1、GSM数字移动通信发展史GSM数字移动通信发展史1.1 GSM系统历史背景 GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。 蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS(先进的移动电话业务)模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT(Nordic 移动电话)系统，
2、接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C450系统等。见表1-1。 表1-1 1991年欧洲主要蜂窝系统国家 系统 频带 建立日期 用户数(千) 英国TACS90019851200瑞典、挪威芬兰、丹麦NMT450900198119861300法国Radiocom2000NMT450,9004501985198930090意大利RTMSTACS4509001985199060560德国C-4504501985600瑞士NMT9001987180荷兰NMT45090019851989130奥地利NMTTACS450900198419906060西班牙NMTTACS45090019821990
3、6060蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点：1. 各系统间没有公共接口；2. 很难开展数据承载业务；3. 频谱利用率低无法适应大容量的需求；4. 安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，对客户之间造成很大的不便。 GSM数字移动通信系统史源于欧洲。早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统
4、是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组Group SpecialMobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。 1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。 1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式
5、达成一致意见。同年，欧洲17个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。与此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。 1990年完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套12系列。 1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（Globa1 system for Mobile communications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCSI800系统。该
6、系统与 GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCSI800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为GSM系统。 1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50。 1993年欧洲第一个DCSI800系统投入运营。到1994年已有6个运营者采用了该系统。 1.2 GSM系统技术规范 GSM系统技术规范中只对功能和接口制定了详细规范，未对硬件做出规定。这样做目的是尽可能减少对设计者限制，又使各
7、运营者有可能购买不同厂家的设备。 GSM系统技术规范共分12章： 系列01 概述 02 业务方面 03 网路方面 04 MS-BS接口与协议 05 无线路径上的物理层 06 话音编码规范 07 MS的终端适配器 08 BS-MSC接口 09 网路互通 10 业务互通 11 设备和型号认可规范 12 操作和维护这些系列规范都是由ETSI组建的不同工作组和专家组编写而成的。1988年春天完成第一阶段标准的第一个版本，以支撑当时的投标活动。后来修改过几次，1990年以后除了传真方面的规范外，其它很少作改动，1992年底基本冻结。第二阶段标准到1993年底也基本完成了主要部分，并与1994年底冻结，为
8、了提高系统的性能，从1994年6月又开始考虑第2阶段的有关标准的定义，后并入第二阶段标准，并宣布还会有第三阶段的标准。实际上由于第三代移动通信系统的提出，已中止第三阶段标准。 为了保证GSM网路内现有的和将来的业务开展，在制定标准时必须考虑兼容性的要求。GSM通信系统2.1 系统的组成 蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成，如图21所示。其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的限制。因此，各设备生产厂家对A接口都
9、采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。也就是说，NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备，而MS可用不同厂家的设备。 图21 蜂窝移动通信系统的组成 由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范，运营公司当然喜欢花最少的投资，用最好的设备来建最优良的通信网，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。也就是说，各接口都是开放式接口。 GSM系统框图如图2-2，A接口往右是NSS系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往左Um接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BS
10、C）和基站收发信台（BTS）。Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。 图22 GSM系统框图 在GSM网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。 2.2 交换网路子系统 交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。 NSS 由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下： MSC：是GSM系统的核心，是对位于
11、它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS、还应能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。 VLR：是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。 HLR：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）
12、注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。 AUC：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。 EIR：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。2.3 无线基站子系统 BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。 BSC：
13、具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。 BTS：无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。 2.4 移动台 移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡（SIM）。 移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。 SIM卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非
14、法客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入进网，但SIM卡本身不是代金卡。 2.5 操作维护子系统 GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。OMC与MSC之间的接口目前还未开放，因为CCITT对电信网路管理的Q3接口标准化工作尚未完成。GSM关键技术3.1 工作频段的分配 （1）工作频段 见图3-1。我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段： 905915（移动台发、基站收） 950960（基站发、移动台收） 随着
15、业务的发展，可视需要向下扩展，或向1.8GHz频段的DCSI800过渡，即1800MHz频段： 17101785（移动台发、基站收） 18051880（基站发、移动台收） 图3-1 我国陆地蜂窝移动体系系统频段分配图 （2）频道间隔 相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）。每信道占用带宽200kHz8=25kHz，同模拟网TACS制式每个信道占用的频率带宽。从这点看二者具有同样的频谱利用率。 将来GSM采用半速率话音编码后，每个频道可容纳16个半速率信道。 （3）频道配置 采用等间隔频道配置方法，频道序号为76124，共49个
16、频点（见图3-2）。频道序号和频点标称中心频率的关系为： 图3-2 900MHz频段数字蜂窝移动通信网的频道配置 fl(n)= 890.200MHz （n-1） 0.200MHz 移动台发，基站收 fh(n)= fl(n) 45MHz 基站发，移动台收 n= 76124频道 （4）双工收发间隔：45kHz。与模拟TACS系统相同。 发射标识：业务信道发射标识为271KF7W；控制信道发射标识为271KF7W。 271K F 7 W 必要带宽271kHz 主载波调制方式： 调频 调制主载波的信号性质： 包含量化或数字信息的双信道或多信道 被发送信息的类型： 电报传真数据、遥测、遥控、电话视频的组
17、合 （5）干扰保护比 载波干扰保护比（CI）就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其它一些因素如天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等所造成的。 GSM规范中规定： 同频道干扰保护比： C/I 39dB 邻频道干扰保护比： C/I 3 - 9dB 载波偏离400kHz时的干扰保护比： C/I 3 - 41dB （6）频率复用方式 频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。 频率复用方式
18、就是指将可用频道分成若干组，若所有可用的频道N（如49）分成F组（如9组），则每组的频道数为NF（49/9 ? 5.4即有些组的频道数为5个，有些为6个，见图3-3）。 图3-3 900MHz 39方式频道分配图 因总的频道数N是固定的，所以分组数F越少则每组的频道数就越多。但是，频率分组数的减少也使同频道复用距离减小，导致系统中平均CI值降低。因此，在工程实际使用中是把同频干扰保护比CI值加3dB的冗余来保护，采用12分组方式，即4个基站，12组频率(见图3-2和图3-4所示)。 图3-4 频率复用方式 对于有向天线而言，天线可采用120或60的定向天线，形成三叶草小区，即把基站分成3个扇形
19、小区。如采用412复用方式，每个小区最大可用到5个频道，一般的也可用到4个频道。如采用39复用方式，则每个小区可用到6个或5个频道。 对于无方向性天线，即全向天线建议采用7组频率复用方式，其7组频率可从12组中任选，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用(见图3-5)。业务量较大的小区可借用剩余的频率组，如使用第9组的小区可借用第2组频率等。 图3-5 7小区分组 以上所谈每小区可用频道数都是在可用频段为10MHz情况下，目前10MHz中4MHz为邮电部使用，另6MHz为“中国联通公司”使用。从频道序号来看，7695为邮电部使用，95124为“中国联通公司”使用。这样，邮电部建的GSM数字移动通信网
20、如采用412频率复用方式时，每小区可用频道数最大仅有2个(16个信道)，有些只能用到1个(8个信道)。为此，邮电部下属大部分邮电管理局将4MHz带宽向下端扩展2MHz，即占用模拟B网2MHz，使GSM数字移动通信网从可用频道7695(20个)扩展到6695(30个)，412方式每个小区一般可用3个频道(24信道)，最小也能用到2个频道(16个信道)。 (7) 保护带宽：400kHz 当一个地区数字移动通信系统与模拟移动通信系统共存时，两系统之间(频道中心频率之间)应有约400kHz的保护带宽，通常是由模拟B网预留。邮电部的数字移动通信系统与“中国联通公司”的数字移动通信系统之间也应有400kH
21、z的保护带宽，即它们之间少用一个频道，或由邮电部一方预留，或由“中国联通公司”一方预留。3.2 时分多址技术（TDMA） 多址技术就是要使众多的客户公用公共通信信道所采用的一种技术。实现多址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常称它们为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。在传统的无线电广播中，均采用频分多址（FDMA ）方式，每个广播信道都有一个频点，如果你要收听某一广播信道，则必须把你的收音机调谐到这一频点上。模拟蜂窝移动系统也采用了此技术，某一小区中的某一客户呼叫占用了一个频点，即一个信道（实际上是占用两个，因为是双向连接，即双工通
22、信），则其它呼叫就不能再占用。 在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。每一频点（频道或叫载频TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道，因此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用，见图36所示。 图36 频分多址和时分多址方式 图中所示（a为FDMA，b为TDMA）是一个方向的情况，在相反方向上必定有一组对应的频率（FDMA）时隙（TDMA）。 TDMA系统具有如下特性： (1) 每载频多路。如前所述，TDMA系统形成频率时间矩阵，在每一频率上产生多个时隙，这个矩阵中的每一点都是一个信道，在基站控制分配下，可为任意一移动客户提供电话或非话业务。2 突发脉冲序列传输。移动台信
23、号功率的发射是不连续的，只是在规定的时隙内发射脉冲序列。3 传输速率高，自适应均衡。每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高，但数字传输带来了时间色散，使时延扩展量加大，则务必采用自适应均衡技术。4 传输开销大。由于TDMA分成时隙传输，使得收信机在每一突发脉冲序列上都得重新获得同步。为了把一个时隙和另一个时隙分开，保护时间也是必须的。因此，TDMA系统通常比FDMA系统需要更多的开销。 (5) 对于新技术是开放的。例如当话音编码算法的改进而降低比特速率时，TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。6 共享设备的成本低。由于每一载频为许多客户提供业务，所以TDMA系统共享设备的每客户平均
24、成本与FDMA系统相比是大大降低了。7 移动台较复杂。它比FDMA系统移动台完成更多的功能，需要复杂的数字信号处理。3.3 时分多址(TDMA)帧结构 （1）TDMA信道概念 GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就为一个时隙(TS)，而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道映射到物理信道上传送。从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。 逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。 业务信道（TCH）：用于传送编码后的话音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点（BTS对一个MS，或反之）方式传播。 控制信道：用于传送信令
25、或同步数据。根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道，它们又可细分为： 广播信道（BCH）: -频率校正信道（FCCH）：携带用于校正MS频率的消息，下行信道，点对多点（BTS对多个MS）方式传播。 -同步信道（SCH）：携带MS的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，下行信道，点对多点方式传播。 -广播控制信道（BCCH）：广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。下行，点对多点方式传播。 公共控制信道（CCCH） : -寻呼信道（PCH）：用于寻呼（搜索）MS。下行，点对多点方式传播。 -随机接入信道（RACH）：MS通过此信道申请分配一个独立专
26、用控制信道（SDCCH），可作为对寻呼的响应或MS主叫登记时的接入。上行信道，点对点方式传播。 -允许接人信道（AGCH）：用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。下行信道，点对点方式传播。 专用控制信道(DCCH)： -独立专用控制信道（SDCCH）：用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。例如登记和鉴权在此信道上进行。上行和下行信道，点对点方式传播。 -慢速随路控制信道（SACCH）：它与一个TCH或一个SDCCH相关，是一个传送连续信息的连续数据信息，如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台参与切换功能是必要的。它还用于MS 的功率管理和
27、时间调整。上行和下行信道，点对点方式传播。 -快速随路控制信道（FACCH）：它与一个TCH相关。工作于借用模式，即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速 度传送信令信息，则借用20ms的话音（数据）来传送。这一般在切换时发生。由于语音译码器会重复最后20ms的话音，因此这种中断不被用户查觉。 控制信道的配置是依据每小区（BTS）的载频（TRX）数而定的，见图3-7所示。在使用6MHz带宽的情况下，每小区最多两个控制信道，当某小区配置一个载频时，仅需一个控制信道。 图37 小区信令信道配置 （2）TDMA帧 在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，相当于FDMA系
28、统中的一个频道，每帧包括8个时隙（TS0-7），要有TDMA 帧号，这是因为GSM的特性之一是客户保密性好，是通过在发送信息前对信息进行加密实现的。计算加密序列的算法是以TDMA帧号为一个输入参数，因此每一帧都必须有一个帧号。有了TDMA帧号，移动台就可判断控制信道TS0上传送的是哪一类逻辑信道。 TDMA帧号是以3.5小时（2715648个TDMA帧）为周期循环编号的。每2715648个TDMA帧为一个超高帧，每一个超高帧又可分为2048个超帧，一个超帧持续时间为6.12s，每个超帧又是由复帧组成。复帧分为两种类型（见图3-8所示）。 图38 帧结构图 26帧的复帧-它包括26个TDMA帧，
29、持续时长120ms,51个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带TCH（和SACCH加FACCH）。 51帧的复帧-它包括51个TDMA帧，持续时长306013ms。26个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带BCH和CCCH。 （3）突发脉冲序列（Burst） TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。共有五种类型。 普通突发脉冲序列（NB）：用于携带TCH及除RACHA，SCH和FCCH以外的控制信道上的信息，图3-9所示，“57个加密比特”是客户数据或话音，再加“1”个比特用作借用标志。借用标志是表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用。“26个训练比特”是一串已知比特，用于供均衡器产生信道模型（一种消除时间色散的方法）。 “TB”尾比特总是000帮助均衡器判断起始位和中止位。“GP”保护间隔，8.25个比特（相当于大约30s），是一个空白空间。由于每载频最多8个客户，因此必须保证各自时隙发射时不相互重迭。尽管使用了时间调整方案，但来自不同移动台的突发脉冲序列彼此间仍会有小的滑动，因此8.25个比特的保护可使发射机在GSM建议许可范围内上下波动。 图39 普通突发脉冲序列 频率校正突发脉冲序列（FB）：用于移动台的频率同步，它相当于一个带频移的未调载波。此突发脉冲序列的重复称FCCH，见图 3-10。图中“固定比特”全
