第九章 GSM 移动通信系统

1. 第九章 GSM 移动通信系统

2. 内容 • 第一节 GSM系统的业务及其特点 • 第二节 GSM系统的结构 • 第三节 GSM系统的信道 • 第四节 GSM系统的无线数字传输 • 第五节 GSM的信令协议 • 第六节接续和移动性管理 • 第七节通用分组无线业务（GPRS）

3. 业务 基本业务 附加业务 电信业务 承载业务 9.1GSM系统的业务及其特征 GSM业务就是GSM系统为了满足一个特殊用户的通信要求而向用户提供的服务 • 分类 • GSM支持的基本业务 • 分别介绍 • 电信业务 • 承载业务 • 附加业务 图9-1 GSM系统业务分类

4. 电信业务 承载业务 终端设备 终端设备 数字蜂窝PLMN 传输网 终端网 GSM支持的基本业务 图9-2 GSM支持的基本业务

5. 电信业务 其中，短消息业务的传送过程见下页

6. 空中接口 A接口 NSS MSC BSS VLR 移动台始呼的短消息 移动台被呼的短消息 操作维护接口 短消息 短消息业务的传送过程 A接口 空中接口 BSS NSS BSS 小区广播的短消息业务 NSS 图9-3 短消息服务（源端到终端）过程 图9-4 短消息服务（小区广播）过程

7. 承载业务 • 注 1. 承载业务61和81中的数据为3.1KHz信息传送能力的承载业务21-34 2. 表中“T”表示透明；“NT”表示不透明

8. 附加业务 附加业务是基 本 电 信 业 务增 强 或 补 充 。 • 计 费 提 示 – AOC • 交 替 线 业 务 (ALS) - 个人 或 商 业 • 来 话 限 制 - BAIC • 当 漫 游 在 HPLMN 之 外 时 ， 限 制 所 有 来 话 • 在 国 外 时 限 制 来 话 • 呼 出 限 制 - BOC • 限 制 所 有 打 出 去 的 国 际 电 话 - BOIC • 限 制 所 有 打 出 去 的 国 际 电 话 ，除了打到HPLMN国家的电话 • 遇 忙 呼 叫 前 转 - CFB • 无 应 答 呼 叫 前 转 - CFNA • 无 条 件 呼 叫 前 转 - CFU • 呼 叫 保 持 • 呼 叫 等 待 - CW • 主 叫 线 识 别 显 示 - CLIP • 主 叫 线 识 别 限 制 - 永 久 或 预 呼 - CLIR • 中 央 交 换 业 务 • 会 议 呼 叫 - CONF • 运 营 者 确 定 的 呼 叫 限 制 (ODB)

9. 9.2 GSM系统的结构 • 总体结构 • 功能单元

10. SMC G B VLR VLR BTS BSC D Abis SSS C Um MS MSC HLR/AUC A E MSC 注 OMC F PSTN EIR BSS ISDN PLMN PSPDN GSM系统的总体结构 图9-5 GSM系统的总体结构 短消息业务中心（SC）功能实体可通过与SSS的连接实现点对点 短消息业务，可通过与BSS的连接完成小区广播短消息业务。

11. GSM系统的功能单元 GSM系统可通过MSC实现与多种网络的互通，包括PSTN、ISDN、PLMN和PSPDN

12. 9.3 GSM系统的信道 • 物理信道与逻辑信道 • 物理信道 • 逻辑信道 • 物理信道与逻辑信道的配置 • 突发脉冲 • 帧偏离、定时提前量与半速率信道

13. 物理信道 • GSM系统多址接入技术 采用频分多址接入（FDMA）和时分多址接入（TDMA）混合技术 • FDMA是说在规定频率范围内分配n个载频 • TDMA是说在每个载频上按时间分为8个时间段，每个时隙段称为一个时隙（slot），一个载频上连续的8个时隙组成一个帧 (Frame) • 物理信道是指TDMA中的时隙 即GSM的一个载频上可提供8个物理信道 • 我国GSM技术体制对频率配置的规定 • 工作频段 • 频道间隔 • 双工收发间隔 • 频道配置 • 频率复用方式 • 干扰保护比 • 保护频带 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3 时隙4 时隙5 时隙6 时隙7 图9-6 时分多址接入原理示意图

14. 工作频段 注：国家无委分配的900MHz频段包括原来分配的TACS频段和新分配的ETACS频段 • GSM网络总的可用频带为100MHz • 中国电信扩展频段方式 • 充分利用900MHz的频率资源，可视不同需要向下扩展900MHz频段，相应地向ETACS频段压缩模拟公用移动电话网的频段 • 在900MHz频率无法满足用户容量需求时，可启用1800MHz频段 • 考虑远期需要，向频率管理单位申请新的1800MHz频率

15. 频道间隔&双工收发间隔&频道配置

16. 7 6 5 8 8 5 6 7 5 7 6 8 6 8 7 5 4 1 1 1 1 3 2 3 3 3 2 2 2 4 4 4 12 11 10 11 10 11 10 10 11 12 12 12 9 9 9 9 11 3 8 7 8 5 9 1 9 11 3 5 8 11 3 7 7 9 5 频率复用方式 • 在建网初期及邻省之间协调时应使用4×3的复用方式 即N=4，采用定向天线，每基站用3个120 °或60°方向性天线构成3个扇形小区，如图 9-7所示 • 业务量较大的地区可采用其它的复用方式 如3×3，2×6，1×3复用方式 • 若采用全向天线应采用N=7的复用方式 其频率可从4×3复用方式的12组中任选7组， 频道不够用的小区可从剩余频率组中借用频道，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用，如图9-8所示 • 在话务密度高的地区，应适当采用新技术提高频谱利用率 如同心圆小区覆盖技术；智能双层网技术；微蜂窝技术等等 • 在微蜂窝的频率配置时，可根据需要保留出一些专用频率 图9-7 4×3复用模式 图9-8 7组复用模式

17. 干扰保护比与保护频带 • 干扰保护比 • 保护频带 • 原则 确保数字蜂窝移动通信系统能满足干扰保护比要求。 • 当某地GSM900系统与模拟蜂窝移动电话系统共存时，两系统之间(频道中心频率之间)应有约400KHz的保护带宽。 • 当某地GSM1800系统与其它无线电系统的频率相邻时，应考虑系统间的相互干扰情况，留出足够的保护频带。

18. 逻辑信道 • 概念 逻辑信道是指在物理信道所传输的内容，即依据移动网通信的需要，为所传送的各种控制信令和语音或数据业务在TDMA的8个时隙分配的控制逻辑信道或语音、数据逻辑信道 • 形式 • GSM数字系统在物理信道上传输的信息是大约由100多个调制比特组成的脉冲串，称为突发脉冲序列 （Burst） • 以不同的“Burst”信息格式来携带不同的逻辑信道 • 分类 • 专用信道 用于传送用户语音或数据的业务信道，另外还包括一些用于控制 的专用控制信道 • 公共信道 用于传送基站向移动台广播消息的广播控制信道和用于传送 MSC与MS间建立连接所需的双向信号的公共控制信道

19. 逻辑信道 专用信道 公共信道 广播信道 公共控制信道 专业控制信道 业务信道 频率校正 信道 同步 信道 广播控制 信道 独立专用 控制信道 慢速随路 信道 快速随路 信道 寻呼 信道 随机接入 信道 接入允许 信道 全速率 信道 半速率 信道 增强型 全速率信道 GSM的各种逻辑信道示意图 图9-9 GSM定义的各种逻辑信道示意图

20. 公共信道 • 广播信道（BCH）是从基站到移动台的单向信道 • 公共控制信道（CCCH）是基站与移动台间的一点对多点的双向信道

21. 专用信道 • 专用控制信道（DCCH）是基站与移动台间的点对点的双向信道 • 业务信道（TCH）是用于传送用户的话音和数据业务的信道 • 分类 • 根据交换方式的不同分为电路交换信道和数据交换信道 • 依据传输速率的不同分为全速率信道（13kbit/s）和半速率信道（ 6.5kbit/s ） 注：增强全速率业务信道是指，它的速率与全速率信道的速率一样为13kbit/s，只是其压缩编码方案更为优越，所以有较好的话质

22. 逻辑信道应用实例 MS开机拨打电话为例说明逻辑信道的应用： • FCCH——接收频率校正信息。 • SCH——接收BTS同步信号。 • BCCH——接收系统消息。 • RACH——接入申请。 • AGCH——允许接入并分配SDCCH。 • SDCCH/SACCH——在SDCCH上进行鉴权和加密，在SACCH上进行功率控制并传送TA值。 • TCH——进入TCH进行通话，通话期间短消息传送通过SACCH传送，切换信令通过FACCH传送。 • BCCH——通话结束后，进入空闲状态，守候在BCCH信道上。

23. 逻辑信道应用实例---位置更新 Mobile looks for BCCH after switching on RACH send channel request AGCH receive SDCCH SDCCH request for location updating SDCCH authenticate SDCCH authenticate response SDCCH switch to cipher mode SDCCH cipher mode acknowledge SDCCH allocate TMSI SDCCH acknowledge new TMSI SDCCH switch idle update mode

24. 物理信道与逻辑信道的配置 • 逻辑信道与物理信道的映射 • GSM的时隙帧结构

25. 逻辑信道与物理信道的映射 • 问题 • GSM系统的逻辑信道数超过了一个载频所提供的8 个物理信道 • 通信的根本任务是利用业务信道传送语音或数据，而按照一对一的信道配置方法，在一个载频上已经没有业务信道的时隙了 • 解决方法 将逻辑控制信道复用，即在一个或两个物理信道上复用逻辑控制信道 • 映射对应关系

26. 映射对应关系 一个基站有N个载频，每个载频有8个时隙，定义载频数为f0、f1、f2、…、fn-1，时隙数为TS0、TS1、…、TS7。 • f0的TS0时隙 • f0的TS1时隙 • f0的TS2~TS7时隙 • 其它时隙 • 映射关系小结 供逻辑控制信道使用 供业务信道使用

27. 映射对应关系 (1)f0的TS0时隙 f0的TS0时隙用于映射广播信道（BCH）和公共控制信道（CCCH） • 下行链路（ BCCH、FCCH、SCH、PCH、AGCH ） • 上行链路（ RACH ） (2)f0的TS1时隙 • 下行链路f0上的TS1时隙用来将专用控制信道(SDCCH、SACCH ）映射到物理信道 • 上行链路f0上的TS1与下行链路f0上的TS1有相同的结构，只是它们在时间上有3个时隙的偏移。

28. 映射关系小结 • 在载频f0上： • TS0：逻辑控制信道，重复周期为51个TS • TS1：逻辑控制信道，重复周期为102个TS • TS2~TS7：逻辑业务信道，重复周期为26个TS • 其它f1～fN个载频的TS0~TS7时隙全部是 业务信道

29. GSM的时隙帧结构 GSM的时隙帧结构有五个层次：时隙、TDMA帧、复帧、超帧和超高帧 • 时隙是物理信道的基本单元 • TDMA帧由8个时隙组成，是占据载频带宽的基本单元，即每个载频有8个时隙。 • 复帧有两种类型 • 由26个TDMA帧组成的复帧。用于TCH、SACCH和FACCH • 由51个TDMA帧组成的复帧。用于BCCH和CCCH • 超帧是由51个由26帧的复帧或26个由51帧的复帧构成 • 超高帧等于2048个超帧 • 超高帧的周期与加密和跳频有关。每经过一个超高帧周期，循环长度为2715648，相当于3小时28分53秒760毫秒，系统将重新启动密码和跳频算法

30. 超高帧 超帧 复帧 复帧 时隙 TDMA帧 GSM系统分级帧结构的示意图 图9-16 分级的帧结构

31. 突 发 脉 冲 突发脉冲是以不同的信息格式携带不同逻辑信道，在一个时 隙内传输的，由100多个调制比特组成的脉冲序列。可看成是逻辑信道在物理信道传输的载体。 • 分类 • 结构

32. 0.577ms 0.577ms 156.25bit 156.25bit 突发脉冲的结构 1 • 普通突发脉冲（NB：Normal Burst） • 57个加密比特：加密语音、数据或控制信息 • 借用标志F：表明借用一半业务信道资源给FACCH • 训练序列：一串已知比特，供信道均衡用 • 尾位TB：总是000，是突发脉冲开始与结尾的标志 • 保护时间GP：防止由于定时误差而造成突发脉冲间的重叠 • 频率校正突发脉冲（FB：Frequency Correction Burst） • 142个固定比特：全0，固定的的频率校正信息 图9-17 普通突发脉冲序列 图9-18 频率校正突发脉冲序列

33. 0.577ms 156.25bit 突发（0.546ms） 突发脉冲的结构2 • 同步突发脉冲（SB：Synchronization Burst） • 39个加密比特： TDMA帧号（TN）以及基站识别码（BSIC）信息 • 长同步序列：易被检测 • 接入突发脉冲（AB：Access Burst） • 长保护时间GP：适应移动台首次接入或切换到新基站时不知时间的提前量 • 空闲突发脉冲（DB：Dummy Burst） 将普通突发脉冲中的加密信息比特换成固定比特 • 当无用户信息传输时，用空闲突发脉冲替代普通突发脉冲在TDMA时隙中传送 图9-19 同步突发脉冲序列 图9-20 接入突发脉冲序列 图9-21 空闲突发脉冲

34. 帧偏离与定时提前量 图9-22 帧偏离与定时提前量示意图

35. R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 R T R T GSM 上行链路延迟 TDMA 帧 上行链路延迟3个时隙 TDMA frame (4.615 ms) 下行链路 F1MHz 上行链路 F1 - 45MHz 延迟3个时隙

36. 半速率信道 • 语音数据传输速率 • 优点 • 使系统容量增加一倍 图9-23 全速率信道和半速率信道

37. 9.4 GSM的无线数字传输 • GSM系统无线信道的衰落特性 • GSM系统中的抗衰落技术 • GSM系统中的语音编码技术 • GSM系统中的语音处理的一般过程

38. 多径衰落 时 阴影衰落 延 扩 展 GSM系统无线信道的衰落特性

39. 多径衰落 通信系统的好坏由输出的误码率来判断，但多径效应却 会引起很高的误码率，使通信无法正常进行 • 多径传输带来了额外的路径损耗 • 多径衰落会导致数字信号传输的突发性错误 • 多径延时扩展将导致数字信号传输的码间干扰 图9-24 多径传播环境 图9-25 多径传播造成的符号间干扰及信号衰落

40. 阴影衰落（慢衰落） • 概念 阴影衰落是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落 • 表达式 电波传播距离的m次幂和表示阴影损耗的正态对数分量的乘积

41. 时延扩展 • 研究无线电波的多径传播的角度 • 研究接收信号的包洛变化反映的多径衰落特性 • 研究数字脉冲信号经过多径传播的时延特性——时延扩展 • 影响 引起码间串扰

42. GSM系统中的抗衰落技术 • 信道编码与交织编码 • Viterbi均衡与天线分集 • 跳频技术 • 话音激活与功率控制

43. 信道编码 • 目的 • 改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响 • 用有效性换取可靠性 • 基本方法 • 编码：发送端将原始数据和增加的数据比特（通过某种约定从原始数据中经计算产生）一起发送 • 解码：接收端利用冗余信息检错并尽可能地纠错。如果收到的数据经过同样的计算得到的冗余与收到的不一致时，可确定传输有误 • 编码方式 大多数情况下，最终的冗余码是多种编码的混合结果 • 块卷积码：主要用于纠错。解码器宜采用最大似然估计方法 • 纠错循环码：主要用于检测和纠正成组出现的误码。通常与块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。 • 奇偶码：一种普遍使用的，最简单的检测误码的方法

44. 交织编码 • 目的 针对多径衰落导致的突发性错误把一个较长的突发误码离散成随机误码，再用纠正随机误码的编码技术消除随机误码。 • 原理 按行输入，按列输出。把码字顺序相关的比特流非相化。 • 方法 将912bit字符交织后分散到8个TDMA帧的时隙中来传输

45. 交织编码方法 • 输入码流是20ms的帧，每帧含456bit。每两帧（40ms）共912bit，按每行8位写入，共写入114行 • 输出按列输出，每次读出114bit，恰好对应GSM的一个TDMA时隙 • 过程：在40ms共912bit间进行 • 将输入码流长为20ms帧中的456bit分成8段，每段含57bit • 当前帧的456bit分别与第n-1帧后半帧的228bit和第n+1帧前半帧的228bit交织 图9-26 交织编码矩阵 图9-27 交织过程

46. Viterbi均衡 • 均衡的目的 解决符号间干扰问题，适合于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号宽度的情况。 • 均衡的分类 • 频域均衡：使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件 • 时域均衡：使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件 （数字通信中常用） • 均衡算法的限制 所用算法必须能够处理在16µs之内收到的两个等功率的多经信号。因此在GSM系统中多采用Viterbi均衡算法

47. 天线分集 实现方法之一： 使用两个接收信道，它们受 到的衰落影响是不相关的 （即两者在某一时刻同时经 受某一深衰落点影响的可能 性很小）。 因此当合成来自两付天线的 信号时，衰落程度能被减小。 图9-28 天线分集接收示意图

48. 跳频技术 跳频就是有规则地改变一个信道的频隙（载频频带） • 分类 • 快跳频 • 慢跳频GSM的无线接口上采用 • GSM引入跳频的主要原因 • 频率分集 • 干扰分集

49. 频率分集 • 目的 抗拒移动通信系统中瑞利衰落的影响 • 原理 • 同一信号在不同频隙上有不同的瑞利衰落的影响 • 频率相差越大这种干扰的相关性越小 因此由频率分集分散到不同频隙上的突发脉冲不会受到同一瑞利衰落的影响，从而改善了传输质量。 • 适用条件 • 当MS高速移动时，其它衰落影响较大，GSM所采用的慢跳频技术就无能为力了 • MS静止或慢速移动时，慢跳频技术可以使传输质量提高大约6.5dB

50. 干扰分集 干扰分集源于码分多址（CDMA）的应用 • 在高业务量区域，系统所能提供的容量受载干比（C/I）限制。在允许干扰总合下，可存在的干扰源越多，系统容量越大，这就是干扰分集的目的。 • 在GSM系统中，有时为了提高频谱的利用率，不同小区中可以包含相同频率。通常当干扰总合小于C/I=7dB 时，呼叫将受严重干扰： • 如果没有跳频，只有分配在ƒ1或ƒ2上的用户可以得到正确接收。 • 然而有了跳频，就可以在所有情况下保证质量。 图9-29 GSM蜂房结构与调频组网