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GSM移动通信网络的基本构成一.数字蜂窝陆地移动通信系统概论1.移动通信系统的发展历程1.1.大区制移动电话系统•单站覆盖整个区域、•高功率发信设备•优点：组网简单，投资少、见效快，覆盖区域大。•缺点：容量不足、服务质量差、频谱利用率低1.2.蜂窝移动通信系统•接近正六边形的小区联网•小区覆盖变小，具有以下特点：1.频谱利用率提高2.组网灵活3.系统发信功率降低4.设备增多，结构复杂2.数字移动通信系统与模拟移动通信系统的不同之处·数字调制对载干比（C/I）的要求低得多·时分多址更能提供设计上的灵活性·数字系统中需增加信道编码·需采用自适应均衡技术·需采用回波控制技术·实施保密相当简单3.数字移动通信系统分析比较·世界上最具代表性和比较成熟的制式有：•欧洲的GSM•美国的ADC（也常称D-AMPS）•日本的JDC（现改称为PDC）·GSM的主要目标是与ISDN兼用；优点是各种接口规定明确，网路适合未来数字化要求；缺点是数模不兼容。·美国数字系统D-AMPS的目标是扩大容量和数模兼容；优点是充分利用现有模拟系统；缺点是不能与ISDN兼容，接口实现较困难。·日本PDC的情况类似美国，但数模不兼容。4.GSM数字移动通信系统的发展历程·1982年：设立“移动通信特别小组”，即GSM。·1986年：进行现场试验·1987年：作出技术选择·1988年：十八个欧洲国家达成GSM谅解备忘录·1989年：GSM标准生效·1991年：GSM系统正式在欧洲问世，网路开通运行。从此，移动通信跨入了第二代。二.GSM的基本特点·可与各种公用通信网互连互通，明确了接口规范。·能提供穿越国界的自动漫游功能·支持多种业务·具有很好的网络安全性·组网结构灵活方便，频率复用率高，话务承担能力强。·抗干扰能力强，通信质量高。·用户终端更小、更轻便、功能更强。三.GSM中使用的基本技术1.数字信号调制和解调将需要远距离传输的低频信号加载到高频振荡的射频信号上，使这些射频信号的幅度、频率或相位受这些低频信号的控制，这个处理过程称为调制。相反的过程称为解调。这里的低频信号称为调制信号，射频信号称为载波。2.时分多址技术·多址技术·实现方法：•频分多址（FDMA）•时分多址（TDMA）•码分多址（CDMA）·TDMA系统具有如下特性：•每载频多路•突发脉冲序列传输•时间色散，需自适应均衡•传输开销大•对新技术开放•共用设备的成本低•移动台较复杂3.时间色散和均衡·起源于反射，但与多径衰落不同，其反射信号来自远离接收天线的物体。·GSM系统中1比特对应约1.1公里。·采用自适应均衡技术来缓解这一问题的严重性。·GSM规范要求均衡器应能处理时延高达15μs左右（约对应4比特的时间）的反射信号。4.频率复用·频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖，这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频及邻频干扰可以忽略不计。·频率复用方式就是指将可用频道分成若干组。5.话音编码·即将话音模拟信号转换成数字信号。·PCM编码分为三步：采样、量化、编码。·GSM采用：线性预测编码—长期预测编码—规则脉冲激励编码器（LPC—LTP—RPE编码器）。·GSM每话音信道的编码速率为13kbit/s。6.信道编码·采用数字传输时，所传信号的质量常常用“接收比特中有多少是错误的”来表示。·为了能检出和校正接收比特流中的差错，在原信息上加入了一些多余的比特帮助检错。·为此加大了传输的开销。7.交织技术·比特差错成串发生，而信道编码仅能检测和校正单个差错和不太长的差错串。·把相继比特分散开发送·这样，在传输过程中，即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个的（或长度很短），这时再用信道编码的纠错功能纠正差错，恢复原消息。8.衰落和抗衰落8.1.阴影衰落•阴影效应•当移动台通过不同障碍物形成的电磁场阴影时，接收场强中值就会发生变化。•可以通过调整基站位置，增加发射功率、天线高度的方法减少阴影衰落的不良影响。8.2.多径衰落•多径效应ü信号经直射和多次反射、散射ü形成合成场强ü形成随机驻波场•多径衰落也称快衰落•随信号瞬时值变动8.3.分集技术分集技术就是在几个支路上接收同一个信号，然后通过合并技术将几个支路信号合并输出。8.3.1.空间分集空间分集就是使两副独立的接收天线间保持一定的间隔距离，从而能各自接收同一个信号，最后再把接收到的信号矢量合并到一起。8.3.2.频率分集·跳频相当于频率分集，是指载波频率在很宽频带范围内按某种序列进行跳变。·加强安全性、抗干扰性，提高通信质量。·基带跳频·射频跳频·两种跳频方式的比较9.干扰和抗干扰9.1.互调干扰•互调干扰的产生原因•主要考虑三阶互调干扰，它的两种形式为2ωa-ωb、ωa+ωb-ωc•无三阶互调信道组9.2.同信道干扰•信道复用•信道复用产生同信道干扰•同信道复用保护距离9.3.邻信道干扰邻信道干扰是指相邻或邻近信道之间的干扰。主要考虑发射机调制边带扩展和边带噪声的干扰。四.系统的结构与功能1.交换子系统(网络子系统NSS)1.1.MSC（移动业务交换中心）•MSC是网络的核心•提供交换功能•提供到固定网的接口•提供与其他MSC互连的接口•MSC从三种数据库取得所需数据1.2.HLR（归属位置寄存器）•与电信业务有关的用户信息都由归属位置寄存器HLR掌管。•每个用户当前位置的信息都存贮在HLR中。1.3.VLR（拜访位置寄存器）•VLR存贮进入其覆盖区的移动用户的全部有关信息。1.4.AUC（鉴权中心）•HLR从功能上分出一个子功能实体——鉴权中心，其功能只限于管理与安全性有关的用户数据，对用户进行鉴权。1.5.EIR（设备识别寄存器）•对移动台IMEI号码进行核查，防止非法移动台进入网络。2.基站子系统（BSS）·BSS包含GSM网络中无线通信部分的所有地面基站基础设施·与移动台连接·把无线信道连接到PCM信道上·两部分：基站收发信台（BTS）、基站控制器（BSC）。3.移动台（MS）和SIM卡·移动台是用户设备·国际移动台设备识别码（IMEI）·SIM卡代表客户·国际移动用户识别码（IMSI）·个人识别码（PIN）4.操作和维护子系统（操作和维护中心OMC）·用于管理和监控·接口还未开放五.主要接口1.A接口NSS与BSS之间的接口，物理链接通过标准的2.048Mb/s或1.544Mb/sPCM数字传输链路来实现。2.Abis接口BSC与BTS之间的接口，物理链接通过标准的2.048Mb/s或64kb/sPCM数字传输链路来实现。3.Um接口（空中接口）BTS与MS之间的接口，物理链接通过无线链路来实现。六.编号计划1.移动台ISDN号码（MSISDN）·MSISDN是指主叫客户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动通信网中的客户所需拨的号码。·号码的结构：CC+NDC+SN•CC=国家码•NDC=国内目的地码•SN=客户号码·可扩充2.国际移动客户识别码（IMSI）·特定的客户识别码·用于GSM网所有信令中，存储在SIM卡、HLR和VLR中。·IMSI号码结构：MCC+MNC+MSIN•MCC=移动国家号码•MNC=移动网号•MSIN=移动客户识别码3.移动客户漫游号码（MSRN）·用于选择路由的临时号码·路由一旦建立，此号码就可立即释放。·结构与移动台ISDN号码（MSISDN）相似4.临时移动客户识别码（TMSI）为了对IMSI保密，MSC/VLR可给来访移动客户分配一个唯一的TMSI号码。它由MSC自行分配，仅限在本MSC业务区内使用。5.位置区识别码（LAI）·用于移动客户的位置更新、寻呼·号码结构：MCC+MNC+LAC•MCC=移动客户国家码•MNC=移动网号•LAC=位置区号码6.全球小区识别码（CGI）·CGI用来识别一个位置区内的小区·结构：MCC+MNC+LAC+CI•CI=小区号，最大16bit。7.基站识别码（BSIC）·BSIC是用于识别相邻网络的相邻基站的，为6bit编码。·结构为：NCC+BCC•NCC=网络色码•BCC=基站色码·规划原则8.国际移动台设备识别码（IMEI）唯一地识别一个移动台设备的编码，为一个15位的十进制数字。七.关于无线接口1.工作频段的划分·GSM通信系统采用900MHz频段：•上行（移动台发，基站收）890~915MHz•下行（基站发，移动台收）935~960MHz•双工间隔为45MHz，相邻两频道间隔为200kHz。·我国GSM采用：•上行（移动台发，基站收）899~909~915MHz•下行（基站发，移动台收）944~954~960MHz·随着业务的发展，可视需要向下发展，或向DCS1800过渡，即1800MHz频段：•上行（移动台发，基站收）1710~1785MHz•下行（基站发，移动台收）1805~1880MHz·GSM系统整个工作频段被分为124对载频，其序号用n表示。上下两频段中序号为n的载频频率可用下式计算：•上行，下频段：Fl(n)=(890+0.2n)MHz•下行，上频段：Fu(n)=Fl(n)+45=(935+0.2n)MHz•式中，n=1~124，称为绝对射频信道号码（ARFCN）2.保护带宽当一个地区有不同移动通信系统共存时，系统之间应有约400kHz的保护带宽，即它们之间要少用一个频道。3.载波干扰保护比·载波干扰保护比（C/I）是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，简称载干比。·GSM规范中规定：•同频载干比：C/I≥9dB•邻频载干比：C/I≥-9dB•载波偏离400kHz时的载干比：C/I≥-41dB4.帧结构·TDMA帧：每帧8个时隙·复帧：由TDMA帧构成·超帧：由复帧构成·超高帧：2048个超帧5.逻辑信道5.1.广播信道是下行的点到多点的信道。它包含网络及本小区的通用信息。5.1.1.频率校正信道(FCCH)它是未经调制的纯正弦波。使移动台能够调谐到广播频率。5.1.2.同步信道(SCH)包含基站识别码（BSIC）和移动台的帧同步（TDMA帧号）。5.1.3.广播控制信道(BCCH)包含网络及小区的特定信息，如：小区所用的频率、跳频序列、信道组合、寻呼组、邻区信息5.2.公共控制信道（CCCH）公共控制信道是被用来建立点到点的连接。5.2.1.寻呼信道(PCH)它是下行信道，用于特定位置区中所有BTS寻呼移动台。5.2.2.随机接入信道(RACH)它是公共控制信道中唯一的上行信道，是一个点到点的信道。移动台用它来初始化一个报文，或者作为寻呼信道的响应。5.2.3.允许接入信道(AGCH)它是随机接入信道的响应，被用来为移动台分配独立专用控制信道，是一个下行的点到点的信道。5.3.专用控制信道专用控制信道用于呼叫建立、发送测量报告及切换控制，是双向的点到点的信道。5.3.1.独立专用控制信道(SDCCH)用于系统信令：呼叫建立、鉴权、位置更新、话务信道分配及短消息的传输。5.3.2.慢速随路控制信道(SACCH)它与独立专用控制信道、话务信道联系在一起。用于传送测量报告、功率控制，有时也用来传输短消息。5.3.3.快速随路控制信道(FACCH)用于切换。它被映射到一个话务信道上，置换掉20毫秒的语音。5.4.话务信道双向信道，既可以传语音，又可以传数据。·半速率话务信道(TCH/H)6.5kbit/s·全速率话务信道(TCH/F)13kbit/s·增强型全速率话务信道(TCH/EFR)13kbit/s，能提供比全速率话务信道更好的语音质量。6.基站与移动台间时间提前量的调整·由于在空中接口采用了TDMA技术，那么任一移动台只能在指配给它的时隙内发送信息，而在其余时间里保持静默，否则它会干扰使用同样载频上不同时隙的其它用户。·时间提前量直接用比特来表示，范围是0~63个比特。·每秒2次八.呼叫处理1.客户状态移动台客户一般是处于MS开机、MS关机和MS忙三种状态之一，因此网路需要对这三种状态做相应处理。1.1.MS开机，网路对它作“附着”标记。1.2.MS关机，从网路中“分离”。1.3.MS忙2.位