GSM全球移动通信系统概述.docx

1、GSM全球移动通信系统概述GSM全球移动通信系统概述 无线通信系统的基本概念、蜂窝通信 GSM系统组成、网络结构、接口与协议、业务功能 GSM无线传输原理、标准、语音编码、信道编码与调制解调 移动台登记、漫游、切换、呼叫接续过程1 蜂窝无线通信系统的基本概念1.1无线通信系统的定义表1.1列出了用来描述无线通信系统基本要素的术语定义。 表1.1 无线通信系统要素定义 术语 定义 基站移动无线系统中的固定站台，用来和移动台进行无线通信。基站建在覆盖区域 的中央或边缘，包含无线信道和架在塔上的发射与接收天线 控制信道用于呼叫建立，呼叫请求，呼叫初始化和其他标志及控制用途 前向通道用于从基站向用户传

2、送信息的无线信道全双工系统同时允许双向通信的通信系统。发送和接收一般使用两个不同的频道（例如FDD），而新的无绳或个人通信系统使用TDD技术半双工系统使用一条信道来发送和接收，只允许单向通信的通信系统。在任一个指定的时刻，用户只能发送或接收信息 切换将移动台从一个信道或基站切换到另一个信道或基站的过程移动台在蜂窝移动服务中，计划在不确定的地点并在移动中使用的终端移动交换/中心在大范围服务区域中协调呼叫路由的交换中心。在蜂窝系统中，移动交换中心将蜂窝基站和用户连到公用交换电话网上。移动交换中心也叫作移动电话交换局 寻呼将简短的信息广播到整个服务区域中，一般通过许多基站同时广播的方式进行 反向信道

3、用来从移动用户向基站传输信息的无线信道 漫游移动台可以在不是最初登记的区域内通信 单工系统只提供单向通信的通信系统 用户使用移动通信服务而付费的使用者 收发信机能同时发送和接收无线信号的设备频分双工（FDD）中，一对有着固定频率间隔的单向信道用作系统中的特定无线信道。在美国的AMPS标准中，反向信道比前向信道的频率低45MHz(即手机的发比收低45MHz)。模拟无线系统只采用FDD。时分双工（TDD）方式，在时间上分享一条信道，将其一部分时间用于从基站向用户发送信息，而其余的时间用于从用户向基站发送信息。如果信道内的数据传输速率远大于终端用户的数据速率，就可以存储用户数据，即使在同一时刻不存在

4、两条同步无线传输信道，仍能给用户提供全双工操作。TDD只在数字传输和数字调制时才可以使用。1.2 蜂窝无线通信系统 蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破，是一种系统级的概念。其思想是用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。每个基站分配整个系统可用信道中的一部分，相邻基站则分配另外一些不同的信道，这样基站之间（以及在它们控制下的移动用 户之间）的干扰就最小。只要基站间的同频干扰在可以接受的范围以内，可用信道就可以尽可能的复用。1.2.1 频率复用 蜂窝无线系统依赖于整个覆盖区域内信道的分配及复用。每一个蜂窝

5、基站分配一组无线信道，这组无线信道作用于一个小区。给相邻小区的基站分配一个信道组，所包含的信道全部不能在相邻小区内使用。通过将基站天线的覆盖范围限制在小区边界以内，相同的信道组就可用于覆盖不同的小区，只要距离足够远，相互间的干扰就可以接受。为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程就叫做频率复用（Frequency Reuse）。现在考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统。如果每个小区都分配k个信道（kS），并且S个信道在N个小区中分为各不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，那么可用无线信道的总数表示为 S = k N 。共同使用全部 可用频率的N个小区叫做一簇（

6、Cluster）。如果簇在系统中共复制了M次，则双向信道的总数可以作为容量的一个度量C = M k N = M S。 蜂窝系统的容量直接与簇在某一固定范围内复制的次数成正比。因数N叫做簇的大小，典型值为4、7、12。如果簇的大小N减小但是小区的数目保持不变，则需要更多数目的簇来覆盖原来给定的范围，从而获得了更大的容量。M变大N变小意味着小区半径与同频小区间距离之比变大，M变小N变大则意味着小区半径与同频小区间距离之比变小。从设计的角度来看，N尽可能的取最小值，以便获得某一给定覆盖范围内的最大容量，但是一定要顾及到使用相同频率的小区距离过近而引起的同频干扰必须限制在可以接受的范围以内。蜂窝系统的

7、频率复用因子为1/N，因为一个簇中的每个小区都只能使用所有可用信道的1/N。 图1-1说明了蜂窝频率复用的思想。标有相同字母的小区使用相同的频率，相同颜色的小区组成一个簇，并在覆盖区域上进行复制。图中簇的大小N为7，频率复用因子为1/7。B内含K个信道此簇为N=7M为复制次数3 图1-1 蜂窝频率复用思想图解1.2.2 越区切换 当一个移动台正在通话的时候，从一个基站移动到另一个基站，为了使通话不被中断，系统自动地将呼叫转移到新基站的信道上。这种切换操作不仅要识别一个新基站，而且要求将话音和信令信号分派到新基站的信道上，此过程不需要用户的介入。 在小区内分配空闲信道时，许多切换策略都使切换请求

8、优先于呼叫初始请求。系统设计者必须要指定一个启动切换的最恰当的信号强度，一旦将某个特定的信号强度指定为基站接收机中可接受的话音质量的最小可用信号（一般在90 dBm到 100 dBm之间），稍微强一点的信号强度就可作为启动切换的门限，两者之间的信号强度之差值的选择必须慎重。在决定何时切换的时候，很重要的一点是要保证所检测到的信号电平的下降不是因为瞬时的衰减，而是由于移动台正在离开当前服务的基站，所以基站在准备切换之前先对信号监视一段时间。1.2.3 信道分配 信道分配策略可以分为两类：固定的和动态的。 在固定的信道分配策略中，每个小区分配给一组预先确定好的语音信道。小区中的任何呼叫都只能使用该

9、小区中的空闲信道，如果该小区的所有信道都已被占用，则出现呼叫阻塞。有一种借用策略，就是当某小区的所有信道都已被占用，则允许它从相邻小区中借用信道并且不影响借出小区的任何一个正在进行的呼叫，该过程由移动交换中心（MSC）来管理。 在动态的信道分配策略中，语音信道不是固定地分配给各个小区。每次呼叫请求来的时候，为它服务的基站就向MSC请求一个信道，交换机则根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道，当然这种算法必须考虑到避免同频干扰。动态的信道分配策略可以减小阻塞的可能性，系统中的所有可用信道对于所有小区都可用。1.2.4 干扰 干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素，是系统增加容量的重要瓶颈。蜂窝系

10、统中两种主要的干扰是：同频干扰和邻频干扰。 同频干扰 使用同一组频率的同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰，减小同频干扰必须在物理上隔开一个最小的距离。 假设每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为小区半径R和相距最近的同频小区的中心之间距离D的函数。增加D/R的值，同频干扰减小。参数Q叫做同频复用比例，与簇的大小有关。对于六边形来说，Q表示为：Q = D/R =。Q的值越小，则容量越大；但是Q的值大则同频干扰小。 邻频干扰 来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰。邻频干扰是由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的

11、。 邻频干扰可以通过精确的滤波和信道分配而减到最小。通过使小区中的信道间隔尽可能的大，邻频干扰会减小。通过顺序地将连续的信道分配给不同的小区，许多分配方案可以使得在一个小区内的邻频信道间隔为N个信道带宽，其中N是簇的大小。有些信道分配方案还通过避免在相邻小区中使用邻频信道来阻止一些次要的邻频干扰。1.2.5 小区分裂 随着服务需求的提高，实际中使用了小区分裂、裂向和覆盖区域逼近等技术来增大蜂窝系统容量。 小区分裂是将拥塞的小区分成更小小区的方法，每个新小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安置这些小区，使得单位范围内的信道数目增加

12、，提高了信道的复用次数，因此能提高系统容量。例如，将一个半径为R的小区分裂为半径为R/2的新小区，则需要4个新小区才能覆盖原来的范围。当然，新小区的发射功率也应该下降，通过检查在新旧小区边界接收到的功率，并令它们相等来得到新小区的发射机功率。实际上，不是所有的小区都同时分裂，不同规模的小区将同时存在，这时需要特别注意保持同频小区间所需的最小距离，频率分配将变得更为复杂，而且发射机的功率也不尽相等。 2 GSM全球移动通信系统概述2.1 GSM的发展概述GSM原意为“移动通信特别小组”（Group Special Mobile），是欧洲邮电主管部门会议（CEPT）为开发第二代数字蜂窝移动系统而在

13、1982年成立的机构，开始制定适用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。1987年，欧洲15个国家的电信业务经营者在哥本哈根签署了一项关于在1991年实现泛欧900MHz数字蜂窝移动通信标准的谅解备忘录（Memorandum of Understanding，简称MOU）。随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM逐步成为欧洲数字蜂窝移动通信系统的代名词。后来，欧洲的专家们将GSM重新命名为“Global System for Mobile Communications”，即“全球移动通信系统”的简称。目前，宣布采用GSM系统并参加MOU的国家早就不限在欧洲。在1995年初，全世界

14、就已有69个国家约118个经营者签字参加了MOU。2.2 GSM的系统构成GSM系统由以下分系统构成：交换分系统（MSS）；基站分系统（BSS）；移动台（MS）和操作与维护分系统（OMS）。它包括了从固定用户到移动用户（或相反）所经过的全部设备，如图2-1所示。2.2.1交换分系统（MSS） 包括以下几个部分：移动交换中心（MSC），归属位置寄存器（HLR），拜访位置寄存器（VLR），认证（鉴权）中心（AUC），设备标志寄存器（EIR）。 移动交换中心（MSCMobile Service Switching Center） 它主要处理与协调GSM系统内部用户的通信接续。MSC对位于其服务区内的

15、移动台（MS）进行交换与控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。作为交换设备，MSC具有完成呼叫接续与控制的功能，同时还具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新，MS的越区转接控制等。移动用户没有固定位置，要为网内用户建立通信时，路由都先接到一个关口交换局（GMSCGateway MSC），即由固定网接到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所拜访的移动交换局（VMSC）。GMSC首先根据移动用户的电话号码找到该用户所属的归属位置寄存器HLR，然后从HLR中查询到该用户目前的VMSC。GMSC一般都与某个MSC合在一起，只要使MSC具有关

16、口功能就可实现。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）。GMSC与固定网相接，固定网有公众电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公众数据网PSPDN和电路交换公众数据网CSPDN。MSC与固定网互连需要通过一定的适配才能符合对方网络对传输的要求，称其为适配功能（IWFInter Working Function）。 归属位置寄存器（HLRHome Locate Register） HLR是管理移动用户的数据库，作为物理设备，它是一台独立的计算机。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。HLR所存储的信息分两类：一类

17、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。 拜访位置寄存器（VLRVisitor Location Register） VLR是存储用户位置信息的动态链接库，当漫游用户进入某个MSC区域时，必须在MSC相关的VLR中进行登记，VLR分配给移动用户一个漫游号（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（MSRN）、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

18、HLR中传过来的。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。由于MSC与VLR之间交换信息很多，所以两者的设备通常合在一起。 认证（鉴权）中心（AUCAuthentication Center） 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。认证参数包括随机号码RAND、信号响应SREC和密匙KC。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进行核对，合法用户才能接入网络，并得到网络的服务。 设备标志寄存器（EIREquipment Identification Register） EIR是存储有

19、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，它与MSC相连接。2.2.2 基站分系统（BSS）BSS包含GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有地面基础设施，通过无线接口直接与移动台实现通信连接。BSS具有控制功能与无线传输功能，完成无线信道的发送、接收和管理。它由基站控制器（BSCBase Station Controller）和 基站收发信台（BTSBase Transceiver Station）两部分组成。 基站控制器（BSC）BSC的一侧与移动交换分系统相连接，另一侧与BTS相连接。一个基站分系统只有一个BSC，而有多套BTS。

20、它的功能是负责控制和管理，BSC通过对BTS和MS的指令来管理无线接口，主要进行无线信道分配、释放以及越区信道的切换管理。 基站收发信台（BTS）BTS负责无线传输，每个BTS有多部收发信机（TRX），即占用多个频率点，每部TRX占用一个频率点，而每个频率点又分成8个时隙，这些时隙就构成了信道。BTS是覆盖一个小区的无线电收发信设备。BTS还有一个重要的部件称为 码型转换器（Transcoder）和 速率适配器（Rate Adaptor），简称TRAU。它的作用是将GSM系统中话音编辑信号与标准64kbit/sPCM相配合，例如移动台（MS）发话，它首先进行语音编码，变为13kbit/s的数字

21、流，信号经BTS收信机的接收，其输出仍为13kbit/s信号，需经TRAU后变为64kbit/sPCM信号，才能在有线信道上传输。同时，要传送较低速率数据信号时，也需经过TRAU变成标准信号。2.2.3 移动台（MS）移动台靠无线接入进行通信，线路不固定，因此它必须具备用户的识别号码。GSM系统采用用户识别模块SIM（Subscriber Identity Module），将模块做成信用卡的形式。SIM卡中存又用户身份认证所需的信息，并能执行一些与安全保密有关的信息。移动设备只有插入SIM卡后才能进网使用。2.2.4 操作与维护分系统（OMS）操作与维护管理的目的是使网络运营者能监视和控制整个

22、系统，把需要监视的内容从被监视的设备传到网络管理中心，显示给管理人员；同时，应该使管理人员在网络管理中心还应该能修改设备的配置和功能。2.3 GSM系统的网络结构GSM系统可构成全球移动通信系统。它由多个国家构成，将其称为GSM服务区。对于一个国家（或少数几个国家）的移动网，称为公众陆地移动网（PLMNPublic Land Mobile Network）服务区，这个服务区又可分为多个MSC/VLR服务区。将MSC/VLR又可分为若干个位置区（LA），最小的单元为小区（Cell）。移动网与固定网相连之处称为关口交换中心（GMSC），将全部入局（网）呼叫接至一个或多个GMSC，它们作为该移动网的

23、入网汇接交换机，具有为呼叫查询、选择呼叫路由的功能。上述结构如图2-2。2.3.1 MSC/VLR业务区MSC服务区表示网络中由一个MSC所覆盖的部分。一个PLMN通常由多个MSC服务区组成，在该区内的移动用户要在该区的拜访位置寄存器（VLR）内登记，MSC与VLR构成同一节点。2.3.2 位置区（LA）每个MSC/VLR业务区分成几个位置区。位置区是MSC/VLR业务区的一部分，在一个位置区内移动台可“自由地”移动，不需作位置更新处理。在一个位置区内发射广播消息，以便找到移动用户，是一个寻呼区域。一个位置区只属于某个MSC/VLR业务区，利用位置区识别码（LAI），系统能够区分不同位置区。一

24、个位置区含有几个小区，且可能和一个或几个BSC有关，它是定位和寻呼区。2.3.3小区（Cell）一个位置区包括若干个小区，每个小区都有专用的识别码，它表示网络中一个基本的无线覆盖区域，是一个特定BTS所覆盖的区域。利用基站识别码（BSIC）移动台能区分各小区。2.4 GSM系统的接口与协议 GSM系统非常复杂，每次通信前都要交换大量的信令，最后才能完成呼叫接续，在此基础上才是传输、进行双向通信。接口是指两个相邻实体之间的连接点，协议是说明在连接点上交换信息需要遵守的规则。信令是个非常复杂的过程，采用电信网开放系统互连模式OSI的概念，把协议按功能分为不同的层面，每一层都有各自的协议规约。2.4

25、.1 公众陆地移动网（PLMN）的接口GSM系统的各种接口如图2-3所示。 Sm接口为人机接口，是用户与移动网之间的接口，在移动台中实现，包括键盘、液晶显示以及用户识别卡等。 Um接口是移动台与基站收发信台之间的无线接口，包含信令接口和物理接口两方面的含义，无线接口的不同是数字移动通信网与模拟移动通信网主要区别之一。 A接口是基站与移动交换中心之间的接口，所传递的信息主要是基站管理、呼叫处理和移动性管理，当然还有具体通信信息。 Abis接口是基站系统中基站控制器BSC与基站收发信台BTS之间的无线接口，支持所有向用户提供的服务，着重支持对BTS无线设备的控制和分配的无线资源管理。 HLR/VL

26、R/AVC/EIR之间的接口是指 在移动交换分系统中的各种接口，移动应用部分MAP用来处理与呼叫无关的信令，与许多协议相关。将MAP/X表示成X接口的MAP协议，X从B一直到I。这些协议都是由CCS7信令中的事物处理能力应用部分TCAP提供服务的，而它本身又由CCS7中的信令连接控制部分SCCP提供服务。 B接口是移动交换中心MSC与拜访位置寄存器VLR之间的接口。当MSC需要某个移动台位置时，就查询VLR；当MSC得到移动台要求位置更新时，MSC就会通知VLR。 C接口是移动交换中心MSC与归属位置寄存器HLR之间的接口，主要用于传递管理与路由选择信息。当呼叫结束时，相应的MSC向HLR发送

27、计费信息。当固定网不能查询HLR以获得所需移动用户位置信息时，有关的关口交换局GMSC就应查询此用户归属的HLR，以获得被呼移动台的漫游号码，再传递给固定网。 D接口是归属位置寄存器HLR与拜访位置寄存器VLR之间的接口，用于移动台位置和用户管理的信息交换。VLR将归属于HLR的移动台当前位置通知HLR，在再提供该移动台的漫游号码；HLR向VLR发送支持该移动台服务所需的所有数据。当移动台漫游到另一个VLR服务区时，HLR应通知原来的VLR消除移动台的有关信息。 E接口是移动交换中心之间的接口，在两个MSC之间交换有关越区切换信息。 F接口是移动交换中心与设备标志寄存器EIR之间的接口，用于在

28、MSC与EIR之间交换有关移动设备的管理信息，例如国际移动台设备识别码等。 G接口是拜访位置寄存器VLR之间的接口，当某个移动台使用临时移动台号码TMSI在新的VLR中登记时，通过G接口在VLR之间交换有关信息。2.4.2 接口协议模型 作为第二代蜂窝移动网，数字PLMN采用开放系统互连模式OSI来规定其协议模型，如图2-4所示，它是从MS到MSC之间的各种接口及其协议。 OSI参考模型的基本结构是分层，根据分层的概念，通信处理过程可以看作由最低层到最高层的若干有序的逻辑层次构成。在不同系统中，为实现共同目的而必须交换信息的同一层实体称对等实体。相邻层次中的实体通过共同层面相互作用。低层向高层

29、提供服务，第N层所提供的服务是它以下各层所提供的服务与功能的组合。 无线接口Um的协议第一层为物理层，记作L1，它是最低层，包括各类信道，为高层信息的传输提供基本无线信道。 第二层L2为数据链路层，记作LAPDm，它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。 第三层L3为最高层，称作应用层，它包括各类消息和程序，对业务进行控制。第三层包括无线资源管理RRM、移动性管理MM和呼叫接续管理CM。 Abis接口的协议与Um接口协议稍有不同，它的物理层为64kbit/s地面线路，链路层为LAPD。具体情况为：第一层为64kbit/s地面线路，第二层为消息传递部分MTP，它是CCS7信令网中的一部分。M

30、TP包含有更多的网络协议，并集中了全部的链路层协议。信令连接控制部分SCCP与MTP共同在A接口上构成网络层协议。 移动性管理MM和呼叫接续管理CM在BSC内是透明传输的。2.5 GSM系统的特点及业务功能2.5.1 GSM系统的主要特点 移动台具有漫游功能GSM给移动台定义了三种识别码：一个是DN码，是在公用电话号码簿上可以查到的统一电话号码；第二个是移动台漫游号码（MSRN），是在呼叫漫游用户时使用的号码，由VLR临时指定，并根据此号码将呼叫接至漫游移动台；第三个是国际移动台识别码（IMSI），是在无线信道上使用的号码，用于用户寻呼和识别移动台。根据上述三个识别码，可以准确无误地识别某个移

31、动台。漫游用户必须进行位置登记。当A区的移动台进入B区后，它会自动搜索该区基站的广播信道，从中获得位置信息。当其发现接收到的区域识别码与自己的号码不同时，漫游移动台会向当地基站发出位置更新请求，B区的被访局收到此信号后，通知本局的VLR，VLR即为漫游用户指定一个临时号码MSRN，并将此号码通过CCS7号信令通知移动台所在业务区备案。这样，当固定用户呼叫漫游移动用户时，拨移动台的DN码，DN码首先经公用交换网络接至最靠近的本地GSM移动业务交换中心（GSMC），GSMC利用DN码访问母局位置登记器即归属位置寄存器（HLR），从中获取漫游台的MSRN码，GSMC根据此码将呼叫接至被访问的移动业务交换中心（VMSC），VMSC接到MSRN号码后，证实漫游台是否仍在本区工作，经确认后，VMSC将MSRN码转换成国际移动台识别码（IMSI），通过基站，在无线信道上向漫游台发出呼叫，从而建立通话。 可提供多种业务除语音通话外，GSM系统还能提供多种数据业务、三类传真、可视图文等，并能支持ISDN终端。 具有较好的保密功能保密措施通过“认证中心”实现，认证方式是一个“询问响应”过程。在通信过程开始时，首先由网络向移动台发出一个信号并同时启动自己的“用户认证”单元，移动台收到这个信号后，连同内部的“电子密钥”一起来启动“用户认证”单元，并将结果返回网络；网络将这两个“用户认证”单元结果相