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一套完整的蜂窝移动通信系统主要是由交换网络子系统（SS）、无线基站子系统（BSS）、移动台（MS）及操作维护子系统（OMC）四大子系统设备组成。

由于GSM规范是由北欧一些运营公司制定出的规范，为了照顾各运营公司的利益，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。

也就是说，各接口都是开放式接口。

图2-2GSM系统结构

GSM系统如图所示，SS系统包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）；BSS系统包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。

为了各个厂家所生产的设备可以通用，上述各组成部分的连接都必须严格地符合规定的接口标准。

GSM系统遵循CCITT建议的公用陆地移动通信网（PLMN）接口标准，采用7号信令支持PLMN接口进行所需的数据传输。

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。

其中BSC与MSC之间的接口为“A”接口；移动交换中心与访问位置寄存器之间的接口为“B”接口；移动交换中心与归属位置寄存器之间的接口为“C”接口；归属位置寄存器与访问位置寄存器之间的接口为“D”接口；移动交换中心之间的接口为“E”接口；移动交换中心与设备标志寄存器之间的接口为“F”接口；访问位置寄存器之间的接口为“G”接口；BSS与MS之间的接口为“Um”接口；基站收发台与基站控制器之间的接口为“Abis”接口。

图2-3GSM系统中的不同接口

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，SS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。

2.2.1交换网络子系统

交换网络子系统（SS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。

SS由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：

1．MSC移动交换中心

它是GSM网络系统的核心部分，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。

MSC提供交换功能，完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能，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，并提供面向系统其它功能实体和面向固定网（PSTN、ISDN等）的接口功能。

作为网络的核心，MSC与网络其他部件协同工作，完成移动用户位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功能。

MSC处理用户呼叫所需的数据和后面介绍的三个数据库有关，它们是HLR、VLR和AUC，MSC根据用户当前位置和状态信息更新数据库。

2．HLR归属位置寄存器

HLR是一个静态数据库，用来存储本地用户数据信息的数据库。

一个HLR能够控制若干个移动交换区域或整个移动通信网，所有用户重要的静态数据都存贮在HLR中，在GSM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。

HLR储存两类数据：

一是用户的参数，包括MSISDN、IMSI、用户类别、Ki，补充业务等参数。

二是用户的位置信息，即该MS目前处于哪个MSC/VLR中的MSC/VLR地址。

3．VLR拜访位置寄存器

VLR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。

因此VLR可看作一个动态的数据库。

VLR用于寄存所有进入本交换机服务区域用户的信息。

VLR看成是分布的HLR，由于每次呼叫，它们之间有大量的信令传递，若分开，信令链路负荷大，所以在爱立信系统中，VLR和MSC配对合置于一个物理实体中，将MSC与VLR之间的接口做成AXE的内部接口。

VLR中也寄存两类信息：

一是本交换区用户参数，该参数是从HLR中获得的。

二是本交换区MS的LAI。

4．AUC鉴权中心

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。

它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，用户的鉴权和加密都需通过系统提供的用户三参数组参与来完成。

三参数组：

RANDomnumber（RAND）、SignedRESponse（SRES）、CipheringKey（Kc）

AUC存储着鉴权信息与加密密钥，用来进行用户鉴权及对无线接口上的话音、数据、信令信号进行加密，防止无权用户接入和保证移动用户通信安全。

每个用户在注册登记时，就被分配一个用户号码和用户识别码（IMSI）。

IMSI通过SIM写卡机写入SIM卡中，同时在写卡机中又产生一个对应此IMSI的唯一的用户密钥Ki，它被分别存储在SIM卡和AUC中。

AUC中有个伪随机码发生器，用户产生一个不可预测的伪随机数（RAND）。

RAND和Ki经AUC的A8算法（也叫加密算法）产生一个Kc，经A3算法（鉴权算法）产生一个响应数（SRES）。

由RAND、SRES、Kc一起组成该用户的一个三参数组，AUC中每次对每个用户产生7——10组三参数组，传送给HLR，存储在该用户的用户资料库中。

VLR一次向HLR要5组三参数组，每鉴权一次用1组，当只剩下2组（该数值可在交换机中设置）时，再向HLR要5组，如此反复。

空中接口是移动通信中最重要的通道。

保护在它上面所传送的用户信息和信令不被无权者获知，是PLMN网提供的一种重要功能，即用户安全功能。

所谓空中接口的安全是指：

——空中所传送的话音及数据不被窃听

——网络不为无权者提供服务

——使用接口的用户不能被识别或跟踪

针对用户安全问题，GSM提供下列用户安全功能：

Ø1）鉴权（AUTHENTICATION）

鉴权是为了保护合法用户，防止假冒合法用户的“入侵”。

当用户请求接入时，MSC/VLR通过控制信道将RAND传送给用户，SIM卡收到后，用此RAND与SIM卡中的Ki经同样的A3算法得到响应数SRES，传送给MSC/VLR。

MSC/VLR将收到的SRES与三参数组中的SRES进行比较，若相同就允许接入，若不同则拒绝此次呼叫。

图2-4鉴权过程

Ø2）加密（CIPHERING）

就是对用户在空中所传送的用户数据（包括话音及数据）和信令数据进行加密，以保护话务和信令通道中的用户信息的隐私。

加密是指无线信道上的加密，是为了防止在BTS和MS之间交换用户信息和用户参数时被非法个人或团体监听或窃取。

MS侧以A8算法得到Kc。

根据MSC/VLR发送出的加密命令，BTS侧和MS侧同时使用Kc。

在MS侧，由Kc、TDMA帧号和加密命令一起经A5算法，对用户信息数据流进行加密（也叫扰码），在无线路径上传送。

在BTS侧，把收到的数据流、TDMA帧号和Kc再经A5算法解密后传送给BSC和MSC。

图2-5Kc的产生

5．EIR设备识别寄存器

EIR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。

EIR存贮着移动设备的国际移动设备识别号（IMEI），通过核查白色清单、黑色清单、灰色清单这三种表格，分别列出准许使用、出现故障需监视、失窃不准使用的移动设备识别号（IMEI）。

运营部门可据此确定被盗移动台的位置并将其阻断，对故障移动台能采取及时的防范措施。

但在我国，基本上没有采用EIR进行设备识别。

2.2.2无线基站子系统

BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。

功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。

基站子系统BSS在GSM网络的固定部分和无线部分之间提供中继，一方面BSS通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面BSS又连接到网络端的移动交换机。

1．BSC基站控制器

基站控制器（BSC）是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台和操作维护中心之间交换信息提供接口。

一个基站控制器通常控制多个基站收发台，其主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制，控制完成移动台的定位、切换及寻呼等，是个很强的业务控制点。

2．BTS基站收发台

基站收发台（BTS）包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种上小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线，连接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。

BTS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包括无线收发信机和天线，此外还有与无线接口相关的信号处理电路。

信号处理电路将实现多址复用所需的帧和时隙的形成和管理，以及为改善无线传输所需的信道编、解码和加密、解密，速率适配等功能。

2.2.3移动台MS

移动台就是常说的“手机”，它是GSM系统的移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。

MS可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。

SIM卡就是“身份卡”，它类似于现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网络。

SIM卡还存储与网络和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入网络进行正常通信。

2.2.4操作维护子系统

GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网络进行管理和监控。

通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、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、分析与显示等功能。

2.3GSM网络区域组成

CCITT对移动通信系统的区域组成基本定义如下：

GSM服务区：

由一个或几个服务区组成，这些服务区具有完全一致的MS-BS接口。

PLMN：

是指由一家公司负责经营的移动通信业务区域，一般由若干个业务区（移动本地网）组成（此服务区是逻辑上的区域），对于网内存在的若干个MSC，也采用编号方式进行识别和管理。

GSM数字移动通信的一个重要特点是其全球性的组网和连网功能。

MSC/VLR业务区：

MSC所覆盖的服务区域，凡在该区的移动台均在该区的拜访位置寄存器（VLR）登记。

一个移动业务交换中心（MSC）所覆盖的网络部分，可由N个位置区组成。

MSC亦由编号方法来识别管理，通常一个或几个MSC对应一个HLR。

位置区（LA）：

移动台可在其中自由移动而不需要进行位置登记的区域，一个位置区可包含若干小区，在MSC中采用位置区域识别码（LAI）对其进行管理。

基站区：

由一个基站提供服务的所有小区所覆盖的区域。

小区：

一个基站区划分为若干个小区，它是网络中一个基本的无线覆盖的区域。

一个基站（全向形天线）或一个基站子系统（扇形天线）覆盖的区域，由小区全球识别码（CGI）识别位置区内的小区。

蜂窝小区系统有以下三个主要特点：

无线频率资源复用。

由系统所选用的调制方式、带宽确定载干比，在满足这个载干比要求的前提下考虑到多径衰落等因素确定同频复用保护距离。

越区自动切换。

当一个移动用户从某小区移动到另一个小区时，为使通话不被中断需要自动切换信道，用户不会察觉到这个过程。

漫游。

漫游是GSM的一大优点。

所谓漫游功能，是指使PLMN网始终能够跟踪移动用户的实际位置，从而可以方便地将呼叫终接至该用户。

移动用户可自由地漫游在允许范围内。

这个范围不仅仅是在一个PLMN网内，还可以在网间漫游。

用户从一地漫游至另一地，只要开机，就可收发呼叫，而不需作任何事先登记。

另外，用户自由地漫游也意味着当它跨越位置区边界时，进行中的呼叫不被中断。

一个用户的漫游可引起位置更新，或者是切换。

GSM入局呼叫的建立方案也和它密切相关。

图2-6GSM服务区域组成

2.3GSM网络编号计划

2.3.1GSM系统中的各种号码

GSM网络是十分复杂的，它包括交换系统，基站子系统和移动台。

移动用户可以与市话网用户、综合业务数字网用户和其它移动用户进行接续呼叫，因此必须具有多种识别号码。

移动网的号码或标识码较为复杂，一个移动用户可能同时拥有多个号码，有的号码是固定的，有的是临时的，下面对移动用户的号码作个介绍：

1．移动台的国际身份号码ISDN（MSISDN）

是在公用交换电话网编号计划中唯一地识别移动电话的鉴约号码，采用E.164编码。

CCITT建议结构为：

MSISDN＝CC＋NDC＋SN

CC：

国家码，即在国际长途电话通信网中的号码，中国为86；

NDC：

移动服务访问码，移动为135——139，联通为130。

SN：

用户号码，其中H1H2H3是HLR标识码，表明用户所属的HLR。

图2-7MSISDN组成

MSISDN的前面部分CC+NDC+H0H1H2H3其实就是用户所属HLR的GT地址，这样在GMSC查询HLR时可直接利用MSISDN进行SCCP的寻址。

如一个GSM移动手机号码8613981080001，86是国家码CC；139便是NDC，用于识别网号；81080001是用户号码SN，8108用于识别归属区。

2．国际移动用户识别码（InternationalMobileSubscriberIdentity，IMSI）

IMSI唯一地标识了一个GSM移动网的用户，并且能指出用户所属的国家号，PLMN网号和HLR号码。

IMSI分别贮存在用户的身份识别卡SIM卡上，和HLR内，及用户目前访问的VLR内。

在无线接口及MAP接口上传送。

IMSI在所有的用户漫游位置都有效，移动网用它来识别用户，和对用户进行安全鉴别，以判定其是否有权建立呼叫或作位置更新，

IMSI也是15位长，但采用E.212编码，它的组成如下：

IMSI＝MCC＋MNC＋MSIN

MCC：

MobileCountryCode移动用户的国家号，中国是460；

MNC：

MobileNetworkCode移动用户的所属PLMN网号；

中国移动为00，联通为01；

MSIN：

MobileSubscriberIdentificationNumber移动用户标识。

在某一PLMN内MS唯一的识别码编码格式为H1H2H3SXXXXX。

NMSI：

NationalMobileSubscriberIdentification在某一国家内MS唯一的识别码。

图2-8IMSI组成

3．移动台漫游号码（MSRN）

移动用户的特性决定它的位置是不断变动地，仅靠MSISDN还不足以在PLMN网内把一个呼叫送达目标用户，它只指出了用户所属的HLR。

MSRN是由移动用户现访的VLR分配给它的一个临时ISDN号码，通过HLR查询送给GMSC，使得GMSC可建立起一条至目标用户现访VLR的通路，从而把呼叫送达，因此MSRN必须是和MSISDN一样符合国家通信网统一编号方式，并且带有VLR地址信息，它采用E.164编码，其组成如下：

MSRN＝CC＋NDC＋SN

CC：

国家号，中国为86；

NDC：

移动服务访问码，中国移动为135——139，联通为130；

SN：

用户号，对应于用户的IMSI号码

图2-9MSRN组成

MSRN分配过程如下：

市话用户通过公用交换电信网发MSISDN号至GSMC、HLR。

HLR请求被访MSC/VLR分配一个临时性漫游号码，分配后将该号码送至HLR。

HLR一方面向MSC发送该移动台有关参数，如国际移动用户识别码（IMSI）；另一方面HLR向GMSC告知该移动台漫游号码，GMSC即可选择路由，完成市话用户->GMSC->MSC->移动台接续任务。

MSRN在每次开始呼叫时分配给目标用户，用于一次呼叫的路由选择，呼叫完成后即释放，由别的用户使用。

4．切换号码（HONR）

HONR是用来建立切换所涉及的两MSC之间的话路连接的，它是由切换目的MSC收到切换源MSC的切换请求后分配给这次切换的，它可看作MSRN的一部分，组成和MSRN相同。

5．临时移动用户识别码（TemporaryMobileSubscriberIdentity，TMSI）

TMSI是为了对用户的身份保密，而在无线通道上替代IMSI使用的临时移动用户标识，这样可以保护用户在空中的话务及信令通道的隐私，它的IMSI不会暴露给无权者。

它是由VLR分配给在其覆盖区内漫游的移动用户的标识码，和用户的IMSI相对应，只在本地VLR内有效，TMSI可用作位置更新，切换，呼叫，寻呼等操作时的用户识别码，并且可在每次鉴权成功之后被重新分配，该号只在本MSC区域有效，其结构可由运营商自行选择，长度不超过4个字节。

6．国际移动台设备识别码（InternationalMobileEquipmentIdentity，IMEI）

GSM的每个用户终端都有一个唯一的标识码——IMEI，IMEI是和移动台设备相对应的号码，和谁在使用这设备无关，移动网可在任何时候请求工作着的移动台的IMEI，以检查这设备是否属于被窃，或它的型号是否被允许使用，若结果否定，呼叫会被拒绝，在用户不用SIM卡作紧急呼叫（用户按紧急呼叫键）的情况下，IMEI可被用作用户标识号码，这也是唯一的，IMEI用于呼叫的情况，IMEI是唯一用来识别移动台终端设备的号码，称作系列号。

IMEI为15位长，它的组成如下：

IMEI＝TAC＋FAC＋SNR＋SP

TAC：

型号码，由EuropeanTypeApprovalAuthority分配；

FAC：

工厂组装码，由厂家分配，表明生产厂家及产地；

SNR：

流水号，由厂家分配；

SP：

备用。

图2-10IMEI组成

7．位置区识别码（LAI）

LAI代表MSC业务区的不同位置区，用于移动用户的位置更新。

LAI＝MCC＋MNC＋LAC

MCC：

移动国家号，识别一个国家；

MNC：

移动网号，识别国内的GSM网；

LAC：

位置区号码，识别一个GSM网中的位置区，LAC的最大长度为16bits，一个GSMPLMN中可以定义65536个不同的位置区。

图2-11LAI组成

8．小区全球识别码（CGI）

用于识别一个位置区内的小区。

CGI＝MCC＋MNC＋LAC＋CI

其中：

CI为小区识别代码；

LAI：

位置区域识别代码；

MCC：

为移动国家代码，中国为460；

MNC：

移动网号；

LAC：

位置区编号。

（最长16比特，可定义65536个位置区）

图2-12CGI组成

9．基站识别码（BSIC）

用于移动台识别相邻的、采用相同载频的、不同的基站收发信台BTS，特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载频的相邻BTS。

BSIC为一个6比特编码。

BSIC＝NCC＋BCC

NCC：

国家色码，用于识别GSM移动网

BCC：

基站色码，用于识别基站

图2-13BSIC组成

GSM频率资源

3.2.1频率资源

GSM网载频间隔为200kHz，GSM800和GSM900频段上有124个频率载频，GSM1800频段上有374个频率载频，GSM1900频段上有299个频率载频。

每个频率采用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）。

每个频率载频上有8个物理时隙，因此各频段上总的时隙数如下：

124×8=992（GSM800）

124×8=992（GSM900）

374×8=2992（GSM1800）

299×8=2392（GSM1900）

表3.1GSM频率分配表

Up-link

Down-link

GSM800

824——849MHz

869——894MHz

GSM900

890——915MHz

935——960MHz

GSM900G-Band

880——890MHz

925——935MHz

GSM1800

1710——1785MHz

1805——1880MHz

GSM1900

1850——1910MHz

1930——1990MHz

频率标称中心频率与序号的关系由以下公式确定：

上行频率F（n）=890+0.2nMHz

下行频率F（n）=835+0.2nMHz

其中，n为绝对频率号，从1-124。

DCS1800频率编号：

上行频率F（n）=1710+0.2×（n-511）MHz

下行频率F（n）=1805+0.2×（n-511）MHz

其中，n为绝对频率号，从512-885。

3.2.2频率分配

目前我国使用的是GSM900和GSM1800频段，在每端留有200kHz的保护带。

按照国家规定：

中国移动占用890~909MHz上行，935~954MHz下行；

中国联通占用909~915MHz上行，954~960MHz下行。

目前我国GSM用于900MHzGSM的频谱为上下行各25MHz。

目前只有中国移动公司拥有GSM1800网络，拥有1800网络的移动公司大多申请10M的带宽，占用1710~1720MHz上行，1805~1815MHz下行，绝对频率号为512~562。

图3-2GSM通信中的上下行链路

GSM系统中，下行链路（DownLink）是指基站发，MS接收的链路，上行链路（UpLink）是指MS发，基站接收的链路。

3.2.3蜂窝技术

移动通信的飞速发展一大原因是发明了蜂窝技术。

移动通信的一大限制是使用频带比较有限，这就限制了系统的容量，为了满足越来越多的用户需求，必须要在有限的频率范围尽可能大地扩大它的利用率，因此采用多址技术和蜂窝技术。

移动通信系统是采用基站设备来提供无线服务范围，基站的覆盖范围有大有小，把基站的覆盖范围称之为蜂窝。

采用大功率的基站主要是为了提供比较大的服务范围，但它的频率利用率较低，也就是说基站提供给用户的通信通道比较少，系统的容量也就大不起来，对于话务量不大的地方可以采用这种方式，也称之为大区制。

采用小功率的基站主要是为了提供大容量的服务