GSM數(shù)字移動通信發(fā)展史【最新精品】.doc

專業(yè)好文檔GSM數(shù)字移動通信發(fā)展史1.1GSM系統(tǒng)歷史背景GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)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(tǒng)的基礎上發(fā)展而成。蜂窩系統(tǒng)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(tǒng)，尤其是實現(xiàn)移動臺的控制直到七十年代隨著半導體技術的成熟，大規(guī)模集成電路器件和微處理器技術的發(fā)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(xiàn)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(yè)務)模擬蜂窩系統(tǒng)，而北歐也于1981年9月在瑞典開通了NMT(Nordic移動電話)系統(tǒng)，接著歐洲先后在英國開通TACS系統(tǒng)，德國開通C450系統(tǒng)等。見表1-1。表1-11991年歐洲主要蜂窩系統(tǒng)國家系統(tǒng)頻帶建立日期用戶數(shù)(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(xiàn)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(tǒng)容量，網(wǎng)絡的智能化實現(xiàn)了越區(qū)轉接和漫游功能，擴大了客戶的服務范圍，但上述模擬系統(tǒng)有四大缺點：1.各系統(tǒng)間沒有公共接口；2.很難開展數(shù)據(jù)承載業(yè)務；3.頻譜利用率低無法適應大容量的需求；專業(yè)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(tǒng)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(shù)字移動通信系統(tǒng)史源于歐洲。早在1982年，歐洲已有幾大模擬蜂窩移動系統(tǒng)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(tǒng)），西歐其它各國也提供移動業(yè)務。當時這些系統(tǒng)是國內(nèi)系統(tǒng)，不可能在國外使用。為了方便全歐洲統(tǒng)一使用移動電話，需要一種公共的系統(tǒng)，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(yè)務規(guī)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(jīng)大量研究和實驗后所提出的8個建議系統(tǒng)進行了現(xiàn)場實驗。1987年5月GSM成員國就數(shù)字系統(tǒng)采用窄帶時分多址TDMA、規(guī)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(diào)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(guī)范的協(xié)議。與此同時還成立了MoU組織，致力于GSM標準的發(fā)展。1990年完成了GSM900的規(guī)范，共產(chǎn)生大約130項的全面建議書，不同建議書經(jīng)分組而成為一套12系列。1991年在歐洲開通了第一個系統(tǒng)，同時MoU組織為該系統(tǒng)設計和注冊了市場商標，將GSM更名為“全球移動通信系統(tǒng)”（Globa1systemforMobilecommunications）。從此移動通信跨入了第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)。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(yè)務的規(guī)范，名為DCSI800系統(tǒng)。該系統(tǒng)與GSM900具有同樣的基本功能特性，因而該規(guī)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(tǒng)均可通稱為GSM系統(tǒng)。1992年大多數(shù)歐洲GSM運營者開始商用業(yè)務。到1994年5月已有50個GSM網(wǎng)在世界上運營，10月總客戶數(shù)已超過400萬，國際漫游客戶每月呼叫次數(shù)超過500萬，客戶平均增長超過50。1993年歐洲第一個DCSI800系統(tǒng)投入運營。到1994年已有6個運營者采用了該系統(tǒng)。1.2GSM系統(tǒng)技術規(guī)范GSM系統(tǒng)技術規(guī)范中只對功能和接口制定了詳細規(guī)范，未對硬件做出規(guī)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(tǒng)技術規(guī)范共分12章：系列01概述02業(yè)務方面專業(yè)好文檔03網(wǎng)路方面04MS-BS接口與協(xié)議05無線路徑上的物理層06話音編碼規(guī)范07MS的終端適配器08BS-MSC接口09網(wǎng)路互通10業(yè)務互通11設備和型號認可規(guī)范12操作和維護這些系列規(guī)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(guī)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(tǒng)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(tǒng)的提出，已中止第三階段標準。為了保證GSM網(wǎng)路內(nèi)現(xiàn)有的和將來的業(yè)務開展，在制定標準時必須考慮兼容性的要求。GSM通信系統(tǒng)2.1系統(tǒng)的組成蜂窩移動通信系統(tǒng)主要是由交換網(wǎng)路子系統(tǒng)（NSS）、無線基站子系統(tǒng)(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(tǒng)中，TACS規(guī)范只對Um接口進行了規(guī)定，而未對A接口做任何的限制。因此，各設備生產(chǎn)廠家對A接口都采用各自的接口協(xié)議，對Um接口遵循TACS規(guī)范。也就是說，NSS系統(tǒng)和BSS系統(tǒng)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(tǒng)的組成由于GSM規(guī)范是由北歐一些運營公司“炒”出的規(guī)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(yōu)良的通信網(wǎng)，因此GSM規(guī)范對系統(tǒng)的各個接口都有明確的規(guī)定。也就是說，各接口都是開放式接口。GSM系統(tǒng)框圖如圖2-2，A接口往右是NSS系統(tǒng)，它包括有移動業(yè)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(tǒng)，它包括有基站控制器（BSC）和基專業(yè)好文檔站收發(fā)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(tǒng)框圖在GSM網(wǎng)上還配有短信息業(yè)務中心（SC），即可開放點對點的短信息業(yè)務，類似數(shù)字尋呼業(yè)務，實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)，又可開放廣播式公共信息業(yè)務。另外配有語音信箱，可開放語音留言業(yè)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(wǎng)路接通率，給運營部門增加收入。2.2交換網(wǎng)路子系統(tǒng)交換網(wǎng)路子系統(tǒng)（NSS）主要完成交換功能和客戶數(shù)據(jù)與移動性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)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(tǒng)的核心，是對位于它所覆蓋區(qū)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(tǒng)與其它公用通信網(wǎng)之間的接口。它可完成網(wǎng)路接口、公共信道信令系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫，是存儲MSC為了處理所管轄區(qū)域中MS（統(tǒng)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(qū)域的識別，向客戶提供的服務等參數(shù)。HLR：也是一個數(shù)據(jù)庫，是存儲管理部門用于移動客戶管理的數(shù)據(jù)。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(shù)；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(chǎn)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(shù)（隨機號碼RAND，符合響應SRES，密鑰Kc）的功能實體。EIR：也是一個數(shù)據(jù)庫，存儲有關移動臺設備參數(shù)。主要完成對移動設備的識別、監(jiān)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(tǒng)BSS系統(tǒng)是在一定的無線覆蓋區(qū)中由MSC控制，與MS進行通信的系統(tǒng)設備，它主要負責完成無線發(fā)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(fā)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(wǎng)路資源的管理、小區(qū)配置數(shù)據(jù)管理、功率控制、定位和切換等，是個很強的業(yè)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(yè)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(diào)制和解調(diào)、信息發(fā)射和接收。SIM卡就是“身份卡”，它類似于我們現(xiàn)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(zhí)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(wǎng)路。SIM卡還存儲與網(wǎng)路和客戶有關的管理數(shù)據(jù)，只有插入SIM后移動終端才能接入進網(wǎng)，但SIM卡本身不是代金卡。2.5操作維護子系統(tǒng)GSM系統(tǒng)還有個操作維護子系統(tǒng)（OMC），它主要是對整個GSM網(wǎng)路進行管理和監(jiān)控。通過它實現(xiàn)對GSM網(wǎng)內(nèi)各種部件功能的監(jiān)視、狀態(tài)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(wǎng)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(shù)字移動通信網(wǎng)GSM通信系統(tǒng)采用900MHz頻段：905915（移動臺發(fā)、基站收）950960（基站發(fā)、移動臺收）隨著業(yè)務的發(fā)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(fā)、基站收）18051880（基站發(fā)、移動臺收）圖3-1我國陸地蜂窩移動體系系統(tǒng)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(wǎng)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(yè)好文檔圖3-2900MHz頻段數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)的頻道配置fl(n)=890.200MHz（n-1）0.200MHz移動臺發(fā)，基站收fh(n)=fl(n)45MHz基站發(fā)，移動臺收n=76124頻道（4）雙工收發(fā)間隔：45kHz。與模擬TACS系統(tǒng)相同。發(fā)射標識：業(yè)務信道發(fā)射標識為271KF7W；控制信道發(fā)射標識為271KF7W。271KF7W必要帶寬271kHz主載波調(diào)制方式：調(diào)頻調(diào)制主載波的信號性質(zhì)：包含量化或數(shù)字信息的雙信道或多信道被發(fā)送信息的類型：電報傳真數(shù)據(jù)、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(guī)則性及本地散射體的形狀、類型及數(shù)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?shù)氐母蓴_源數(shù)目等所造成的。GSM規(guī)范中規(guī)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(qū)域上用相同的載波頻率進行覆蓋。這些區(qū)域必須隔開足夠的距離，以致所產(chǎn)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(shù)為NF（49/95.4即有些組的頻道數(shù)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(shù)N是固定的，所以分組數(shù)F越少則每組的頻道數(shù)就越多。但是，頻率分組數(shù)的減少也使同頻道復用距離減小，導致系統(tǒng)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(yè)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(qū)，即把基站分成3個扇形小區(qū)。如采用412復用方式，每個小區(qū)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(qū)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(qū)使用(見圖3-5)。業(yè)務量較大的小區(qū)可借用剩余的頻率組，如使用第9組的小區(qū)可借用第2組頻率等。圖3-57小區(qū)分組以上所談每小區(qū)可用頻道數(shù)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(lián)通公司”使用。從頻道序號來看，7695為郵電部使用，95124為“中國聯(lián)通公司”使用。這樣，郵電部建的GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)如采用412頻率復用方式時，每小區(qū)可用頻道數(shù)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(wǎng)2MHz，使GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)從可用頻道7695(20個)擴展到6695(30個)，412方式每個小區(qū)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(qū)數(shù)字移動通信系統(tǒng)與模擬移動通信系統(tǒng)共存時，兩系統(tǒng)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(wǎng)預留。郵電部的數(shù)字移動通信系統(tǒng)與“中國聯(lián)通公司”的數(shù)字移動通信系統(tǒng)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(lián)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(xiàn)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?yōu)轭l分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。在傳統(tǒng)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(diào)諧到這一頻點上。模擬蜂窩移動系統(tǒng)也采用了此技術，某一小區(qū)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(yè)好文檔TDMA系統(tǒng)具有如下特性：(1)每載頻多路。如前所述，TDMA系統(tǒng)形成頻率時間矩陣，在每一頻率上產(chǎn)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(yè)務。突發(fā)脈沖序列傳輸。移動臺信號功率的發(fā)射是不連續(xù)的，只是在規(guī)定的時隙內(nèi)發(fā)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(shù)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(fā)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(tǒng)通常比FDMA系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)務，所以TDMA系統(tǒng)共享設備的每客戶平均成本與FDMA系統(tǒng)相比是大大降低了。移動臺較復雜。它比FDMA系統(tǒng)移動臺完成更多的功能，需要復雜的數(shù)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(jù)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(yè)務信道和控制信道。業(yè)務信道（TCH）：用于傳送編碼后的話音或客戶數(shù)據(jù)，在上行和下行信道上，點對點（BTS對一個MS，或反之）方式傳播?？刂菩诺溃河糜趥魉托帕罨蛲綌?shù)據(jù)。根據(jù)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(qū)特定信息）。下行，點對多點方式傳播。專業(yè)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）