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第六章

第六章. GSM 数字移动通信系统. 教学重点. 1 ． GSM 移动通信系统系统的组成及工作原理；. 2 ．移动通信网络各组成部分的作用；. 3 ． GSM 手机的电路组成和工作原理；. 4 ． GSM 数字移动通信系统的信道配置，移动通信系统的运行过程；. 5 ．移动通信系统中采用的的主要技术；. 6 ． CDMA 、小灵通数字移动通信系统系统的组成及工作原理。. 教学难点. 　　掌握 GSM 移动通信系统系统的组成、工作原理以及移动通信网络各组成部分的作用。. 学时分配. 第六章 GSM 数字移动通信系统. 6.1 GSM 移动通信系统.

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第六章

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  1. 第六章 GSM数字移动通信系统

  2. 教学重点 1．GSM移动通信系统系统的组成及工作原理； 2．移动通信网络各组成部分的作用； 3．GSM手机的电路组成和工作原理； 4．GSM数字移动通信系统的信道配置，移动通信系统的运行过程； 5．移动通信系统中采用的的主要技术； 6．CDMA、小灵通数字移动通信系统系统的组成及工作原理。

  3. 教学难点 　　掌握GSM移动通信系统系统的组成、工作原理以及移动通信网络各组成部分的作用。 学时分配

  4. 第六章 GSM数字移动通信系统 6.1 GSM移动通信系统 6.2 CDMA移动通信系统 6.3 小灵通个人通信接入系统 6.4 第三代移动通信(简称3G) 本章小结

  5. 6.1GSM移动通信系统 一、GSM系统的主要特征及组成 二、双频GSM工作频段 三、GSM数字移动通信的主要技术 　四、GPRS系统 　五、GSM手机的电路结构

  6. 一、 GSM系统的主要特征及组成 1．GSM：是Global System for Mobile communication（全球移动通信系统）的简称。它是由欧洲的标准化委员会设计的。 80年代到90年代初，TACS系统是欧洲最普遍的模拟蜂窝系统。 1988年CEPT（欧洲邮政与电信大会）颁布了GSM标准，也称为泛欧数字蜂窝移动通信标准。

  7. 2．GSM标准只对功能和接口制定了详细规定，其主要特征如下：2．GSM标准只对功能和接口制定了详细规定，其主要特征如下： • (1)频带在900MHz附近(GSM900)，或1800MHz附近(DCS1800)，采用中等宽度的频带（200KHz载波间隔）； • (2) 8路时分复用； • (3) 全双工通信方式； • (4) 调制方式：GMSK速率270.83kbit/s，调制指数0.3； • (5) 分集接收：跳频217跳/秒，交错信道编码，自适应均衡； • (6) 每时隙信道比特率22.8kbit/s； • (7) 数字话音传输速率不超过16kbit/s；

  8. 数字蜂窝网络系统由三部分组成：移动台、基站系统、交换系统，如图6.1所示。数字蜂窝网络系统由三部分组成：移动台、基站系统、交换系统，如图6.1所示。 1．移动台（MS） 系统中移动台有车载台、便携台和手持台。 移动台设备本身由一个独特的国际移动设备身份号(IMEI)来区别。当移动台被一个用户使用时，它还有一个国际移动用户身份号(IMSI)。

  9. 　图 6.1 GSM系统的组成

  10. 国际移动用户身份号可做在一个用户身份模块(SIM)中，这样移动用户可以插入它的身份模块并使用符合系统规范的卡(SIM卡)来驱动移动台。国际移动用户身份号可做在一个用户身份模块(SIM)中，这样移动用户可以插入它的身份模块并使用符合系统规范的卡(SIM卡)来驱动移动台。 2．基站系统（BSS） 　　基站系统包含两部分：基站控制器(BSC)和基站收发信机(BTS)。通常交换系统中的一个MSC监控一个或多个BSC，每个BSC控制多个BTS。 　　基站控制器是一个高容量的交换机，负责系统与无线信道的切换、无线网络资源管理等。

  11. 基站收发机包括无线传输所需的各种硬件和软件，如发射机、接收机、天线等。基站收发机包括无线传输所需的各种硬件和软件，如发射机、接收机、天线等。 3．交换系统 交换系统由移动业务交换中心(MSC)、原地位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)、设备身份寄存器(EIR)及操作和维护中心(OMC)等组成。 (1)移动交换中心(MSC) 移动交换中心是蜂窝移动通信网络的核心，其主要功能是对位于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。

  12. 例如： (1) 系统中信道的管理和分配； (2) 呼叫的处理和控制； (3) 过区切换和漫游的控制； (4) 用户位置信息的登记和管理； (5) 用户号码和移动设备号码的登记和管理； (6) 服务类型的管理和控制； (7) 对用户实施鉴权； (8)为系统中连接别的移动交换中心及其它公用通信网络，提供链路接口。 (2)原地位置寄存器(HLR) 原地位置寄存器是用于管理移动用户的主要数据库。

  13. 寄存器中存储两种类型的数据： (1) 用户信息用户信息中注册有关电信业务、传真业务和补充业务等数据； (2) 位置信息利用位置信息系统能正确地选择路由，将呼叫接通至移动台。 系统将用户数据都存放在原地位置寄存器中，对每一个注册的移动用户分配两个号码，并存储在原地位置寄存器中。分别是： 国际移动用户身份号(IMSI)：在某一个网络中每个用户分配一个用户身份号。 移动台ISDN号(MSISDN)：在PSTN中的ISDN编号。

  14. (3)访问位置寄存器(VLR) 访问位置寄存器是用来存储用户来访位置信息的数据库。 当一个移动用户漫游到了一个新的移动交换中心区域时，该移动交换中心的访问位置寄存器将向原地位置寄存器查询该用户有关的参数，并给该用户分配一个新的漫游号码(MSRN)。原地位置寄存器也要修改该用户的位置信息，准备为其它用户呼叫此移动用户提供路由信息。 如果移动用户由一个访问位置寄存器服务区移动到另外一个访问位置寄存器服务区时，原地位置寄存器在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的访问位置寄存器，删除该移动用户的位置信息，以便释放访问位置寄存器。

  15. (4)鉴权中心(AUC) 鉴权中心是与原地位置寄存器连接在一起的，它为原地位置寄存器提供一个与用户有关的并用于安全方面的鉴别参数和加密密钥。 (5)设备身份寄存器(EIR) 设备身份寄存器是存储移动台设备参数的数据库，移动交换中心利用设备身份寄存器来检查用户所使用的移动设备的有效性，防止非法使用未经许可的移动设备入网。 (6)操作和维护中心(OMC) 操作和维护中心的任务是对整个网络进行监控和操作。

  16. 二、双频GSM工作频段 双频GSM使用GSM900与DCS1800两个频段。 GSM900频段包括两个25MHz带宽的子频带，即890~ 915MHz以及935~960MHz，DCS1800频段包括两个75MHz带宽的子频带，即1710~1785MHz以及1805~1880MHz。如图6.2所示。 GSM900所使用的两个25MHz子频带中，890~915MHz频段用于用户到基站的上行传输（反向链路），935~960 MHz频段用于基站到用户的下行传输（前向链路）。DCS1800频段的两个子带也是一个用于上行，一个用于下行。

  17. 图6.2 双频GSM频段分配

  18. 三、GSM数字移动通信的主要技术 1．多址技术 　　在数字蜂窝移动通信中，采用的多址技术有两种：频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)。 　　在工作频带内，它以载波间隔200KHz进行频分，这样在收、发各为25MHz的频带内，可得到124对信道。然后在每个信道（帧）中又进行时分，分成8个时隙，每个时隙对应的信道称为物理信道。在每个时隙（物理信道）中传输不同的逻辑信道。如图6.3所示。

  19. 　　图6.3 GSM系统的多址技术

  20. 2．调制技术 在选择数字调制解调技术时，要考虑到两方面的因数：功率的有效性和频谱的有效性。 对于功率有效的技术，它要求在相对低的载噪比(8.4dB或12dB)的情况下具有低的差错概率（对应于10-4或10-8）。对于频谱有效性，它应能在单位频带内具有高的比特率(2bit/s.Hz)。 GSM数字移动通信系统采用了GMSK调制方式。

  21. 3．编码技术 根据目的不同，编码可分为信源编码和信道编码两大类。 (1)信源编码 信源编码是为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟信号数字化而采取的编码。 信源编码的主要任务是改进话音采样和编码算法，以降低信源的基本数码率。 话音编码技术有三类：波形编码、参数编码和混合编码。

  22. 波形编码技术是以再现原话音波形为目的的编码技术。当速率在16~64kbit/s范围内时，可获得较好的话音质量。但在低于16kbit/s时，将使话音质量迅速降低。波形编码技术是以再现原话音波形为目的的编码技术。当速率在16~64kbit/s范围内时，可获得较好的话音质量。但在低于16kbit/s时，将使话音质量迅速降低。 参数编码技术是以发声机制的模型为基础的，如线性预测编码(LPC)、自适应编码(APC)等，它可在低于16kbit/s的情况下，获得较好的话音质量。 混合编码技术兼有波形编码和参数编码的优点，在8~16kbit/s的范围内，具有良好的话音质量。GSM数字蜂窝系统就是采用混合编码器——规则脉冲激励-长期预测编码(RPE-LTP)。它的比特速率为13kbit/s。

  23. (2)信道编码 信道编码：是为了提高数字通信的可靠性而采取的编码。它是在数字信号进行射频调制之前进行的。 信道编码的目的在于使信号在接收端能够检查甚至纠正传输期间由各种干扰引起的差错。 信道编码与信源编码的区别：信源编码是为了提高传输效率，减少带宽，所以尽量去减少信源的冗余度，而信道编码是为了检测或纠正差错，采用了增加冗余度的办法，也就是在原来信息码的基础上多加一些码元，按照一定的代数结构或其他相关持性，利用码间的相互关系去判断和纠正差错。

  24. 常用的纠错编码有分组码和卷积码。信道编码的结果是输出一个码字流。对于话音来说，这些码字流字长456比特，即比特率为22.8kbit/s。常用的纠错编码有分组码和卷积码。信道编码的结果是输出一个码字流。对于话音来说，这些码字流字长456比特，即比特率为22.8kbit/s。 4．交织技术 交织技术就是把信息码在发端加以排列组合，使信息码相互穿插交织后再发送到信道中去。 交织技术的目的就是使成片或突发差错转换成随机差错。 在接收端，进行反交织，恢复成原始的码序列后，就可以按纠正随机错误的编码来进行纠正。

  25. 5．跳频技术 跳频就是发射信号时载波频率不是固定的，而是不停地跳变。在接收端，本地振荡的频率也必须同步地跳变才能正确接收和解调出有用信号。 　 数字移动通信中采用跳频信号的目的在于抗多径干扰和抗衰落。 跳频抗多径的原理是：假设到达接收机的信号有两条路径，一条直射波和一条折射波，二者有一定的时延差，在折射波到达接收机时，如果接收机频率已跳到别的频率上了，则它就不会受到迟到的多径信号的干扰了。因此，可以排除多径信号干扰的条件应该是频率跳变的时间间隔要小于多径干扰的时延差。

  26. 　 跳频抗衰落的原理是：如果相邻跳变的频差足够大，而产生频率选择性衰落是一种窄带现象，频差大的频率在同一时间产生衰落的概率是比较小的，频率跳变到其他频率上时，则可继续保持通信。在TDMA系统中，跳频速率等于每秒传输的帧数。GSM系统中每个时隙长576.9us，8个时隙为一帧，因此帧的长度为4.615ms，每秒跳频为217次。

  27. 6．均衡技术 自适应均衡技术也是一种有效的抗多径干扰的方法。所谓均衡，指的是信道均衡，也就是在接收端的信道均衡器中产生与信道特性相反的特性，抵消信道产生的干扰，从而正确的判决和恢复有用信号。 均衡器基本原理是一旦能检测到信息符号，它可对未来符号的码间干扰在符号检测前估计出和减去。 　 在GSM的建议中并未规定采用哪种均衡器，只提出均衡的时延为16us，由各生产厂家自行决定均衡器的结构。

  28. 四、GPRS系统 1． GPRS(General Packet Radio Service) ： 也叫通用分组无线业务，与GSM系统相比较有两个重要特点：一是在GSM系统中引入分组交换能力，二是将速率提高到100kbit／s以上。它是基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP连接。 GPRS最显著的优点就是能够提供比现有GSM网9.6kbit／s更高的数据率，可达170kbit／s。

  29. 2.GPRS的优点 (1)速率高容量大 GPRS能够提供的传输速率最高可达170kbit／s，这改变了以往单一的文本形式的数据，各种图片、话音和视频在内的多媒体业务也可实现，如可视电话频点播等，可以进行各种娱乐休闲，如移动聊天、游戏、交友等，或者多媒体业务。

  30. (2)永远在线 　　例如当用户访问互联网时，手机就在无线信道上发送和接收数据。若没有数据传送时，手机就进入休眠状态，手机所在的无线信道会让给其他用户使用，但手机与网络之间仍保持着逻辑连接，一旦用户再次访问，手机立即向网络请求无线信道，不像普通拨号上网那样断线后还要重新拨号上网。 (3)收费合理 GPRS手机的计费是根据用户传输的数据量而不是上网时间来计算。只要用户不在网络之间传输数据，即使一直“在线”，也无需付费。

  31. 五、GSM手机的电路结构 GSM手机的电路结构可划分为射频部分和逻辑/音频部分。另外，再加上一些功能电路，就组成了手机的整体电路。

  32. GSM手机原理方框图如图6.5所示。 图6.5 GSM手机原理方框图

  33. 1.射频部分 　　射频部分一般是指手机电路的模拟射频、中频处理部分，它主要完成接收射频信号到还原成模拟基带信号，以及从模拟基带信号到发射高频信号的整个过程。 　 按照各个电路所完成的功能来分，射频部分又可以分为接收电路、发射电路和频率合成电路。 接收电路为超外差接收方式，它包括天线开关、接收滤波器、高频放大器、混频器、中频滤波器、中频放大器等等。它将935~960MHz（GSM900系统）或者1805~1880MHz（DCS1800系统）的射频信号经过混频，最后得到中频信号，送入GMSK解调器。

  34. 发射电路包括混频器、发射滤波器、功率放大器、功率控制器、天线开关等。它将经GMSK调制出来的信号经过混频，最后变成890~915MHz（GSM900系统）或者1710~1785MHz（DCS1800系统）的射频信号，从天线发射出去。 频率合成电路为接收电路和发射电路的混频电路提供本振频率信号，包括一本振和二本振。通常接收和发射共用一个频率合成器。频率合成电路一般是由锁相环电路来实现，如图6.6所示。

  35. 图6.6 锁相环电路方框图 2.逻辑/音频部分 逻辑/音频部分可以分为系统逻辑控制和音频信号处理两个部分。它完成对数字信号的处理和对整机工作的管理与控制。

  36. 逻辑控制部分是由中央处理器(CPU)和存储器组组成。存储器包括：SRAM（静态随机存储器）、EEPROM（电可刷写只读存储器）、FLASH（闪速只读存储器）。 音频信号处理部分包括接收音频信号处理和发射音频信号处理，一般由专用的音频数字信号处理器通过CPU控制来完成。 　　接收时，音频部分对射频部分送来的模拟基带信号进行GMSK接调、Viterbi均衡器消除码间干扰、解密和去交织，得到22.8kbit/s的数据流，接着进行信道解码，得到13kbit/s的数据流，经过语音解码后，得到64kbit/s的数字信号，最后进行PCM解码，还原模拟语音信号，驱动听筒发声。

  37. 　　 发射时，话筒送来的模拟语音信号在音频部分进行PCM编码，得到64kbit/s的数字信号，该信号先进行语音编码、信道编码、交织、加密、GMSK调制，最后得到67.768kHz的模拟基带信号，送到射频部分进行上变频混频处理。

  38. 3.功能电路部分 功能电路包有以下几种电路： (1)电源电路：它提供手机各个部分电路的工作电源； (2)时钟电路：包括主时钟13MHz或26MHz，实时时钟32.768kHz； (3)显示电路：通过串行通信，把CPU送来的显示数据进行接收，译码和驱动，最后把结果显示在液晶显示屏上； (4)卡电路：是指SIM卡电路，它也是通过串行通信和CPU之间进行数据交换；

  39. (5)键盘：手机的各个数字键和功能键，通过行、列矩阵来扫描；(5)键盘：手机的各个数字键和功能键，通过行、列矩阵来扫描； (6)照明：包括键盘照明灯和显示照明灯； (7)振铃、震动：手机有来电时，发出铃声或产生震动； 通常手机的射频部分，逻辑音频部分以及电源电路、卡电路做在同一块板上，而键盘、显示屏、照明以及振铃做在另一块板上，两块板之间通过连接座连接在一起。

  40. 6.2CDMA移动通信系统 一、CDMA系统概述 二、CDMA系统构成

  41. 一、 CDMA系统概述 1．CDMA系统的主要优点 (1) 大容量和软容量 根据理论计算以及现场试验表明，CDMA系统的信道容量是模拟系统的10～20倍，是TDMA系统的4倍。CDMA系统的高容量很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂窝系统，另外一个主要因素是它使用了话音激活和扇区化等技术。

  42. (2) 软切换 软切换是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通再与原基站切断联系，而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。软切换只能在同一频率的信道间进行，因此，模拟系统、TDMA系统不具备这种功能。 (3) 高质量和低功率 由于CDMA系统中采用有效的功率控制和强纠错能力的信道编码，以及多种形式的分集技术，从而使基站和移动台以非常节约的功率发射信号，延长手机电池使用时间，同时获得了优良的话音质量。

  43. 2．主要性能指标 工作频率：下行链路的频率为824～849MHz，上行链路的频率为869—894MHz，一对下行链路频率和上行链路频率的频率间隔为45MHz，带宽1.25MHz。 码片速率：1.2288Mc／s； 比特率：速率集1为9.6kbit／s，速率集2为14.4kbit／s，IS-95B为115.2kbit／s；

  44. 帧长度：20ms； 语音编码器：QCELP 8kbit／s，EVRC 8kbit／s，ACELP 13kbit／s； 功率控制：上行链路采用开环 + 快速闭环，下行链路采用慢速闭环； 扩展码：Walsh + 长m序列。

  45. 3．CDMA基本原理 在CDMA系统中，不同用户传输的信息是靠各自不同的编码序列来区分的。CDMA的示意图如图6.6所示，可以看出信号在时间域和频率域是重叠的，用户信号是靠各自不同的编码序列m来区分的。 图6.6 CDMA的示意图

  46. CDMA扩频移动通信系统的原理示意图如图6.7所示。 图6.7 CDMA扩频通信系统原理示意图

  47. 扩频通信中用的伪随机码常常采用m序列，这是因为它具有容易产生和自相关特性优良的优点，所谓自相关是指收发端相同的码型容易辨认，故只有在收发端伪随机序列相位相同时才能恢复发送信号，码分多址技术就是利用了这一点，可以采用不同相位的相同m序列作为多址通信的地址码。由于m序列的自相关特性与长度有关，因此，作为地址码，其长度应尽可能长，以供更多用户使用，同时可以获得更高的处理增益和保密性，但是又不能太长，否则不仅使电路复杂，也不利于快速捕获与跟踪。扩频通信中用的伪随机码常常采用m序列，这是因为它具有容易产生和自相关特性优良的优点，所谓自相关是指收发端相同的码型容易辨认，故只有在收发端伪随机序列相位相同时才能恢复发送信号，码分多址技术就是利用了这一点，可以采用不同相位的相同m序列作为多址通信的地址码。由于m序列的自相关特性与长度有关，因此，作为地址码，其长度应尽可能长，以供更多用户使用，同时可以获得更高的处理增益和保密性，但是又不能太长，否则不仅使电路复杂，也不利于快速捕获与跟踪。

  48. 二、 CDMA系统构成 CDMA系统网络结构与一般数字蜂窝移动通信系统的网络结构基本相同，差别主要在于无线信道的构成、相关的无线接口和无线设备、特殊的控制功能等。参见图6.8。从图可见，CDMA系统由三大部分组成： 基站子系统(BSS)：含基站收发信机(BTS)和基站控制器(BSC)； 交换子系统(MSS)：含移动交换中心(MSC)、移动设备识别寄存器(EIR)、 访问用户位置寄存器(VLR)、归属用户位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)、操作维护中(OMC)； 移动台系统(MS)：含手持机和车载台。

  49. 图6.8 CDMA系统网络结构

  50. 1．移动台 移动台(MS)是CDMA移动通信系统用户所使用的一种物理装置。它由射频(RF)系统、中频(1P)系统及基带(DB)系统组成，提供用户通往网络系统的无线通道。 2．基站 基站(BS)是用于提供其区域用户无线通道的一种物理装置。BS包括三部分：用于发射、接收无线信号的基站收发信机(BTS)；用于基站(BS)控制的基站控制器(BSC)。基站控制器(BSC)的操作可以由交换系统中的操作维护中心(OMC)提供。

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