GSM通讯与手机原理.docx
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GSM通讯与手机原理
GSM通讯与手机原理
PrincipleofGSMCommunicationandMobilePhone
EditedbyZhangYunwang
2012年3月6日
目录
一、GSM数字移动通信发展史3
1.1GSM系统历史背景3
1.2GSM系统技术规范4
GSM规范版本演进5
二、GSM通信系统6
2.1GSM通信系统的组成6
2.2基站子系统（BSS）6
2.2.1.MS（MobilStation）：
移动台/移动用户6
2.2.2.BS（BaseStation）基站7
2.2.3BSC（BaseStationController）基站控制器7
2.2.4BTS（baseTranreciverStation）基站收发信台7
2.3网路子系统（NSS）7
2.3.1MSC：
移动交换中心8
2.3.2VLR：
拜访位置寄存器8
2.3.3HLR：
所属位置暂存器8
2.3.4AUC：
鉴权中心8
2.3.5EIR：
设备识别暂存器8
2.3.6OMC：
操作维护中心9
三、GSM关键技术9
3.1保密措施9
3.1.1系统提供三参数组9
3.1.2鉴别权力9
3.1.3加密10
3.1.4设备识别码10
3.1.5临时识别码（TMSI）10
3.1.6PIN码10
3.2BTS和MS间Um接口11
3.2.1空间接口的无线特性11
3.2.1.1工作频段11
3.2.1.2频道间隔11
3.3TDMA技术12
3.3.1TDMA系统特性12
3.3.2TDMA频道12
3.3.3TDMA帧（FRAME）15
3.4基站与移动台间的时间调整16
3.5话音编码17
3.6信道编码17
四、GSM蜂窝系统19
4.1频道管理19
4.2GSM功能19
4.2.1话音功能19
4.2.2数据传输服务20
4.2.3短消息服务20
4.3GSM用户通话过程20
4.4呼叫处理21
4.4.1MS主叫21
4.4.2MS被叫21
五、GSM手机22
5.1GSM900／1800双频手机RF部分的主要技术指标22
5.2双频手机RF部分基本工作原理22
5.2.1下行链路接收机单元23
5.2.2上行链路发射单元23
5.3几种不同的接收机RF接收方案24
5.4发射单元24
5.5频率合成器24
5.5.1基本电路25
5.5.2IF和RF频率合成器鉴相频率25
5.5.3锁定时间25
5.6基带25
5.7基带语音信号传输流程27
5.8基带技术实现及芯片的构成29
六、GSM手机的测试29
6.1主要的射频测试有：
29
6.2手机的话音控制能力和GSM功能测试30
6.3手机测试仪器30
七、GSM手机维修的常用方法30
一、GSM数字移动通信发展史
1.1GSM系统历史背景
GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。
蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。
直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS（先进的移动电话业务）模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT（Nordic移动电话）系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C－450系统等。
见下表。
1991年欧洲主要蜂窝系统
国家
系统
频带
建立日期
用户数（千）
英国
TACS
900
1985
1200
瑞典、挪威
芬兰、丹麦
NMT
450
900
1981
1986
1300
法国
Radiocom2000
NMT
450，900
450
1985
1989
300
90
意大利
RTMS
TACS
450
900
1985
1990
60
560
德国
C－450
450
1985
600
瑞士
NMT
900
1987
180
荷兰
NMT
450
900
1985
1989
130
奥地利
NMT
TACS
450
900
1984
1990
60
60
西班牙
NMT
TACS
450
900
1982
1990
60
60
蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。
其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点：
*各系统间没有公共接口
*很难开展数据承载业务
*频谱利用率低无法适应大容量的需求
*安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。
尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，对客户之间造成很大的不便。
GSM数字移动通信系统史源于欧洲。
早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。
当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。
为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大会）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。
在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组GroupSpecialMobile，简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。
1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。
1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见。
同年，欧洲17个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。
与此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。
1990年完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套12系列。
1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（Globa1systemforMobilecommunications）。
从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。
同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCSI800系统。
该系统与GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCSI800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为GSM系统。
1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。
到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50％。
1993年欧洲第一个DCSI800系统投入运营。
到1994年已有6个运营者采用了该系统。
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1.2GSM系统技术规范
GSM系统技术规范中只对功能和接口制定了详细规范，未对硬件做出规定。
这样做目的是尽可能减少对设计者限制，又使各运营者有可能购买不同厂家的设备。
GSM系统技术规范共分12章：
系列01概述
02业务方面
03网路方面
04MS－BS接口与协议
05无线路径上的物理层
06话音编码规范
07MS的终端适配器
08BS－MSC接口
09网路互通
10业务互通
11设备和型号认可规范
12操作和维护
这些系列规范都是由ETSI组建的不同工作组和专家组编写而成的。
1988年春天完成第一阶段标准的第一个版本，以支撑当时的投标活动。
后来修改过几次，1990年以后除了传真方面的规范外，其它很少作改动，1992年底基本冻结。
第二阶段标准到1993年底也基本完成了主要部分，并与1994年底冻结，为了提高系统的性能，从1994年6月又开始考虑第2＋阶段的有关标准的定义，后并入第二阶段标准。
GSM规范版本演进
当前的GSM规范版本是第二阶段增强版本（GSMPhase2+），出现于1997年。
下面看一看GSM规范各个版本之间的演进特点：
Phase1：
在1991年发表之时，GSM仅仅提供最基本的电话和紧急呼叫服务。
在随后的几年之中，也逐渐地增加了数据、短消息业务和有限的附加业务（呼叫转移、呼叫限制等）。
Phase2：
在1995年，不断修订的GSM规范再次被冻结，形成第二阶段版本，次年，符合第二阶段版本要求的手机也开始面世。
第二阶段规范的主要特征是：
·G3传真；
·半速率话音；
·增强全速率话音；
·分层小区结构；
·改进的小区选择与重选机制；
·改进的加密算法；
·更多的补充业务（主叫号码显示/多方通话/呼叫等待/通话保留/呼叫等待等）；
Phase2+：
第二阶段以后的标准修订工作仍然在继续，但是新的版本不叫做第三阶段而是叫做第二阶段增强版本，意指移动通信朝第三代的演进（注：
2000年7月ETSI宣布Phase2+终止，着手进行3GPP工作，3GPP即：
3rdGenerationPartnershipProject）。
Phase2+并不是一个单一的版本，而是每年都有一个版本公布。
Phase2+的主要特征是：
·14.4kbps数据；
·HSCSD－HighSpeedCircuitSwitchedData；
·GPRS－GeneralPacketRadioService；
·SIMApplicationToolkit；
·VoiceGroupCallService；
·CAMEL（IntelligentNetwork）；
技术的发展使人们着手规划第三代移动通信。
GPRS是GSM网络朝着第三代移动通信演进的第一步。
在这一步中，最重要的意义在于两点：
一是在GSM网络中引入分组交换能力，二是将速率提高到100kbit/s以上。
GPRS是GSMPhase2+（1997年）规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。
于是我们可以看出移动通信演进的脉络：
在第二代的数字移动网络（如GSM）中引入分组交换能力，并提升速度（在GPRS中一个MS终端可以占用一个载波的8个时隙进行数据传输），培育移动数据通信/移动互联网业务市场，在业务的基础上，分阶段进行网络演进，将GSM网络升级到第三代系统。
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二、GSM通信系统
2.1GSM通信系统的组成
GSM蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统（BSS）和移动台（MS）三大部分组成，如下图所示。
其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。
在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的限制。
因此，各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。
也就是说，NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备，而MS可用不同厂家的设备。
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2.2基站子系统（BSS）
基站子系统是由下列部份所构成：
2.2.1.MS（MobilStation）：
移动台/移动用户
移动台是用户端的设备总称，它可以是车载型，便携型，手持型。
在移动端有一个
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