《移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)及技術(shù)》課件第二章

第2章GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)2.1概述2.2GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.3GSM系統(tǒng)的主要規(guī)格參數(shù)2.4GSM位置區(qū)劃分及編號(hào)方式2.5GSM邏輯信道和幀結(jié)構(gòu)2.6GSM的主要技術(shù)2.7GSM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃2.8GPRS通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)2.1概述

2.1.1GSM的發(fā)展歷史

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(EuropeanTelecommunicationsStandardizationInstitute，ETSI)的前身歐洲郵政電信管理會(huì)議(ConferenceofEuropeanPostsandTelecommunications，CEPT)成立了移動(dòng)特別行動(dòng)小組(GroupeSpécialMobile，GSM)，該小組得到了對(duì)有關(guān)泛歐數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的諸多建議進(jìn)行改進(jìn)的授權(quán)。

1986年，該小組在巴黎對(duì)歐洲各國(guó)及各公司經(jīng)大量研究和實(shí)驗(yàn)后所提出的8個(gè)建議系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

1987年5月，GSM成員國(guó)就數(shù)字系統(tǒng)采用窄帶時(shí)分多址TDMA、規(guī)則脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)RPE-LTP語(yǔ)音編碼和高斯濾波最小移頻鍵控GMSK調(diào)制方式達(dá)成了一致意見(jiàn)。同年，歐洲17個(gè)國(guó)家的運(yùn)營(yíng)者和管理者簽署了諒解備忘錄(MOU)，相互達(dá)成履行規(guī)范的協(xié)議。與此同時(shí)，還成立了MOU組織，致力于GSM標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

1990年，MOU組織完成了GSM900的規(guī)范，共產(chǎn)生大約130項(xiàng)的全面建議書，不同建議經(jīng)分組而成為一套12系列。

1991年在歐洲開(kāi)通了第一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)MOU組織為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和注冊(cè)了市場(chǎng)商標(biāo)，將GSM更名為“全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GlobalSystemforMobileCommunications)”。從此，移動(dòng)通信跨入了第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。同年，移動(dòng)特別小組還完成了制定1800MHz頻段的公共歐洲電信業(yè)務(wù)的規(guī)范，命名為DCS1800系統(tǒng)。該系統(tǒng)與GSM900具有同樣的基本功能，因而該規(guī)范只占GSM建議的很小一部分，僅將GSM900和DCS1800之間的差別加以描述，絕大部分二者是通用的，它們均可統(tǒng)稱為GSM系統(tǒng)。

1992年，大多數(shù)歐洲GSM運(yùn)營(yíng)者開(kāi)始商用業(yè)務(wù)。到1994年5月，已有50個(gè)GSM網(wǎng)在世界上運(yùn)營(yíng)；到10月，總客戶數(shù)已超過(guò)400萬(wàn)，國(guó)際漫游客戶每月呼叫次數(shù)超過(guò)500萬(wàn)，客戶平均增長(zhǎng)超過(guò)50%。1993年歐洲第一個(gè)DCS1800系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)。

GSM用戶遍及歐洲、亞洲、非洲、美洲、大洋洲等130多個(gè)國(guó)家和地區(qū)?？梢哉f(shuō)，GSM是目前世界上使用最廣、用戶數(shù)最多、發(fā)展最成功的無(wú)線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。2.1.2GSM的特點(diǎn)

相對(duì)于第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)，GSM系統(tǒng)具有以下

特點(diǎn)：

(1)頻譜效率高。由于采用了高效調(diào)制器、信道編碼、交織、均衡和語(yǔ)音編碼技術(shù)，使系統(tǒng)具有更高的頻譜效率。

(2)容量大。由于每個(gè)信道傳輸帶寬增加，使同頻復(fù)用載干比要求降低至9dB，故GSM系統(tǒng)的同頻復(fù)用模式可以縮小到4/12或3/9，甚至更小(模擬系統(tǒng)為7/21)；加上半速率語(yǔ)音

編碼的引入和自動(dòng)話務(wù)分配以減少了越區(qū)切換的次數(shù)，使GSM系統(tǒng)的容量效率(每小區(qū)的信道數(shù)/MHz)比TACS系統(tǒng)高3倍～5倍。

(3)語(yǔ)音質(zhì)量高。GSM規(guī)范中有關(guān)空中接口和語(yǔ)音編碼的定義以及數(shù)字傳輸技術(shù)的特點(diǎn)，在門限值以上時(shí)，語(yǔ)音質(zhì)量總能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平而與無(wú)線傳輸質(zhì)量無(wú)關(guān)。

(4)提供開(kāi)放的接口。GSM標(biāo)準(zhǔn)所提供的開(kāi)放性接口不僅限于空中接口，而且包括網(wǎng)絡(luò)之間以及網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備實(shí)體之間，例如A接口和Abis接口。

(5)安全性高。通過(guò)鑒權(quán)、加密和TMSI號(hào)碼的使用，達(dá)到安全的目的。鑒權(quán)用來(lái)驗(yàn)證用戶的入網(wǎng)權(quán)利，加密用于空中接口，由SIM卡和網(wǎng)絡(luò)AUC合作完成。TMSI是一個(gè)由業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)給用戶指定的臨時(shí)識(shí)別號(hào)，以防止有人跟蹤而泄漏其地理位置或通話內(nèi)容。

(6)可與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)互連，如ISDN、PSTN等。與其他網(wǎng)絡(luò)的互連通常利用現(xiàn)有的接口，如ISUP或TUP等。

(7)具有漫游功能。漫游是移動(dòng)通信的重要特征，它標(biāo)志著用戶可以從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)入另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。GSM系統(tǒng)可提供全球漫游，當(dāng)然也需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者之間的某些協(xié)議，例如

計(jì)費(fèi)。

2.2GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1GSM系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

GSM系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2-2-1所示。由圖可見(jiàn)，GSM系統(tǒng)由移動(dòng)臺(tái)(MS)、基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)和運(yùn)營(yíng)支持子系統(tǒng)(OSS)組成。

MS是用戶直接使用的設(shè)備，也稱為用戶設(shè)備。MS包括存儲(chǔ)用戶個(gè)人信息的SIM卡和實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信的物理設(shè)備兩部分。

SIM卡存儲(chǔ)用戶特有的個(gè)人信息，包括實(shí)現(xiàn)鑒權(quán)和加密的信息、享有的業(yè)務(wù)類型等。物理設(shè)備是實(shí)現(xiàn)通信功能的設(shè)備，這部分設(shè)備對(duì)所有用戶都是相同的，可以是手持機(jī)、車載機(jī)等。沒(méi)有SIM卡，GSM移動(dòng)設(shè)備本身不能參與網(wǎng)絡(luò)工作。

BSS負(fù)責(zé)管理MS與MSC之間的無(wú)線傳輸通信。BSS包括基站控制器(BSC)和基站收發(fā)信機(jī)(BTS)兩部分。每個(gè)BSS包括多個(gè)BSC，BSC經(jīng)過(guò)一個(gè)專用線路或微波鏈路連接到MSC上。一般情況下，一個(gè)BSC可以控制多個(gè)BTS。BSC與BTS之間的接口叫做Abis接口，BSC與MSC之間的接口叫做A接口。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Abis接口是標(biāo)準(zhǔn)化接口，但實(shí)際上不同制造商設(shè)備的Abis接口略有不同，所以一般情況下，GSM系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商只能采用同一個(gè)制造商提供的BTS和BSC設(shè)備。A接口也是規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)化接口，這個(gè)接口采用7號(hào)信令協(xié)議(SS7)，A接口允許業(yè)務(wù)提供商使用不同制造廠家提供的基站和交換設(shè)備。

圖2-2-1GSM系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

BSC主要完成如下功能：

(1)接口管理：支持與MSC間的A接口、與BTS間的Abis接口及與OMC間的X.25接口。

(2)?BTS與BSC之間的地面信道管理：BSC對(duì)BTS之間的無(wú)線信令鏈路、操作維護(hù)鏈路進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)無(wú)線業(yè)務(wù)信道進(jìn)行分配管理。

(3)無(wú)線參數(shù)及無(wú)線資源管理：無(wú)線參數(shù)包括BTS載頻頻率、空中接口是否應(yīng)用了非連續(xù)接收/發(fā)射、移動(dòng)臺(tái)接入網(wǎng)最小電平設(shè)置、邏輯信道與物理信道的映射關(guān)系等。無(wú)線資源管理(RRM)包括小區(qū)內(nèi)信道配置、專用信道與業(yè)務(wù)信道的分配管理、切換資源管理等。

(4)無(wú)線鏈路測(cè)量與話務(wù)量統(tǒng)計(jì)：根據(jù)移動(dòng)臺(tái)和BTS送上的無(wú)線鏈路測(cè)量報(bào)告，決定是否需調(diào)整BTS和移動(dòng)臺(tái)功率，或決定是否需要切換。通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)信道的阻塞率、呼叫成功率、越區(qū)切換頻度等作出統(tǒng)計(jì)，為系統(tǒng)擴(kuò)容和小區(qū)分裂等提供依據(jù)。

(5)控制小區(qū)切換：根據(jù)小區(qū)功率電平，語(yǔ)音質(zhì)量及干擾情況，選擇切換的目的對(duì)象，對(duì)于同一BSC控制的小區(qū)間切換，由BSC完全控制，而不同BSC控制的小區(qū)間切換則由MSC控制完成。

(6)支持呼叫控制：通過(guò)移動(dòng)交換中心實(shí)現(xiàn)話路連接，還可提供主、被叫排隊(duì)機(jī)制。

(7)操作與維護(hù)：收集BSC及BTS告警，并傳至OMC，同時(shí)更新自身內(nèi)部資源表；配合OMC實(shí)現(xiàn)對(duì)BSS的軟件升級(jí)。

BTS是服務(wù)于某蜂窩小區(qū)的無(wú)線收發(fā)信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)BTS與MS空中接口的功能。BTS主要分為基帶單元、載頻單元和控制單元三部分。基帶單元主要用于語(yǔ)音和數(shù)據(jù)速率適配以及信道編碼等；載頻單元主要用于調(diào)制/解調(diào)與發(fā)射機(jī)/接收機(jī)間的耦合；控制單元?jiǎng)t用于BTS的操作與維護(hù)。

NSS完成系統(tǒng)的交換功能以及與其他通信網(wǎng)絡(luò)(如PSTN)之間的通信連接。MSC是NSS的中心單元，控制著所有BSC之間的業(yè)務(wù)。

NSS主要由移動(dòng)交換中心(MSC)、訪問(wèn)用戶位置寄存器(VLR)、歸屬用戶位置寄存器(HLR)、鑒權(quán)中心(AUC)、移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR)等幾部分構(gòu)成。

MSC是整個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)的核心，完成或參與NSS的全部功能，協(xié)調(diào)與控制整個(gè)GSM網(wǎng)絡(luò)中BSS、OSS的各個(gè)功能實(shí)體。

MSC提供各種接口，如與BSC的接口，與內(nèi)部各功能實(shí)體的接口，與PSTN、ISDN、PSPDN、PLMN等其他通信網(wǎng)絡(luò)的接口，并實(shí)現(xiàn)各種相應(yīng)的管理功能。MSC還支持一系列業(yè)務(wù)，如電信業(yè)務(wù)、承載業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)。除此之外，還支持位置登記、越區(qū)切換和自動(dòng)漫游等其他網(wǎng)絡(luò)管理功能。

VLR是服務(wù)于其控制區(qū)域內(nèi)移動(dòng)用戶的一個(gè)寄存器，存儲(chǔ)著進(jìn)入其控制區(qū)域內(nèi)已登記的移動(dòng)用戶的相關(guān)信息，為已登記的移動(dòng)用戶提供建立呼叫接續(xù)的必要條件。當(dāng)某用戶進(jìn)入一個(gè)VLR控制的特定區(qū)域中時(shí)，移動(dòng)用戶要在該VLR上登記注冊(cè)；然后，此VLR會(huì)通過(guò)相連MSC，將這個(gè)用戶的必要信息通知該移動(dòng)用戶的歸屬位置寄存器(HLR)，同時(shí)從移動(dòng)用戶的歸屬位置寄存器(HLR)獲取該用戶的其他信息；一旦用戶離開(kāi)這個(gè)區(qū)域，此用戶的相關(guān)參數(shù)將從該VLR中刪除。

HLR用于存儲(chǔ)每一個(gè)相同MSC中所有初始登記注冊(cè)用戶的個(gè)人信息和位置信息，包括用戶識(shí)別號(hào)碼、訪問(wèn)能力、用戶類別和補(bǔ)充業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，由它控制整個(gè)移動(dòng)交換區(qū)域乃至整個(gè)PLMN。其中的位置信息由移動(dòng)用戶當(dāng)前所在區(qū)域的VLR提供，用于為呼叫該用戶時(shí)提供路由，因此HLR中存儲(chǔ)的用戶位置信息是經(jīng)常更新的。

AUC存儲(chǔ)著移動(dòng)用戶的鑒權(quán)信息和加密密鑰，是為了防止非授權(quán)用戶接入系統(tǒng)和防止無(wú)線接口中數(shù)據(jù)被竊。

EIR存儲(chǔ)著移動(dòng)設(shè)備的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼(IMEI)，通過(guò)核查三種表格(白名單、灰名單、黑名單)使得網(wǎng)絡(luò)具有防止非授權(quán)用戶設(shè)備接入、監(jiān)視故障設(shè)備的運(yùn)行和保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全的功能。

OSS是僅提供給負(fù)責(zé)GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)設(shè)備運(yùn)營(yíng)公司的一個(gè)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)用來(lái)支持GSM網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)，這個(gè)子系統(tǒng)的主要功能包括三個(gè)方面：①維護(hù)特定區(qū)域中所有的通信硬件和網(wǎng)絡(luò)操作；②管理所有收費(fèi)過(guò)程；③管理網(wǎng)絡(luò)中的所有移動(dòng)設(shè)備。

OSS支持一個(gè)或多個(gè)操作維護(hù)中心(OMC)，操作維護(hù)中心用于管理網(wǎng)絡(luò)中的所有MS、BTS、BSC和MSC的性能，負(fù)責(zé)調(diào)整所有基站參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)過(guò)程。GSM網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)任務(wù)都有一個(gè)特定的OMC負(fù)責(zé)。OSS與其他GSM子系統(tǒng)內(nèi)部相連，允許系統(tǒng)工程師對(duì)GSM系統(tǒng)的所有方面進(jìn)行監(jiān)視、診斷和檢修。2.2.2GSM基站子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本小節(jié)主要介紹基站子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)，包括BTS、天饋?zhàn)酉到y(tǒng)、BSC三部分。

1.?BTS

圖2-2-2顯示了BTS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其與基站控制器(BSC)的連接關(guān)系。圖2-2-2BTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

1)?BTS的邏輯功能框圖

BTS包括BTS設(shè)備及機(jī)柜、遠(yuǎn)端維護(hù)臺(tái)、環(huán)境監(jiān)控設(shè)備等。將Abis標(biāo)準(zhǔn)接口與BSC互連，通過(guò)Um接口與MS通信，主要完成Um接口協(xié)議和Abis接口協(xié)議的處理，從而實(shí)現(xiàn)BSC與MS之間的信息轉(zhuǎn)換。一種典型BTS的邏輯功能框圖如圖2-2-3所示。圖2-2-3典型BTS的邏輯功能框圖圖2-2-3中，BTS主要由公共子系統(tǒng)、載頻子系統(tǒng)、射頻前端子系統(tǒng)和天饋?zhàn)酉到y(tǒng)四個(gè)功能子系統(tǒng)組成。BTS中有四類總線，分別是數(shù)據(jù)總線(DBUS)、控制總線(CBUS)、時(shí)鐘總線(TBUS)和跳頻總線(FH_BUS)。BTS與BSC的連接線路采用符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)的2.048M的E1接口線纜。下面對(duì)BTS的組成部分分別進(jìn)行介紹。

(1)公共子系統(tǒng)。BTS的公共子系統(tǒng)內(nèi)配置有定時(shí)/傳輸和管理單元(DTMU)、環(huán)境監(jiān)控板(DEMU)、天線與塔放控制板(DATU)。

BTS公共子系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘、電源、傳輸接口、維護(hù)接口和外部告警采集接口。BTS公共子系統(tǒng)主要包括如下功能：E1信號(hào)接入和防雷、環(huán)境告警采集和監(jiān)控、基站時(shí)鐘供給、信號(hào)防雷、開(kāi)關(guān)量接入和電調(diào)天線控制及塔放饋電。

(2)載頻子系統(tǒng)。載頻子系統(tǒng)分為基帶部分和射頻部分，主要完成基帶信號(hào)處理、射頻信號(hào)的收發(fā)處理、功率放大、支持發(fā)射分集和接收分集等功能。

基帶處理部分完成信令處理、信道編譯碼、交織/解交織、調(diào)制與解調(diào)等功能。射頻發(fā)送部分完成兩個(gè)載波基帶信號(hào)到射頻信號(hào)的調(diào)制、上變頻、濾波、射頻跳頻、信號(hào)放大、合路輸出等功能；射頻接收部分完成兩個(gè)載波的射頻信號(hào)分路、接收分集、射頻跳頻以及解調(diào)等功能。

(3)射頻前端子系統(tǒng)。射頻前端子系統(tǒng)通過(guò)CBUS3總線與DTMU通信，完成多載波合路輸出、收發(fā)信號(hào)雙工、前端低噪聲放大器增益控制、支持在線軟件升級(jí)等功能。

(4)天饋?zhàn)酉到y(tǒng)。天饋?zhàn)酉到y(tǒng)的主要功能是作為射頻信號(hào)發(fā)射和接收的通道，由天線、饋線、跳線和塔頂放大器等組成。本小節(jié)后面將對(duì)天饋?zhàn)酉到y(tǒng)作詳細(xì)的介紹。

2)?BTS基站子系統(tǒng)的信號(hào)流

(1)下行業(yè)務(wù)信號(hào)流如圖2-2-4所示。DTMU接收來(lái)自BSC的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)交換和處理，然后把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的收發(fā)信機(jī)DTRU。DTRU完成數(shù)字濾波，經(jīng)過(guò)射頻電路進(jìn)一步上變頻、濾波放大，最后把信號(hào)傳送給雙工器DDPU。DDPU內(nèi)的雙工器對(duì)DTRU的輸出信號(hào)進(jìn)行雙工濾波，然后把信號(hào)通過(guò)饋線和塔頂天線發(fā)射出去。圖2-2-4下行業(yè)務(wù)信號(hào)流圖

(2)上行業(yè)務(wù)信號(hào)流如圖2-2-5所示。天線接收MS發(fā)射的上行信號(hào)，經(jīng)過(guò)塔頂放大器TMA對(duì)接收信號(hào)放大，然后接收信號(hào)通過(guò)饋線被傳送給DDPU。DDPU接收到上行信號(hào)，完成雙工器接收濾波和低噪聲放大后，傳送給收發(fā)信機(jī)DTRU。DTRU接收DDPU送來(lái)的上行信號(hào)，在DTRU內(nèi)經(jīng)過(guò)放大和下變頻，輸出至DTMU。DTMU把信號(hào)通過(guò)Abis接口傳輸給基站控制器BSC。圖2-2-5上行業(yè)務(wù)信號(hào)流圖

(3)基站的信令處理信號(hào)流如圖2-2-6所示。Abis接口接收來(lái)自BSC信令的數(shù)據(jù)，并把這些信令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給DTMU。DTMU對(duì)信令進(jìn)行判決和處理，然后把信令傳送給DTRU、DDPU。DTRU、DDPU分別把單元狀態(tài)信息上報(bào)給DTMU。DTMU收集所有單元狀態(tài)信息后，進(jìn)行分析和處理得出BTS的狀態(tài)，然后把BTS狀態(tài)通過(guò)Abis接口傳送給BSC。圖2-2-6基站的信令處理的信號(hào)流圖

3)?BTS軟件結(jié)構(gòu)

BTS軟件的結(jié)構(gòu)如圖2-2-7所示。圖2-2-7BTS軟件的結(jié)構(gòu)示意圖

(1)信令處理軟件。BTS和BSC之間傳送的不僅有語(yǔ)音和數(shù)據(jù)，還有信令。信令處理是BTS業(yè)務(wù)處理的核心內(nèi)容，以載波為單位完成BTS的絕大部分業(yè)務(wù)處理功能。信令處理軟件運(yùn)行于DTRU單板上。

(2)基帶信號(hào)處理軟件?；鶐盘?hào)處理軟件運(yùn)行于DTRU上，并與DTRU數(shù)字信號(hào)處理部分的硬件電路一起實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道上的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和信令的編碼、譯碼以及接收信號(hào)的解調(diào)工作。

(3)操作維護(hù)和傳輸設(shè)備控制軟件。操作維護(hù)軟件運(yùn)行于DTMU上，這是BTS軟件的公共控制部分，也是BTS操作維護(hù)功能的核心，BTS的其他各部分軟件均有與它的接口。傳輸設(shè)備控制軟件作為操作維護(hù)軟件的一個(gè)模塊，控制BSC和BTS之間的地面?zhèn)鬏旀溌贰?/p>

2.天饋?zhàn)酉到y(tǒng)

天饋?zhàn)酉到y(tǒng)中各部分的連接關(guān)系如圖2-2-8所示。圖2-2-8天饋?zhàn)酉到y(tǒng)連接示意圖

1)天線

天線是發(fā)射的最后端和接收的最前端。天線是一種轉(zhuǎn)換器，它將饋線中傳輸?shù)碾姶拍芰哭D(zhuǎn)換為在空間傳播的電磁波，同時(shí)也將在空間傳播的電磁波轉(zhuǎn)換為饋線中傳輸?shù)碾姶拍芰?。在移?dòng)通信系統(tǒng)中使用的基站天線一般為由基本單元振子組成的天線陣列。

天線的類型、增益、方位角、前后比都會(huì)影響系統(tǒng)性能，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者可根據(jù)用戶量、覆蓋范圍等進(jìn)行選擇。移動(dòng)通信基站常用的天線有全向天線、定向天線、特殊天線、多天線系統(tǒng)等。在蜂窩移動(dòng)通信中，基站天線一般采用的都是垂直放置的線極化天線，因此會(huì)產(chǎn)生垂直線極化波。為了改善接收性能和減少基站天線數(shù)量，基站天線開(kāi)始采用雙極化天線，這樣既能收發(fā)水平極化波，又能收發(fā)垂直極化波。一般采用?±45°極化方式，其性能優(yōu)于垂直或水平極化方式。

2)射頻電纜

為減少傳輸損耗，BTS采用低損耗射頻電纜，主饋線電纜有7/8英寸、5/4英寸等多種規(guī)格可供選擇。天線到饋線、天線到塔放、機(jī)柜到避雷器之間采用1/2英寸超柔電纜連接。

3)防雷保護(hù)器

防雷保護(hù)器主要用來(lái)防雷和泄流，裝在主饋線與室內(nèi)超柔饋線之間，其接地線穿過(guò)饋線過(guò)線窗引出室外，與塔體相連或直接接入地網(wǎng)。

4)塔頂放大器

塔頂放大器簡(jiǎn)稱塔放(TMA)，是一種安裝在天線塔頂上的低噪聲放大器模塊。塔頂放大器的主要功能是將天線接收到的上行信號(hào)在經(jīng)過(guò)饋線傳輸衰耗之前進(jìn)行放大，這樣可以提高基站系統(tǒng)的接收靈敏度，提高系統(tǒng)的上行覆蓋范圍，保證DDPU(DualDuplexerUnitforDTRUBTS)天饋系統(tǒng)接口的接收靈敏度，同時(shí)可有效降低手機(jī)的發(fā)射功率，提高通話質(zhì)量。塔頂放大器為可選件，一般選配三工塔放，緊靠天線安裝。三工塔放由三工濾波器、低噪聲放大器和饋電三部分組成，如圖2-2-9所示。三工塔放同時(shí)具備收發(fā)雙工與塔頂放大器供電的功能。三工濾波器實(shí)際上可以看成是圖中兩個(gè)雙工濾波器合二為一的器件，從天線來(lái)的信號(hào)首先經(jīng)三工濾波器濾除帶外干擾，然后由低噪聲放大器將接收的弱信號(hào)放大，再用低損耗電纜將放大后的信號(hào)送到室內(nèi)單元。圖2-2-9三工塔放原理框圖

3.?BSC

BSC在基站子系統(tǒng)中所處的位置如圖2-2-10所示。圖2-2-10BSC在基站子系統(tǒng)中所處的位置

1)?BSC的傳輸設(shè)備

BSC的傳輸設(shè)備包括三個(gè)部分。①?BIE：基站接口設(shè)備(提供Abis接口的信令處理與信道復(fù)用功能)；②?SM：BSC與TC間的子復(fù)用設(shè)備(將PCM傳輸線的數(shù)量降到最少)，見(jiàn)圖2-2-11；③?TSC：碼形變換器與復(fù)用器控制器(收集來(lái)自傳輸設(shè)備的數(shù)據(jù))。圖2-2-11SM所處位置示意圖

2)?BSC傳輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)

上述BSC傳輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2-12所示，由TSU、電源、時(shí)鐘與告警、數(shù)字交換網(wǎng)組成。圖2-2-12BSC傳輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖

(1)端口子單元(TSU)，是BSC的基本配置單位，共有三類TSU。

①?AbisTSU：負(fù)責(zé)Abis接口的信道與信令處理，由TCU(收發(fā)信控制單元)、BIU(基站接口單元)與接入級(jí)(AS)交換板組成。

②?AterTSU：提供到TC架的連接，由DTC(數(shù)字中繼器)、SMB(多路復(fù)用器)與接入級(jí)(AS)交換板組成。

③?CommonTSU：提供對(duì)BSC的操作維護(hù)與系統(tǒng)管理功能，由CPR(公共處理器)與接入級(jí)(AS)交換板組成。所有模塊均為冗余備份。

(2)數(shù)字交換網(wǎng)(DCN)負(fù)責(zé)BSC控制單元之間的信息交互，共分為三級(jí)交換：

①AS：接入級(jí)交換網(wǎng)，負(fù)責(zé)將控制單元接入交換網(wǎng)；

②GS1：第一級(jí)組網(wǎng)級(jí)交換，連接接入級(jí)與二級(jí)組網(wǎng)級(jí)；

③GS2：第二級(jí)組網(wǎng)級(jí)交換，為交換網(wǎng)的核心。

(3)傳輸電路板的控制總線入口(TSCA)。所有BSC與BTS傳輸模塊的配置文件均通過(guò)它下載。

(4)電源模塊(DC/DC)。提供N?+?1冗余的直流電源模塊。

(5)時(shí)鐘與告警模塊(BCLA)。提供整個(gè)BSC的工作時(shí)鐘，包括兩種時(shí)鐘板：系統(tǒng)時(shí)鐘板(SYSBCLA)，提取并產(chǎn)生時(shí)鐘；機(jī)架時(shí)鐘板(RackBCLA)，分配時(shí)鐘。

每一種BSC的配置均以一個(gè)CommonTSU和幾個(gè)AbisTSU及AterTSU由DCN連接組成，結(jié)構(gòu)如圖2-2-13所示。圖2-2-13BSC的配置結(jié)構(gòu)圖

4.基站子系統(tǒng)的組網(wǎng)

基站子系統(tǒng)BSS組網(wǎng)指的是BTS與BSC的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。由于一個(gè)BSC可以控制多個(gè)BTS，它們之間的連接方式也就有不同的形式。一般的BSS都內(nèi)置多種傳輸方式，有E1、STM-1等多種傳輸方式，也有外置的衛(wèi)星傳輸方式及微波傳輸方式等，從而提供靈活的組網(wǎng)方式。BSS組網(wǎng)方式按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢苑譃槿缦聨追N類型：星型組網(wǎng)、鏈型組網(wǎng)、樹(shù)型組網(wǎng)和環(huán)型組網(wǎng)。

(1)星型組網(wǎng)

星型組網(wǎng)適用于一般的應(yīng)用場(chǎng)合，在城市人口稠密的地區(qū)，這種組網(wǎng)方式尤為普遍。星型組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)是組網(wǎng)中每個(gè)BTS都由E1線直接和BSC相連，這種組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單，維護(hù)、工程施工、擴(kuò)容等都很方便。由于信號(hào)經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)少，因此線路的可靠性較高。缺點(diǎn)是星型組網(wǎng)方式對(duì)傳輸線的需要量比其他組網(wǎng)方式大。星型組網(wǎng)示意圖如圖2-2-14所示。

圖2-2-14星型組網(wǎng)示意圖

(2)鏈型組網(wǎng)

鏈型組網(wǎng)示意圖如圖2-2-15所示。鏈型組網(wǎng)適用于呈帶狀分布的業(yè)務(wù)區(qū)域或用戶密度較小的特殊地區(qū)，如高速公路沿線、鐵路沿線等。鏈型組網(wǎng)方式可以降低傳輸設(shè)備、工程建設(shè)和傳輸鏈路租用的成本。但鏈型組網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)較多，線路可靠性較差；上級(jí)BTS的故障可能會(huì)影響下級(jí)BTS的正常運(yùn)行；鏈型組網(wǎng)對(duì)串聯(lián)的級(jí)數(shù)有限制，串聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)一般要求不超過(guò)5級(jí)。

圖2-2-15鏈型組網(wǎng)示意圖

(3)樹(shù)型組網(wǎng)

樹(shù)型組網(wǎng)方式適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、站點(diǎn)及用戶密度分布較復(fù)雜的情況，比如大面積用戶與熱點(diǎn)地區(qū)或小面積用戶交錯(cuò)的地區(qū)。樹(shù)型組網(wǎng)傳輸線的消耗量小于星型組網(wǎng)。由于信號(hào)經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)多，樹(shù)型組網(wǎng)線路可靠性相對(duì)較低，工程施工難度較大，維護(hù)相對(duì)困難；上級(jí)BTS的故障可能會(huì)影響下級(jí)BTS的正常運(yùn)行；擴(kuò)容不方便，可能會(huì)引起對(duì)網(wǎng)絡(luò)的較大改造；樹(shù)型組網(wǎng)對(duì)串聯(lián)的級(jí)數(shù)有限制，一般要求串聯(lián)不超過(guò)5級(jí)，即樹(shù)的深度不要超過(guò)5層。樹(shù)型組網(wǎng)示意圖如圖2-2-16所示。

圖2-2-16樹(shù)型組網(wǎng)示意圖

(4)環(huán)型組網(wǎng)

環(huán)型組網(wǎng)方式適用于一般的應(yīng)用場(chǎng)合。環(huán)型網(wǎng)有較強(qiáng)的自愈能力，如果某處的E1損壞，環(huán)型網(wǎng)可以自愈成一個(gè)鏈型網(wǎng)，業(yè)務(wù)不受到任何影響。一般情況下，只要路由允許，都應(yīng)盡可能組建環(huán)型網(wǎng)。環(huán)型組網(wǎng)示意圖如圖2-2-17所示。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，往往是以上各種組網(wǎng)方式的綜合使用。合理地應(yīng)用各種組網(wǎng)方式，可以在提供合格的服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，節(jié)省大量的傳輸設(shè)備投資。

圖2-2-17環(huán)型組網(wǎng)示意圖

5.?BSS的操作維護(hù)子系統(tǒng)

操作維護(hù)子系統(tǒng)通過(guò)OMC提供對(duì)基站進(jìn)行遠(yuǎn)端操作維護(hù)的功能，或是通過(guò)人機(jī)接口(MMI)終端提供對(duì)BSS進(jìn)行本地近端操作維護(hù)的功能。兩者都需要BSS操作維護(hù)程序的支持。操作維護(hù)程序是BSS軟件的公共控制部分，是BSS操作維護(hù)功能的核心，BSS的其他各部分程序均有與它的接口。

2.3GSM系統(tǒng)的主要規(guī)格參數(shù)

GSM系統(tǒng)的主要規(guī)格參數(shù)如表2-2-1所示。

1.?TDMA/FDMA多址接入方式

GSM蜂窩系統(tǒng)采用時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)和頻分雙工(FDD)體制。在25MHz的頻段中共有125個(gè)射頻信道，去掉上下各一個(gè)100kHz的保護(hù)帶寬，實(shí)際可用射頻信道是124個(gè)。這124個(gè)射頻信道以絕對(duì)無(wú)線信道號(hào)(ARFCN)標(biāo)識(shí)。一個(gè)ARFCN代表一對(duì)前向和反向射頻信道。對(duì)GSM900，前向和反向信道的頻率間隔為45MHz；對(duì)DCS1800和PCS1900系統(tǒng)，前向和反向信道的頻率間隔為95MHz，每載頻帶寬為200kHz。每載波都在時(shí)間上劃分成時(shí)隙(TS)，一個(gè)時(shí)隙號(hào)碼和ARFCN相結(jié)合構(gòu)成前向鏈路和反向鏈路中的一個(gè)物理信道。一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間寬為0.577ms，8個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)TDMA幀，一個(gè)TDMA幀長(zhǎng)為4.615ms。GSM系統(tǒng)中，物理信道、時(shí)隙、幀之間的關(guān)系如圖2-3-1所示。

圖2-3-1TDMA/FDMA接入方式

2.信道頻率與絕對(duì)射頻信道號(hào)之間的關(guān)系

1)?GSM900

GSM900共有124個(gè)可用射頻信道，ARFCN為1～124。按照國(guó)家規(guī)定，中國(guó)移動(dòng)通信公司占用890?MHz～909?MHz/

935?MHz～954?MHz，中國(guó)聯(lián)合通信公司占用909?MHz～915MHz/954MHz～960MHz。

頻率與ARFCN的關(guān)系如下：

基站收：f1(n)=890.2+(n－1)×0.2(MHz)

基站發(fā)：f2(n)=f1(n)+45(MHz)

2)?DCS1800

DCS1800共有374個(gè)頻點(diǎn)，序號(hào)(ARFCN)為512～885。中國(guó)移動(dòng)通信公司占用1710MHz～1720MHz/1805MHz～1815MHz，中國(guó)聯(lián)合通信公司占用1745MHz～1755MHz/

1840MHz～1850MHz。

頻率與序號(hào)(n)的關(guān)系如下：

基站收：f1(n)=1710.2+(n－512)×0.2(MHz)

基站發(fā)：f2(n)=f1(n)+95(MHz)

3.調(diào)制方式

GSM采用GMSK作為其調(diào)制方式。GMSK是最小頻移鍵控(MSK)的一種派生形式。與MSK的差別在于基帶數(shù)據(jù)序列要通過(guò)一個(gè)具有高斯沖激響應(yīng)(時(shí)間帶寬積T?=?0.3)的濾波器。這種濾波的帶限程度相當(dāng)高。濾波器的頻譜因此相當(dāng)?shù)恼?，但?huì)引入比較嚴(yán)重的碼間干擾(ISI)。另一方面，由無(wú)線信道時(shí)延色散所引起的碼間干擾通常更為嚴(yán)重。因而，必須采用某種均衡措施。標(biāo)準(zhǔn)并未就檢測(cè)方式做出規(guī)定。差分檢測(cè)、相干檢測(cè)或限幅-鑒頻器檢測(cè)都可以被采用。

GSM采用0.3GMSK調(diào)制方式。其中，0.3表示高斯脈沖成形濾波器的3?dB帶寬與比特周期的乘積(即BTb?=?0.3)，通過(guò)使載波頻率偏移?±67.708kHz來(lái)表示二進(jìn)制中的0和1。GSM信道的速率為270.833kb/s，正好是RF頻率偏移的4倍，這樣剛好符合MSK的要求，在最小頻移的情況下信號(hào)的功率譜隨著頻率偏離中心頻率的衰減最快，可以減少調(diào)制信號(hào)的占用帶寬并提高信道效率，其頻譜利用率為1.35?b/s·Hz－1。

4.語(yǔ)音編碼

GSM系統(tǒng)采用的語(yǔ)音編碼方式是13kb/s的RPE-LTP(規(guī)則脈沖激勵(lì)-長(zhǎng)期預(yù)測(cè))。目的是在不增加誤碼的情況下，以較小的速率優(yōu)化頻譜占用，同時(shí)盡量能夠得到與固定電話相同的語(yǔ)音質(zhì)量。首先將語(yǔ)音分成以20ms為單位的語(yǔ)音塊，再將每個(gè)塊用8kHz抽樣，得到每塊160個(gè)樣本。每個(gè)樣本經(jīng)過(guò)A率13比特(μ率14比特)的量化，又分別加上3個(gè)或2個(gè)(因?yàn)锳率和μ率的量化值不同)“0”，最后每個(gè)樣本就得到16比特的量化值，所以數(shù)字化之后得到128kb/s的數(shù)據(jù)流。這個(gè)數(shù)據(jù)流太高沒(méi)辦法在無(wú)線信道中傳播，所以需通過(guò)編碼器進(jìn)行壓縮編碼。如果使用全速率編碼器，每個(gè)語(yǔ)音塊將被編碼成260個(gè)比特，最后形成了13kb/s的編碼速率。

5.信道編碼

GSM使用的編碼方式主要有塊卷積碼、糾錯(cuò)循環(huán)碼、奇偶碼。塊卷積碼主要用于糾錯(cuò)，當(dāng)解調(diào)器采用最大似然估計(jì)方法時(shí)，可以產(chǎn)生十分有效的糾錯(cuò)結(jié)果。GSM系統(tǒng)中采用的卷積編碼速率為1/2。糾錯(cuò)循環(huán)碼主要用于檢測(cè)和糾正成組出現(xiàn)的誤碼，通常和塊卷積碼混合使用，用于捕捉和糾正遺漏的組誤差。奇偶碼是一種普遍使用的、最簡(jiǎn)單的檢測(cè)誤碼的方法。

2.4GSM位置區(qū)劃分及編號(hào)方式

2.4.1GSM位置區(qū)域的概念

GSM系統(tǒng)屬于小區(qū)制大容量移動(dòng)通信網(wǎng)，在它的服務(wù)區(qū)內(nèi)設(shè)置有很多基站，移動(dòng)通信網(wǎng)在此服務(wù)區(qū)內(nèi)，具有控制、交換功能，以實(shí)現(xiàn)位置更新、呼叫接續(xù)、越區(qū)切換及漫游等功能。

在由GSM系統(tǒng)組成的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，其相應(yīng)的區(qū)域定義如圖2-25所示。

1.服務(wù)區(qū)

服務(wù)區(qū)是指移動(dòng)臺(tái)可獲得服務(wù)的區(qū)域，即不同通信網(wǎng)的用戶無(wú)需知道移動(dòng)臺(tái)的具體位置即可與之通信的區(qū)域。

2.公用陸地移動(dòng)通信網(wǎng)區(qū)域(PLMN)

PLMN區(qū)是指整個(gè)陸地移動(dòng)通信網(wǎng)的地理區(qū)域。在該區(qū)內(nèi)具有共同的編號(hào)制度和共同的路由計(jì)劃，它是獨(dú)立于通信網(wǎng)中其他網(wǎng)絡(luò)(如ISDN、PSTN網(wǎng))的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

3.?MSC區(qū)

MSC區(qū)是指由一個(gè)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心所控制的所有小區(qū)共覆蓋的區(qū)域構(gòu)成的PLMN網(wǎng)的一部分。一個(gè)MSC區(qū)可由若干位置區(qū)構(gòu)成。

4.位置區(qū)

位置區(qū)是指移動(dòng)臺(tái)可任意移動(dòng)而不需要進(jìn)行位置更新的區(qū)域，一個(gè)位置區(qū)可由若干個(gè)小區(qū)(或基站區(qū))組成。為了呼叫一個(gè)移動(dòng)臺(tái)，可在一個(gè)位置區(qū)內(nèi)所有基站同時(shí)發(fā)起呼叫。

5.基站區(qū)

基站區(qū)是指由同一區(qū)域的一個(gè)或數(shù)個(gè)基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)包括的所有小區(qū)所覆蓋的區(qū)域。

6.扇區(qū)

扇區(qū)是指采用基站識(shí)別碼或全球扇區(qū)識(shí)別碼進(jìn)行標(biāo)識(shí)的無(wú)線覆蓋區(qū)域。在使用全向天線結(jié)構(gòu)時(shí)，扇區(qū)即為基站區(qū)。在設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)具體化的蜂房就是一個(gè)扇區(qū)。圖2-4-1所示為區(qū)域級(jí)別定義圖。

圖2-4-1GSM區(qū)域級(jí)別定義圖2.4.2GSM編號(hào)方式

GSM網(wǎng)絡(luò)包含無(wú)線、有線信道，并與其他網(wǎng)絡(luò)如PSTN、ISDN、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)或其他PLMN網(wǎng)互相連接。為了將一次呼叫連續(xù)傳至某個(gè)移動(dòng)用戶，則需要調(diào)用相應(yīng)的實(shí)體。因此，正確尋址就非常重要，各種號(hào)碼被用于識(shí)別不同的移動(dòng)用戶、移動(dòng)設(shè)備以及不同的網(wǎng)絡(luò)。

各種號(hào)碼的定義及用途說(shuō)明如下所述。

1.國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼(IMSI)

IMSI的組成如圖2-4-2所示。IMSI的總長(zhǎng)不超過(guò)15位數(shù)字，每位數(shù)字僅使用0～9的數(shù)字。圖中，MCC代表移動(dòng)用戶所屬國(guó)家代號(hào)，占3位數(shù)字，中國(guó)的MCC規(guī)定為460；MNC代表移動(dòng)網(wǎng)號(hào)碼，最多由兩位數(shù)字組成，用于識(shí)別移動(dòng)用戶所歸屬的移動(dòng)通信網(wǎng)；MSIN代表移動(dòng)用戶識(shí)別碼，用以識(shí)別某一移動(dòng)通信網(wǎng)(PLMN)中的移動(dòng)用戶。圖2-4-2國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼(IMSI)的格式

2.臨時(shí)移動(dòng)用戶識(shí)別碼(TMSI)

考慮到移動(dòng)用戶識(shí)別碼的安全性，GSM系統(tǒng)能提供安全保密措施，即空中接口無(wú)線傳輸?shù)淖R(shí)別碼采用TMSI代替IMSI，且兩者之間可按一定的算法互相轉(zhuǎn)換。訪問(wèn)位置寄存器(VLR)可給來(lái)訪的移動(dòng)用戶分配一個(gè)TMSI(只限于在該訪問(wèn)服務(wù)區(qū)使用)?？傊琁MSI只在起始入網(wǎng)登記時(shí)使用，在后續(xù)的呼叫中則使用TMSI，以避免IMSI被竊取，防止竊聽(tīng)者檢測(cè)用戶的通信內(nèi)容，或者非法盜用合法用戶的IMSI。

TMSI總長(zhǎng)不超過(guò)4個(gè)字節(jié)，其格式可由各運(yùn)營(yíng)部門決定。

3.國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼(IMEI)

IMEI是區(qū)別移動(dòng)臺(tái)設(shè)備的標(biāo)志，可用于監(jiān)控被竊或無(wú)效的移動(dòng)設(shè)備。IMEI的格式如圖2-4-3所示。圖中，TAC代表型號(hào)批準(zhǔn)碼，由歐洲型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中心分配；FAC代表裝配廠家號(hào)碼；SNR代表產(chǎn)品序號(hào)，用于區(qū)別同一個(gè)TAC和FAC中的每臺(tái)移動(dòng)設(shè)備；SP代表備用。

圖2-4-3國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼(IMEI)的格式

4.移動(dòng)臺(tái)國(guó)際ISDN號(hào)碼(MSISDN)

MSISDN為呼叫GSM系統(tǒng)中的某個(gè)移動(dòng)用戶所需撥的號(hào)碼。一個(gè)移動(dòng)臺(tái)可分配一個(gè)或幾個(gè)MSISDN號(hào)碼，其組成格式如圖2-4-4所示。圖中，CC代表國(guó)家代號(hào)，即移動(dòng)臺(tái)注冊(cè)登記的國(guó)家代號(hào)，中國(guó)為86；NDC代表國(guó)內(nèi)地區(qū)碼，每個(gè)PLMN有一個(gè)NDC；SN代表移動(dòng)用戶號(hào)碼。

圖2-4-4移動(dòng)臺(tái)國(guó)際ISDN的格式

5.移動(dòng)臺(tái)漫游號(hào)碼(MSRN)

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)漫游到一個(gè)新的服務(wù)區(qū)時(shí)，VLR會(huì)給它分配一個(gè)臨時(shí)性的漫游號(hào)碼，并通知該移動(dòng)臺(tái)的HLR，用于建立通信路由。一旦該移動(dòng)臺(tái)離開(kāi)該服務(wù)區(qū)，此漫游號(hào)碼即被收回，并可分配給其他來(lái)訪的移動(dòng)臺(tái)使用。

漫游號(hào)碼的組成格式與移動(dòng)臺(tái)國(guó)際(或國(guó)內(nèi))ISDN的號(hào)碼

相同。

6.位置區(qū)識(shí)別碼和基站識(shí)別色碼

(1)位置區(qū)識(shí)別碼(LAI)

當(dāng)檢測(cè)位置更新和信道切換時(shí)，要使用位置區(qū)識(shí)別碼(LAI)，LAI的組成格式如圖2-4-5所示。圖中的MCC和MNC均與IMSI的MCC和MNC相同；位置區(qū)碼(LAC)用于識(shí)別GSM移動(dòng)通信網(wǎng)中的一個(gè)位置區(qū)，最多不超過(guò)兩個(gè)字節(jié)，采用十六進(jìn)制編碼，由各運(yùn)營(yíng)部門自定。在LAI后面加上小區(qū)的標(biāo)志號(hào)(CI)還可以組成小區(qū)識(shí)別碼。圖2-4-5位置區(qū)識(shí)別碼格式

2)基站識(shí)別色碼(BSIC)

基站識(shí)別色碼(BSIC)用于移動(dòng)臺(tái)識(shí)別相同載頻的不同基站，特別用于區(qū)別在不同國(guó)家的邊界地區(qū)采用相同載頻且相鄰的基站。BSIC為一個(gè)6比特編碼，其格式如圖2-4-6所示。圖中，NCC代表PLMN色碼，用來(lái)識(shí)別相鄰的PLMN網(wǎng)；BCC代表BTS色碼，用來(lái)識(shí)別相同載頻的不同的基站。圖2-4-6基站識(shí)別色碼的格式2.5GSM邏輯信道和幀結(jié)構(gòu)

2.5.1GSM邏輯信道

1.業(yè)務(wù)信道(TCH)

全速率傳送時(shí)，用戶數(shù)據(jù)在一個(gè)時(shí)隙中傳送。而半速率傳輸時(shí)，兩個(gè)用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)映射到同一個(gè)時(shí)隙上，但是采用隔幀傳送的方式，因此兩個(gè)半速率的用戶可以共享同一個(gè)時(shí)隙，只是每隔一幀交替發(fā)送。在GSM系統(tǒng)中，TCH數(shù)據(jù)不會(huì)在作為廣播信道頻點(diǎn)的TDMA幀上傳播。此外，TCH復(fù)幀(包含26個(gè)TDMA幀)在第13和第26幀中會(huì)插入慢速輔助控制信道(SACCH)數(shù)據(jù)或空閑幀(IDLE)。如果第26幀中包含IDLE數(shù)據(jù)位，則為全速率TCH；如果包含SACCH數(shù)據(jù)，則為半速率的TCH。TCH復(fù)幀結(jié)構(gòu)如圖2-5-1所示。

圖2-5-1業(yè)務(wù)信道復(fù)幀結(jié)構(gòu)

2.控制信道(CCH)

控制信道用于傳送系統(tǒng)的信令和同步信號(hào)。GSM中有三種主要的控制信道：廣播信道(BroadcastCHannel，BCH)、公共控制信道(CommonControlCHannel，CCCH)和專用控制信道(DedicatedControlCHannel，DCCH)。控制信道復(fù)幀包含51個(gè)TDMA幀。CCH復(fù)幀的結(jié)構(gòu)如圖2-5-2所示。

圖2-5-2控制信道復(fù)幀結(jié)構(gòu)

1)廣播信道(BCH)

BCH在一個(gè)小區(qū)的指定ARFCN的前向鏈路的特定幀TS0中發(fā)送。BCH僅使用前向鏈路，是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的單方向控制信道，用于給小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)用戶提供同步信息，同時(shí)也被鄰接小區(qū)的移動(dòng)用戶監(jiān)測(cè)。所以，接收電平和MAHO(MobileAssistantHandOver)判決可以來(lái)自小區(qū)外的用戶。GSM系統(tǒng)中有三種類型的BCH。

(1)頻率校正信道(FrequencyCorrectionCHannel，F(xiàn)CCH)。該信道用于MS的頻率與基站的頻率同步。在控制復(fù)幀的第0幀發(fā)送，每隔10幀重復(fù)一次。

(2)同步信道(SynchronizationCHannel，SCH)。該信道傳送供MS進(jìn)行同步和對(duì)基站進(jìn)行識(shí)別的信息。SCH緊接在控制復(fù)幀的FCCH幀后發(fā)送，每隔10幀重復(fù)一次。SCH載有MS幀同步和BTS識(shí)別、BSIC碼、時(shí)間提前量等。

(3)廣播控制信道(BroadcastControlCHannel，BCCH)。該信道傳送BTS的一般信息，如小區(qū)和網(wǎng)絡(luò)的特征、小區(qū)內(nèi)其他可用的信道等。在控制復(fù)幀的第2幀到第5幀發(fā)送BCCH數(shù)據(jù)。

2)公共控制信道(CCCH)

(1)尋呼信道(PCH)。該信道是一個(gè)前向信道，用于基站尋呼MS，通知MS有來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的呼叫。MS在隨機(jī)接入信道(RACH)上予以響應(yīng)，傳送被呼用戶的IMSI(國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼)，有時(shí)可能采用TMSI(臨時(shí)移動(dòng)用戶識(shí)別碼)，并要求MS在RACH上回應(yīng)和提供鑒權(quán)信息，短消息也在PCH上傳送。

(2)隨機(jī)接入信道(RACH)。該信道是一個(gè)反向信道，用于MS對(duì)PCH的回應(yīng)，或隨機(jī)提出入網(wǎng)申請(qǐng)，即請(qǐng)求分配獨(dú)立專用控制信道(SDCCH)。

(3)接入認(rèn)可信道(AGCH)。該信道是一個(gè)前向信道，用于基站對(duì)移動(dòng)臺(tái)的隨機(jī)接入請(qǐng)求作出應(yīng)答，即給移動(dòng)臺(tái)分配一個(gè)SDCCH或直接分配一個(gè)TCH。

3)專用控制信道(DCCH)

(1)獨(dú)立專用控制信道(StandaloneDedicatedControlCHannel，SDCCH)。在BTS認(rèn)可MS的接入請(qǐng)求之后，BTS和MSC需要有一段時(shí)間來(lái)驗(yàn)證移動(dòng)臺(tái)的身份并為它分配業(yè)務(wù)信道。在這段時(shí)間內(nèi)，SDCCH用于保持MS和BTS的連接，傳送連接MS和BTS的信令數(shù)據(jù)。SDCCH可使用專門的物理信道，也可和BCH共用。

(2)慢速輔助控制信道(SlowAssociatedControlCHannel，SACCH)。該信道是一個(gè)雙向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制信道，用于在MS和BTS之間周期性地傳送某些特定信息。例如功率和幀調(diào)整控制信息、正在服務(wù)的基站和鄰近基站的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)等(用于MAHO)。SACCH可以與一個(gè)TCH信道聯(lián)用，也可以與一個(gè)SDCCH聯(lián)用。與TCH聯(lián)用時(shí)用SACCH/T表示，與SDCCH聯(lián)用時(shí)用SACCH/C表示。

(3)快速輔助控制信道(FastAssociatedControlCHannel，F(xiàn)ACCH)。該信道傳送的信息基本上與SDCCH相同。當(dāng)沒(méi)有

為移動(dòng)用戶分配SDCCH，但需要處理緊急事務(wù)(如切換請(qǐng)求

等)時(shí)，F(xiàn)ACCH通過(guò)從業(yè)務(wù)信道“偷”幀來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)TCH中的

兩個(gè)stealingbit(偷幀比特)被置位時(shí)，表明這個(gè)時(shí)隙中包含F(xiàn)ACCH，而不是TCH。基站根據(jù)MS最初接入請(qǐng)求時(shí)在RACH上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，能夠決定出合適的定時(shí)提前量和功率級(jí)，并通過(guò)SACCH向MS發(fā)送適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)提前量和功率級(jí)數(shù)據(jù)。一旦MS接收和處理完SACCH中傳送的定時(shí)提前量和功率級(jí)信息后，它就可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要發(fā)送常規(guī)突發(fā)序列信息了。在SDCCH傳送MS與基站間交互信息的期間，還同時(shí)配合MSC處理對(duì)該用戶進(jìn)行的鑒權(quán)操作。2.5.2GSM幀結(jié)構(gòu)

帶寬為200kHz的GSM射頻信道在時(shí)間上劃分成寬度約為576.92μs的等間隔時(shí)隙TS，每個(gè)時(shí)隙等效于156.25bit信息的時(shí)間長(zhǎng)度。

GSM系統(tǒng)采用緩存—突發(fā)方法發(fā)送數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)通信，每一個(gè)需要傳送的數(shù)據(jù)(包括用戶信息數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信息數(shù)據(jù))都在指定的時(shí)隙中傳送。一個(gè)時(shí)隙中傳送的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)突發(fā)序列。

GSM系統(tǒng)每8個(gè)時(shí)隙組成一幀，GSM幀在射頻信道上是周期性發(fā)送的。不同功能的信息數(shù)據(jù)都安排在指定幀的指定時(shí)隙發(fā)送。換句話說(shuō)，GSM的一個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)物理信道。這樣，每個(gè)GSM射頻信道形成8個(gè)物理信道，因此GSM系統(tǒng)共有8×124=992個(gè)物理信道。物理信道與邏輯信道的關(guān)系是映射關(guān)系，前面介紹的各種邏輯信道都是映射在這些物理信道上傳送的。

GSM幀的時(shí)長(zhǎng)為8×0.57692≈4.615?ms，包括8×156.25=1250?bit，因此，GSM的幀速率為216.66幀/秒，一個(gè)射頻信道的數(shù)據(jù)速率約為270.833kb/s，而單個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)速率(即每個(gè)用戶信道數(shù)據(jù)速率)為33.85kb/s。多個(gè)TDMA幀構(gòu)成復(fù)幀。GSM中有兩種復(fù)幀：第一種是26幀的業(yè)務(wù)復(fù)幀，每個(gè)業(yè)務(wù)復(fù)幀包含26個(gè)TDMA幀，時(shí)間長(zhǎng)度為120ms，用于TCH、FACCH和SACCH；第二種是51幀的控制復(fù)幀，控制復(fù)幀包含51個(gè)TDMA幀，時(shí)長(zhǎng)為235.385ms，用于BCCH、CCCH和SDCCH。

多個(gè)復(fù)幀構(gòu)成超幀。超幀由51個(gè)26幀的業(yè)務(wù)復(fù)幀或由26個(gè)51幀的控制復(fù)幀組成，因此，一個(gè)超幀包含51×26=1326個(gè)TDMA幀，共占6.12s的時(shí)間長(zhǎng)度。

2048個(gè)超幀構(gòu)成超高幀，一個(gè)超高幀包含2?715?648個(gè)TDMA幀，共占12?533.76s(3小時(shí)28分53秒760毫秒)。一個(gè)完整的超高幀大約為3.5小時(shí)，這對(duì)GSM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很重要的。因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)的加密算法是在精確幀數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而加密算法以TDMA幀號(hào)為一個(gè)輸入?yún)?shù)。所以，只有使用超高幀提供的大幀數(shù)才能保證提供充分的保密性。圖2-5-3所示為GSM系統(tǒng)中時(shí)隙、幀、復(fù)幀、超幀和超高幀的格式，以及這些時(shí)幀之間的關(guān)系與分層結(jié)構(gòu)。

圖2-5-3GSM系統(tǒng)的時(shí)幀結(jié)構(gòu)關(guān)系

GSM規(guī)定了五種數(shù)據(jù)突發(fā)序列類型，如圖2-5-4所示。

常規(guī)突發(fā)序列用于前向和反向鏈路的TCH和DCCH。頻率校正突發(fā)序列用來(lái)廣播前向鏈路上的頻率控制信息，允許移動(dòng)用戶將內(nèi)部頻率標(biāo)準(zhǔn)和基站的精確頻率進(jìn)行同步。同步突發(fā)序列用來(lái)廣播前向鏈路上的定時(shí)信息，調(diào)整MS的時(shí)間基準(zhǔn)，使得基站接收到的信號(hào)與基站時(shí)鐘同步。接入突發(fā)序列在反向鏈路上為MS傳輸入網(wǎng)申請(qǐng)。偽突發(fā)序列用于填充前向鏈路上未使用的時(shí)隙。

圖2-5-4GSM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)突發(fā)序列格式圖2-5-4所示的五種常規(guī)突發(fā)類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均包括起始和結(jié)束的尾比特，這兩個(gè)尾比特并不傳送數(shù)據(jù)，而是提供等效的時(shí)間段。之所以在突發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的兩端分別提供一個(gè)等效時(shí)間段，這是考慮到各種電路都有一個(gè)暫態(tài)過(guò)程，在無(wú)線信道上進(jìn)行突發(fā)傳輸時(shí)，載波電平從初始值上升到正常值需要一段上升時(shí)間。突發(fā)結(jié)束時(shí)，載波電平從正常值下降到零需要一段下降時(shí)間。起始和結(jié)束的尾比特就是允許載波功率在此時(shí)間段內(nèi)上升或下降到規(guī)定的數(shù)值。突發(fā)的最后8.25比特給出一段等效長(zhǎng)度的保護(hù)時(shí)間。這是由于不同的MS與基站的距離不同，設(shè)置這個(gè)保護(hù)時(shí)間用以防止不同MS的突發(fā)序列在基站接收機(jī)中產(chǎn)生重疊。

在常規(guī)突發(fā)的156.25個(gè)比特中，有114比特為信息承載比特，它們位于接近突發(fā)序列始端和末端的兩個(gè)57比特序列。中間段為26比特的均衡器訓(xùn)練序列，MS或基站接收機(jī)的自適應(yīng)均衡器使用該訓(xùn)練序列分析無(wú)線信道特性，在此基礎(chǔ)上調(diào)整均衡器參數(shù)，以獲得最佳的接收與解調(diào)。常規(guī)突發(fā)序列中間段的兩端各有一個(gè)偷幀標(biāo)志的控制比特，這兩個(gè)標(biāo)志用來(lái)區(qū)分在同一物理信道上的時(shí)隙中包含的是TCH數(shù)據(jù)還是FACCH數(shù)據(jù)。頻率校正突發(fā)中間的142個(gè)固定比特，實(shí)際上均為0，相應(yīng)發(fā)送的射頻是一個(gè)與載波有固定頻偏的單頻正弦波，這個(gè)正弦波用于校正移動(dòng)臺(tái)的載波頻率。

同步突發(fā)中的兩段39比特的加密數(shù)據(jù)用于傳送TDMA幀號(hào)和基站識(shí)別碼(BSIC)。其中，TDMA幀號(hào)用作用戶信息加密算法的一個(gè)輸入?yún)?shù)，基站識(shí)別碼用于移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量時(shí)區(qū)分使用同一個(gè)載頻的基站。同步突發(fā)中的訓(xùn)練序列較長(zhǎng)，這有利于分析信道特性和使移動(dòng)臺(tái)與基站的時(shí)幀結(jié)構(gòu)同步。接入突發(fā)的數(shù)據(jù)與其他突發(fā)格式有較大的差異。接入突發(fā)起始尾比特是8比特，保護(hù)時(shí)間為68.25比特，這兩個(gè)時(shí)間都比較長(zhǎng)。這主要是考慮基站開(kāi)始接收接入請(qǐng)求時(shí)的狀況具有偶然性，既不知道確切的接收時(shí)間，也不知道移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的功率電平、載波頻率、移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離等參數(shù)，留有較長(zhǎng)的起始時(shí)間和保護(hù)時(shí)間有利于減小接入突發(fā)落入其他時(shí)隙的可能，提高了基站解調(diào)的成功率。接入突發(fā)的訓(xùn)練序列比較長(zhǎng)，目的是使基站能夠檢測(cè)出尚未同步的移動(dòng)臺(tái)的信息。在一個(gè)GSM幀中，每個(gè)GSM用戶單元用一個(gè)時(shí)隙來(lái)發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，一個(gè)時(shí)隙用來(lái)接收，其余6個(gè)空閑時(shí)隙可以用來(lái)檢測(cè)自己及相鄰基站的信號(hào)強(qiáng)度，這有利于控制越區(qū)切換。

2.6GSM的主要技術(shù)

2.6.1語(yǔ)音編碼和信道編碼

圖2-6-1給出了語(yǔ)音在GSM移動(dòng)臺(tái)中處理后送至發(fā)送端的過(guò)程。圖2-6-1GSM移動(dòng)臺(tái)中的語(yǔ)音處理過(guò)程

1.語(yǔ)音編碼

GSM采用規(guī)則脈沖激勵(lì)—長(zhǎng)期預(yù)測(cè)編碼(RPE-LTP)的語(yǔ)音編碼方式，其處理過(guò)程是先對(duì)模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行8kHz抽樣，按每20ms為一幀進(jìn)行處理，每幀為4個(gè)子幀，每個(gè)子幀長(zhǎng)

5ms，輸出RPE-LTP的純比特率為13kb/s。

2.信道編碼

語(yǔ)音編碼器輸出為每20ms一幀，一幀中含有260bit。信道編碼時(shí)，首先將這260bit數(shù)據(jù)按照重要性分成三類，三類信息分別按Ⅰa?類50個(gè)比特、Ⅰb?類132個(gè)比特和Ⅱ類78個(gè)比特來(lái)分類。Ⅰa類是最重要的，Ⅰb類次之，Ⅱ類是不重要的。重要的信息進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，不重要的信息不受到任何保護(hù)。為了提高編碼效率，按重要性對(duì)這三類數(shù)據(jù)分別進(jìn)行不同的冗余處理，處理過(guò)程如圖2-6-2所示。

圖2-6-2信道編碼過(guò)程在塊編碼器中，用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)碼對(duì)最重要的Ⅰa

類50比特進(jìn)行編碼，引入3個(gè)奇偶校驗(yàn)比特，然后送入卷積編碼器；在卷積編碼器中，Ⅰb

類132比特與來(lái)自塊編碼器的53比特重新排序，并在其后附加4個(gè)尾比特，產(chǎn)生一個(gè)189比特的數(shù)據(jù)塊，然后對(duì)該數(shù)據(jù)塊進(jìn)行比率為1/2、約束長(zhǎng)度為5的卷積編碼，產(chǎn)生378比特的序列；之后加上沒(méi)有增加任何保護(hù)的78比特Ⅱ類數(shù)據(jù)形成456比特?cái)?shù)據(jù)塊輸出。經(jīng)信道編碼之后，總的輸出數(shù)據(jù)速率為456bit/20?ms?=?22.8?kb/s(相當(dāng)于13?kb/s的原始數(shù)據(jù)+9.8?kb/s的奇偶校驗(yàn)和信道編碼)。

3.交織

信道編碼輸出的是一系列有序的語(yǔ)音幀，傳輸過(guò)程中會(huì)由于信道衰落等因素造成突發(fā)性的、連續(xù)的比特錯(cuò)誤，GSM系統(tǒng)采用交織技術(shù)減小突發(fā)錯(cuò)誤的影響。交織技術(shù)的實(shí)質(zhì)是時(shí)間分集，就是將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼重新排序，重新排序的結(jié)果使得突發(fā)差錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生的成串錯(cuò)誤的比特位來(lái)自交織前信道編碼不同的位置。當(dāng)在接收端去交織后，數(shù)據(jù)編碼恢復(fù)了原來(lái)的順序，從而連續(xù)的突發(fā)差錯(cuò)就變成了離散的隨機(jī)差錯(cuò)，而隨機(jī)差錯(cuò)可以用卷積編碼等信道編碼技術(shù)進(jìn)行糾正的。GSM系統(tǒng)中同時(shí)采用了比特交織和塊交織兩種方法。比特交織如圖2-6-3所示。信道編碼器輸出的456個(gè)編碼比特按行的順序?qū)懭胍粋€(gè)矩陣，每行8個(gè)比特，然后按列讀出，從而將一個(gè)語(yǔ)音幀的456個(gè)編碼比特分成了8個(gè)完成比特交織的子塊，每個(gè)子塊57個(gè)比特。圖2-6-3比特交織

塊交織是在相鄰不同語(yǔ)音幀之間進(jìn)行的?，F(xiàn)假設(shè)有如圖2-6-4所示的3個(gè)語(yǔ)音幀。在GSM的一個(gè)突發(fā)脈沖序列(即TDMA幀的一個(gè)物理時(shí)隙)中，包括一個(gè)語(yǔ)音幀中的兩組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如圖2-6-5所示。圖中，前后3個(gè)尾比特用于消息定界，中間是26個(gè)訓(xùn)練比特，訓(xùn)練比特的左右各1個(gè)比特作為“偷幀標(biāo)志”。一個(gè)突發(fā)脈沖序列攜帶兩段57比特的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，就是說(shuō)一個(gè)時(shí)隙恰好發(fā)送兩個(gè)比特交織后的子塊。圖2-6-43個(gè)語(yǔ)音幀

圖2-6-5語(yǔ)音突發(fā)序列的結(jié)構(gòu)根據(jù)GSM一個(gè)突發(fā)脈沖序列中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，塊交織是在完成了比特交織的40?ms兩個(gè)語(yǔ)音幀、共912比特語(yǔ)音數(shù)據(jù)之間進(jìn)行的。塊交織時(shí)，第n個(gè)語(yǔ)音幀的子塊1與第n+1個(gè)語(yǔ)音幀的子塊1分別放在TDMA幀指定時(shí)隙的兩段57比特語(yǔ)音數(shù)據(jù)的位置；第n個(gè)語(yǔ)音幀的子塊2與第n?+?1個(gè)語(yǔ)音幀的子塊2分別放在下一個(gè)TDMA幀中對(duì)應(yīng)時(shí)隙的兩段57比特語(yǔ)音數(shù)據(jù)的位置；依此類推。這樣，塊交織后就將912比特?cái)?shù)據(jù)分散到了

8個(gè)TDMA幀的同一時(shí)隙中周期性的發(fā)送出去。圖2-6-6給出了交織的處理過(guò)程。

圖2-6-6交織處理過(guò)程示意圖對(duì)于交織技術(shù)，交織深度越大，離散度就越大，抗突發(fā)差錯(cuò)能力越強(qiáng)。但從上面的討論可以看出，交織處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，交織深度越大，交織編碼處理時(shí)間就越長(zhǎng)，產(chǎn)生的時(shí)延就越大。因此，通過(guò)交織處理提高抗差錯(cuò)能力是以增加處理時(shí)延為代價(jià)的，這也是交織編碼屬于時(shí)間分集技術(shù)的原因。所有的交織器都有一個(gè)固定時(shí)延，實(shí)際中，所有的無(wú)線數(shù)據(jù)交織器的時(shí)延都不超過(guò)40ms，GSM系統(tǒng)中的時(shí)延為37.5ms，是人們可以忍受的。2.6.2GSM安全性管理

由于空中接口容易受到侵犯，GSM系統(tǒng)采取了特別的安全措施，包括用戶鑒權(quán)、加密、移動(dòng)設(shè)備識(shí)別、移動(dòng)用戶安全保密等。鑒權(quán)是為了確認(rèn)移動(dòng)臺(tái)的合法性，加密是為了防止非法竊聽(tīng)。

SIM卡中存有如下內(nèi)容：固化數(shù)據(jù)、國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼IMSI、用戶鑒權(quán)密鑰Ki、安全算法，臨時(shí)的移動(dòng)用戶識(shí)別碼TMSI、位置區(qū)識(shí)別碼LAI、加密密鑰Kc、被禁止的PLMN業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

AUC存有如下內(nèi)容：用于生成隨機(jī)數(shù)(RAND)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、用戶鑒權(quán)密鑰Ki、各種安全算法。

下面對(duì)三參數(shù)組和鑒權(quán)、加密算法簡(jiǎn)要介紹一下。用戶三參數(shù)組的產(chǎn)生過(guò)程：每個(gè)用戶在購(gòu)買MS(或只是SIM卡)并進(jìn)行初始注冊(cè)時(shí)，都會(huì)獲得一個(gè)用戶電話號(hào)碼和國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼IMSI。這兩個(gè)號(hào)碼往往具有可選性，但一經(jīng)選定便不能修改，因?yàn)镮MSI會(huì)被SIM卡寫卡機(jī)一次寫入到用戶的SIM卡中。在IMSI寫入的同時(shí)，寫卡機(jī)中還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)此IMSI的唯一的用戶鑒權(quán)密鑰(128比特Ki)。IMSI和相應(yīng)的Ki在用戶SIM卡和AUC中都會(huì)分別存儲(chǔ)，而且它們還分別存儲(chǔ)著鑒權(quán)算法(A3)和加密算法(A5和A8)。AUC中還有一個(gè)偽隨機(jī)碼發(fā)生器，用于產(chǎn)生一個(gè)不可預(yù)測(cè)的RAND。RAND和Ki經(jīng)AUC中的A8算法產(chǎn)生一個(gè)加密密鑰(Kc)，經(jīng)A3算法產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)數(shù)(SRES)。加密密鑰(Kc)、響應(yīng)數(shù)(SRES)和相應(yīng)的RAND一起構(gòu)成了用戶的一個(gè)三參數(shù)組。一般情況下，AUC一次能產(chǎn)生五組這樣的三參數(shù)組。AUC會(huì)把這些三參數(shù)組傳送給用戶的HLR，HLR自動(dòng)存儲(chǔ)，以備后用。對(duì)一個(gè)用戶，HLR最多可存儲(chǔ)10組三參數(shù)。當(dāng)MSC/VLR向HLR請(qǐng)求傳送三參數(shù)組時(shí)，HLR會(huì)一次性地向MSC/VLR傳送五組三參數(shù)組。MSC/VLR一組一組地用，當(dāng)用到只剩兩組時(shí)，就向HLR請(qǐng)求再次傳送。這樣做的一大好處是鑒權(quán)算法程序的執(zhí)行時(shí)間不占用移動(dòng)用戶實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的處理時(shí)間，有利于提高呼叫接續(xù)速度。

1.鑒權(quán)過(guò)程

GSM的鑒權(quán)算法是A3算法。A3算法有兩個(gè)輸入?yún)?shù)：用戶IMSI對(duì)應(yīng)的固定密鑰Ki和AUC本地產(chǎn)生的RAND，其運(yùn)算結(jié)果是一個(gè)32比特的用戶鑒權(quán)SRES。鑒權(quán)過(guò)程如圖2-6-7所示。圖2-6-7鑒權(quán)過(guò)程示意圖首先是網(wǎng)絡(luò)方的MSC/VLR向MS發(fā)出鑒權(quán)命令信息，其中包含鑒權(quán)算法所需的RAND。MS的SIM卡在收到命令之后，先將RAND與自身存儲(chǔ)的Ki，經(jīng)A3算法得出一個(gè)SRES，再通過(guò)鑒權(quán)響應(yīng)信息將SRES值傳回網(wǎng)絡(luò)方。

網(wǎng)絡(luò)方在給移動(dòng)臺(tái)發(fā)出鑒權(quán)命令的同時(shí)，也采用同樣的算法得到自己的一個(gè)SRES*。若這兩個(gè)SRES完全相同，則認(rèn)為該用戶是合法用戶，鑒權(quán)成功；否則，認(rèn)為是非法用戶，拒絕用戶的業(yè)務(wù)要求。網(wǎng)絡(luò)方A3算法的運(yùn)行實(shí)體可以是移動(dòng)臺(tái)訪問(wèn)地的MSC/VLR，也可以是移動(dòng)臺(tái)歸屬地的HLR/AUC。

2.?GSM系統(tǒng)的加密過(guò)程

GSM系統(tǒng)中的加密是指為了在BTS和MS之間交換用戶信息和用戶參數(shù)時(shí)不被非法用戶截獲或監(jiān)聽(tīng)而采取的措施。

加密的過(guò)程如圖2-6-8所示。首先是網(wǎng)絡(luò)方的MSC/VLR向MS發(fā)出加密模式命令信息，其中包含加密算法所需的RAND。

MS的SIM卡在收到命令之后，先將RAND與自身存儲(chǔ)的Ki，經(jīng)A8算法得出加密密鑰(Kc)，加密密鑰Kc和MS用戶的數(shù)據(jù)用A5算法運(yùn)算得到加密數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)加密的用戶信息傳送至網(wǎng)絡(luò)方。網(wǎng)絡(luò)方在給MS發(fā)出加密模式命令的同時(shí)，也采用同樣的算法得到自己的機(jī)密密鑰Kc。對(duì)接收到的已加密數(shù)據(jù)用加密密鑰Kc和算法A5進(jìn)行解密，若得到正確的用戶數(shù)據(jù)，則加密成功；否則，加密失敗。圖2-6-8加密過(guò)程示意圖

3.移動(dòng)設(shè)備識(shí)別

移動(dòng)設(shè)備識(shí)別的過(guò)程如下：

(1)?MSC/VLR從MS要求發(fā)送IMEI(國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼)；

(2)?MS發(fā)送IMEI；

(3)?MSC/VLR轉(zhuǎn)發(fā)IMEI；

(4)?在EIR的三種名單列表中核查IMEI，返回信息至MSC/VLR。

4.?TMSI的使用

當(dāng)MS進(jìn)行位置更新、發(fā)起呼叫或激活業(yè)務(wù)時(shí)，MSC/VLR將分配給IMSI一個(gè)新的TMSI，并由MS存儲(chǔ)于SIM卡上，此后MSC/VLR與MS間的信令聯(lián)系只使用TMSI。使用TMSI主要是對(duì)用戶號(hào)碼保密和避免被別人對(duì)用戶定位。

5.?PIN碼

PIN碼存儲(chǔ)在用戶SIM卡中，其目的是為了防止用戶賬單上產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)費(fèi)，保證入局呼叫被正確傳送。PIN碼由4～8位數(shù)字構(gòu)成，其具體位數(shù)由用戶自己決定。只有用戶輸入了正確的PIN碼，才能正常使用相應(yīng)的移動(dòng)臺(tái)。如果用戶輸入了錯(cuò)誤的PIN碼，移動(dòng)臺(tái)會(huì)給用戶發(fā)出錯(cuò)誤提示，要求重新輸入。如果用戶連續(xù)3次輸入錯(cuò)誤，SIM卡就會(huì)被閉鎖，即使將SIM卡拔出后再裝上或關(guān)掉手機(jī)電源后再開(kāi)機(jī)也不能使其解鎖。要想解鎖，用戶必須輸入由8位數(shù)字組成的正確的“個(gè)人解鎖碼”。若“個(gè)人解鎖碼”又被連續(xù)10次輸入錯(cuò)誤，SIM卡將進(jìn)入進(jìn)一步閉鎖。這種閉鎖就只能靠SIM卡管理中心的SIM卡業(yè)務(wù)激活器來(lái)解鎖。2.6.3切換控制

在MS通話階段中，MS小區(qū)的改變所引起系統(tǒng)的相應(yīng)操作稱做切換。切換的依據(jù)是由MS對(duì)相鄰BTS信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量報(bào)告和BTS對(duì)MS發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度及通話質(zhì)量決定的，統(tǒng)一由BSC評(píng)價(jià)后決定是否進(jìn)行切換。

下面將結(jié)合圖解具體分析三種不同的切換。

1.由相同BSC控制的小區(qū)間的切換

相同BSC控制小區(qū)間的切換過(guò)程如圖2-6-9所示。圖2-6-9相同BSC控制小區(qū)間的切換圖2-6-9中：

①?BSC要求新的BTS激活一個(gè)TCH。

②?BSC通過(guò)舊BTS發(fā)送一個(gè)包括頻率、時(shí)隙及發(fā)射功率參數(shù)的信息至MS，此信息在FACCH上傳送。

③?MS在規(guī)定新頻率上發(fā)送一個(gè)切換接入突發(fā)脈沖(通過(guò)FACCH發(fā)送)。

④新BTS收到此突發(fā)脈沖后，將時(shí)間提前量信息通過(guò)FACCH回送MS。

⑤?MS通過(guò)新BTS向BSC發(fā)送一條切換成功信息。

⑥?BSC要求舊BTS釋放TCH。

2.由同一MSC、不同BSC控制小區(qū)間的切換

由同一MSC、不同BSC控制小區(qū)間的切換過(guò)程如圖2-6-10所示。圖2-6-10由相同MSC、不同BSC控制小區(qū)間的切換圖2-6-10中：

①舊BSC把切換請(qǐng)求及切換目的小區(qū)標(biāo)識(shí)一起發(fā)給MSC。

②?MSC判斷是哪個(gè)BSC控制的BTS，并向新BSC發(fā)送切換請(qǐng)求。

③新BSC預(yù)訂目標(biāo)BTS激活一個(gè)TCH。

④新BSC把包含有頻率、時(shí)隙及發(fā)射功率的參數(shù)通過(guò)MSC，舊BSC和舊BTS傳到MS。

⑤?MS在新頻率上通過(guò)FACCH發(fā)送接入突發(fā)脈沖。

⑥新BTS收到此脈沖后，回送時(shí)間提前量信息至MS。

⑦?MS將發(fā)送切換成功信息通過(guò)新BSC傳至MSC。

⑧?MSC命令舊BSC釋放TCH。

⑨?BSC轉(zhuǎn)發(fā)MSC命令至BTS并執(zhí)行。

3.由不同MSC控制的小區(qū)間的切換

由不同MSC控制的小區(qū)間的切換過(guò)程如圖2-6-11所示。圖2-6-11由不同MSC控制小區(qū)間的切換圖2-6-11中：

①舊BSC把切換目標(biāo)小區(qū)標(biāo)志和切換請(qǐng)求發(fā)送至舊MSC。

②舊MSC判斷出小區(qū)屬另一MSC管轄。

③新MSC分配一個(gè)切換號(hào)(路由呼叫用)，并向新BSC發(fā)送切換請(qǐng)求。

④新BSC激活BTS的一個(gè)TCH。

⑤新MSC收到BSC回送信息并與切換號(hào)一起轉(zhuǎn)至舊MSC。

⑥在MSC間建立一個(gè)連接(也許會(huì)通過(guò)PSTN網(wǎng))。

⑦舊MSC通過(guò)舊BSC向MS發(fā)送切換命令，其中包含頻率、時(shí)隙和發(fā)射功率。

⑧?MS在新頻率上發(fā)送一個(gè)接入突發(fā)脈沖(通過(guò)FACCH)。

⑨新BTS收到此脈沖后，回送時(shí)間提前量信息(通過(guò)FACCH)至MS。

⑩?MS通過(guò)新BSC和新MSC向舊MSC發(fā)送切換成功信息。

此后，舊TCH被釋放，而控制權(quán)仍在舊MSC手中。2.6.4GSM跳頻原理

跳頻就是按要求改變信道所用的頻率。引入跳頻的目的是提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落能力。GSM的無(wú)線接口，也采用了跳頻的方法。GSM體系中的引入有兩個(gè)主要原因：第一是頻率分集，跳頻可以保證各個(gè)突發(fā)在不同的頻率上發(fā)射，這樣就可以對(duì)抗由于瑞利衰落等引起的影響，因?yàn)檫@些影響是因頻率而異的；第二是干擾分集，在高業(yè)務(wù)地區(qū)，由頻率復(fù)用帶來(lái)的干擾顯得較為突出。引入跳頻后，我們可以對(duì)使用相同頻率組的遠(yuǎn)地蜂窩小區(qū)配置不同的跳頻序列，這樣就可以分散使用相同頻率集的信道之間的干擾，從中得到收益。

在GSM系統(tǒng)中，整個(gè)突發(fā)期間傳輸頻率保持不變，每個(gè)突發(fā)的持續(xù)時(shí)間為577μs，故GSM系統(tǒng)的跳頻屬于慢速跳頻(SFH)。圖2-6-12所示的是不跳頻信道的時(shí)間和頻率關(guān)系，圖

2-6-13表示了一個(gè)跳頻信道的時(shí)間和頻率的關(guān)系。從圖中可以看出，信道頻率在每個(gè)突發(fā)期間維持不變，而在突發(fā)與突發(fā)之間，頻率的改變則是一種看似雜亂的偽隨機(jī)序列關(guān)系。

圖2-6-12信道不跳頻時(shí)的時(shí)間和頻率關(guān)系圖圖2-6-13信道跳頻時(shí)的時(shí)間和頻率關(guān)系圖2.7GSM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

2.7.1蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的主要內(nèi)容

1.業(yè)務(wù)區(qū)域的基本特點(diǎn)分析

一個(gè)具體蜂窩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，首先要對(duì)需要提供服務(wù)區(qū)域的自然環(huán)境與人文特點(diǎn)進(jìn)行分析，分析內(nèi)容主要包括自然環(huán)境條件、所分配的無(wú)線頻譜所處的頻段、用戶特點(diǎn)等。自然環(huán)境條件包括地形地物特點(diǎn)、電波傳播特性等。既然已經(jīng)知道了無(wú)線傳播環(huán)境是非常復(fù)雜的，那么為了使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)符合業(yè)務(wù)區(qū)域的自然環(huán)境特點(diǎn)，一般則需要對(duì)具體的傳播環(huán)境進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)。用戶特點(diǎn)包括用戶類型、用戶密度、用戶移動(dòng)性統(tǒng)計(jì)行為等。最后在這些分析的基礎(chǔ)上建立業(yè)務(wù)量模型。

2.蜂窩網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)

把握了業(yè)務(wù)區(qū)域的基本特點(diǎn)，就基本上掌握了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的資源和商業(yè)要求。網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)就是在此基礎(chǔ)上考慮整個(gè)系統(tǒng)的覆蓋范圍、小區(qū)半徑、基站站址設(shè)置、頻率復(fù)用方案、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃等。網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足網(wǎng)絡(luò)商業(yè)運(yùn)營(yíng)要求的前提下，充分考慮業(yè)務(wù)的發(fā)展和未來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)升級(jí)的可能，盡可能降低網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用，為提高投資回報(bào)率奠定基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)要考慮到不同的業(yè)務(wù)區(qū)域會(huì)具有不同的特點(diǎn)，例如，城市郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)業(yè)務(wù)密度較低，往往投資回報(bào)率低，因此蜂窩網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)村地區(qū)的設(shè)計(jì)要求一般是提供足夠大的無(wú)線小區(qū)覆蓋范圍，而不是努力設(shè)計(jì)大的網(wǎng)絡(luò)容量；而在城市中心區(qū)域和主要的商業(yè)區(qū)域，用戶密度很高且發(fā)展較快，需要提供的業(yè)務(wù)內(nèi)容豐富，而且往往需要網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)容和進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，這類區(qū)域具有較高的投資回報(bào)率。2.7.2蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程如圖2-7-1所示。

①話務(wù)覆蓋分析。業(yè)務(wù)量與覆蓋分析的主要目的是為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供依據(jù)。這一階段需要獲得如下信息：成本、容量、覆蓋、質(zhì)量、服務(wù)等級(jí)、可用頻段、系統(tǒng)容量增長(zhǎng)情況、人口分布、收入分布、固定電話使用情況等。

②仿真。仿真即借助規(guī)劃軟件對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的用戶分布進(jìn)行站點(diǎn)規(guī)劃，目的是為了確保區(qū)域內(nèi)的覆蓋和容量并避免

干擾。

③勘測(cè)。按照第二階段仿真獲得的理想站址，進(jìn)行實(shí)地查看、測(cè)量，根據(jù)各種建站條件(包括電源條件、傳輸條件、電磁環(huán)境、征地情況等)將可能的站址記錄下來(lái)，再綜合其偏離理想站址的范圍、對(duì)將來(lái)小區(qū)分裂的影響、經(jīng)濟(jì)效益、覆蓋區(qū)預(yù)測(cè)等各方面進(jìn)行考慮，推薦合適的站址方案，并確定基站附近的電磁干擾環(huán)境。

④系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際基