（电工理论与新技术专业论文）基于gsm的数据传输技术及其在现代家电中应用的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sg s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) h a se x p a n d e dt oa l l o v e rt h ew o r l d ，w i t hat o t a ln u m b e r so f4 ，6 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0o nd e c ，2 0 0 6 s m s ( s h o r t m e s s a g es e r v i c e ) a n dg p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ：) d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m s b a s e do ng s ms y s t e mh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nh o u s e h o l de l e c t r i c a p p l i c a t i o n s t h e ya l ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o nw i l lb e d e v e l o p e dp r o s p e r o u s l y b a s e do nt h ed i s c u s s i o no f v a r i o u st y p e so f d a t at r a n s m i s s i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ec o n s t i t u t i o na n ds t r u c t u r eo fg s m s y s t e m ，a n dd e s c r i b e sp r i n c i p l e sa n d f e a t u r e so f g s md a t at r a n s m i s s i o n m e a n w h i l e 。i te x a m i n e si nd e t a i l st h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h e t r a n s m i s s i o np r o c e d u r eo fs h o r tm e s s a g e ，e ；i v i n gt h ed e t a i lp r o c e d u r eo fs e n d i n ga n d r e c e i v i n go nt h eb a s i so fp d um o d e i tf o c u s e so nt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tw i t h v i s u a l c + + 6 0 ，b a s e do n aw i r e l e s sm o d u l e - g r 4 7w h i c hi sp r o d u c e db ys o n y e r r i s s i o n i ta l s oi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n si nh o u s e h o l de l e c t r i ca p p l i c a t i o n s i na d d i t i o n ，i td e s c r i b e st h ef e a t u r e so fg p r sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m sa n da l s o f o c u s e so nt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ti nh o u s e h o l de l e c t r i ca p p l i c a t i o n s n o was e r i e so fe l e c t r i cp r o d u c t sb a s e do ng s ms y s t e mt or e a l i z et h er e m o t e c o n t r o la r es o l di nm a r k e t f o ri n s t a n c e ，h a i e rh a sg o t t e ng r e a ts u c c e s so nt h ed e s i g n s o fw a t e rh e a t e r - v i kf o r2 0 0 8b e i j i n go l y m p i cg a m e s i ti sc o n v e n i e n tt op e o p l e s l i v e sa st h eh o u s e h o l de l e c t r i ca p p l i c a t i o n sa r el i n k e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n t e r n e t t ob e c o m em o r ea n dm o r ei n t e l l i g e n t k e y w o r d s ：g s m g r 4 7 - m o d u l es m sg p r s 浙江大学硕十学位论文 第一章数据传输概述 1 1 数据传输概念 一般来说，数据传输是指由一地向另一地进行数据的有效传递，即数据的 通信。根据通信系统的一般模型，我们可以把数据传输的过程用图1 - 1 的模型加 以抽象概括1 1 1 ： 图i - 1 数据传输过程 卧圈 l 、一 接收端 信息源把各种消息转换成原始电信号。如语声、事件场景、数据记录 麦克风、摄像机、光驱，软盘。 发送设备将原始电信号变换成利于在信道传输的信号。如广播电台、 电视发射塔、计算机c o m 口。 信道信号传输通道。如空间或电线。 接收设备从接收信号恢复相应的原始信号。如收音机、电视机，计算 机c o m 口。 受信者将原始电信号转换成消息。如喇叭、t v 显像管，显示器。 噪声源信道中噪声及分散在通信系统其它各处的噪声集中表示。 1 2 数据传输方式 1 2 1 通信信道 数据传输按照传输介质的不同，可以分成有线通信和无线通信两类。有线 通信是用导线作为传输媒质的通信方式，其传输形式多种多样，短距离的有r s 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 ，r s - 4 8 5 总线传输，远距离的有架设光缆、电缆以及通过计算机网络进行的 传输。无线通信则不需要架设导线，而是利用无线电波在空间的传播来传递信息。 无线数据传输也可分为专用无线数据传输系统，包括红外、蓝牙、卫星传输和借 用g s m ，c d m a 等公用网无线数据平台等多种方式。 1 2 2 有线信道 有线信道以传输媒体为导线( 双绞线或者光纤等) ，信号沿导线传输，能量 相对集中在导线附近，传输性能稳定可靠、噪声电平低、保密性能较好，因而是 现代通信网中最常用的信道之一。这些传输媒体的频带是相当宽的，数据传输往 往在一个模拟话路内进行，利用有线通信网的话音线路来传输数据最方便，话音 信道也可以满足用户传输数据的要求。 l 、双绞线 双绞线( v a ，t w i s t e dp a i r w i r e ) 是综合布线工程中最常用的一种传输介质，一 般是由两根2 2 2 6 号绝缘铜导线相互缠绕而成的，把两根绝缘的铜导线按一定密 度互相绞在一起，可降低信号之间的干扰，每一根导线在传输中辐射的电波会被 另一根线上发出的电波抵消。双绞线分非屏蔽双绞线t p ，u n s h i e l d e dt w i s t e d p a i r ) 和屏蔽双绞线( s t p ，s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ) 两种，屏蔽双绞线价格相对较高， 安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难，前者用于市区电话系统，而后者用于很多线 路装在一个很小的空间内或者附近有其他用电设备的环境中。 2 、同轴电缆 同轴电缆( c c ，c o a x i a lc a b l e ) 是局域网中最常见的传输介质之一，由一根空 心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成，内导线和圆柱导体及外界之 间用绝缘材料隔开。按直径的不同，同轴电缆可分为粗缆和细缆两种。根据传输 频带的不同，同轴电缆又可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆，前者只能传送一 种类型的信号，主要用于计算机通信，后者所传输的信号用高频载波传送，载波 分成几个频带，其中的保护频带用于防止信号之间的相互干扰，主要用于有线电 视。 3 、光纤 光纤通道( f c ，f i b e rc h a n n e l ) 作为一种数据传输技术，传输速率可以达到1 2 浙江大学硕士学位论文 或2 g b i t s 甚至更高，具有容量大、衰减小，防干扰性能好等特点。光纤通信首先 应用于市内电话局之间的光纤中继线路，继而广泛地用于长途干线网上，成为宽 带通信的基础。光纤通信尤其适用于国家之间大容量、远距离的通信，包括国内 沿海通信和国际间长距离海底光纤通信系统。按光沿光纤传送方式的不同，光纤 可分为多模式阶跃变位，多模式缓慢变位和单一模式。随着光纤放大器、光波分 复用技术、光弧子通信技术、光电集成和光集成等许多新技术不断取得进展，光 纤通信将会得到更快的发展。 1 2 3 无线信道 1 、微波信道 微波通信是利用微波波段的电磁波在对流层范围内进行信息传输的一种通 信方式。基本的特点在于其多路复用、射频工作和中继接力。与波长较长的无线 电通信相比，微波通信具有频带宽、通信容量大、受外界干扰小等优点，但易受 地形，大气的影响而造成电波衰落。 2 、卫星信道 卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，实现地球上两个或多个地球站之 间的通信。具有覆盖区域大、通信距离远、频带宽、容量大、通信灵活、稳定可 靠等优点，且建站的费用与距离无关。但是随之带来因电波传播距离远使传输时 延过大的问题，而且不同通信系统之间存在相互干扰。 3 、短波信道 短波通信是利用地面发射的无线电波在电离层反射，或者在电离层与地面之 间经过多次反射而到达接收点的一种远距离通信方式。由于电离层的不稳定性使 得短波通信在传输质量上也极不稳定，但是由于它在进行远距离通信时仅需要不 大的发射功率和适中的设备费用，且具有抗毁性的中继系统一电离层，在军事通 信和移动通信中有重要的价值。 1 3 无线移动通信系统 1 3 1 数据传输技术 1 、基带传输 浙江大学硕士学位论文 直接使用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占用整个频带，终端设备把 数字信号转换成脉冲电信号时( 由编码器完成，经编码后的信号通常包含了较低 的频率分量，甚至有直流分量，它们占用的频带称为基本频带) ，这个原始的电 信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。在信道中直接传送基带信号时， 称为基带传输。传输模型如图1 2 所示。码问干扰和随机噪声干扰是影响基带信 号传输质量的两个主要因素，消除码间干扰的途径：要求传输系统具有均匀且无 线宽的频率特性，或要求在取样点上信号互不干扰，后一条途径是可以比较容易 实现的。 噪声 取样定时 图1 2 基带传输模型 2 、频带传输 与基带传输相对应，将基带信号先以某一形式的载波进行调制之后，再通过 信道的传输，称为频带传输。对用基带脉冲对载波波形的某些参量进行控制，使 这些参量随基带脉冲变化而变化，这就是调制，经过调制的信号称为已调信号。 已调信号通过线路传输到接收端，然后经过解调恢复为原始基带脉冲。 频带传输可用正弦波进行传输，分幅度键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移 键控( p s 豳三种川。对于同一种调制方式，相干解调的误码率低于非相干解调的 误码率。当解调方式相同，调制形式不同时，在相同误码率下，相干p s k 系统所 要求的输入信噪比最小，其次是f s k ，a s k 要求的信噪比最大。f s k 、p s k 的抗 衰弱性能均优于a s k 。p s k 的最佳判决门限电平为o ，较易设置，a s k 的最佳判 决门限与信号幅度有关，设置较困难。从系统的频带利用率来看，在相同的误码 率条件下，p s k 、a s k 比f s k 占据窄得多的信道带宽。所以从抗噪声性能和提高 频带利用率的角度看，p s k 系统是最优的。 3 、c d m a 4 浙江大学硕士学位论文 c d m a 是码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 的英文缩写，它是在数字 技术的分支一扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。其原 理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽数据，用一个带宽远大于信 号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并 发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把 宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。 4 、t d m a t d m a 是时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 的英文缩写，它是把时间分 割成周期性的帧( f r a m e ) ，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满 足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不 混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在给定的时隙中传输， 各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分 并接收下来。 5 、f d m a f d m a 是频分多址( f r a m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的英文缩写，它是数据通 信中的一种技术，即把不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道。按照这种 技术，把在频分多路传输系统中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分 配系统相比，频分多址使通道容量可根据要求动态地进行交换。 在f d m a 系统中分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道 即基站向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的信 道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个移 动用户之问进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用2 个信道( 2 对频 谱) 才能实现双工通信。 1 3 2 移动通信系统简介 l 、蜂窝移动通信系统1 i 蜂窝系统的基本特征是频率复用，即利用通路损失，在分散的区域内复用相 同的频率，主要分为两大类，即模拟和数字系统。 人们所熟知的g s m 系统就是一种蜂窝网络系统。 浙江大学硕士学位论文 蜂窝系统的覆盖区域被分为不重叠的单元，每个单元分配一个信道组，同一 信道组同时也可在一定距离外的另一单元中使用。一个单元中的操作由一个中央 基站控制。不同单元中的用户使用同一信道组而引起的干涉称为单元间干涉 ( i n t e r c e l li n t e r f e r e n c e ) ，因而复用同一信道组的单元间的空间距离( 复用距离) 必须 尽可能地小，以达到频率复用中频谱的最大效率。一定区域内的所有基站通过一 条高速链路与一个移动电话交换局( m t s o ) 相连。m t s o 作为这个网络一个中央 控制器，为每个单元分配信道，并在移动遍历单元边界时协调单元间的信号传递、 路由移动用户与公用交换电话网( p s t n ) 之间的呼叫。当给定单元中的基站或移动 终端检测到呼叫的接收信号功率接近最小阈值时，便会发起一个呼叫传递。此时 基站通知m t s o 移动终端需要一个传递，然后m t s o 查询周围的基站是否能检测 到移动信号，有信号则在原始基站和新的基站之间协商一个呼叫传递，如果单元 中没有可用的信道与新的基站通信，那么呼叫传递失败，同时这次呼叫被终止。 现在蜂窝系统已经从模拟技术发展到数字技术。数字技术拥有许多优势，其 组成部件相对更便宜、快速、小巧，而且功耗更小。通过差错校验机制，大大改 善了其语音质量。同时数字系统比模拟系统有更高的容量，因为它并不局限于 f d m a 多路访问，而且利用了先进的压缩技术和语音的行为特点。另外，还可以 使用加密技术来防止窃听，保证数字信号的安全性。今后，所有建设中的蜂窝系 统都将是数字系统，除了语音服务之外，这些系统还提供语音信箱、寻呼、电子 邮件等服务。 2 、无线寻呼系统1 2 l 无线寻呼系统是一种传送简单信息的单向通信系统，它由寻呼控制中心、基 站和寻呼接收机( 俗称b b 机或b p 机) 三部分组成，如图1 3 所示。 b p 机 图1 - 3 无线寻呼系统的网络结构 这里所说的简单信息，是指可以由b b 机的液晶显示器显示的汉字或由数字 和字母组成的一组代码，用来表示主叫用户的电话号码、姓名和与呼叫相关的内 容。所谓“单向”，是指该系统仅为公用电话交换网( p s t n ) 用户呼叫b p 机提供 服务，被叫用户若想回话，则需通过“打电话”来进行。因此，无线寻呼系统可 6 浙江大学硕士学位论文 视为公用电话交换网的延伸和补充。 由于b p 机体积小、重量轻、费用低，所以寻呼系统得到了广泛的应用。 3 、无绳电话 无绳电话系统由一个基站和手机组成。如图1 4 所示，对网络来说，无绳基 站同有线电话是相同的。但是手机的移动需要严格的限制，因为它必须保持在基 站的一定距离范围内，若区域内密度太高，可能会导致系统间的信号干涉，信号 可能被放射或是被吸收。 太 目 无绳电话 图1 - 4 无绳电话的组成 4 、无线局域网 用无线电波、激光、红外线等来代替或是部分代替全部电缆，而成为网络设 备之间主要的通信传输介质，称为无线局域网( w l a n ) ，它是计算机网络和无线 通信技术结合的产物。最初的无线局域网基于专有的和互不兼容的协议，大多数 在9 0 0 m h z 频带，使用直接顺序扩频，数据速率约为l 2 m b i t s 。新一代的无线局 域网可在2 4 g h z 的频带上工作，在这一频带有上无线局域网的i e e e8 0 2 1 1 标 准，i e e e8 0 2 11 标准指定了跳频扩频的数据速率为1 6 m b i f f s ，范围约为5 0 0 英尺， 网络可以为星型或对等结构。 5 、卫星系统1 4 1 卫星系统通常在全球范围提供广泛的语音、数据、广播服务，与固定节点一 样覆盖高移动性的用户。它们与蜂窝系统有同样的基本结构，不同的是其基站是 绕地球轨道运行的卫星。卫星以其轨道与地球的距离分为：近地轨道( l e o ) ，在 5 0 0 2 0 0 0 k m中高轨道( m e o ) 约10 0 0 0 k m ；地球同步轨道( o e o ) ，约3 5 8 0 0 k m 。 可以知道，轨道低的覆盖范围小，且随时间变化而变化。地球同步卫星具有很大 的覆盖区域，且不随时间的变化而变化，只需要少数几个卫星就可实现全球覆盖。 1 4 本论文的主要任务和意义 现有g s m 网络已经扩展到全世界的各个角落，截止2 0 0 6 年1 2 月底的数据 7 浙江大学硕士学位论文 显示，中国手机用户已达4 6 亿户。短消息业务和g s m 基础上发展起来的g p r s 数据传输业务已经在日益普及的家电中得到了越来越多的重视，基于这两种业务 的各种应用也蓬勃发展起来了。 本文在上述讨论数据传输基础上，将详细介绍g s m 的组成和结构，分析基 于g s m 网络数据传输方式和基本原理，文章也将阐述作为g s m 业务的短消息业 务和g p r s j 艮务的功能、特点及数据传输过程，特别是基于g r 4 7 模块下在v c + + 平台下的实现，以及在嵌入到家电中的应用的研究，包括了在硬件部分和软件上 关键部分的实现过程。 对利用收发短消息来控制家电和用数据业务进行数据传输的研究，最终的目 标是实现一个电子化、智能化、高可靠性系统来做为智能家电的一部分，相信在 不远的将来一定能更加便捷人们的生活。 本文研究和开发时所用到的硬件和软件： 硬件：小型局域网软件：操作系统：w i n d o w sx p g r 4 7 通信模块v i s u a lc + + 小型家电控制板 8 0 c 5 1 单片机 8 浙江大学硕士学位论文 第二章g s m 数据传输技术 2 1g s m 系统概述 g s m 是g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 的缩写，意为全球移动通信 系统，是世界上第一个对数字调制方式，网络结构和业务种类进行标准化的数字 窝蜂移动通信系统。在g s m 以前，欧洲各国的第一代蜂窝移动通信系统采用不 同的标准，这样使得用户无法实现泛欧漫游。提出g s m 的原始目的是实现泛欧 蜂窝移动通信业务，通过利用综合业务数字i 碉( i s d n ) 来实现广域网业务。现在， g s m 是全球最受欢迎的第二代蜂窝移动通信系统。 g s m 系统常使用的频率有9 0 0 m h z ，1 8 0 0 m h z 和1 9 0 0 m h z 。在我国，中国移动 通信公司和中国联通公司建设的g s m 网络都包括了两个并行系统：g s m 9 0 0 和 d c s l 8 0 0 ，他们的主要区别只在于频率的不同，功能上是没有区别的。为了缓解 因用户数量增多而带来的g s m 9 0 0 网络的紧张状况，引入了d c s l 8 0 0 ，构成了现 在的g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 双频网。 g s m 系统采用用户识别卡( s i m ，s u b s c r i b e ri d e n t i f ym o d u l e ) t 2 1 。s i m 卡是一 个存储器，其中存储了诸如用户识别码、鉴权及加密信息和一个4 位数的个人身 份识别码等与用户相关的信息。用户通过s i m 卡可在任一个g s m 终端上得到系统 的服务。s i m 卡一般均做成智能卡( i c ) 形式。若不插入s i m 卡，所有g s m 移动台 都不能接入系统工作。g s m 是通过s i m 卡来确定用户的身份的，用户将其s i m 卡 插入任一可使用的终端中，无论在何地，都可通过此终端进行所有的g s m 呼叫， 也可接受对其所有的呼叫。 目前流行的g p r s 是介于第二代移动通信到第三代通信的过渡系统，称2 5 代移动通信，g p r s 与g s m 的区别在于g s m 采用的是电路交换方式，而g p r s 采用的是i p 分组交换方式。在计费方面，g s m 主要按时长来计费，打多长时间 电话，就按多多长时间计费。g p r s 的计费是以数据流量、时间、服务质量三者 的结合为基础，对于相同的数据流量，根据用户数据传输质量的不同产生不同的 费用。从这种意义上讲，g p r s 能为用户省上网费用，计费方式更加合理1 5 1 。 9 浙江大学硕士学位论文 2 2g s m 系统的基本特点 g s m 系统完全按照欧洲电信标准学会( e t s i ) 铝t 定的g s m 技术规范研制而 成，任何一家厂商生产的g s m 数字移动通信系统都必须符合g s m 技术规范。 g s m 系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统，具有以下特点1 2 l ： l 、g s m 系统由几个分系统组成，并且可与各种公用通信网( p s t n 、p d n 、i s d n 等) 互通，互连。各分系统之间及系统与各种公用网之问都定义了明确而详细的 接口标准，保证任何厂商提供的g s m 系统或子系统能够互连。 2 、g s m 系统能够提供跨国自动漫游，相互签署了漫游协议的g s m 运营商，其 用户可进入对方的g s m 系统而与国别无关。 3 、g s m 系统除提供用户终端业务( 如语音业务和紧急呼叫等) 外，还可提供各种 承载业务、补充业务和与i s d n 相关的业务。 4 、g s m 系统具有加密和鉴权功能，能确保用户的通信保密和网络安全。 5 、g s m 系统具有灵活方便的网络结构，频率再用率高，移动交换机的话务处理 能力强，能满足用户对大容量，高密度业务的要求。 6 、g s m 系统抗干扰能力较强，覆盖区域内通信质量好。 7 、g s m 用户终端设备( 如手机和车载台) 采用超大规模集成电路( v l s l ) 和数字信 号处理器( d s p ) ，体积更小、重量更轻，功能更强。 2 3g s m 系统的结构与功能1 3 1 g s m 系统由三个相互联接的主要子系统构成，并通过一定的网络接口和用 户联接。三个子系统是基站子系统( b s s ) ，网络和交换子系统( n s s ) 及操作支持子 系统( o s s ) 。移动台( m s ) 也是一个子系统，但通常视作b s s 的一部分。 图2 1 为g s m 系统的结构框图。其中，基站子系统b s s 是g s m 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连，负责 无线发送接收和无线资源的管理。同时，它与n s s 相连，实现移动用户间或移动 用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信息和用户信息等。 网路子系统n s s 是整个系统的核心，它对g s m 移动用户之间及移动用户与 其它通信网用户之间通信起着交换，连接与管理的功能。主要负责完成呼叫处理、 1 0 浙江大学硕十学位论文 o s s n m c ：网络管理中心 p c s ：用户识别卡个人化中心 v l r ：拜访位置寄存器 e i r ：设备识别寄存器 p d n ：公用数据网 m s ：移动台 u m 接 d p p s ：数据后处理系统 o m c ：操作维护中心 h l r ：归属位置寄存器 b s c ：基站控制器 p s t n ：公用电话交换网 图2 - 1 g s m 系统结构 s e m c ：安全性管理中心 m s c ：移动业务交换中心 a u c ：鉴权中心 b t s ：基站收发信台 i s d n ：综合业务数字网 b t s ：基站收发信台 b s c ：基站控制器 s m ：子复用设备 b i e ：基站接口设备 m s c ：移动业务交换中心 tc ：码变换器 图2 - 2b s s 组成 a 接口 浙江大学硕- f ：学位论文 通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安全性管理、用户数据和设备管 理、计费记录处理、公共信道，信令处理和本地运行维护等。m s ，b s s 和n s s 组成了g s m 系统的实体部分。 o s s n 为运营商提供对这些实际运行的部分进行控制，维护和管理。 2 3 1 移动台( m s ) 移动台是g s m 移动通信网中用户直接使用的设备，移动台的类型主要有车 载台和手持台( 手机) 。随着g s m 标准的数字式手机进一步向小型、轻巧和多功能 方向发展，手机用户所占比重将越来越大。m s 除提供通过无线接口进入g s m 系 统的常规无线通信功能和相关处理功能外，还必须提供与使用者之间的接口。比 如提供通话呼叫所需要的话筒、扬声器，显示屏和键盘。在进行数据通信时还需 要提供与其它一些终端设备之间的接口，如与个人计算机和传真机之间的接口。 m s 的另外一个重要部分是s i m 卡，g s m 系统通过s i m 卡来识别用户。s i m 卡的应用使移动台不固定地束缚于一个用户，它包含所有与用户有关的无线接口 一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息。 2 3 2 基站子系统( b s s ) b s s 是g s m 系统中与无线方面关系最密切且最直接的基本组成部分。它通 过无线方式发送和接收信息，并进行无线资源的管理。另外，b s s 与n s s 中的 移动交换中心( m s c ) 相连，实现移动用户之间或移动用户和市话用户之间的通信 连接来传送系统信息和用户信息等。为了对b s s 部分进行操作，维护和管理， 还要建立b s s 和o s s 之间的通信连接。 b s s 由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 两部分功能实体组成。每个 b s s 有多个b s c ，一个典型的b s c 可控制多达数百个的b t s 。b t s 可以直接和 b s c 相连，也可以通过基站接口设备( b i e ) 采用远端控制的连接方式与b s c 相连， 其连接的链路可以是无线的，也可以是有线的。需要说明的是，b s s 还应包括码 变换器( t c ，有时又称t r a u ) 和相应的子复用设备( s m ) 。码变换器一般置于b s c 和m s c 之间，这样组网的灵活性较高且可以减少传输设备的数量。 一种具有本地和远端配置b t s 的典型b s s 组成方式如图2 2 所示。 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 1 基站收发信台( b t s ) b t s 是b s s 的重要组成部分。b t s 由b s c 控制，完成b s c 与无线信道之间的 转换。 b t s 主要由基带单元、载频单元，控制单元和天馈单元等部分组成。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 解调以及射频信号的发送和接收等；控制单元则用于对b t s 的操作与维护；天馈 单元主要用于射频信号的分路合路以及将射频信号变成电磁波或者将电磁波转 换为射频信号。这里必须注意的一点是：当b s c 与b t s 不设在同一处时，传输单 元是必须的，以实现b s c 与b t s 之间的远端连接。若b s c 与b t s 置于同一处，传 输单元可以省去。 2 3 2 2 基站控制器( b s c ) b s c 是b s s 的控制部分，用于完成对各种接口的管理，承担无线资源和无线 传输参数的管理。另外，当m s 在同一b s c 控制下的两个b t s 间进行越区切换 ( h a n d o f f , 在g s m q b 又称为h a n do v e r 或h o ) 时，切换过程i 妇b s c 而不是m s c 处理， 这就大大地降低了m s c 的处理负担。 b s c 主要由以下几部分组成： ( 1 ) 相关接口的管理，控制和处理部分。 ( 2 ) 公共处理部分( 包括与o s s 相连的接口控制) 。 ( 3 ) 交换部分。 2 3 3 网络和交换子系统( n s $ ) n s s 对g s m 系统移动用户之间及移动用户和其它通信网用户之间的通信起 着管理作用，并对一些相关的用户数据库进行管理和操作。n s s 由一系列功能实 体组成，n s s 的各功能实体之间和n s s 与b s s 之间都通过n o 7 信令系统来传 递信令。该n o 7 信令系统应符合i t u t 有关建议和g s m 有关标准的规定。 2 3 3 1 移动交换中心( m s c ) 浙江大学硕士学位论文 m s c 是整个g s m 网络的核心。它控制所有b s c 的业务，提供位置登记、越 区切换和自动漫游等功能，并提供和公共电话交换网( p s t n ) 、综合业务数字网 ( i s d n ) 、公共数据网( p d n ) 等固定网的接口功能，把移动用户与移动用户，移动 用户和固定网用户互相连接起来。 m s c 从系统内的三个数据库，即归属位置寄存器r ( h l r ) 、拜访位置寄存器 ( v l r ) 和鉴权中心( a u c ) 中获取用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。另外， m s c 也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。 对于容量比较大的移动通信网，一个n s s 可包括若干个m s c ，h l r 和v l r 。 当移动用户从其归属交换中心( h m s c ) 进入被访交换中心( v l s c ) 时，为了建立 对该移动用户的呼叫，一般先将呼叫接入网关移动交换中一i l , ( g m s c ) ，g m s c 负 责获取位置信息，且把呼叫转移到可向该移动用户提供服务的m s c 。因此，g m s c 具有与固定网及其它n s s 实体互通的接口。目前，g m s c 的功能就是在m s c 中 实现的。当然，根据网络的需要，g m s c 的功能也可以在固定网交换机中实现。 2 3 3 2 拜访位置寄存器( v l r ) v l r 服务于其控制区域内的移动用户，存储着进入其控制区域内已登记的 漫游移动用户的相关信息，并为已登记的漫游移动用户提供建立呼叫接续的必要 条件。当某用户进入v l r 控制区后，此v l r 将从该移动用户的归属用户位置寄 存器( h l r ) 获取存储必要数据。而一旦此用户离开后，h l r 将删除v l r 中此用 户的数据。所以，v l r 可看作一个动态用户的数据库。 2 3 3 3 归属位置寄存器( h l r ) h l r 是g s m 系统的中央数据库，存储着该h l r 控制的所有注册登记的移 动用户的相关数据。一个h l r 能够控制若干个移动交换区以至整个移动网，所 有移动用户的重要静态数据均存储在h l r 中，其中包括移动用户识别号码、访 问功能，用户类别和补充业务功能等数据。h l r 中还存储着为m s c 提供关于移 动用户实际漫游所在m s c 的有关动态数据，这样，任何入局呼叫均可按相应的 路由送到被叫用户。 2 3 3 4 鉴权中心( a u c ) g s m 系统采取了特别的安全措施，如用户鉴权，无线接口上的信息加密等。 a u c 存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统并保证通过无线 接口进行通信的移动用户的通信安全。 1 4 浙江大学硕士学位论文 a u c 属于n s s 的一个功能单元，可以与h l r 集成在一起，专用于g s m 系 统的安全性管理。 2 3 3 5 设备识别寄存器( e l r ) e i r 存储着移动设备的国际移动设备识别码( i m e i ) ，通过核查白色清单、黑 色清单和灰色清单这三种表格r 其中分别列出了准许使用的、出现故障需监视使 用的、失窃不准使用的移动设备的i m e i ) ，使得运营商对于不管是失窃还是由于 技术故障或误操作而危及网络正常运行的移动台，都能采取及时的防范措施，以 确保网络内所使用的移动设备的唯一性和安全性。 2 3 3 6 操作维护中心( 0 m c ) o m c 用于对g s m 系统内每一个m s 、b s c 和m s cq - 作情况进行监控和维 护，主要有以下三个功能： ( 1 ) 对系统内所有通信设备和运行的网络进行维护和管理。 ( 2 ) 对所有费用和账单处理情况进行管理。 2 3 4 操作支持子系统( 0 s s ) o s s 主要完成移动用户管理，移动设备管理以及网络操作和维护等功能。 移动用户管理包括用户数据管理和呼叫计费管理，o s s 通过o m c 和其它功 能实体完成这一功能。用户数据管理一般由h l r 来完成，s i m 卡的管理也可认 为是用户数据管理的一部分。但是，作为相对独立的s i m 卡管理，还必须根据 运营商对s 1 m 的管理要求和模式采用专门的s i m 卡个人化中心来完成。呼叫计 费可以由移动用户所访问的各个m s c 或g m s c 分别处理，也可以采用通过h l r 或独立的计费设备来集中处理计费数据。 移动设备管理是由e i r 来完成的，e i r 与n s s 其它功能实体之间通过n 0 7 信令网络的接口相连。 网络操作和维护由o m c 完成。从电信管理网( t m n ) 的发展角度考虑，o m c 还应具备与上层t m n 进行通信的功能，以保证g s m 网络能与其它电信网络一 起纳入先进、统一的t m n 中进行集中操作，维护和管理。 可以认为，o s s 已不包括与g s m 系统的n s s 和b s s 部分直接相关的功能 实体，而成为了一个相对独立的管理和服务中心。其中主要包括网络管理中心 ( n m c ) 、安全性管理中一i 二, ( s e m c ) 、用于s i m 管理的个人化中心( p c s ) ，用于集中 浙江大学硕十学位论文 计费管理的数据后处理系统( d p p s ) 等功能实体嘲。 2 4g s m 系统的主要业务 g s m 系统提供的业务种类主要有话音业务、承载业务、短消息业务和补充 业务，下面分别给以简单介绍。 2 4 1 话音业务1 2 】 1 、电话业务 电话业务是g s m 系统提供的最重要的业务，它经过g s m 网络和固定网， 为移动用户之间或移动用户与固定网用户之间提供实时的双向话音通信。 2 、紧急呼叫 紧急呼叫是由电话业务演变来的一项独立业务，它允许移动用户在紧急情况 下通过一种简单的拨号方式将紧急呼叫接入紧急服务中心。这种简单拨号方式可 以拨叫紧急服务中心的号码( 比如我国统一使用火警中心特服号1 1 9 ) 。有些g s m 移动台具备s o s 键，一按此键就可接入紧急服务中心。此业务优先于其它业务， 在移动台没有插入s i m 卡或移动台处于锁定状态时，也可按此键接入紧急服务 中心。 2 4 2 承载业务 g s m 系统从一开始就考虑兼容多种在i s d n 中定义的承载业务，满足g s m 移动用户对数据通信服务的要求。g s m 系统设计的承载业务不仅使移动用户之 间的数据通信成为可能，更为重要的是能为移动用户与p s t n 和i s d n 用户之间 通过数据通信服务，还能够实现g s m 网络和公用数据网( p d n ) 的互通。 数据传输时，m s c 需启用网络互通功能单元( i w f ，i m e r w o r k i n g - f u n c t i o n ) 。 互通功能单元是为完成数据连通而规定的功能。用户总是需要不同种类的承载业 务，要支持各种承载业务也就要经过不同类型的m s 或i w f 接入接口和终端网 络。 承载业务有多种业务，包括数据电路、数据网的异步接入和数据网的同步接 1 6 浙江大学硕士学位论文 入。这几类在无线传输许可的条件下的，g s m 规范定义了1 0 大类3 0 多种数据 业务，为用户提供多种速率的透明或不透明数据通信服务。 2 4 3 短消息业务6 承载业务中的各项数据通信业务往往并不适合于移动环境，它们只是将适用 于固定用户的业务延伸到g s m 移动用户，其主要原因在于这些数据业务通常需 要相对较大的数据终端( 与手机相比) ，所以只适合于半固定场合。像寻呼业务这 样的简单数据通信业务乃是大家都很感兴趣的。g s m 在设计时就考虑到用户的 这种需要，因而把g s m 设计成支持这种业务的系统，以免g s m 用户要携带两个 终端( 一个用于话音通信，一个用于寻呼) 。 g s m 包括两种短消息业务，一种是点对点的送到移动台的短消息和由移动 台发起的短消息。另一种短消息业务是“小区广播短消息服务”，即每隔一定时 间间隔对所在地理区域内的所有用户广播的短消息。 2 4 4 补充业务 补充业务可丰富g s m 的基本业务，主要是允许用户选择怎样由网络处理呼 入和呼出，或者给用户提供一些信息以使其能充分利用基本业务。补充业务并不 是g s m 系统所特有的，也不是其它移动通信系统所特有的。其绝大部分直接由 固定网络继承而来，少部分在需要适应移动性时作了修改。 常用的补充业务有呼入呼出限制、主叫号码显示、恶意呼叫识别、呼叫转 移、呼叫等待、呼叫保持、三方通话、会议电视、闭合用户群和计费通知等， g s m 规范定义了8 大类近3 0 种不同的补充业务。 2 5g s m 工作频段的分配14 l g s m 9 0 0 m h z 频段为：8 9 0 9 1 5 m h z ( 移动台发，基站收1 ，9 3 5 9 6 0 m h z ( 基 站发，移动台收) 。d c s l 8 0 0 m h z 频段为：1 7 1 0 1 7 8 5 m h z ( 移动台发，基站收) ， 1 8 0 5 1 8 8 0 m h z ( 基站发，移动台收) ，如表2 - 1 所示。 1 7 浙江大学硕士学位论文 表2 一lg s m 网络的下作频段 g s m 系统上行频段m h z下行频段m h z带宽h z g s m 9 0 08 9 0 9 1 59 3 5 9 6 02 2 5 g s m 9 0 0 e8 8 0 9 1 59 2 5 9 6 02 3 5 g s m l 8 0 01 7 1 0 1 7 8 51 8 0 5 1 8 8 02 7 5 g s m l 9 0 01 8 5 0 1 9 1 01 9 3 0 - 1 9 9 02 6 0 相邻两频点间隔为2 0 0 k h z ，每个频点采用时分多址( t d m a ) 方式，分为8 个时隙，即8 个信道( 全速率) 。如果g s m 采用半速率话音编码后，每个频点可 容纳1 6 个半速率信道，使系统容量扩大一倍，但其代价是导致语音质量的降低。 频道配置如下，绝对频点号和频道标称中心频率的关系为： l 、g s m 9 0 0 m h z 频段： “n ) = 8 9 0 2 m h z + ( n 1 ) x o 2 m h z ；( 移动台发，基站收) f h ( n ) = f l ( n ) + 4 5 m h z ：( 基站发，移动台收) ；n _ 【1 ，1 2 4 】 2 、g s m l 8 0 0 m h z 频段： f ，( n ) = 1 7 1 0 2 m h z + ( n - 5 1 2 ) x 0 2 m h z ；( 移动台发，基站收) f h ( n ) = f l ( n ) + 9 5