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GSM
一、GSM系统结构
1.系统的基本特点
GSM数字蜂窝移动通信系统（简称GSM系统）是完全依据欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制而成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。
GSM系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点：
GSM系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。
各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的GSM系统或子系统能互连；
GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对于全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关；
GSM系统除了可以开放话音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务和与ISDN相关的业务；
GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；
GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承载能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；
GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高；
用户终端设备（手持机和车载机）随着大规模集成电路技术的进一步发展能向更小型、轻巧和增强功能趋势发展。
2.系统的结构与功能
图1GSM系统结构
GSM系统是由若干个子系统或功能实体组成，如图1所示。
其中基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网络子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。
NSS必须管理通信业务，保证MS与相关的公用通信网或与其它MS之间建立通信，也就是说NSS不直接与MS互通，BSS也不直接与公用通信网互通。
MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分。
操作支持系统（OSS）则提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。
OSS：
操作支持子系统 BSS：
基站子系统 NSS：
网路子系统NMC：
网路管理中心 DPPS：
数据后处理系统 SEMC：
安全性管理中心
PCS：
用户识别卡个人化中心 OMC：
操作维护中心 MSC：
移动业务交换中心
VLR：
来访用户位置寄存器 HLR：
归属用户位置寄存器 AUC：
鉴权中心
EIR：
移动设备识别寄存器 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：
综合业务数字网
MS：
移动台
移动台（MS）
移动台（MS）是用户直接使用，完成移动通信的设备，主要是SIM卡。
SIM卡上包含所有与用户有关的无线接口一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息；而物理设备可以是手持机，车载机或是由移动终端直接与终端设备相连而构成。
基站子系统（BSS）
基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。
它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。
另一方面，基站子系统与网路子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。
当然，要对BSS部分进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接。
基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分的功能实体构成。
基站子系统还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM）。
码变换器在更多的实际情况下是置于BSC和MSC之间，在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具有许多优点。
①基站收发信台（BTS）
基站收发信台（BTS）属于基站子系统的无线部分，由基站控制器（BSC）控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动台（MS）之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。
BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。
②基站控制器（BSC）
基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理。
BSC主要由下列部分构成：
朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相接的Ater接口的数字中继控制部分；朝向与BTS相接的Abis接口或BS接口的BTS控制部分；公共处理部分，包括与操作维护中心相接的接口控制；交换部分。
网路子系统（NSS）
网路子系统（NSS）主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。
NSS由一系列功能实体构成，整个GSM系统内部，即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7协议和GSM规范的7号信令网路互相通信。
1移动业务交换中心（MSC）
移动业务交换中心（MSC）是网路的核心，它提供交换功能及面向系统其它功能实体：
基站子系统BSS、归属用户位置寄存器HLR、鉴权中心AUC、移动设备识别寄存器EIR、操作维护中心OMC和面向固定网（公用电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN、电路交换公用数据网CSPDN）的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。
移动业务交换中心MSC可从三种数据库，即归属用户位置寄存器（HLR）、访问用户位置寄存器（VLR）和鉴权中心（AUC）获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。
反之，MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。
MSC可为移动用户提供一系列业务：
电信业务。
例如：
电话、紧急呼叫、传真和短消息服务等；
承载业务。
例如：
3.1KHz电话，同步数据0.3kbit/s～2.4kbit/s及分组组合和分解（PAD）等；
补充业务。
例如：
呼叫前转、呼叫限制、呼叫等待、会议电话和计费通知等。
当然，作为网路的核心，MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动特征性能和其它网路功能。
对于容量比较大的移动通信网，一个网路子系统NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR，为了建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫，无需知道移动用户所处的位置。
此呼叫首先被接入到入口移动业务交换中心，称为GMSC，入口交换机负责获取位置信息，且把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC，称为被访MSC（VMSC）。
因此，GMSC具有与固定网和其它NSS实体互通的接口。
目前，GMSC功能就是在MSC中实现的。
根据网路的需要，GMSC功能也可以在固定网交换机中综合实现。
2访问用户位置寄存器（VLR）
访问用户位置寄存器（VLR）是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。
VLR从该移动用户的归属用户位置寄存（HLR）处获取并存储必要的数据。
一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。
因此，VLR可看作为一个动态用户数据库。
VLR功能总是在每个MSC中综合实现的。
3归属用户位置寄存器（HLR）
归属用户位置寄存器（HLR）是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。
一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。
HLR还存储且为MSC提供关于移动用户实际漫游所在的MSC区域扔关动态信息数据。
这样，任何入局呼叫可以即刻按选择路径送到被叫的用户。
4鉴权中心（AUC）
GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行保密等。
因此，鉴权中心（AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。
AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。
5移动设备识别寄存器（EIR）
移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码，使得运营部门对于不管是失窃还是由于技术故障或误操作而危及网路正常运行的MS设备，都能采取及时的防范措施，以确保网路内所使用的移动设备的唯一性和安全性。
操作支持子系统（OSS）
操作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。
移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。
用户数据管理一般由归属用户位置寄存器（HLR）来完成这方面的任务，HLR是NSS功能实体之一。
用户识别卡SIM的管理也可认为是用户数据管理的一部分，但是，作为相对独立的用户识别卡SIM的管理，还必须根据运营部门对SIM的管理要求和模式采用专门的SIM个人化设备来完成。
呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动业务交换中心MSC和GMSC分别处理，也可以采用通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据的方式。
移动设备管理是由移动设备识别寄存器（EIR）来完成的，EIR与NSS的功能实体之间是通过SS7信令网路的接口互连，为此，EIR也归入NSS的组成部分之一。
网路操作与维护是完成对GSM系统的BSS和NSS进行操作与维护管理任务的，完成网路操作与维护管理的设施称为操作与维护中心（OMC）。
从电信管理网路（TMN）的发展角度考虑，OMC还应具备与高层次的TMN进行通信的接口功能，以保证GSM网路能与其它电信网路一起纳入先进、统一的电信管理网路中进行集中操作与维护管理。
直接面向GSM系统BSS和NSS各个功能实体的操作与维护中心（OMC）归入NSS部分。
可以认为，操作支持子系统（OSS）已不包括与GSM系统的NSS和BSS部分密切相关的功能实体，而成为一个相对独立的管理和服务中心。
主要包括网路管理中心（NMC）、安全性管理中心（SEMC）、用于用户识别卡管理的个人化中心（PCS）、用于集中计费管理的数据后处理系统（DPPS）等功能实体。
3接口和协议
为了保证网路运营部门能在充满竞争的市场条件下灵活选择不同供应商提供的数字蜂窝移动通信设备，GSM系统在制定技术规范时就对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了比较具体的定义，使不同供应商提供的GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通、组网的目的。
为使GSM系统实现国际漫游功能和在业务上迈入面向ISDN的数据通信业务，必须建立规范和统一的信令网路以传递与移动业务有关的数据和各种信令信息，因此，GSM系统引入7号信令系统和信令网路，也就是说GSM系统的公用陆地移动通信网的信令系统是以7号信令网路为基础的。
GSM系统的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。
这三种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网路子系统设备能纳入同一个GSM数字移动通信网运行和使用。
图2为GSM系统的主要接口图。
图2.GSM系统的主要接口
GSM系统的主要接口：
1A接口
A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心（MSC）与基站控制器（BSC）之间的互连接口，其物理链接通过采用标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现。
此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。
②Abis接口
Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于BTS（不与BSC并置）与BSC之间的远端互连方式，物理链接通过采用标准的2.048Mb/s或64kbit/sPCM数字传输链路来实现。
图2所示的BS接口作为Abis接口的一种特例，用于BTS（与BSC并置）与BSC之间的直接互连方式，此时BSC与BTS之间的距离小于10米。
此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。
2Um接口（空口接口）
Um接口（空中接口）定义为移动台与基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通，其物理链接通过无线链路实现。
此接口传递的信息包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等。
网路子系统内部接口
网路子系统由移动业务交换中心（MSC）、访问用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）等功能实体组成，因此GSM技术规范定义了不同的接口以保证各功能实体之间的接口标准化，其示意图如图3所。
图3.网络子系统内部接口
1D接口
D接口定义为归属用户位置寄存器（HLR）与访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口。
用于交换有关移动台位置和用户管理的信息，为移动用户提供的主要服务是保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼叫。
实用化的GSM系统结构一般把VLR综合于移动业务交换中心（MSC）中，而把归属用户位置寄存器（HLR）与鉴权中心（AUC）综合在同一个物理实体内。
因此D接口的物理链接是通过移动业务交换中心（MSC）与归属用户位置寄存器（HLR）之间的标准2.048Mb/s的PCM数字传输链路实现的。
2B接口
B接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的内部接口。
用于移动业务交换中心（MSC）向访问用户位置寄存器（VLR）询问有关移动台（MS）当前位置信息或者通知访问用户位置寄存器（VLR）有关移动台（MS）的位置更新信息等。
3C接口
C接口定义为归属用户位置寄存器（HLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的接口。
用于传递路由选择和管理信息。
如果采用归属用户位置寄存器（HLR）作为计费中心，呼叫结束后建立或接收此呼叫的移动台（MS）所在的移动业务交换中心（MSC）应把计费信息传送给该移动用户当前归属的归属用户位置寄存器（HLR），一旦要建立一个至移动用户的呼叫时，入口移动业务交换中心（GMSC）应向被叫用户所属的归属用户位置寄存器（HLR）询问被叫移动台的漫游号码。
C接口的物理链接方式与D接口相同。
4E接口
E接口定义为控制相邻区域的不同移动业务交换中心（MSC）之间的接口。
当移动台（MS）在一个呼叫进行过程中，从一个移动业务交换中心（MSC）控制的区域移动到相邻的另一个移动业务交换中心（MSC）控制的区域时，为不中断通信需完成越区信道切换过程，此接口用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换。
E接口的物理链接方式是通过移动业务交换中心（MSC）之间的标准2.048Mbit/sPCM数字传输链路实现的。
5F接口
F接口定义为移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的接口。
用于交换相关的国际移动设备识别码管理信息。
F接口的物理链接方式是通过移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的标准2.048Mbit/s的PCM数字传输链路实现的。
6G接口
G接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口。
当采用临时移动用户识别码（TMSI）时，此接口用于向分配临时移动用户识别码（TMSI）的访问用户位置寄存器（VLR）询问此移动用户的国际移动用户识别码（IMSI）的信息。
G接口的物理链接方式与E接口相同。
GSM系统与其它公用电信网的接口
其它公用电信网主要是指公用电话网（PSTN），综合业务数字网（ISDN），分组交换公用数据网（PSPDN）和电路交换公用数据网（CSPDN）。
GSM系统通过MSC与这些公用电信网互连，其接口必须满足CCITT的有关接口和信令标准及各个国家邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。
根据我国现有公用电话网（PSTN）的发展现状和综合业务数字网（ISDN）的发展前景，GSM系统与PSTN和ISDN网的互连方式采用7号信令系统接口。
其物理链接方式是通过MSC与PSTN或ISDN交换机之间标准2.048Mbit/s的PCM数字传输实现的。
如果具备ISDN交换机，HLR与ISDN网之间可建立直接的信令接口，使ISDN交换机可以通过移动用户的ISDN号码直接向HLR询问移动台的位置信息，以建立至移动台当前所登记的MSC之间的呼叫路由。
各接口协议
GSM系统各功能实体之间的接口定义明确，同样GSM规范对各接口所使用的分层协议也作了详细的定义。
协议是各功能实体之间共同的“语言”，通过各个接口互相传递有关的消息，为完成GSM系统的全部通信和管理功能建立起有效的信息传送通道。
不同的接口可能采用不同形式的物理链路，完成各自特定的功能，传递各自特定的消息，这些都由相应的信令协议来实现。
GSM系统各接口采用的分层协议结构是符合开放系统互连（OSI）参考模型的。
分层的目的是允许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议，每层协议在明确的服务接入点对上层协议提供它自己特定的通信服务。
下图4给出了GSM系统主要接口所采用的协议分层示意图。
图4.系统主要接口的协议分层结构
系统主要接口的协议分层示意图
1协议分层结构
.信号层1（也称物理层）这是无线接口的最低层、提供传送比特流所需的物理链路（例如无线链路）、为高层提供各种不同功能的逻辑信道，包括业务信道和逻辑信道，每个逻辑信道有它自己的服务接入点。
.信号层2主要目的是在移动台和基站之间建立可靠的专用数据链路，L2协议基于ISDN的D信道链路接入协议（LAP-D），但作了更动，因而在Um接口的L2协议称之为LAP-Dm。
.信号层3这是实际负责控制和管理的协议层，把用户和系统控制过程中的特定信息按一定的协议分组安排在指定的逻辑信道上。
L3包括三个基本子层：
无线资源管理（RR）、移动性管理（MM）和接续管理（CM）。
其中一个接续管理子层中含有多个呼叫控制（CC）单元，提供并行呼叫处理。
为支持补充业务和短消息业务，在CM子层中还包括补充业务管理（SS）单元和短消息业务管理（SMS）单元。
2信号层3的互通
在A接口，信令协议的参考模型如下图5所示。
由于基站需完成蜂窝控制这一无线特殊功能，这是在基站自行控制或在MSC的控制下完成的，所以子层（RR）在基站子系统（BSS）中终止，无线资源管理（RR）消息在BSS中进行处理和转译，映射成BSS移动应用部分（BSSMAP）的消息在A接口中传递。
图5.A接口信令协议参考模型
BSSAP：
BSS应用部分 SCCP：
信令连接控制部分
DTAP：
直接转移应用部分 MTP：
消息传递部分
BSSMAP：
BSS移动应用部分
基站要自行控制或在MSC的控制下实现对蜂窝的管理这一无线功能，无线资源管理子层（RR）即是定义此功能的，无线资源管理子层（RR）消息在BSS中进行处理和转评，映射成BSS移动应用部分（BSSMAP）的消息在A接口中传递。
子层移动性管理（MM）和接续管理（CM）都至MSC终止，MM和CM消息在A接口中是采用直接转移应用部分（DTAP）传递，基站子系统（BSS）则透明传递MM和CM消息，这样就保证L3子层协议在各接口之间的互通。
3NSS内部及GSM系统与PSTN之间的协议
图6.应用于GSM系统的7号信令协议层
TUP：
电话用户部分BSSAP：
BSS应用部分
ISUP：
ISDN用户部分SCCP：
信令连接控制部分
MAP：
移动应用部分MTP：
消息传递部分
TACP：
事务处理应用部分
在网路子系统（NSS）内部各功能实体之间已定义了B、C、D、E、F和G接口，这些接口的通信（包括MSC与BSS之间的通信）全部由7号信令系统支持，GSM系统与PSTN之间的通信优先采用7号信令系统。
支持GSM系统的7号信令系统协议层简单地用图6表示。
与非呼叫相关的信令是采用移动应用部分（MAP），用于NSS内部接口之间的通信；与呼叫相关的信令则采用电话用户部分（TUP）和ISDN用户部分（ISUP），分别用于MSC之间和MSC与PSTN、ISDN之间的通信。
应指出的是，TUP和ISUP信令必须符合各国家制定的相应技术规范，MAP信令则必须符合GSM技术规范。
二、GSM的组网
对于电信运营者来说，系统所能提供的服务容量是他们最关心的问题。
同时，在无线频率资源一定的情况下，如何增加用户服务也是设计时需考虑的。
由于GSM系统采用数字处理方法，使得频率可在很小范围内复用。
用这些复用区域覆盖整个物理地域，同时考虑合理性，则是组网必须考虑的。
但从整个通信网的观点看，则要简单得多，图7表示出了GSM整个组网个概括。
图7.GSM网络
由图可见，由一个GMSC控制若干个MSC，一个MSC控制若干个BSC，而一个BSC又可控制若干个BTS,BTS提供GSM网中最小单位小区的服务，在整个移动服务网中，自然分出了区域级别。
1.服务区
服务区是指移动台可获得服务的区域，即不同通信网（如PLMN、PSTN或ISDN）用户无需知道移动台的实际位置而可与之通信的区域。
一个服务区可由一个或若干个公用陆地移动通信网（PLMN）组成，可以是一个国家或是一个国家的一部分，也可以是若干个国家。
2.公用陆地移动通信网（PLMN）
PLMN是由一个公用陆地移动通信网（PLMN）提供通信业务的地理区域。
PLMN可以认为是网路（如ISDN网或PSTN网）的扩展，一个PLMN区可由一个或若干个移动业务交换中心（MSC）组成。
在该区内具有共同的编号制度（比如相同的国内地区号）和共同的路由计划。
MSC构成固定网与PLMN之间的功能接口，用于呼叫接续等。
3.MSC区
MSC是由一个移动业务交换中心所控制的所有小区共同覆盖的区域构成PLMN网的一部分。
一个MSC区可以由一个或若干个位置区组成。
4.位置区
位置区是指移动台可任意移动不需要进行位置更新的区域。
位置区可由一个或若干个小区（或基站区）组成。
为了呼叫移动台，可在一个位置区内所有基站同时发寻呼信号。
5.基站区
由置于同一基站点的一个或数个基站收发信台（BTS）包括的所有小区所覆盖的区域。
6.小区
采用基站识别码或全球小区识别进行标识的无线覆盖区域。
在采用全向天线结构时，小区即为基站区。
三、GSM系统主要参数
频带的划分及使用
特性 GSM900
发射频带（MHZ）基 站移动台
935～960890～915
双工间隔 45MHZ
频带宽 200KHZ
射频双工信道总数 124
基站最大有效发射功率射频载波峰值（W） 300
业务信道平均值（W） 37.5
小区半径（KM）最小最大 0.535
接续方式 TDMA
调制 GMSK
传输速率（kbps） 270.833
全速率话音编译码比特率（kbps）误差保护
139.8
编码算法 RPE-LTP RPE-LTP
信道编码 具有交织脉冲检错和1/2编码率卷积码
时延均衡能力（us） 20
国际漫游能力 有
每载频信道数全速率8半速率16
我国GSM系有两个运营部门经营，频率使用情况如下：
中国移动：
890~909MHZ（移动台发）935~954MHZ（基站发）
中国联通：
909~915MHZ（移动台发）954~960MHZ（基站发）
随着业务的发展，系统向1800MHZ频段的DCS1800过渡，即使用1800MHZ频段。
DCS1800系统工作频段如下：
上行（移动台发，基站收）1710~1785MHZ；
下行（基站发，移动台收）1805~1880MHZ；
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