專業好文檔GSM數字移動通信發展史1.1GSM系統歷史背景GSM數字移動通信系統是由歐洲主要電信運營者和制造廠家組成的標準化委員會設計出來的，它是在蜂窩系統的基礎上發展而成。蜂窩系統的概念和理論二十世紀六十年代就由美國貝爾實驗室等單位提了出來，但其復雜的控制系統，尤其是實現移動臺的控制直到七十年代隨著半導體技術的成熟，大規模集成電路器件和微處理器技術的發展以及表面貼裝工藝的廣泛應用，才為蜂窩移動通信的實現提供了技術基礎。直到1979年美國在芝加哥開通了第一個AMPS(先進的移動電話業務)模擬蜂窩系統，而北歐也于1981年9月在瑞典開通了NMT(Nordic移動電話)系統，接著歐洲先后在英國開通TACS系統，德國開通C450系統等。見表1-1。表1-11991年歐洲主要蜂窩系統國家系統頻帶建立日期用戶數(千)英國TACS90019851200瑞典、挪威芬蘭、丹麥NMT450900198119861300法國Radiocom2000NMT450,9004501985198930090意大利RTMSTACS4509001985199060560德國C-4504501985600瑞士NMT9001987180荷蘭NMT45090019851989130奧地利NMTTACS450900198419906060西班牙NMTTACS450900198219906060蜂窩移動通信的出現可以說是移動通信的一次革命。其頻率復用大大提高了頻率利用率并增大系統容量，網絡的智能化實現了越區轉接和漫游功能，擴大了客戶的服務范圍，但上述模擬系統有四大缺點：1.各系統間沒有公共接口；2.很難開展數據承載業務；3.頻譜利用率低無法適應大容量的需求；專業好文檔4.安全保密性差，易被竊聽，易做“假機”。尤其是在歐洲系統間沒有公共接口相互之間不能漫游，對客戶之間造成很大的不便。GSM數字移動通信系統史源于歐洲。早在1982年，歐洲已有幾大模擬蜂窩移動系統在運營，例如北歐多國的NMT（北歐移動電話）和英國的TACS（全接入通信系統），西歐其它各國也提供移動業務。當時這些系統是國內系統，不可能在國外使用。為了方便全歐洲統一使用移動電話，需要一種公共的系統，1982年北歐國家向CEPT（歐洲郵電行政大）提交了一份建議書，要求制定900MHz頻段的公共歐洲電信業務規范。在這次大會上就成立了一個在歐洲電信標準學會（ETSI）技術委員會下的“移動特別小組GroupSpecialMobile）簡稱“GSM”，來制定有關的標準和建議書。1986年在巴黎，該小組對歐洲各國及各公司經大量研究和實驗后所提出的8個建議系統進行了現場實驗。1987年5月GSM成員國就數字系統采用窄帶時分多址TDMA、規則脈沖激勵線性預測RPE一LTP話音編碼和高斯濾波最小移頻鍵控GMSK調制方式達成一致意見。同年，歐洲17個國家的運營者和管理者簽署了諒解備忘錄（MoU），相互達成履行規范的協議。與此同時還成立了MoU組織，致力于GSM標準的發展。1990年完成了GSM900的規范，共產生大約130項的全面建議書，不同建議書經分組而成為一套12系列。1991年在歐洲開通了第一個系統，同時MoU組織為該系統設計和注冊了市場商標，將GSM更名為“全球移動通信系統”（Globa1systemforMobilecommunications）。從此移動通信跨入了第二代數字移動通信系統。同年，移動特別小組還完成了制定1800MHz頻段的公共歐洲電信業務的規范，名為DCSI800系統。該系統與GSM900具有同樣的基本功能特性，因而該規范只占GSM建議的很小一部分，僅將GSM900和DCSI800之間的差別加以描述，絕大部分二者是通用的，二系統均可通稱為GSM系統。1992年大多數歐洲GSM運營者開始商用業務。到1994年5月已有50個GSM網在世界上運營，10月總客戶數已超過400萬，國際漫游客戶每月呼叫次數超過500萬，客戶平均增長超過50。1993年歐洲第一個DCSI800系統投入運營。到1994年已有6個運營者采用了該系統。1.2GSM系統技術規范GSM系統技術規范中只對功能和接口制定了詳細規范，未對硬件做出規定。這樣做目的是盡可能減少對設計者限制，又使各運營者有可能購買不同廠家的設備。GSM系統技術規范共分12章：系列01概述02業務方面專業好文檔03網路方面04MS-BS接口與協議05無線路徑上的物理層06話音編碼規范07MS的終端適配器08BS-MSC接口09網路互通10業務互通11設備和型號認可規范12操作和維護這些系列規范都是由ETSI組建的不同工作組和專家組編寫而成的。1988年春天完成第一階段標準的第一個版本，以支撐當時的投標活動。后來修改過幾次，1990年以后除了傳真方面的規范外，其它很少作改動，1992年底基本凍結。第二階段標準到1993年底也基本完成了主要部分，并與1994年底凍結，為了提高系統的性能，從1994年6月又開始考慮第2階段的有關標準的定義，后并入第二階段標準，并宣布還會有第三階段的標準。實際上由于第三代移動通信系統的提出，已中止第三階段標準。為了保證GSM網路內現有的和將來的業務開展，在制定標準時必須考慮兼容性的要求。GSM通信系統2.1系統的組成蜂窩移動通信系統主要是由交換網路子系統（NSS）、無線基站子系統(BSS)和移動臺（MS）三大部分組成，如圖21所示。其中NSS與BSS之間的接口為“A”接口，BSS與MS之間的接口為“Um”接口。在模擬移動通信系統中，TACS規范只對Um接口進行了規定，而未對A接口做任何的限制。因此，各設備生產廠家對A接口都采用各自的接口協議，對Um接口遵循TACS規范。也就是說，NSS系統和BSS系統只能采用一個廠家的設備，而MS可用不同廠家的設備。圖21蜂窩移動通信系統的組成由于GSM規范是由北歐一些運營公司“炒”出的規范，運營公司當然喜歡花最少的投資，用最好的設備來建最優良的通信網，因此GSM規范對系統的各個接口都有明確的規定。也就是說，各接口都是開放式接口。GSM系統框圖如圖2-2，A接口往右是NSS系統，它包括有移動業務交換中心（MSC）、拜訪位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權中心（AUC）和移動設備識別寄存器（EIR），A接口往左Um接口是BSS系統，它包括有基站控制器（BSC）和基專業好文檔站收發信臺（BTS）。Um接口往左是移動臺部分（MS），其中包括移動終端（MS）和客戶識別卡（SIM）。圖22GSM系統框圖在GSM網上還配有短信息業務中心（SC），即可開放點對點的短信息業務，類似數字尋呼業務，實現全國聯網，又可開放廣播式公共信息業務。另外配有語音信箱，可開放語音留言業務，當移動被叫客戶暫不能接通時，可接到語音信箱留言，提高網路接通率，給運營部門增加收入。2.2交換網路子系統交換網路子系統（NSS）主要完成交換功能和客戶數據與移動性管理、安全性管理所需的數據庫功能。NSS由一系列功能實體所構成，各功能實體介紹如下：MSC：是GSM系統的核心，是對位于它所覆蓋區域中的移動臺進行控制和完成話路交換的功能實體，也是移動通信系統與其它公用通信網之間的接口。它可完成網路接口、公共信道信令系統和計費等功能，還可完成BSS、MSC之間的切換和輔助性的無線資源管理、移動性管理等。另外，為了建立至移動臺的呼叫路由，每個MS、還應能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查詢位置信息的功能。VLR：是一個數據庫，是存儲MSC為了處理所管轄區域中MS（統稱拜訪客戶）的來話、去話呼叫所需檢索的信息，例如客戶的號碼，所處位置區域的識別，向客戶提供的服務等參數。HLR：也是一個數據庫，是存儲管理部門用于移動客戶管理的數據。每個移動客戶都應在其歸屬位置寄存器（HLR）注冊登記，它主要存儲兩類信息：一是有關客戶的參數；二是有關客戶目前所處位置的信息，以便建立至移動臺的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。AUC：用于產生為確定移動客戶的身份和對呼叫保密所需鑒權、加密的三參數（隨機號碼RAND，符合響應SRES，密鑰Kc）的功能實體。EIR：也是一個數據庫，存儲有關移動臺設備參數。主要完成對移動設備的識別、監視、閉鎖等功能，以防止非法移動臺的使用。2.3無線基站子系統BSS系統是在一定的無線覆蓋區中由MSC控制，與MS進行通信的系統設備，它主要負責完成無線發送接收和無線資源管理等功能。功能實體可分為基站控制器（BSC）和基站收發信臺（BTS）。BSC：具有對一個或多個BTS進行控制的功能，它主要負責無線網路資源的管理、小區配置數據管理、功率控制、定位和切換等，是個很強的業務控制點。BTS：無線接口設備，它完全由BSC控制，主要負責無線傳輸，完成無線與有線的轉換、無線分集、無線信道加密、跳頻等功能。2.4移動臺專業好文檔移動臺就是移動客戶設備部分，它由兩部分組成，移動終端(MS)和客戶識別卡（SIM）。移動終端就是“機”，它可完成話音編碼、信道編碼、信息加密、信息的調制和解調、信息發射和接收。SIM卡就是“身份卡”，它類似于我們現在所用的IC卡，因此也稱作智能卡，存有認證客戶身份所需的所有信息，并能執行一些與安全保密有關的重要信息，以防止非法客戶進入網路。SIM卡還存儲與網路和客戶有關的管理數據，只有插入SIM后移動終端才能接入進網，但SIM卡本身不是代金卡。2.5操作維護子系統GSM系統還有個操作維護子系統（OMC），它主要是對整個GSM網路進行管理和監控。通過它實現對GSM網內各種部件功能的監視、狀態報告、故障診斷等功能。OMC與MSC之間的接口目前還未開放，因為CCITT對電信網路管理的Q3接口標準化工作尚未完成。GSM關鍵技術3.1工作頻段的分配（1）工作頻段見圖3-1。我國陸地公用蜂窩數字移動通信網GSM通信系統采用900MHz頻段：905915（移動臺發、基站收）950960（基站發、移動臺收）隨著業務的發展，可視需要向下擴展，或向1.8GHz頻段的DCSI800過渡，即1800MHz頻段：17101785（移動臺發、基站收）18051880（基站發、移動臺收）圖3-1我國陸地蜂窩移動體系系統頻段分配圖（2）頻道間隔相鄰兩頻道間隔為200kHz，每個頻道采用時分多址接入（TDMA）方式，分為8個時隙，即8個信道（全速率）。每信道占用帶寬200kHz8=25kHz，同模擬網TACS制式每個信道占用的頻率帶寬。從這點看二者具有同樣的頻譜利用率。將來GSM采用半速率話音編碼后，每個頻道可容納16個半速率信道。（3）頻道配置采用等間隔頻道配置方法，頻道序號為76124，共49個頻點（見圖3-2）。頻道序號和頻點標稱中心頻率的關系為：專業好文檔圖3-2900MHz頻段數字蜂窩移動通信網的頻道配置fl(n)=890.200MHz（n-1）0.200MHz移動臺發，基站收fh(n)=fl(n)45MHz基站發，移動臺收n=76124頻道（4）雙工收發間隔：45kHz。與模擬TACS系統相同。發射標識：業務信道發射標識為271KF7W；控制信道發射標識為271KF7W。271KF7W必要帶寬271kHz主載波調制方式：調頻調制主載波的信號性質：包含量化或數字信息的雙信道或多信道被發送信息的類型：電報傳真數據、遙測、遙控、電話視頻的組合（5）干擾保護比載波干擾保護比（CI）就是指接收到的希望信號電平與非希望信號電平的比值，此比值與MS的瞬時位置有關。這是由于地形不規則性及本地散射體的形狀、類型及數量不同，以及其它一些因素如天線類型、方向性及高度，站址的標高及位置，當地的干擾源數目等所造成的。GSM規范中規定：同頻道干擾保護比：C/I9dB鄰頻道干擾保護比：C/I-9dB載波偏離400kHz時的干擾保護比：C/I-41dB（6）頻率復用方式頻率復用是指在不同的地理區域上用相同的載波頻率進行覆蓋。這些區域必須隔開足夠的距離，以致所產生的同頻道及鄰頻道干擾的影響可忽略不計。頻率復用方式就是指將可用頻道分成若干組，若所有可用的頻道N（如49）分成F組（如9組），則每組的頻道數為NF（49/95.4即有些組的頻道數為5個，有些為6個，見圖3-3）。圖3-3900MHz39方式頻道分配圖因總的頻道數N是固定的，所以分組數F越少則每組的頻道數就越多。但是，頻率分組數的減少也使同頻道復用距離減小，導致系統中平均CI值降低。因此，在工程實際使用中是把同頻干擾保護比CI值加3dB的冗余來保護，采用12分組方式，即4個基站，12組頻率(見圖3-2和圖3-4所示)。專業好文檔圖3-4頻率復用方式對于有向天線而言，天線可采用120或60的定向天線，形成三葉草小區，即把基站分成3個扇形小區。如采用412復用方式，每個小區最大可用到5個頻道，一般的也可用到4個頻道。如采用39復用方式，則每個小區可用到6個或5個頻道。對于無方向性天線，即全向天線建議采用7組頻率復用方式，其7組頻率可從12組中任選，但相鄰頻率組盡量不在相鄰小區使用(見圖3-5)。業務量較大的小區可借用剩余的頻率組，如使用第9組的小區可借用第2組頻率等。圖3-57小區分組以上所談每小區可用頻道數都是在可用頻段為10MHz情況下，目前10MHz中4MHz為郵電部使用，另6MHz為“中國聯通公司”使用。從頻道序號來看，7695為郵電部使用，95124為“中國聯通公司”使用。這樣，郵電部建的GSM數字移動通信網如采用412頻率復用方式時，每小區可用頻道數最大僅有2個(16個信道)，有些只能用到1個(8個信道)。為此，郵電部下屬大部分郵電管理局將4MHz帶寬向下端擴展2MHz，即占用模擬B網2MHz，使GSM數字移動通信網從可用頻道7695(20個)擴展到6695(30個)，412方式每個小區一般可用3個頻道(24信道)，最小也能用到2個頻道(16個信道)。(7)保護帶寬：400kHz當一個地區數字移動通信系統與模擬移動通信系統共存時，兩系統之間(頻道中心頻率之間)應有約400kHz的保護帶寬，通常是由模擬B網預留。郵電部的數字移動通信系統與“中國聯通公司”的數字移動通信系統之間也應有400kHz的保護帶寬，即它們之間少用一個頻道，或由郵電部一方預留，或由“中國聯通公司”一方預留。3.2時分多址技術（TDMA）多址技術就是要使眾多的客戶公用公共通信信道所采用的一種技術。實現多址的方法基本上有三種，即采用頻率、時間或碼元分割的多址方式，人們通常稱它們為頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。在傳統的無線電廣播中，均采用頻分多址（FDMA）方式，每個廣播信道都有一個頻點，如果你要收聽某一廣播信道，則必須把你的收音機調諧到這一頻點上。模擬蜂窩移動系統也采用了此技術，某一小區中的某一客戶呼叫占用了一個頻點，即一個信道（實際上是占用兩個，因為是雙向連接，即雙工通信），則其它呼叫就不能再占用。在GSM中，無線路徑上是采用時分多址（TDMA）方式。每一頻點（頻道或叫載頻TRX）上可分成8個時隙，每一時隙為一個信道，因此，一個TRX最多可有8個移動客戶同時使用，見圖36所示。圖36頻分多址和時分多址方式圖中所示（a為FDMA，b為TDMA）是一個方向的情況，在相反方向上必定有一組對應的頻率（FDMA）時隙（TDMA）。專業好文檔TDMA系統具有如下特性：(1)每載頻多路。如前所述，TDMA系統形成頻率時間矩陣，在每一頻率上產生多個時隙，這個矩陣中的每一點都是一個信道，在基站控制分配下，可為任意一移動客戶提供電話或非話業務。突發脈沖序列傳輸。移動臺信號功率的發射是不連續的，只是在規定的時隙內發射脈沖序列。傳輸速率高，自適應均衡。每載頻含有時隙多，則頻率間隔寬，傳輸速率高，但數字傳輸帶來了時間色散，使時延擴展量加大，則務必采用自適應均衡技術。傳輸開銷大。由于TDMA分成時隙傳輸，使得收信機在每一突發脈沖序列上都得重新獲得同步。為了把一個時隙和另一個時隙分開，保護時間也是必須的。因此，TDMA系統通常比FDMA系統需要更多的開銷。(5)對于新技術是開放的。例如當話音編碼算法的改進而降低比特速率時，TDMA系統的信道很容易重新配置以接納新技術。共享設備的成本低。由于每一載頻為許多客戶提供業務，所以TDMA系統共享設備的每客戶平均成本與FDMA系統相比是大大降低了。移動臺較復雜。它比FDMA系統移動臺完成更多的功能，需要復雜的數字信號處理。3.3時分多址(TDMA)幀結構（1）TDMA信道概念GSM中的信道分為物理信道和邏輯信道，一個物理信道就為一個時隙(TS)，而邏輯信道是根據BTS與MS之間傳遞的信息種類的不同而定義的不同邏輯信道。這些邏輯信道映射到物理信道上傳送。從BTS到MS的方向稱為下行鏈路，相反的方向稱為上行鏈路。邏輯信道又分為兩大類，業務信道和控制信道。業務信道（TCH）：用于傳送編碼后的話音或客戶數據，在上行和下行信道上，點對點（BTS對一個MS，或反之）方式傳播。控制信道：用于傳送信令或同步數據。根據所需完成的功能又把控制信道定義成廣播、公共及專用三種控制信道，它們又可細分為：廣播信道（BCH）:-頻率校正信道（FCCH）：攜帶用于校正MS頻率的消息，下行信道，點對多點（BTS對多個MS）方式傳播。-同步信道（SCH）：攜帶MS的幀同步（TDMA幀號）和BTS的識別碼（BSIC）的信息，下行信道，點對多點方式傳播。-廣播控制信道（BCCH）：廣播每個BTS的通用信息（小區特定信息）。下行，點對多點方式傳播。專業好文檔公共控制信道（CCCH）:-尋呼信道（PCH）：用于尋呼（搜索）MS。下行，點對多點方式傳播。-隨機接入信道（RACH）：MS通過此信道申請分配一個獨立專用控制信道（SDCCH），可作為對尋呼的響應或MS主叫登記時的接入。上行信道，點對點方式傳播。-允許接人信道（AGCH）：用于為MS分配一個獨立專用控制信道（SDCCH）