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GSM系统基础知识

GSM数字移动通信系统

基础知识

2000年4月27日

目录

1概述3

1.1模拟移动通信4

1.2数字移动通信系统的发展4

1.3GSM系统提供的业务6

2蜂窝小区系统7

2.1蜂窝小区7

2.2蜂窝小区系统的特点8

2.3蜂窝小区系统的容量8

2.4小区覆盖8

2.5无线接口管理9

2.6移动性9

2.6.1位置管理9

2.6.2越区切换9

2.7漫游9

2.8用户识别卡10

3GSM数字蜂窝移动系统10

3.1系统构成11

3.1.1移动台（MS）11

3.1.2基站子系统（BSS）12

3.1.2.1基站收发信台（BTS）12

3.1.2.2基站控制器（BSC）13

3.1.2.3码形变换器（TC）13

3.1.3网络子系统（NSS）13

3.1.3.1移动业务交的中心（MSC）14

3.1.3.2拜访位置寄存器（VLR）15

3.1.3.3归属位置寄存器（HLR）16

3.1.3.4鉴权中心（AUC）16

3.1.3.5移动设备识别寄存器（EIR）17

3.1.4运营子系统（OSS）17

3.2GSM系统接口17

3.2.1Um接口20

3.2.2Abis接口21

3.2.3A接口23

3.2.4NSS内部接口24

3.2.4.1MAP/E24

3.2.4.2MAP/B25

3.2.4.3MAP/G25

3.2.4.4MAP/F25

3.2.4.5MAP/C25

3.2.4.6MAP/D25

3.2.5GSM系统与其它公用电信网接口25

1概述

传递信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。

通信系统的一般模型如下图所示。

图1.1通信系统的一般模型（单向）

◆信息源和收信者

信息源可分为模拟信源和离散信源。

模拟信源（如电话机，电视摄像机）输出幅度连续的信号；离散信源（如计算机）输出离散的符号序列或文字。

模拟信源可通过采样和量化变化为离散信源。

◆发送设备

发送设备的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的消息信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。

◆传输媒介

传输媒介可以分为无线和有线。

◆接收设备

接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，从带有干扰的信号中正确恢复出原始消息来。

上图所示为单向传输系统，实际通信系统一般是双向传输系统，信息源和收信者组合在一起。

如果两个方向有各自的传输媒介，则双方都可以独立进行发送和接收；若共用一个传输媒介，则应该用频率或时间分割的办法共享媒介。

数字通信系统的组成如图1.2所示。

图2.2数字通信系统的组成（单向）

信源编码是为了去除信源信息的冗余，而进行压缩编码。

信道编码是为了减少信息经信道传输后产生的差错，增加了一些冗余。

通信系统除了完成信息传递之外，还需要进行信息交换，传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统。

80年代以来，世界电信业发生了巨烈的变化。

数字程控交换机的推出，综合业务数字网的开发成功，以及对智能业务网的研制和探索，为实现个人通信打下了网络基础。

移动通信特别是蜂窝小区的技术迅猛发展，将为彻底摆脱终端产品设备的束缚，实现完整的个人通信提供可靠的传输和接续方式。

这样，无线移动通信已经成为电信领域中发展速度最快，最受人们欢迎，最灵活方便的先进的通信技术之一。

移动通信的主要目的是实现任何时间，任何地点和任何对象之间的通信。

从移动通信的具体表现形式来看，陆地移动通信（PLMN）占有绝对的地位。

是整个移动通信领域中的主要内容。

从陆地移动通信的具体实现形式来分主要有模拟移动通信和数字移动通信这二种。

1.1模拟移动通信

尽管陆地移动通信的发展可以追溯到半个世纪以前，但直到80年代中期，随着蜂窝组网技术的完善和大容量系统的出现。

陆地移动通信发展才进入了高峰阶段。

截止到1994年，有10多个国家和地区移动电话普及率超过3%，其中尤以北欧国家最发达，达9%。

在我国，从1987年模拟移动通信系统开通以来，年增长率超过200%。

到1994年，用户已逾250万户。

世界上现在使用的模拟移动通信系统主要有：

AMPS（美国），TACS（英国等），NMT450/900（荷兰，芬兰等等），C—450（德国），Radiocom—2000（法国）。

这几种中尤以前3种使用最为广泛，用户数占90%以上。

鉴于移动通信用户的特点：

一个移动通信系统不仅要满足区内，越区及越局自动转接信道的功能，还应具有处理漫游用户呼叫（包括主被叫）的功能。

因此移动通信系统不仅希望有一个与公众网之间开放的标准接口，还需要一个开放的开发接口。

由于移动通信是基于固定电话网的，因此由于各个模拟通信移动网的构成方式有很大差异，所以总的容量受着很大的限制。

模拟移动通信有其局限性，它有下列致命的弱点：

A）各系统间没有公共接口。

B）无法与固定网迅速向数字化推进相适应，数字承载业务很难开展。

C）频率利用率低，无法适应大容量的要求。

D）安全.利用率低，易于被窃听，易做“假机”。

这些致命的弱点将妨碍其进一步发展，因此模拟蜂窝移动通信将逐步被数字蜂窝移动通信所替代。

然而，在模拟系统中的组网技术仍将在数字系统中应用。

1.2数字移动通信系统的发展

在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（GlobalSystemforMobileCommunication），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。

相对地说：

GSM系统已成为了目前世界上最成熟和市场占有量最多的一种数字蜂窝移动通信系统的标准制式。

GSM数字移动通信的发展过程可归纳如下：

1982年：

欧洲邮电行政大会（CEPT）设立了“移动通信特别小组”，即GSM。

它以开发第二代移动通信系统为目标。

1986年：

在巴黎，对欧洲各国经大量研究和实验后提出的八个建议，并进行现场试验。

1987年：

GSM成员国经现场测试和论证比较，就数字系统采用“窄带时分多址TDMA,规则脉冲激励长期预测（RPE—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。

1988年：

十八个欧洲国家达成GSM谅解备忘录（MOU）。

1989年：

GSM标准生效。

1990年：

第一阶段GSM900规范（1987－1990年制定）被冻结，开始DCS1800的修改。

1991年：

GSM系统正式在欧洲问世，网络开通运行，DCS1800被冻结。

1992年：

欧洲各大GSM900运营者开始商业运营。

1994年：

为了进一步完善GSM做为移动数据业务的平台又增加了一个研究阶段即（Phase2+）。

1984年，GSM产生三个工作组，划分如下：

工作组1（WP1）：

定义业务；

工作组2（WP2）：

定义无线传输；

工作组3（WP3）：

考虑其它问题，主要是网络体系结构、信令协议的技术规范和网络实体之间开放接口的技术规范。

后来，又创立了工作组4（WP4），专门研究数据业务的实现。

为了使各工作组协调工作，并管理建议的编辑、更新，1986年创立“永久核心（PN）”。

1988年，欧洲电信标准协会（ETSI）成立，与CEPT不同的是，ETSI不局限于管理部分，还包括工业界、用户团体和运营者。

GSM合并到ETSI组织中时，原工作组分别称为GSM1、GSM2、GSM3、GSM4，永久核心成为ETSI的第12项目组（PT12）。

1991年末，GSM更名为SMG（特别移动组），SMG1－SMG4各分委员会对应于以前的GSM1－GSM4，而SMG5是致力于GSM形成后的“通用移动通信系统（UMTS）”，1992年初，“永久核心”下建立了一个分组SMG6，负责起草运行和维护方面的规范。

GSM标准共有13个规范系列，即：

01系列：

概述

02系列：

业务方面

03系列：

网络方面

04系列：

MS----BS结口和规约（空中接口2—3层）

05系列：

无线路径上的物理层（空中接口1层）

06系列：

话音编码规范

07系列：

对移动台的终端适配

08系列：

BS—MSC接口（A和Abis接口）

09系列：

网络互连

10系列：

GPRS内容

11系列：

设备和型号批准规范

12系列：

操作和维护

13系列：

与新业务有关的MS规范

GSM系列主要有GSM900、DCS1800和PCS1900三部分，三者之间的主要区别是工作频段的差异。

GSM系统的特点可归结为：

1）频谱效率高：

由于采用了高效调制器，信道编码，交织，均衡和话音编码技术，使系统有高频谱效率。

2）容量大：

由于每个信道传输带宽增加（GSM信道带宽为200KHz,模拟制约为25KHz），使得同频复用载干比降低至9dB，故GSM系统同频复用模式可以缩小至4/12或3/9，甚至更小（模拟为7/21）。

加上半速率话音编码技术的引入和话务分配使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比TACS高3---5倍。

3）话音质量高：

GSM系统中只要在门限值以上，话音质量总是达到相同的水平而与传输质量无关。

4）开放的接口：

A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。

6）与ISDN，PSTN等的互连。

7）在SIM卡基础上实现漫游。

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。

1.3GSM系统提供的业务

GSM系统是一种多业务系统，能提供多种不同类型的业务。

从传统的业务来看，可分为电话业务和非话业务。

GSM系统除提供传统业务外，还提供用户非传统业务，如短消息业务。

实际为用户提供的业务取决于三个独立的因素：

◆用户实际注册登记的业务项目。

◆网络的能力。

◆用户设备的能力。

GSM系统提供的业务主要分为以下几类。

1.电话业务

目前GSM系统所提供的业务中，电话业务是最重要的。

GSM系统中，由电话业务引伸出一种特殊业务――紧急呼叫。

话音信箱业务是由电话业务引伸出来的另一种特色业务。

2.数据业务

GSM数字移动通信系统的数字业务基本上包括了大部分为固定电话用户和ISDN用户提供的数字业务。

GSM系统也可接入某些特殊网络，如分组交换数据网（PSPDN），从而得到这些网络提供的数据业务。

3.短消息业务

GSM系统使得用户之间可以传送短消息，其中又分为MS接收点对点短消息（SMS－MT/PP）和MS发送点对点短消息（SMS－MO/PP）。

另一种短消息业务称为小区广播型短消息（SMS－CB），它能以固定时间间隔将一般的短消息（如天气预报等等）向特定区域内的所有用户广播。

4.补充业务

补充业务修改和丰富了基本业务，主要是允许用户按照自己的需要改变网络对其呼入呼出的处理，或者通过网络向用户提供某种信息让用户能够智能化地利用一些常规的业务。

GSM系统中采用三种方式提供以上业务：

电信业务、承载业务和补充业务。

根据GSM规范，各类业务可分两个阶段来实现，下面我们就从三个方面来简述一下GSM系统在最后将实现的业务。

首先在电信业务方面，有电话、短消息、消息处理系统、可视图文、话音/G3传真交替业务。

其次是在承载业务方面，有异步数据（300～9600bit/s）电路交换、同步数据（1200～9600bit/s）电路交换、异步数据（300～9600bit/s）分组交换、同步数据分组交换。

第三是在补充业务方面，有主叫号码识别显示/限制，对方号码识别显示/限制、恶意呼叫识别、无条件呼叫前转、移动用户遇忙呼叫前转、无线阻塞呼叫前转、无应答呼叫前转、移动用户不可及呼叫前转、呼叫等待、遇忙用户呼叫完成、闭合用户群、计费通知、免提业务、反向计费、呼叫保持/转换、多方会话、闭锁所有呼出（出局呼叫BAOC、出局国际呼叫BOIC、除母局所在国家外的出局国际呼叫BOICexHC）、闭锁所有入局呼叫BAIC、当漫游时闭锁入局呼叫BIC－roam、当漫游时闭锁出局呼叫BOIC－roam、移动接入搜索、用户到用户信令。

2蜂窝小区系统

移动通信和有线通信最大不同之处在于用户可以移动，因此用户大范围移动，使他们不断改变与网络的接入点，这增加了对呼叫用户路由管理难度，属于移动性管理范畴。

其次，用户终端与固定基础设施之间的线路不是固定的，随传输要求而变化，这属于无线资源管理范畴。

由于移动通信自身的特点，因此移动通信网络与有线通信网络组网方式不同。

2.1蜂窝小区

在无线网络设计中，需要解决容量和覆盖问题。

如果一个城市只有一个收发信台，在有限的频率资源里得到的信道数也很有限，将不能满足容量要求。

一个收发信台要覆盖半径几十公里的区域，发射功率要求很大，传输时延增加，同时覆盖效果也不理想，并且手机的发射功率要求也很大。

贝尔实验式提出了蜂窝小区的概念，即把一个大区域分割成形状相同的若干小区域，每个小区域为一个蜂窝小区，有一个收发信台，小区内的MS和本小区的收发信台进行通信，进入别的小区则和那个小区的收发信台进行通信。

小区采用六边形效果最好，一般把几个小区分成一组，称为区群，如图2.1所示。

区群内的频率不能复用，区群之间可以采用相同的频率，这样可以提高系统容量。

图2.1蜂窝小区结构

小区大小可以根据要求确定，中等以上的小区半径可以从几公里到几十公里，微蜂窝的半径可以只有几百米。

小区越小，频率可重复使用的次数增加，容量增加，发射功率可以降低，但同时收发信台数量增多，成本增加，越区切换次数增加。

小区可以分为全向和定向两种。

定向小区有几个扇区组成，一般分为三个扇区。

2.2蜂窝小区系统的特点

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。

如何成功地完成越区切换，并尽可能地减少系统中切换的次数，对蜂窝小区系统性能影响较大。

◆信道分配和小区分裂。

通信网的最终目的是满足用户信息传递的需要（如话务，数据等等），移动网由于其本身的特点，话务分配极不平衡。

在闹市区中央和市郊的话务量可以相差上百倍，因而小区的半径、每个小区分配到的信道是不相同的。

随着话务量的增加，可以将原有的小区进一步分裂成更小的新小区。

2.3蜂窝小区系统的容量

无线频率资源有限，每个经营者都希望在给定的频段内能够容纳更多的用户，选择合理的组网方式、采用高效的调制技术及多址方式可以提高系统容量。

采用频率复用的蜂窝小区是目前移动通信系统中最合理的组网方式。

允许同频复用的最小距离直接与容量有关，而最小复用距离取决与系统调制方式要求的载干比（C/I）值。

衡量小区容量的单位一般有以下几种：

◆信道数/平方公里*兆赫

◆信道数/小区*兆赫

◆话务量/小区*兆赫。

单位中的小区可以指“cell”（全向时）或“sector”（定向时）。

2.4小区覆盖

在移动通信系统的设计中，随着话务密度的变化，希望小区覆盖半径也随之不同，小可以到几百米，大的可以到几十公里。

在稀路由地区，希望小区覆盖半径尽可能的大。

在高话务密度区，希望小区半径尽可能的小，以利于增加频率复用资源。

在GSM系统中采用了以下几种技术改善系统性能：

◆功率控制

◆分集和跳频

◆不连续发射

◆移动台支持越区切换

2.5无线接口管理

由于可用无线信道数远小于移动用户数，因此双向通信的信道只能在需要时才分配，这与PSTN网不同。

在移动网中，要根据呼叫动态地分配和释放无线信道。

寻找移动用户也不是一件容易的事。

移动台定义了两种状态：

◆空闲模式。

移动台在侦听广播信道，此时它不占用任一信道。

◆专用模式。

一条双向信道分配给需要通信的移动台。

2.6移动性

用户的移动性主要表现在两个方面：

◆移动用户呼叫或被呼叫时，需要知道移动用户所在小区

◆当移动用户在通话中越区时，必须自动进行越区切换，而不能丢失信息或中断通话。

针对以上两种情况，分别采用了位置管理和越区切换。

2.6.1位置管理

系统要知道移动用户的具体位置，有三种方法。

1.当一个呼叫到来时，向网络中的所有小区发寻呼信息，免除了移动台向网络报告它当前位置的要求，这是一种无处不在的寻呼。

2.移动台将所在小区变化的消息通知网络，这属于小区级的系统位置更新。

系统将每个用户当前所在小区信息保存在数据库中，当呼叫到来时，访问数据库，然后在移动用户所在的小区内发寻呼信息。

上述两种方法都有一定的缺陷。

3.第三种方法是上两种方法的折衷，引入“位置区（LocationArea）”概念。

一个位置区包含一组小区，每个小区只属于一个位置区，每个位置区都有一个识别码。

GSM系统采用第三种方法。

当一个移动台从一个小区移到另一个小区时，会出现两种情况。

Ø如果这两个小区是在同一个位置区内，移动台将不向网络发送任何信息。

Ø如果这两个小区属于不同的位置区，移动台就要向网络报告其位置区变化的情况。

（位置更新）。

2.6.2越区切换

上述位置管理实际上是在空闲模式上处理用户的移动性。

当用户在通话过程中也会出现改变小区位置的需要。

当一个通话中的用户从一个小区移到另一个小区时，网络能够自动地转换处理而不造成明显的影响，这个过程称为越区切换。

2.7漫游

因为用户的移动性，引入位置区概念，同时网络和终端设备必须具备位置登记、更新、管理及越区切换的功能。

每个运营商有各自的蜂窝移动网，一个用户可能移动到一个区域，该区域内没有用户登记的移动网，但有其它运营商经营的移动网。

如果各运营商之间达成合作服务协议，这样用户就可以使用其他运营商的移动网，这就是漫游，它是GSM的一个主要特征。

要实现漫游必须满足一些条件，如计费、注册等，另外可能还有无线接口上的限制。

2.8用户识别卡

任何蜂窝网中的移动台对应于一个移动用户，一般是将需要的信息，如用户识别码存储到设备的一个不可变的存储器中，这是大多数模拟蜂窝网所采用的方法，GSM系统与之不同。

GSM移动台分为两部分：

◆包含无线接口特有的软件和硬件

◆用户数据――用户识别卡（SIM）

SIM卡是一种智能卡，它是一种钥匙。

每张SIM卡都有一个个人身份号（PIN），采用四位数字。

SIM卡包含本地提供给用户的业务信息，可以存储短消息等等。

用户可以读出或修改存储在SIM卡中的部分个人信息。

GSM可以采用SIM卡漫游方式。

3GSM数字蜂窝移动系统

GSM是一个庞大、复杂的系统，其组织结构如图3.1所示。

图3.1GSM组织结构

GSM系统从结构上来看主要包含4个主体：

◆移动台（MS）

◆基站子系统（BSS）

◆网络和交换子系统（NSS）

◆运行子系统（OSS）

3.1系统构成

GSM系统构成如下图所示。

3.1.1移动台（MS）

移动台是GSM系统的用户设备，包括车载台、便携台和手持机。

移动台可以分成以下三种类型：

MT：

移动终端

TE1：

ISDN终端设备

TE2：

V－或X－型终端设备

TA：

终端适配

图3.3移动终端类型

MT0包含数据终端功能和终端适配功能；MT1包含ISDN终端适配功能；MT2包含CCITTV－系列或X－系列终端适配功能。

移动终端并非固定于一个用户，在系统中的任何一个移动台上，都可以通过SIM卡（用户识别卡SubscriberIdentifyModule）来识别用户，个人识别码PIN（PersonalIdentifyNumber）可以防止用户识别卡XX使用。

每个移动终端都有自己的识别码，即国际移动用户识别号IMEI，IMEI主要由型号许可代码和厂家有关的产品号构成。

每个移动用户有自己的国际移动用户识别号IMSI，存储在SIM卡。

3.1.2基站子系统（BSS）

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。

BSS可分为两部分。

通过无线接口与移动台相连的基站收发信台（BTS）和另一侧与交换机相连的基站控制器（BSC），BTS负责无线传输、BSC负责控制与管理。

BSS是由一个BSC与一个或多个BTS组成的，一个基站控制器根据话务量需要可以控制数十个BTS。

BTS可以直接与BSC相连，也可通过基站接口设备BIE与远端的BSC相连。

基站子系统还应包括码型变换器（TC）和子复用设备（SM），图3.4是一种典型的BSS结构。

图3.4BSS结构

3.1.2.1基站收发信台（BTS）

基站收发信台（BTS）属于基站子系统（BSS）的无线部分，受控于基站控制器，是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MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。

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。

BTS主要分为基带单元、载频单元及控制单元三大部分。

◆基带单元，主要用于必要的话音和数据的速率适配以及信道编码等

◆载频单元，主要用于调制/解调与发射机/接收机之间的耦合

◆公共控制单元，主要用于BTS的操作与维护。

图3.5BTS结构

另外，当BTS与BSC为远端配置方式时，则需采用Abis接口，这时还需要BIE设备，当BTS与BSC并置于同一处时，只需采用内部BS接口，而不需要接口设备BIE。

3.1.2.2基站控制器（BSC）

基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制和管理部分，位于MSC与BTS之间，负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理，控制移动台与BTS无线连接的建立、接续和拆除等管理，控制完成移动台的定位、切换及寻呼，

BSC主要由下列部分构成：

◆系统控制功能（SystemControlFunction）模块

◆交换网络功能（DigitalSwitchingNetworkFunction）模块

◆Abis接口功能（AbisInterfaceFunction）模块

◆A接口功能（AInterfaceFunction）模块

◆子复用功能（Sub-multiplexFunction）模块

3.1.2.3码型变换器（TC）

码型变换器TC主要完成13kbit/sRPE-LTP编码和64kbit/sA律PCM之间的话音变换，并且完成速率适配和TRAU帧的收发。

在典型的实施方案中，它位于MSC与BSC之间。

当TC位于MSC站址时，通过MSC和BSC之间以及BSC和BTS之间的陆地线路子复用器（SM、BIE），可以充分利用在空中接口使用的低的话音编码数据速率。

这种能力大大降低了租赁线路的成本。

BSC与TC之间的接口为Ater接口，TC与M