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课程MA000001
GSM数字移动通信原理
ISSUE3.3
插图目录
课程说明
课程介绍
本章主要介绍GSM有关的基础知识，诸如：
GSM发展简史、数字移动通信技术、GSM系统结构及相关接口、TDMA帧结构、GSM的区域定义及GSM识别号、无线接口的逻辑信道及系统消息、GSM系统的移动性管理和安全性管理以及GSM移动网络结构和信令网等。
课程目标
●了解GSM发展简史
●了解数字移动基本技术
●熟悉GSM系统结构及相关接口
●了解TDMA帧结构
●熟悉GSM的区域定义及识别号
●了解GSM的逻辑信道及系统消息
●了解GSM系统的移动性管理和安全性管理
●了解GSM移动网络结构及信令网结构
相关资料
《数字移动通信系统》杨留清等著人民邮电出版社
《GSM数字移动通信系统》[法]MichelMouly等著电子工业出版社
《数字移动通信系统》陈德荣等著北京邮电大学出版社
第1章GSM发展简史
移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交流的通信。
20年代开始在军事及某些特殊领域使用，40年代才逐步向民用扩展；最近十年间才是移动通信真正迅猛发展的时期，而且由于其许多的优点，前景十分广阔。
移动通信经历了由模拟通信向数字化通信的发展过程。
目前，比较成熟的数字移动通信制式主要有泛欧的GSM，美国的ADC和日本的JDC（现改称PDC）。
其中GSM的发展最引人注目，其发展历程如下：
1982年，欧洲邮电行政大会CEPT设立了“移动通信特别小组”即GSM，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所提出的八个建议系统进行现场试验。
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频移键控（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。
1991年，GSM系统正式在欧洲问世，网路开通运行。
移动通信跨入第二代。
第2章数字移动通信技术
2.1多址技术
多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。
为使信号多路化而实现多址的方法基本上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。
图2-1用模型表示了这三种方法简单的一个概念。
图2-1三种多址方式概念示意图
FDMA是以不同的频率信道实现通信的，TDMA是以不同的时隙实现通信的，CDMA是以不同的代码序列实现通信的。
2.1.2频分多址
频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一路话音或控制信息。
在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。
模拟蜂窝系统是FDMA结构的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM系统就采用了FDMA。
2.1.3时分多址
时分多址是在一个宽带的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。
此多址方式在数字蜂窝系统中采用，GSM系统也采用了此种方式。
TDMA是一种较复杂的结构，最简单的情况是单路载频被划分成许多不同的时隙，每个时隙传输一路猝发式信息。
TDMA中关键部分为用户部分，每一个用户分配给一个时隙（在呼叫开始时分配），用户与基站之间进行同步通信，并对时隙进行计数。
当自己的时隙到来时，手机就启动接收和解调电路，对基站发来的猝发式信息进行解码。
同样，当用户要发送信息时，首先将信息进行缓存，等到自己时隙的到来。
在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去，然后又开始积累下一次猝发式传输。
TDMA的一个变形是在一个单频信道上进行发射和接收，称之为时分双工（TDD）。
其最简单的结构就是利用两个时隙，一个发一个收。
当手机发射时基站接收，基站发射时手机接收，交替进行。
TDD具有TDMA结构的许多优点：
猝发式传输、不需要天线的收发共用装置等等。
它的主要优点是可以在单一载频上实现发射和接收，而不需要上行和下行两个载频，不需要频率切换，因而可以降低成本。
TDD的主要缺点是满足不了大规模系统的容量要求。
2.1.4码分多址
码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。
它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。
其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。
有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。
每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。
2.2功率控制
当手机在小区内移动时，它的发射功率需要进行变化。
当它离基站较近时，需要降低发射功率，减少对其它用户的干扰，当它离基站较远时，就应该增加功率，克服增加了的路径衰耗。
所有的GSM手机都可以以2dB为一等级来调整它们的发送功率，GSM900移动台的最大输出功率是8W（规范中最大允许功率是20W，但现在还没有20W的移动台存在）。
DCS1800移动台的最大输出功率是1W。
相应地，它的小区也要小一些。
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，除了采用前面介绍过的多址技术等以外，还发明了蜂窝技术。
那么什么是蜂窝技术呢？
移动通信系统是采用一个叫基站的设备来提供无线服务范围的。
基站的覆盖范围有大有小，我们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，我们也称之为大区制。
采用小功率的基站主要是为了提供大容量的服务范围，同时它采用频率复用技术来提高频率利用率，在相同的服务区域内增加了基站的数目，有限的频率得到多次使用，所以系统的容量比较大，这种方式称之为小区制或微小区制。
下面我们简单介绍频率复用技术的原理。
2.3.1频率复用的概念
在全双工工作方式中，一个无线电信道包含一对信道频率，每个方向都用一个频率作发射。
在覆盖半径为R的地理区域C1内呼叫一个小区使用无线电信道F1，也可以在另一个相距D、覆盖半径也为R的小区内再次使用F1。
频率复用是蜂窝移动无线电系统的核心概念。
在频率复用系统中，处在不同地理位置（不同的小区）上的用户可以同时使用相同频率的信道（见图2-2），频率复用系统可以极大地提高频谱效率。
但是，如果系统设计得不好，将产生严重的干扰，这种干扰称为同信道干扰。
这种干扰是由于相同信道公共使用造成的，是在频率复用概念中必须考虑的重要问题。
图2-1D/R比
2.3.2频率复用方案
可以在时域与空间域内使用频率复用的概念。
在时域内的频率复用是指在不同的时隙里占用相同的工作频率，叫做时分多路（TDM）。
在空间域上的频率复用可分为两大类：
（1）两个不同的地理区域里配置相同的频率。
例如在不同的城市中使用相同频率的AM或FM广播电台。
（2）在一个系统的作用区域内重复使用相同的频率——这种方案用于蜂窝系统中。
蜂窝式移动电话网通常是先由若干邻接的无线小区组成一个无线区群，再由若干个无线区群构成整个服务区。
为了防止同频干扰，要求每个区群（即单位无线区群）中的小区，不得使用相同频率，只有在不同的无线区群中，才可使用相同的频率。
单位无线区群的构成应满足两个基本条件：
●若干个单位无线区群彼此邻接组成蜂窝式服务区域
●邻接单位无线区群中的同频无线小区的中心间距相等。
●一个系统中有许多同信道的小区，整个频谱分配被划分为K个频率复用的模式，即单位无线区群中小区的个数，如图2-3所示，其中K=3、4、7，当然还有其它复用方式，如K=9、12等。
2.3.3频率复用距离
允许同频率重复使用的最小距离取决于许多因素，如中心小区附近的同信道小区数，地理地形类别，每个小区基站的天线高度及发射功率。
频率复用距离D由下式确定：
其中，K是图2-3中所示的频率复用模式。
则：
D=3.46RK=4
D=4.6RK=7
如果所有小区基站发射相同的功率，则K增加，频率复用距离D也增加。
增加了的频率复用距离将减小同信道干扰发生的可能。
从理论上来说，K应该大些，然而，分配的信道总数是固定的。
如果K太大，则K个小区中分配给每个小区的信道数将减少，如果随着K的增加而划分K个小区中的信道总数，则中继效率就会降低。
同样道理，如果在同一地区将一组信道分配给两个不同的工作网络，系统频率效率也将降低。
因此，现在面临的问题是，在满足系统性能的条件下如何得到一个最小的K值。
解决它必须估算同信道干扰，并选择最小的频率复用距离D以减小同信道干扰。
在满足条件的情况下，构成单位无线区群的小区个数K=i2+ij+j2（i、j均为正整数，其中一个可为零，但不能两个同时为零），取i=j=1，可得到最小的K值为K=3（见图2-3）。
图2-1N小区复用模式
第3章GSM系统结构与相关接口
3.1GSM系统结构
3.1.1系统的基本特点
GSM数字蜂窝移动通信系统（简称GSM系统）是完全依据欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制而成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。
GSM系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点：
●GSM系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。
各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的GSM系统或子系统能互连；
●GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对于全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关；
●GSM系统除了可以开放话音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务和与ISDN相关的业务；
●GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；
●GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承载能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；
●GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高；
●用户终端设备（手持机和车载机）随着大规模集成电路技术的进一步发展能向更小型、轻巧和增强功能趋势发展。
3.1.2系统的结构与功能
GSM系统的典型结构如图3-1所示。
由图可见，GSM系统是由若干个子系统或功能实体组成。
其中基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网络子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。
NSS必须管理通信业务，保证MS与相关的公用通信网或与其它MS之间建立通信，也就是说NSS不直接与MS互通，BSS也不直接与公用通信网互通。
MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分。
操作支持系统（OSS）则提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。
OSS：
操作支持子系统BSS：
基站子系统NSS：
网路子系统
NMC：
网路管理中心DPPS：
数据后处理系统SEMC：
安全性管理中心
PCS：
用户识别卡个人化中心OMC：
操作维护中心MSC：
移动业务交换中心
VLR：
来访用户位置寄存器HLR：
归属用户位置寄存器AUC：
鉴权中心
EIR：
移动设备识别寄存器BSC：
基站控制器BTS：
基站收发信台
PDN：
公用数据网PSTN：
公用电话网ISDN：
综合业务数字网
MS：
移动台图
图3-1GSM系统结构
2.移动台（MS）
移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。
移动台的类型不仅包括手持台，还包括车载台和便携式台。
随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持台的用户将占整个用户的极大部分。
除了通过无线接口接入GSM系统的通常无线和处理功能外，移动台必须提供与使用者之间的接口。
比如完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和按键。
或者提供与其它一些终端设备之间的接口。
比如与个人计算机或传真机之间的接口，或同时提供这两种接口。
因此，根据应用与服务情况，移动台可以是单独的移动终端（MT）、手持机、车载机或者是由移动终端（MT）直接与终端设备（TE）传真机相连接而构成，或者是由移动终端（MT）通过相关终端适配器（TA）与终端设备（TE）相连接而构成，这可参见图3-2，这些都归类为移动台的重要组成部分之一——移动设备。
移动台另外一个重要的组成部分是用户识别模块（SIM），它基本上是一张符合ISO标准的“智慧”卡，它包含所有与用户有关的和某些无线接口的信息，其中也包括鉴权和加密信息。
使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。
SIM卡的应用使移动台并非固定地缚于一个用户，因此，GSM系统是通过SIM卡来识别移动电话用户的，这为将来发展个人通信打下了基础。
图3-1移动台的功能结构
3.基站子系统（BSS）
基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。
它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。
另一方面，基站子系统与网路子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。
当然，要对BSS部分进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接。
基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分的功能实体构成。
实际上，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相连接，也可以通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。
需要说明的是，基站子系统还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM）。
码变换器在更多的实际情况下是置于BSC和MSC之间，在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具有许多优点。
因此，一种具有本地和远端配置BTS的典型BSS组成方面如图3-3示。
（3）基站收发信台（BTS）
基站收发信台（BTS）属于基站子系统的无线部分，由基站控制器（BSC）控制，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与移动台（MS）之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。
BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。
基带单元主要用于必要的话音和数据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/接收机之间的耦合等。
控制单元则用于BTS的操作与维护。
另外，在BSC与BTS不设在同一处需采用Abis接口时，传输单元是必须增加的，以实现BSC与BTS之间的远端连接方式。
如果BSC与BTS并置在同一处，只需采用BS接口时，传输单元是不需要的。
图3-1一种典型的BSS组成方式
（4）基站控制器（BSC）
基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理。
BSC主要由下列部分构成：
●朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相接的Ater接口的数字中继控制部分；
●朝向与BTS相接的Abis接口或BS接口的BTS控制部分；
●公共处理部分，包括与操作维护中心相接的接口控制；
●交换部分。
4.网路子系统（NSS）
网路子系统（NSS）主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。
NSS由一系列功能实体构成，整个GSM系统内部，即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7协议和GSM规范的7号信令网路互相通信。
（5）移动业务交换中心（MSC）
移动业务交换中心（MSC）是网路的核心，它提供交换功能及面向系统其它功能实体：
基站子系统BSS、归属用户位置寄存器HLR、鉴权中心AUC、移动设备识别寄存器EIR、操作维护中心OMC和面向固定网（公用电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN、电路交换公用数据网CSPDN）的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。
移动业务交换中心MSC可从三种数据库，即归属用户位置寄存器（HLR）、访问用户位置寄存器（VLR）和鉴权中心（AUC）获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。
反之，MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。
MSC可为移动用户提供一系列业务：
●电信业务。
例如：
电话、紧急呼叫、传真和短消息服务等；
●承载业务。
例如：
3.1KHz电话，同步数据0.3kbit/s～2.4kbit/s及分组组合和分解（PAD）等；
●补充业务。
例如：
呼叫前转、呼叫限制、呼叫等待、会议电话和计费通知等。
当然，作为网路的核心，MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动特征性能和其它网路功能。
对于容量比较大的移动通信网，一个网路子系统NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR，为了建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫，无需知道移动用户所处的位置。
此呼叫首先被接入到入口移动业务交换中心，称为GMSC，入口交换机负责获取位置信息，且把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC，称为被访MSC（VMSC）。
因此，GMSC具有与固定网和其它NSS实体互通的接口。
目前，GMSC功能就是在MSC中实现的。
根据网路的需要，GMSC功能也可以在固定网交换机中综合实现。
（6）访问用户位置寄存器（VLR）
访问用户位置寄存器（VLR）是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。
VLR从该移动用户的归属用户位置寄存（HLR）处获取并存储必要的数据。
一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。
因此，VLR可看作为一个动态用户数据库。
VLR功能总是在每个MSC中综合实现的。
（7）归属用户位置寄存器（HLR）
归属用户位置寄存器（HLR）是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。
一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。
HLR还存储且为MSC提供关于移动用户实际漫游所在的MSC区域相关动态信息数据。
这样，任何入局呼叫可以即刻按选择路径送到被叫的用户。
（8）鉴权中心（AUC）
GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行保密等。
因此，鉴权中心（AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。
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。
（9）移动设备识别寄存器（EIR）
移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码，使得运营部门对于不管是失窃还是由于技术故障或误操作而危及网路正常运行的MS设备，都能采取及时的防范措施，以确保网路内所使用的移动设备的唯一性和安全性。
5.操作支持子系统（OSS）
操作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。
移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。
用户数据管理一般由归属用户位置寄存器（HLR）来完成这方面的任务，HLR是NSS功能实体之一。
用户识别卡SIM的管理也可认为是用户数据管理的一部分，但是，作为相对独立的用户识别卡SIM的管理，还必须根据运营部门对SIM的管理要求和模式采用专门的SIM个人化设备来完成。
呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动业务交换中心MSC和GMSC分别处理，也可以采用通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据的方式。
移动设备管理是由移动设备识别寄存器（EIR）来完成的，EIR与NSS的功能实体之间是通过SS7信令网路的接口互连，为此，EIR也归入NSS的组成部分之一。
网路操作与维护是完成对GSM系统的BSS和NSS进行操作与维护管理任务的，完成网路操作与维护管理的设施称为操作与维护中心（OMC）。
从电信管理网路（TMN）的发展角度考虑，OMC还应具备与高层次的TMN进行通信的接口功能，以保证GSM网路能与其它电信网路一起纳入先进、统一的电信管理网路中进行集中操作与维护管理。
直接面向GSM系统BSS和NSS各个功能实体的操作与维护中心（OMC）归入NSS部分。
可以认为，操作支持子系统（OSS）已不包括与GSM系统的NSS和BSS部分密切相关的功能实体，而成为一个相对独立的管理和服务中心。
主要包括网路管理中心（NMC）、安全性管理中心（SEMC）、用于用户识别卡管理的个人化中心（PCS）、用于集中计费管理的数据后处理系统（DPPS）等功能实体。
3.2接口和协议
为了保证网路运营部门能在充满竞争的市场条件下灵活选择不同供应商提供的数字蜂窝移动通信设备，GSM系统在制定技术规范时就对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了比较具体的定义，使不同供应商提供的GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通、组网的目的。
为使GSM系统实现国际漫游功能和在业务上迈入面向ISDN的数据通信业务，必须建立规范和统一的信令网路以传递与移动业务有关的数据和各种信令信息，因此，GSM系统引入7号信令系统和信令网路，也就是说GSM系统的公用陆地移动通信网的信令系统是以7号信令网路为基础的。
3.2.1主要接口
GSM系统的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。
如图3-4所示。
这三种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网路子系统设备能纳入同一个GSM数字移动通信网运行和使用。
图3-1GSM系统的主要接口
（10）A接口
A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心（MSC）与基站控制器（BSC）之间的互连接口，其物理链接通过采用标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现。
此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。
（11）Abis接口
Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于BTS（不与BSC并置）与BSC之间的远端互连方式，物理链接通过采用标准的2.048Mb/s或6
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