下分系统构成：交换分系统（MSS）；基站分系统（BSS）；移动台（MS）和操作与维护分系统（OMS）。它包括了从固定用户到移动用户（或相反）所经过的全部设备，如图2-1所示。2.2.1交换分系统（MSS）包括以下几个部分：移动交换中心（MSC），归属位置寄存器（HLR），拜访位置寄存器（VLR），认证（鉴权）中心（AUC），设备标志寄存器（EIR）。①移动交换中心（MSC——MobileServiceSwitchingCenter）6它主要处理与协调GSM系统内部用户的通信接续。MSC对位于其服务区内的移动台（MS）进行交换与控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。作为交换设备，MSC具有完成呼叫接续与控制的功能，同时还具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新，MS的越区转接控制等。移动用户没有固定位置，要为网内用户建立通信时，路由都先接到一个关口交换局（GMSC——GatewayMSC），即由固定网接到GMSC。GMSC的作用是查询用户的位置信息，并把路由转到移动用户当时所拜访的移动交换局（VMSC）。GMSC首先根据移动用户的电话号码找到该用户所属的归属位置寄存器HLR，然后从HLR中查询到该用户目前的VMSC。GMSC一般都与某个MSC合在一起，只要使MSC具有关口功能就可实现。MSC通常是一个大的程控数字交换机，能控制若干个基站控制器（BSC）。GMSC与固定网相接，固定网有公众电话网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。MSC与固定网互连需要通过一定的适配才能符合对方网络对传输的要求，称其为适配功能（IWF——InterWorkingFunction）。②归属位置寄存器（HLR——HomeLocateRegister）HLR是管理移动用户的数据库，作为物理设备，它是一台独立的计算机。每个移动用户必须在某个HLR中登记注册。在数字蜂窝网中，应包括一个或多个HLR。HLR所存储的信息分两类：一类是有关用户参数的信息，例如用户类别、所提供的服务、用户的各种号码、识别码，以及用户的保密参数等；另一类是用户当前的位置信息，例如移动台漫游号码、VLR地址等，用于建立至移动台的呼叫路由。HLR不受MSC的直接控制。③拜访位置寄存器（VLR——VisitorLocationRegister）VLR是存储用户位置信息的动态链接库，当漫游用户进入某个MSC区域时，必须在MSC相关的VLR中进行登记，VLR分配给移动用户一个漫游号（MSRN）。在VLR中建立用户的有关信息，其中包括移动用户识别码（MSI）、移动台漫游号