GSM移动通信系统.ppt
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1、第5章 GSM移动通信系统,知识点 数字移动通信的内容 GSM通信系统的构成及业务功能 GSM的信道配置 难点 GSM各分系统的接口功能 GSM信道配置的关系,要求 掌握: 数字移动通信的基本原理、基本内容 理解: GSM采用的有关技术 了解: 各逻辑信道和物理信道的配置关系,5.1 从模拟网到数字网 5.2 GSM系统结构与业务功能 5.3 GSM信道配置 5.4 GSM系统采用的有关技术,5.1 从模拟网到数字网,5.1.1 数字化的原因 模拟蜂房移动通信系统是指用户的话音信息传输为模拟话音方式,数字蜂房移动通信系统是指用户的话音信息传输为数字方式。数字方式将涉及到语音的数字化以及数字信号
2、的处理,调制,及传输(数字移动信道)等方面的技术。 通信的数字化是当代通信技术发展的总趋势。因此,移动通信也不例外,即由第一代的模拟蜂房移动通信向第二代的数字蜂房移动通信过渡。这是因为模拟蜂房移动通信系统存在先天性不足,比如:频谱利用效率不高;提供的服务受限(不能提供高速数据业务);保密性差等。,数字移动通信系统则有如下显著优点: 提高频谱资源的利用率,增大系统通信容量.提供多种通信服务,话音和非话服务 用户信息保密 数字信号的传输性能优良,提供高质量的通信服务 便于网络管理与控制,以及与公众固定通信网(PSTN,PDN, ISDN)兼容 可采用数字信号处理技术,VLSI技术,有利于减少功耗、
3、小型化、降低造价,5.1.2 数字化的内容与效果 数字通信技术 (1)数字话音编码 在数字移动通信中,话音的数字化,亦即数字话音是其重要标志。而数字话音编码是其重要技术之一。对数字话音编码的要求是:在给定数字话音编码速率下,得到尽可能高的话音质量;在强噪音干扰环境下数字话音编译码能正常工作;数字话音编码的处理时延应尽量的小,在几十毫秒以内;数字话音编码器的硬件结构应便于大规模集成,软件算法应具有抗干扰能力。数字话音编码器的话音质量是保证系统通信质量的重要特性。,(2)数字射频调制/解调 数字射频调制/解调是数字移动通信的关键技术。它具有如下特点:窄的信号功率谱和低的带外辐射,以利于多信道移动通
4、信环境中的通信;在给定载干比条件下具有优良的误码性能。 (3)多址接入 多址接人的方式是影响数字移动通信网络结构的极其关键因素。它将对数字移动通信的系统容量作出巨大贡献。,(4)信道编码与数字信号处理 信道编码技术,包括前向纠错、交织编码等, 它可使移动通信系统工作在低载干比和高噪声环 境。利用数字信号处理技术可以很方便地实现信 道自适应均衡、分集和跳频等功能。信道编码与 数字信号处理技术将保证移动通信系统在多径和 衰落信道条件下正常工作。因此,它们是移动环 境下进行通信的必不可少的技术。,(5)数字控制和数字数据信道 数字控制和数字数据信道是移动通信系统的灵活性和新业务引入的关键所在。数字数
5、据信道可为移动用户提供高速的数据传输服务。数字控制信道将为网络管理提供高速率的信令传输服务,并为引人综合业务数字等新的业务服务。便于与地面固定通信网兼容。 (6)保密与认证 由于采用数字通信方式,数字加密技术得以应用,保证用户信息的保密。移动用户是否有权进入移动通信网,可以通过对用户身份码进行识别和认证。话音编码和数字控制信道可提供有效的保密和认证。信息保密由数字保密算法来保证,数字信道提供正常的密钥分配。通过数字控制信道和系统的其它资源,可提供对移动用户的正确认证,以保证移动用户正确入网和过网漫游。认证也是蜂房移动通信中的重要技术。,信道技术,包括话音编码,信道编码,数字调制 数字传输技术,
6、包括分集,交织,均衡,扩频 网络技术,包括多址接入,功率控制,越区与漫游,信 令与网管,网络互联,上述移动通信中引人的数字通信技术可归纳为三大类:,2.数字化带来的效果 蜂窝移动通信中采用数字通信技术之后,为提高系统容量改善通信质量,开拓服务业务联系等方面都带来了好处。数字话音编码速率做到低16kbps,可增加系统的有效性,当采用半码率时,具有增加系统容量的潜在能力。采用差错控制技术,可改善通信质量,降低对载干比的要求。窄带数字调制解调技术,可提高频带效率,一般优1bit/s/Hz数字调制和信道编码,使系统对载干比(C/I)的要求下降很多。多址接入技术,特别是时分多址和码分多址技术的应用,将使
7、系统容量大为增加,使网络管理和信道配置更为灵活;并且,有利于越区信道切换和漫游信道切换时操作,使信道切换更加可靠。,1.3 常用移动通信系统 采用数字通信技术,可提高系统在移动环境下的通信可靠性和通信质量。信道自适应均衡、分集和扩频等技术的应用,可使系统具有抗多径衰落和多径扩展的能力。 如上所述,数字化带来的效果是非常明显的。数字蜂房移动通信沿袭了模拟蜂房移动通信的蜂房基本概念,继承了蜂房系统的基本结构和网络管理与控制的基本功能。但是,数字蜂房移动通信需要解决数字化带来的一些问题,换句话说,是要付出一定的代价。,主要是: 色散信道对数字通信的影响。依据电波传播特性 与 数字话音通信质量的关系采
8、取抗衰落抗多径扩展的技术措施。 数字通信系统的定时同步。特别是工作在无线移动通信环境的色散信道中,必须建立系统的定时同步。 对话音的数字编码、信道纠错编码、深度交织编码等数字信号的处理过程,均带来明显的延迟(50-l00ms)。由于数字移动通信的总延迟远大于地面数字通信网,当数字移动通信系统接入PSTN/ISDN网时,必须要用回波控制。,5.1.3 移动信道的数字信号传输 模拟通信系统中,信噪比是表征通信质量的重要参数。而信道特性对传输信号幅度的影响将明显反映到话音通信的质量。在移动信道的传播条件下,信道的多径衰落特性将对模拟信号的传输起主要影响。因此,抗幅度衰落性能是模拟移动通信系统所关注的
9、重要技术指标。 数字通信系统中,误码率是表征通信质量的重要参数。在移动信道的传播条件下,色散信道特性对数字信号传输的影响不仅表现为幅度衰落,更重要地表现为时域上的多径延迟扩展和频域上的多径频谱扩展。,地面移动通信环境与地形、地物以及移动体的自身运动状态和其周围的动态环境有关。为了取得移动通信环境的电波传播特性,需要进行大量的实际测试,从中获得信道特性的数据,并归纳出具有规律性的传播特性模型。并依据传播特性模型来建立移动通信的色散信道模型。利用信道模型来寻求最佳的系统设计和部件设计。比如,系统的抗多径扩展的能力,编码器、均衡器、调制器等的性能。利用传播特性模型可进行系统的工程设计,如基站站址的选
10、择,基站有效服务区的确定等。,为了能在色散信道中可靠地进行数字信号的传输,需要采用.如下的技术措施: 分集技术 差错控制技术 交织技术 利用交织编码将突发性的差错变成随机性差错,可以改善信道衰落对数字信号传输的影响。 扩展频谱技术 利用直接序列扩展频谱技术可以抗御多径传播造成的延迟扩展影响,并可利用对多径信号的分离与合并技术化有害的多径干扰为有用的信号成分。 利用跳频扩展频谱技术,可起到频率分集的作用。 信道均衡技术 对于移动信道的时变色散传播特性,采用信道均衡技术,可减少码间干扰,从而改善数字信号的传输质量。,5.2 GSM系统结构与业务功能 5.2.1 GSM系统结构 1. GSM系统的基
11、本特点 GSM数字蜂窝移动通信系统(简称GSM系统)是完全依据欧洲通信标准化委员会(ETSI)制定的GSM技术规范研制而成的,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: GSM系统是由几个子系统组成的,并且可与各种公用通信网(PSTN、ISDN、PDN等)互连互通。各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范,保证任何厂商提供的GSM系统或子系统能互连;,GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能,对 于全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关; GSM系统除了
12、可以开放话音业务,还可以开放各种承载业务、补充业务和与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; 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载能力都很强,保证在话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; 用户终端设备(手持机和车载机)随着大规模集成电路技术的进一步发展能向更小型、轻巧和增强功能趋势发展。,2. GSM系统的结构与功能 GSM系统的典型结构如图5.1所示。由图可见,GSM系统是由若干个子系统或功能实体组成。其中基站子系统(BSS)是GSM系统
13、中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分,它通过空中接口直接与移动台相连,在移动台(MS)和网络子系统(NSS)之间提供和管理传输通路,负责无线信号的收发与无线资源管理;同时,它与NSS相连,实现移动用户间或移动用户与固定网络用户间的通信连接;当然也要和操作维护子系统OSS之间互通。网络子系(NSS)是整个网络的核心,它对GSM移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间的通信起着交换、连接与管理的功能;重要负责完成呼叫处理、通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安全管理、用户数据和设备管理、计费记录处理、公共信道、信令处理和本地运行维护等;NSS不直接与MS互通,BSS也不直接与公用通信网互通
14、。MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分。操作支持系统(OSS)则提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。,OSS:操作支持子系统 BSS:基站子系统 NSS:网路子系统 NMC:网路管理中心 PCS:用户识别卡个人化中心 OMC:操作维护中心 MSC:移动业务交换中心 VLR:来访用户位置寄存器 HLR:归属用户位置寄存器 AUC:鉴权中心 EIR:移动设备识别寄存器 BSC:基站控制器 BTS:基站收发信台 PDN:公用数据网 PSTN:公用电话网 ISDN:综合业务数字网 MS:移动台图 DPPS:数据后处理系统 SEMC:安全性管理中心,移动台(MS) 移动台是公用GS
15、M移动通信网中用户使用的设备。移动台的类型不仅包括手持台,还包括车载台和便携式台。 除了通过无线接口接入GSM系统外,移动台必须提供与使用者之间的接口。比如完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和按键。或者提供与其它一些终端设备之间的接口。比如与个人计算机或传真机之间的接口,或同时提供这两种接口。因此,根据应用与服务情况,移动台可以是单独的移动终端(MT)、手持机、车载机或者是由移动终端(MT)直接与终端设备(TE)传真机相连接而构成,或者是由移动终端(MT)通过相关终端适配器(TA)与终端设备(TE)相连接而构成,这可参见图5.2,这些都归类为移动台的重要组成部分之一移动设备。,移动台另外
16、一个重要的组成部分是用户识别模块(SIM),它基本上是一张符合ISO标准的“智慧”卡,它 包含所有与用户有关的和某些无线接口的信息,其中也包括鉴权和加密信息。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,可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。GSM系统是通过SIM卡来识别移动电话用户的,这为将来发展个人通信打下了基础。,图5.2 移动台的功能结构,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,负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面,基站子系统与网路子系统(NSS)中的移动业务交换中心(M
17、SC)相连,实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接,传送系统信号和用户信息等。,基站子系统是由基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)这两部分的功能实体构成。实际上,一个基站控制器根据话务量需要可以控制数十个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)。码变换器在更多的实际情况下是置于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的典型BSS组成如图5.3所示。,图5.3 一种
18、典型的BSS组成方式, 基站收发信台(BTS) 基站收发信台(BTS)属于基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信设备,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。基带单元主要用于必要的话音和数据速率适配以及信道编码等。载频单元主要用于调制 / 解调与发射机 / 接收机之间的耦合等。控制单元则用于BTS的操作与维护。另外,在BSC与BTS不设在同一处需采用Abis 接口时,传输单元是必须增加的,以实现BSC与BTS之间的远端连接方式。如果BSC与BT
19、S并置在同一处,只需采用BS接口时,传输单元不需要。, 基站控制器(BSC) 基站控制器(BSC)是基站子系统(BSS)的控制部分,起着BSS的变换设备的作用,即各种接口的管理,承担无线资源和无线参数的管理。 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; 交换部分。,网路子系统(NSS) 网路子系统(NSS)主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能,它对GSM移动用户之间通信和GS
20、M移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成,整个GSM系统内部,即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7 协议和GSM规范的7号信令网路互相通信。 移动业务交换中心(MSC) 移动业务交换中心(MSC)是网路的核心,它提供交换功能及面向系统其它功能实体:基站子系统BSS、归属用户位置寄存器HLR、鉴权中心AUC、移动设备识别寄存器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
21、户互相连接起来。,移动业务交换中心MSC可从三种数据库,即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)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可为移动用户提供一系列业务: 电信业务。例如:电话、紧急呼叫、传真和短消息服务等; 承载业务。例如:3.1KHz电话,同步数据0.3kbit/s 2.4kbit/s 及分组组合和分解(PAD)等; 补充业务。例如:呼叫前转、呼叫限制、呼叫等待、会议电话和计费通知等。 当然,作为网路的核心,MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动特征性能和其它
22、网路功能。,对于容量比较大的移动通信网,一个网路子系统NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR,为了建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫,无需知道移动用户所处的位置。此呼叫首先被接入到入口移动业务交换中心,称为GMSC,入口交换机负责获取位置信息,且把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC,称为被访MSC(VMSC)。因此,GMSC具有与固定网和其它NSS实体互通的接口。目前,GMSC功能就是在MSC中实现的。根据网路的需要,GMSC功能也可以在固定网交换机中综合实现。 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
23、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。VLR从该移动用户的归属用户位置寄存(HLR)处获取并存储必要的数据。一旦移动用户离开该VLR的控制区域,则重新在另一个VLR登记,原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。因此,VLR可看作为一个动态用户数据库。 VLR功能总是在每个MSC中综合实现的。, 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。一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网,所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中,这包括移动用户识别号码、访问能力、用户
24、类别和补充业务等数据。HLR还存储且为MSC提供关于移动用户实际漫游所在的MSC区域动态信息数据。这样,任何入局呼叫可以即刻按选择 路径送到被叫的用户。 鉴权中心(AUC) 鉴权中心(AUC)存储着鉴权信息和加密密钥,用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。AUC属于HLR的一个功能单元部分,专用于GSM系统的安全性管理。, 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),通过检查白色清单、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
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