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GSM通信原理基础理论
第一部分GSM通信原理基础理论
GSM涵义
GSM[1]全名为：
GlobalSystemforMobileCommunications，中文为全球移动通讯系统，俗称"全球通"，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。
我国于20世纪90年代初引进采用此项技术标准，此前一直是采用蜂窝模拟移动技术，即第一代GSM技术（2001年12月31日我国关闭了模拟移动网络）。
目前，中国移动、中国联通各拥有一个GSM网，为世界最大的移动通信网络。
GSM系统包括GSM900：
900MHz、GSM1800：
1800MHz及GSM1900：
1900MHz等几个频段。
GSM（全球移动通信系统）是一种广泛应用于欧洲及世界其他地方的数字移动电话系统。
GSM实际上是欧洲的无线电话标准，据GSMMoU联合委员会报道，GSM在全球有12亿的用户，并且用户遍布120多个国家。
因为许多GSM网络操作员与其他国外操作员有漫游协议，因此当用户到其他国家之后，仍然可以继续使用他们的移动电话。
GSM及其他技术是无线移动通信的演进，无线移动通信包括高速电路交换数据、通用无线分组系统、基于GSM网络的数据增强型移动通信技术以及通用移动通信服务
GSM历史：
20世纪80年代中期，当模拟蜂窝移动通信系统刚投放市场时，世界上的发达国家就在研制第二代移动通信系统。
其中最有代表性和比较成熟的制式有泛欧GSM，美国的ADC（D-AMPS）和日本的JDC（现在改名为PDC）等数字移动通信系统。
在这些数字系统中，GSM的发展最引人注目。
1991年GSM系统正式在欧洲问世，网络开通运行。
GSM数字移动通信系统源于欧洲。
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。
而随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM逐步成为泛欧数字蜂窝移动通信系统的代名词，欧洲的专家们将GSM重新命名为“GlobalSystemforMobileCommunications”，使之成为“全球移动通信系统”的简称。
1990年，由英国提出将1800MHz频段归入GSM标准之中，此建议的目的是针对PCN（PersonalCommunicationsNetwork,即个人通信网）的应用，以进一频适应城区更高容量的需求。
我国自从1992年在嘉兴建立和开通第一个GSM演示系统，并于1993年9月正式开放业务以来，全国各地的移动通信系统中大多采用GSM系统，使得GSM系统成为目前我国最成熟和市场占有量最大得一种数字蜂窝系统。
在发展的过程中，GSM系统的功能不断得到丰富，从而能够提供更多样的服务。
由GSM系统首先引入的短信息服务（SMS）提供了一种新颖、便捷、廉价的通讯方式。
1994年，GSM实现了基于电路交换的数据业务和传真服务。
1999年，WAP协议使得用户可以通过手机访问互联网。
2000年后开始商用的通用分组无线服务（GPRS）使得GSM系统能够以效率更高的分组方式提供数据通讯。
2003年,EDGE技术开始商用，提供了接近3G的数据通讯能力。
目前，3GPP组织还在发展GSM标准，以便利用已经大量部署GSM基础设施，平滑地向3G技术演进。
GSM特点
1.GSM使用上直观的特点：
GSM系统有几项重要特点：
防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。
2.GSM的技术特点：
1）.频谱效率。
由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。
2）.容量。
由于每个信道传输带宽增加，使同频复用栽干比要求降低至9dB，故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小（模拟系统为7/21）；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比TACS系统高3～5倍。
3）.话音质量。
鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。
4）.开放的接口。
GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且报刊网络直接以及网络中个设备实体之间，例如A接口和Abis接口。
5）.安全性。
通过鉴权、加密和TMSI号码的使用，达到安全的目的。
鉴权用来验证用户的入网权利。
加密用于空中接口，由SIM卡和网络AUC的密钥决定。
TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。
6）.与ISDN、PSTN等的互连。
与其他网络的互连通常利用现有的接口，如ISUP或TUP等。
7）.在SIM卡基础上实现漫游。
漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。
GSM系统可以提供全球漫游，当然也需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。
[一]GSM数字移动通信系统
我们了解GSM网络所能够提供的业务后，有必要知道这些业务在GSM网络是如何设计和配置以实现这些业务的。
图1GSM系统框图
1.1：
GSM系统的组成
和其它移动通信网络一样，GSM网络也大致由终端、无线接入设备和核心网络等几部分组成。
具体包括交换网络子系统（NSS）、无线基站子系统（BSS）、操作维护子系统（OSS）和移动台（MS）四大部分。
图1.1.1蜂窝移动通信系统的组成
GSM系统框图如图1.1所示，其中BSS部分包括有基站控制器（BSC）、基站收发信台（BTS）和码型转换单元（TC）；NSS部分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）；OSS部分包括有操作与维护中心-无线部分（OMC-R）、操作与维护中心-移动部分（OMC-M）和操作与维护中心-交换部分（OMC-S）；移动台部分（MS），其中包括移动终端（MT）和客户识别卡（SIM）。
1.1.1无线基站子系统
图1.1.2无线基站子系统的组成
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。
它给MS和NSS之间提供了传输通道并管理这个通道。
BSS功能实体可分为BTS、BSC和TC。
BTS：
BTS包括收发信机和天线,以及与无线接口有关的信号处理电路等无线接口设备，它完全由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。
BSC：
主要负责控制和管理,主要由BTS控制部分、交换部分和公共处理器部分等组成。
具有对一个或多个BTS进行控制和管理的功能，它主要是进行无线信道的分配,释放以及越区信道切换的管理等,起中BSS系统中交换设备的作用。
TC：
具有码型转换，速率适配的功能。
1.1.2:
交换网络子系统
交换网路子系统（NSS）包括实现GSM的主要交换功能的交换中心以及管理用户数据和移动性的所需的数据库。
NSS由一系列功能实体所构成，各功能实体间以及NSS与BSS之间通过符合CCITT信令系统No.7协议规范的7号信令网络互相通信。
它的主要作用是管理GSM用户和其他网络用户之间的通信。
移动业务交换中心MSC：
是GSM系统的核心，它完成最基本的交换功能，即实现移动用户与其它网络用户之间的通信连接。
提供面向系统其他功能实体的接口、到其他网络的接口以及与其他MSC互连的接口。
MSC为用户提供承载业务、基本业务与补充业务等一系列服务，还支持位置登记、越区切换和自动漫游等功能。
为了建立至移动台的呼叫路由，相关的MSC还应能完成关口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。
拜访位置寄存器VLR：
是存储所管辖区域中所有用户的全部有关信息，为已经登记的移动用户提供建立呼叫连接的必要条件。
是一个动态数据库，需要随时与有关的HLR进行大量的数据交换以保证数据的有效性。
当用户离开其覆盖区时，用户的有关信息将被删除。
VLR在物理实体上总是与MSC一体。
归属位置寄存器HLR：
是GSM系统的中央数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。
每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：
一是有关客户的参数，包括用户的漫游权限、基本业务和补充业务等；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。
一个HLR可以覆盖几个移动交换区域甚至整个移动网。
鉴权中心AUC：
存储用户的加密信息，用以保护用户在GSM系统中的合法地位不受侵犯。
用于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。
是一个受严格保护的数据库，在物理实体上与HLR共存。
设备识别寄存器EIR：
也是一个数据库，存储有关移动台IMEI有关的信息。
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。
在GSM网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。
另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。
1.1.3:
操作维护子系统
图1.1.3操作维护子系统的组成
GSM系统的操作维护子系统（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配置管理、故障管理和性能管理等功能。
其功能实体包括有无线部分的操作与维护中心（OMC-R）、移动部分的操作与维护中心（OMC-M）、交换部分的操作与维护中心（OMC-S）、GPRS部分的操作与维护中心（OMC-G）和网管中心（NMC）。
1.1.4:
移动台
移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（MT）和客户识别卡（SIM）。
移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收，以及实现鉴权、位置更新等通信处理。
SIM卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的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进网，但SIM卡本身不是充值卡或预付费卡。
1.2GSM系统的业务功能
GSM是一种多业务系统，可以依照用户的需要为用户提供各种形式的通信。
习惯上，人们把话音业务与数据业务（或称非话音业务）区别开来：
话音业务中，信息是话音，而数据业务传送包括电文、图像、传真及计算机文件等在内的其他信息。
除了这些外，GSM还提供些非传统的业务，如短信业务。
为用户提供的服务取决于三个独立因素：
1）用户注册的业务网络运营部门为用户提供了所有可提供业务的项目，同时确定相应的费率，用户按照自己的需要选择并为之付费，网络运营部门也只为用户提供其注册登记的业务。
2）网络能力并不是所有的网络都能提供同样的服务范围，用户使用的业务可能会与它漫游进入的网络有关。
3）用户终端性能有些业务需要用户终端的配合。
例如传真业务在只有话音业务的终端上就无法提供。
通信网络提供的基本业务主要涉及传输媒介和建立呼叫的方式。
补充业务则使用户能够更好的接受基本业务或是简化电信的日常使用，为用户提供方便，如呼叫前转、来电显示等。
基本业务与补充业务的区别在于，一项补充业务可以适用于几个基本业务。
GSM所提供的基本业务可分为承载业务和电信业务，这两种业务是独立的通信业务，其差别在于用户的接入点不同。
电信业务主要包括话音业务、数据业务及短信业务等。
1.2.1承载业务
GSM系统一开始就考虑兼容多种在ISDN中定义的承载业务，满足GSM移动客户对数据通信服务的需要。
GSM系统设计的承载业务不仅使移动客户之间能完成数据通信，更重要的是能为移动客户与PSTN或ISDN客户之间提供数据通信服务，还能使GSM移动通信网与其它公用数据网互通，例如公用分组数据网和公用电路数据网。
GSM系统各种承载业务的定义都可归结为在R／S参考点（参见图1.2.1）之间提供信息传送，用来支持多客户应用。
图1.2.1GSM支持的业务接入点
GSM系统第一阶段提供的承载业务，其业务编号、名称、终端网路和在MS的接入口等见表1.2.2所示，需要说明的是，在表中“MS（或IWF互通功能）的接入接口”括号内的数字表示终端网路的代号，不加括号的数字表示在MS或互通功能（1WF）所需的接入接口特征编号，分别与不同的终端网路相对应，也就是说对于不同的终端网路可采用不同的或系统的接入接口。
表1.2.3表示了接入接口的编号。
表1.2.2GSM第一阶段提供的承载业务
表1.2.3接入接口编号
在MS（IWF所需）的接入接口
编号
模拟四线
0
V.21DTE/DCE接口
1
V.22DTE/DCE接口
2
V.22bisDTE/DCE接口
3
V.23DTE/DCE接口
4
V.26terDTE/DCE接口
5
V.32DTE/DCE接口
6
X.21
7
X.25
8
S接口
9
不定义接口
A
在传输数据业务时，MSC应启用互通功能单元（1WF），见图1.2.4，互通功能单元是为完成数据连通而规定的全部功能。
数据业务要求MS与BS空中接口具有不同协议，因而它是在其低层上把这些不同协议联系在一起。
图1.2.4数据传输网路示意图
透明与不透明的主要差异在于透明支持业务与不透明支持业务，只需用承载业务的业务特征质量指定为透明值或不透明值来区分。
多种客户应用需要不同种类的承载业务，要支持各种承载业务也就需要经过不同类型的MS或IWF接入接口和终端网路。
下面归纳性地介绍一下不同种类的承载业务所能支持的各种客户应用：
①归纳在承载业务具有透明和不透明非限制数字能力的非结构电路型，所支持的多种客户应用经过速率适配的子速率信息流。
②归纳在承载业务分组组合和分解器（PAD）业务，所支持的多种客户应用包括：
---经过速率适配的高速率信息流；
---接入分组组合／分解功能。
②归纳在承载业务分组业务，所支持的多种客户应用包括：
---接入X.25公用数据网，采用X32或X3l选择A接入；
---X31选择B接入的应用（虚拟电路承载业务）。
④归纳在承载业务具有透明和不透明交替话音／非限制数字能力的非结构电路型，所支持的多种客户应用包括：
---经过速率适配的子速率信息流；
---具有在呼叫中交替话音和数据的能力。
⑤具有透明和不透明话音后接非限制数字能力的非结构电路型，所支持的多种客户应用包括：
---经过速率适配的子速率信息流；
---一开始建立话音呼叫，然后在呼叫持续过程中的某端时间能使客户转换为数据通信。
实际上，以上对不同种类的承载业务所支持的各种客户应用阐述也就是各种承载业务在定义上的差异点。
1.2.2话音业务
话音业务是GSM系统提供的最主要的业务,这种业务允许GSM用户与其它GSM用户或其它固定用户双向通话。
电话业务派生出两种特殊业务：
一是紧急呼叫业务，这种业务使移动用户通过拨打一个简单号码接入到就近的紧急业务中心（如警局或消防中心）。
一般约定以112这个号码作为紧急业务号码，紧急业务不收费。
另一个是语音信箱，这种业务能把话音储存起来，以备收方提取。
在呼叫不能接通时，用户可以将声音信息存入GSM语音信箱，一旦收方接通就会得到通知，收方就可以从语音中提取存储的话音信息。
语音信箱提高了网络效率，又为用户带来方便。
1.2.3数据业务
GSM规范在制定时便按照ISDN（综合业务数字网）模式为用户提供各种数据业务。
因为数字业务的应用越来越广泛，GSM系统的数字业务包括大部分为固定电话用户和ISDN用户提供的数字业务，由于移动信道的局限性，在信号速率和容量方面受到一定的限制。
1.2.4短消息业务
短信息服务是一种类似寻呼的业务。
它不仅仅可以从系统中得到短信息，也能实现GSM用户之间的短信息传递，主要有以下几种：
（1）点对点短信息业务 GSM用户可以发出或接收长度有限的数字或文字消息。
移动台接收这种消息时与寻呼接收机类似，消息会显示在移动台显示屏上。
但GSM网的短信息业务比寻呼网功能更强，主要原因是GSM网具有双向通信能力。
GSM系统可以确认收方是否收到所发的短信息，即使用户关机或处于不服务区，GSM系统能将短信息存于系统内，当GSM用户重新接入系统后，能从系统中取出信息并给系统发出确认信息。
这种方式可确保用户的短消息不被丢失，而寻呼网不能做到这一点。
（2）短消息小区广播 GSM系统可在特定的地区向移动台发送广播信息，在GSM技术规范中对这些信息不设地址也不加密，任何移动台只要有这一业务功能就能接收并对信息进行解码。
1.2.5补充业务
补充业务修改和添加了基本业务,它主要是允许用户能够选择网络对其呼叫的处理以及通过网络为用户提供信息,使用能更充分地利用基本业务。
GSM所提供的补充业务共有8大类：
1.2.5.1号码类补充业务
（1）主叫号码识别显示（CNIP）：
向被叫方提供主叫方的MSISDN号码。
（2）主叫号码识别码限制（CNIR）：
限制将主叫方的MSISDN号码提供给被叫方。
（3）被叫号码识别显示（CONP）：
将被叫方的MSISDN号码提供给主叫方。
（4）被叫号码识别限制（CONR）：
限制将被叫方的MSISDN号码提供给主叫方。
（5）恶意呼叫识别（MCl）：
移动客户可要求在网路中识别并记录一个不希望的呼入源。
1.2.5.2呼叫提供类补充业务
（1）无条件呼叫前转（CFU）：
被服务的移动客户可以让网路将呼叫他的所有入局呼叫接至另一个设定号码。
（2）遇移动客户忙呼叫前转（CFB）：
当遇到被叫移动客户忙时，将入局呼叫接至另一个设定号码。
（3）遇无应答呼叫前转（CFNR）：
当网路遇被叫移动客户无应答时，将入局呼叫接至另一设定号码。
（4）遇移动客户不可及呼叫前转（CFNR）：
当移动客户末登记、没有SIM卡、或无线链路阻塞、或移动客户离开无线覆盖区域，而无法找到时，将入局呼叫接至另一个设定号码。
（5）呼叫转移（CT）：
能使客户将已经建立（即进入通话状态）的呼叫转移给第三方。
进行呼叫转移的移动客户可以是主叫方，也可以是被叫方。
（6）移动接入搜索（MAN）：
使入呼叫能按照某种次序在一组接入点范围内进行搜索，以接通其中某一移动客户。
这组接入点仅限于一个MSC区域内，每一移动接入搜索组分配有一个直接号码，只需拔打直接号码就可搜索属于搜索组并登记于同一MSC／VLR区域的移动客户。
1.2.5.3呼叫完成类补充业务
（1）呼叫等待（CM）：
可以通知处于忙状态的被叫移动客户有来话呼叫等待，然后由被叫方选择是否接受还是拒绝这一等待中的呼叫。
（2）呼叫保持（HOLD）：
允许移动客户在现有的呼叫连接上暂时中断通话，让对方听录音通知，而在随后需要时重新恢复通话。
（3）至忙客户的呼叫完成（CCBS）：
主叫移动客户遇被叫忙时，可在被叫空闲时被通知，如需要可提供重新发起该呼叫的业务。
1.2.5.4多方通信类补充业务
（1）三方业务（3PTY）：
可使正在进行的呼叫另增一个对第三方的呼叫，即三方之间能够互相听到各方的声音。
也可根据需要，暂时与某一方的通话置于保持状态而只与一方通话。
任何一方可以独立退出三方通话。
（2）会议电话（CONF）：
允许一个客户与多个客户同时通话，并且这些客户之间也能同时通话。
1.2.5.5集团类补充业务
闭合客户群（CUG）：
能使一些客户构成闭合客户群，呼入和呼出该客户群要受限制。
一个特定的移动客户可以是一个或多个CUG的成员。
一个特定CUG的成员彼此间可以相互进行通信，但一般不能与客户群外的客户通信。
CUG的某些特定成员可以有附加能力，使它们能向客户群外发出呼叫和／或接受来自客户群外的呼叫。
1.2.5.6计费类补充业务
（1）计费通知（AOC）：
此业务可以将呼叫的计费信息实时地通知应付费的移动客户。
计费通知可以是如下一个或多个类型：
---呼叫终了的计费信息
---呼叫期间的计费信息
---呼叫建立期间的计费信息
（2）免费业务（FPH）：
指移动客户为所有呼叫该客户的电话支付话费。
（3）对方付费（REVC）：
通常指移动客户作为被叫，在主叫明确提出对方付费请求而经被叫同意后可由被叫方付费。
但是被叫方也可拒绝，不应答而不接通电话或者不承认主叫方而接通电话。
1.2.5.7附加信息传送类补充业务
客户至客户信令（UUS）：
此业务允许许多应答客户发送通过信令信道透明传输的有限量的客户信息至另一个PLMN或ISDN客户，或从这些客户接收信息。
客户可以在呼叫建立的不同阶段发送客户至客户的信息。
1.2.5.8呼叫限制类补充业务
（1）闭锁所有出局呼叫（BAOC）：
除紧急呼叫外，不允许有任何出局呼叫。
（2）闭锁所有国际出局呼叫（BOIC）：
阻止移动客户进行所有出局国际呼叫，仅可与本国的PLMN或固定网建立出局呼叫，不管此PLMN是否为归属PLMN。
（3）闭锁除归属PLMN国家外的所有国际呼叫（BOICEXXHC）：
仅可与本国的PLMN或固定客户，以及与归属PLMN某一运营部电在不同国家经营的同一PLMN所跨及的国家的PLMN或固定网建立出局呼叫。
（4）闭锁所有入局呼叫（BAIC）：
移动客户无法接收任何入局呼叫。
（5）当漫游出归属PLMN国家后，闭锁入局呼叫（BAIC-Roam）：
当移动客户漫游出归属PLMN所跨及的国家后，闭锁所有入局呼叫。
1.3GSM的编号和识别方案
GSM系统是一个十分复杂的通信系统，它包括众多的功能实体和繁杂的实体间、子系统间及网络间的接口。
为了将一个呼叫接续至某个用户，系统需要调用相应的实体，因此要实现正确的寻址，编号计划就显得尤为重要。
由于GSM系统的业务类似于ISDN网的延伸，因此GSM系统采用了CCITT建议中的“网号”编号方案，即将GSM系统作为一个电话网的独立编号方案，此时的PLMN相对于PSTN完全独立，其各种号码也就完全独立于PSTN。
1.3.1MSISDN――移动用户号码（移动台ISDN
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