移動通信第4章

第4章GSM（全球數(shù)字移動通信）系統(tǒng)

GSM系統(tǒng)概述

GSM的無線接口頻率復(fù)用技術(shù)

GSM的控制與管理學習目標熟練掌握GSM的概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點，能用自己的語言陳述GSM系統(tǒng)發(fā)展、業(yè)務(wù)與應(yīng)用。熟練掌握GSM系統(tǒng)的信道結(jié)構(gòu)、幀結(jié)構(gòu)和GSM系統(tǒng)的基帶處理流程。掌握頻率復(fù)用的原理和方法。初步能用自己的語言陳述一些GSM的控制與管理工作流程如位置更新、切換等。4.1什么是GSM系統(tǒng)GSM的發(fā)展GSM的業(yè)務(wù)與應(yīng)用1．GSM系統(tǒng)概述

GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)源于歐洲。1982年，歐洲已開始了模擬蜂窩移動系統(tǒng)的運營。4.1.1GSM的發(fā)展1987年GSM成員國就以下問題達成一致意見：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(yù)測RPE-LTP話音編碼高斯濾波最小移頻鍵控GMSK調(diào)制方式

1990年完成了GSM900的規(guī)范，1991年在歐洲開通了第一個系統(tǒng)，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頻段的規(guī)范，名為DCS1800系統(tǒng)。兩系統(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(wù)。2008年，全球GSM手機用戶已達30億，占全球移動無線用戶總數(shù)的88%。在這之后，GSM用戶逐漸轉(zhuǎn)網(wǎng)為3G用戶。GSM系統(tǒng)有如下的特點：GSM有越區(qū)切換和漫游功能，可以實現(xiàn)國際漫游；GSM有較好的保密功能；GSM還有一些其它的特點，如容量大、通話質(zhì)量較好等。2．GSM的系統(tǒng)構(gòu)成及其特點GSM系統(tǒng)的主要參數(shù)包括頻段、頻段寬度等，具體參數(shù)如下：頻段：上行鏈路：890MHz~915MHz為移動臺發(fā)、基站收的頻段；下行鏈路：935MHz~960MHz為基站發(fā)、移動臺收的頻段；頻段寬度：25MHz；通信方式：全雙工；載波間隔：200kHz；信道分配：TDMA每載波8時隙，全速率信道8個，半速率信道16個；3．GSM系統(tǒng)的主要參數(shù)信道總速率：270.83kbit/s；調(diào)制方式：GMSK，調(diào)制指數(shù)為0.3；語音編碼：RPE-LPT13kbit/s規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼；數(shù)據(jù)速率：9.6kbit/s。4.1.2GSM的業(yè)務(wù)與應(yīng)用（可不講）GSM業(yè)務(wù)按照ISDN的原則主要分為電信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。我們一般所說的GSM業(yè)務(wù)主要是指其用戶業(yè)務(wù)，用戶業(yè)務(wù)可分為三大類：

（1）電信業(yè)務(wù)電信業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)提供的最重要業(yè)務(wù)。經(jīng)過GSM網(wǎng)與固定網(wǎng)，為移動用戶與移動用戶之間或移動用戶與固定網(wǎng)電話用戶之間提供實時雙向會話。（2）承載業(yè)務(wù)或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)該類業(yè)務(wù)所支持的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率從300bps到9.6kbps。GSM可以為用戶數(shù)據(jù)提供標準信道編碼。（3）補充ISDN業(yè)務(wù)（自己看）

本質(zhì)上是數(shù)字業(yè)務(wù)，又分為如下幾種：號碼識別類補充業(yè)務(wù)，主要包括主叫號碼識別顯示、主叫號碼識別限制、被叫號碼識別顯示、被叫號碼識別限制和惡意呼叫識別等；呼叫提供類補充業(yè)務(wù)，主要包括無條件呼叫前轉(zhuǎn)、遇用戶忙呼叫前轉(zhuǎn)、遇無應(yīng)答呼叫前轉(zhuǎn)、遇移動用戶不可及呼叫前轉(zhuǎn)、呼叫轉(zhuǎn)移和移動接入搜索等；呼叫完成類補充業(yè)務(wù)，主要包括呼叫等待、呼叫保持等；計費類補充業(yè)務(wù)，主要包括計費通知、免費業(yè)務(wù)和對方付費等；呼叫限制類補充業(yè)務(wù)。4.2GSM的無線接口GSM的幀結(jié)構(gòu)GSM的信道結(jié)構(gòu)GSM的基帶處理移動終端與網(wǎng)絡(luò)之間的接口為無線接口，它是保證移動臺與系統(tǒng)設(shè)備之間互通的主要接口。無線接口自下而上分為三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和第三層。第三層又分為三個子層：無線資源管理層（RR）、移動性管理層（MM）和連接管理層（CM）。其中：RR（無線資源管理層）完成專用無線信道連接的建立、操作和釋放等，它是在移動臺與基站子系統(tǒng)間進行的；MM（移動性管理層）完成位置更新、鑒權(quán)和臨時移動用戶號碼的分配等工作；CM（連接管理層）完成電路交換的呼叫建立、維持和結(jié)束。4.2.1GSM的幀結(jié)構(gòu)

GSM系統(tǒng)采用時分多址、頻分多址和頻分雙工的制式，每個TDMA信道上的一個時隙中的信息格式稱為突發(fā)脈沖序列(Burst)，簡稱突發(fā)序列。突發(fā)脈沖序列占有一個限定的持續(xù)時間和無線頻譜，它們在時間和頻率窗上輸出，而這個窗被人們稱為隙縫（Slot）。確切地說，在系統(tǒng)頻段內(nèi)，每200KHz設(shè)置時隙縫的中心頻率，每隙縫在時間上循環(huán)地發(fā)生，每次占15/26ms，即近似為0.577ms。這樣，我們可用時間/頻率圖把隙縫畫為一個小矩形，其長為15/26ms，寬為200KHz，如圖4-1所示。

圖4-1GSM中的頻隙與時隙

在給定的小區(qū)內(nèi)，所有隙縫的時間范圍是同時存在的。這些隙縫的時間間隔稱為時隙（TimeSlot），而它的持續(xù)時間被用于作為時間單元，記為BP，意為突發(fā)脈沖序列周期（BurstPeriod）。使用一個給定的信道就意味著在特定的時刻和特定的頻率，也就是說在特定的隙縫中傳送突發(fā)脈沖序列。通常，一個信道的隙縫在時間上不是鄰接的。信道對于每個時隙具有給定的時間限界和時隙號碼TN（TimeSlotNumber）。一個信道的時間限界是循環(huán)重復(fù)的。與時間限界類似，信道的頻率限界給出了屬于信道的各隙縫的頻率。它把頻率配置給各時隙，而信道帶有一個隙縫。對于固定的頻道，頻率對每個隙縫是相同的。1．幀幀（Frame）通常被表示為接連發(fā)生的i個時隙。在GSM系統(tǒng)圖4-1中，目前采用全速率業(yè)務(wù)信道，i取為8。一個TDMA幀包含8個時隙，這其實就是8個基本的物理信道，可用來傳輸控制數(shù)據(jù)與不同的用戶數(shù)據(jù)，如下圖4-2所示。圖4-2一個TDMA幀包含8個時隙

BroadcastControlChannel廣播控制信道2．復(fù)幀圖4-3示出了TDMA幀的完整結(jié)構(gòu)，還包括了時隙和突發(fā)脈沖序列，必須記住TDMA幀是在無線鏈路上重復(fù)的物理幀。每一個TDMA幀含8個時隙，共占4.615ms。每個時隙含156.25個碼元，占0.557ms。多個TDMA幀構(gòu)成復(fù)幀（Multiframe），其結(jié)構(gòu)有兩種，如圖4-3中(c)所示，分別含連貫的26個或51個TDMA幀。當不同的邏輯信道復(fù)用到一個物理信道時，需要使用這些復(fù)幀。含26幀的復(fù)合幀其周期為120ms，用于業(yè)務(wù)信道及其隨路控制信道。其中24個突發(fā)序列用于業(yè)務(wù)，2個突發(fā)序列用于信令。含51幀的復(fù)合幀其周期為3060/13≈235.385ms，專用于控制信道。控制信道用于傳送信令或同步數(shù)據(jù)。圖4-3GSM幀、時隙和突發(fā)脈沖序列3．超幀多個復(fù)幀又構(gòu)成超幀（Superframe），它是一個連貫的51×26TDMA幀。即一個超幀可以是包括51個26TDMA復(fù)幀，也可以是包括26個51TDMA復(fù)幀，如圖4-3中(b)所示。超幀的周期均為1326個TDMA幀，即6.12秒。4．超高幀多個超幀構(gòu)成超高幀（Hyperframe）。它包括2048個超幀，如圖4-3中(a)所示，周期為12533.76秒，即3小時28分53秒760毫秒，用于加密的話音和數(shù)據(jù)。超高幀每一周期包含2715648個TDMA幀，這些TDMA幀按序編號，依次從0至2715647，幀號在同步信道中傳送。幀號在跳頻算法中是必需的。時分數(shù)字系統(tǒng)的無線載波發(fā)送用間歇方式。突發(fā)開始時，載波電平從最低值迅速升到預(yù)定值并保持一段時間，此時發(fā)送突發(fā)中的有用信息，然后又迅速降到最低值，結(jié)束一個突發(fā)的發(fā)送。突發(fā)的開始和結(jié)束階段傳送的是保護部分。5．突發(fā)脈沖序列（BP）從圖4-3中我們可看出，GSM建議中對不同的邏輯信道規(guī)定了五種不同類型的突發(fā)脈沖序列幀結(jié)構(gòu)：（1）常規(guī)突發(fā)脈沖序列（NB,normalburst）NB：它用于TCH（業(yè)務(wù)信道）和控制信道。業(yè)務(wù)信道要傳送話音的1/4段，即57*2=114bit，中間為26bit的訓(xùn)練比特，它用于收端均衡，在26bit兩端的各1bit為“借用比特”，用它標明是否為FACCH(快速輔助控制信道)偷幀。尾比特總是3個“0”，以幫助均衡器知道起始位和停止位。最后是8.25bit的空白空間，作為保護間隔。這個突發(fā)總共有156.25bit，時長為576.9μs，每個碼元時長為3.69μs，所以速率為270kb/s。（2）頻率校正突發(fā)脈沖序列（FB,frequencyburst）（3）同步突發(fā)脈沖序列（SB,synchronizationburst）（4）接入突發(fā)脈沖序列（AB,accessburst）（5）空閑突發(fā)脈沖序列（DB）4.2.2GSM的信道結(jié)構(gòu)物理信道：采用頻分和時分復(fù)用的組合，它由用于基站（BS）和移動臺（MS）之間連接的時隙流構(gòu)成。這些時隙在TDMA幀中的位置，從幀到幀是不變的，參見圖4-1。邏輯信道：是在一個物理信道中作時間復(fù)用的。不同邏輯信道用于BS和MS間傳送不同類型的信息，例如信令或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。而邏輯信道是根據(jù)BTS與MS之間傳播的消息種類不同而定義的不同邏輯信道。

GSM的邏輯信道又分為兩類：

●一類是業(yè)務(wù)信道（TCH），用于傳輸話音和數(shù)據(jù)；

●另一類是控制信道（CCH），用于傳輸各種信令信息，跟蹤整個通信過程。邏輯信道類型如圖4-4示。圖4-4邏輯信道類型慢速輔助控制信道頻率校正信道同步信道尋呼信道準許接入信道隨機接入信道

1業(yè)務(wù)信道業(yè)務(wù)信道又分為話音業(yè)務(wù)信道和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道，如圖4-5所示。（1）話音業(yè)務(wù)信道按速率的不同，可分為全速率話音業(yè)務(wù)信道（TCH/FS）和半速率話音業(yè)務(wù)信道（TCH/HS）。對于全速率話音編碼，話音幀長20ms，每幀含260bit話音信息。（2）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道按速率的不同，也分為全速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道和半速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道。圖4-5TCH信道示意圖2控制信道

控制信道用于傳送信令和同步信號。又分為廣播信息信道、公共控制信道和專用控制信道。（1）廣播信息（BCH）：是“一點對多點”的單方向控制信道，用于基站向所有移動臺廣播公用信息。傳輸?shù)膬?nèi)容是移動臺入網(wǎng)和呼叫建立所需要的各種信息，它又分為以下信道：頻率校正信道（FCCH）：傳輸供移動臺校正其工作頻率的信息，使手機工作在合適的頻率；同步信道（SCH）：傳輸供移動臺進行同步和對基站進行識別的信息；廣播控制信道（BCCH）：傳輸通用信息，用于移動臺測量信號強度和識別小區(qū)標志等。（2）公共控制信道（CCCH）：是“一點對多點”的雙向控制信道，其用途是在呼叫接續(xù)階段，傳輸鏈路連接所需要的控制信令與信息，它又分為以下信道：尋呼信道（PCH）：傳輸基站尋呼移動臺的信息；隨機接入信道（RACH）：上行信道。移動臺申請入網(wǎng)時，向基站發(fā)送入網(wǎng)請求信息；準許接入信道（AGCH）：下行信道。用于基站對移動臺的入網(wǎng)申請作出應(yīng)答，即分配一個獨立專用控制信道。（3）專用控制信道（DCCH）：是一種“點對點”的雙向控制信道，其用途是在呼叫接續(xù)階段和在通信進行當中，在移動臺和基站之間傳輸必需的控制信息。其中又分為：①獨立專用控制信道（SDCCH）：傳輸移動臺和基站連接和信道分配的信令。例如，登記、鑒權(quán)等信令均在此信道上傳輸，經(jīng)鑒權(quán)確認后，再分配業(yè)務(wù)信道。②慢速輔助控制信道（SACCH）：在移動臺和基站之間，需要周期地傳輸一些特定的信息，例如，移動臺要不斷地報告正在服務(wù)的基站的信號強度。此外，基站對移動臺的功率調(diào)整也在此信道上傳輸。SACCH是安排在業(yè)務(wù)信道和有關(guān)的控制信道中，以復(fù)接方式傳輸信息。安排在業(yè)務(wù)信道時，以SACCH/T表示，安排在控制信道時，以SACCH/C表示。

③快速輔助控制信道（FACCH）：傳送與SDCCH(獨立專用控制信道)相同的信息。只有在沒有分配SDCCH的情況下，才使用這種控制信道。使用時要中斷業(yè)務(wù)信息（4幀），把FACCH(快速輔助控制信道)插入。4.2.3GSM的基帶處理話音信號在發(fā)送端無線接口的基帶處理過程如下圖4-6所示，接收端的處理過程相反。圖4-6語音在MS中的處理過程語音編碼:P151信道編碼:P151

信道編碼過程交織

456比特交織、三個語音幀、突發(fā)脈沖的結(jié)構(gòu)、塊間交織突發(fā)脈沖的形成加密調(diào)制和解調(diào)跳頻

GSM簡化發(fā)送過程(可不講)語音信號為模擬量，通過話筒送入手機，對它進行抽樣模數(shù)轉(zhuǎn)換及語音編碼，變成13kbit/s的數(shù)據(jù)流；編碼輸入為每20ms一段，將2080bit經(jīng)編碼壓縮后變?yōu)?60bit，語音編碼后再進入信道編碼，編碼完成后再與控制器產(chǎn)生的信令信號經(jīng)編碼后混合，形成傳輸速率為22.8kbit/s。編碼后的語音和信令再進入交織及加密單元。交織單元分兩步交織:一為3組8個57bit塊交織組合為2組114bit塊，二為此114bit塊再內(nèi)自行交織，然后這些塊進入加密單元與加密數(shù)據(jù)的114bit進行異或形成加密后的比特流。加入其它變成156.25bit的Burst。然后組合到TDMA幀和時隙中去，形成復(fù)幀、超幀及超高幀，最后形成270.833kbit/s的TDMA幀數(shù)據(jù)流送到調(diào)制解調(diào)器發(fā)送。4.3頻率復(fù)用技術(shù)頻率復(fù)用原理常規(guī)頻率復(fù)用技術(shù)緊密頻率復(fù)用技術(shù)蜂窩系統(tǒng)的擴容4.3.1頻率復(fù)用原理

蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)把整個服務(wù)區(qū)域劃分為若干個小區(qū)，各小區(qū)均用小功率的發(fā)射機進行覆蓋，許多小區(qū)像蜂窩一樣能布滿任意形狀的服務(wù)地區(qū)。

蜂窩系統(tǒng)的基本原理是頻率復(fù)用。通常，相鄰小區(qū)不允許使用相同的頻道，否則會發(fā)生相互干擾，但由于各小區(qū)在通信時所使用的功率較小，因而任意兩個小區(qū)只要相互之間的空間距離大于某一數(shù)值，即使使用相同的頻道，也不會產(chǎn)生顯著的同道干擾。f1f3f2f1相鄰小區(qū)不能使用同樣的頻率兩個小區(qū)間隔一定的距離，可以使用相同的頻率。為此，把若干相鄰的小區(qū)按一定數(shù)目劃分成區(qū)群，并把可供使用的無線頻道分成若干個頻率組，區(qū)群內(nèi)小區(qū)均使用不同的頻率組。而任意小區(qū)使用的頻率組，在其它區(qū)群相應(yīng)的小區(qū)中還可以再用，這就是頻率復(fù)用，如圖4-13所示。圖4-13蜂窩系統(tǒng)頻率復(fù)用示意圖使用7組頻率，小區(qū)1和小區(qū)8的頻率相同，此即頻率復(fù)用。

一般說，小區(qū)越小，單位面積可容納的用戶越多，即系統(tǒng)的頻率復(fù)用率越高。當用戶數(shù)增多并達到小區(qū)所能服務(wù)的最大限度時，若把小區(qū)分成更小的區(qū)域，那么分裂后的新小區(qū)能支持和原小區(qū)同樣數(shù)量的用戶，也就提高了系統(tǒng)單位面積可服務(wù)的面積數(shù)，這種過程稱為小區(qū)分裂。但是不能無限制地減小小區(qū)面積從而增加用戶數(shù)量，因為小區(qū)半徑減小到原小區(qū)半徑的1/10時，可容納的用戶數(shù)可增加100倍，而小區(qū)數(shù)也需要增加100倍，但也要增加100倍的基站，但這會增加費用，所以小區(qū)面積要折衷才行。DDD的距離太小，則同頻干擾就大，所以D也不能太小。

4.3.2常規(guī)頻率復(fù)用技術(shù)

頻譜利用效率可以用頻率復(fù)用度來表征，它反映了頻率復(fù)用的緊密程度。對于n×m頻率復(fù)用方式，n表示有n個基站，m表示每個基站有m個小區(qū)，那么它的頻率復(fù)用度為freuse=n×m頻率復(fù)用度越小，其頻率復(fù)用越緊密，頻率的利用率越高，如圖4-14所示。

圖4-14頻率復(fù)用度示意圖用的頻率多，則用的設(shè)備多，不經(jīng)濟用的頻率少，則用的設(shè)備少，較經(jīng)濟在GSM系統(tǒng)中，最基本的頻率復(fù)用方式為4×3頻率復(fù)用方式，“4”表示4個基站，“3”表示每基站3個小區(qū)，即將一個蜂窩等分成三份，共有12個頻率，它的頻率復(fù)用度為12，能滿足要求。

圖4-154*3頻率復(fù)用方式4.3.3緊密頻率復(fù)用技術(shù)隨著用戶的增多，分配給每個小區(qū)的信道數(shù)逐漸不夠用了。因此需要給單位覆蓋區(qū)域提供更多的信道。在實際應(yīng)用中小區(qū)分裂等是增大蜂窩系統(tǒng)容量的有效方法。另外也可以采用緊密頻率復(fù)用技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)容量。比較典型的頻率緊密復(fù)用技術(shù)主要有:3x3,2x6,2x3,MRP,1x3,1x1復(fù)用技術(shù)以及同心圓技術(shù)。MRP(MultipleReusePattern)即多重復(fù)用技術(shù)，其實質(zhì)是將載波分層，各層采用不同的復(fù)用模式，以達到擴容的目的。多重復(fù)用就是把所有頻帶分為幾部分,每部分采用不同的頻率復(fù)用系數(shù),就是說同一網(wǎng)絡(luò)采用不同的頻率復(fù)用方式。例如共有37個信道,其中控制信道載頻以12扇區(qū)為一復(fù)用群,業(yè)務(wù)信道載頻分別以9、6、4扇區(qū)為復(fù)用群。在多重復(fù)用方式中,同一小區(qū)的業(yè)務(wù)載頻的復(fù)用度之所以能一個比一個高,是因為采用跳頻技術(shù)。MRP技術(shù)可逐步提高網(wǎng)絡(luò)容量，比僅使用3x3復(fù)用方式網(wǎng)絡(luò)容量高，與2x3,1x3相比對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量影響小。下面介紹1x3頻率復(fù)用方式，采用1x3頻率復(fù)用方式時，每個基站的三個小區(qū)組成一個簇，按簇進行頻率復(fù)用，即每個基站的1,2,3小區(qū)分別使用相同的頻率集，如圖4-16所示。圖4-161x3頻率復(fù)用方式1，2，3小區(qū)使用射頻跳頻。

1x3緊密復(fù)用方式的復(fù)用度比3x3復(fù)用方式和MRP技術(shù)更加緊密，能提高更多的容量。采用射頻跳頻，獲取比基帶跳頻更大的跳頻增益。當然，隨著復(fù)用距離的減小，同頻和鄰頻干擾也顯著增加。為此，研究人員開發(fā)出了同心圓技術(shù)，如圖4-17所示。

圖4-17同心圓復(fù)用方式外層,4×3復(fù)用方式內(nèi)層，密化的復(fù)用方式同心圓技術(shù)就是在GSM網(wǎng)中，將小區(qū)分為兩層，外層和內(nèi)層。外層的覆蓋范圍是傳統(tǒng)的蜂窩小區(qū)，而內(nèi)層的覆蓋范圍主要集中在基站附近；外層一般采用常規(guī)的4x3復(fù)用方式，而內(nèi)層則采用密化的復(fù)用方式，如3x3,2x3或1x3等。因而，所有的載頻被分為兩組，一組用于外層，一組用于內(nèi)層。外層和內(nèi)層是共站址的，而且共用一套天線系統(tǒng)。共用同一個廣播控制信道（BCCH），但公共控制信道(CCCH)必須設(shè)置在外層載頻信道上，這就意味著通話的建立必須在外層信道上進行。

使用同心圓技術(shù)，我們將把一個小區(qū)的載頻根據(jù)頻率復(fù)用情況分為內(nèi)圓載頻和外圓載頻。頻率復(fù)用度低（頻率數(shù)多）的載頻，其干擾也低，因此配置為外圓載頻；頻率復(fù)用度高（頻率數(shù)少）的載頻干擾大，配置為內(nèi)圓載頻。對于離基站近的地區(qū)，呼叫的上下行電平高，抗干擾能力強，因此我們希望能將這種呼叫分配到內(nèi)圓載頻上。而在離基站遠的地區(qū)，其電平相對較低，抗干擾能力弱。將這種呼叫分配到外圓載頻上，這樣該呼叫受到的干擾小，話音質(zhì)量好。這樣，對于大面積開通的同心圓小區(qū)來說，可以降低整網(wǎng)的干擾效應(yīng)；反過來說，要降低整網(wǎng)的干擾，只開通少數(shù)同心圓小區(qū)是不起作用的。例如，只開通了一個同心圓小區(qū)，對于這個同心圓小區(qū)來說，它根據(jù)同心圓的信道分配技術(shù)，減少了對其他臨近小區(qū)的干擾，但是其他小區(qū)對該同心圓小區(qū)的干擾并沒有減少，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量沒有明顯改善。

4.3.4蜂窩系統(tǒng)的擴容若要進一步提高系統(tǒng)容量，還可以使用小區(qū)分裂和裂向。（1）小區(qū)分裂技術(shù)小區(qū)分裂是將擁塞的小區(qū)分成更小的小區(qū)的方法。由于小區(qū)分裂提高了信道的復(fù)用次數(shù)，因而能提高系統(tǒng)容量。如圖4-18所示。圖4-18小區(qū)分裂示意圖圖2-28小區(qū)的分裂（2）小區(qū)裂向技術(shù)

另一種增大系統(tǒng)容量的辦法就是保持小區(qū)半徑不變，而設(shè)法減小D/R的比值。下面介紹裂向（劃分扇區(qū)技術(shù)）。

蜂窩系統(tǒng)中的同頻干擾能通過用定向天線來代替基站中單獨的一根全向天線而減小，其中每個定向天線輻射某一特定的扇區(qū)。使用定向天線來減小同頻干擾，從而提高系統(tǒng)容量的技術(shù)稱為裂向。同頻干擾減小的因素取決于使用扇區(qū)的數(shù)目。通常一個小區(qū)劃分為3個120°的扇區(qū)或是6個60°的扇區(qū)。如圖4-19（a）和（b）所示。圖4-19（a）120度裂向；（b）60度裂向假設(shè)為7小區(qū)復(fù)用，對120°扇區(qū)，第一層的干擾源數(shù)目由6個下降到2個。這是因為6個同頻小區(qū)中只有2個能接收到相應(yīng)信道組的干擾。這樣就可以提高SIR（信干比），從而提高系統(tǒng)容量。

作業(yè)：P1454.1.2①③P1544.2.1②，4.2.2②,4.2.4②P1604.3.1①②,4.3.2①②4.3.3小區(qū)分裂技術(shù)4.3.4①*4.4GSM的控制與管理MS開機，網(wǎng)絡(luò)對它作“附著”標記MS關(guān)機，從網(wǎng)絡(luò)中“分離”MS忙周期性登記位置更新切換保密處理主叫1MS開機，網(wǎng)絡(luò)對它作“附著”標記

MS開機，首先要進行IMSI附著，又分以下三種情況：（1）若MS是第一次開機：在SIM卡中沒有位置區(qū)識別碼（LAI），MS向MSC發(fā)送“位置更新請求”消息，通知GSM系統(tǒng)這是一個此位置區(qū)的新用戶。MSC根據(jù)該用戶發(fā)送的IMSI號，向HLR發(fā)送“位置更新請求”，HLR記錄發(fā)請求的MSC號以及相應(yīng)的VLR號，并向MSC回送“位置更新接受”消息。至此MSC認為MS已被激活，在VLR中對該用戶對應(yīng)的IMSI上作“附著”標記，再向MS發(fā)送“位置更新證實”消息，MS的SIM卡記錄此位置區(qū)識別碼。（2）若MS不是第一次開機，而是關(guān)機后再開機的，MS接受到的LAI與它SIM卡中原來存儲的LAI不一致，則MS立即向MSC發(fā)送“位置更新請求”，VLR要判斷原有的LAI是否是自己服務(wù)區(qū)的位置：如判斷為肯定，MSC只需要將該用戶的SIM卡中原來的LAI碼改成新的LAI碼即可；若為否定，MSC根據(jù)該用戶的IMSI號中的信息，向HLR發(fā)送“位置更新請求”，HLR在數(shù)據(jù)庫中記錄發(fā)請求的MSC號，再回送“位置更新接受”，MSC再對用戶的IMSI作“附著”標記，并向MS回送“位置更新證實”消息，MS將SIM卡原來的LAI碼改成新的LAI碼。（3）MS再開機時，所接收到的LAI與它SIM卡中原來存儲的LAI相一致：此時VLR只對該用戶作“附著”標記。2MS關(guān)機，從網(wǎng)絡(luò)中“分離”MS切斷電源后，MS向MSC發(fā)送分離處理請求，MSC接收后，通知VLR對該MS對應(yīng)的IMSI上作“分離”標記，此時HLR并沒有得到該用戶已脫離網(wǎng)絡(luò)的通知。當該用戶被尋呼后，HLR向拜訪地MSC/VLR要漫游號碼（MSRN）時，VLR通知HLR該用戶已關(guān)機。3MS忙此時，給MS分配一個業(yè)務(wù)信道傳送話音或數(shù)據(jù)，并在用戶ISDN上標注用戶“忙”。4周期性登記當MS向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送“IMSI分離”消息時，有可能因為此時無線質(zhì)量差或其他原因，GSM系統(tǒng)無法正確譯碼而仍認為MS處于附著狀態(tài)。或者MS開著機，卻移動到覆蓋區(qū)以外的地方，即盲區(qū)，GSM系統(tǒng)也不知道。在這兩種情況下，該用戶若被尋呼，系統(tǒng)就會不斷地發(fā)出尋呼消息，無效占用無線資源。為了解決上述問題，GSM系統(tǒng)采用了強制登記的措施。要求MS每過一定時間登記一次，這就是周期性登記。若GSM系統(tǒng)沒有接收到MS的周期性登記信息，它所處的VLR就以“隱分離”狀態(tài)在該MS上做記錄，只有當再次接收到正確的周期性登記信息后，才將它改寫成“附著”狀態(tài)。5位置更新當移動臺更換位置區(qū)時，移動臺發(fā)現(xiàn)其存儲器中的LAI與接收到的LAI發(fā)生了變化，便執(zhí)行登記，這個過程就叫“位置更新”。位置更新是移動臺主動發(fā)起的，共有兩種情況：同一MSC局內(nèi)的位置區(qū)更新和越局位置區(qū)更新。（1）同一MSC局內(nèi)的位置更新：這時HLR并不參與位置更新過程，如圖4-20所示：①移動臺漫游到新位置區(qū)時，分析出接收到的位置區(qū)號碼和存儲在SIM卡中的位置區(qū)號碼不一致，就向當前的基站控制器（BSC）發(fā)一個位置更新請求。②BSC接收到MS的位置更新請求，就向MSC/VLR發(fā)一個位置更新請求。③VLR修改這個MS的數(shù)據(jù)，將位置區(qū)號碼改成當前的位置區(qū)號碼，然后向BSC發(fā)一個應(yīng)答消息。④BSC向MS發(fā)一個應(yīng)答消息，MS將自己SIM卡中存儲的位置區(qū)號碼改成當前的位置區(qū)號碼。這樣，一個同一MSC局內(nèi)的位置更新過程就結(jié)束了。圖4-20同一MSC局內(nèi)的位置更新（2）越局位置更新當移動用戶從一個MSC局漫游到另一個MSC局時，就要進行越局位置更新。這時HLR就要參與位置更新過程，如圖4-21所示。不同MSC之間的位置更新比同一MSC內(nèi)的位置更新稍復(fù)雜一些，在這里為了描述方便，稱用戶原來所在的MSC局為MSC1，漫游到的MSC局為MSC2，在圖中基站控制器（BSC）已省略，但描述時仍將提到BSC，將BSC和MSC一樣稱為BSC1和BSC2，具體步驟如下：①移動用戶漫游到另一個MSC局時，移動臺（MS）發(fā)現(xiàn)當前的位置區(qū)號碼和SIM卡中存儲的位置區(qū)號碼不一致，就向BSC2發(fā)位置更新請求，BSC2向MSC2發(fā)一個位置更新請求。②MSC/VLR2接到位置更新請求，發(fā)現(xiàn)當前MSC中不存在該用戶信息（從其他MSC漫游過來的用戶），就向用戶登記的HLR發(fā)一個位置更新請求。③HLR向MSC/VLR2發(fā)一個位置更新證實，并將此用戶的一些數(shù)據(jù)傳送給MSC/VLR2。④MSC/VLR2通過BSC2給MS發(fā)一個位置更新證實消息，MS接到后，將SIM卡中位置區(qū)號碼改成當前的位置區(qū)碼。⑤HLR負責向MSC/VLR1發(fā)消息，通知VLR1將該用戶的數(shù)據(jù)刪除。這里要特別提出的是：在每次位置更新之前，都將對這個用戶進行鑒權(quán)?？傊恢酶驴偸怯尚翨TS發(fā)起的；總要修改VLR數(shù)據(jù)；相同MSC不修改HLR數(shù)據(jù)，不同MSC要修改HLR數(shù)據(jù)。圖4-21不同MSC之間的位置更新

6切換切換首先是BTS要通知MS將其周圍小區(qū)BTS的有關(guān)信息及BCCH載頻信號強度進行測量，同時還要測量它所占用的TCH的信號強度和傳輸質(zhì)量，再將測量結(jié)果發(fā)送給基站控制器(BSC)，BSC根據(jù)這些信息對周圍小區(qū)進行比較排隊(這就是“定位”)，最后由BSC做出是否需要切換的決定(見圖4-22所示)。另外，BSC還需判別在什么時候進行切換，切換到哪個BTS。圖4-22BSC決定是否要切換（1）BSC內(nèi)切換在這種情況下，BSC需要建立與新BTS間的鏈路，并在新小區(qū)內(nèi)分配一個TCH供MS切換到此小區(qū)后使用，而網(wǎng)絡(luò)MSC對這種切換不做進一步了解。由于切換后鄰近小區(qū)發(fā)生了變化，MS必須接收了解有關(guān)新的鄰近小區(qū)的信息。若MS所在的位置區(qū)也變了，那么在呼叫完成后還需進行位置更新。其具體的工作流程見圖4-23所示。①BSC預(yù)訂新的BTS激活一個TCH；②BSC通過舊BTS發(fā)送一個包括頻率、時隙及發(fā)射功率參數(shù)的信息至MS，此信息在FACCH上傳送；③MS在規(guī)定新頻率上發(fā)送一個切換接入突發(fā)脈沖，通過FACCH發(fā)送；④新BTS收到此突發(fā)脈沖后，將時間提前量信息通過FACCH回送MS；⑤MS通過新BTS向BSC發(fā)送一切換成功信息；⑥BSC要求舊BTS釋放TCH。圖4-23相同BSC控制小區(qū)間的切換（2）相同MSC／VLR業(yè)務(wù)區(qū)，不同BSC間的切換。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)很大程度地參與了切換過程。BSC需向MSC請求切換，然后再建立MSC與新的BSC、新的BTS的鏈路，選擇并保留新小區(qū)內(nèi)空閑TCH供MS切換后使用，然后命令MS切換到新頻率的新TCH上。切換成功后MS同樣需要接收了解周圍小區(qū)信息，由于位置區(qū)發(fā)生了變化，在呼叫完成后還須進行位置更新。其具體的工作流程見圖4-24所示。①舊BSC把切換請求及切換目的小區(qū)標識一起發(fā)給MSC；②MSC判斷是哪個BSC控制的BTS，并向新BSC發(fā)送切換請求；③新BSC預(yù)訂目標BTS激活一個TCH；④新BSC把包含有頻率時隙及發(fā)射功率的參數(shù)通過MSC，舊BSC和舊BTS傳到MS；⑤MS在新頻率上通過FACCH發(fā)送接入突發(fā)脈沖；⑥新BTS收到此脈沖后回送時間提前量信息至MS；⑦MS發(fā)送切換成功信息通過新BSC傳至MSC；⑧MSC命令舊BSC去釋放TCH；⑨BSC轉(zhuǎn)發(fā)MSC命令至BTS并執(zhí)行圖4-24同MSC下不同BSC控制小區(qū)間的切換（3）不同MSC間的切換這是一種最復(fù)雜的情況，切換前需進行大量的信息傳遞。這種切換由于涉及兩個MSC，我們稱切換前MS所處的MSC為服務(wù)交換機（舊MSC），切換后MS所處的MSC為目標交換機（新MSCB）。MS原所處的BSC根據(jù)MS送來的測量信息作決定需要切換，就向舊MSC發(fā)送切換請求，舊MSC再向新MSC發(fā)送切換請求，新MSC負責建立與新BSC和BTS的鏈路連接，新MSC向舊MSC回送無線信道確認。根據(jù)越局切換號碼（HON），兩交換機之間建立通信鏈路，由舊MSC向MS發(fā)送切換命令，MS切換到新的TCH頻率上，由新的BSC向新MSC，新MSC向舊MSC發(fā)送切換完成指令。舊MSC控制原BSC和BTS釋放原TCH。其具體的工作流程見圖4-25所示。①舊BSC把切換目標小區(qū)標志和切換請求發(fā)至舊MSC；②舊MSC判斷出小區(qū)屬另一MSC管轄；③新MSC分配一個切換號（路由呼叫用）并向新BSC發(fā)送切換請求；④新BSC激活BTS的一個TCH；⑤新MSC收到BSC回送信息并與切換號一起轉(zhuǎn)至舊MSC；⑥一個連接在MSC間被建立也許會通過PSTN網(wǎng)；⑦舊MSC通過舊BSC向MS發(fā)送切換命令其中包含頻率時隙和發(fā)射功率；⑧MS在新頻率上發(fā)一接入突發(fā)脈沖通過FACCH；⑨新BTS收到后回送時間提前量信息通過FACCH；⑩MS通過新BSC和新MSC向舊SCM發(fā)送切換成功信息；圖4-25不同MSC下控制小區(qū)間的切換7保密處理在GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)中，為了保密與安全起見，用戶接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（開機、起呼、尋呼等），需要對用戶合法性進行檢查，如圖4-26所示。具體包括兩部分：（1）用戶終端的合法性（2）用戶身份的合法性密碼參數(shù)Ki：同時存貯在用戶SIM卡和鑒權(quán)中心AUC中；算法：鑒權(quán)算法A3、加密算法A8等；鑒權(quán)參數(shù)組：隨機數(shù)RAND、應(yīng)答信號（殘留結(jié)果）SRES、密鑰Kc。圖4-26用戶合法性檢測實現(xiàn)GSM系統(tǒng)的保密與安全，主要的方法有以下幾種：（1）PIN碼：這是一種簡單的鑒權(quán)方法。（2）鑒權(quán)：鑒權(quán)的計算如下圖4-27所示。圖4-27鑒權(quán)的計算（3）加密在GSM中為確保用戶信息以及與用戶有關(guān)的信令信息的私密性，采用了加密算法，加密對象可以是用戶信息（語音、數(shù)據(jù)……），也可以是與用戶相關(guān)的信令（例如攜帶被呼號碼的消息），甚至是與系統(tǒng)相關(guān)信令（例如攜帶著準備切換的無線測量結(jié)果的消息）等。加密和解密是對114個無線突發(fā)脈沖編碼比特與一個由特殊算法產(chǎn)生的114比特加密序列進行異或運算（A5算法）完成的。為獲得每個突發(fā)加密序列，A5對兩個輸入進行計算：一個是幀號碼，另一個是移動臺與網(wǎng)絡(luò)之間同意的密鑰（稱為Kc），見圖4-28。上行鏈路和下行鏈路上使用兩個不同的序列：對每一個突發(fā)，一個序列用于移動臺內(nèi)的加密，并作為BTS中的解密序列；而另一個序列用于BTS的加密，并作為移動臺的解密序列。圖4-28加密和解密幀號：幀號編碼成一連串的三個值，總共加起來22比特。對于各種無線信道，每個突發(fā)的幀號都不同，所有同一方向上給定通信的每個突發(fā)使用不同的加密序列。A5算法：必須在國際范圍內(nèi)規(guī)定，該算法可以描述成由22比特長的參數(shù)（幀號碼）和64比特長參數(shù)（Kc）生成兩個114比特長的序列的黑盒子。密鑰Kc：開始加密之前，密鑰Kc必須是移動臺和網(wǎng)絡(luò)同意的。GSM中選擇在鑒權(quán)期間計算密鑰Kc；然后把密鑰存貯于SIM卡的永久內(nèi)存中。在網(wǎng)絡(luò)一側(cè)，這個“潛在”的密鑰也存貯于拜訪MSC/VLR中，以備加密開始時使用。由RAND（與用于鑒權(quán)的相同）和Ki計算Kc的算法為A8算法。與A3算法（由RAND和Ki計算SRES的鑒權(quán)算法）類似，可由運營者選擇決定。Kc的計算如下圖4-29所示：圖4-29Kc的計算（4）用戶身份保護加密方法雖然有效，但不能用來在無線路徑上保護每一次的信息交換。首先，加密不能應(yīng)用于公共信道；其次，當移動臺轉(zhuǎn)到專用信道，網(wǎng)絡(luò)還不知道用戶身份時，也不能加密。第三方就有可能在這兩種情況下偵聽到用戶身份，從而得知該用戶此時漫游到的地點。這對于用戶的隱私性來說是有害的，GSM中為確保這種機密性引入了一個特殊的功能，即在可能的情況下通過使用臨時移動用戶身份號TMSI替代用戶身份IMSI，以保護用戶信息。TMSI由MSC/VLR分配，并不斷地進行更換，更換周期由網(wǎng)絡(luò)運營者設(shè)置。8主叫

以移動用戶呼叫移動用戶為例子，我們來看一下主叫的工作流程，如圖4-30所示。MS1在MSC1/VLR1的服務(wù)區(qū)、MS2在MSC2/VLR2的服務(wù)區(qū)，MS2歸屬于HLR/AUC。圖4-30移動用戶主叫移動用戶主叫用戶MS1撥叫MS2電話號碼，經(jīng)過基站系統(tǒng)通知MSC1；MSC1分析被叫用戶MS2的電話號碼，找到MS2所屬的HLR，向HLR發(fā)送路由申請；HLR查詢MS2的當前位置信息，獲得MS2在MSC2/VLR2的服務(wù)區(qū)，HLR向MSC2/VLR2請求路由信息。MSC2/VLR2分配路由信息，即漫游號碼；MSRN，將MSRN提交給HLR；HLR將MSRN送給主叫MSC