GSM及各种设备基础知识.pdf
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1、GSM及各种设备基础知识上一篇/下一篇 2008-05-12 15:20:02查看(1700)/评论(5)/评分(0/0)第一部分基站主体设备第1章移动通信系统概述1.1 移动通信系统概述1.1.1 移动通信与特点移动通信是指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交互的通信。可以是移动台与移动台之间的通信,也可以是移动台与固定用户之间的通信。由于用户的移动性,其管理技术要比固定通信复杂,同时,由于移动通信网中依靠的是无线电波的传播,其传播环境要比固定网中有线媒质的传播特性复杂,因此,移动通信有着与固定通信不同的特点。1、无线电波传播环境复杂。移动通信的电波处在特高频(300M-3000MHZ)
2、频段,即分米微波段,传播的主要方式是空间传播,又称视距传播,电磁波在传播时不仅有直射信号,而且还会经地面、建筑群或障碍物等产生反射、折射、绕射传播,从而产生多径传播引起的快衰落、阴影效应引起的慢衰落等衰落,以及多卜勒频移。因此移动通信系统要有分集接收等抗衰落措施,才能保证正常运行。2、噪声和干扰严重。移动台在移动时既受到环境噪声的干扰,又有系统干扰。由于系统内有多个用户和采用频率复用技术,因此,移动通信系统有互调干扰、邻道干扰、同频干扰等主要的系统干扰。这就要求移动通信系统需要合理的同频复用规划和无线网络优化等措施。3、用户的移动性。用户具有移动性和移动的不可予知性,因此,系统中要有完善的管理
3、技术来对用户的位置进行登记、跟踪,不因为位置的改变而中断通信。4、有限的频率资源。无线网络频率资源是有限的,ITU对无线频率的划分有严格的规定,采取频率复用和跳频技术等,提高系统的频率利用率是移动通信系统的又一重要特点。1.1.2 移动通信多址技术在蜂窝通信系统中,移动台是通过基站和其他移动台进行通信的,因此必须对移动台和基站的信息加以区别,使基站能区分是哪个移动台发来的信号,而各移动价又能识别出哪个信号是发给自己的,要解决这个问题,就必须给每个信号赋以不同的特征,使多用户共用公共的信道,这就是多址技术。当把多个用户接入一个公共的传输媒质实现相互间通信时,需要给每个用户的信号赋以不同的特征,以
4、区分不同的用户,这种技术称为多址技术。移动通信中常用的主要有F D M A,T DM A 和 C DM A 等多址方式。1、频分多址(F D M A)。把整个可分配的频谱划分成许多单个无线载频,每个载频信道可以传输一路话音或控制信息,在通信时,不同的移动台占用不同频率的信道进行通信。2、时分多址(TDMA)。TDMA是把时间分成周期性的帧,每一帧再分割成若干时隙(无论帧或时隙都是互不重样的),每一个时隙就是一个通信信道。通信时,给每个用户分配一个时隙,使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号。这样,同一个频道就可以供几个用户同时进行通信。3、码分多址(CDMA)。对于时域上的脉冲信号
5、,其脉冲宽度越窄,频谱就越宽。那么,如果用所需要传送的信号信息去调制很窄的脉冲序列,就可以将信号的带宽进行扩展。所谓扩频调制,就是指用所需要传送的原始信号去调制窄脉冲序列,使信号所占的频带宽度远大于所传原始信号本身需要的带宽。这个窄脉冲序列称为扩频码。由于信号扩展在非常宽的带宽上,因此来自同一无线信道的用户干扰就很小,使得多个用户以同时分享同一无线信道。在通信系统中,如果多用户使用相同频率和时间上都是重释的,而采用每个移动台分配一个独特的码序列,与所有别的码序列都不相同,用这种不同的正交编码序列来区分不同的用户,在发送时,信号信息和该用户的码序列相乘进行扩频调制,在接收端,接收器使用与发端同样
6、的码序列对宽带信号进行解扩,恢复出原始信号,而其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。这种靠不同的码序列来区分不同的移动台,称为码分多址。1.1.3移动通信的发展移动通信并不是一项很新的技术,但却是发展非常迅速的技术。移动通信可以说从1897年马可尼所完成的无线通信试验之日起就产生了。现代移动通信的发展始于20世纪20年代(美国警察的车载无线电系统),而公用移动通信是从20世纪60年代开始的。公用移动通信系统的发展已经经历了笫一代(1G)和笫二代(2 G),并将继续朝着第三代(3G)和第四代(4G)的方向发展。第一代移动通信系统为模拟蜂窝移动通信系统,以美国的AMPS
7、QS-54)和英国的TACS为代表,采用频分双工、频分多址制式。由丁采用频分多址,信道利用率较低,因此通信容量有限;模拟通信,保密性较差;不能提供非话数据业务。第二代移动通信系统为数字蜂窝移动通信系统,以 GSM和窄带CDMA为典型代表。采用了数字技术,多址方式由频分多址转向时分多址和码分多址技术,双工技术仍采用频分双工。典型的数字移动通信制式主要有泛欧的G S M、美国的D-AMPS(IS-136)、日本的JDC(又称PDC)和窄带CDMA系 统(IS-95)等。第三代移动通信系统即IMT-2000,要能高速传输支持多媒体业务,在车速环境下144kb/s:步行环境384kb/s;室内环境2M
8、b/s Fl前有三大主流技术标准W CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。中国提出的TD-SCDMA采用了 T D D、智能天线和同步CDMA技术,具有适合非对称数据传输、容量大、频段使用灵活等特点。1.2 G SM系统1.2.1 G S M系统的结构与功能GSM系统由移动台MS、基站子系统BSS、网络子系统NSS和操作子系统OSS四个部分组成,如图1.1所示。移动台是移动网中的用户终端,包括移动设备(ME)和移动用户识别模块S IM艮SIM卡上包含所有与用户有关的信息,也含有鉴权和加密实现的信息。基站子系统(BSS)由基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)组成;负责在一定区域内
9、与移动台之间的无线通信。BSC是BSS的控制部分,一个基站控制器通常控制几个基站收发台,主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除,并为本控制区内移动台越区切换进行控制等;BTS是BSS的无线部分,实际是负责于某小区的无线收发信设备,包括发射机、接收机、天线、连接基站控制器的接口电路以及收发信台本身所需要的检测和控制装置等,它完成BSC与无线信道之间的转换,实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。网络子系统由移动交换中心(MSC)和操作维护中心(OMC)以及归属位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权认证中心(AUC)和设备标志寄存器(EIR)等
10、组成。MSC是整个网络的核心,它为本MSC区域内的移动台提供所有的交换和信令功能,同时它在MSC之间完成路由功能,并实现移动网与其他网的互连。HLR是一种用来存储本地用户位置信息的数据库,存储包括用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据,也存储漫游用户所在MSC区域的有关动态数据。VLR是一个用于存储进入其覆盖区已登记的用户相关信息的数据库,为建立呼叫接续提供必要条件,当漫游用户登记时还要给该用户分配一个新的漫游号码(M SRN),用于其HLR选路,物理上可与MSC合设记作MSC/VLR。鉴权中心(AUC)存储着鉴权信息和加密密钥,可以不断为提供一组参数(包括随机数RAND、符号响应S
11、RES和加密键K c三个参数),以此来鉴别用户身份的合法性,从而只允许有权用户接入网络并获得-4-服务。操作支持子系统OSS完成移动用户管理、移动设备管理和系统的操作与维护。对全网中每一个设备实体进行监控和操作,实现对GSM网内各种部件的功能监视、状态报告、故障诊断、话务量的统计和计费数据的记录与传递等功能。图1.1 GSM系统组成1.2.2 G S M系统接口GSM系统的主要接口有A接口、Abis接口和Um接口等,见图1.2。(1)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
12、物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s的PCM数字传输链路来实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理等。(2)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与BSC之间的远端互连,物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s或64 kb/s的PCM数字传输链路来实现。(3)Um接口(空中接口)定义为移动台M S与基站收发台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方式实现。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。此外还有网络子系统内部接口,见图
13、1.3。B接口:M S C和与它相关的VLR之间的内部接口。C接口:M S C和HLR之间的接口,物理链接方式是标准的2.048MB/S的PCM数字传输链路。D接口:HLR和VLR之间的接口,也是通过MSC与HLR之间标准的2.048MB/S的PCM数字传输链路实现的。E接口:MSC之间的接口;是通过MSC与MSC之间标准的2.048MB/S的PCM数字传输链路实现。G接口:V LR之间的接口;H接 :HLR 和 AUC 之间的接口。F:MSC-EIRMSC/VLRMSL)mBSC1Abis BTSBSCnAbisBTSUmMSGGSN图 1.2 GSM 接口1.2.3 G S M 无线接口G
14、SM系统无线接口有严格的频率规划,采用FDD、FDMA/TDMA方式。GSM900上行频率为890-915MHz,卜行频率为 935-960MHZ,双工间隔 45M Hz,载频间隔 200 KHz DCS 1800上行频率为1710-1785MHz,下行频率为1805-1880MHz,双工间隔95MHz,载频间隔200K H z。频道编号的方法如下。GSM900频道编号:上行F(n)=(890+0.2n)MHz,卜行F(n)=(935+0.2n)MHz:DCS1800 频道编号:上行 F(n)=1710+0.2(n-511)MHz,飞亍 F=1805+0.2(n-511)MHz其中n 为绝对射
15、频号。每个载频再进行时分,分为8 个时隙,一个TS就是一个物理信道,根据需要分给不同的用户使用,或用来传送控制信息。这些TS按照传送信息的不同,组成不同的重复周期,即帧结构。8个 TS组成一个TDMA基本帧;TDMA基帧组成复帧,用于传送业务信息的复帧由26个基帧组成,用于传送控制信息的复帧由51个基帧组成。复帧再组成超帧,可以是51x26或 26*51的1326个 TDMA基帧。2048个超帧则组成周期更长的超高帧。GSM系统无线接口匕 依据物理信道所传输的信息不同,将逻辑信道分为业务信道TCH和控制信道CCH。业务信道传输编码的话音或用户数据,按速率的不同分为全速率 业务信道(TCH/F)
16、和半速率 业务信道(TCH/H)。控制信道传输各种信令信息。控制信道分为以下三类。(1)广播信道(BCCH):一种一点到多点的单方向下行控制信道。BS在 BCCH中向所有MS广播系列的信息,用于移动台入网、位置登记和呼叫建立(如同步信息)。包括频率校正信道、同步信道和广播控制信道。SCH传同步信息和基站识别码。(2)公共控制信道(CCCH):一种一点对多点的双向控制信道,用于传送呼叫接续阶段所必需的各种信令信息。其中,CCCH又可以分为三种:随机接入信道(RACH)、准予接入信道(AGCH)和寻呼信道(PCH)。RACH是上行信道,用于移动台在申请入网时,向基站发送入网请求信息。AGCH是下行
17、信道,用于基站向移动台发送指配专用控制信道DCCH的信息。PCH是下行信道,传送基站对移动台的寻呼信息。(3)专用控制信道(DCCH):一种 点对点”的双向控制信道,其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中,在移动台和基站之间传输必需的控制信息。包括独立专用控制信道SDCCH和随路控制信道(FACCH.SACCH)SDCCH双向,传送鉴权、业务信道指配等信息。随路控制信道传送功率控-6-制、越区切换和无线传输测量报告等信息。个基本的逻辑信道应用过程如下。MS开机,在 FCCH上接收频率校正信息,在 SCH上接收同步信号,在 BCCH上接收系统消息,在 RACH上接入申请,在 AGCH上允许接入并
18、分配SDCCH,在 SDCCH上进行鉴权,在 SACCH上功率控制。G SM 无线接口上,每个用户是在一个限定的、不连续的时隙中占用载频发送数据信号,这样的信号称为突发脉冲串Burst。根据内容不同分为常规突发、频率校正突发、同步突发、接入突发等,还有空闲突发。1.2.4编号计划G SM 系统中,为 确定用户,有永久性的编号如MSISDN、IMSI,也有临时性的编号如TM SI、MSRN等;为了识别移动设备有IMEI;为了识别网络组件,为 M SC、HLR、VLR进行了编号,基站有C G I、BSIC;为了识别位置区有LA I编码。MSISDN,移动台ISDN号,常称手机号码。编号结构为CC+
19、NDC+S N,其中CC为国家码(如中国为86),NDC为国内地区码,SN为用户号码,号码总长不超过15位数字。如86-139-H1H2H3H4ABCDoIMSI,国际移动用户识别码,网络惟一识别一个移动用户的国际通用号码,移动用户以此号码发出入网请求或位置登记,移动网据此查询用户数据。每个移动用户可以有多个MSISDN,但IMSI只有一个,移动网据此受理用户的通信或漫游登记请求,并对用户计费。IMSI由电信经营部门在用户开户时写入移动台的EPROM。当任一主叫按MSISDN拨叫某移动用户时,终接MSC将请求HLR或 VLR将其翻译成IM S I,然后用IMSI在无线信道上寻呼该移动用户。IM
20、SI最大长度为15位卜进制数字。具体为:MCC+MNC+MSIN。MCC是移动国家码,3 位数字,如中国的MCC为 460;MNC是移动网号,最多2 位数字,用于识别归属的移动通信网,如中国移动 0 0,中国联通01;MSIN是移动用户识别码,用于识别移动通信网中的移动用户。IMEI,国际移动设备识别码。MSRN,移动台漫游号。移动台进入漫游区时,被访地区的VLR分配系统预留的号码给来访用户一个临时号码,并告知原H LR,供主叫交换机呼叫该移动用户时路由选择使用。TMSI,临时移动用户识别码。为了加强保密性,在V LR 内分配的与IMSI-对应的号码,只在某一 VLR 区域有效。M SC、VL
21、R 的编号CC+NDC+LSP,C C 和 NDC同 MSISDN中的编号,LSP为由运营商自己决定的本地标记部分。H LR编号CC+NDC+H0H1H2H3+0000,实际就是用户号为全0 的 MSISDN。LAI是位置区识别码,MCC+MNC+LAC,LAC是2字节的卜六进制码。检测位置更新时要使用位置区识别码。CGI为全球小区识别码,由LAI+CI(小区码)构成,C I是2字节的卜六进制码。BSIC是基站识别色码,用于移动台识别相邻的、采用相同载频的、不同的BTS,如不同国家边界采用相同载频的基站。1.2.5GSM 区域服务区是指移动台可获得服务的区域,一个服务区以是一个PLM N的区域
22、。一个PLM N的区域由若干个M S C的区域构成。M SC区域就是交换中心所控制的区域,可以由若干位置区构成。位置区是指移动台任意移动而不需要位置登记的区域,主呼移动台时位置区内的基站一齐呼叫。基站区是一个站点覆盖的区域,可以是一个或几个小区(扇区)构成。小区是一个扇区或一个全向的小区。如图1.3所示。图1.3 GSM区域定义图1.3 GPRS 系统1.3.1概 述GPRS作为2G的GSM向3G过渡的技术,是GSM Phase2规范实现的内容之一,是一种基于GSM的移动分组数据业务,面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。GPRS是在GSM网络上叠加了一个基于IP的分组交换网络,从而得到
23、更高的数据传输速率;正是由于GPRS的引入,使得GSM网络在Internet接入上有了革命性的变化,而3G移动通信的核心网正是基于IP,因而使GSM向3G的过渡改动更少,使得现代通信向3 G的发展更迈进了一步,故G PRS也称为是笫2.5代的移动通信。1.3.2 系统结构GPRS采用与原GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及TDMA帧结构,因此,在以G S M系统为基础构建G PRS系统时,G S M中的绝大部分部件都不需要作硬件改动,只需对其软件进行升级以及添加相应的硬件组件即可。构建GPRS系统需要向原有GSM网络中引入的三个主要组件是:GPRS服务支持节点(SG
24、SN,Serving GPRS SupportingNode)、GPRS 网关支持节点(GGSN,Gateway GPRS Support Node)和分组控制单元(PCU,Packet Control Unit)。如图 1.4 所示。-8-电路交换 也务通道SGSN GGSN分组交换业务通道图 1.4 GPRS系统结构SGSN和 GGSN相当于是移动数据路由器,它们既可以被组合在同一个物理节点中,也可以处在不同的物理节点中。SGSN与移动交换中心(MSC)处于网络体系的同一层,:者功能相似,但又各司其职:SGSN只针对分组交换,而 MSC只针对电路交换。GGSN是 GSM网络与其他网络之间的
25、网关,负责提供与其他GPRS网络及其他外部数据网络(如IP 网、ISDN、PSPDN,LAN等)的接口。GPRS系统可以继续采用GSM的基站,但原有基站必须要进行硬件的扩展和软件的升级。硬件上需扩展个新的功能模块:分组控制单元(PCU,Packet Control Unit),用来控制分组信道。PCU可以集成在BSC或 BTS中,也可以独立设置。1.4小区与频率复用随着移动通信用户数的不断扩大,频宽受限正成为移动通信系统的重要问题之一。目前我国GSM用于 900MHzGSM 的频谱为上下行各 25MHz(MSBS:890-915MHz;BSMS:935960MHz),其中中国移动拥有低端的19
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