1、 第24章GSM数字蜂窝移动通信系统24.1GSM数字蜂窝移动通信系统结构及其接口数字蜂窝移动通信系统结构及其接口24.2GSM移动通信的交换技术及业务移动通信的交换技术及业务24.3GSM移动通信系统的无线传输移动通信系统的无线传输24.4GSM移动通信的接续移动通信的接续本章小结本章小结24.1 GSM数字蜂窝移动通信系统结构及其接口数字蜂窝移动通信系统结构及其接口24.1.1 系统结构及其组成系统结构及其组成GSM数字蜂窝通信系统主要由移动台、基站子系统和网络子系统等部分组成，如图24.1.1 所示。图24.1.1 GSM组成结构1.移动台(MS)MS是移动通信系统的用户终端设备，包括收
2、发信机、天线、电源、频率合成器、数字逻辑单元等，可自动扫描基站载频、响应寻呼、自动更换频率和自动调整发射功率。建立呼叫时，MS可以与最近的基站BS之间建立一个无线信道，并通过移动交换中心(MSC)的接续与被叫用户通话。MS可分为车载、便携和手持三种，不同类型移动台的功率不同。表24.1.1为两种常用移动台的等级。GSM移动台由两部分组成：一部分是与无线电接口有关的硬件和软件部分；另一部分是用户特有的数据部分，即用户识别模块(SIM)，它是一张符合ISO标准的“智慧”卡，它包含所有与用户有关的储存在用户无线接口中的信息，其中也包括鉴权和加密信息。使用GSM标准的移动台时都需要插入SIM卡，只有当
3、处理异常的紧急呼叫时，可以在不用SIM的情况下操作移动台。SIM卡的应用使移动台并非固定地绑定在一个用户上，GSM系统是通过SIM卡来识别移动电话用户的。2.基站子系统(BSS)BSS在GSM系统中与蜂窝覆盖关系最直接相关。它通过无线接口直接与移动台相接，负责信息的发送、收接和无线资源管理，同时与网络子系统(NSS)中的移动交换中心(MSC)相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的接续通信，传送系统信号和用户信息等。基站子系统由基站收发信机(Base Transceiver Station，BTS)和基站控制器(Base Station Controller，BSC)两部分功能实体
4、构成。实际上，一个基站控制器根据话务量的多少大约可以控制数十个BTS，BTS可以直接与BSC相连接，也可以通过基站接口设备(Base Interface Equipment，DIE)，采用远端控制的连接方式与BSC相连接。需要说明的是，基站子系统还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM）。码变换器在更多的情况下是设置在BSC和MSC之间，该方式在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具有许多优点。图24.1.2为本地和远端配置BTS的典型BSS组成方式。图24.1.2 一种典型的BSS组成结构移动台到网络的接口是基站收发信机（BTS），为基站子系统的无线部分。由基站控制器（BSC）控制
5、。服务于某个小区的无线收发设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。基带单元主要用于必要的语音和数据速率匹配以及信道编码等。载频单元主要用于调制/解调与发射/接收机之间的耦合等。控制单元用于BTS的操作与维护。另外，若BSC与BTS不设在同一处，则需采用Abis接口，同时传输单元必须增加，以实现BSC与BTS之间的远端连接。如果BSC与BTS设置在同一处，则只需采用BS接口，而不需要传输单元。在朝向基站控制器（BSC）侧，BTS区分与移动台有关的语音和控制信令，并通过各自信道传给BS
6、C。在朝向MS侧，BTS将信令和语音合在一个载波上。BTS位置通常在小区中心，BTS的发射功率决定小区的大小。一个典型的BTS通常具有124个收发信机(TBX)，每个TBX代表一个单独的RF信道。基站的各种配置与应用有关，基站可设置成扇形或全向。一个BTS可控制一个扇区或多个扇区。一个基站控制器（BSC）监视和控制几个基站，是基站的控制部分。BSC的主要任务是实现频率管理以及BTS的控制和交换功能。BSC承担各种接口及无线资源和无线参数管理的任务。BSC通过BTS和MS的远程命令对无线电接口进行管理，主要有无线信道的安排和释放、切换的安排。BSC向下连接一系列BTS，向上连接移动交换中心（MS
7、C）。BSC主要由下列部分构成：（1）朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相接的Ater接口的数字中继控制部分。（2）朝向与BTS相接的从Abis接口或BS接口的BTS控制部分。（3）公共处理部分，包括与操作维护中心相接的接口控制。（4）交换部分。3.网络子系统(NSS)NSS中的移动交换中心(MSC)是网络的核心，它提供交换功能和接口功能。接口功能包括面向基站子系统(BSS)功能实体，面向原籍位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)、移动设备识别寄存器(EIR)、操作维护中心(OMC)功能实体，以及面向固定公用电话网(PSTN)、ISDN、分组交换公用数据网(PSPDN)、电路交换公用数据网
8、(CSPDN)的接口功能。通过这些接口将移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。1）移动交换中心(MSC)MSC可从原籍位置寄存器(HLA)、访问位置寄存器(VLR)和鉴权中心(AUC)这三种数据库获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。同时MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。作为网络的核心，MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等其他网络功能。对于容量比较大的移动通信网，一个网络子系统可包括若干个MSC、HLR和VLR。为了建立固定网络用户与GSM移动用户之间的呼叫，此呼叫首先被接入到关口移动业务交换中心(称为GMSC)。关口交换机负责获取位置信息，且
9、把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC(称为被访MSC(VMSC)。GMSC是具有与固定网络和其他NSS实体互通的接口。2）原籍位置寄存器(HLR)HLR是GSM系统的中央数据库，存储着HLR控制的所有移动用户的相关数据。一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。HLR还为MSC存储移动用户实际漫游所在的MSC区域的有关动态信息数据。这样，任何入局呼叫都可以即刻按选择的路径接续到被叫的用户。HLR所存储的用户信息分为两类：一类是永久性的信息，例如用户类别、业务限制、电信
10、业务、承载业务、补充业务、用户的国际移动用户识别码（IMSI）以及用户的保密参数等；另一类是有关用户当前位置的临时性信息，例如移动用户漫游号(MSRN)等，用于建立至移动台的呼叫路由。3）访问位置寄存器(VLR)VLR是为其控制区域内的移动用户提供服务的。存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，是已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR从该移动用户的原籍位置寄存器(HLR)处获取并存储必要的数据。一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR处登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。因此VLR可看做是一个动态用户数据库。通常每一个移动交换区有一个VLR。VLR
11、中的永久性数据与HLR中的相同，临时性数据则略有不同。这些临时性数据包括当前已激活的特性、临时用户识别号(TMSI)和移动台在网络中准确位置(位置区域识别号)。当漫游用户进入某个MSC区域时，必须向该MSC相关的VLR登记，并分配一个移动用户漫游号(MSRN)，在VLR中建立该用户的有关信息，其中包括临时移动用户识别码(TMSI)、移动用户漫游号(MSRN)、所在位置区的标志以及向用户提供的服务等参数，这些信息是从相应的HLR中传递过来的。MSC在处理入网、出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息。一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。4）鉴权中心(AUC)GSM系统采取了特别的安全措施，例如
12、用户鉴权，可对无线接口上的语音、数据和信号信息进行保密等。AUC存储着签权信息和加密钥，具有认证移动用户身份以及产生相应认证参数的功能，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信安全。AUC对任何试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。它给每一个在相关HLR登记的移动用户安排了一个识别字，该识别字用来产生用于鉴别移动用户身份的数据以及产生用于对移动台与网络之间无线信道加密的另一个密钥。AUC可用来存储鉴权和加密算法。AUC只与HLR通信，它属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。5）设备识别寄存(EIR)EIR是存储有关移动台设备参数的
13、数据库，可实现对移动设备的识别、监视功能，以防被非法移动台使用。EIR存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码，使得运营部门对于不管是失窃还是由于技术故障或误操作而危及网络正常运行的MS设备，都能采取及时的防范措施，以确保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。6）操作维护中(OMC)OMC是网络操作维护人员对全网进行监控和操作的功能实体，用来接入MSC和BSC，处理来自网络的错误报告，控制BSC和BTS的业务负载。OMC通过BSC对BTS进行设置并允许
14、操作者检查系统的相连部分。在实际蜂窝网络中，根据网络规模、所在地域以及其他因素，上述实体可有各种配置方式。通常将MSC和VLR设置在一起，而将HLR、EIR和AC一同设置于另一个物理实体中。24.1.2 GSM网络接口网络接口GSM的网络接口分为三类，即主要接口、网络子系统内部接口及与其他公用电信网的接口。这三类接口都有相应的接口协议，使得整个GSM系统能够协调工作、互联互通。1.主要接口GSM系统的主要接口有A接口、Abis接口和Um接口。这三种主要接口的定义和标准能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能在同一个GSM数字移动通信网运行和使用。GSM主要接口的相互关系如图2
15、4.1.3所示。图24.1.3 GSM主要接口间的关系1）A接口A接口定义为网络子系统与基站子系统之间的通信接口，其结构如图24.1.4所示。该接口是移动业务交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的互联接口，其物理链接通过采用标准的2.048 Mb/s的PCM数字传输链路来实现。此接口传输的信息主要为移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理等信息。图24.1.4 A接口协议栈A接口在GSM标准中已有较完善的定义。所有MSC供应商均支持该接口。A接口采用No.7信令的低三层传输改进的ISDN呼叫控制信令，该接口所携带的信息从属于BSS管理、呼叫处理和移动性管理。SCCP和MTP层提供数据
16、传输。SCCP分为两类，即面向无连接的0类和面向连接的2类。0类用于BSC的信息；2类用于特殊移动站的连接或逻辑连接。如果BSSMAP同时进行无线信道的安排和控制BSS之间的切换，则应具有控制基站和管理BSS和MSC之间的物理连接的功能。2）Abis接口Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器(BSC)和基站收发信机(BTS)之间的通信接口，如图24.1.5所示。该接口用于两个不在同一地点的BSC与BSC之间的远端互连。物理链接通过采用标准的2.0048 Mb/s或64 kb/s的PCM数字传输链路来实现。若两个BSC在同一地点，则两者之间的距离应小于10 m。A接口支持所有向用户
17、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。图24.1.5 Abis接口协议栈3）空中接口（Um接口）Um接口定义为移动台与基站收发信机(BTS)之间的通信接口，如图24.1.6所示，用于移动台与GSM系统固定部分之间的互通。其物理链接是通过无线链路实现的。此接口传递的信息有无线资源管理、移动性管理和接续管理等。图24.1.6 Um接口协议栈Um接口使用RF信令作为第一层，ISDN协议的改进型作为第二层和第三层。BST和移动台供应向必须严格遵守该接口协议。Um接口中每个RF信道分成8个时隙，即8个用户共同使用一个射频RF信道。由于有效无线频段先分成单一RF信道，每个信道再进一步分
18、为时隙，GSM所采用的方案称为频分双工-时分多址(FDD-TDMA)接入。频分双工（FDD）表明用于上行和下行通信时有两个不同的RF信道。2.网络子系统内部接口网络子系统由MSC、VLR、HLR等功能实体组成，因此GSM技术规范定义了不同的接口以保证各功能实体之间的接口标准化。这些接口间的关系如图24.1.7所示。图24.1.7 网络子系统内部接口关系1）D接口D接口定义为原籍位置寄存器(HLR)与访问位置寄存器(VLR)之间的接口，用于交换有关的移动台位置和用户管理信息，为移动用户提供的主要服务是保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼叫。VLR通知HLR有关由该HLR管理的移动台位置，并提供
19、该用户漫游的信息。数据交换可以用于移动用户要求的特殊服务，也可以用于已经完成的描述中，还可以用于描述参数被管理者修改等情况。GSM系统一般把VLR集成在移动交换中心，HLR与AUC集成在同一个物理实体内。D接口的物理链接是通过MSC与HLR之间标准2.048 Mb/s的PCM数字传输链路实现的。2）B接口B接口定义为VLR与MSC之间的内部接口，用于MSC向VLR询问有关移动台的当前位置信息或者通知VLR有关移动台的位置更新信息等。一旦MSC需要当前本区域移动台的相关数据，它就询问VLR。当用户激活一个特殊的补充业务或修改与该业务有关的数据时，MSC通过VLR通知原籍位置寄存器（HLR）存储这
20、些修改的数据，如果需要，就更新VLR。由于MSC与VLR相互联系非常紧密，因此有些制造商将VLR的功能集成在MSC中。3）C接口C接口定义为HLR与MSC之间的接口。用于传递路由选择和管理信息。如果采用HLR作为计费中心，呼叫结束后建立用户或接收此呼叫的移动台所在的MSC应把计费信息传送给该移动用户当前归属的HLR，一旦要建立一个移动用户的呼叫，入口移动业务交换中心(CMSC)应向被叫用户所属的原籍位置寄存器(HLR)询问被叫移动台的漫游号码。C接口的物理链接方式与D接口的相同。4）E接口E接口定义为控制相邻区域的不同MSC之间的接口。当移动台在一个呼叫进行过程中，从一个MSC控制的区域移动到
21、相邻的一个MSC控制的区域时，为不中断通信需完成越区信道切换，此接口用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换。E接口的物理链接方式是通过MSC之间标准2.048 Mb/s的PCM数字传输链路实现的。5）F接口F接口定义为MSC与移动设备识别寄存器(EIR)之间的接口，用于交换相关的国际移动设备识别码管理信息。F接口的物理链接方式是通过MSC与EIR之间标准2.048 Mb/s的PCM数据传输链路实现的。6）G接口G接口定义为访问位置寄存器(VLR)之间的接口。当采用临时移动用户识别码(TMSI)时,此接口用于向分配TMSI的访问位置寄存器(VLRR)询问此移动用户的国际移动用户识别码(I
22、MSI)的信息。G接口的物理链接方式与E接口的相同。3.GSM系统与其他公用电信网的接口其他公用电信网主要是指公用电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)、分组交换公用数据网(PSPDN)和电路交换公用数据网(CSPDN)。GSM系统是建立在ISDN接入的基础上的。为了充分利用ISDN业务的优点，GSM系统通过MSC与这些公用电信网互联，其接口必须满足有关接口和信令标准及各个国家电信运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。根据我国现有公用电信网的发展现状和综合业务数字网的发展前景，GSM系统与PSTN和ISDN的互联方式采用No.7信令系统接口，其物理链接方式是通过MSC与PST
23、N和ISDN或ISDN交换机之间标准2.048 Mb/s的PCM数据传输链路实现的。如果具备ISDN交换机，HLR与ISDN网之间可建立直接的信令接口，使ISDN交换机可以通过移动用户的ISDN号码直接向HLR询问移动台的位置信息，以建立至移动台当前所登记的MSC之间的呼叫路由。GSM系统主要接口所采用的协议分层示意图如图24.1.8所示。图24.1.8 主要接口分层协议示意图协议是各功能实体之间共同的“语言”，通过各个接口互相传递有关信息，为实现GSM系统的通信和管理功能建立有效的信息传送通道。不同的接口可采用不同形式的物理链路，完成各自特定的功能，传递各自特定的消息，这些都由相应的信令协议
24、来实现。GSM系统各接口采用的分层协议结构，符合OSI参考核型。分层的目的是允许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议，每层协议在明确的服务接入点对上层协议提供其特定的通信服务。图24.1.8中相关协议的含义如下：CM：接续管理。MM：移动性管理。RR：无线资源管理。L1L3：信号层13。LAPDm：ISDN的Dm数据链协议。BTSM：BTS的管理部分。SCCP：信令链路控制部分。MTP：信息传递部分。BSSMAP：基站子系统移动应用部分。24.1.3 GSM移动通信的信道结构移动通信的信道结构信道是通信网中传递信息的通道。对于移动通信网，为了传递信息和其他控制信号，将需要很多信道，主要
25、有无线信道和有线信道。在移动通信系统中，无线信道通常有两种：业务信道和控制信道(Control Channel,CC)。在以语音业务为主的系统中，业务信道就是语音信道(Voice Channel,VC)。1.语音信道VC主要用于传递语音信号，其占用和空闲受MSC控制和管理。在MSC中保存有一张所有信道及其状态的表格，状态包括空、忙、阻塞等。当一个语音信道空闲时，基站语音信道单元发射机关闭；而当一个语音信道被占用时，发射机打开；当一个语音信道空闲但存在干扰电平并超过一定的值时，该语音信道不可使用，应暂时阻塞。这些动作全部根据MSC或BSC命令完成。通常每个无线小区分配几十个语音信道。1）检测音在
26、AMPS和TACS模拟蜂窝系统中，检测音(SAT)是指在语音传输期间连续发送的带外单频信号音。MSC通过对SAT的检测，可以了解语音信道的传输质量。当语音信道单元发射机启动后，就会不断在带外发出5970 Hz、6000 Hz或6030 Hz的检测音。SAT由BS的语音信道单元发出，经移动台MS返回。2）数据在特定情况下，在语音信道上还可传送数据，如在越区切换时，通话将暂时中断（模拟蜂窝系统中一般要求限定在800 ms之内），可利用这段时间在语音信道中以数据形式传递必要的指令或交换数据。3）信号音信号音为线路信号，它是由移动台发出的单向信号。例如在BS寻呼MS过程中，如果BS收到MS发来的ST，
27、就表示振铃成功。在切换过程中，原BS收到MS发来的ST信号，则表示MS切换被认可。ST是带内信号，一般在0300 Hz之间。2.控制信道一般控制信道的下行信道用于寻呼(Page)，上行信道用于接入(Access)。在每一个无线小区内，通常只有一个控制信道。所以一个中心激励的基站，配备一套控制信道单元，而通常一个覆盖三个扇区的小区顶点激励的基站应配备三套控制信道单元。1）寻呼当移动用户为被呼时，将在控制信道的下行信道发出呼叫移动台信号，所以将该信道称为寻呼信道(Page Channel,PC)。2）接入当移动用户为主呼时，将在控制信道的上行信道发出主呼信号，所以将该信道称为接入信道(Access
28、 Channel,AC)。在控制信道中，不仅可传递寻呼和接入信号，还可传送大量的其他数据，如系统的常用报文、指定通话信道、重试等信号。24.1.4 频率资源管理与频率有效利用频率资源管理与频率有效利用1.频率资源管理在ITU制定的无线电规则中，包括了各种无线电系统的定义、国际频率分配表和使用频率的原则、频率的分配和登记、抗干扰的措施、移动业务的工作条件以及无线电业务的分类等。国际频率分配表按照大区域和业务种类给定。全球划分为三个大区域：第一个区域是欧洲、非洲和部分亚洲地区；第二个区域是南、北美洲（包括夏威夷）；第三个区域是亚洲和大洋洲。业务类型划分为固定业务、移动业务（分陆、海、空）、广播业务
29、、卫星业务和遇险呼叫等。各国以国际频率分配表为基础，根据本国的情况制定了国家频率分配表和无线电规划。我国统一管理频率的机构是国家无线电管理委员会，移动通信组网必须遵守国家有关规定，并接受当地无线电管理委员会的具体管理。我国无线电管理委员会分配给蜂窝移动通信系统的频率如表24.1.2所示。蜂窝移动通信系统900 MHz频段的收发频差为45 MHz，1800 MHz频段的收发频差为95 MHz。此外，对于450 MHz专网，收发频差为10 MHz；对于150 MHz专网，收发频差为5.7 MHz。联通GSM的带宽为6 MHz，收发频差为45 MHz，信道间隔200 kHz，即200 kHz为一个频
30、点，共30个频点。除去工作频点首尾各个保护频点，共28个频点。对于不同的数字蜂窝系统，信道间隔不同。如GSM的信道间隔为200 kHz，每个信道有8个时隙；D-AMPS 的信道间隔为30 kHz，每个信道有3个时隙。此外，规定基站对移动台的下行链路为高频率发射、低频率接收，而移动台对基站的上行链路为低频率发射、高频率接收。2.频率有效利用频率有效利用就是从时间、空间和频率域这三个方面采用多种技术，提高频率的利用率。实际上蜂窝移动通信技术就是利用时间和空间域的频率有效利用技术来实现多用户无线通信的。频率域的频率有效利用有两种方法：信道窄带化和宽带多址技术。信道窄带化的方法从基带方面考虑可采用频带
31、压缩技术，如低速率语音编码等;从射频调制频带方面考虑可采用各种窄带调制技术，如窄带和超窄带调频、插入导频振幅压扩单边带调制以及各种窄带数字调制技术。应用窄带化技术减小信道间隔后，可在有限的频段内安排更多的信道，从而提高频率的利用率。宽带多址技术有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)以及它们的组合等。频率有效利用的评价准则是频率利用率。它定义为式中，为频率利用率。“频谱空间”是指由频宽、时间、实际物理空间构成的三维空间，及使用频率空间的大小=W(使用的频带宽带)S(占用物理空间的大小)t(使用时间)。若通信的业务量以话务量A表示，则24.1.5 多址接入的容量多址接入
32、的容量移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播信道多和面积覆盖大的特点。在电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，属于多址接入方式的问题。多址接入技术主要解决众多用户如何高效共享给定频谱资源的问题。多址方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)。常用的多址接入方式主要有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。1.蜂窝系统容量通信质量的优劣可用载波-干扰比（简称载干比）C/I来度量。模拟系统接收端射频的C/I与基带信噪比S/N密切相关，而S/N决定着语音质量。在数字系统中，C/I是与基带Eb/I0密切相关
33、的，且有式中，Eb是每比特的能量，I0是每赫兹的干扰功率，Rb是每秒钟的比特率，Bc是以赫兹为单位的射频信道的带宽。对于FDMA与TDMA，RbBc，且Eb/I01；对于DMA，RbBc，并且存在多地址码间干扰时，将会产生C/I1，此时若以分贝为单位，则出现负值。一个无线电系统的容量定义为一定频段内所能提供的信道数或用户的最大数目，或系统输入话务总量(Erlang)。系统容量与信道的载频间隔、每载频的时隙数、频率资源和频率复用方式、基站设置方式等有关。目前通常用无线容量m来表示系统容量，对于移动通信业务区，无线容量m是衡量无线系统频谱效率的参数，这一参数取决于所需的载干比C/I 和信道带宽B。
34、蜂窝系统容量定义为 （24.1.2)式中，m为无线容量，单位为信道/小区；Bt为分配给系统的总的频谱；N为频率重用的小区数。2.FDMA和TDMA的系统容量同信道干扰是蜂窝系统容量的制约因素。因为FDMA的信道和TDMA中的时隙只能指配给一个呼叫，在此期间是不允许其他呼叫共享该信道或该时隙的。同信道干扰来自于距离D=qR的同频小区。假设在6个同信道干扰源的最恶劣的环境中，路径损耗按4次方规律考虑，可得到以每小区信道数为单位的蜂窝系统容量m，对于FDMA和TDMA，其蜂窝系统容量可表示为(24.1.3)式中，Bt为发送或接收的系统总带宽；Bc为信道带宽或等效信道带宽；M=BtBc，为总信道数或总
35、等效信道数；K为区群所含的小区数目；(CI)为每个信道(每信道或每时隙)所需的最小载干比。可见，决定m的重要参数是Bc和(C/I)。3.CDMA系统容量CDMA的系统容量是受干扰限制的，决定CDMA蜂窝系统容量的主要参数是处理增益、Eb/N0、语音负载周期、频率再用效率，以及基站天线扇区数。若不考虑蜂窝系统的特点，只考虑一般扩频通信系统，则接收信号的载干比为（24.1.4)式中，Eb为信息的比特能量；Rb为信息的比特速率；N0为干扰的功率谱密度；W为总频段宽度(即CDMA信号所占的频谱宽度)；Eb/N0为信噪比，其取值决定于系统对误比特率或语音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；W/
36、Rb为系统的处理增益。若m个用户共用一个无线信道，显然每一用户的信号都受到其他m1个用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为则（24.1.5)如果将背景热噪声考虑进去，则能够接入此系统的用户数为(24.1.6)式(24.1.6)仅为理论公式，在实际应用时须对其进行修正，修正后为(24.1.)式中,d为语音通信在整个通话期内所占时间的比例，即激活期的占空比；G为扇区分区系数；F为信道复用效率。CDAM的系统容量比其他FDMA和TDMA的系统容量高，一般认为CDMA的系统容量比FDMA高810倍。24.2 GSM移动通信的交换技术及业务移动通信的交换技术及业务24
37、.2.1 通信呼叫建立过程通信呼叫建立过程1.移动台作为主叫的呼叫建立移动台首先搜索专用控制信道，当控制信道空闲时，即可通过此信道发出包括其自身的识别号码、被呼用户号码等的呼叫信号。基站收到这些信号后转送至MSC，经识别后即为移动台指配一个基站，此时的空闲信道分配给移动用户使用，这些信息由基站转发给移动台。同时，MSC对基站的有线线路进行导通试验，如果试验良好，即可进行其他交换处理。若被呼用户为本移动局内的用户，则直接进行交换处理；若为固定网的用户，则接入固定网。2.移动台作为被叫的呼叫建立MSC收到呼信号之后，经识别并确认被呼用户此时空闲，则在该MSC控制区的所有基站中，通过专用控制信道一起
38、发出呼叫，包括被呼移动台的识别号码和信道指配代号等信号。有时可能移动台暂时未收到这个呼叫信号，因此当没有收到移动台的应答时，基站应在一段时间内多次重复发送此呼叫信号。空闲的移动台是锁定在专用控制信道上的，当收到此呼叫信号后即可判别是否呼叫本机，若判定为呼叫本机，则发出应答信号，并转入所指配的语音信道。MSC收到某一基站转来的应答信号之后即停止发送呼叫信号，接通线路，开始计费。若多次呼叫仍不应答，则通知主呼用户此次呼叫失败，不能建立通信。3.通话过程中的越区信道切换通话中，基站不断对移动台的通话信道进行监测，当移动台逐渐接近该无线小区的边缘时，基站可检测到接收电平下降，马上上报MSC，MSC立即
39、驱动周围基站开始检测该移动台信号的接收电平并上报。MSC判定接收电平最高的基站为移动台进入的小区，随机选取该小区的空闲无线信道，经试验确认线路良好之后，则令移动台从原小区的无线语音信道切换到新小区的无线语音信道进行通信，同时原小区的通话信道切断，转为空闲信道，新小区的指配信道供移动用户使用。这样就完成了通话中的信道切换。全部操作是在移动台用无觉察、不影响正常通话的情况下完成的。24.2.2 越区切换越区切换越区（或过区）切换(Hand-over&Hand-off)是指将当前移动台与基站之间正在进行通信的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。该过程也称为自动链路转移(Automatic Li
40、nk Transfer，ALT)。越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况下。为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路上。越区切换算法的主要性能指标主要有：越区切换的失败概率、因越区失败而使通信中断的概率、越区切换的速率、越区切换引起通信中断的时间间隔以及越区切换发生的时延等。越区切换分为硬切换和软切换两大类。硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接；软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新、旧链路的分集合成信号来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。在越区切换时，可以仅以上行或下行方
41、向的链路质量为准，也可以同时考虑双向链路的通信质量。1.越区切换的准则在决定何时需要进行越区切换时，通常可根据移动台处接收的平均信号强度来确定，也可以根据移动台处的信噪比（或信扰比）、误比特率等参数来确定。假定移动台从基站1向基站2运动，其信号强度的变化如图24.2.1所示。判定何时需要越区切换的准则包括以下几种:(1）准则1。准则1是相对信号强度准则。在任何时间都选择具有最强接收信号的基站，如图24.2.1 中的A、B、C、D处将要发生越区切换。该种准则的缺点是，在原基站的信号强度仍满足要求的情况下，会引发过多不必要的越区切换。图24.2.1 越区切换示意图（2）准则2。准则2是具有门限规定
42、的相对信号强度准则。仅允许移动用户在当前基站的信号低于某一门限，且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才可以进行越区切换。如图24.2.1所示，在门限为Th2时，在B点将会发生越区切换。在该方法中，门限选择具有重要作用。例如在图24.2.1中，如果门限太高，取为Th1，则该准则与准则1相同；如果门限太低，取为Th3，则会引起较大的越区时延。此时，一方面会因链路质量较差而导致通信中断，另一方面会对同信道用户造成额外干扰。（3）准则3。准则3为具有滞后余量的相对信号强度准则。仅允许移动用户在新基站的信号强度远高于原基站信号强度(即大于滞后余量Hystersis Margin)的情况下进行越区切换。
43、例如图24.2.1中的C点。该技术可以防止由于信号波动引起移动台在两个基站之间的来回重复切换，即“乒乓效应”。（4）准则4。准则4是具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则。仅允许移动用户在当前基站的信号电平低于规定门限，且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行越区切换。2.越区切换的控制策略越区切换控制有越区切换的参数控制和越区切换的过程控制两个方面内容。以下仅介绍过程控制。在移动通信系统中，过程控制的方式主要有以下三种：（1）移动台控制的越区切换。在该方式中，移动台连续监测当前基站和几个越区中的候选基站的信号强度及质量。当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳
44、候选基站，并发送越区切换请求。（2）网络控制的越区切换。在该方式中，基站检测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限后，网络开始安排向另一个基站的越区切换。网络要求移动台周围的所有基站都监测该移动台的信号，并把测量结果报告给网络。网络从这些基站中选择一个基站作为越区切换的新基站，并把结果通过旧基站通知移动台及新基站。（3）移动台辅助的越区切换。在该方式中，网络要求移动台测量其周围基站的信号质量并把结果报告给旧基站,网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。3.越区切换时的信道分配越区切换时的信道分配是指解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道使得越区失败的概率尽量小
45、的问题。通常的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。该方法的特点是：因新呼叫将使可用信道数减少，虽增加了呼损率，但减少了通话中断的概率，从而符合人们的使用习惯。24.2.3 GSM移动通信系统的业务移动通信系统的业务GSM按照ISDN对业务的分类方法对其业务进行分类，分为基本业务(Base Services)和补充业务(Supplement Services)。基本业务按功能又可分为电信业务(Teleservices，又称用户终端业务)和承载业务(Bearer Services)。这两种业务是独立的通信业务。GSM系统业务分类示意图如图24.2.2(a)所示。GSM支持的基本业务示意图
46、如图24.2.2(b)所示。图24.2.2 GSM业务1.承载业务承载业务主要是保证用户在两个接入点之间传输有关信号所需的带宽容量，使用户之间能实时可靠地传递语音、数据等信息。这类业务与OSI参考模型的低三层有关，定义了对网络功能的需求。为了提供各种承载业务，GSM用户应能够发送和接收速率高达9.6 kb/s 的数据。由于GSM是数字网，所以在用户和GSM网络之间不需Modem，但在GSM和PSTN接口方面仍然需要音频Modem。表24.2.1为GSM的承载业务。2.电信业务电信业务主要是提供用户足够的容量（包括终端设备功能），以及与其他用户之间的通信。它结合了与信息处理功能相关的传输功能，使
47、用承载业务来传送数据及提供更高层的功能。这些更高层的功能与OSI参考模型中的47层相对应。电信业务包括网络及终端容量，如电话、传真等。承载业务将包含语音的数据传送给终端，电信业务则将它转换成语音信号。1）电话业务GSM系统所提供的业务中，最重要的业务是电话业务，它为数字移动通信系统的用户和其他所有与其联网的用户之间提供了双向电话通信。语音编码可以以64 kb/s的速率进行传输，但频率利用率低。为提高频率利用率，GSM采用13 kb/s的全速语音编码器来进行语音编码传输。GSM还可采用接近6.5 kb/s的半速进行语音编码，使频率利用率更高。2）紧急业务按照GSM技术规范，紧急呼叫是由电话业务引
48、申出来的一种特殊业务。此业务可使移动用户通过一种简单而统一的手续连接到就近的紧急业务中心。如在我国统一使用火警特殊号119等，紧急呼叫业务优先于其他业务。使用紧急业务不收费，也不需要鉴别使用者的识别号码。3）短信业务GSM提供给用户短消息业务，允许移动用户发送短消息。短信息业务包括移动台之间点对点短信息业务，以及小区广播式短信息业务。MSC是存储转发中心，该MSC在功能上与GSM网络分开。所有GSM点对点短消息都来自或去向该MSC，由控制信道传送短信息业务。点对点短信息业务是由短信息业务中心完成存储和前转功能的。短信息业务中心不仅可服务于GSM用户，也可服务于具备接收短信息业务功能的固定网用户
49、。点对点信息的发送或接收应在空闲状态下进行，其信息量限制为160个字符。小区广播式短信息业务是GSM移动通信网以有规律的间隔向移动台广播具有通用意义的短信息。移动台连续不断地监视广播信息，并能在显示器上显示广播信息。移动台只有在空闲状态下可接受广播信息，其信息量限制为93个字符。3.补充业务补充业务是对基本业务的改进和补充，它不能单独向用户提供，而必须与基本业务一起提供。同一补充业务可应用到若干个基本业务中。表24.2.2为GSM的补充业务。24.3 GSM移动通信系统的无线传输移动通信系统的无线传输24.3.1 TDMA/FDMA接入方式接入方式1.时隙GSM系统采用时分多址(TDMA)、频
50、分多址(FDMA)和频分双工(FDD)制式。在25 MHz 的频段中共分125个信道，信道间隔为200 kHz；每个载波含8个(以后可扩展为16个)时隙，时隙宽为0.577 ms；每8个时隙构成一个TDMA帧，帧长为4.615 ms，如图24.3.1所示。图24.3.1 GSM的TDMA/FDMA的结构对双工载波各用一个时隙可构成一个双向物理信道，这种物理信道共有12581000个，根据需要分配给不同的用户使用。移动台在特定的频率上和特定的时隙内，以猝发方式向基站传输信息，基站在相应的频率上和相应的时隙内，以时分复用的方式向各个移动台传输信息。几个小区(比如4个)构成一个区群。各小区均分配一组
