《移动通信技术与系统》课件第6章 2G移动通信系统.pptx

1、目 录ONTENTS目录02 GSM系统概述6.1.1 6.1.1 GSM系统概述04 GSM是Global System For Mobile Communications的缩写,即全球移动通信系统。它是由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，其空中接口采用时分多址（简称TDMA）技术。自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。GSM属于第2代（2G）蜂窝移动通信技术。2G的说法是相对于应用于80年代的模拟蜂窝移动通信技术以及目前正在商用的4G-LTE技术。模拟蜂窝技术被称为第一代移动通信技术，宽带CDMA技术被称为第三代移动通信技术，即3G，IMT-Advanc

2、ed技术被称为第四代移动通信技术，即4G。6.1.1 GSM系统概述05特点1）兼容性GSM标准由欧洲多个国家共同制订，使得这一系统在全欧洲范围内，以及世界各地被采用。2）灵活性与系统容量GSM系统高度依赖于软件，因而提供了高度的灵活性。3）安全性和保密性制定GSM系统时，充分考虑了针对盗话和盗机的安全性问题。移动用户的身份鉴别是通过一张称为用户识别模块SIM（Subscriber Identity Module）的智能卡实现的，系统通过在系统数据库检查相关信息来鉴别移动用户身份。4）开放、通用的接口标准在GSM标准的制定过程中,成立了专门的工作组WP3。该工作组的主要任务之一就是制定开放的网

3、络接口、建立通用的接口标准。因此，GSM是一个不仅空中接口,而且网络内部各个接口都高度标准化、接口优化的网络。5）频谱效率GSM系统中采用了窄带调制、信道编码、交织、均衡和语音编码等技术，使得频率复用的复用程度大大提高，能更有效地利用无线频率资源。6）抗干扰能力GSM系统具有模拟移动通信系统无可比拟的抗干扰能力,因而通信质量高,话音效果好,状态稳定。6.1.1 GSM系统概述06GSMGSM系统不足系统不足1）编码质量不高GSM系统的编码速度为13 kb/s(即使是实现了半速率6.5 kb/s)，这种质量很难达到有线电话的质量水平。2）终端接入速率有限GSM系统的业务综合能力较高,能进行数据和

4、话音的综合,但终端接入速率有限(最高仅为9.6 kb/s)。3）切换功能较差GSM系统软切换功能较差,因而容易掉话,影响服务质量。GSM系统的结构6.1.2 6.1.2 GSM系统的结构08 GSM系统，主要由移动台（MS），基站子系统（BSS）和网络子系统（NSS）组成。6.1.2 GSM系统的结构09 MS（移动台）包括ME（移动设备）和SIM（用户识别模块）卡，移动台主要作用是通过无线接口接入网络系统，也提供人机接口。SIM卡是识别卡，用来识别用户有关的无线接口的信息，包括鉴权和加密等信息。除了紧急呼叫，移动台需要插入SIM卡才能获得通信相关服务。BSS主要的功能是负责无线发射和管理有线

5、资源。BBS（基站子系统）由BTS（基站收发台）和BSC（基站控制台）组成。BBS中的BTS是用户终端接口设备，BBS可以控制一个或多个BTS，可以控制信道分散，通过BTS对信号强度的检测来控制移动台和BTS的发射功率，也可作出执行切换的决定，NSS（网络子系统）由MSC（移动交换中心）和OMC（移动切换中心）以及HLR（归属位置寄存器），VLR（访问位置寄存器）、AUC（鉴权中心）和EIR（设备标志寄存器）等组成。NSS主要负责完成GSM系统内移动台的交换功能和移动性管理、安全性管理等。MSC是GSM网络的核心部分，也是GSM系统与其他公司共用通信之间的接口，主要是对于它所在管辖区域的移动台

6、进行控制、交换。OMC主要对GSM网络系统进行管理和监控。HLR是一个静态数据库，每个移动用户都能应对在其HLR登记注册。HLR主要用来存储有关用户的参数和有关用户目前所在的信息。VLR是一个动态数据库，用于存储进入其控制区用户的数据信息。例如用户的号码、所处位置区的识别、向用户提供的服务参数，一旦用户离开了该VLR的控制区，用户的有关数据将被删除。AUC专用于GSM系统的安全性管理，进行用户鉴权及对无线接口上的语音、数据、信令信号进行加密，防止无权用户的接入并保证移动用户的通信安全。EIR用来存储有关移动设备参数的数据库，对移动设备进行识别,监视，和闭锁等。SMSC（短消息业务中心）与NSS

7、连接可实现点对点短消息业务，与BSS连接完成小区广播短消息业务。6.1.2 GSM系统的结构10 GSM网络接口功能 Um接口：无线接口，即MS与BTS之间的接口，用于MS与GSM固定部分的互通，传递无线资源管理、移动性管理和接续管理等方面的信息。Abis接口：BTS与BSC之间的接口。该接口用于BTS与BSC的远端互连，支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。A接口：MSC和BSC之间的接口。该接口传送有关移动呼叫处理、基站管理、移动台管理、信道管理等信息。B接口：MSC和VLR之间的接口。MSC通过该接口向VLR传送漫游用户位置信息。并在建立呼叫时，向VLR

8、查询漫游用户的有关用户数据。C接口：MSC和HLR之间的接口。MSC通过该接口向HLR查询被叫移动台的选路信息，以确定接续路由，并在呼叫结束时，向HLR发送计费信息。D接口：VLR和HLR之间的接口。该接口用于两个登记器之间传送有关移动用户数据，以及更新移动台的位置信息和选路信息。E接口：MSC与MSC之间的接口。该接口主要用户越局频道转接。使用户在通话过程中，从一个MSC的业务区进入到另一个MSC业务区时，通信步中断。另外该接口还传送局间信令。F接口：MSC和EIR之间的接口。MSC通过该接口向EIR查核发呼移动台设备的合法性。G接口：VLR与VLR之间的接口。当移动台从一VLR管辖区进入另

9、一VLR区域时，新老VLR通过该接口交换必要信息，仅用于数字移动通信系统。H接口：HLR与AUC之间的接口。HLR通过该接口连接到AUC完成用户身份认证和鉴权。2.2 移动通信的发展历程07 第三代蜂窝移动通信系统为宽带移动通信系统（3G）。1985年，国际电信联盟ITU提出未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS），即第三代移动通信系统。FPLMTS后来被更名为IMT-2000。欧洲电信标准协会也提出了通用移动通信系统（UMTS）。最受关注的3G标准有：基于GSM的WCDMA；基于IS-95CDMA的cdma2000；中国自主知识产权的TD-SCDMA。第三代蜂窝移动通信和个人通信系统提供更大

10、的系统容量、更高速的数据传输能力。第四代移动通信技术（4G）。2001年进入了4G研发阶段。2010年海外的主流运营商开始进行规模建设。2013年12月4日下午，工业和信息化部正式发放4G牌照，宣告我国通信行业进入4G时代。4G包含TDD和FDD两种制式，其中TD-SCDMA将能够进化到TDD制式，而WCDMA网络能够进化到FDD制式。4G系统能够以100Mbps的速度下载，能流畅承载视频、电话会议等业务，上传速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。第五代移动通信技术（5G）。2013年5月13日，三星电子宣布，其已率先开发出了首个基于5G核心技术的移动传输网络。2

11、015年5月29日，酷派首提5G新概念：终端基站化。2016年1月7日，工信部召开“5G技术研发试验”启动会。2017年2月9日，国际通信标准组织3GPP宣布了“5G”的官方Logo。中国三大通信运营商于2018年迈出5G商用第一步，并力争在2020年实现5G的大规模商用。5G网络的速度达到1Gbps，它的主要目标是让终端用户始终处于联网状态。5G将来所支持的终端不仅是智能手机，它还要支持智能手表、健身腕带等。5G并不会完全替代4G、WiFi，而是将4G、WiFi等网络融入其中，为用户带来更为丰富的体验。GSM的空中接口6.1.3 6.1.3 GSM的空中接口13 GSM数字蜂窝网的无线接口U

12、m接口，即通常所称的空中接口，是系统最重要的接口。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。空中接口是利用无线电波传递信息，连接广大用户，随着终端用户的多样性和环境的复杂性，空中接口也呈现出广泛性和多样性。6.1.3 GSM的空中接口14 1 1、技术参数、技术参数GSM系统采用FDMA和TDMA混合接入方式，FDMA是指在一定的频段上分配的载波频率，TDMA是是指一个载波上分为8个时段。GSM系统主要有GSM900，GSM1600和GSM1900 3类，都采用FDD工作方式，我国使用的两大GSM系统为GSM900和

13、GSM1800。GSM 900MHZGSM 900MHZDCS 1800MHZDCS 1800MHZP-GSME-GSM频率范围频率范围MHZMHZ上行 MS890-915880-8901710-1785下行 BS935-960925-9351805-1880功率等级功率等级Class4(33+/-2dBm)Class1(30+/-2dBm)上下行间隔上下行间隔MHZMHZ454595收发延迟时隙收发延迟时隙333频带频带MHZMHZ2*252*102*75信道个数信道个数12450374单元半径单元半径35km4km终端功率终端功率2W1W移动性移动性250km/h cdma2000 TD-

14、SCDMA功率控制的步长设置如果每次功控调整的步长过小，就跟不上无线环境的变化；如果每次调整步长过大，例如增加功率过大，会导致功率供给大于功率需求，造成资源浪费，引起干扰；降低功率过大，会导致信号电平降低过快，引起通话质量下降甚至掉话。功控的步长一般采用“快升慢降”原则，例如，如果需要增大功率，功率每次增加0.5dB；而如果需要降低功率，每次只降低0.2dB。若无线环境突然变坏，为了保证通话质量，避免掉话，应迅速把功率升上去；当不需要这么大功率时，慢慢降下来。6.2.3 IS-95CDMA控制与管理522 2、同步和定时、同步和定时 定时同步有两个含义，一是系统定时，又叫全局定时，可采用GPS

15、或移动交换中心时间标准定时。在全局定时的诸多作用中，保证成功进行软切换是其重要作用之一，要求定时精度不低于20ns；另一个是移动台与基站（或系统）的定时同步，这个定时同步采用扩频相关处理、帧同步和扩频信号相位传送相结合的办法实现。CDMA系统的初始同步包括PN码同步、符号同步、帧同步和扰码同步等。IS-95系统通过导频信道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过同步信道的接收建立帧同步和扰码同步。扩频序列的同步是扩频系统接收机所要完成的首要步骤，没有扩频序列的同步，接收机的解调将无从谈起。扩频序列的同步可以通过捕获和跟踪两个阶段来完成。在捕获阶段，获取的是扩频序列的粗同步，使本地产生的扩频序列与接

16、收到的扩频序列之间的相位差小于某个门限，在实际系统中通常以半个码片时间为间隔，进行粗同步。捕获一旦完成，将启动跟踪环路，进一步精确地调整本地扩频序列的相位，使本地序列与接收信号中的扩频序列相位误差更小，并且在外来因素干扰下能自动地保持这种高精度的相位对齐关系。6.2.3 IS-95CDMA控制与管理531)1)扩频序列的捕获扩频序列的捕获 扩频序列的捕获是指接收机在开始接收扩频信号时调整和选择本地扩频序列的相位，使收发信机扩频序列的相位一致，所以捕获又叫扩频序列的初始同步或粗同步过程。由于捕获过程通常在载波同步之前进行，载波的相位是未知的，所以大多数的捕获方法都是用非相干检测。从理论上讲，匹配

17、滤波器方法是获得伪随机序列初始同步的最佳方案，但实现起来需要多个并行的支路，故适用于短周期PN序列的捕获。PN序列的捕获也可以采用基于滑动相关的串行捕获方案，其本质是假设检验，相关器对所有可能的相位假设进行串行搜索，即先对当前不正确的假设进行测试并将其排除，再进行下一个假设的测试。显然这种串行搜索的方法需要较多的时间去排除错误的相位，故相位搜索速度较慢。6.2.3 IS-95CDMA控制与管理542)2)定时跟踪技术定时跟踪技术完成扩频序列的捕获以后，本地序列相位同接收信号的相位基本一致，通常误差在1/2个码片时间之内。由于收发时钟的不稳定性、收发信机之间的相对运动以及传播路径时延变化等因素，

18、已同步的本地序列相位会出现某种抖动偏差。因此扩频通信系统为了保证准确、可靠地工作，除了要实现扩频序列的捕获，还要进行扩频序列的跟踪。跟踪过程又叫细同步过程，跟踪环路不断校正本地序列发生的时钟相位，使本地序列的相位变化与接收信号相位变化保持一致，实现对接收信号的相位锁定。跟踪的本质在于正确估计出本地序列与接收信号的相位差，并根据相位差产生能减小该相位差的控制信号，保证本地序列相位变化与接收信号一致。伪随机序列的定时跟踪通常可以采用基于延迟门定时误差检测器的延迟锁定环。6.2.3 IS-95CDMA控制与管理553 3、软切换、软切换 软切换是建立在CDMA系统宏分集接收基础上的一种技术，它已成功

19、地应用于IS-95CDMA系统，并被第三代移动通信系统所采纳。软切换是IS-95系统引入的一个新概念，除了技术实现上的改善之外，还给通信话音质量和系统容量等方面带来了增益。在CDMA蜂窝系统中，像模拟蜂窝系统和数字蜂窝系统一样，存在着移动用户越区切换及漫游的信道切换。不同的是，FDMA、TDMA系统均采用硬切换，而在CDMA蜂窝系统中的信道切换可分为两大类：硬切换和软切换。硬切换是指在载波频率指配不同的基站覆盖小区之间切换，这种硬切换将包括载波频率和引导信道PN序列偏移的转换。在切换过程中，移动用户与基站的通信链路有一个很短的中断时间。软切换是指在引导信道的载波频率相同时小区之间的信道切换，这

20、种软切换只是引导信道PN序列偏移的转换，而载波频率不发生变化。在切换过程中，移动用户与原基站和新基站都保持着通信链路，可同时与两个（或多个）基站通信，然后才断开与原基站的链路，保持与新基站的通信链路。因此，软切换没有通信中断的现象，提高了通信质量。6.2.3 IS-95CDMA控制与管理563 3、软切换、软切换软切换还可细分为更软切换和软/更软切换。更软切换是指在一个小区内的扇区之间的信道切换。这种切换只需通过小区基站便可完成，不需通过移动交换中心的处理。软/更软切换是指在一个小区内的扇区与另一小区或另一小区的扇区之间进行的信道切换。IS-95标准支持3种类型的切换：软切换、CDMA网中的硬切换、CDMA到模拟的切换（移动台从一个CDMA业务信道切换到一个模拟AMPS话音信道）。与硬切换的比较硬切换的缺点：需要改变频率，是“先中断后转换”。如果找不到空闲信道，切换就失败。此外，在两个小区交界边缘，信号电平都很弱且起伏变化，可能导致移动台在两个基站之间反复切换，增加系统负荷。软切换的优点：不改变频率，减小通信中断的概率。“先转换后中断”，为分集接收提供了条件。思考与练习题 思考与练习题586-1 简述GSM网络的基本结构？6-2 什么是逻辑信道，什么是物理信道6-3 简述GSM网络接口功能6-4 简述IS-95 CDMA系统的前向和反向信道的传输结构