第二章第 2 代移动通信系统（ 2g ）

第二章第 2 代移动通信系统（ 2G ）

先导案例 2.1 GSM数字蜂窝移动通信系统 2.2 窄带CDMA系统

先导案例第一代模拟移动通信系统 (1G) 因其容量小，语音质量不

高，保密性差，不能提供非话业务，限制了模拟系统的进一步发展。因此，一些发达国家 20 世纪 70 年代初就着手考虑数字移动系统的开发，从此，移动通信跨入了第二代 (2G) 。比较典型的有两种 : 一种是由欧洲研究开发的 GSM 数字蜂窝移动通信系统 ; 另一种是由美国高通公司提出的窄带 CDMA码分多址的数字蜂窝通信系统。与模拟系统相比，数字系统容量大，频谱利用率高，通信质量好，业务种类多，保密性高，终端小巧轻便，成本低。目前，全球大部分国家建立了GSM 或 CDMA 网络。 GSM 和 CDMA 移动通信系统的组成如图2-1、图2-2所示。

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2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2.1.1 GSM 移动通信系统技术标准规范 GSM 系统为第二代主流数字蜂窝移动通信系统，在 GS

M 标准中，未对硬件作出规定，只对系统功能、接口制定了详细规范，以便于不同公司的产品可以互联互通。 GSM 标准包括 12 项内容 . 如表 2-1 所示。

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2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2. 1. 2 GSM 移动通信系统的组成 GSM 是一种移动台在服务区内任意移动时都能高质量地

进行收发话音、数据、补充业务等多种信息服务的通信系统。基于这些功能要求， GSM 移动通信系统主要由移动台 (MS) 、基站子系统 (BSS) 、移动交换子系统 (NSS) 和操作与维护子系统 (OMS) 四部分组成，如图 2-1 所示。其中 BSS 通过无线接口直接与移动台相连，主要负责无线发送接收和无线资源的管理，由基站无线收发信台 (BTS) 和基站控制器 ( BSC) 组成， B TS 与 MS 与之间的信号传输采用 Um 无线接口， BSC 与 B TS 之间采用 Abis 有线接口，数据传输速率为 2.048 Mb/s 。

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2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 NSS 是整个系统的核心，它对 GSM 移动用户之间及移

动用户与其他通信网用户之间通信起着交换、连接与管理的功能， BSC 与 MSC 之间采用 A 有线接口，数据传输速率为2.048 Mb/s, MSC 与 PSTN 或 ISDN 之间采用数据传输速率为 2. 048 Mb/s 的有线数字链路 OMS 则提供运营部门一种手段来负责对 BSS 与 NSS 的控制。

整个系统在链路上传输的数据流包括控制命令和业务信息两种，以移动台发，固定电话接收为例，其数据传输的流程如下 :


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统移动用户将他的话音送入移动台 (MS) 的送话器，在 MS

内，通过一系列处理，经大线转换成无线电波发送出去。基站的大线接收到该电波后转换为电信号，由 BTS 处理

后，复合成 2. 048 Mb/s 的数字信号，通过同轴电缆送到 BSC ，然后再送到 MSC 经过交换后送到 PSTN最后送到电话机发出声音。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 1. 移动台 (MS) 移动台是 GSM 移动通信网中移动用户使用的终端设备，也是用户能够直接接触的整个 GSM 系统中的唯一设备，它可以为车载型、便携型和手持型。随着 GSM 标准的数字式手持型移动台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持型移动台的用户将占领整个用户的极大部分。移动台由两部分组成 : 移动电话机和存储用户认证信息的识别卡 ( SIM卡 ) 。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (1) 移动电话机移动电话机包括一套无线收发信机，由射频信号处理单元、基带信号处理单元、电源处理单元、外设四部分组成。射频信号处理单元包括上变频 / 下变频、功率放大 / 低频放大、大线合路器、 VCO 频率合成器几个部分 ; 基带处理单元主要包括 GMSK 数字调制 /解调、均衡、 TDMA帧分离 /形成、加密与解密、信道解码 /编码及语音解码 /编码几个部分 ; 电源处理单元包括射频部分电源和基带部分电源，两者各自独立，但多是由移动电话机电池原始提供，电池电压在移动电话机内部需要转换为多路不同电压值的电压供给移动电话机的不同部分 ;外设主要包括话筒、扬声器、键盘、显示屏，实现人机对话。移动电话机方框图组成如图 2-3 所示。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (2)SIM卡当用户使用手机时，都必须插入一张 SIM卡才可使用。 SI

M卡上存储有与用户有关的所有身份特征信息和安全认证、加密信息等。这些信息包括三部分 : 一是存储与卡和持卡者特征有关的信息 ; 二是 GSM 网络操作所需的信息，例如 IMSI , TMSI , LAI 、加密键 Kc 、用户密钥 Ki,鉴权算法 A3 、加密算法AS 和加密键 A8算法等 ;三是缩位拨号码、网络承载性能、移动台设备参数、短消息业务信息等。 SIM卡的外形如图2-4所示，内部由微处理器、程序存储器、工作存储器、数据存储器和串行通信单元组成。 SIM卡共有 8 个引脚，使用时最少需要 5 个连接线，分别是时钟 CLK 、数据 I/ 0 、复位 (Reset ) 和接地端GND ，另外一端为 Vrr ，还有两个引脚空着，没有使用。引脚功能如图2-5所示。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2. 基站子系统 (BSS) BSS 是 GSM 系统实现无线通信的关键组成部分。它通

过无线接口直接与移动台通信，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面通过有线接口与 NSS 中的 MSC 相连，实现移动台之间或移动台与固定网用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息。此外，还受操作维护子系统 (OSS) 之间的控制。一个完整的基站子系统由基站收发信机 (BTS) 和基站控制器 ( BSC) 组成。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (1) 基站收发信机 (BTS) 。 BTS属于基站子系统的无线部分， BTS 主要负责无线传

输。一个典型的 BTS 由若干个收发信机、复用与解复用单元和电源处理单元构成，每个收发信机主要由射频处理单元、基带处理单元组成。射频处理单元主要包括发射大线、接收大线、大线合路器、射频放大、上变频与下变频几个部分 ;基带处理单元主要包括 GMSK 数字解调与调制、均衡、 TDMA帧形成与分离、加密与解密、交织与去交织及信道编解码、码型转换 / 速率适配 (TRAU)几个部分等。方框图如图2-6所示。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (2) 基站控制器 (BSC) 。 BSC 是 BTS 和移动交换系统中交换子中心 (MSC) 的连

接点，也为基站收发信台和操作维护子系统 (OMS) 之间交换信息提供接口。 BSC 主要负责无线信道的分配、释放及越区信道的管理。典型的 BSC 有一到两个机架，能管理数十个 BTS ，实际管理的 BTS 数量取决于业务量的多少。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 3. 移动交换子系统 (NSS) 移动交换子系统 (NSS) 主要完成 GSM 系统的交换功能

和用于用户数据管理、移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对 GSM 移动用户之间通信以及 GSM 移动用户与其他通信网用户之间通信起着管理作用。 NSS 由移动交换中心 (MSC) 和存储用户数据及移动管理信息的数据库，即归属位置寄存器 (HLR) 、访问位置寄存器 (VLR) 、认证 (鉴权 )中心 (AUC) 、设备标志寄存器 ( EIR) 组成。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (1) 移动交换中心 (MSC) MSC 是网络的核心，它主要处理和协调GSM 系统内部用户的

通信接续，它将移动用户与固定网用户连接起来，或者把移动用户互相连接起来。

移动用户没有固定位置，在不明路径的情况下，要为网内用户建立通信时，路由都先由固定网接到关口交换局 ( GMSC) 。 GMSC 的作用是查询用户的位置信息，并把路由转到移动用户当时拜访的移动交换局MSC GMSC首先根据移动用户的电话号码找到该用户所属的 HLR ，然后从 HLR 中查询到该用户目前的 MSC GMSC一般与某个 MSC 合在一起。

MSC 通常是一个大的程控数字交换机，能控制若干个基站控制器 ( BSC ) 。目前，一个典型的移动交换中心有 8-12 个机架，大约可满足一个百万人口城市的需要，使其移动通信的普及率达到中等水平。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (2)归属位置寄存器 (HLR) 。 HLR 是管理移动用户的数据库，作为物理设备，它是一

台独立的服务器。每个移动用户必须在某个 HLR 中登记注册。在数字蜂窝网中，应包括一个或多个 HLR 。所存储的信息分两类 : 一类是有关用户参数的信息，例如用户类别、所提供的服务、用户的各种号码、识别码，以及用户的保密参数等 ;另一类是用户当前的位置信息，例如移动台漫游号码、 VLR地址等，用于建立至移动台的呼叫路由。 HLR 不受MSC 的直接控制。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (3)认证鉴权中心 (AUC) 。它直接与 HLR 相连，是认证移动用户身份及产生相应认证参数的功能实体。认证中心对移动用户的身份进行认证，将用户的信息与认证中心的随机号码等进行核对，合法用户才能接入网络，并得到网络的服务，不合法的用户不允许接入网络。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (4)访问位置寄存器 (VLR) 。 VLR 是存储用户位置信息的动态数据库，当漫游用户进

入某个 MSC 区域时，必须在 MSC 相关的 VIR 中进行登记，VLR 分配给移动用户一个漫游号码 (MSRN) 。在 VLR 中建立用户的有关信息，其中包括移动用户识别码 (MSI) 、移动台漫游号码 (MORN) 、移动用户所在位置区的标志及向用户提供服务等参数，而这些信息是从相关的 HLR 中传递过来的。MSC 在处理入网和出网呼叫时需要查访 VLR 中的有关信息。一个 VLR 可以负责一个或多个 MSC 区域。一般情况下， MSC 与 VLR 的设备合在一起，因为它们之间交换信息相当多。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (5)设备标志寄存器 (EIR) 。 EIR 是存储有关移动台设备参数的数据库，用来实现对

移动设备的识别、监视、闭锁等功能。 EIR 只允许合法的设备使用，对非法设备禁止接入网络。它与 MSC 相连接。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 4. 操作与维护子系统 (OMS) 操作与维护子系统 (OMS) 用于对基站分系统 BSS 和交

换分系统 NSS 的设备实行操作与维护。由 OMC-R , OMC-S , NMC 组成， OMC-R 用于对基站分系统 BSS 的操作与维护，OMC-S 用于对交换分系统 NSS 的操作与维护， NMC 为显示终端。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2.1.3 GSM 系统的无线传输特征 1. 频率配置 GSM 系统采用频分双工模式运行，将一个频带用于上行

链路 ( 移动台发、基站收 ) ，而将另一个单独的频带用于下行链路 ( 移动台收、基站发 ) 。

最初，把 900 MHz附近的 50 MHz 频带分配给了 GSM系统，这种频带的 GSM 系统通常称为 GSM900 ，上行为 890~915 MHz 下行为 935~960 MHz ，各占 25 MHz ，每一个载频的间隔为 0. 2 MHz ，共分 124 个载频，双工收发间隔为 45 MHz 。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统随着用户数量的急剧增加，原有的频段不能满足用户快

速大量增长的需要，后来，又把 1 800 MHz附近的 150 MHz也分配给了 GSM 系统，这种频带的 GSM 系统通常称为 GSM1 800 ，上行为 1 710~1 785 MH ，下行为 1 805~1 880 MHz ，各占 75 MHz ，每一个载频的间隔为 0. 2 MHz ，共分 375 个载频，双工收发间隔为 95 MHz 。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2. 多址方式 GSM 系统中，由 3 个， 4 个或 7 个构成一个区群，区群不能使用相同的载频，每个小区含有多个载频，每个载频含 8 个时隙，时隙占时 0. 577 ms 。 8 个时隙构成一个 TDMA帧，一帧占时 4. 615 ms 。一个载频的时隙称为一个物理信道，对 GSM900 系统，共有 124 x 8 = 992 个物理信道，对 GSM1800 系统，共有 375 x 8 = 3 000 个物理信道，根据需要分配给不同的用户使用。移动台在特定的频率上的特定时隙内，以突发方式向基站传输信息，基站在相应的频率上和相应的时隙内，以时分复用的方式向各个移动台传输信息。因此，GSM 系统采用时分和频分混合多址方式，记作 TDMA/FDMA ，简称 TDMA 多址方式如图2-7所示。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 3. 跳频技术采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性，它首先被用于军事通信，后来在 GSM 标准中也被采纳跳频的主要优点是 :

(1) 能大大提高通信系统抗多径衰落的能力，相当于频率分集 (2) 提高通信系统抗频率干扰的能力。 (3) 保密性强，可以防止信号被窃听。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 GSM 系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种。基带跳频的原理是每个发射机的频率不变，将话音信号随着时间的变换使用不同的频率发射机发射。

射频跳频的原理是话音信号固定在一个发射机上发射，但是该发射机的发射频率不断变化，具体变化过程由跳频序列控制。一般在实际网络中，同一个小区的发射机采用同一个跳频序列，但是起跳点不同，这样就避免了相互干扰。

　　射频跳频比基带跳频具有更高的性能和抗同频干扰能力，目前的 GSM 网络一般都采用射频跳频。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 4.逻辑信道　　在 BTS 和 MS 间必须传送许多信息，如用户数据和控制信

令。这些信息都必须在规定的时隙中进行传输，根据传递信息种类的不同， GSM 系统把传送不同种类信息的物理信道称为各种不同的逻辑信道。据此，逻辑信道分为业务信道 (Traffic Channel ) 和控制信道 ( Control Channel) 两类，如图2-8所示

(1) 业务信道 (TCH) 。　　 TC H 用于传送数字语音或数据，有全速率 (TCH/F ) 和半

速率 (TCH/H) 两种。　　语音业务信道 : 全速率为 22. 8 kbit/s ，半速率为 11.4 kbit/s 。　　数据业务信道 : 全速率为 9. 6 kbit/s , 4. 8 kbit/s ，对应的半

速率分别为 4. 8 kbit/s ,2.4 kbit/s 。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　一个载频可提供 8 个全速率业务信道或 16 个半速率业务信道。 (2) 控制信道 (CCH) 。　控制信道 (CCH) 用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道。

①广播信道 (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。其中又可细分为 :

　　 · 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): 传输系统公用控制信息，用于移动台测量信号强度和识别小区标志等。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 ②公共控制信道 (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命令其中又可细分为以下几种信道 :

　　 ·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): 用于基站对移动台的入网申请做出应答，向移动台发送分配一个独立专用控制信道。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 ③专用控制信道 (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以及在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。其中又可细分为以下几种信道 :

　　 ·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。例如，登记、监权等。

　　 .慢速辅肋控制信道 (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、时间调整等信息。

　　 ·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。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统

2.1.4 GSM 系统信号传输与处理的基本原理　　 GSM 系统传输与处理的信号主要是语音、数据，涉及的

主要功能设备的方框图如图2-9所示 ) 下面以移动台发、固定电话收为例介绍信号传输与处理的工作流程。

　　移动用户首先将它的语音送入移动台 (MS) 的送话器，在 MS 内，经过 PCM编码和带宽压缩处理，模拟语音信号转换成 13 kbit/s 的数字信息流，再将这个 13 kbit/s 的数字信息流经过检验纠错信道编码后变为 22.8 kbit/s ，经加密交织处理后，进行 TDMA帧形成变为 270 kbit/s ，经 GMSK 数字调制后送到射频单元发送电路的上变频调制得到射频信号，通过功率放大后，送到大线合路器和其他发信机处理后的信号合成一路通过发射大线转换成电磁波发射出去。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　基站收发信机 (BTS) 大线检测到后，将这个无线电信号

接收、经放大解调、 TDMA帧分离、信道解码等处理后，恢复成代表语音的 16 kbit/s 数字信号 ;实际上， 16 kbit/s 数字信号除包含 13 kbit/s 的语音编码数字信息流外，还包括 3 kbit/s 的同步信息。 16 kbit/s 数字信号经过 TRAU单元码型变换和速率适配后转换成 64 kbit/s 的数字信息流，通过和其他的移动用户的话音信号复用后转换成 2.048 Mbit/s 的数字信息流， 2.048 Mbit/s 的数字信息流经过移动交换中心 (MSC)后，送到 PSTN 网，然后 PSTN 分别将各自的话音送到相应的固定电话中，经数模转换，变成话音信号，供用户接听。

　　固定电话发、移动台收是上述过程的逆变换。两个移动台之间的信号处理流程与上述流程类似。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 1. 信源编码　　 GSM 系统信源编码的方式是采用波形编码技术和参量编码技术的混合物—混合编码器，全称为规则脉冲长期预测混合编码方式 (RPE-LTP ) ，其原理示意图如图2-10所示。 L

PC-LTP 为声码器，声码器编码可以是很低速率 ( 可以低于 5 khit/s) ，虽然不影响语音的可懂性，但语音的失真性很大，很难分辨是谁在讲话。 RPE 为波形编码器，波形编码器语音质量很高，但要求的比特率相应的较高。再通过复用器混合完成模拟语音信号的数字编码，每个语音信道的编码速率为13 khit/s 。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2. 信道编码　　信道编码主要包括纠错编码和交织技术。纠错编码的作

用是通过对信源编码的数据增加一些冗余数据对信源编码的数据进行监督，以使在接收时能从接收的数据中检出由于传送过程中引起的差错从而进行纠正。交织技术的作用是通过将纠错编码后分散，对付在传输过程中产生的连续干扰。图2-11为 GSM 系统的编码结果图。编码流程为 : 信源编码产生的 13 kbit/s 数字信号，把其 20 ms 分成一个段，共 260 bit ，经过加上冗余数据纠错编码后变为 456 bit ，随后的 20 ms也按照上述步骤变为 456 bit ，将这两段的 (2 x 456 = 912 hit) 数据组成 8 x 114矩阵，按水平写入，垂直读出的顺序进行交织，如图2-12所示，获得 8 个 114bit 的信息段。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 3.突发序列形成　　经过交织后的 8 个 114 bit 的信息段，在每个信息段头尾各加上 3 bit 用于控制功率上升时间和下降时间，中间加 26 bit 供信道均衡，以消除多径效应产生的码间干扰，最后再加上 8. 25 bit 的保护时间位，用于防止不同移动台发出的信号不会因为传输距离不同而在基站发生前后重叠，一共为 156. 25 hit ，谓之突发序列。形成过程是采用存储器，交织后的数据存入储存器，然后用 0. 577 ms 时间读出每一个信息段。形成结果如图2-13所示。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 4. TDMA帧形成　　 GSM 系统中，通常由 3 个、 4 个或 7 个小区构成一个区群，

区群不能使用相同的频道 (载频 ) ，每个小区使用多个载频，每个载频分成 8 个时隙，每个时隙的时间为 0. 577 ms , 8 个时隙占用时间为 4. 615 ms ，构成一个 TDMA帧。一个用户只占用一个时隙，每个载频 8 个时隙供 8 个用户使用。

　　 8 个用户经过突发形成后的数据都被存入 TDMA帧形成存储器， TDMA帧形成存储器把每一个用户的第 1 段用 0. 577 ms 时间读出来， 8 个用户的第 1 段构成一个 TDMA帧，按此顺序，依次读出第 2~8 段，这样每个用户的信息就被分离到 TDMA帧的时隙中传输，实际上用户需要传送的信息并非只有 40 ms的时间，这样 TDMA帧必须不断地形成。 TDMA帧形成示意过程如图2-14所示。形成结果如图2-15所示


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　 TDMA帧无限重复构成数字基带信号，如图2-16所示。

GSM 系统为了满足不同速率的信息传输，将多个 TDMA帧构成复帧复帧结构有两种 : 业务信道复帧和控制信道复帧，它们分别含连贯的 26 个或 51 个 TDMA 复帧含 26帧的业务复帧其周期为 120 ms ，用于业务信道及其随路控制信道。业务信道复帧的 24 个突发序列用于业务， 2 个突发序列用于信令含 51帧的复帧其周期为 235.385 ms,专用于控制信道。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　多个复帧又构成超帧，它是连贯的 51 x 26TDMA帧，即

一个超帧可以是包括 51 个 26TDMA 复帧，也可以是包括 26个 51 TDMA 复帧。超帧的周期均为 1 326 个 TDMA帧，即6. 12s 。多个超帧构成超高帧，用于加密的话音和数据。超高帧包括 2 048 个超帧，周期为 3 小时 28 分 53秒 760毫秒，这就使得黑客更难于截获用户呼叫。超高帧每一周期包含 2 715 628 个 TDMA帧，这些 TDMA帧按顺序编号，依次为 0~2 715 647 。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 5. GMSK 数字调制　　数字调制的作用是使所传送的信息更好地适应于信道特

性，以达到最有效和最可靠的传输，在移动通信中，由于电波传播条件的恶劣，快衰落的影响，使接受信号的幅度发生急剧变化，衰落幅度很大。因此，在移动通信中必须采用抗干扰能力强的调制方式， GSM 移动通信系统采用高斯最小频移键控 ( GMSK) 数字调制方式。

　　 GMSK 数字调制的基本原理是把 TDMA帧形成的基带信号先经过高斯滤波器成形，再进行 MSK调制， MSK调制可采用压控振荡器 (VCO) 或正交形式，处理方框图如图2-17

(a) 、图2-17 (b) 所示。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 6.射频调制　　由图 2-17 可知， GMS 系统的移动台 MS 和基站的收发

信机都需要射频调制，射频调制的作用是将需要传输的基带信号进行频谱搬移至相应频段的信道上以低高度的大线转换为电磁波发射。

7. 码型转换 / 速率适配 (TRAU) 　　基站收发信机信道解码 /编码输出 / 输入的数据速率为 1

6 kbit/s( 其中话音速率为 13 khit/s ，同步控制速率为 3 khit/s) ，而 PSTN 用户的话音在 A 接口为 A律 PC M编码，速率为 64 khit/s 。 TRAU 的作用就是在基站收发信机信道解码 /编码输出 / 输入与 PSTN 之间实现码型和速率变换，即能在 A律PCM64 kbit/s 的话音速率与 13 kbit/s 话音速率之间进行变换。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2.1.5 GSM 移动通信的网络结构　　前面从单一 GSM 系统构成的角度讲述了组成的各个部

分及信号处理过程。为了实现全球移动用户之间以及移动用户和不同位置的固定电话之间的通信，若干个不同地区的 GSM 系统必须与市话网相连接，形成 GSM 移动通信网，不同的组网范围，形成网络结构也不尽相同。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 1. 全国 GSM 移动网的网络结构　　全国 GSM 移动电话网按大区设立一级汇接中心、省内设立二级汇接中心、移动业务本地网设立端局构成三级网络结构。它与公用交换电话网 (PSTN) 的连接关系如图2-18所示。

　　从图2-18中可见，三级网络结构组成了一个完全独立的数字移动通信网络。它在省内设立二级中心，在移动业务本地网建端局，省际通信是借助于 PSTN 网的长途电话交换网 ( PSTN)还有它的国际出口局，而 GSM 数字移动网却无国际出口局，国际通信仍然还需借助于公用电话交换网的国际局。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　 “中国联通”的 GSM 移动通信网与“中国移动”的 GS

M 移动网和公用交换电话网 ( PSTN ) 之间的网络结构如图2-19所示。在“中国联通” GSM 移动交换局所在地，联通网和公用电话网 (PSTN) 之间各设一个网间接口局，双方接口局按一对一的方式成对互联联通 GSM 用户与 GSM 、公用电话网 (PSTN) 用户间的各种业务互通 (含本地、自动长途、移动及国际业务等 ) 所需的话路接续和信号，均经过网间接口局连通。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2.省内 GSM 移动通信网的网络结构　　省内 GSM 移动通信网由省内的各移动业务本地网构成，省内设若干个移动业务汇接中心 (即二级汇接中心 ) ，汇接中心之间为网球状结构，汇接中心与移动端局之间成星状网。

　　根据业务量的大小，二级汇接中心可以是单独设置的汇接中心 (即不带用户、全有至基站接口，只作汇接 ) ，也可兼作移动端局 ( 与基站相连，可带用户 ) 。省内 GSM 移动通信网中一般设置两三个移动汇接局较为适宜，最多不超过四个，每个移动端局至少应与省内两个二级汇接中心相连，如图2-20所示。任意两个移动交换局之间若有较大业务时，可建立语音专线。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 3. 移动业务本地网的网络结构　　全国可划为若干个移动业务本地网，划分的原则是长途

区号为 1位、 2位或 3位的地区可建立移动业务本地网。每个移动业务本地网应设立一个原籍用户寄存器 ( HLR) ，用于存储归属该移动业务本地网的所有用户的有关数据。

　　每个移动业务本地网中可设一个或若干个移动业务交换中心 MSC( 移动端局 ) 。每个 MSC 与局所在本地的长途局相连，并与局所在地的市话汇接局相连。在长途局多局制地区，MSC应与该地区的高一级长途局相连。如没有市话汇接局的地区，可与本地市话端局相连。如图2-21所示


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 4.识别号码　　 GSM 网络是比较复杂的，它包含无线信道、有线信道，并与其他网络如 PSTN ,ISDN 、公共数据网或其他 PLMN 网互相连接为了将一次呼叫接续传至某个移动用户需要调用相应的实体这样，正确地寻址非常重要。因此， GSM 系统需要用不同的号码来识别用户身份和设备身份。下面介绍 GSM系统中，用来识别身份的各种号码。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统各种号码的定义及用途如下。 (1) 移动用户的电话号码 (MSISDN ) 　　它是移动用户对外公开的电话号码。任何主叫用户要呼叫 GSM 系统中的用户就要拨打该号码。 MSISDN 号码结构为

　　其中 CC 为国家号码，中国为 86 ; NDC 为网络接入号码，有 3位，中国移动的 GSM 网为 139, 138, 137, 136, 135, 134;中国联通的 GSM 网为 132, 131, 130; SN 为移动用户号码，采用等长 8位编号

　　移动用户号码存在归属位置寄存器 HLR 中。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (2) 国际移动用户识别码 (IMSI) 。　　为了在整个 GSM 移动通信网络中正确地识别某个移动

用户，在 GSM 系统中就必须给移动用户分配一个独一无二的识别码。这个识别码称为国际移动用户识别码 (IMSI) 。 IMSI 的结构为

　　其中， MCC 为移动国家号码，由 3位数字组成，唯一识别移动用户所属国家。中国为 460 ; MNC 为移动网号，由2位数字组成，用于识别移动用户所归属的移动网。中国移动的 GSM 的 MNC 为 00 ，中国联通的 GSM 的 MNC 为 01 。 MSIN 为移动用户识别码，采用等长的 11位数字构成。唯一地识别国内 GSM 移动通信中的移动用户。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　 IMSI 号码存放在用户识别模块 SIM卡及归属位置寄存器

HLR 中。当用户在系统登记以后，在访问位置寄存器 VLR 中临时登记该用户的 IMSI 号码。 IMSI 号码对移动用户是保密的，用户只知道自己的职别码 IMSI 。

　　当用户把 SIM卡插入移动台 MS 后，移动台 MS首先通过基站向移动交换中心 MSC登记。在无线信道上传送的就是经过加密的存储在 SIM卡上的 IMSI 号码。移动交换中心 MSC收到 IMSI 号码后，到归属位置寄存器 HLR 中查询，确认有该用户，就把该用户的有关信息从归属位置寄存器 HLR 传到访问位置寄存器 VLR并临时存储。登记的用户就允许使用移动网。

　　在呼叫移动用户时，根据所拨的移动用户电话号码，找到该用户的 IMSI 号码，用 IMSI 号码来寻呼移动用户。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (3) 移动用户漫游号码 (MSRN) 。　　当移动台漫游到一个新的服务区时，由访问用户位置寄存器 ( VLR)给它分配一个临时性的漫游号码，并通知该移动台的原籍用户寄存器 ( H LR ) ，用于建立通信路由。一旦该移动台离开该服务区，此漫游号码即被收回，并分配给其他来访的移动用户使用。

　　移动用户漫游号 MSRN ，根据 GSM 建议，包括三个部分

MSRN=CC+NDC+SN 式中， CC 为国家码，中国为 86 ; NDC 为国内长途区号 ;SN

为用户码。包含移动交换中心 MSC 的地址。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (4) 移动用户临时识别码 (TMSI) 。　　移动用户临时识别码 TMSI 是为保密而设置的。在移动

用户做主叫或被叫时，它代替国际移动用户识别码 IMSI 在无线路径上传输。移动用户临时识别码 TMSI 与国际移动用户识别码 IMSI 之间没有长期的固定联系，仅在移动台 MS呼叫时，由访问位置寄存器 VLR临时指定。一个移动用户临时识别码 TMSI 可以重复地给不同的移动合 MS使用。这样在空中就无法截获用户的移动用户识别码 IMSI


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (5) 国际移动台设备识别码 (IMEI) 。　　 IMEI 是区别移动台设备的标志，防止不法分子未经批

准非法生产移动设备。 IMEI 的结构为

　　其中 TAC 为型号批准码， 6位数字，由欧洲型号认证中心分配 ;FAC 为工厂装配码， 3位数字，由厂家编码，表示生产厂家及其装配地 ;SNR 为序号码， 6位数字，由厂家分配，识别每个 TAC 和 FAC 中的某个设备 ;SP 为备用， 1位数字，留着将来使用。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　当移动用户做主叫时，它同时送出国际移动台设备识别

码 IMEI 、移动用户识别码 IMSI 及拨叫号码。移动交换中心MSC 收到后，会查阅设备识别寄存器 EIR , 国际移动台设备识别码 IMEI会对存储在设备识别寄存器 EIR 中的灰色或黑色名单加以核查。在这个名单中记录着允许使用移动网络的移动台设备号码，查核通过后才准于接续。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (6)位置识别码　　在 GSM 系统中，共有 3 个号码组成对移动台 MS 的位置识别。

①位置区识别码 (LAI ) 。它用于移动用户的位置更新。其格式为

式中， MCC 为移动国家码，中国为 46仇MNC 为移动网号，识别一个国家中不同的 GSM 网，与 IMSI 中的 MNC 相同 ;LAC 为位置区号码，识别一个 GSM 网中的位置区。

　　位置区号码 LAC 的最大长度为 16 bit ，一个 GSM 网可以定义 65 536 个不同的位置区一个移动交换中心 MSC 所管辖的区域可以定义为一个位置区，也可以定义为几个位置区。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 ②小区全球识别码 (C GI) 是用来识别一个位置区中的小区的。

它是在位置区识别码后加上一个小区识别码 (CI)构成的，其格式为

③基站识别码 (BSIC) 用于移动台对于采用相同载频的相邻基站收发信台的识别，基站识别码的构成为

式中， NCC 为网络号码，用来识别相邻的通信网络 ( 如相邻国家的通信网络 );BCC 为基站号码，用来识别采用相同载频的相邻基站收发信台


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2.1.6 GSM 移动通信网络的管理　　 GSM 移动通信网络是一个先进、复杂的数字蜂窝移动

通信网络，在移动通信网络中实现移动用户之间或者移动用户与市话用户之间通信时，需要对网络中的各种设备进行控制和管理，主要包括移动性管理、安全管理等。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 1. 移动性管理　　 GSM 移动通信网络是一个全球性的通信网络一个 GSM

移动用户，不管他处在哪一个国家，以及在某一个国家的哪一个地方，都能获得通信服务。对于 GSM 移动通信网络，各个国家有各自的 GSM 移动通信网。有的一个国家有几个GSM 移动网 ;每个 GSM 移动网又分为若干个移动业务服务区。我国的 GSM 网就有中国移动 GSM 网和联通 GSM 网，这两个网中每一个省、市、自治区各自有一个 GSM 服务区。在每一个 GSM 服务区中有不少于一个的归属位置寄存器 HLR 、移动交换中心 /访问位置寄存器 MSC/VLR 、大量的基站控制器 BSC 及众多的基站 B TS 。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　每个移动用户的数据都存放在他的归属位置寄存器 HLR

中，由于移动用户的移动性，它可以在世界各地或国内的各个地方到处移动，而不像固定用户，永远与某一个交换机的一个用户端口相连。因此，网络为了有效地向用户传递寻呼信息时找到该用户，网络必须准确地、连续不断地了解移动用户的所在位置。而移动用户有时处于开机不通话状态 (空闲状态 ) ，有时处于通话状态。我们把移动用户空闲状态时网络了解其移动位置的过程称为位置更新 ;而把移动用户通话状态时网络了解其移动位置的过程称为越区切换。

　　 GSM 移动通信网络对移动用户定位的方法是采用获悉位置区识别码 (LAI ) 。就是让空闲状态的移动台不断地向网络报告其位置区信息，如果网络知道了用户的位置区的话，也就知道了用户的近似位置。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (1)位置更新　　 GSM 系统的位置更新包括三个方面 : 入网位置更新、移

动位置更新和周期性位置更新。　　①移动用户的入网位置更新。当移动台首次入网 ( 第一次开机 ) 时，由于在其 SIM卡中没有位置区 (LAI ) 标志信息，入网位置更新过程如图2-22所示。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 · 移动台通过基站分系统 (BSS)向移动交换中心 (MSC) 发送位置更新请求信息，通知 GSM 网络这是此位置区的一个新用户。

·MSC根据该用户发送的 IMSI 信息，向该用户的 HLR 发送更新位置请求。

·HLR 通过和该移动台购机时所保存的信息参数比对，一致后向MSC回送位置更新接受信息。

·MSC 在访问位置寄存器 (VLR) 对该移动台的 IMSI 上作“附着”标志。

· 通过 BSS向移动台发位置更新证实信息， MS 的 SIM卡记录此位置区的识别码。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　当移动用户非首次入网 (关机后又开机 ) 时，当MS 接收

到的 LAI 与它的 SIM卡中原来存储的 LAI 发现不一致，登记过程如图2-23所示。

　　 · 移动台也立即向MSC/VLR 发送位置更新请求。　　 ·MSC 要判断原有的 LAI 是否是自己的服务区，如判断

为肯定， MSC 只需将该用户的 SIM卡原来的 LAI 码改成新的 LAI 码，并在该用户对应的 IMSI 上作“附着”标志 ; 如判断为否定， MSC需根据该用户 IMSI 中的 H0“ H1” H2“ H3

信息，向该用户的 HLR 发送位置更新请求。下面的过程与第一次登记的 3, 4, 5 步骤一样。

　　若MS关机又开机时，所接收到的 LAI 与它的 SIM卡中原来储存的 LAI 相一致， MSC 只对该用户作“附着”标志。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　②移动用户的移动位置更新。当移动用户在通信过程中

从一个网络服务区移动到另外一个服务区时，移动台的位置发生了变化，那么系统必须对移动台的位置进行跟踪，才能保持通信。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　通常移动用户处于开机空闲状态时，它被锁定在所在小区

的 BCCH载频上，随时接收网络端发来的信息。在这个信息中包括了移动用户当前所在小区的位置识别信息。为了确定自己的所在位置，移动台要将这个位置识别信息 LAI存储 SIM卡中。当移动台移动过程中再次接收到网络端发来的位置识别信息 ID 时，它要将接收到的 LAI 与原来存储的 LAI 进行比较。若两个 LAI 相同则表示移动台还在原来的位置区域内 ;若两个LAI 不同则表示移动台发生了位置移动，此时移动台要向网络发出位置更新请求信息。网络端接收到请求信息后便将移动台注册到一个新的位置区域，即新的 VLR 区域。同时用户的 HLR 要与新的 VLR 交换数据得到移动用户新的位置信息，并通知移动台所属的原先的 VLR删除用户的有关信息。这一位置更新过程如图2-24所示。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　③移动用户的周期位置更新。周期位置更新发生在当网

络在特定的时间内，没有收到来自移动台任何信息。比如，在某些特定条件下由于无线链路质量很差，网络无法接收移动台的正确消息，而此时移动台还处于开机状态并接收网络发来的消息，在这种情况下网络无法知道移动台所处的状态。为了解决这一问题，系统采取了强制登记措施如系统要求移动用户在一特定时间内，例如每 30 min登记一次。这种位置登记过程就叫做周期位置更新。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　周期位置更新是由一个在移动台内的定时器控制的，其

定时器的定时值由网络在 BCCH 上通知移动用户。当定时值到时，移动台便向网络发送位置更新请求消息启动周期位置更新过程。如果在这个特定时间内网络还接收不到某移动用户的周期位置更新消息，则网络认为移动台已不在服务区内或移动台电池耗尽，这时网络对该用户做去“附着”处理。周期位置更新过程只有证实消息，移动台只有接收到证实消息才会停止向网络发送周期位置更新请求消息。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (2)越区切换　　当移动用户离开基站较远，无线传输质量逐渐下降。这

时，系统就需要将移动用户由原基站的业务信道转换到新的基站的业务信道。那么系统是如何知道何时移动用户需要切换呢 ? 它是通过 BSC 不断接收移动台在通话的同时向它报告的 MS周围小区 BTS 的 BCCH载频信号强度以及通话业务信道的强度是否低于规定的值来做出切换的决定。

　　通话中的移动台从一个小区移动到另外一个小区这个小区有可能是同一 BCS 管辖下的小区；也有可能是同一业务区不同 BSC 管辖下的另一小区；还可能是不同业务区中的另一小区。根据这三种情况要进行不同的操作，其示意图如图2-25所示。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　① BSC 内的切换。当MS 由 A点移动到 B点时，此时 BSC

1 对 MS报告的测量结果经过分析后得知MS 所到的小区仍属于BSC1 管辖， BSC1 与新小区建立链路，并在新小区分配一个 TCH 供 MS切换到此小区使用，切换成功后， MS继续测量周围小区的信号强度，同时接收 BSC1 的有关信息。

　　②相同 MSC/VLR 、不同 BSC 的切换。当移动台从 B点移动到 C点时， MS已跨越了两个 BSC,即从 BSC1 到 BSC2 。此时 BSC1 对 MS报告的测量结果经过分析后得知MS 所到的小区属 BSC2 管辖，做出切换判决， BSC1向MSC 发出切换请求。MSC 与 BSC2 建立新的链路，保留新小区内空闲 TCH 供给移动用户切换后使用。然后命令移动用户切换到新频率的新业务信道上，切换成功后， MS继续测量周围小区的信号强度，同时接收BSC2 的有关信息。位置区发生变化时，它还要进行位置更新。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　③不同 MSC/VLR 间的切换。当移动台从 C点移动到 D点时， MS 移动了两个移动交换中心管辖的区域。此时 BSC2对 MS报告的测量结果经过分析后得知MS 所到的小区已不属 BSC2 管辖，向MSC1/VLR做出切换请求， MSC1 经过分析后向MSC2 发送切换请求， MSC2 负责建立与新的 BSC2 的链路连接，在两个交换机的链路连接好后，由 MSC1向MS 发送切换命令。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (3)呼叫接续过程　　①移动台的被呼过程。这里以北京固定用户 A呼叫上海

移动用户 B 为例来说明移动台的被呼过程如图2-26所示。　　 · 固定用户 A 通过本地交换机将移动用户 B 的电话号码。

(MSISDN) 送到 GSM 网的入口交换机 (GMSC) , GMSC 分析此号码后知悉是上海的某用户，立即把MSISDN 发到上海GSM 网络的 HLR ，请求查询用户 B现在哪里 ?


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　 ·HLR 将用户 B 的电话号码 (MSISDN) 转换为用户识别

码 (IMSI) ，查询用户 B 目前所在的业务区 MSC( 如他已漫游到广州 ) ，向该区 VLR 发被呼叫的 IMSI ，请求 VLR 分配给被叫用户一个漫游号码 (MSRN); VLR把分配给被叫用户的漫游号码 (MSRN) 送回给 HLR ，由 HLR再送给 GMSC 。 GMSC 有了 MSRN ，就可以把人局呼叫接到用户 B 所在的MSC(北京 -广州 ) 。

　　 · 用户 B 所在的 MSC 将寻呼消息通过 BSS 发送给所有守候等闲的移动台。守候等闲的移动台接收到寻呼消息后，经过译码如果发现是自己的 IMSI ，发送应答响应。 MSC得到应答响应后开始向移动用户 B 发送振铃信号。移动用户 B取机应答，最终进入通话。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　②移动台的始呼过程。若某移动台 MS 处于开机空闲状态，当移动用户拨好想要通话用户的电话号码，并按下发送键后，网络就开始运行相应的接续程序。

　　 · 移动台通过 BSS向移动交换中心 (MSC) 发送拨号号码接入请求信息， MSC查询网络是否繁忙，如不忙，向MS回送同意接入请求 ;否则不同意。

　　 ·MSC 分析移动台送来的电话号码，并根据号码连通被呼叫方所在的 MSC 或 PSTN并将链路已连好的信息告知MS 。同时向被呼叫方发送振铃信号。

　　 ·MS 等待被呼叫方取机应答，最终进入通话。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 2.安全性管理　　由于空中接口极易受到侵犯， GSM 网络为了保证通信安全，采取了特别的鉴权与加密措施。鉴权是为了确认移动台的合法性，而加密是为了防止第三者窃听。其主要是在下列部分加强了保护 : 接入网络方面采用了对用户鉴权 ; 无线路径上采用对通信信息加密 ; 对移动设备采用设备识别 ; 对用户识别码用临时识别码保护 ;SIM卡用 PIN 码保护。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (1)鉴权　　鉴权的作用是保护网络，防止非法盗用。同时通过拒绝假冒合法用户的“入侵”而保护 GSM 移动网络的用户。当移动用户开机请求接入网络时，移动交换中心 /访问位置寄存器 ( MSC/VLR) 通过控制信道将鉴权与加密参数组的一个参数传送给用户，用户 SIM卡收到这个参数后，用此参数与 SIM卡存储的用户鉴权，经同样的加密算法得出一个响应参数，传送给移动交换中心 /访问位置寄存器 (MSC/VLR) 。 MSC/VLR 将收到的响应参数同鉴权与加密参数组中响应参数进行比较。由于是同一参数，同样的加密算法，因此响应参数应相同。若移动交换中心 /访问位置寄存器 ( MSC/VLR) 比较的结果就允许接入，否则为非法用户，网络拒绝为此用户服务。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统　　在每次登记、呼叫建立尝试、位置更新以及在补允业务

的激活、登记或删除之前均需要鉴权。 (2)加密　　 GSM 系统中的加密也只是指无线链路上的加密，是指

基站收发信机 (BTS) 与移动台 (MS) 之间交换用户信息和用户参数时不被非法个人或团体获得或监听。在移动台 (MS) ,运用加密算法，对用户信息数据流进行加密，在无线链路上传送。在基站收、发信机 ( BTS ) ，把从无线链路上收到加密信息数据流，经过解密算法后，传送给基站收控制器 ( BSC)和移动交换中心 (MSC)

　　在 GSM 系统中，所有的语音和数据均需加密，并且所有有关用户参数也均需加密。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (3)设备识别　　设备识别的目的是防止盗用或非法设备入网使用。当移

动台请求接入或位置更新时， MSC/VLR向移动台请求 IMEI( 国际移动台设备识别码 )并将 IMEI 发送给 EIR(设备识别寄存器 ) ， EIR 收到 IMEI 后将对该 IMEI设备的合法性进行验证。 EIR设备识别寄存器对所有的 IMEI设备进行分类为三个清单 :自名单、黑名单和灰名单。自名单包括所有允许入网的设备识别序列号码，黑名单包括所有报失或被偷窃而禁止使用的识别号，灰名单内的设备识别号由运营者决定，例如包括存在故障、未经型号认证或根据某种目的需要进行跟踪的移动性设备。若 EIR 在黑名单中发现该名单，则 MSC/VLR拒绝为持有该移动设备的用户提供进一步服务。


2.1 GSM 数字蜂窝移动通信系统 (4) 用户识别码保密　　 IMSI 是用户的特征号码，为了防止 IMSI 在无线路径上被截获，提供用户识别码保密，当MS 进行位置更新，发起呼叫业务时， MSC/VLR 将分配给用户一个临时移动用户识别码 ( TMSI) ，并由 MS存储于 SIM卡上，此后 MSC/VLR与 MS 间信令联系只使用 TMSSI 。在无线路径传输中，用 TMSI 代替 IMSI ，达到保护 IMSI 、保护用户安全的目的。 TMSI 与 IMSI 对应关系是变动的， TMSI仅在一个 VLR 区域内有效。

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2.2 窄带 CDMA 系统 2. 2. 1 CDMA 移动通信产生的背景　　随着移动通信用户的快速增加，有限的频率资源如何分配给更多的用户使用，已成为当前移动通信的首要课题。 FDMA 和 TDMA 多址方式都是依靠大力压缩信道带宽，但压缩带宽是有限度的，它将导致通话质量下降。因此，在 GSM移动通信系统商用的同时，美国就开始研发码分多址 (CDMA) 移动通信系统。码分多址是采用扩频通信技术，大幅度地增加信道带宽。实验表明 CDMA 系统具有较高的容量、抗干扰能力强、抗衰落性能优越、保密性好以及其他许多的优点。

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2.2 窄带 CDMA 系统　　 1993 年美国电信工业协会将 IS-95 定为美国窄带 CDMA

数字蜂窝移动通信系统的技术标准，采用高通 (Qualcomn )公司的 CDMA 无线接口规范。基于 IS-95 的窄带 CDMA 技术自 1995 年进入商用以来，迅速覆盖韩国、日本、美国、欧洲和南美洲的一些主要技术市场，在 2002 年，中国联通“新时空” CDMA 网络正式开通。由于窄带 CDMA 技术的诸多优势，使得它成为数字移动通信技术发展的主流技术。目前各国报给国际电联审批的所有第三代移动通信系统 (3G) 的提案中，绝大多数都是基于 IS-95 CDMA 相近的 C DMA 技术。


2.2 窄带 CDMA 系统

2.2.2 IS-95 CDMA 移动通信系统组成与特点　　 1. IS-95 CDMA 移动通信系统的组成　　 CDMA 数字蜂窝移动通信系统的组成与 GSM 数字蜂窝

移动通信系统相类似，主要由网络交换子系统 (NSS) 、基站子系统 (BSS) 、移动台 (MS) 和操作与维护子系统 (OMS) 四部分组成，如图 2-26 所示。 NSS又由移动交换中心 (MSC) 、归属位置寄存器 (HLR) ,访问位置寄存器 (VLR) 、鉴权中心(AUQ) ,短消息中心 (MC),设备标志寄存器 ( EIR ) 等构成。BSS又由一个集中基站基站控制器 ( CBSC) 和若干个收 / 发信机 (BTS)构成 BTS 与 MS 与之间的信号传输采用 Um 无线接口， BSC 与 B TS 之间采用 Abis 有线接口， BSC 与 MSC之间采用 A 有线接口， MSC 与市话网之间采用 V 有线接口。


2.2 窄带 CDMA 系统 2. IS-95 CDMA 系统的特点　　与 FDMA 和 TDMA 相比， CDMA具有许多独特的特点。　　 (1) 同一频率可以在所有小区重复使用，大大提高了频谱

利用率　　 CDMA 蜂窝通信系统的所有用户可共享一个无线信道，

用户信号的区分只是所用的码型不同。理论上来说，频率再用系数为 1 ，考虑到邻近小区干扰后，实际的频率再用系数为 0. 65 。而 GSM 蜂窝通信系统频率再用系数最大是 1/3(即一个区群包含三个小区的情况 ) ，模拟蜂窝通信系统的再用系数最大是 1/7 。


2.2 窄带 CDMA 系统 (2)抗干扰能力强、误码率低　　由于 CDMA 系统采用扩频技术，在空间传输时所占有的

带宽相对较宽，而接收端通过解扩，使有用带宽信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。


2.2 窄带 CDMA 系统 (3)抗多径干扰性能好　　移动通信最严重的问题是多径干扰，它产生频率选择性衰落，对数字信号产生多径时散。由于扩频后的信号是宽带的，它能起到频率分解分集的作用，它比窄带信号具有更强的扩频选择性衰落的特性。由于扩频信号在设计时往往使不同路径的传播时延差超过伪码的码片宽度，从而能把不同传播路径的多径信号区分来看，并且通过路径分集。变害为利，达到信噪比的改善。


2.2 窄带 CDMA 系统 (4)具有保密性　　由于码分多址的码是采用伪随机码，这样就给信号带上

了伪装，如果对方不知道所用的码，是很难破译的。即便知道码，窃听者也必须非常靠近移动台才能收到信号。 CDMA信号的扰码方式提供了高度的保密性，要窃听通话，必须要找到码址。但 CDMA 码址是个伪随机码，而且共有 4. 4万亿种可能的排列，因此，要破解密码或窃听通话内容实在是太困难了。


2.2 窄带 CDMA 系统 (5) 系统容量大，且具有软容量特性　　由于 CDMA 采用码分多址方式，在相同的频率资源下，

CDMA 蜂窝移动网容量是 GSM 蜂窝移动网容量的 4-5倍，是 FDMA 系统的 20倍。

　　 CDMA 系统的软容量特性是独有的。在 TDMA 或 FDMA 系统中，当全部频道或时隙被占满以后，哪怕只增加一个用户也不可能。 CDMA 系统允许同时通话的用户数超过信道数，使系统的客量与用户数之间存在一种“软”的关系。在业务高峰期间，有可能在一定程度上稍微降低系统的误码性能，稍微降低用户通话质量，以适当增多系统的用户数目，保证通话的继续进行。


2.2 窄带 CDMA 系统　　等到目标小区负荷减轻时，通话质量再恢复正常。反之，

系统内同时通话的用户数较少时，由于多址干拢的减少，通话质量会更好。此外， CDMA允分利用人类对话的不连续性，在系统中采用可变速率语音编码器，当速率降低时，对其他用户的干扰也将降低，这意味着对其他用户的干扰减小，从而使系统容量增大。


2.2 窄带 CDMA 系统 (6)具有软切换特性　　在其他蜂窝通信系统中，当用户越区切换而找不到空闲

频道或时隙时，通信必然中断。 CDMA软容量特性使系统可以支持越区切换的用户。越区切换时，只需改变码型，用不着切换频率，相对而言，切换的控制和操作比较简单。在切换中采用“先通后断”方式，即切换初期，移动台与新、老基站同时保持链路，只有当切换成功后才断开与老基站的链路。


2.2 窄带 CDMA 系统 2.2.3 IS-95 CDMA 移动通信系统信号传输

与处理的基本原理　　 CDMA 移动通信系统发端和收端也是由基带处理电路和

频带处理电路两部分组成，它与 GSM 移动通信系统相比较，发端多了扩频调制，收端多了扩频解调。 CDMA 移动通信系统收 / 发端信号处理的组成框图如图2-27所示。


2.2 窄带 CDMA 系统 1. 数字调制　　在 CDMA 系统中，基站使用了 QPSK调制制式，而移动

台使用 QPSK 的改进型，即 OPSK调制方式。 QPSK调制又称为 4PSK调制，它是 MPSK调制方式下当M 为 4 的一种调制方式。因为该调制方式的输出信号可以产生 4 种正交相位状态，所以称为 4 相键控 (4PSK);又因为它是由两个互相正交的BPSK( 二进制移相键控 ) 信号之和所组成的，所以又称为正交移相键控调制 (QPSK ) 。图 2-28 是 QPSK调制器的组成方框图。二进制数据信号送到串 /并变换电路，将输入的数据信号分离为 I,Q 两条支路，这时，每个支路的码元宽度增加至原码元宽度的 2倍。分离后的两路信号，分别进入各自的 BPSK调制器进行正交平衡调制，合成相加得到 QPSK 模拟信号。


2.2 窄带 CDMA 系统　　移动台使用 OQPSK调制 /解调方式， OQPSK 是 Offset QPS

K 的缩写词，称为偏置QPSK 。这种方式下，它的 I,Q 两条支路在时间上错开半个码元进行调制， OQPSK 的频谱特性比 QPSK稍好。

2.扩频调制　　根据香农的通信理论，如果将需要传输的信号的频带展宽，

就可以在信号功率较小而干扰或噪声较大的情况下获得较低的误码率。这种将频谱扩展的技术简称扩频技术。扩频可以直接对基带信号进行，称为直接扩频 ;也可以对已调信号进行，称为跳频。在 CDMA 通信系统中普遍采用直接扩频。图2-29为直接扩频、解扩原理示意框图。在发送端它直接用具有高码元速率的 PN 码序列和基带信号相乘，就可以扩展基带信号的频谱，在接收端用相同的 PN 码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。


2.2 窄带 CDMA 系统　　扩频调制中的 PN 码序列是一种与自噪声类似的信号，

它不是真正随机的，是一种具有特殊规律的周期信号。通常由移位寄存器通过线性反馈构成。通常把 PN序列的每一个码元称为码片 (Chip ) 。图2-30是一个最简单的由三级移位寄存器构成 PN 码发生器。由图可知 :每一级移位寄存器的输入码 (1 或 0) ，在时钟脉冲到来时被转移到输出端，输出的序列位数 (周期 ) 为 P = 23-1 =7 。由 n级移位寄存器可产生的序列最长周期 P=2n-1 。通常把最长线性反馈移位寄存器序列简称为 m序列。 m序列是最常用的伪随机序列，它既具有随机特性，又具有一定的规律，可以人为地产生与复制。


2.2 窄带 CDMA 系统　　图 2-30 (a) 中 (1) 、 (2) 、 (3) 为三级寄存器，⊕为模 2加法器。在此所用的移位寄存器是触发器， Tc 为时钟的周期在时钟脉冲上升沿时，输出 Q 等于输入 D 。图中第二、三级的输出经模 2加后反馈到第一级输入，即有

　　当初始状态 Q1 、 Q2 、 Q3 为 111 时，在时钟脉冲的控制下，输出数据如图 2-30 (b) 所示，得到周期是 7 的 m序列 1110010 。


2.2 窄带 CDMA 系统　　如果改变反馈电路，可得到新的 m序列，必须注意的是最后一级必须参加反馈。如由第一、三级进行模 2加，即

可得到另一个周期为 7 的 m序列 1110100 　　m序列的 PN 码具有尖锐特性的相关性，因此易于从其

他信号或干扰中分离出来，且有良好的抗干扰特性。　　 CDMA扩频采用的 PN 码由 15级移位寄存器构成的 m序列，通常将该序列称为 PN短码，其周期为 P = 215-1 = 32 768 ，每个码片的宽度为 Tc = 1/1.2288 MHz ，码率为 1 .228 8 Mchip/s 。


2.2 窄带 CDMA 系统　　扩频和解扩的各点波形和对应的频谱如图 2-31 所示。从

图中可以看出，经过扩频的信码每一个码元由多个码片构成，从波形上看脉冲的宽度小了，因而信号的频谱展宽，这也是将这种技术称为扩频技术的原因。

　图 2-31 (c) 的信号如果传送到接收端，接收端用完全相同的 PN 码对它进行解调，就可以恢复出如图 2-31(a) 的信码。


2.2 窄带 CDMA 系统 3. 地址码调制　　 CDMA 通信系统的地址码采用完全正交的 64阶沃尔什

码，每个用户的地址码有 64 个码片，每个码片的宽度为 1/1.2288 MHz ，共有 64 个，用来分配给 64 个码分信道 (W0~W6

3) 。 64阶沃尔什码产生方法如下 :


2.2 窄带 CDMA 系统 4. 功率控制　　 CDMA 系统是一个自干扰系统，它的通信质量和容量主

要受限于收到干扰功率的大小。若基站接收到移动台的信号功率太低，则误比特率大，而无法保证高质量通信 ;反之，若基站接收到某一移动台功率太高，虽然保证了该移动台与基站向印通信质量，却对其他移动台增加了干扰，导致整个系统的通信质量恶化、容量减小。只有当每个移动台的发射功率控制到基站所需信噪比的最小值时，通信系统的容量才达到最大值。

　　在 CDMA 蜂窝系统中，为了解决远近效应问题，同时避免对其他用户过大的干扰，必须采用严格的功率控制。功率控制除了反向链路的开环功率控制和闭环功率控制外，还有正向链路功率控制， CDMA 功率控制框如图2-32所示。


2.2 窄带 CDMA 系统 (1)反向链路的功率控制　　反向链路功率控制就是控制各移动台的发射功率的大小，

可分为开环功率控制和闭环控制。　　①开环功率控制。采用反向链路的开环功率控制的前提条件是假设上、下行传输损耗相同。移动台接收并测量基站发来的信号强度，估计下行传输损耗 ; 然后，根据这种估计，移动台自行调整其发射功率。接收信号增强时，就降低其发射功率 ; 接收信号减弱时，就增加其发射功率，试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率，这完全是一种移动台自主进行的功率控制。


2.2 窄带 CDMA 系统　　开环功率控制只是对发送电平的粗略估计，因此，它的反应时间不应太快，也不应太慢。如反应太快，在开机或遇到阴影、拐弯效应时，开环起不到应有的作用 ;而如果太快，将会由于前向链路中的快衰落而浪费功率，因为前、反向衰落是两个相对独立的过程，移动台接收的尖峰式功率很有可能是由于干扰形成的。根据许多测试结果，响应时间常数选择为 20ms~30 ms 。


2.2 窄带 CDMA 系统　　开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应，它必须要有一个很大的动态范围。根据 CDMA空中接口标准，至少应达到 1 32 dB 的动态范围。在实现时，移动台只通过测量接收功率来估计发送功率，而不需要进行任何前向链路的解调。

　　开环功率控制的优点是简单易行，不需要在移动台和基站间交换控制信息，因而不仅控制速度快而且节省开销。


2.2 窄带 CDMA 系统　　②反向闭环功率控制。实际上，上、下行链路的衰落特

性是相互独立的，即开环功率控制的前提条件并不成立，开环只能是一种粗略的功率控制。反向闭环功率控制是由基站检测移动台的信号强度或信噪比，根据测得结果与预定值比较，产生功率调整指令，并通知移动台调整其发射功率。

　　在反向闭环功率控制中，基站起着很重要的作用。闭环控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速作出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。这种对开环的迅速纠正，解决了前向链路和反向链路间增益允许度和传输损耗不一样的问题。


2.2 窄带 CDMA 系统　　一个功率控制比特的长度正好等于前向业务信道两个调

制符号的长度 (即 104. 166us) 。每个功率控制比特将替代两个连续的前向业务信道调制符号，这个技术就是通常所说的符号抽取技术。在这种情况下，功率控制比特将按 Eb 的能量发送， Eb 为 9 600 bit/s 速度时前向业务信道每个信息比特的能量，如图2-33所示。功率控制比特在前向业务信道中进行数据扰码后插到数据流中，在功率控制子信道上传送。

　　图 2-33 中 X取值与传输速率有关，当速率为 9. 6 kbit/s时， X=2;当速率为 4. 8 kbit/s 时， X=4;当速率为 2. 4 kbit/s时， X=8;当速率为 1. 2 kbit/s 时， X=16 。所有未替代的调制符以相同的功率发送，相邻帧的功率电平可能不同。


2.2 窄带 CDMA 系统　　一个功率控制比特的长度正好等于前向业务信道两个调

制符号的长度 (即 104. 166us) 。每个功率控制比特将替代两个连续的前向业务信道调制符号，这个技术就是通常所说的符号抽取技术。在这种情况下，功率控制比特将按 Eb 的能量发送， Eb 为 9 600 bit/s 速度时前向业务信道每个信息比特的能量，如图 2-33 所示。功率控制比特在前向业务信道中进行数据扰码后插到数据流中，在功率控制子信道上传送。

　　图 2-33 中 X取值与传输速率有关，当速率为 9. 6 kbit/s时， X=2;当速率为 4. 8 kbit/s 时， X=4;当速率为 2. 4 kbit/s时， X=8;当速率为 1. 2 kbit/s 时， X=16 。所有未替代的调制符以相同的功率发送，相邻帧的功率电平可能不同。


2.2 窄带 CDMA 系统　基站接收机应测量所有移动台的信号强度，测量周期为 1.

25 ms 。基站接收机利用测量结果，分别确定对各个移动台的功率控制比特值 (“0” 或“ 1” ) ，然后，基站在相应的前向业务信道上将功率控制比特发送出去，因此，基站发送功率控制比特比反向业务信道延迟 2 x 1. 25 ms 。因此，反向闭环功率控制中，只有在紧随移动台发射时隙后的第二个 1. 25 ms 时隙内收到的功率控制比特才被认为是有效的。另外，在非连续发射过程中，当发射机关掉时移动台将忽略收到的功率控制比特。


2.2 窄带 CDMA 系统　　在开环功率控制的基础上，移动台将提供适 1 24 dB 的闭环调整范围。

　　在软切换时，移动台可获得两个或两个以上基站提供的服务，因此，移动台可能同时收到两个或两个以上的功率控制命令，如果既有上调又有下降的功控指令，则执行功率下降的指令。


2.2 窄带 CDMA 系统 (2)正向链路的功率控制　　在正向链路功率控制 ( 或称前向功率控制 ) 中，基站根据

移动台提供的测量结果，调整对每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分配较小的前向链路功率，而对那些远离基站和误码率高的移动台分配较大的前向链路功率，使任一移动台无论处于蜂窝小区的任何位置上，收到基站发来的信号电平都恰好到达信干比所要求的门限值。前向功率控制可避免基站向距离近的移动台辐射过大的信号功率，也可防止或减小由于移动台进入传播条件劣穷或背景干扰过大的地区而产生较大的误码率，引起通信质量的下降。


2.2 窄带 CDMA 系统　　基站通过移动台发送的前向误帧率 FER 的报告决定增加

或减小发射功率。移动台的报告分为定期报告和门限报告。定期报告就是隔一定时间汇报一次，门限报告就是当 FER 达到一定门限值时才报告。这个门限值是由运营者根据对语音质量的不同要求设置的。这两种报告方式可同时使用，也可只用一种，或者两种都不用，这可根据运营者的具体要求来设定。

　　基站收到调整功率的报告后，调整其发射功率前向功率控制的最大调整范围为 ±6 dB 。

　　上述前向功率控制属于闭环方式，也可采用开环方式，即可由基站检测来自移动台的信号强度，以估计反向传输的损耗并相应调整发给该移动台的功率


2.2 窄带 CDMA 系统 5. 数据扰码　　数据扰码的作用是为通信提供保密，数据扰码又称为数

据掩蔽，利用基站和手机的数据扰码器来产生。数据扰码器的工作原理如图2-34所示。信息数据经卷积编码、块交织器等处理后，数据速率为 19. 2 kbit/s ，与受用户掩码控制的 19. 2 kbit/s伪随机 PN 码信号模 2 相加后，输出保密的数据。 19. 2 kbit/s伪随机 PN 码信号由一个长码发生器经 64 分频获得长码发生器是一个由 42级移位寄存器构成的 m序列，通常将该序列称为 PN长码，其周期为 P = 242-1 ，每个码片的宽度为 Tc = 1/1. 2288 MHz ，码率为 1.2288 Mchip/s 。长码发生器还受用户掩码的控制。


2.2 窄带 CDMA 系统 6. 信道编码　　在 CDMA 通信系统内，信道编码采用卷积编码和交织编

码，来完成纠错、检错的任务。　　卷积编码技术既可以纠正随机差错，也可以纠正突发差错。

它是由一些移位寄存器和模 2加法器等组成。在输入 1位信息码元时，可同时取得 n位附加监督码元，由 1位输入信息码元和 n位附加监督码元组合起来，可组成卷积码的 1 个分组 (即 1个码字 =n+1位 ) 。其中监督码元不仅与本组输入的信息码元有关，还与前面的以存入移位寄存器的信息码元有关系。监督码元的数量根据纠错要求确定。通常用 (m, 1) 来表示卷积要求，把m+1称为卷积码的约束长度，把m-1 =n称为监督码元的位数，监督码元由移位寄存器和模 2加法器产生，移位寄存器的个数 m=n+1 。


2.2 窄带 CDMA 系统　　以形成 (3,1)卷积码为例，讨论卷积码的形成过程，卷积编码器的结构如图 2-35 所示图中 SR 表示移位寄存器，移位寄存器的个数为 3, mj 表示输入信息码元根据要求，编码后每位信息元有 3-1 =2 个监督元，监督元 Pj1 ,Pj2 由模 2加法器生成，生成方程如下 :

　　通过编码器后，每位输出为 mj , Pj1 ,Pj2 ，将这个输出称为码长为 3位，信息码元为 1位的 (3, 1)卷积码编成一组，信息码元位数与码长的比值称为码率， (3 ， l)卷积码的码率为1/3 从监督方程可知，监督码元不仅与当前码元信息有关，还和前面的码元信息有关。


2.2 窄带 CDMA 系统　　如果输入信息码元为 011001 ，根据上述方法，则输出的编码将为 000, 111, 100, 010, 010,011,101,… 。需要注意的是，SR 初始状态均为 0 。


2.2 窄带 CDMA 系统　　值得提出的是一种 (2,1) 的卷积码，其码率为 1/2, 它的监督位只有 1位，既可以纠正突发误差，又可以纠正随机误差，得到广泛应用。图 2-36 为 (2, 1)卷积码的编码器原理图，编码时监督方程为 :

　　随着卷积编码器寄存器个数 m 的增加，纠错能力增加，差错率按指数下降。但是纠错能力它是以牺牲传输速率来换取的。

　　 CDMA 系统的交织编码与 GSM 系统的交织编码一样，也是把原有码元顺序打乱，掺入新的码元，将数据重新排列和分配。交织编码可有效地纠正随机差错，它也可以把突发差错分散成为随机差错，从而达到纠正突发差错的目的。交织编码不像卷积编码那样增加码元，在交织编码前后，数码传输速率不变。


2.2 窄带 CDMA 系统 7. 话音编码　　目前， CDMA 通信系统的语音编码主要是 QCELP 语音编码技术，即码激励线性预测编码。系统的语音编码效果远远超过 GSM 系统的语音水平，所以 CDMA 网络及系统运营商宣称其通话是“无线通信，有线质量”。

　　① QCELP编 /解码过程。 QCELP 主要是使用码表矢量量化差值信号，然后，基于语音的激活程度产生一个可变的输出数据速率。对于典型的双方通话，受均输出数据速率比最高数据速率差不多可以下降 2倍甚至更多。

　　语音编码过程是提取语音参数，并将参数量化的过程。该过程应当使最后合成的语音与原始语音的差别尽量小。下面介绍编码过程及相关参数的选择。


2.2 窄带 CDMA 系统　　首先，对输入的语音 8 kHz抽样，紧接着将其分成 20 m

s长的帧，每一帧含 160 个抽样 ( 该抽样并没有被量化 ) 。根据这 160 个抽样的语音帧，生成包含三种参数子帧 ( 线码激性预测编码滤波器参数、音调参数、码表参数 ) 的参数帧，三种参数不断被更新，更新后的参数被按照一定的帧结构传送到接收端。线性预测编码滤波器参数在任何数据速率下以每 20 ms(即一帧 )更新一次，对该参数编码的比特数随所选择数据速率的变化而变化，如表2-2所示。同样，码表参数更新的次数也是不等的，它也随所选择数据速率的变化而变化。

　　在各种速率下，参数帧的结构如图2-37所示。


2.2 窄带 CDMA 系统　　图 2-37 中，每一个参数帧对应一个 160抽样的语音帧。

LPC 子帧里的数字表示在该速率下对 LPC 系数编码所用的比特数音调合成子帧中的每一块都代表在这一帧里的一次音调参数更新，而数值则表示对更新的音调声源编码所用的比特数。例如，对速率 1( 对应最高速率 ) ，音调参数在每一帧里被更新 4次，每次使用 10 bit 对新的音调声源编码。请注意在速率 1/8( 对应最高速率的 1/8) 时没有进行音调参数更新，这是因为在这种情况下通常没有语音，所以也就不需要音调参数。同样，码表子帧中的每一块都代表在这一帧的一次码表参数被更新，而里面的数字则表示对更新的码表声源编码所用的比特数。例如，对速率 1 ，码表参数在每一帧里被更新 8次，每次使用 10 bit 对新的码表声源编码。从图 2-37 中可以看出，更新次数是随着数据速率的下降而降低。


2.2 窄带 CDMA 系统　　语音解码过程是从数据流中解包，得到接收的参数，并且根据这些参数重组语音信号的过程。


2.2 窄带 CDMA 系统　　 QCELP 的语音合成模型如图2-38所示。首先对不同的

速率，采用两种不同的方法选出矢量。当速率为最高速率的1/8 时，任选一个伪随机矢量 ; 对于其他速率，通过索引 I‘ 从码表里指定相应的矢量，该矢量增加增益常数 l 后，又被音调合成滤波器滤波，该滤波器的特性是由音调参数 L’ 和 b‘ 控制的。这一输出又被线性预测编码滤波器滤波，该滤波器的特性是由滤波系数 ɑ’1 ~ ɑ‘10决定的。这样就输出了一个语音信号，该语音信号又被最后一级自适应滤波器滤波。


2.2 窄带 CDMA 系统　　② QCELP 中数据速率的选择。 QCELP 为可交速率的

码激励线性预测编码方式，其数据速率的选择是基于每帧的能量与三个门限的比较，而三个门限的选择则是基于对背景噪声电平的估计。每一帧的能量是由自相关函数 R (0)决定的，R (0) 与三个门限值 T1(Bi),T2(Bi), T3(Bi) 比较，其中 Bi 表示背景噪声电平。如果 R (0) 大于所有三个门限，就选择速率 1;如果 R (0) 大于两个门限，就选择速率 1/2; 如果 R (0) 只大于一个门限，就选择速率 1/4; 如果 R (0) 小于所有三个门限，选择速率 1/8 。除此之外，速率的选择还应符合以下规则 :


2.2 窄带 CDMA 系统　　　第一，数据速率每帧只允许下降一个级别。比如，如果

前一帧的速率是 1 ，而当前帧根据上面的选择是 1/4 或 1/8 ，那么只能选择速率 1/2 。

　　第二，当 CDMA使用半速率技术时 .即使当前帧根据门限选择是速率 1.而实际只能选择速率 1/2 。

　　在每一帧的速率被决定前，三个门限也分别被更新一次。首先，背景噪声的电平是由前一帧的背景噪声电平和前一帧的自相苯函数 R (0)决定的。


2.2 窄带 CDMA 系统 2. 2. 4 IS-95 CDMA 系统的信道 1.物理信道　　根据 IS-95 CDMA 系统的标准， IS-95 CDMA 系统也采

用频分双工模式运行，将一个频带用于上行链路 ( 移动台发、基站收 ) ，而将另一个单独的频带用于下行链路 ( 移动台收、基站发 ) 。其载频频段为下行为 869-894 MHz( 基站发射，移动台接收 ) ，上行为 824~849 MHz( 移动台发射，基站接收 ) 。上下行带宽各 25 MHz ，上下行频率间隔 45 MHz 。

　　 IS-95 CDMA 采用码分多址技术，同一小区的所有用户使用相同的载频。同一载频含有 64 个物理信道，每一信道带宽 1. 23 MHz 。因此，整个频带共 25 MHz x 64/1. 23 MHz =1 300 个物理信道。


2.2 窄带 CDMA 系统 2. IS-95 CDMA 系统的逻辑信道　　在 IS-95 CDMA 系统中，各种逻辑信道都是由不同的码序列来区分的。除要传输业务信息外，还必须传输有关的控制信息。为此， CDMA 蜂窝系统在基站至移动台的传输方向(正向传输 ) 上设置了导频信道、同步信道、寻呼信道和正向业务信道 ; 在移动台至基站的传输方向 (反向传输 ) 上设置了接入信道和反向业务信道，这些信道的示意如图2-39所示。

(1)正向传输逻辑信道　　 CDMA正向传输的逻辑信道采用 64阶沃尔码区分，由

1 个导频信道WO , 7 个寻呼信道W1-W7 , 55 个业务信道W8-W63 组成，各信道的数据处理过程如图2-40所示


2.2 窄带 CDMA 系统　　①导频信道。基站使用导频信道为所有移动台提供基准，

传输由基站连续不断的发送的一种未调制的直接序列扩频信号，供移动台从中获得信道的信息，并提取相干载波以进行相干解调，还可对导频信号电平进行检测，用以比较相邻基站的信号强度和决定是否需要进行越区切换。为了保证各移动台检测和提取的可靠性，导频信道的功率须高于业务信道和寻呼信道的平均功率。

　　②同步信道。用于传输同步信息，在基站覆盖范围内，各移动台可利用这些信息进行同步捕获。同步信道上载有系统的时间和基站引导 PN 码，以实现移动台接收解调。同步信道在捕捉阶段使用，一旦捕获成功，一般就不再使用。同步信道的数据速率是固定的，为 1 .2 kbit/s 。


2.2 窄带 CDMA 系统　　③寻呼信道。供基站在呼叫建立阶段传输控制信息，每

个基站有一个或几个 (最多 7 个 )寻呼信道，当有市话用户呼叫移动用户时，经移动交换中心 (MSC) 送至基站，寻呼信道上就播送该移动用户识别码。通常，移动台在建立同步后，就在首选的寻呼信道 ( 或在基站指定的寻呼信道上 )监听由基站发出的信令，当收到基站分配业务信道的指令后，就转入指配的业务信道中进行信息传输。当小区内需要通信的用户数目很多，业务信道不够应用时，某几个寻呼信道可临时用作业务信道。在极端情况下， 7 个寻呼信道和 1 个同步信道都可改作业务信道。这时候，总数为 64 的逻辑信道中，除去一个导频信道外，其余 63 个均用于业务信道。在寻呼信道上的数据速率是 4. 8 kbit/s 或 9. 6 kbit/s ，由经营者自行决定


2.2 窄带 CDMA 系统　　④正向业务信道。共有四种数据速率 ( 9. 6 khit/s , 4. 8 kh

it/s , 2. 4 khit/s , 1. 2 khit/s ) 业务速率可以逐帧改变 (20 ms) ，以动态地适应通信者的语音特征。比如，发音时传输速率提高，停顿时传输速率降低。这样做，有利于减少 CDMA 系统的多址干扰，以提高系统的容量。在业务信道中，还要插入其他的控制信息，如链路功率控制和过区切换指令等。

　　在 CDMA 蜂窝系统中，各基站配有 GPS 接收机，保证系统中备基站有统一的时间基准，即 CDMA 蜂窝系统的公共时间基准。小区内所有移动台均以基站的时间基准作为各移动台的时间基准，从而保证全网的同步。


2.2 窄带 CDMA 系统 (2)反向传输逻辑信道　　 CDMA 系统的反向传输逻辑信道由接入信道和反向业务

信道组成，如图2-41所示。其中接入信道与正向传输的寻呼信道相对应，反向业务信道与正向业务信道相对应，在反向传输信道上无导频信道接入信道的作用是在移动台接续开始阶段提供通路。在移动台没有占用业务信道之前，提供由移动台至基站的传输通路。供移动台发起呼叫或对基站的寻呼进行响应，以及向基站发送登记注册的信息等接入信道使用一种随机接入协议，允许多个用户以竟争的方式占用。在一个反向信道中，接入信道数 n最多可达 32 个。在极端情况下，业务信道数最多可达 64 个。



2. 2. 5 IS-95 CDMA 移动通信的网络结构 1. 话务汇接网　　 IS-95 CDMA 网采用三级结构，如图2-42所示。图 2-42

中，在大区中心 ( 如北京、上海、广州、沈阳、武汉等 )设立一级移动业务汇接中心并以网状相连 ; 在各省会或大城市设立二级业务汇接中心，并与相应的一级汇接中心相连 ; 在移动业务本地网中设一个或若干个移动端局MSC ，也可视业务量由一个 MSC覆盖多个移动业务本地网。移动业务本地网原则上以固定电话网的长途编号区为 2位和 3位的区域来划分。


2.2 窄带 CDMA 系统 2. 信令汇接网　　 CDMA 网的信令网与其交换网络结构相对应，也分为三级结构 : 高级信令转接点 (HSTP) 、低级信令转接点 (LBTP)和信令点 (SP) 。

　　 HSTP 负责转接本大区与其他大区间的信令业务， HSTP 可兼有 LSTP 的功能。 LSTP 负责转接本服务区内及其上级 HSTP 的信令业务。 SP 是信令消息的源点和目的点。信令转接点 (STP) 可采用独立式设备，也可采用与移动汇接中心合设的方式。信令网中网络节点间采用 7 号信令。


2.2 窄带 CDMA 系统 3. 号码识别 (1) 移动用户号码 DN 　　移动用户号码 DN 为移动用户作被叫时，主叫用户所需拨的号码。 DN 由国家码、移动接入码、 HLR识别码和移动用户号四部分共 12位号码组成。中国的国家码为 86, 国内拨号时可省略。移动接入码采用网号方案，目前“中国联通”为 133 。 CDMA 网与 GSM 网 DN 的区别在于移动接入码的不同。


2.2 窄带 CDMA 系统 (2) 国际移动用户识别码 IMSI 与移动台识别码 MIN 。　　 IMSI 是在 CDMA 网中唯一地识别一个移动用户的号

码，由移动国家码、移动网络码和移动用户识别码三部分共15位号码组成。中国的移动国家码为 460 ，目前“中国联通”的移动网络码为 03 。

　　MIN 码是为了保证 CDMA/APMS双模工作而沿用 AMPS 标准定义的。目前“中国联通”的定义为 32HOH1H2H3 x x x x ，其中 HOH1H2H3 为 HLR识别码。


2.2 窄带 CDMA 系统 (3)ESN 　　 ESN 是唯一地识别一个移动台设备的 32bit 的号码，每

个双模移动台分配一个唯一的电子序号，由厂家编号和设备序号构成。空中接口、 A 接口都使用到 ESN 。

(4) 系统识别码 SID 和网络识别码 NID 　　 SID 是 CDMA 网中唯一识别一个移动业务本地网的号

码。 SID按省份分配。 NID 是一个一定业务本地网中唯一识别一个网络的号码，可用于区别不同的 MSC 。移动台可根据 SID 和 NID判断其漫游状态。



2. 2. 6 IS-95 CDMA 移动通信网络的管理　　和 GSM 移动通信网络一样，在 CDMA 移动通信网络中实现

移动用户之间或者移动用户与市话用户之间通信时，同样需要对网络中的各种设备进行控制和管理。主要包括位置登记、越区切换和呼叫处理等。

1.位置登记　　位置登记是移动台向基站报告其位区状态、身份标志和其他特征的过程。通过登记，基站可以知道移动台的位置，确定移动台在寻呼信道的哪个时隙中监听，并能有效地向移动台发起呼叫等。位置登记包括移动台处于漫游状态的自主登记和非自主登记。自主登记又包括开机登记、关机登记、周期性登记、根据距离登记、根据区域登记等。非自主登记包括参数改变登记、受命登记、默认登记和业务信道登记等。


2.2 窄带 CDMA 系统 2.越区切换　　基站和移动台支持如下三种切换方式 :软切换、 CDMA

到 CDMA 的硬切换和 CDMA 到模拟系统的切换。其中，软切换是 CDMA独有的的切换功能，是移动台开始与新的基地通信，但不立即中断它和原来基站通信的一种切换方式。这种切换方式可有效地提高切换的可靠性，而且当移动台处于小区的边缘上，软切换能提供正向业务信道和反向业务信道的分集，从而保证通信的质量。软切换过程大致可分为三个阶段，如图2-43所示。


2.2 窄带 CDMA 系统第一阶段 : 移动台与原蜂窝区基站之间保持通信链路。　　当移动台 MS位于 A 区 (原蜂窝区 ) 时，它与 A 区基站

之间建立了正常的通话，并在保持通话的同时不断监测来自原蜂窝区基站和其他相邻蜂窝区基站所发送的监测信号强度的变化。当监测到来自另一个蜂窝区 (新蜂窝区 ) 基站信号变得越来越强，并且达到模块初始化时设定的切换门限电平值时，表明移动台已开始进入与新蜂窝区 (B 区 ) 的交界区域。移动台将所有监测结果送入辖区内的移动交换中心 MSC MSC 经过信息分析处理后，通过原蜂窝区 (A 区 ) 基站向移动台MS 发出切换指令，指明切换方向，并继续跟踪新蜂窝区基站所发出的监测信号，同时开始执行有关切换指令。


2.2 窄带 CDMA 系统第二阶段 : 移动台与原蜂窝区基站和新蜂窝区基站之间同时

建立起通信链路。　　移动台完全进入蜂窝区 A 与蜂窝区 B 的交界处即切换区

后，在保持与原蜂窝区基站进行通话的同时，向新蜂窝区基站发出监测报告，并且与新蜂窝区基站之间同时建立起通话业务。此时，移动台与这两个蜂窝区基站之间的通信所占用的是具有相同频率的通道，也可以说是共用一个频道。移动台此时采用分集合并技术与 A, B 两区基站同时保持通信，并向它们发送切换完成信息。由于切换过程中无线信道具有连续性，同频带贯穿整个系统，所以消除了模拟蜂窝系统和 GSM 数字蜂窝系统在频道切换过程中先中断通话再更换频道的硬切换方式所带来的干扰因素。


2.2 窄带 CDMA 系统第三阶段 : 移动台与新蜂窝区建立起通信链路。当移动台继续朝着新蜂窝区方向移动时，新蜂窝区、原蜂窝区基站都有增加移动台信号输出功率的要求，并向移动台发出有关控制信息。若移动台检测到新蜂窝区的导频信号强度超过原蜂窝区的导频信号强度并达到所规定的门限电平值，且新蜂窝区信号电平在此基础上保持了一定时间，则移动台就会同时向A, B 两区基站发出有关监测报告。收到该报告信息后， B 区基站向移动台发出切换命令信息。移动台收到该命令后，执行命令并发出切换完成信息，于是移动台仅仅保持与 B 区基站之间的通信链路。 A 区基站收到移动台发出的切换完成信息后，就会终止与移动台之间的通信。


2.2 窄带 CDMA 系统　　这样，移动台完成了由与原蜂窝区保持通信链路，过渡

到新蜂窝区、原蜂窝区同时保持通信链路，进而稳定地切换到新蜂窝区之间的越区软切换过程。至此， CDMA 系统中两个蜂窝区之间的越区软切换过程全部结束。


2.2 窄带 CDMA 系统 3.呼叫处理　　 CDMA 系统的呼叫包括移动台呼叫和基站呼叫两个部分。 (1) 移动台呼叫处理。　　移动台呼叫处理流程如图2-44所示。　　①移动台初始化状态。移动台接通电源后就进入“初始化状态”。在此状态下，移动台首先要判定它要在模拟系统中工作还是要在 CDMA 系统中工作。如果是后者，它就不断地检测周围各基站发来的导频信号和同步信号。各基站使用相同的引导 PN序列，但其偏置各不相同，移动台只要改变其本地伪随机序列 (PN) 的偏置，就能很容易地测出周围有哪些基站在发送导频信号。移动台比较这些导频信号的强度，即可判断出自己目前处于哪个小区之中，因为一般情况下，最强的信号是距离最近的基站发送的。


2.2 窄带 CDMA 系统　　②移动台空闲状态。移动台在完成同步和定时后，即由

初始化状态进入“空闲状态”。在此状态中，移动台可接收外来的呼叫，可进行向外的呼叫和位置登记的处理，还能置定所需的码信道和数据率。

　　移动台的工作模式有两种 : 一种是时隙工作模式。如果是后者，移动台要一直监听寻呼信道 ; 如果是前者，移动台只需在其指配的时隙中监听寻呼信道，其他时间可以关掉接收机 ( 有利于节电 ) 。


2.2 窄带 CDMA 系统　　③系统接入状态。如果移动台要发起呼叫，或者要进行位置登记，或者收到一种需要认可或应答的寻呼信息时，移动台即进入“系统接入状态”，并在接入信道上向基站发送有关的信息。这些信息可分为两类 : 一类属于应答信息 (被动发送 ); 一类属于请求信息 ( 主动发送 ) 。

　　要解决的一个问题是移动台在接入状态开始向基站发送信息时，应该使用多大功率的电平。为了防止移动台一开始就使用过大的功率，增大不必要的干扰，这里用到一种“接入尝试”程序，它实质上是一个功率逐步增大的过程。


2.2 窄带 CDMA 系统　　在传输一个接入探测之后，移动台要开始等候一个规定

的时间，以接收基站发来的认可信息。如果接收到认可信息则尝试结束，如果收不到认可信息，则下一个接入探测在延迟一定的时间后被发送。在发送每个接入探测之间，移动台关掉其发射机。

　　④移动台在业务信道控制状态。在此状态中，移动台和基站利用反向业务信道和正向业务信道进行信息交换。为了支持正向业务信道进行功率控制，移动台要向基站报告帧错误率的统计数字。为此，移动台要连续地对它收到的帧总数和错误帧数进行统计。


2.2 窄带 CDMA 系统　　无论移动台还是基站都可以申请“服务选择”。基站在

发送寻呼信息或在业务信道工作时，能申请服务选择。移动台在发起呼叫、向寻呼信息应答或在业务信息工作时，都能申请服务选择。如果移动台 ( 基站 ) 的服务选择申请是基站( 移动台 ) 可以接受的，则它们开始使用新的服务选择。如果移动台 ( 基站 ) 的服务选择申请是基站 ( 移动台 ) 不能接受的，则基站 ( 移动台 )拒绝这次服务选择申请，或提出另外的服务选择申请。移动台 ( 基站 ) 对基站 ( 移动台 ) 所提另外的服务选择申请也可以接受，拒绝或再提出另外的服务选择申请。这种反复的过程称为“服务选择协商”。当移动台和基站找到双方可接受的服务选择或者找不到双方可接受的服务选择时，这种协商过程就结束了。


2.2 窄带 CDMA 系统 (2) 基站呼叫处理　　基站呼叫处理比较简单，有下列几种类型。　　①导频和同步信道处理。在此期间，基站发送导频信号

和同步信号，使移动台捕获和同步到 CDMA 信道，移动台处于初始化状态

　　②寻呼信道处理。在此期间，基站发送寻呼信号，移动台处于空闲状态或系统接入状态。

　　③接入信道处理。在此期间，基站监听接入信道，以接收移动台发来的信息，移动台处于系统接入状态。

　　④业务信道处理。在此期间，基站用正向业务信道与移动台交换信息。同时，移动台处于业务信道控制状态。

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2.2 窄带 CDMA 系统 (3)呼叫流程图　　①由移动台发起的呼叫。由移动台发起的呼叫如图 2-45

所示。　　②以移动台为终点的呼叫。以移动台为终点的呼叫如图

2-46 所示。

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图 2-1 GSM 移动通信系统的组成

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图 2-2 CDMA 移动通信系统的组成

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图 2-3 MS 移动电话机的组成方框图

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图 2-4 SIM卡外形图

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图 2-5 SIM卡引脚功能图

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图 2-6 基站收发信台方框图

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图 2-7 TDMA/FDMA混合接入方式

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图 2-8 GSM 系统的逻辑信道

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图 2-9 GSM 系统数据传输与处理流程图

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图 2-10 GSM 语音编码方框图

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图 2-11 GSM 系统的编码结果

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图 2-12 交织过程示意图

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图 2-13 突发序列形成结果

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图 2-14 TDMA形成过程

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图 2-15 TDMA帧形成结果

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图 2-16 GSM 的基带信号

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图 2-17 GMSK调制框图

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（ a ）正交形式；（ b ） VCO 形式

图 2-18 GSM 网络与 PSTN 网络连接图

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图 2-19 联通 GSM 网络与 PSTN/移动 GSM 网络间互通组网方式示

意图

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图 2-20 省内 GSM 移动通信网络结构示意图

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图 2-21 GSM 移动业务本地网结构示意图

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图 2-22 入网位置更新流程

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图 2-23 非第一次登记流程

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图 2-24 位置更新流程

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图 2-25 不同切换的示意图

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图 2-26 移动用户被呼叫时呼叫建立过程

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图 2-27 CDMA 移动通信系统信号传输与处理方框图

返回（ a ）基站发移动台收；（ b ）移动台发基站收

图 2-28 QPSK调制方框图

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图 2-29 扩频、解扩原理示意图

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图 2-30 三级移位寄存器构成的 PN码发生器

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（ a ） PN 码发生器；（ b ） PN 序列

图 2-31 直扩系统各点波形和频谱

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（ a ）基带信号；（ b ） PN 码；（ c ）扩频信号

图 2-32 CDMA 系统功率控制方框图

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图 2-33 功率控制子信道的结构和替代

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图 2-34 数据扰码器工作原理方框图

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图 2-35 （ 3 ， 1 ）卷积编码器

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图 2-36 （ 2 ， 1 ）卷积编码器

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图 2-37 不同速率下的参数帧结构

返回（ a ）速率 1 的参数帧结构；（ b ）速率 1/2 的参数帧结构；

（ c ）速率 1/4 的参数帧结构；（ d ）速率 1/8 的参数帧结构

图 2-38 QCELP 的语音合成模型

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图 2-39 CDMA 蜂窝系统信道分类示意图

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图 2-40 CDMA 系统的正向传输逻辑信道数据处理示意图

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图 2-41 CDMA 系统的反向传输逻辑信道数据处理示意图

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图 2-42 CDMA 移动通信的网络结构

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图 2-43 CDMA越区切换过程示意图

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图 2-44 移动台呼叫处理流程

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图 2-45 由移动台发起的呼叫简化流程图（使用服务选择 1 ）

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图 2-46 以移动台为呼叫终点简化流程图（使用服务选择 1 ）

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表 2-1 GSM 技术标准规范

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表 2-2 QCELP 中不同速率时的变化参数表

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第二章 第 2 代移动通信系统（ 2g ）

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第二章第 2 代移动通信系统（ 2g ）