GSM系统概述Word文件下载.docx
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蜂窝半径范围根据天线高度、增益和传播条件可以从百米以上至数十公里。
实际使用的最长距离GSM规范支持到35公里，还有个扩展蜂窝的概念，蜂窝半径可以增加一倍甚至更多。
GSM同样支持室内覆盖，通过功率分配器可以把室外天线的功率分配到室内天线分布系统上，这是一种典型的配置方案，用于满足室内高密度通话要求，在购物中心和机场十分常见，然而这并不是必须的，因为室内覆盖也可以通过无线信号穿越建筑物来实现，这样可以提高信号质量，减少干扰和回声。
1.2GSM系统组成
GSM系统主要由移动台（MS）、交换网路子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作支持子系统（OSS）四部分组成。
GSM系统结构如图1.1所示
图1.1GSM系统结构
注：
OSS中：
NMC：
网路管理中心；
DPPS：
数据后处理系统；
PCS：
用户识别卡个人化中心；
SEMC：
安全性管理中心；
NSS中：
OMC：
操作维护中心；
HLR：
归属位置寄存器；
AUC：
鉴权中心；
MSC：
移动业务交换中心；
VLR：
拜访位置寄存器；
EIR：
移动设备识别寄存器；
BSS中：
BSC：
基站控制器；
BTS：
基站收发信台；
PDN：
公用数据网；
PSTN：
公用电话网；
ISDN：
综合业务数据网。
GSM网络结构如图1.2所示：
图1.2GSM网络结构
其中BSS在GSM网络中起着重要的作用，直接影响着GSM网络的通信质量。
GSM基站是一种技术要求较高的产品，随着我国一些高科技电信企业在移动通信领域的不断深入，这些企业也生产出多种型号的基站。
如今无线频率资源的限制使得人们更充分地发展着基站的不同应用形式以增强覆盖，吸收话务——远端TRX、分布天线系统、光纤分路系统、直放站。
第二章GSM系统各组成部分的原理
2.1移动台（MS）
2.1.1MS概述
移动台（MS）是GSM系统中的用户设备，有车载型、便携型和手持型，也可以配有终端设备（TE）或终端适配器（TA）。
MS是物理设备，它还必须包含用户识别模块（SIM），SIM卡和硬件设备。
没有SIM卡MS是不能接入GSM网络的（紧急业务除外），由此可知，移动台并非固定于一个用户，在系统中的任何一个移动台都可以利用SIM卡来识别移动用户，保证合法用户使用移动网。
MS也有自己的识别码，称为国际移动设备识别号（IMEI）。
网络可以对IMEI进行检查，比如关断有障碍的移动台，检查移动台的型号许可代码等。
MS不仅能完成传统的电话业务、数字业务，如传输文字、图像、传真等，还能完成短消息等非传统的业务。
如今已经全球普及的手机就是一个典型的GSM移动台。
2.1.2GSM手机工作原理简介
GSM移动电话的原理框图如图2.1所示：
图2.1GSM移动电话原理框图
移动电话（以下均称手机）电路结构可分为四个部分：
无线部分、传输处理部分、接口部分和电源部分。
其电路原理可归纳为两大部分：
射频电路和基带电路。
1.无线部分
包括天线回路、发送、接收、调制解调和振荡器等高频系统。
其中发送部分由射频功率放大器、带通滤波器组成，接收部分由高频滤波、高频放大、变频及中频滤波器组成，调制解调器采用GMSK，即高斯滤波最小频移键控。
2.传输处理
（1）发送通道的处理包括语音编码、信道编码、加密、TDMA帧形成。
1）语音编码：
用户的话音通过MIC转化成电信号，这个电信号通过ADC转化成数字的、代表语音的13Kbitps的信息流。
2）信道编码：
为了检测甚至纠正传输期间产生的差错，在数据流中引入冗余码，通过从信源数据计算得到的信息来提高其速率。
信道编码的结果是一个码字流。
GSM的源编码与信道编码如图2.1所示：
图2.2GSM的源编码与信道编码
3）交织：
将几个码字的比特混合起来，使得在已调制信号中相互靠近的比特能扩展到几个码字上。
由于调制流中连续出错的可能性是紧密相关的，而且由于当差错被去相关后，信道编码性能会改善,交织的目的就是去除差错及它们在码字中位置的相关性，交织以后，信息流就成了信息块的序列。
4）突发脉冲格式化：
为有助于接收信号的同步和均衡，向加密的信息块中增加一些二进制信息使其成为二进制信息块。
5）加密：
通过仅由移动台和基站收发台知道的加密方式修改这些信息块的内容。
6）调制：
使用GMSK调制技术，在适当时刻将数码信号转变为合适的频率的模拟信号，然后通过射频电路的处理以无线电波的形式发射出去。
（2）接收通道的处理包括均衡、信道分离、解密、信道解码和语音解码，可看作是发送通道的逆过程
1）解调：
无线电波被天线接收以后，接收机根据多址规则接收相应的信息，在突发脉冲格式化期间引入的附加信息的帮助下对这部分信号进行解调，结果为二进制信息块的序列。
2）均衡：
采用均衡解调的目的是校正因复杂地形引起的无线电信号失真。
3）解密：
通过与加密相反的方法修改这些比特。
4）去交织：
为了重建码字，把不同的突发脉冲的比特放回原位。
5）信道解码：
利用附加的冗余码，检测或纠正解调器输出中可能的差错，从解调器的输出中恢复信源信息。
6）语音解码：
通过译码器DAC将数字语音信息还原成模拟的语音信号。
控制部分对移动电话进行控制和管理。
包括定时控制、数字系统控制、天线系统
控制以及人机接口控制等，若采用跳频，还应包括对跳频的控制。
控制器采用微处理器CPU。
3．接口部分
包括模拟语音接口、数字接口及人机接口三个部分。
模拟语音接口包括A/D、D/A变换、话筒和扬声器；
数字接口主要是数字终端适配器；
人机接口主要有显示器和键盘。
4．电源部分
电源部分包括电池直接供电的电路和由电池供电通过专用集成电源IC转换成各路直流电压的电路。
2.2交换网路子系统（NSS）
网络子系统（NSS）主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据管理、移动性能管理、安全性管理、移动设备管理等所需要的数据库功能，并对GSM移动用户间通信和GSM移动用户与其他通信网用户间通信起着管理作用。
NSS包括移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、设备识别寄存器（EIR）、鉴权中心（AUC）组成。
NSS与BSS之间的连接如图2.3所示：
图2.3NSS与BSS之间的连接
其中，连接线上的字母为相关接口标准，具体说明见下表2-1所示：
表2-1GSM系统中的接口表
接口名
定位
用途
Um
MS-BTS
无线接口
E
MSC-SM-GMSC
短消息传输
Abis
BTS-BSC
多种
MSC-MSC
切换
A
BSC-MSC
G
VLR-HLR
用户信息管理
C
GMSC-HLR
主叫HLR寻址
F
MSC-EIR
手机身份验证
SM-GMSC-HLR
主叫短消息寻址
B
MSC-VLR
D
本地和用户信息管理
H
HLR-AUC
鉴权数据交换
操作维护中心，OMC的任务是对全网进行监控和操作，例如系统的自检、报警与备用设备的激活、系统的故障诊断与处理、话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及各种资料的收集、分析与显示等；
移动交换中心，是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。
它可完成信道的管理和分配、呼叫的处理和控制、过区切换和漫游的控制、用户位置信息的登记与管理、用户号码和移动设备号码的登记和管理、服务类型的控制、对用户实施鉴权、网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等，此外，MSC还可以为系统中连接别的MSC及为其它公用通信网络，如公用交换电信网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）和公用数据网（PDN）提供链路接口，保证用户在转移或漫游的过程中实现无间隙的服务，另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS、还应能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。
由此可见，MSC的功能与固定网络的交换设备有相似之处（如呼叫的接续和信息的交换），也有特殊的要求（如无线资源的管理和适应用户移动性的控制）。
访问位置寄存，是一种用于存储来访用户位置信息的数据库。
一个VLR通常为一个MSC控制区服务，也可为几个相邻MSC控制区服务。
当移动用户漫游到新的MSC控制区时，它必须向该地区的VLR申请登记，VLR要从该用户的HLR查询有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码（MSRN），并通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为其它用户呼叫此移动用户时提供路由信息，如果移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，HLR在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR，删除此移动用户的位置信息。
原地位置寄存器，是一种用来存储本地用户位置信息的数据库。
在蜂窝通信网中，通常设置若干个HLR，每个用户都必须在某个HLR（相当于该用户的原籍）中登记。
登记的内容分为两类：
一种是永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务类型以及保密参数等；
另一种是暂时性的需要随时更新的参数，即用户当前所处位置的有关参数，即使用户漫游到HLR所服务的区域外，HLR也要登记由该区传送来的位置信息，这样做的目的是保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时，均可由该移动用户的原地位置寄存器获知它当时处于哪一个地区，进而建立起通信链路。
鉴权中心，用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥KC）的功能实体，以此能可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并获得服务。
设备标志寄存器，也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。
主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。
2.3基站子系统（BSS）
基站子系统（BSS）是移动通信系统中与无线蜂窝网络关系最直接的基本组成部
分，在整个移动网络中基站主要起中继作用。
基站与基站之间采用无线信道连接，负责无线发送、接收和无线资源管理，而主基站与移动交换中心（MSC）之间常采用有线信道连接，实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信连接。
说得更通俗一点，基站之间主要负责手机信号的接收和发送，把收集到的信号简单处理之后再传送到移动交换中心，通过交换机等设备的处理，再传送给终端用户，也就实现了无线用户的通信功能，所以基站系统能直接影响到手机信号接收和通话质量的好坏。
一个基站的选择，需从性能、配套、兼容性及使用要求等各方面综合考虑，其中特别注意的是基站设备必须与移动交换中心相兼容或配套，这样才能取得较好的通信效果。
基站子系统主要包括两类设备：
基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）。
2.3.1基站收发台（BTS）
1.原理简述
一个完整的基站收发台包括无线发射/接收设备、天线和所有无线接口特有的信
号处理部分。
基站收发台可看作一个无线调制解调器，负责移动信号的接收、发送处
理。
一般情况下在某个区域内，多个子基站和收发台相互组成一个蜂窝状的网络，通过控制收发台与收发台之间的信号相互传送和接收来达到移动通信信号的传送，这个范围内的地区也就是我们常说的网络覆盖面。
如果没有了收发台，那就不可能完成手机信号的发送和接收，基站收发台不能覆盖的地区也就是手机信号的盲区，所以基站收发台发射和接收信号的范围直接关系到网络信号的好坏以及手机是否能在这个区域内正常使用。
基站收发台BTS是无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。
BTS包括下列主要的功能单元：
收发信机无线接口（TR1）、收发信机子系统（TRS）。
其中TRS包括收发信机组（TG）、本地维护。
TR1具有交换功能，它可使BSC和TG之间的连接非常灵活；
TRS包括基站的所有无线设备；
TG包括连接到一个发射天线的所有无线设备；
LMT是操作维护功能的用户接口，它可直接连接到收发信机。
发信机子系统包括基站所有无线设备，主要有收发信机组（TG）和本地维护终端（LMT）。
一个收发信机组是由多个收发信机（TRX）组成，连接同一发射天线。
基站发射机工作原理：
把由频率合成器提供的频率为766.9125-791.8875MHz的载频信号与168.1MHz的已调信号，分别经滤波进入双平衡变频器，并获得频率为935.0125-959.9875MHz的射频信号，此射频信号再经滤波和放大后进入驱动级，驱动级的输出功率约2.4W，然后加到功率放大器模块。
功率控制电路采用负反馈技术自动调整前置驱动级或推动级的输出功率以使驱动级的输出功率保持在额定值上。
也就是把接收到的信号加以稳定再发送出去，这样可有效地减少或避免通信信号在无线传输中的损失，保证用户的通信质量。
功率放大器模块的作用是把信号放大到10W，不过这也依据实际情况而定，如果小区发射信号半径较大，也可采用25W或40W的功放模块，以增强信号的发送半径。
基站收发台在基站控制器的控制下，完成基站的控制与无线信道之间的转换，实现手机通信信号的收发与移动平台之间通过空中无线传输及相关的控制功能，收发台可对每个用户的无线信号进行解码和发送。
2.BTS的配置及分类
BTS配置应符合以下要求：
（1）室内BTS应支持以下容量：
全向BTS应支持以下配置：
1-4个TRX及4个2Mbit／s端口；
扇区BTS应支持以下配置：
两扇区BTS，1+1个TRX至2+2个TRX及4个2Mbit／s端口；
三扇区BTS，1+1+1个TRX至4+4+4个TRX及4个2Mbit／s端口。
（2）室外BTS应支持以下容量：
1-3个TRX及2个2Mbit／s端口；
两扇区BTS，1+1个TRX至2+2个TRX及2个2Mbit／s端口；
三扇区BTS，1+1+1个TRX至2+2+2个TRX及2个2Mbit／s端口。
（3）室外小型BTS应支持以下容量：
1-2个TRX及1个2Mbit／s端口。
对以上配置，在运营者需要时，还应能在记录减小对实际运行影响的情况下扩容到更大的配置，且能在现场对BTS进行扩容。
扇区：
在蜂窝通信网中，基站可设在小区的中心，用全向天线形成圆形的覆盖区，这就是“中心激励”方式，也可将基站设在每个小区六边形的三个顶点上，每个基站采用三副120度扇形辐射的定向天线，分别覆盖三个相邻小区的各三分之一的区域，每个小区由三副120度扇形天线共同覆盖，这就是“顶点激励”方式，而每副天线覆盖的区域就是一个基站扇区。
3.BTS的测试指标
就GSM基站测试而言，测试的主要依据为GSM05.05系列及11.20系列技术规
范中所定义的有关GSM基站定型验证测试的条款。
其中05.05系列侧重于基站及手机收发信机的指标要求；
而11.20系列则侧重于基站系统的测试需求与测试方法。
对于系统运营管理人员来说，依据GSM05.05及11.20系列逐项对基站进行测试既无此必要也极不现实。
通常采用的方法是从整个规范中选择出十分关键的相关指标，针对这些指标进行相应的测试。
这些指标包括：
平均载波功率、相位和频率误差、功率与时间关系、输出RF频谱、互调衰减、杂散辐射、合路器调谐等。
2.3.2基站控制器（BSC）
1.原理简述
基站控制器包括无线收发信机、天线和有关的信号处理电路等，是基站子系统的
控制部分。
主要包括四个部件：
小区控制器（CSC）、话音信道控制器（VCC）、信令信道控制器（SCC）和用于扩充的多路端接口（EMPI）。
一个基站控制器通常控制几个基站收发台，通过收发台和移动台的远端命令，基站控制器负责所有的移动通信接口管理，主要是无线信道的分配、释放和管理。
当用户使用移动电话时，它负责为用户打开一个信号通道，通话结束时它又把这个信道关闭，留给其他人使用。
除此之外，还对该控制区内移动台的越区切换进行控制。
如用户在使用手机时跨入另一个基站的信号收发范围时，控制器又负责在另一个基站之间相互切换，并保持始终与移动交换中心的连接。
GSM系统越区时采用切换方式，即当用户到达小区边界时，手机会先与原来的基站切断联系，然后再与新的服务小区的基站建立联系，当新的服务小区繁忙时，不能提供通话信道，这时就会发生掉线现象。
因此，用户在使用手机通话时，应尽量避免在四角盲区使用，以减少通话掉线的机率。
如图2.4所示是华为公司生产的基站控制器BSC6000
图2.4华为BSC6000设备和性能指标
控制器的核心是交换网络和公共处理器（CPR）。
公共处理器对控制器内部各模块
进行控制管理，并通过X.25通信协议与操作维护中心（OMC）相连接。
交换网络将完成接口和接口之间的64kbit/s数据/话音业务信道的内部交换。
控制器通过接口设备数字中继器（DTC）与移动交换中心相连，通过接口设备终端控制器（TCU）与收发台相连，构成一个简单的通信网络。
图2.5所示为BSC6000内部单元配置有插框固定配置单板和插框可变配置单板：
图2.5BSC6000插框固定配置单板
其中：
GOMU操作维护单元，单板式服务器，每局1PCS，需要备份时配置2PCS。
GXPUM主业务处理单元，实现产品核心业务的处理，每框2PCS；
GXPUT传输处理单元，实现产品核心业务的处理，每框2PCS；
GTNUTDM交换单元，完成TDM交换功能，是整个系统电路域的交换中心，每框2PCS；
GSCUGSM交换单元，为所在插框提供维护管理和GE交换平台，每框2PCS；
GGCU通用时钟单元，完成上级的时钟提取和锁定，提供3级时钟，每局2PCS。
在整个蜂窝移动通信系统中，基站子系统是移动台与移动中心连接的桥梁，其地位极其重要，整个覆盖区中基站的数量、基站在蜂窝小区中的位置，基站子系统中相关组件的工作性能等因素决定了整个蜂窝系统的通信质量。
基站的选型与建设，已成为组建现代移动通信网络的重要一环。
2.3.3基站天线
作为收发信号的重要工具，天线的工作尤为重要，它既是基站收发台的一部分也是基站控制台的重要器件，任何类型天线应能承受风速为150Km／h的风力负载，天线的连接头处一般应在天线的下面，天线应有防结冰性能。
基站使用的天线分为发射天线和接收天线，且有全向和定向之分，一般可有下列三种配置方式：
发全向、收全向方式；
发全向、收定向方式；
发定向、收定向方式。
从字面上我们就可以理解每种方式的不同，发全向主要负责全方位的信号发送；
收全向自然就是个方位的接收信号了；
定向的意思就是只朝一个固定的角度进行发送和接收。
一般情况下，频道数较少的基站（如位于郊区）常采用发全向、收全向方式，而频道数较多的基站采用发全向、收定向的方式，且基站的建立也比郊区更为密集。
由于信号传输到基站时可能比较弱，并且有一定的信号干扰，所以要经预选器模块滤波和放大，进行双重变频、放大和鉴频处理。
输入的高频信号经放大后送入第一变频器，由变频器提供的第一本机振荡信号频率为766.9125-791.8875MHz，下变频后，产生123.1MHz的第一中频信号。
第一中频信号经放大、滤波、混频后，产生第二中频信号（21.3875MHz），它经过放大、滤波后送到中频集成块。
由中频集成块（包含第二中频信号放大器、限幅器和鉴频器）产生的音频输出信号和接收信号强度指示信号（RSSI）送到音频/控制板，在音频信号控制板内，由分集开关不断地比较奇数和偶数信号，并选择其中的较强信号，通过音频电路传送到移动控制中心去。
GSM移动通信基站天线具有如下特殊技术:
采用压低上半球近旁瓣和零值填充技术实现完美的方向图赋形；
天线阻抗设计为带内良好匹配，带外急剧恶化，从而提高抗干扰性；
关键辐射部件采用优良的导电材料和三防措施，确保天线电性能的稳定性；
馈电网络采取直流接地技术提供良好的雷电保护；
馈电系统无导致交调干扰的接点；
通过特殊处理和避免不同金属材料连接以防电耦腐蚀；
采用低损耗高屏蔽的馈线以提高天线电性能；
采用高精密的模具生产，确保批生产的一致性；
采用抗紫外线辐射、耐高低温、韧性高、密封性好的护罩，提高天线的使用寿命；
天线安装架设方便，调整灵活。
2.4操作支持子系统（OSS）
主要包括网路管理中心（NMC）、安全性管理中心（SEMC）、集中计费管理的数据后处理系统（DPPS）和用户识别卡个人
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