GSM數(shù)字移動(dòng)通信發(fā)展史

第一講GSM數(shù)字移動(dòng)通信發(fā)展史GSM系統(tǒng)歷史背景GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)是由歐洲主要電信運(yùn)營(yíng)者和制造廠家組成的標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)設(shè)計(jì)出來(lái)的，它是在蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成。蜂窩系統(tǒng)的概念和理論二十世紀(jì)六十年代就由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室等單位提了出來(lái)，但其復(fù)雜的控制系統(tǒng)，尤其是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)的控制直到七十年代隨著半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，大規(guī)模集成電路器件和微處理器技術(shù)的發(fā)展以及表面貼裝工藝的廣泛應(yīng)用，才為蜂窩移動(dòng)通信的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。直到1979年美國(guó)在芝加哥開(kāi)通了第一個(gè)AMPS（先進(jìn)的移動(dòng)電話業(yè)務(wù)）模擬蜂窩系統(tǒng)，而北歐也于1981年9月在瑞典開(kāi)通了NMT（Nordic移動(dòng)電話）系統(tǒng)，接著歐洲先后在英國(guó)開(kāi)通TACS系統(tǒng)，德國(guó)開(kāi)通C-450系統(tǒng)等。見(jiàn)表1-1。表1-1 1991年歐洲主要蜂窩系統(tǒng)國(guó)家系統(tǒng)頻帶建立日期用戶數(shù)（千）英國(guó)TACS90019851200瑞典、挪威芬蘭、丹麥NMT450900198119861300法國(guó)Radiocom2000NMT450,9004501985198930090意大利RTMSTACS4509001985199060560德國(guó)C-4504501985600瑞士NMT9001987180荷蘭NMT45090019851989130奧地利NMTTACS450900198419906060西班牙NMTTACS450900198219906060蜂窩移動(dòng)通信的出現(xiàn)可以說(shuō)是移動(dòng)通信的一次革命。其頻率復(fù)用大大提高了頻率利用率并增大系統(tǒng)容量，網(wǎng)絡(luò)的智能化實(shí)現(xiàn)了越區(qū)轉(zhuǎn)接和漫游功能，擴(kuò)大了客戶的服務(wù)范圍，但上述模擬系統(tǒng)有四大缺點(diǎn)：各系統(tǒng)間沒(méi)有公共接口；很難開(kāi)展數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)；頻譜利用率低無(wú)法適應(yīng)大容量的需求；安全保密性差，易被竊聽(tīng)，易做“假機(jī)”。尤其是在歐洲系統(tǒng)間沒(méi)有公共接口相互之間不能漫游，對(duì)客戶之間造成很大的不便。GSM數(shù)字移動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)，例如北歐多國(guó)的NMT（北歐移動(dòng)電話）和英國(guó)的TACS（全接入通信系統(tǒng)），西歐其它各國(guó)也提供移動(dòng)業(yè)務(wù)。當(dāng)時(shí)這些系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)系統(tǒng)，不可能在國(guó)外使用。為了方便全歐洲統(tǒng)一使用移動(dòng)電話，需要一種公共的系統(tǒng)，1982年北歐國(guó)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(wù)規(guī)范。在這次大會(huì)上就成立了一個(gè)在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ETSI）技術(shù)委員會(huì)下的“移動(dòng)特別小組\GroupSpecialMobile）簡(jiǎn)稱“GSM”，來(lái)制定有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和建議書。1986年在巴黎，該小組對(duì)歐洲各國(guó)及各公司經(jīng)大量研究和實(shí)驗(yàn)后所提出的8個(gè)建議系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。1987年5月GSM成員國(guó)就數(shù)字系統(tǒng)采用窄帶時(shí)分多址TDMA、規(guī)則脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)RPE—LTP話音編碼和高斯濾波最小移頻鍵控GMSK調(diào)制方式達(dá)成一致意見(jiàn)。同年，歐洲17個(gè)國(guó)家的運(yùn)營(yíng)者和管理者簽署了諒解備忘錄（MoU）/^^達(dá)成履行規(guī)范的協(xié)議。與此同時(shí)還成立了MoU組織，致力于GSM標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。1990年完成了GSM900的規(guī)范，共產(chǎn)生大約130項(xiàng)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(kāi)通了第一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)MoU組織為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和注冊(cè)了市場(chǎng)商標(biāo)，將GSM更名為“全球移動(dòng)通信系統(tǒng)"（Globa1systemforMobilecommunications）o從此移動(dòng)通信跨入了第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。同年，移動(dòng)特別小組還完成了制定1800MHz頻段的公共歐洲電信業(yè)務(wù)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(yùn)營(yíng)者開(kāi)始商用業(yè)務(wù)。到1994年5月已有50個(gè)GSM網(wǎng)在世界上運(yùn)營(yíng)，10月總客戶數(shù)已超過(guò)400萬(wàn)，國(guó)際漫游客戶每月呼叫次數(shù)超過(guò)500萬(wàn)，客戶平均增長(zhǎng)超過(guò)50%。1993年歐洲第一個(gè)DCSI800系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)。到1994年已有6個(gè)運(yùn)營(yíng)者采用了該系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范GSM系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范中只對(duì)功能和接口制定了詳細(xì)規(guī)范，未對(duì)硬件做出規(guī)定。這樣做目的是盡可能減少對(duì)設(shè)計(jì)者限制，又使各運(yùn)營(yíng)者有可能購(gòu)買不同廠家的設(shè)備。GSM系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范共分12章：系列01概述02 業(yè)務(wù)方面03 網(wǎng)路方面04 MS-BS接口與協(xié)議05 無(wú)線路徑上的物理層06 話音編碼規(guī)范07 MS的終端適配器08BS-MSC接口09 網(wǎng)路互通業(yè)務(wù)互通設(shè)備和型號(hào)認(rèn)可規(guī)范操作和維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)版本，以支撐當(dāng)時(shí)的投標(biāo)活動(dòng)。后來(lái)修改過(guò)幾次，1990年以后除了傳真方面的規(guī)范外，其它很少作改動(dòng)，1992年底基本凍結(jié)。第二階段標(biāo)準(zhǔn)到1993年底也基本完成了主要部分，并與1994年底凍結(jié)，為了提高系統(tǒng)的性能，從1994年6月又開(kāi)始考慮第2+階段的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的定義，后并入第二階段標(biāo)準(zhǔn)，并宣布還會(huì)有第三階段的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上由于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的提出，已中止第三階段標(biāo)準(zhǔn)。為了保證GSM網(wǎng)路內(nèi)現(xiàn)有的和將來(lái)的業(yè)務(wù)開(kāi)展，在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須考慮兼容性的要求。第二講GSM通信系統(tǒng)2.1系統(tǒng)的組成蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是由交換網(wǎng)路子系統(tǒng)（NSS）、無(wú)線基站子系統(tǒng)（BSS）和移動(dòng)臺(tái)（MS）三大部分組成，如圖2-1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(dòng)通信系統(tǒng)中，TACS規(guī)范只對(duì)Um接口進(jìn)行了規(guī)定，而未對(duì)A接口做任何的限制。因此，各設(shè)備生產(chǎn)廠家對(duì)A接口都采用各自的接口協(xié)議，對(duì)Um接口遵循TACS規(guī)范。也就是說(shuō)，NSS系統(tǒng)和BSS系統(tǒng)只能采用一個(gè)廠家的設(shè)備，而MS可用不同廠家的設(shè)備。圖2-1蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的組成由于GSM規(guī)范是由北歐一些運(yùn)營(yíng)公司“炒”出的規(guī)范，運(yùn)營(yíng)公司當(dāng)然喜歡花最少的投資，用最好的設(shè)備來(lái)建最優(yōu)良的通信網(wǎng)，因此GSM規(guī)范對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)接口都有明確的規(guī)定。也就是說(shuō)，各接口都是開(kāi)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(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（MSC）、拜訪位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權(quán)中心（AUC）和移動(dòng)設(shè)備識(shí)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）和基站收發(fā)信臺(tái)（BTS）。Um接口往左是移動(dòng)臺(tái)部分（乂5）,其中包括移動(dòng)終端（MS）和客戶識(shí)別卡（SIM）。AtltiEfl+i-VLU:.4bbhek,力』5Hl.號(hào)疝 AtltiEfl+i-VLU:.4bbhek,力』5Hl.號(hào)疝 ilH'C-?3rwtfsFThl-iT——■ ［產(chǎn)li冗W2T2,?Na尸口耳Ffe.1?TTFCMC圖2-2GSM系統(tǒng)框圖第三講 GSM關(guān)鍵技術(shù)3.1工作頻段的分配（1）工作頻段見(jiàn)圖3-1。我國(guó)陸地公用蜂窩數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)GSM通信系統(tǒng)采用900MHz頻段：905?915（移動(dòng)臺(tái)發(fā)、基站收）950?960（基站發(fā)、移動(dòng)臺(tái)收）隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，可視需要向下擴(kuò)展，或向1.8GHz頻段的DCSI800過(guò)渡抑1800MHz頻段：1710?1785（移動(dòng)臺(tái)發(fā)、基站收）1805?1880（基站發(fā)、移動(dòng)臺(tái)收）圖3-1我國(guó)陸地蜂窩移動(dòng)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(gè)頻道采用時(shí)分多址接入（丁口乂人）方式，分為8個(gè)時(shí)隙，即8個(gè)信道（全速率）。每信道占用帶寬200kHz/8=25kHz，同模擬網(wǎng)TACS制式每個(gè)信道占用的頻率帶寬。從這點(diǎn)看二者具有同樣的頻譜利用率。將來(lái)GSM采用半速率話音編碼后，每個(gè)頻道可容納16個(gè)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(hào)為76?124，共49個(gè)頻點(diǎn)（見(jiàn)圖3-2）。頻道序號(hào)fl(n)=890.200MHz+(n-1)0.200MHz移動(dòng)臺(tái)發(fā)，基站收f(shuō)h(n)=fl(n)+45MHz基站發(fā)，移動(dòng)臺(tái)收n=76?124頻道（4）雙工收發(fā)間隔：45kHz。與模擬TACS系統(tǒng)相同。發(fā)射標(biāo)識(shí)：業(yè)務(wù)信道發(fā)射標(biāo)識(shí)為271KF7W；控制信道發(fā)射標(biāo)識(shí)為271KF7W。271K F 7 W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(hào)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(bào)傳真數(shù)據(jù)、遙測(cè)、遙控、電話視頻的組合（5）干擾保護(hù)比載波干擾保護(hù)比（C/I）就是指接收到的希望信號(hào)電平與非希望信號(hào)電平的比值，此比值與MS的瞬時(shí)位置有關(guān)。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(biāo)高及位置，當(dāng)?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(hù)比： C/In9dB鄰頻道干擾保護(hù)比： C/I>-9dB載波偏離400kHz時(shí)的干擾保護(hù)比： C/I>-41dB（6）頻率復(fù)用方式頻率復(fù)用是指在不同的地理區(qū)域上用相同的載波頻率進(jìn)行覆蓋。這些區(qū)域必須隔開(kāi)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(jì)。頻率復(fù)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N/F（49/9~5.4即有些組的頻道數(shù)為5個(gè)，有些為6個(gè)，見(jiàn)圖3-3）。

圖3-3900MHz3/9方式頻道分配圖圖3-3900MHz3/9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(fù)用距離減小，導(dǎo)致系統(tǒng)中平均C/I值降低。因此，在工程實(shí)際使用中是把同頻干擾保護(hù)比C/I值加3dB的冗余來(lái)保護(hù)，采用12分組方式，即4個(gè)基站，12組頻率（見(jiàn)圖3-2和圖3-4所示）。圖3-4頻率復(fù)用方式對(duì)于有向天線而言，天線可采用120?；?0。的定向天線，形成三葉草小區(qū)，即把基站分成3個(gè)扇形小區(qū)。如采用4/12復(fù)用方式，每個(gè)小區(qū)最大可用到5個(gè)頻道，一般的也可用到4個(gè)頻道。如采用3/9復(fù)用方式，則每個(gè)小區(qū)可用到6個(gè)或5個(gè)頻道。對(duì)于無(wú)方向性天線，即全向天線建議采用7組頻率復(fù)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(jiàn)圖3-5）。業(yè)務(wù)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(guó)聯(lián)通公司”使用。從頻道序號(hào)來(lái)看，76?95為郵電部使用，95?124為“中國(guó)聯(lián)通公司”使用。這樣，郵電部建的GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)如采用4/12頻率復(fù)用方式時(shí)，每小區(qū)可用頻道數(shù)最大僅有2個(gè)（16個(gè)信道），有些只能用到1個(gè)（8個(gè)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(kuò)展2MHz，即占用模擬B網(wǎng)2MHz，使GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)從可用頻道76?95（20個(gè)）擴(kuò)展到66?95（30個(gè)）,4/12方式每個(gè)小區(qū)一般可用3個(gè)頻道（24信道），最小也能用到2個(gè)頻道（16個(gè)信道）。（7）保護(hù)帶寬：400kHz當(dāng)一個(gè)地區(qū)數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)與模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)共存時(shí)，兩系統(tǒng)之間（頻道中心頻率之間）應(yīng)有約400kHz的保護(hù)帶寬，通常是由模擬B網(wǎng)預(yù)留。郵電部的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)與“中國(guó)聯(lián)通公司”的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)之間也應(yīng)有400kHz的保護(hù)帶寬，即它們之間少用一個(gè)頻道，或由郵電部一方預(yù)留，或由“中國(guó)聯(lián)通公司”一方預(yù)留。在GSM網(wǎng)上還配有短信息業(yè)務(wù)中心（50,即可開(kāi)放點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短信息業(yè)務(wù)，類似數(shù)字尋呼業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，又可開(kāi)放廣播式公共信息業(yè)務(wù)。另外配有語(yǔ)音信箱，可開(kāi)放語(yǔ)音留言業(yè)務(wù)，當(dāng)移動(dòng)被叫客戶暫不能接通時(shí)，可接到語(yǔ)音信箱留言，提高網(wǎng)路接通率，給運(yùn)營(yíng)部門增加收入。交換網(wǎng)路子系統(tǒng)交換網(wǎng)路子系統(tǒng)（此5）主要完成交換功能和客戶數(shù)據(jù)與移動(dòng)性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫(kù)功能。NSS由一系列功能實(shí)體所構(gòu)成，各功能實(shí)體介紹如下：MSC:是GSM系統(tǒng)的核心，是對(duì)位于它所覆蓋區(qū)域中的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行控制和完成話路交換的功能實(shí)體，也是移動(dòng)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(jì)費(fèi)等功能，還可完成BSS、MSC之間的切換和輔助性的無(wú)線資源管理、移動(dòng)性管理等。另外，為了建立至移動(dòng)臺(tái)的呼叫路由，每個(gè)MS、還應(yīng)能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查詢位置信息的功能。VLR:是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，是存儲(chǔ)MSC為了處理所管轄區(qū)域中MS（統(tǒng)稱拜訪客戶）的來(lái)話、去話呼叫所需檢索的信息，例如客戶的號(hào)碼，所處位置區(qū)域的識(shí)別，向客戶提供的服務(wù)等參數(shù)。HLR:也是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，是存儲(chǔ)管理部門用于移動(dòng)客戶管理的數(shù)據(jù)。每個(gè)移動(dòng)客戶都應(yīng)在其歸屬位置寄存器（HLR）注冊(cè)登記，它主要存儲(chǔ)兩類信息：一是有關(guān)客戶的參數(shù)；二是有關(guān)客戶目前所處位置的信息，以便建立至移動(dòng)臺(tái)的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。AUC：用于產(chǎn)生為確定移動(dòng)客戶的身份和對(duì)呼叫保密所需鑒權(quán)、加密的三參數(shù)（隨機(jī)號(hào)碼RAND，符合響應(yīng)SRES，密鑰Kc）的功能實(shí)體。EIR：也是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)有關(guān)移動(dòng)臺(tái)設(shè)備參數(shù)。主要完成對(duì)移動(dòng)設(shè)備的識(shí)別、監(jiān)視