蜂窝移动通信系统

2.2　GSM蜂窝移动通信系统

移动通信大体经历了从军用、专用到民用，从单基站的大区制到多基站的小区制的蜂窝结构，从模拟系统到数字系统的开放和发展过程。我国大容量蜂窝移动通信系统的发展较晚，1987年年末在广州开通了国内第一个模拟蜂窝移动通信系统，近年来，随着国外数字移动通信系统技术的成熟，我国于1995年开通了GSM体制的数字蜂窝移动通信系统，此外，采用CDMA技术的蜂窝移动通信系统在我国也已开通，现在是我国移动通信大发展的时期。

1.蜂窝移动通信系统的特点

小区制蜂窝覆盖的优点是：可将覆盖区无限扩展，使服务区不受限制，并可提高系统容量；以区群为蜂窝结构进行的频率复用，可实现频率资源的有效利用。但是，小区制和频率复用也给蜂窝移动通信系统带来新的问题并使其具有显著的技术特点。

2.蜂窝结构和频率复用带来的新问题

蜂窝结构和频率复用带来的新问题如下：

（1）蜂窝区群的结构、蜂窝小区的分裂、微小区及微微小区；

（2）频率重用将使相邻同频小区之间引起同信道干扰。

为避免区群内的各小区间的干扰，通常的做法是让各小区采用不同的频率（信道）。这样，将带来越区切换的问题。所谓越区切换是指：一个正在进行通信的移动用户当从一个小区进入相邻小区时，需要快速切换信道并保持通信。对用户而言，信道切换应当是透明的，即不被用户所察觉；当移动用户从一个交换服务区进入相邻交换服务区时，所发生的信道切换叫做漫游。发生漫游时，移动用户原交换服务区与新进入的交换服务区之间需要完成移动用户文档的存取和有关信息的交换；建立通信链路所需的各种信令与信息交换问题，增大了系统的复杂性；无线信道的资源管理和网络管理也增大了系统的复杂性。

3.数字蜂窝移动通信系统的优点及其涉及的主要技术

数字系统与模拟系统相比，具有如下优点：

（1）容量大，频谱利用率高；

（2）通信质量好；

（3）业务种类多；

（4）易于保密；

（5）用户设备小巧轻便；

（6）成本低；

（7）便于与ISDN、PSTN、PDN等网络互联。

数字蜂窝移动通信系统体现了当前移动通信技术的最新水平。根据CCITT的提议，需要研究的数字技术主要有如下6个方面：

（1）数字无线电调制与解调；

（2）多址技术，例如时分多址（TDMA）；

（3）数字话音编码；

（4）信道编码和数字信号处理；

（5）数字控制信道和数据信道；

（6）保密和鉴权。

4.数字系统和模拟系统的共性和差异

数字蜂窝系统建立在模拟蜂窝系统已使用的某些技术和系统设计概念之上，然而，前者由于使用了数字技术而相应产生了若干新的性能。

（1）共性

·数字系统基本保持了与现有模拟系统相同的无线工作频段。基本的传播统计特性，例如路径损耗、时延扩散、瑞利分布包络等也跟模拟系统相同。

·由于路径差没有变化，所以数字系统基本保持了与模拟系统相同的蜂窝制频率复用方法等。

·网络结构，本质上不变。其他如漫游技术和付费方法也基本不变。

（2）差异

·相对于早期技术，数字调制对载干比（C/I）的要求低得多。

·时分多址更能提供设计上的灵活性。

·系统设计中需增加信道编码。

·为了获得数字信道的最佳性能，需要采用自适应均衡技术。

·TDMA、交织和数字话音编码引入了可估计的时延（50～100ms），为此需要采用回波控制技术。

·数字话音编码质量是系统的重要特性。

·数字系统中，实施保密是相当简单的。

5.GSM数字蜂窝移动通信系统结构

（1）系统的基本特点

GSM是英文Globle System for Mobile Communication的缩写。它是西欧国家组成的移动通信特别小组（缩写也是GSM）在20世纪80年代开始研制开发，90年代初投入商用的一种数字蜂窝移动通信制式。开发GSM的初衷是使欧洲的移动电话用户能在欧洲境内自动漫游，现在已有100多个国家和地区采用了GSM技术体制。中国GSM网已基本实现了县以上城市的覆盖。目前，中国GSM接入号有139、138、137、136、135、130。

GSM数字蜂窝移动通信系统是完全依据欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制而成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。

GSM系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点。

·GSM系统是由几个分系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。各分系统之间或各分系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的GSM系统或子系统能互连。

·GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对于全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关。

·GSM系统除了可以开放语音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务和与ISDN相关的业务。

·GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全。

·GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率复用率高，移动业务交换机的话务承担能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求。

·GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。

·用户终端设备（手持机和车载机）随着大规模集成电路技术的进一步发展而向更小型、更轻巧和功能更强的方向发展。

（2）系统的结构与功能

GSM系统的典型结构如图2－1所示。由图可见，GSM系统是由若干子系统或功能实体组成。其中基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网路子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS必须管理通信业务，保证MS与相关的公用通信网或与其他MS之间建立通信，也就是说NSS不直接与MS互通，BSS也不直接与公用通信网互通。MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分。操作支持子系统（OSS）则提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。

图2－1　GSM系统的典型结构

①MS

MS是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。MS的类型不仅包括车载台和便携式台，还包括手持台。随着GSM标准的数字式手持台进一步向小型、轻巧和功能增加的方向发展，手持台的用户将占整个用户的绝大部分。图2－2是MS的功能结构。

图2－2　MS的功能结构

②BSS

BSS是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相连，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，BSS与NSS中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。

BSS是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分的功能实体构成。BSS还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM），TC在更多的实际情况下是置于BSC和MSC之间，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。因此，一种具有本地和远端配置BTS的典型BSS组成方式如图2－3所示。

·BTS

BTS属于BSS的无线部分，由BSC控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。

·BSC

BSC是BSS的控制部分，起着BSS的变换设备的作用（即各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理）。

③NSS

NSS主要包含GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其他通信网之间通信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成，整个GSM系统内部，即NSS各实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7协议和GSM规范的7号信令网路互相通信。

图2－3　一种典型的BSS组成方式

NSS由以下几部分构成：

·移动业务交换中心（MSC）；

·访问用户位置寄存器（VLR）；

·属用户位置寄存器（VLR）；

·鉴权中心（AUC）；

·移动设备识别寄存器（EIR）。

④操作支持子系统（OSS）

OSS需完成许可任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。

移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。用户数据管理一般由归属用户位置寄存器（HLR）来完成这方面的任务，HLR是NSS功能实体之一。用户识别卡（SIM）的管理也可认为是用户数据管理的一部分，但是，作为相对独立的SIM的管理，还必须根据运营部门对SIM的管理要求和模式采用专门的SIM个人化设备来完成。

移动设备管理是由EIR来完成的，EIR与NSS的功能实体之间是通过SS7信令网络的接口互连，为此，EIR也归入NSS的组成部分之一。

网路操作与维护是完成对GSM系统的BSS和NSS进行操作与维护管理任务的，完成网路操作与维护管理的设施称为操作与维护中心（OMC）。从电信管理网路（TMN）的发展角度考虑，OMC还应具备与高层次的TMN进行通信的接口功能，以保证GSM网路能与其他电信网路一起纳入先进、统一的电信管理网路中进行集中操作与维护管理。

6.GSM系统信道分类

蜂窝通信系统要传输不同类型的信息，包括业务信息和各种控制信息，因而要在物理信道上安排相应的逻辑信道。这些逻辑信道有的用于呼叫接续阶段，有的用于通信阶段，也有的用于系统运行的全部时间内。

（1）业务信道（TCH）传输话音和数据

话音业务信道按速率的不同，可分为全速率话音业务信道（TCH/FS）和半速率话音业务信道（TCH/HS）。

同样，数据业务信道按速率的不同，也分为全速率数据业务信道（如TCH/F9.6、TCH/F4.8、TCH/F2.4）和半速率数据业务信道（如TCH/H4.8、TCH/H2.4）（这里的数字9.6、4.8和2.4表示数据速率，单位为kbit/s）。

（2）控制信道（CCH）传输各种信令信息

控制信道分为3类。

①广播信道（BCH）

BCH是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向所有移动台广播公用信息。传输的内容是移动台入网和呼叫建立所需要的各种信息。BCH又分为如下几类信道。

·频率校正信道（FCCH）。传输供移动台校正其工作频率的信息。

·同步信道（SCH）。传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息。

·广播控制信道（BCCH）。传输通用信息，用于移动台测量信号强度和识别小区标志等。

②公共控制信道（CCCH）

CCCH是一种“一点对多点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息。CCCH又分为如下几类信道。

·寻呼信道（PCH）。传输基站寻呼移动台的信息。

·随机接入信道（RACH）。移动台申请入网时，向基站发送入网请求信息。

·准许接入信道（AGCH）。基站在呼叫接续开始时，向移动台发送分配专用控制信道的信令。

③专用控制信道（DCCH）

DCCH是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。DCCH中又分为如下几类信道。

·独立专用控制信道（SDCCH）。传输移动台和基站连接和信道分配的信令。

·慢速辅助控制信道（SACCH）。在移动台和基站之间，周期地传输一些特定的信息，如功率调整、帧调整和测量数据等信息。SACCH是安排在业务信道和有关的控制信道中，以复接方式传输信息。安排在业务信道时，以SACCH/T表示，安排在控制信道时，以SACCH/C表示，SACCH常与SDCCH联合使用。

·快速辅助控制信道（FACCH）。传送与SDCCH相同的信息。使用时要中断业务信息（4帧），把FACCH插入，不过，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制信道。这种控制信道的传输速率较快，每次占用4帧时间，约18.5ms。

由此可见，GSM通信系统为了传输所需的各种信令，设置了多种专门的控制信道。这样做，除因为数字传输为设置多个逻辑信道提供了可能外，主要是为了增强系统的控制功能（比如为提高过境切换的速度而采用移动台辅助切换技术），也为了保证话音通信质量，在模拟蜂窝系统中，要在通话进行过程中，进行控制信息的传输，必须中断话音信息的传输（100ms），这就是所谓的“中断－猝发”的控制方式。信道中断100ms，会使话音产生可以听得到的喀喇声。如果这种中断过于频繁，势必明显地降低话音质量，因此，模拟蜂窝系统必须限制在通话过程中传输控制信息的容量。与此不同，GSM蜂窝系统采用专用控制信道传输控制信息，除去FACCH外，不在通信过程中中断话音信息，因而能保证话音的传输质量。其中FACCH虽然也采取“中断－猝发”控制方式，但是只在特定场合下才使用，而且占用的时间短（18.5ms），其影响明显减小。GSM蜂窝系统还采用信息处理技术来估计并补偿这种因为插入FACCH而被删除的话音。