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1、第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 第第8章章 TDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.1 GSM蜂窝系统的网络结构及其功能蜂窝系统的网络结构及其功能 8.2 GSM蜂窝系统的无线传输方式蜂窝系统的无线传输方式 8.3 GSM系统主要技术系统主要技术 8.4 主要接续流程主要接续流程 8.5 三种三种TDMA蜂窝移动通信系统的比较蜂窝移动通信系统的比较 习题习题 第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.1 GSM蜂窝系统的网络结构及其功能蜂窝系统的网络结构及其功能 8.1.1TDMA与蜂窝结构的关系泛欧GSM数字蜂窝移动通信系统
2、是在频分多址下的时分多址，当它工作在跳频方式时，又引入了码分多址。数字移动通信系统也是蜂窝系统，即蜂窝区群结构和频率复用。蜂窝区群小区数的多少以及小区半径的大小，取决于数字系统保证正常通信所需载干比和本地区业务量的分布和大小。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 构成区群的小区数目越少，半径越小，系统的频谱效率就越高。由于在相同服务质量条件下，数字系统允许比模拟系统更低的载干比要求。换句话说，可采用更小的区群结构，从而提高频谱的利用率。TDMA蜂窝系统采用的区群结构如图8-1所示。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-1TDMA蜂窝
3、系统区群结构(a)3扇区3小区的区群结构；(b)6扇区2小区的区群结构；(c)3扇区4小区的区群结构第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.1.2系统的基本特点GSM数字蜂窝移动通信（简称GSM系统）是完全依据欧洲通信标准委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。GSM系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统，具有下列主要特点：第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 GSM系统是由几个分系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。
4、GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关。GSM系统除了可以开放语音业务外，还可以开放各种承载业务、补允业务和与ISDN相关的业务。GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承担能力一般都很强，保证在语音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求。GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。GSM系统终端设备（手持机和车载机）随着大规模集成电路技术的进一步发展，移动机将向
5、更小型、更轻巧和增强功能趋势发展。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.1.3网络结构及功能GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统，如图8-2所示。基站子系统（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统由移动交换中心（MSC），操作维护中心（OMC）以及原籍位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-2GSM数字蜂窝通信系统的网络结构第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移
6、动通信系统蜂窝移动通信系统 1.移动台（MS）移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的惟一设备。移动台的类型不仅包括车载台和便携台，还包括手持台。随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持台的用户将占整个用户的极大部分。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 2.基站子系统（BSS）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。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送收、接和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连
7、，实现移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分功能实体构成。实际上，一个基站控制器根据话务量大约可以控制数十个BTS。BTS可以直接与BSC相连接，也可以通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。需要说明的是，基站子系统还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM）。码变换器在更多的情况下是置于BSC和MSC之间，在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具有许多优点。因此，一种具有本地和远端配置BTS
8、的典型BSS组成方式如图8-3所示。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-3一种典型BSS组成方式第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (1)基站收发信台(BTS)。基站收发信台(BTS)属于某站子系统的无线部分，由基站控制器(BSC)控制，服务于某个小区的无线收发设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动台(MS)之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (2)基站控制器。基站控制器(BSC)是基站控
9、制系统(BSS)的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即承担各种接口及无线资源和无线参数管理的任务。BSC主要由下列部分构成：朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相接的Ater接口的数字中继控制部分；朝向与BTS相接的Abis接口或BS接口的BTS控制部分；公共处理部分，包括与操作维护中心相接的接口控制；第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 3.网路子系统(NSS)(1)移动业务交换中心(MSC)。移动业务交换中心(MSC)是网络的核心，它提供交换功能和接口功能。接口功能包括面向基站子系统BSS、面向系统其它功能实体(归属用户位置寄存器HLR、鉴权中心AUC、移动
10、设备识别寄存器EIR、操作维护中心OMC)和面向固定网(公用电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN、电路交换公用数据网CSPDN)的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 移动业务交换中心MSC可从归属用户位置寄存器(HLR)、访问用户位置寄存器(VLR)和鉴权中心(AUC)这三种数据库获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。MSC可为移动用户提供如下的系列业务：电信业务。承载业务。补充业务。第第8 8章章
11、TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (2)访问用户位置寄存器(VLR)。访问用户位置寄存器(VLR)是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。(3)归属用户位置寄存器(HLR)。归属用户位置寄存器(HLR)是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (4)鉴权中心(AUC)。GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的语音、数据和信号信息进行保密等。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝
12、移动通信系统蜂窝移动通信系统 (5)移动用户识别寄存器(EIR)。移动用户识别寄存器(EIR)存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格(在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码)，使得运营部门对于不管是失窃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，都能采取及时的防范措施，以确保网络内所使用的移动设备的惟一性和安全性。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.1.4接口和接口协议为了保证网络运营部门能在充满竞争的市场条件下，灵活地选择不同供应商提供的数字蜂窝
13、移动通信设备，GSM系统在制定技术规范时，就对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了比较具体的定义，使不同供应商提供的GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通、组网的目的。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 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。如图8-4所示。这三种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能纳入同一个GSM数字移动通信网运行和使用。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-4GSM系统的主要接第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝
14、移动通信系统蜂窝移动通信系统 (1)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，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的互连接口，其物理链接通过采用标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (2)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，用于BTS(不与BSC并置)与BSC之间的远端互连方式，物理链接通过采用标准的2.048Mbs或64kb/sPCM数字传输链路来实现。图8-
15、4所示的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10m，此接口支持所有向用户提供的服务，并支持所有面向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (3)Um接口(空中接口)。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。此接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通
16、信系统 2.网络子系统内部接口网络子系统由移动业务交换中心(MSC)、访问用户位置寄存器(VLR)、归属用户位置寄存器(HLR)等功能实体组成，因此GSM技术规范定义了不同的接口以保证各功能实体之间的接口标准化。其示意图如图8-5所示。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-5网络子系统内部接口示意图第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (1)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。(2)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
17、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)的位置更新信息等。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (3)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。(4)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。(5)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。(6)G接口。G接口定义为访问用户
18、位置寄存器(VLR)之间的接口。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 3GSM系统与其它公用电信网的接口其它公用电信网主要是指公用电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)、分组交换公用数据网(PSPDN)和电路交换公用数据网(CSPDN)。GSM系统通过MSC与这些公用电信网互连，其接口必须满足CCITT的有关接口和信令标准及各个国家邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 根据我国现有公用电话网(PSTN)的发展现状和综合业务数字网(ISDN)的发展前景，GSM系统与PSTN和ISD
19、N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和ISDN或ISDN交换机之间标准2.048Mb/sPCM数据传输链路实现的。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 4.各接口协议GSM系统各功能实体之间的接口定义明确，同样，GSM规范对各接口所使用的分层协议也作了详细的定义。协议是各功能实体之间共同的“语言”。通过各个接口互相传递有关的消息，为完成GSM系统的全部通信和管理功能建立起有效的信息传送通道。图8-6给出了GSM系统主要接口所采用的协议分层示意图。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-6系统主要接口
20、的协议分层示意图第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.2 GSM蜂窝系统的无线传输方式蜂窝系统的无线传输方式8.2.1TDMA/FDMA接入方式1.时隙GSM蜂窝系统采用时分多址、频分多址和频分双工(TDMAFDMA/FDD)制式。在25MHz的频段中共分125个频道，频道间隔200kHz。每载波含8个(以后可扩展为16个)时隙，时隙宽为0.577ms。8个时隙构成一个TDMA帧，帧长为4.615ms，如图8-7所示。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-7TDMAFDMA接入方式第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统
21、蜂窝移动通信系统 2.频率与频道序号GSM系统工作在以下射频频段：上行(移动台发、基站收)为890915MHz下行(基站发、移动台收)为935960MHz收、发频率间隔为45MHz。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。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 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表示，则上、下两频段中序号为n的载频可用下式计算：下频段fl(n)=(890+0.2n)MHz上频段fh(n)=(935+0.2n)MHz式中，n=1124。例如n=1，fl(1)=890.2
22、MHz，fh(1)=935.2MHz。其它序号的载频依次类推。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 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1.35(bs)Hz-1。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 4.载频复用与区群结构GSM系统中，基站发射功率为每载波500
23、W，每时隙平均为5008=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。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.2.2信道及其组合蜂窝通信系统要传输不同类型的信息，按逻辑功能而言，可分为业务信息和控制信息。因而在时分、频分复用的物理信道上要安排相应的逻辑信道。在时分多址的物理信道中，帧的结构(或组成)是基础，为此下面先讨论GSM的帧结构。1.帧结构图8-8给出了GSM系统各种帧及时隙的格式。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通
24、信系统 图8-8GSM系统各种帧及时隙的格式第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 帧的编号(FN)以超高帧为周期，从0到2715647。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8-9。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。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-9上行帧号和下行帧号所对应的时间关系第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 2.信道分类图8-10示出了GSM系统的信道分类。(1)业务信道。业务
25、信道TCH主要传输数字语音或数据，其次还有少量的随路控制信令。业务信道有全速率业务信道(TCHF)和半速率业务信道(TCHH)之分。语音业务信道。数据业务信道。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-10GSM系统的信道分类第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (2)控制信道。控制信道(CCH)用于传送信令和同步信号。它主要有三种：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)。公用控制信道(CCCH)。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
26、通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.2.3时隙的格式1.常规突发(NB，NormalBurst)脉冲序列常规突发脉冲序列亦称普通突发脉冲序列，用于业务信道及专用控制信道，其组成格式如图8-11所示。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图811常规突发脉冲序列第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8个训练序列相互间的相关性很低，它们的自相关函数具有特殊的形状，以缓和对解调技术的要求。这8个训练序列中，每个序列的自相关函数如图8-12所示，这是从中央的16
27、比特和整个26比特序列之间的计算而得来的。所有8个序列，中央为相关峰，两边为5个“0”。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 有关各突发序列的时间-振幅图也已有明确的规定。作为一个实例，图8-13示出了常规突发序列(例如用于业务信道)在其发射窗期间的振幅图，同时还给出了规范所明确的时间框，它表明了可接受的限制范围，而振幅图必须落入该限制范围，恒幅部分持续147比特，即携带信息的142比特及其两边的2.5比特。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-12GSM训练序列的自相关函数第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通
28、信系统 图8-13常规突发序列的振幅图第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 2.频率校正突发(FCB，Frequency CorrectionBurst)脉冲序列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8-11。起始和结束的尾比特各占3比特，保护时间8.25比特，它们均与普通突发脉冲序列相同，其余的142比特，均置成“0”，发送的射频是一个与载频有固定偏移(频偏)的纯正弦波，以便于调整移动台的载频。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 3.同步突发(SB，SynchronizationBurst)脉冲序列同步突
29、发脉冲序列用于移动台的时间同步。其格式参见图8-11，主要组成包括64bit的同步信号(扩展的训练序列)以及两段各 39 比特数据，用于传输TDMA帧号和基站识别码(BSIC)。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 4.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8-14所示。由图可见，AB序列的格式与前面三种序列的格式有较大差异。它包括41比特的训练序列，36比特的信息，起始比特为8位(0，0，1，1，1，0，1，0)，而结束的尾比特为
30、3位(0，0，0)，保护期较长，为68.25比特。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-14接入突发脉冲序列的格式第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 前述的NB序列是一个长的序列，而AB序列则是一个短的序列，其突发序列的振幅图如图8-15(a)所示。AB序列的包络在时间窗期间受到图8-15(b)所示的时间限制框的约束。AB序列的斜坡部分与NB序列的相同，只是有用部分的持续时间要短得多，以适应远距离移动台传播时间的需要。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-15接入突发序列的时间限制框第第8 8章章
31、 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-16接入序列突发的时延第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 AB序列采用单个训练序列。其抵触的概率确实很小，这也表明复式训练序列的附加复杂性是合理的。在使用AB序列时，由于移动台和基站之间的传播时间是不知道的，因此该AB序列到达基站时，与接收窗相比较已带有两次传播时延的时间误差，如图8-16所示。若移动台离基站很远，AB序列就不能与接收窗相吻合。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.2.4信道的组合方式1.业务信道的组合方式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
32、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8-17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26TDMA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)，还有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。)第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-17业务信道的组合方式第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 2.控制信道的组合方式控制信道的复帧含51帧，其组合方式
33、类型较多，而且上行传输和下行传输的组合方式也是不相同的。(1)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(C0)的TS0上的复用(下行链路)如图8-18所示。图中，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；I(IDEL)空闲帧。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-18BCH和CCCH在TS0上的复用第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (2)SDCCH和SACCH在TS1上的复用。主载频C0上
34、的TS1可用于独立专用控制信道和慢速辅助控制信道。下行链路C0上的TS1的映射如图8-20所示。下行链路占用102个TS1，从时间长度上讲是102个TDMA帧。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-19TS0上RACH的复用第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-20SDCCH和SACCH(下行)在TS1上的复用第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (3)公用控制信道和专用控制信道均在TS0上复用。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
35、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8-21所示。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-21TS0上控制信道综合复用第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.3 GSM系统主要技术系统主要技术 8.3.1语音和信道编码技术数字化语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系统中语音编码和信道编码的
36、主要特点。图8-22示出了GSM系统的语音编码和信道编码的组成方框图。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-22GSM系统的语音编码和信道编码的组成方框图第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 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语音质量。模拟语音信号数字化后，送入RPE-LTP编码器，此编码器每20ms取样一次，输出260比特，编码速率为13kb/s。然后，进行前向纠错编码，纠错的办法是在20ms的语音编码帧中，把语音比特分为两类：第一类是对差错敏感的(这类比特发生误码将明显影响
37、语音质量)，占128比特；第二类是对差错不敏感的，占78比特。第一类比特加上3个奇偶校验比特和4个尾比特后共189比特，进行信道编码，亦称作前向纠错编码。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 GSM系统中采用码率为1/2和约束长度为5的卷积编码，即输入一个比特，输出二个比特，前后5个码元均有约束关系，共输出378比特，它和不加差错保护的78比特合在一起共计456比特。通过卷积编码后速率为456比特20ms=22.8kb/s，其中包括原始语音速率13kbs，纠错编码速率9.8kbs。卷积编码后数据再进行交织编码，以对抗突发干扰。交织的实质是将突发错误分散开来。显然，交
38、织深度越深，抗突发错误的能力越强。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 本系统采用的交织深度为8，参见图8-23所示的GSM编码流程。即把40ms中的语音比特(2456=912比特)组成8114矩阵，按水平写入、垂直读出的顺序进行交织(如图8-24所示)，获得8个114比特的信息段，每个信息段要占用一个时隙且逐帧进行传输。可见每40ms的语音需要用8帧才能传送完毕。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-23GSM的编码流程第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-24GSM的交织方式第第8 8章章 TD
39、MATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.3.2跳频和间断传输技术1.跳频前已指出，在GSM系统中，采用自适应均衡抵抗多径效应造成的时散现象，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8-25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14.615ms=217跳秒。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-25GSM系统的跳频示意图第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动
40、通信系统 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的表达式为第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 2.间断传输为了提高频谱利用率，GSM系统还采用了语音激活技术。这个被称为间断传输(DTx)技术的基本原则是只在有语音时才打开发射机，这样可以减小干扰，提高系统容量。采用DTx技术，对移动台来说更有意义，因为在无信息传输时即关闭发射机，可以减少电源消耗。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 GSM中，语音激活技术采用
41、一种自适应门限语音检测算法。当发端判断出通话者暂停通话时，立即关闭发射机，暂停传输；在接收端检测出无语音时，在相应空闲帧中填上轻微的“舒适噪声”，以免收听者造成通信中断的错觉。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.3.3调制与解调技术1.调制技术调制器接收来自加密单元的比特流，并产生射频信号。调制方式为GMSK(高斯滤波最小移频键控)，其归一化带宽BT=0.3。调制速率为1/T=(1625/6)kb/s，即近似为270.833kb/s。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 GMSK调制是下述两者之间的折衷选择：相当高的无线频谱效率(1
42、b/Hz数量级)和合理的解调复杂性。图8-26示出了理论的调制频谱。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-26GMSK调制频谱第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 2.解调技术解调器对所收的失真信号，必须作调制数据序列估计。为使解调器完成此项工作，在每个突发脉冲序列中都含有一个接收机能识别的预定序列(如训练序列)，以便接收机能估计出传播引起的信号失真。现有的解调算法很多，GSM规范也没有规定必须采用哪一种算法，但对信道译码纠错以后所测的总性能是有要求的。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.3.4鉴权
43、与加密技术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(RAND、SRES和Kc)，在用户入网签约时，用户鉴权键Ki连同IMSI一起分配给用户，每一个用户均有惟一的Ki和IMSI，它们存储于AUC数据库和SIM用户识别卡中。根据HLR的请求，AUC按下述步骤产生一个三参数组(参见图8-27)。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-27AUC产生三个参数组第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8
44、-28鉴权程序第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 1.鉴权无论是移动台主呼或被呼，都有鉴权过程，鉴权程序如图8-28所示。鉴权过程主要涉及到AUC、HLR、MSCVLR和MS，它们均各自存储着用户有关的信息或参数。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 2.加密GSM系统为确保用户信息(语音或非语音业务)以及与用户有关信令信息的私密性，在BTS与MS之间交换信息时专门采用了一个加密程序，如图8-29所示。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-29加密程序第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝
45、移动通信系统 3.设备识别每一个移动台设备均有一个惟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设备识别码。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中使用如下三种设备清单：第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 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8-30所示。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-30设备识别程序第第8 8章章 TDM
46、ATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 4.用户识别码(IMSI)保密为了防止非法监听进而盗用IMSI，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每次向系统请求一种程序，如位置更新、呼叫尝试等，MSCVLR将给MS分配一个新的TMSI。图8-31示出了位置更新时使用的新的TMSI程序。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-31位置更新时产生新的TMSI第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.3.5位置登记所谓位置登记(或称注册)是
47、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，并以不同的位置区标志进行区别，如图8-32中的LA1，LA2，LA3，。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-32位置区划分的示意图第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 8.3.6GSM的区域与号码1.区域定义GSM系统属于小区制大容量移动通信网。在它的服务区间，设
48、置很多基站，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、过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8-33所示。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 图8-33GSM的区域定义第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (1)GSM服务区。服务区是指移动台可获得服务的区域，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)。(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
49、控制器，每个基站控制器控制多个基站收发信机。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 (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。当基站收发信机天线采用定向天线时，基站区分为若干个扇区。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 2.号码与识别GSM网络是比较复杂的，它包含无线、有线信道，并与其它网络如PSTN、ISDN、公用数据网或其它PLMN网互相连接。为了将一次呼
50、叫接续传至某个移动用户，需要调用相应的实体。因此，正确地寻址就非常重要，各种号码就是用于识别不同的移动用户、不同的移动设备以及不同的网络。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 各种号码的定义及用途如下：(1)移动用户识别码。在GSM系统中，每个用户均分配一个惟一的国际移动用户识别码(IMSI)。第第8 8章章 TDMATDMA蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统 IMSI的组成如图8-34所示。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