2G移动通信系统及技术应用
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输、分集接收，交织信道编码，自适应均衡…
7
3.1.1 GSM系统组成及网络结构
GSM系统组成 GSM系统网络结构
8
1.GSM系统组成
GSM系统 (符合典型2G数字移动通信系统结构)
– 网络子系统NSS（或交换子系统SS）
MSC HLR、VLR、AUC、EIR BSC BTS OMC
– 基站子系统（BSS）
2G移动通信系统及技术应用
内容
– GSM、GPRS和IS-95 CDMA系统的网络结构、关键
技术及无线接口
重点
– GSM、GPRS和IS-95 CDMA系统网络结构、关键技
术 – GSM、GPRS系统的帧结构、用户数据的传输 – 扩频通信基本原理
1
难点
– GSM、GPRS和IS-95 CDMA系统的无线接口、关键
50
呼叫接续状态
① BTS发，MS收并测试本工作信道的RSSI ② MS在规定工作时隙发 ③ MS在收发间隔测试周边BTS的BCH的RSSI ④ MS在空闲帧读取周边BTS的SCH上的BSIC，以便 在③的测试中区分不同BTS
以MS占用TS2为例
51
滑动复帧
– 原因：在呼叫接续测试中，MS须读取周边
13
– EIR：存移动设备的ESN 功能：防止非法设备入网使用 比较白、灰、黑名单 移动设备管理
– AC：存鉴权信息和加密密钥等用于安全方
面的信息
功能：安全性管理
注：HLR/AC MSC/VLR
14
（2）基站子系统BSS
组成：无线信号收发（BTS） 无线资源管理（BSC）
– BSC：
12
– HLR：存所有被管理用户的数据
----静态数据库
功能：用户数据管理 存储信息：用户信息（入网、业务…） 位置信息（LAI） 号码：MDN（GSM中为MSISDN）、IMSI
– VLR：临时存储进入被控区域的移动用户的
信息----动态数据库
功能：移动性管理 用户离开时，信息即被删除
27
28
4.数字信号调制
数字调制方式：ASK、FSK、PSK GSM中的数字调制：GMSK MSK：f1、f2只差半个波形 GMSK：MSK前加高斯低通滤波器
29
5. Viterbi均衡
GSM中使用的均衡方式 Viterbi均衡：最小均方误差准则
– GSM的普通突发脉冲序列NB中26bit的训练序列，
17
2.GSM系统网络结构
我国的GSM网络结构：二、三级混合网络结构
– 二、三级混合网络结构的连接方案
TMSC1：网状结构，各省一对 TMSC2：与对应的一对TMSC1相连 MSC：与对应的两个TMSC相连
18
GSM话路网网络结构
– 二级网络结构
TMSC1、MSC – 三级网络结构 TMSC1、TMSC2、MSC
功能：各种接口管理， 无线资源和无线参数管理
如：切换定位、时间确定；功率控制；时间提前量确定
– BTS： 功能：提供与MS的接口及无线链路 由BSC控制并服务于某小区的无线收发设备， 完成信道转接，与MS间无线传输及相关控制
15
（3）操作维护子系统OSS
功能：操作控制、维护管理 主要管理项目及功能单元：
逻辑信道：根据信息种类人为定义
– 必须映射到物理信道才能实现信息传输
– 类型：业务信道TCH：传送编码后的话音或用户数据
（可能被FACCH借用） 控制信道CCH：传送信令或同步数据
36
(2)逻辑信道的分类
逻辑信道的配置
37
CCH
BCH：
– FCCH↓：用于校正MS工作频率 – SCH ↓：传时间同步信息(含TDMA帧号、BSIC) – BCCH ↓：广播每个BTS的特定的通用信息
32
– 上行：fl(n)=890.2+(n-1)*0.2MHz – 下行：fh(n)=935.2+(n-1)*0.2MHz
3.1.4 GSM中的无线接口
GSM中的接口类型及位置 Um接口（空中接口）
33
1.GSM中的接口类型及位置
A接口：MSC—BSC Abis接口：BSC—BTS Um接口：BTS—MS Sm接口：ME—SIM、用户 B：MSC—VLR C：MSC—HLR D：HLR—VLR E：MSC—MSC F：MSC—EIR G：VLR—VLR
34
2. Um接口（空中接口）
信道 逻辑信道的分类 突发脉冲序列 逻辑信道到物理信道的映射 MS测试原理 移动用户接续过程中逻辑信道的应用
35
(1) 信道
物理信道：物理的
实际存在的
– GSM中：一个载频上的一个时隙
每个载频分为8个时隙----8个物理信道 – 一个时隙中传送的信息格式----突发
38
(3)突发脉冲序列
突发脉冲序列------时隙 共156.25bit，占时0.577ms 类型
– – – – –
普通突发脉冲序列NB 频率校正突发脉冲序列FB 同步突发脉冲序列SB 接入突发脉冲序列AB 空闲突发脉冲序列DB
39
NB
使用信道：BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、TCH 格式
– 操作维护子系统（OSS）
– 移动台子系统（MS）
9
10
（1） 网络子系统NSS
功能：系统交换（MSC） 用户数据管理（HLR） 移动性管理（VLR） 安全性管理（AUC） 移动设备管理（EIR）
11
MSC：电话交换功能----核心功能
呼叫建立，路由选择，控制、终止呼叫 交换区内切换 业务提供，费用信息 信令及网络接口 – 类型：普通MSC 网关MSC（GMSC） ----选路 汇接MSC（TMSC） ----汇接
Dn—SDCCH；Sn—SACCH
上下行偏移3个时隙
47
– TS2～TS7：26个时隙重复
T—TCH；A—FACCH
上下行偏移3个时隙，使MS收发不需同时进行
48
基站中的其余载频C1～Cn 全部8个时隙(TS0～TS7)用作TCH
49
（5）MS测试原理
空闲状态
– 开机：小区选择
扫描最强的BCH载频是否本系统？ 是：锁定 否：扫描次强BCH… – 待机：小区重选 监听BCH信道中6个最强载波表、PCH中是 否有呼叫、是否需小区重选(进入新小区)
– 在SCH上获得时间同步 – 在BCCH上读取小区特定信息
如：邻近小区载波表 本小区载频，LAI 系统国家码、网络码 随后进入空闲状态
19
3.1.2 GSM数字信号的处理
BS与MS的数字信号处理过程相似
区别：基站处理信号来自MSC的64kbit/s的PCM信号(8bit) MS处理的语音信号来自话筒
MS对语音信号的处理过程
20
1.话音编码
GSM的话音编码：RPE-LTP
– 编码过程
预处理 线性预测 短时分析预测 长期预测 规则激励编码
加密比特改为具有一定模型的混合比特
44
（4）逻辑信道到物理信道的映射
C0载频
– TS0↓：51个时隙重复（构成51帧的复帧）
F—FCCH；S—SCH； B—BCCH； C—CCCH（PCH、AGCH）
45
– TS0↑：51个时隙重复（构成51帧的复帧）
R—RACH
46
– TS1：102个时隙重复
技术 – 码分多址技术基本原理
目的和要求
– 掌握GSM、GPRS、IS-95 CDMA系统的网络结构、
关键技术和帧结构 – 了解GSM、GPRS、IS-95 CDMA系统无线接口中的 信道配置 – 理解码分多址技术与扩频通信基本原理
2
模拟系统的缺点
– – – – – – –
设备体制混杂 制式混杂 业务种类单一 频率利用率低 容量小 安全性、保密性差 手机体积大，电池充电后有效工作时间短
每帧114bit。将114bit分 成两段，填入普通突发
脉冲序列。
26
分级帧结构
由普通突发脉冲序列构成帧、复帧、超帧、超 高帧的分级帧结构
– 每个突发脉冲序列共156.25bit，占时577μs，在一个 – – – –
时隙中发送 8个时隙组成一个4.62ms的TDMA帧 26个话音TDMA帧组成一个持续时间为120ms的复 帧；在控制信道中51个帧组成一个复帧 51个26帧的复帧（或26个51帧的复帧）构成一个超 帧； 2048个超帧组成一个超高帧，总计2715648个TDMA 帧，占时3小时28分53.7秒
已知n为频道序号
GSM900
n：1～124
= fl(n)+45MHz *实际工作中的“信道”往往指的是频道，请注意区 分使用场合 DCS1800 n：512～885 – 上行：fl(n)=1710.2+(n-512)*0.2MHz – 下行：fh(n)=1805.2+(n-512)*0.2MHz = fl(n)+95MHz
BTS的SCH上的BSIC，但根据映射关系，10 个时隙仅有一个SCH，MS读取到BSIC的概 率很小 – 滑动复帧 TCH： 26帧一个周期 BCH+CCCH：51帧一个周期 使MS有更多机会读取到SCH上的BSIC
52
53
（6）移动用户的接续过程中 逻辑信道的应用
移动用户开机，初始化
– 搜索最强的BCH锁定，在FCCH上获取频率同步
40
FB
使用信道：FCCH(使MS获得频率上的同步) 格式
41
SB
使用信道：SCH，使MS获得时间同步 格式
42
AB
使用信道：RACH 格式
43
DB
使用：无信息需传输时，代替NB发送，以避
免由于干扰和噪声影响而使MS误动作
不携带任何信息，不分配给任何MS 格式：与NB相同
音质量好 – 可降低成本费用，减小设备体积
5
GSM技术指标及参数
频段：
– GSM900：下行：935～960MHz
上行：890～915MHz 双工间隔：45MHz – 频带宽度：25MHz
载频间隔：200KHz （频道间隔） 信道分配：每载频8时隙；全速信道8个
6
通信方式：全双工 （准双工） 信道总速率：270.8kbit/s 调制方式：GMSK 话音编码：RPE-LTP 输出速率：13kbit/s 数据速率：9.6kbit/s（低速） 跳频速率：217跳/秒 每时隙信道速率：33.8kbit/s 其他技术：FDMA/TDMA多址技术、跳频、间断传
收端已知，收端根据收到的解调序列比较，取差值 最小作为信道模型输出给信道解码用于纠错
30
3.1.3 GSM中的频率利用
频率复用：同一载波的无线信道用于覆盖相
隔一定距离的不同区域频道序号对应工作频率 的计算
GSM系统中的频率复用方式
– 典型的频率复用方式:4×3、3×3、2×6、
1×3方式
31
2.频道序号对应工作频率的计算
3
3.1 GSM
GSM系统组成及网络结构 GSM数字信号的处理 GSM中的频率利用 GSM中的无线接口
4
GSM数字移动通信系统的优点 – 频谱利用率更高，进一步提高了系统
容量
– 提供了一种公共标准，便于全自动漫游 – 提供新型非话业务，与ISDN兼容 – 保密性好，安全性好 – 数字传输技术抗衰落性强，传输质量高，话
21
2.信道编码
信道编码方法：
信道编码后输出速率： 456bit/20ms = 22.8kbit/s
22
3.交织
GSM中的交织（第一次交织）
23
重排和交织
24
二次交织
25
GSM中的编码过程
– A/D – 分段 – RPE/LTP
– 信道编码
– 交织 – 信息经交织编码形成8帧，
CCCH： (所有MS共用)
– PCH ↓：用于寻呼MS – RACH↑：用于寻呼响应或主呼接入，
申请分配一个SDCCH – AGCH ↓：用于为MS分配一个SDCCH
DCCH： (给特定的MS)
– SDCCH ：分配TCH前，呼叫建立过程中传系统信令，
如：登记、鉴权 – SACCH：传连接信令，与TCH、SDCCH相关 如：RSSI报告，MS功率管理，时间调整 – FACCH：传比SACCH处理速率快得多的信息，与TCH相关， 如：切换指令
– 移动用户管理----HLR
计费管理 ----MSC、GMSC 移动设备管理----EIR 移动网络管理----OMC – OMC：
网络监视、操作 无线规划 交换系统管理 性能管理 ……
16
（4）移动台MS
MS：提供用户接入系统的接口
– 用户设备：手机、车载台、MT…
– MS=ME+UIM(GSM中为SIM) 移动台必须插入UIM才能正常呼叫 在紧急呼叫时可不插UIM 如：119、120、110、122、112
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3.1.1 GSM系统组成及网络结构
GSM系统组成 GSM系统网络结构
8
1.GSM系统组成
GSM系统 (符合典型2G数字移动通信系统结构)
– 网络子系统NSS（或交换子系统SS）
MSC HLR、VLR、AUC、EIR BSC BTS OMC
– 基站子系统（BSS）
2G移动通信系统及技术应用
内容
– GSM、GPRS和IS-95 CDMA系统的网络结构、关键
技术及无线接口
重点
– GSM、GPRS和IS-95 CDMA系统网络结构、关键技
术 – GSM、GPRS系统的帧结构、用户数据的传输 – 扩频通信基本原理
1
难点
– GSM、GPRS和IS-95 CDMA系统的无线接口、关键
50
呼叫接续状态
① BTS发，MS收并测试本工作信道的RSSI ② MS在规定工作时隙发 ③ MS在收发间隔测试周边BTS的BCH的RSSI ④ MS在空闲帧读取周边BTS的SCH上的BSIC，以便 在③的测试中区分不同BTS
以MS占用TS2为例
51
滑动复帧
– 原因：在呼叫接续测试中，MS须读取周边
13
– EIR：存移动设备的ESN 功能：防止非法设备入网使用 比较白、灰、黑名单 移动设备管理
– AC：存鉴权信息和加密密钥等用于安全方
面的信息
功能：安全性管理
注：HLR/AC MSC/VLR
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（2）基站子系统BSS
组成：无线信号收发（BTS） 无线资源管理（BSC）
– BSC：
12
– HLR：存所有被管理用户的数据
----静态数据库
功能：用户数据管理 存储信息：用户信息（入网、业务…） 位置信息（LAI） 号码：MDN（GSM中为MSISDN）、IMSI
– VLR：临时存储进入被控区域的移动用户的
信息----动态数据库
功能：移动性管理 用户离开时，信息即被删除
27
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4.数字信号调制
数字调制方式：ASK、FSK、PSK GSM中的数字调制：GMSK MSK：f1、f2只差半个波形 GMSK：MSK前加高斯低通滤波器
29
5. Viterbi均衡
GSM中使用的均衡方式 Viterbi均衡：最小均方误差准则
– GSM的普通突发脉冲序列NB中26bit的训练序列，
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2.GSM系统网络结构
我国的GSM网络结构：二、三级混合网络结构
– 二、三级混合网络结构的连接方案
TMSC1：网状结构，各省一对 TMSC2：与对应的一对TMSC1相连 MSC：与对应的两个TMSC相连
18
GSM话路网网络结构
– 二级网络结构
TMSC1、MSC – 三级网络结构 TMSC1、TMSC2、MSC
功能：各种接口管理， 无线资源和无线参数管理
如：切换定位、时间确定；功率控制；时间提前量确定
– BTS： 功能：提供与MS的接口及无线链路 由BSC控制并服务于某小区的无线收发设备， 完成信道转接，与MS间无线传输及相关控制
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（3）操作维护子系统OSS
功能：操作控制、维护管理 主要管理项目及功能单元：
逻辑信道：根据信息种类人为定义
– 必须映射到物理信道才能实现信息传输
– 类型：业务信道TCH：传送编码后的话音或用户数据
（可能被FACCH借用） 控制信道CCH：传送信令或同步数据
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(2)逻辑信道的分类
逻辑信道的配置
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CCH
BCH：
– FCCH↓：用于校正MS工作频率 – SCH ↓：传时间同步信息(含TDMA帧号、BSIC) – BCCH ↓：广播每个BTS的特定的通用信息
32
– 上行：fl(n)=890.2+(n-1)*0.2MHz – 下行：fh(n)=935.2+(n-1)*0.2MHz
3.1.4 GSM中的无线接口
GSM中的接口类型及位置 Um接口（空中接口）
33
1.GSM中的接口类型及位置
A接口：MSC—BSC Abis接口：BSC—BTS Um接口：BTS—MS Sm接口：ME—SIM、用户 B：MSC—VLR C：MSC—HLR D：HLR—VLR E：MSC—MSC F：MSC—EIR G：VLR—VLR
34
2. Um接口（空中接口）
信道 逻辑信道的分类 突发脉冲序列 逻辑信道到物理信道的映射 MS测试原理 移动用户接续过程中逻辑信道的应用
35
(1) 信道
物理信道：物理的
实际存在的
– GSM中：一个载频上的一个时隙
每个载频分为8个时隙----8个物理信道 – 一个时隙中传送的信息格式----突发
38
(3)突发脉冲序列
突发脉冲序列------时隙 共156.25bit，占时0.577ms 类型
– – – – –
普通突发脉冲序列NB 频率校正突发脉冲序列FB 同步突发脉冲序列SB 接入突发脉冲序列AB 空闲突发脉冲序列DB
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NB
使用信道：BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、TCH 格式
– 操作维护子系统（OSS）
– 移动台子系统（MS）
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（1） 网络子系统NSS
功能：系统交换（MSC） 用户数据管理（HLR） 移动性管理（VLR） 安全性管理（AUC） 移动设备管理（EIR）
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MSC：电话交换功能----核心功能
呼叫建立，路由选择，控制、终止呼叫 交换区内切换 业务提供，费用信息 信令及网络接口 – 类型：普通MSC 网关MSC（GMSC） ----选路 汇接MSC（TMSC） ----汇接
Dn—SDCCH；Sn—SACCH
上下行偏移3个时隙
47
– TS2～TS7：26个时隙重复
T—TCH；A—FACCH
上下行偏移3个时隙，使MS收发不需同时进行
48
基站中的其余载频C1～Cn 全部8个时隙(TS0～TS7)用作TCH
49
（5）MS测试原理
空闲状态
– 开机：小区选择
扫描最强的BCH载频是否本系统？ 是：锁定 否：扫描次强BCH… – 待机：小区重选 监听BCH信道中6个最强载波表、PCH中是 否有呼叫、是否需小区重选(进入新小区)
– 在SCH上获得时间同步 – 在BCCH上读取小区特定信息
如：邻近小区载波表 本小区载频，LAI 系统国家码、网络码 随后进入空闲状态
19
3.1.2 GSM数字信号的处理
BS与MS的数字信号处理过程相似
区别：基站处理信号来自MSC的64kbit/s的PCM信号(8bit) MS处理的语音信号来自话筒
MS对语音信号的处理过程
20
1.话音编码
GSM的话音编码：RPE-LTP
– 编码过程
预处理 线性预测 短时分析预测 长期预测 规则激励编码
加密比特改为具有一定模型的混合比特
44
（4）逻辑信道到物理信道的映射
C0载频
– TS0↓：51个时隙重复（构成51帧的复帧）
F—FCCH；S—SCH； B—BCCH； C—CCCH（PCH、AGCH）
45
– TS0↑：51个时隙重复（构成51帧的复帧）
R—RACH
46
– TS1：102个时隙重复
技术 – 码分多址技术基本原理
目的和要求
– 掌握GSM、GPRS、IS-95 CDMA系统的网络结构、
关键技术和帧结构 – 了解GSM、GPRS、IS-95 CDMA系统无线接口中的 信道配置 – 理解码分多址技术与扩频通信基本原理
2
模拟系统的缺点
– – – – – – –
设备体制混杂 制式混杂 业务种类单一 频率利用率低 容量小 安全性、保密性差 手机体积大，电池充电后有效工作时间短
每帧114bit。将114bit分 成两段，填入普通突发
脉冲序列。
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分级帧结构
由普通突发脉冲序列构成帧、复帧、超帧、超 高帧的分级帧结构
– 每个突发脉冲序列共156.25bit，占时577μs，在一个 – – – –
时隙中发送 8个时隙组成一个4.62ms的TDMA帧 26个话音TDMA帧组成一个持续时间为120ms的复 帧；在控制信道中51个帧组成一个复帧 51个26帧的复帧（或26个51帧的复帧）构成一个超 帧； 2048个超帧组成一个超高帧，总计2715648个TDMA 帧，占时3小时28分53.7秒
已知n为频道序号
GSM900
n：1～124
= fl(n)+45MHz *实际工作中的“信道”往往指的是频道，请注意区 分使用场合 DCS1800 n：512～885 – 上行：fl(n)=1710.2+(n-512)*0.2MHz – 下行：fh(n)=1805.2+(n-512)*0.2MHz = fl(n)+95MHz
BTS的SCH上的BSIC，但根据映射关系，10 个时隙仅有一个SCH，MS读取到BSIC的概 率很小 – 滑动复帧 TCH： 26帧一个周期 BCH+CCCH：51帧一个周期 使MS有更多机会读取到SCH上的BSIC
52
53
（6）移动用户的接续过程中 逻辑信道的应用
移动用户开机，初始化
– 搜索最强的BCH锁定，在FCCH上获取频率同步
40
FB
使用信道：FCCH(使MS获得频率上的同步) 格式
41
SB
使用信道：SCH，使MS获得时间同步 格式
42
AB
使用信道：RACH 格式
43
DB
使用：无信息需传输时，代替NB发送，以避
免由于干扰和噪声影响而使MS误动作
不携带任何信息，不分配给任何MS 格式：与NB相同
音质量好 – 可降低成本费用，减小设备体积
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GSM技术指标及参数
频段：
– GSM900：下行：935～960MHz
上行：890～915MHz 双工间隔：45MHz – 频带宽度：25MHz
载频间隔：200KHz （频道间隔） 信道分配：每载频8时隙；全速信道8个
6
通信方式：全双工 （准双工） 信道总速率：270.8kbit/s 调制方式：GMSK 话音编码：RPE-LTP 输出速率：13kbit/s 数据速率：9.6kbit/s（低速） 跳频速率：217跳/秒 每时隙信道速率：33.8kbit/s 其他技术：FDMA/TDMA多址技术、跳频、间断传
收端已知，收端根据收到的解调序列比较，取差值 最小作为信道模型输出给信道解码用于纠错
30
3.1.3 GSM中的频率利用
频率复用：同一载波的无线信道用于覆盖相
隔一定距离的不同区域频道序号对应工作频率 的计算
GSM系统中的频率复用方式
– 典型的频率复用方式:4×3、3×3、2×6、
1×3方式
31
2.频道序号对应工作频率的计算
3
3.1 GSM
GSM系统组成及网络结构 GSM数字信号的处理 GSM中的频率利用 GSM中的无线接口
4
GSM数字移动通信系统的优点 – 频谱利用率更高，进一步提高了系统
容量
– 提供了一种公共标准，便于全自动漫游 – 提供新型非话业务，与ISDN兼容 – 保密性好，安全性好 – 数字传输技术抗衰落性强，传输质量高，话
21
2.信道编码
信道编码方法：
信道编码后输出速率： 456bit/20ms = 22.8kbit/s
22
3.交织
GSM中的交织（第一次交织）
23
重排和交织
24
二次交织
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GSM中的编码过程
– A/D – 分段 – RPE/LTP
– 信道编码
– 交织 – 信息经交织编码形成8帧，
CCCH： (所有MS共用)
– PCH ↓：用于寻呼MS – RACH↑：用于寻呼响应或主呼接入，
申请分配一个SDCCH – AGCH ↓：用于为MS分配一个SDCCH
DCCH： (给特定的MS)
– SDCCH ：分配TCH前，呼叫建立过程中传系统信令，
如：登记、鉴权 – SACCH：传连接信令，与TCH、SDCCH相关 如：RSSI报告，MS功率管理，时间调整 – FACCH：传比SACCH处理速率快得多的信息，与TCH相关， 如：切换指令
– 移动用户管理----HLR
计费管理 ----MSC、GMSC 移动设备管理----EIR 移动网络管理----OMC – OMC：
网络监视、操作 无线规划 交换系统管理 性能管理 ……
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（4）移动台MS
MS：提供用户接入系统的接口
– 用户设备：手机、车载台、MT…
– MS=ME+UIM(GSM中为SIM) 移动台必须插入UIM才能正常呼叫 在紧急呼叫时可不插UIM 如：119、120、110、122、112