无线通信 gsm系统.docx
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无线通信gsm系统
无
线
通
信
技
术
------之GSM系统简介
姓名：
李剑隆
学号：
0932081219
班级：
电子0912
GSM系统简介
引言
GlobalSystemofMobilecommunication就是众所周知的GSM，是当前应用最为广泛的移动电话标准。
全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。
GSM标准的无处不在使得在移动电话运营商之间签署"漫游协定"后用户的国际漫游变得很平常。
GSM较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代（2G）移动电话系统。
这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。
GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。
尽管当前GSM相当普及，但是构思移动电话的历史在GSM之前很长时间就开始了。
GSM小组（"GroupeSpécialMobile"（法语）1,2,3and4）创立于1982年。
GSM的名字也是源于这个小组的名字，尽管后来决定使用缩写代替了它的原有的含义。
最开始这个小组由CEPT负责管理。
GSM系统的原始技术在1987定义。
1989年，ETSI从CEPT接手。
1990第一个GSM规范说明完成，这个规范的文本长达超过6000页。
商业运营开始于1991，地点是芬兰的Radiolinja。
1998年，3G合作项目（3GPP）启动。
最初，这个项目的目标是制定详细的下一代移动通讯网（3G）规范。
然而，3GPP也接受了维护和开发GSM规范的工作。
ETSI是3GPP的一个成员。
一．GSM系统的组成
GSM系统主要由移动台（MS）、移动网子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、操作维护子系统（OSS）四部分组成。
基站子系统（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统由移动交换中心（MSC）和操作维护中心（OMC）以及原地位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。
移动台（MS）即便携台（手机）或车载台。
也可以配有终端设备（TE）或终端适配器（TA）。
移动台是物理设备，它还必须包含用户识别模块（SIM），SIM卡和硬件设备一起组成移动台。
没有SIM卡，MS是不能接入GSM网络的（紧急业务除外）。
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。
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修中心之间交换信息提供接口。
一个基站控制器通常控制几个基站收发台，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等。
移动交换中心（MSC）是蜂窝通信网络的核心，其主要功能是对位于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。
例如：
1）信道的管理和分配；
2）呼叫的处理和控制；
3）过区切换和漫游的控制；
4）用户位置信息的登记与管理；
5）用户号码和移动设备号码的登记和管理；
6）服务类型的控制；
7）对用户实施鉴权；
8）为系统中连接别的MSC及为其它公用通信网络，如公用交换电信网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）和公用数据网（PDN）提供链路接口，保证用户在转移或漫游的过程中实现无间隙的服务。
由此可见，MSC的功能与固定网络的交换设备有相似之处（如呼叫的接续和信息的交换），也有特殊的要求（如无线资源的管理和适应用户移动性的控制）。
其中移动台（MS）也就是我们所说的手机，包括你的手机和裸机卡，其中SIM卡含有全球范围内用户唯一标识信息IMSI（全球移动用户标识码），当然还有很多信息，我们仔细观察我们的SIM卡，会发现我们的SIM卡上有8个触点，我们的SIM卡与手机连接时至少要连接五个触电（电源、时钟、数据、复位、和接地端），SIM卡里还有制卡是随机写入的鉴权参数Ki值，以及A3鉴权算法和A8加密算法，以及我们的PIN码和PUC码，这个就不长篇大论了。
裸机也就是我们还没插卡的手机，它里面含有一个全球唯一设备标识信息IMEI号码，当然如果你的手机是山寨的，那么也就没有这个号码,这个号码也就相当于我们的身份证号码，不过这个号码是用来区分设备的，这个号码就是在你手机丢了后你可以将这个手机挂失，那么系统也就不识别这个信息，换句话说，即便是别人偷走捡走，它也没办法用这个手机，只不过在中国你就别想了，应为中国这个号码没有启用。
所以我们的社会上也就多了偷手机的小偷和很多山寨，不过话又说回来，山寨也为我国的为减轻我国就业压力做了不少贡献呢，如果没山寨了，将会有多少人失业呀。
二．GSM的接口
无线信道前先说下GSM的接口，GSM的接口可以这样理解记忆，可以按其功能模块来记忆，按功能模块可将其划分为BSS子系统下的接口、NSS子系统接口和GPRS（通用分组无线业务）接口。
其他的接口也就是BSS、NSS和GPRS之间的接口。
如图
其中BSS系统内部接口有BSC和BTS之间的接口Abis接口，BTS和MS之间的接口Um接口也叫空中接口、BSC与TRAU（码型变换速率适配单元）之间的接口Ater接口和BSC与PCU（分组控制单元）之间的接口AGPRS接口。
在BSS系统内除了BTS与MS之间的接口传输为LAPDm协议外。
所有的接口协议都为LAPD协议。
在NSS子系统，BSC与MSC之间的接口如下
Ater接口A接口
BSC←———————→TRAU←———————→MSC
LAPD协议SS.7信令（7号信令）
NSS内部接口有A、B、C、D、E、F接口，其中A接口为BSC和MSC之间的接口、B接口为MSC和VLR之间的接口（由于MSC和VLR之间联系密切，关系甚好，所以设计时将MSC和VLR的物理实体设计在了一起，所以有的有的书上没介绍B接口）。
C接口为HLR到GMSC（网关移动交换中心，网管主要作用也就是数据出入把关）。
D接口为MSC到HLR之间的接口。
E接口为MSC到GMSC之间的接口。
F接口为EIR到MSC之间的接口（由于我国EIR没启用，所以我国没有F接口）。
H接口为AUC和HLR之间的接口。
在NSS内部所有的接口所传的协议都为SS.7下的MAP协议。
GPRS，首先要说的是GPRS是个业务，业务名字为通用分组无线业务，我们不要被外表欺骗，不要认为GPRS就和BSS、NSS一样属于一个系统，它是在GSM系统上添加的一个可以传数据的业务，当然这个数据业务不是我们所说的短信业务，而是我们用网页上网的一个速率较高业务（相对于短信而言）。
GPRS内部的主要网元有SGSN（GPRE业务支持节点，相当与电路域的MSC功能）和GGSN（GPRS网管支持节点，相当于电路域的GMSC）。
GPRS和BSS系统之间的接口如下：
AGPRSGb接口
BSC←———————→PCU←———————→SGSM
LAPD协议所传为帧中继
SGSN和GGSN之间的接口为Gn接口，上面所传的协议为GTP的tunneling协议。
GGSM面向外网的接口为Gi接口，上面的所传的协议为IP协议。
PCU和TRAU其作用是协同基站完成信号的传输和转换，可以看做是BSC的一部分。
PCU是完成数据业务的处理，而TRAU是完成语音业务（包含低速的点到点短消息业务）的处理。
GSM是一个蜂窝网络，也就是说移动电话要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单元区域。
GSM网络运行在多个不同的无线电频率上。
GSM网络一共有4种不同的蜂窝单元尺寸：
巨蜂窝，微蜂窝，微微蜂窝和伞蜂窝。
覆盖面积因不同的环境而不同。
巨蜂窝可以被看作那种基站天线安装在天线杆或者建筑物顶上那种。
微蜂窝则是那些天线高度低于平均建筑高度的那些，一般用于市区内。
微微蜂窝则是那种很小的蜂窝只覆盖几十米的范围，主要用于室内。
伞蜂窝则是用于覆盖更小的蜂窝网的盲区，填补蜂窝之间的信号空白区域。
蜂窝半径范围根据天线高度、增益和传播条件可以从百米以上至数十公里。
实际使用的最长距离GSM规范支持到35公里。
还有个扩展蜂窝的概念，蜂窝半径可以增加一倍甚至更多。
GSM同样支持室内覆盖，通过功率分配器可以把室外天线的功率分配到室内天线分布系统上。
这是一种典型的配置方案，用于满足室内高密度通话要求，在购物中心和机场十分常见。
然而这并不是必须的，因为室内覆盖也可以通过无线信号穿越建筑物来实现，只是这样可以提高信号质量减少干扰和回声。
二．GSM系统消息的介绍
MS为了能得到或提供各种各样的服务通常需要从网络来获得许多消息。
这些在无线接口广播的消息被称做系统消息，可分为12种类型：
TYPE1、2、2bis、2ter、3、4、5、5bis、5ter、6、7、8。
每个系统消息都有下面不同的元素做组成：
1、当前网络、位置区、和小区的识别消息；
2、小区提供切换的测量报告消息和小区选择的进程消息；
3、当前控制信道结构的描述消息；
4、该小区不同的可选项的消息；
5、关于临小区bcch频点的分配。
系统消息在两种逻辑信道中传送，BCCH或SACCH信道：
1、在空闲MODE，网络通过BCCH信道传送系统消息1~4、7、8；
2、在通信MODE，通过SACCH信道传送系统消息5和6（包括5bis和5ter消息）。
3、各种系统消息分别包含的主要内容如下：
1）、系统消息类型1：
小区信道的描述+RACH控制参数。
2）、系统消息类型2：
邻小区BCCH频点描述+RACH控制消息+允许的PLMN。
3）、系统消息类型2bis：
扩展邻小区BCCH频点描述+RACH控制消息。
4）、系统消息类型2ter：
扩展邻小区BCCH频点描述2。
5）、系统消息类型3：
小区识别（CELLID）+位置区识别（LAI）+控制信道描述+小区选择+小区选择参数+RACH控制参数。
6）、系统消息类型4：
位置区识别+小区选择参数+RACH控制参数+CBCH信道描述+CBCH移动配置。
7）、系统消息类型5：
邻小区BCCH频点的描述。
8）、系统消息类型5bis:
扩展邻近小区BCCH频点描述。
（不同频段间的bcch描述，例如gsm900与dcs1800间handoverrequest）。
9）、系统消息类型5ter:
扩展邻近小区BCCH频点描述。
10）、系统消息类型6:
小区识别+位置区识别+小区选择。
11）、系统消息类型7：
小区重选参数：
12）、系统消息类型8：
小区重选参数：
BCCH信道是一个小容量的信道，每51复帧（235ms）仅有四帧（一个消息块）传送一个23字长Lapdm的消息。
三．无线信道
GSM信道分为物理信道和逻辑信道（物理信道上所承载的信息），其中逻辑信道又分为控制信道（CCH）和业务信道（TCH）。
控制信道可分为广播信道、公共控制信道、专用控制信道三部分组成，如表3
名称
广播
信道
（BCH）
频率校正信道（FCCH）
同步信道（SCH）
广播控制信道（BCCH）
公共控
置信道
（CCCH）
寻呼信道（PCH）
随即接入信道（RACCH）
允许接入信道（AGCCH）
专用控
制信道
（DCCH）
独立专用信道（SDCCH）
慢速随路控制信道（SACCH）
快速随路控制信道（FACCH）
其中FCCH为频率校正信道：
为全0信息，在定标频点上发送，主要作用为方便用户识别该小区。
SCH为同步信道：
SCH中包含该时间的帧号和BSIC号码
BSIC基站识别色码：
由NCC（网络色码）和BCC（基站色码）构成。
（对于一些话务量较大的市区内由于不存在MSC的区分，因此可以将NCC当BCC使用以增加业务量）必须保证使用相同BCCH载频的相邻或相近小区具有不同的BSIC，不然移动台切换时将无法识别该小区从而导致切换失败而掉话（也就是死锁现象）。
BCCH广播控制信道：
为移动台发送小区选择、小区重选、小区重选触发条件的参数，其发送的系统消息有（1、2、2bis、2ter、3、4、7、8），手机在空闲状态下接收，上行时这些消息由SDCCH（独立专用控制信道）来发送。
PCH寻呼信道:
发送的信息有用户的IMSI和TEMS号码，以及接入原因（主叫、被叫、鉴权、P-TO-P短消息等）。
下行信道
RACH随即接入信道：
包含用户信息和用户产生的伪随机序列。
上行信道。
AGCH允许接入信道：
若用户跳频则包含跳频序列号，若不跳频则为频点号，TA值（时间提前量的值）。
以及在RACH中产生的伪随机序列号。
SDCCH独立专用控制信道：
空闲状态下的点到点的短消息，呼叫建立过程中传送系统信令，如位置更新消息、短消息、鉴权消息、加密命令及处理各种附加业务在此信道上进行。
SACCH慢速随路控制信道：
下行是传送系统消息、切换相邻小区列表参数、新TA值，以及空闲状态下的短消息。
上行传用户切换相邻小区列表测量报告，上一周期的TA值、功率控制和忙时的点到点的短消息。
FACCH快速岁路控制信道：
快速随路控制信道主要是在专用状态下小区进行切换时，FACCH占用TCH业务信道传送切换的信令信息，当切换完成时FACCH信道释放，重新由TCH占用资源传送用户业务信息。
即通信中的偷帧现象。
四．GSM的主要信令过程分析
GSM协议可以分为应用层、数据链路层和物理层。
其中应用层又分为CM（协议管理）层、MM（人机）层和RR（无线资源管理）层。
在GSM协议中只有对应层和对应层才可以相互通话。
也就是说，CM层只能和CM层通话，MM层只能和MM层通话,而下层是为上层之间的通话做服务的。
其中MS和BTS之间的接口为Um接口，传输的协议为LAPDm协议。
物理层传输的协议也就为（radio）无限信号。
BTS与BSC之间的接口为Abis接口，传输的协议为LAPD，传输的协议为经PCM编码后的比特流信息。
BSC和MSC之间的接口为A接口,传输的协议为SS.7信令。
其中O&M为操作与维护系统，BSSAP为基站子系统应用部分，BSSMAP为基站子系统管理部分，DTAP为直接传送应用部分,SCCP为信令连接控制部分，MTP3、MTP2、MTP1分别为层3信令、层2信令和层1信令。
TCAP为处理能力应用部分。
五．GSM频率配置
1.GSM900MHz频段
GSM900MHz频段双工间隔为45MHz，有效带宽为25MHz，124个载频，每个载频8个信道。
GSM900：
上行（MHz）890-915；下行（MHz）935-960（GSM最先实现的频段，也是使用最广的频段）
GSM900E：
上行（MHz）880-915；下行（MHz）925-960（900MHz扩展频段）
2.中国GSM900使用频率
①中国移动
●上行频段：
890-909MHz
●下行频段：
935-954Mhz
②中国联通
●上行频段：
909-915MHz
●下行频段：
954-960Mhz
3.GSM1800MHz频段
GSM1800MHz频段双工间隔为95MHz，有效带宽为75MHz，374个载频，每个载频8个信道。
GSM1800：
上行（MHz）1710-1785；
下行（MHz）1805-1880（适用于对信道容量需求大的市场，应用范围仅次于900M。
）
4.中国GSM1800使用频率
①中国移动
●上行频段：
1710-1720MHz
●下行频段：
1805-1815Mhz
②中国联通
●上行频段：
1745-1755Mhz
●下行频段：
1840-1850MHz
5.市场状况
到2004年全球有超过10亿人使用GSM电话，GSM电话占到全球移动电话市场份额的70%。
GSM的主要竞争CDMA（主要在美国和加拿大使用）尽管有好的前景但是有限，被作为3G标准过渡的CDMA没有展现出全部的功能。
还有，因为W-CDMA网络建设的推迟，导致至少在高密度通话这块市场GSM的消亡速度还很慢，但是那是迟早的事情。
在1998到2000年之间导致GSM用户增长的主要原因是移动运营商推出预付费电话服务。
它允许那些不能或者不想跟运营商签署合同的的人们拥有移动电话。
这种服务在欧洲的移动运营商之间竞争也比较激烈，即使没有长期的签证，人们也可以从运营商那里以很低廉的价格买到一款手机。
六．GSM安全
GSM被设计具有中等安全水平。
系统设计使用共享密钥用户认证。
用户与基站之间的通讯可以被加密。
UMTS的发展提供了一个选择，就是USIM，它使用更长鉴别密钥保证更好的安全以及网络和用户的双向验证。
GSM只有网络到用户的验证.虽然安全模块提供了保密和鉴别功能，但是鉴别能力有限而且可以伪造。
GSM为了安全使用多种加密算法。
A5/1和A5/2两种串流密码用于保证在空中语音的保密性。
A5/1是在欧洲范围使用的强力算法，而A5/2则是在其他国家使用的弱强度算法。
在两种算法中严重漏洞都已经被发现，例如一个单一密文攻击可能实时的中断掉A5/2.但是系统支持多个不同算法，这样运营商就可以换一个安全等级更强的。
七．GSM技术特点
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、机卡分离。
其主要技术特点如下：
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各设备实体之间，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。
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