GSM无线接口理论讲义

GSM无线接口理论讲义

第三章GSM 无线接口理论 (3)

第一节工作频段的分配 (3)

一、我国GSM网络的工作频段 (3)

二、频道间隔 (3)

三、频道配置 (3)

四、干扰保护比 (4)

第二节时分多址技术（TDMA） (4)

一、TDMA信道的概念 (4)

二、TDMA帧 (6)

三、突发脉冲序列（Burst） (7)

四、逻辑信道与物理信道之间的对应关系 (9)

五、信道组合种类 (11)

六、系统消息 (11)

第三节无线路径的损耗和衰落 (13)

一、无线路径的损耗和衰落 (13)

二、分集接收 (14)

第四节移动台和基站的时间调整 (16)

第五节跳频技术 (16)

一、跳频的种类及各自实现的方法 (17)

二、跳频的优点 (17)

三、跳频序列 (18)

第六节语音的传输过程 (18)

一、语音编码 (18)

二、信道编码 (19)

三、交织技术 (20)

四、加密 (20)

五、调制和解调 (21)

第四章呼叫处理过程 (21)

第一节小区的选择与重选 (21)

一、小区选择过程 (21)

二、小区重选过程 (22)

三、不连续接收模式DRX和寻呼信道的定义 (23)

第二节初始化过程 (24)

一、信道申请 (24)

二、初始信道的分配 (26)

三、初始化报文 (26)

第三节鉴权加密过程 (27)

一、鉴权加密过程的三参数组 (28)

二、鉴权过程 (28)

三、加密过程 (29)

四、TMSI重新分配过程 (29)

第四节位置更新 (30)

一、位置区的概念 (30)

二、正常位置更新流程（越位置区的位置更新） (30)

三、IMSI 附着和分离过程 (32)

四、周期性位置更新过程 (32)

第五节MS 主叫过程分析 (33)

一、呼叫建立过程 (33)

二、呼叫释放过程 (36)

第六节MS被叫过程分析 (37)

一、查询过程 (37)

二、寻呼过程 (38)

三、被叫的呼叫建立过程 (39)

第七节无线链路控制 (41)

一、无线链路故障 (41)

二、呼叫重建 (42)

第八节切换 (43)

一、切换过程 (43)

二、切换准备 (43)

三、触发切换的原因 (45)

四、切换的种类 (46)

五、切换流程分析 (47)

第九节功率控制 (52)

一、功率控制 (52)

二、不连续发射（DTX） (53)

第九节掉话分析（针对北电） (54)

第五章信令协议 (58)

第一节信令协议概述 (58)

一、接口与协议 (58)

二、GSM通信系统内部接口 (59)

三、无线接口信令协议 (60)

四、A接口信令协议 (60)

第二节链路层信令协议 (61)

一、帧结构 (61)

二、检错和纠错 (62)

三、复用 (63)

四、流量控制 (63)

五、LAPD和LAPDm帧比较 (63)

第三节网络层信令协议 (64)

一、BSS网络层 (64)

二、NSS网络层 (68)

第四节 GSM信令网 (69)

一、信令网络结构 (70)

二、信令网路组织 (70)

三、信令点编码方案 (71)

四、信令网寻址方式 (72)

第三章 GSM 无线接口理论

第一节 工作频段的分配

一、我国GSM 网络的工作频段

我国陆地蜂窝数字移动通信 网GSM 通信系统采用900MHz 与1800MHz 频段:

GSM900MHz 频段为：890~915(移动台发,基站收),935~960(基站发,移动台收);

二、频道间隔

相邻两频点间隔为为200kHz ，每个频点采用时分多址（TDMA ）方式，分为8个时隙，既8个信道（全速率），如GSM 采用半速率话音编码后，每个频点可容纳16个半速率信道，可使系统容量扩大一倍，但其代价必然是导致语音质量的降低。

三、频道配置 绝对频点号和频道标称中心频率的关系为：

GSM900MHz 频段为 fl(n)=890.2MHz + (n-1)×0.2MHz (移动台发,基站收）；

fh(n)=fl(n)+45MHz (基站发,移动台收); n ∈[1，124]

GSM1800MHz 频段为：

fl(n)=1710.2MHz + (n-512) ×0.2MHz (移动台发,基站收）；

fh(n)=fl(n)+95MHz (基站发,移动台收）；n ∈[512，885]

其中：fl(n)为上行信道频率、fh(n)为下行信道频率,n 为绝对频点号（ARFCN ）。

注：

1、在我国GSM900使用的频段为：

905~915MHz 上行频率

950~960MHz 下行频率

频道号为76~124, 共10M带宽。

中国移动公司：905~909MH（上行），950~954MHz（下行），共4M带宽，20个频道，频道号为76~95。（目前通过中国移动TACS网的压频，为GSM网留出了更大的空间，因而GSM实际可用频点号要远大于该范围）

中国联通公司：909~915MH（上行），954~960MHz（下行），共6M带宽，29个频道，频道号为96~124。

2、目前只有中国移动公司拥有GSM1800网络，拥有1800网络的移动分公司大多申请10M的带宽，频

道号为512~562。

四、干扰保护比

载波干扰比（C/I）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基本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其他一些因素如天线的类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等造成的。

1、同频干扰保护比：C/I≥9dB。所谓C/I，是指当不同小区使用相同频率时，另一小区对服务小

区产生的干扰，它们的比值即C/I，GSM规范中一般要求C/I >9dB；工程中一般加3dB余量，即要求C/I>12dB

2、邻频干扰保护比：C/I≥-9dB。C/A是指在频率复用模式下，邻近频道会对服务小区使用的频

道进行干扰，这两个信号间的比值即C/A。GSM规范中一般要求C/A>-9dB，工程中一般加3dB余量，即要求C/A>-6dB

3、载波偏离400kHz的干扰保护比：C/I≥-41dB

第二节时分多址技术（TDMA）

多址技术就是要使众多的客户公用公共信道所采用的一种技术，实现多址的方法基本有三种，频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。我国模拟移动通信网TACS就是采取的FDMA 技术。CDMA是以不同的代码序列实现通信的，它可重复使用所有小区的频谱，它是目前是最有效的频率复用技术。GSM的多址方式为时分多址TDMA和频分多址FDMA相结合并采用跳频的方式，载波间隔为200K，每个载波有8个基本的物理信道。一个物理信道可以由TDMA的帧号、时隙号和跳频序列号来定义。它的一个时隙的长度为0.577ms,每个时隙的间隔包含156.25比特GSM的调制方式为GMSK，调制速率为270.833kbit/s。

一、TDMA信道的概念

在GSM中的信道可分为物理信道和逻辑信道。一个物理信道就是一个时隙，通常被定义为给定TDMA帧上的固定位置上的时隙（TS）。而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道。这些逻辑信道是通过BTS来影射到不同的物理信道上来传送。

逻辑信道又可分为业务信道和控制信道.

（一）业务信道：业务信道用于携载语音或用户数据，可分为话音业务信道和数据业务信道。

1、话音业务信道

TCH/FS：全速率语音信道 13Kbit/s

TCH/HS: 半速率语音信道 5.6Kbit/s

2、数据业务信道

TCH/F9.6: 9.6kbit/s 全速率数据信道

TCH/F4.8: 4.8kbit/s 全速率数据信道

TCH/H4.8: 4.8kbit/s 半速率数据信道

TCH/H2.4: <=2.4kbit/s 半速率数据信道

TCH/F2.4: <=2.4kbit/s 全速率数据信道

（二）控制信道：控制信道用于携载信令或同步数据，可分为广播信道、公共控制信道和专用控制信道。

广播信道（BCH）：包括BCCH、FCCH和SCH信道，它们携带的信息目标是小区内所有的手机，所以它们是单向的下行信道。

公共控制信道（CCCH）：包括RACH、PCH、AGCH和CBCH，前一个是单向上行信道，后者是单向下行信道。

专用控制信道（DCCH）：包括SDCCH、SACCH、FACCH

1、广播信道：

广播信道仅用在下行链路上，由BTS至MS。它们用在每个小区的TS0上作为标频，在一些特殊的情况下，也可用在TS2，4或6上，这些信道包括BCCH、FCCH和SCH。为了通信，MS需要于BTS保持同步，而同步的完成就要依赖FCCH和SCH逻辑信道，它们全部为下行信道，为点对多点的传播方式。

频率校正信道（FCCH）：FCCH信道携带用于校正MS频率的消息，它的作用是使MS可以定位并解调出同一小区的其它信息。

同步信道（SCH）：在FCCH解码后，MS接着要解出SCH信道消息，它给出了MS需要同步的所有消息及该小区的的标示信息如TDMA帧号（需22比特）和基站识别码BSIC号（需6比特）。

广播控制信道（BCCH）：MS在空闲模式下为了有效的工作需要大量的网络信息。而这些信息都将在BCCH信道上来广播。信息基本上包括小区的所有频点、邻小区的BCCH频点、LAI （LAC+MNC+MCC）、CCCH和CBCH信道的管理、控制和选择参数及小区的一些选项。所有这些消息被称为系统消息（SI）在BCCH信道上广播，在BCCH上系统消息有八种类型TYPE 1、2、2bis 、2ter、3、4、7和8。

2、公共控制信道：

公共控制信道包括AGCH、PCH、CBCH和RACH，这些信道不是供一个MS专用的，而是面向这个小区内所有的移动台的。在下行方向上，由PCH、AGCH和CBCH来广播寻呼请求、专用信道的指派和短消息。在上行方向上由RACH信道来传送专用信道的请求消息。

寻呼信道（PCH）：当网络想与某一MS建立通信时，它就会在PCH信道上根据MS所登记的LAC号向所有具有该LAC号的小区进行寻呼，寻呼MS的标示为TMSI或IMSI，属下行信道，点对多点传播。

接入许可信道（AGCH）：当网络收到处于空闲模式下MS的信道请求后，就将给之分配一专用信道，AGCH通过根据该指派的描述（所分信道的描述，和接入的参数），向所有的移动台进行广播，看属于谁的，下行信道，点对点传播。

小区广播控制信道（CBCH）：它用于广播短消息和该小区一些公共的消息（如天气和交通情况），它通常占用SDCCH/8的第二个子信道，下行信道，点对多点传播。

随机接入信道（RACH）：当MS想与网络建立连接时，它会通过RACH信道来广播它所需的服务信道，请求消息包括3个比特的建立的原因（如呼叫请求、响应寻呼、位置更新请求、及短消息

请求等等）和5个比特的用来区别不同MS请求的参考随机数，属上行信道，点对点传播方式。

3、专用控制信道包括SDCCH、SACCH、FACCH、TCH，这些信道被用于某一个具体的MS上.

独立专用控制信道（SDCCH）：SDCCH是一种双向的专用信道，它主要用于传送建立连接的信令消息、位置更新消息、短消息、用户鉴权消息、加密命令及应答及各种附加业务。

慢速随路控制信道（SACCH）：SACCH是一种伴随着TCH和SDCCH的专用信令信道。在上行链路上它主要传递无线测量报告和第一层报头消息（包括TA值和功率控制级别）；在下行链路上它主要传递系统消息type5、5bis 、5ter、6及第一层报头消息。这些消息主要包括通信质量、LAI号、CELLID、邻小区的标频信号强度等信息、NCC的限制、小区选项、TA值、功率控制级别。

快速随路控制信道（FACCH）：FACCH信道与一个业务信道TCH相关。FACCH在话音传输过程中如果突然需要以比慢速随路控制信道（SACCH）所能处理的高的多的速度传送信令消息，则需借用20ms的话音突发脉冲序列来传送信令，这种情况被称为偷帧，如在系统执行越局切换时。由于话音译码器会重复最后20ms的话音，所以这种中断不会被用户察觉的。

二、TDMA帧

在TDMA中，每一个载频被定义为一个TDMA 帧，相当于FDMA系统中的一个频道。每帧包括8个时隙（TS0~TS7），并要有一个帧号，这是因为在计算加密序列的A5算法中是以TDMA帧号为一个输入参数，当有了TDMA帧号后，移动台就可以判断控制信道TS0上传送的为哪一类逻辑信道了。

TDMA的帧号是以3小时28分钟53秒760毫秒（2715648个TDMA帧）为周期循环编号的。每2715648个TDMA帧为一个超高帧，每一个超高帧又由2048个超帧，一个超帧的持续时间为6.12s，而每个超帧又是由51个26复帧或26个51复帧组成。这两种复帧是为满足不同速率的信息传输而设定的，区别是：

26帧的复帧：包含26个TDMA帧，时间间隔为120ms，它主要用于TCH（SACCH/T）和FACCH等业务信道。

51帧的复帧：包含51个TDMA帧，时间间隔为235ms, 它主要用于BCCH、CCCH、SDCCH等控制信道。

图示帧结构图

三、突发脉冲序列（Burst）

TDMA信道上的一个时隙中的消息格式被称为突发脉冲序列，也就是说每个突发脉冲被发送在TDMA帧的其中一个时隙上。因为在特定突发脉冲上发送的消息内容不同，也就决定了它们格式的不同。

可以分为五种突发脉冲序列：

●普通突发脉冲序列（normal burst）:用于携带TCH、FACCH、SACCH、SDCCH、BCCH、

PCH和AGCH信道的消息。

●接入突发脉冲序列（access burst）：用于携带RACH信道的消息。

●频率校正突发脉冲序列（frequency correction burst）: 用于携带FCCH信道的消息。

●同步突发脉冲序列（synchronization burst）: 用携带SCH信道的消息.

●空闲突发脉冲序列（dummy burst）:当系统没有任何具体的消息要发送时就传送这种突发脉

冲序列（因为在小区中标频需连续不断的发送消息）。

在每种突发脉冲的格式中，都包括以下内容：

●尾比特（tail bits）:它总是0，以帮助均衡器来判断起始位和终止位以避免失步。

●消息比特（information bits）:用于描述业务消息和信令消息，空闲突发脉冲序列和频率校

正突发脉冲序列除外。

●训练序列（training sequence）:它是一串已知序列，用于供均衡器产生信道模型（一种消

除色散的方法）。训练序列是发送端和接收端所共知的序列，它可以用来确认同一突发脉冲其它比特的确定位置，它对于当接收端收到该序列时来近似的估算发送信道的干扰情况能起到很重要的作用。值得注意的是，它在普通突发脉冲序列可分为8种，但在接入突发脉冲和

同步突发脉冲序列是固定的而并不随着小区的不同而不同。

保护间隔（guard period）:它是一个空白空间，由于每个载频的最多同时承载8个用户，因此必须保证各自的时隙发射时不相互重叠，尽管使用了后面会讲到的定时提前技术，但来自不同移动台的突发脉冲序列仍会有小的滑动，因而就采用了保护间隔可是发射机在GSM 规范许可的范围内上下波动。从另一角度来讲,GSM规范要求MS在一个突发脉冲的有用(不包括保护比特的其它比特)应保持恒定的传输幅度,并要求MS在两个突发脉冲之间传输幅度适当衰减,因此需要保护比特.相邻两个突发脉冲之间的幅度衰减并应用适当的调制比特流,将会减小对其它RF信道的干扰。

现在让我们详细看一下每个突发脉冲序列的内容：

1、普通突发脉冲序列：它有2个的58个比特的分组用于消息字段，具体的说有两个的57

比特用于消息字段来发送用户数据或话音再加上2个偷帧标志位，它用于表述所传的是业务消息还是信令消息，如用来区分TCH和FACCH（当TCH信道需用做FACCH信道来传送信令时，它所使用的8个半突发脉冲相应的偷帧标志须置1，在TCH以外的信道上没有什么用处但可被认为是训练序列的扩展，总是置为1的。它还包括两个3比特的尾位及8.25比特的保护间隔。它的训练序列放在了两个消息字段的中间被称为中间对位，它的唯一缺陷是接收机在能解调之前需要存储突发脉冲的前一部分。它的突发脉冲共有26个比特,其中消息位有16个比特,但为了得到26个比特,它采取了将前5个比特重复到该训练序列的最后和并将后5个比特重复到该训练序列头部的办法.这种训练序列共有八种(该八种序列的相关联性最小),它们分别和不同的基站色码(BCC,3个比特)相对应,目的是用来区分使用同一频点的两个小区.

2、接入突发脉冲序列:用于随机接入(是指用于向网络发起初始的信道请求并用于切换时的接入).

它是基站在上行方向上解调所需的第一个突发脉冲。它包括41比特的训练序列,36比特的信息位,它的保护间隔是68.25比特。对于接入突发脉冲只规定了一种固定的训练序列，由于干扰的可能性很小，不值得多增加多种训练序列所引起的复杂性。它的训练序列和保护间隔都要比普通脉冲要长，这是为了适应移动台首次接入(或切换到另一个BTS)后不知道时间提前量的缺陷并提高系统的解调能力而设定的.

3、频率校正突发脉冲序列:它用于移动台的频率同步,相当于一个未调载波,该序列有142固定

比特用于频率同步,它的结构十分简单,固定比特全部为0，当使用调制技术后，其结果是一个纯正弦波.它应用在FCCH信道上来使移动台找到并且解调出同一小区内的同步突发脉冲序列,当MS通过该突发脉冲序列知道该小区的频率后,才能在此标频上读出在同一物理信道上的随后的突发脉冲序列的信息来(如SCH及BCCH).保护间隔和尾比特同普通突发脉冲序列.

4、同步突发脉冲序列:它用于移动台的时间同步,它的训练序列为64比特,2个39比特的信息字段,

它用于SCH信道,属下行方向.因为它是第一个需被移动台解调突发脉冲,因而它的训练序列较

长而容易被检测

图示突发脉冲序列结构图

到.而且它的突发脉冲只有一种，而且只能有一种，因为如果定义了几种序列，移动台无法知道基站选择的序列。该突发脉冲的信息位中有19比特描述TDMA的帧号(用于MS与网络的同步和加密过程),有6比特来描述基站识别号BSIC(NCC+BCC),经过信道卷积后就得到了2个39比特.保护间隔和尾比特同普通突发脉冲序列.

5、空闲突发脉冲序列:此突发脉冲序列在某些情况下由BTS发出,不携带任何信息,它的格式与

普通突发脉冲序列相同,其中加密比特改为具有一定比特模型的混合比特.

四、逻辑信道与物理信道之间的对应关系

我们知道，每个小区都有若干个载频，每个载频都有8个时隙，因而我们可以定义载频数为C0、C1、…、Cn，时隙数为TS0、TS1、..、TS7。

1、控制信道的映射

在某个小区超过一个载频时，则该小区C0上的TS0就映射广播和公共控制信道（FCCH、SCH、BCCH、CCCH），可使用mainBCCH的组合，该时隙不间断的向该小区的所有用户发送同步信息、系统消息及寻呼消息和指派消息。即使没有寻呼和接入进行，BTS也总在C0上发射空闲突发脉冲。

我们从帧的分级结构知道，51帧的复帧是用于携带SCH和CCCH，因此51帧的复帧共有51个

TS0，也就是说将51个连续TDMA帧的8个时隙中的TSO都取出来以组成一个51帧的复帧。该序列在映射完一个51复帧后开始重复下一个51帧的复帧。

以上叙述了下行链路C0上的TS0的映射，对于上行链路CO上映射的TS0是不含有上述信道的，它只含有随机接入信道（RACH），用于移动台的接入。

下行链路C0上的TS1用于映射专用控制信道，它可使用SDCCH的信道组合形式。它是102个TDMA帧重复一次。由于是专用信道，所以上行链路C0上的TS1也具有同样的结构，这就意味着对一个移动台同时可双向连接，但在时间上会有一个偏移（以后我们会讲到出现这种情况的原因）。

当某个小区的容量很小，仅使用一个载频时，则该载频的TSO即用做公共控制信道又用做专用控制信道，即可采用mainBCCHcombined的信道组合形式。该信道组合每102重复一次。

当某小区业务量很高时，它可把C0的TS0配置成为mainBCCH，并可在TS2、TS4、TS6上扩展三个组合集，使用CCCH的配置形式，该配置形式包括除SCH和FCCH外的TS0的所有组合，因为这两个信道只能出现在C0的TS0上。

F：频率校正脉冲序列TDMA帧 S：同步脉冲序列TDMA帧

R：用于RACH的TDMA帧 B：用于BCCH的消息块（4个TDMA帧）

D：用于SDCCH的消息块（4个TDMA帧）

C：用于CCCH的消息块（4个TDMA帧）

A：用于SACCH的消息块（4个TDMA帧）

表控制信道的映射

2、业务信道的映射

在每个小区携带有BCCH信道的载频的TS0和TS1上按上述映射安排控制逻辑信道，TS2至TS7以及其它载频的TS0至TS7均可安排业务信道。

除映射控制信道外的时隙均映射在业务信道TCH上，用于携带TCH/F的复帧是26复帧的，因此