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机械毕业设计
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阜新高等专科学校gsm通信系统规划与设计,机械毕业设计
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阜新高等专科学校 GSM 通信系统规划与设计 指导教师： 王 东 系 （部）： 工程系 班 级： 05 6 姓 名： 张明月 2007 12 23 nts GSM通信系统规划与设计 1 目 录 第 一章 导论 1.1 什么是 GSM 1.2 GSM的发展过程 第二章 GSM基本原理 . GSM的网络结构 . GSM的业务功能 . GSM主要信道 . GSM通信过程 . GSM技术资料 . 工作频段分配 . 鉴权 . 切换 第三章 集群通信系统与 GSM通信系统电话互联的实现 . 系统电话互联的结构 . GSM接口单元硬件设计 . GSM接口单元软件设计 . GSM AT指令 . 集群系统呼叫 . 呼叫 集群系统 附录：系统英汉缩略词语 nts GSM通信系统规划与设计 2 第一章 导论 . 什么是 GSM GSM 数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。 蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。直到 1979 年美国在芝加哥开通 了第一个 AMPS(先进的移动电话业务 )模拟蜂窝系统，而北欧也于 1981 年 9月在瑞典开通了 NMT(Nordic 移动电话 )系统，接着欧洲先后在英国开通 TACS 系统，德国开通 C 450 系统等。 蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点： 1. 各系统间没有公共接口； 2. 很难开展数据承载业务； 3. 频谱利用率低无法适应大容量的需求； 4. 安全保密性差， 易被窃听，易做 “ 假机 ” 。 尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，对客户之间造成很大的不便。 GSM 数字移动通信系统史源于欧洲。早在 1982 年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的 NMT（北欧移动电话）和英国的 TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统， 1982年北欧国家向 CEPT（欧洲邮电行政大）提交了一份建议书，要求制定 900MHz 频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上 就成立了一个在欧洲电信标准学会（ ETSI）技术委员会下的 “ 移动特别小组 Group SpecialMobile）简称 “GSM” ，来制定有关的标准和建议书。 1986 年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的 8个建议系统进行了现场实验。 1987 年 5 月 GSM 成员国就数字系统采用窄带时分多址 TDMA、规则脉冲激励线性预测 RPE 一 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。同年，欧洲 17 个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（ MoU），相互达成履行规范的协议。与 此同时还成立了 MoU 组织，致力于 GSM 标准的发展。 nts GSM通信系统规划与设计 3 1990 年完成了 GSM900 的规范，共产生大约 130 项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套 12 系列。 1991 年在欧洲开通了第一个系统，同时 MoU 组织为该系统设计和注册了市场商标，将 GSM 更名为 “ 全球移动通信系统 ” （ Globa1 system for Mobile communications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定 1800MHz 频段的公共欧洲电信业务的规范，名为 DCSI800系统。该系统与 GSM900 具有同样的基本功能特性，因而该规范只占 GSM 建议的很小一部分，仅将 GSM900 和 DCSI800 之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为 GSM 系统。 1992 年大多数欧洲 GSM 运营者开始商用业务。到 1994 年 5 月已有 50 个 GSM网在世界上运营， 10 月总客户数已超过 400 万，国际漫游客户每月呼叫次数超过 500 万，客户平均增长超过 50。 1993 年欧洲第一个 DCSI800 系统投入运营。到 1994 年已有 6 个运营者采用了该系统。 . GSM 的发展过程 GSM 数字移动通信系统是由欧 洲的主要电信运营商和制造商组成的标准化委员会设计的，以 TDMA(时分多址 )+FDMA(频分多址 )的方式实现多用户的通信，容量较模拟蜂窝移动通信系统有了很大的提高。 GSM 的管理者是欧洲电信标准协会 (ETSI)，这个组织不仅包括管理组织者，还包括工业界人士、用户团体和运营商，因此保证了每一次的技术更新都能有的放矢。 GSM 是在 1982 年提出标准的，到 1992 年，欧洲各大运营商开始提供 GSM900 服务。从 1990 年起， GSM 网络开始向欧洲以外的国家和地区扩展，至今已有 100 多个国家获得 GSM 运营执照， GSM 成为迄今 为止使用国家最多、用户最普及、设备供应商最多的移动通信系统。我国于 1993 年在浙江嘉兴开始兴建 GSM 实验网， 1994 年 10 月中国联通开始建设 GSM 通信网，目前， GSM 已成为我国移动通信网络的主体，中国的 GSM 网络已是全世界最大的移动通信网络，为国家的经济发展做出了巨大贡献。虽然 CDMA 和第三代移动通信系统等其他移动通信技术发展非常迅速，但是 GSM 已有的网络基础加上其本身技术的不断进步，可以预见，在未来的数年内， GSM 仍将保持世界移动通信领域的统治地位。 第二章 GSM基本原理 . GSM的网络结构 与通常的移动通信系统一样， GSM移动通信系统也由移动台子系统、基站子系统和交换子系统组成。 GSM系统还有运行子系统。下面分别予以介绍。 1.移动台子系统 移动台是与用户最为接近的子系统，也是用户最为熟悉的设备。它除了通过无线接口接入网络进行一般的无线处理外，还提供与用户的接口 (如送话器、受话器、显示器和键盘 )和与其他终端设备的接口 (电脑接口、 SIM 卡接口等 )。移动台nts GSM通信系统规划与设计 4 子系统包括移动设备 (即手机 )和 SIM 卡部分。 SIM 卡除了用于信息存储外，还有保密功能，是用户识别、位置管理和通信保密的主要设备，几 乎是所有通信 (除应急通信 )必需的部分。通过 SIM 卡进行用户识别和通信保密是 GSM 相对于模拟移动通信系统的一个重要革新。 2.基站子系统 基站子系统包括 GSM 无线蜂窝特有的基础设施。它一方面通过无线接口 (包括在无线链路上的发送、接收及管理等设备 )与移动台直接连接；另一方面与网络和交换子系统的交换机连接：同时，还与运行和维护子系统相连。基站子系统的传输设备是 BTS(基站收发台 )，负责与移动台联系；管理设备是 BSC(基站控制器 )，可以管理 10 多个 BTS，负责与其他设备联系。基站子系统将无线信号转换为有线信号并交给 交换子系统处理。 3.交换子系统 交换子系统完成 GSM 的主要交换功能，由 MSC(移动交换中心 )、 HLR(归属位置寄存器 )、 VLR(访问位置寄存器 )、 GMSC(网关移动交换中心 )组成，共同管理GSM 用户与其他电信网络用户之间的通信，并管理用户数据和移动性所需的数据库。 4.运行子系统 运行子系统由 OMC(操作维护中心 )、计费中心、 EIR(设备识别寄存器 )等组成，完成整个系统的运行管理。 . GSM 的业务功能 GSM 数字移动通信系统能提供多种不同类型的业务，基本上可以分为电话业务和数字业务 (也称非话业务 )。 前者传输的是音频范围的语音信号；后者传输的是话音以外的其他信号，如文字、图像、传真、计算机文件等，其典型应用是短消息业务。 1.电话业务 nts GSM通信系统规划与设计 5 GSM 为系统用户和其他所有与其联网的用户提供双向话音通信。电话业务是目前为止数字移动通信系统最重要的业务。电话业务还引伸出语音信箱业务，这在一定程度上提高了网络效率，为用户带来了方便。 2.数字业务 GSM 系统设计之初，就是按照 ISDN(综合业务数字网 )的模式计划提供各种数字业务的，因此，现行的 GSM 系统基本上包含了大部分为固定电话用户和 ISDN用户提供的数字业务。 GSM 系统还可以接入其他网络，如分组交换数据网，从而得到这些网络提供的数据业务。 GPRS(通用分组无线业务 )正是这种应用的最好体现，现在它被称作 2.5 代移动通信技术，最大传输速率可达 170kbit/s 左右，应用广泛。目前，最新的 GSM 技术已经将数据传送速率提高到 384kbids，达到第三代移动通信系统的基本速率，可以传送动态画面。 3.短消息业务 点对点短消息传送是 GSM 首创的数字业务，使得用户可以发出或接收有一定长度限制的数字或文字信息。虽然这一业务与寻呼业务相似，但它具有双向通信能力，网络端可以知道被叫方是否 已经收到消息，甚至可以将这个消息通知主叫方。短消息如果遇信道拥塞或系统忙而导致传送失败， GSM 系统会在一定时间内保留消息并自动重发，直到被叫方收到。收发短消息和用的是空闲信道，所以运营商可以很低的成本提供这一业务，相应地，用户使用费也很低。短消息已经成为SM 系统提供的一个十分重要的业务。时下非常流行的彩信业务是短消息业务的发展，在网络和特定功能的手机支持下，可以传送彩色照片等多媒体业务。 4.补充业务 补充业务主要指允许用户按照自己的需要改变网络对其呼入和呼出的处理，或者网络通过提供某一种信息让用户能够智能 化地利用一些常规业务，如呼叫转移、呼叫限制、多方通话、闭合用户群等。 . GSM 主要信道 GSM 系统在每个小区使用 8 个频点，每个频点分为 8 个时隙，这样每个小区有64 个信道。主要信道分为专用信道和公用信道，分配在每个小区的 64 个信道中。专用信道有 TCH(业务信道 )、 SACCH(慢速辅助控制信道 )和 SDCCH(独立专用控制信道 )；公用信道有 FCCH(频率校正信道 )、 SCH(同步信道 )、 BCCH(广播控制信道 )、 PCH(寻呼信道 )、 AGCH(允许接入信道 )和 RACH(随机接入信道 )。 TCH 是nts GSM通信系统规划与设计 6 GSM 业务的承载信道 ，又可分为 TCH/F、 TCH/H 和 TCH/8，分别对应不同速率的业务。 SACCH 用于移动台和基站之间一些特定信令的传输。 SDCCH 传输移动台与基站之间的连接和信道分配的信令，起控制作用。每个蜂窝都有一个 BCCH，用于广播与这个蜂窝小区相关的所有信息，供处于空闲模式的手机进行侦听，它是一个基站发出的下行单向信道。 SCH 和 FCCH 是移动台与基站保持通信同步的公用信道，根据系统情况可以与 BCCH合在一个信道中。 PCH和 AGCH也可合称为 PAGCH，基站通过广播寻呼消息通知移动台对它的呼叫已经建立，包括来自移动台的 申请和来自基站的应答，也是单向下行信道。 RACH 是移动台将接入申请传给网络的单向上行信道。 . GSM 的通信过程 1.开机 移动台完成开机需要经过下列过程：移动台读取 SIM 卡中的用户数据，并将数据发送给最近的基站。基站收到数据后，根据手机的 IMSI(国际移动台识别号码 )向其归属地的 HLR 进行查询，如果属于正常用户，就分配给移动台一个 TMSI(临时移动台识别号码 )，如果移动台处于漫游状态，则在其 VLR 中同时进行位置登记，即完成开机过程。 2.待机 每个移动台在开机后都处于待机过程。在这个过程中，系统根据 移动台的情况，完成越区切换和新的位置登记，如果需要还将分配新的 TMSI 号码，保持移动台与最近的基站子系统的联系，并不断通过 BCCH 通知移动台其所在小区的信道情况。移动台通过接收 SCH 和 FCCH 的信息，保持与基站通信的同步。在待机过程中，移动台不占用信道资源。 3.呼出 用户在移动台上完成呼叫号码的输入并开始发送时，呼出过程开始。移动台首先通过 RACH 发送接入请求给基站，基站子系统根据 BCCH 发布的信道信息为移动台分配一个最为合适的 TCH，通过 PAGCH 信道通知移动台，同时通过系统的协调完成需要的区域切换过程 。保证信道连续性。在信道分配完成后，将呼出的号码通过交换子系统接入公共电话网络，通过这个网络建立呼叫，为用户提供话音服务。 nts GSM通信系统规划与设计 7 4.呼入 系统在收到对某个移动台的呼叫请求后，首先通过查询 HLR 和 VLR 找到移动台所在的小区，然后由基站根据 BCCH 的信道分配情况给移动台分配一个合适的信道，并通过 PAGCH 通知移动台建立信道，再通过这个信道将振铃信息传递给移动台，移动台用户摘机后，呼入建立成功 . GSM 技术资料 2GSM 系统的技术规范及其主要性能 GSM 标准共有 12 章规范系列，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 接口和规约（空中接口第 2、 3 层） 05系列：无线路径上的物理层（空中接口第 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 到 MSC 接口（ A 和 Abis接口） 09 系列：网络互连 10 系列：暂缺 11 系列：设备和型号批准规范 12 系列：操作和维护 . 工作频段的分配 工作频段 我国陆地公用蜂窝数字移动通信网 GSM 通信系统采用 900MHz 频段： 890 915（移动台发、基站收） 935 960（ 基站发、移动台收） 双工间隔为 45MHz，工作带宽为 25 MHz，载频间隔为 200 kHz。 随着业务的发展，可视需要向下扩展，或向 1.8GHz 频段的 GSM1800 过渡，即1800MHz 频段： 1710 1785（移动台发、基站收） 1805 1880（基站发、移动台收） 双工间隔为 95MHz，工作带宽为 75 MHz，载频间隔为 200 kHz。 频道间隔 相邻两频道间隔为 200kHz。 每个频道采用时分多址接入（ TDMA）方式，分为 8个时隙，即 8 个信道（全速率）。每信道占用带宽 200 kHz/8 25 kHz。 将来 GSM 采用半速率话音编码后，每个频道可容纳 16 个半速率信道 。 多址方案 GSM 通信系统采用的多址技术：频分多址（ FDMA）和时分多址（ TDMA）结合，还加上跳频技术。 GSM 在无线路径上传输的一个基本概念是：传输的单位是约一百个调制比特的序列，它称为一个 “ 突发脉冲 ” 。脉冲持续时间优先，在无线频谱中也占一有限部分。它们在时间窗和频率窗内发送，我们称之为间隙。精确地讲，间隙的中心频率在系统频带内间隔 200 kHz 安排（ FDMA 情况），它们每隔 0.577ms（更精确地是 15/26ms）出现一次（ TDMA 情况）。对应于相同间隙的时间间隔称为一个时隙，它的持续时间将作为一种时间单位，称为 BP（突发脉冲周期）。 nts GSM通信系统规划与设计 8 这样一个间隙可以在时间 /频率图中用一个长 15/26ms，宽 200KHz 的小矩形表示（见图）。统一地，我们将 GSM 中规定的 200KHz 带宽称为一个频隙 。 在时域和频域中的间隙 在 GSM 系统中，每个载频被定义为一个 TDMA 帧，相当于 FDMA 系统的一个频道。每帧包括 8 个时隙（ TS0 7）。每个 TDMA 帧有一个 TDMA 帧号。 TDMA 帧号是以 3 小时 28 分 53 秒 760 毫秒（ 2048?51?26?8BP 或者说 2048?51?26个 TDMA 帧）为周期循环编号的。每 2048?51?26 个 TDMA 帧为一个超高帧，每一个超高帧又可分为 2048 个超帧，一个超帧是 51?26 个 TDMA 帧的序列（ 6.12 秒），每个超帧又是由复帧组成。复帧分为两种类型。 26 帧的复帧：它包括 26 个 TDMA 帧（ 26?8BP），持续时长 120ms。 51 个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携带 TCH（和 SACCH 加 FACCH）。 51 帧的复帧：它包括 51 个 TDMA 帧（ 51?8BP），持续时长 3060/13ms。 26 个这样的复帧组成一个超帧。这种复帧用于携 带 BCH 和 CCCH。 无线接口管理 在 GSM 通信系统中，可用无线信道数远小于潜在用户数，双向通信的信道只能在需要时才分配。这与标准电话网有很大的区别，在电话网中无论有无呼叫，每个终端都与一个交换机相连。 在移动网中，需要根据用户的呼叫动态地分配和释放无线信道。不论是移动台发出的呼叫，还是发往移动台的呼叫，其建立过程都要求用专门方法使移动台接入系统，从而获得一条信道。在 GSM 中，这个接入过程是在一条专用的移动台基站信道上实现的。这个信道与用于传送寻呼信息的基站 移动台信道一起称为 GSM 的公用信道，因为它 同时携带发自 /发往许多移动台的信息。相反地，在一定时间内分配给一单独移动台的信道称作专用信道。由于这种区别，可以定义移动台的两种宏状态： 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，使它可以利用基础设施进行双向点对点通信。 接入过程使移动台从空闲模式转到专用模式。 GSM 信道 GSM 中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就为一个时隙（ TS），而逻辑信道是根据 BTS 与 MS 之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道，这些逻辑信道映射到物理信道上 传送。从 BTS 到 MS 的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。 逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。 业务信道（ TCH）： 用于传送编码后的话音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点（ BTS 对一个MS，或反之）方式传播。 控制信道： 用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道，它们又可细分为： 保密措施 GSM 系统在安全性方面有了显著的改进， GSM 与保密相关的功能有两个目标：第一，包含网络以防止未授权的接入，（同时保护用户不受欺骗性的假冒）；第二，保护用 户的隐私权。 nts GSM通信系统规划与设计 9 防止未授权的接入是通过鉴权（即插入的 SIM 卡与移动台提供的用户标识码是否一致的安全性检查）实现的。从运营者方面看，该功能是头等重要的，尤其在国际漫游情况下，被访问网络并不能控制用户的记录，也不能控制它的付费能力。 保护用户的隐私是通过不同手段实现时，对传输加密可以防止在无线信道上窃听通信。大多数的信令也可以用同样方法保护，以防止第三方了解被叫方是谁。另外，以一个临时代号替代用户标识是使第三方无法在无线信道上跟踪 GSM 用户的又一机制 。 PIN 码 这是一种简单的鉴权方法。 在 GSM 系统中，客户签 约等信息均被记录在 SIM 卡中。 SIM 卡插到某个 GSM 终端设备中，便视作自己的电话机，通话的计费帐单便记录在此 SIM 卡名下。为防止盗打，帐单上产生讹误计费，在 SIM 卡上设置了 PIN 码操作（类似计算机上的Password 功能）。 PIN 码是由 4 8 位数字组成，其位数由客户自己决定。如客户输入了一个错误的 PIN 码，它会给客户一个提示，重新输入，若连续 3 次输入错误， SIM 卡就被闭锁，即使将 SIM 卡拔出或关掉手机电源也无济于事，必须向运营商申请，由运营商为用户解锁。 鉴权 鉴权的计算如下图所示。其中 RAND 是网络侧对用 户的提问，只有合法的用户才能够给出正确的回答 SRES。 RAND 是由网络侧 AUC 的随机数发生器产生的，长度为 128 比特，它的值随机地在 0 2128 1（成千上万亿）范围内抽取。 SRES 称为符号响应，通过用户唯一的密码参数（ Ki）的计算获取，长度为 32 比特。 Ki 以相当保密的方式存储于 SIM 卡和 AUC 中，用户也不了解自己的 Ki， Ki 可以是任意格式和长度的。 A3 算法为鉴权算法，由运营者决定，该算法是保密的。 A3 算法的唯一限制是输入参数的长度（ RAND 是 128 比特）和输出参数尺寸（ SRES 必须是 32 比特）。 加密 在 GSM 中，传输链路中加密和解密处理的位置允许所有专用模式下的发送数据都用一种方法保护。发送数据可以是用户信息（语音、数据 ），与用户相关的信令（例如携带被呼号码的消息），甚至是与系统相关信令（例如携带着准备切换的无线测量结果的消息）。 加密和解密是对 114个无线突发脉冲编码比特与一个由特殊算法产生的 114比特加密序列进行异或运算（ A5 算法）完成的。为获得每个突发加密序列， A5 对两个输入进行计算：一个是帧号码，另一个是移动台与网络之间同意的密钥（称为Kc），见图。上行链路和下行链路上使用两个不同的序 列：对每一个突发，一个序列用于移动台内的加密，并作为 BTS 中的解密序列；而另一个序列用于 BTS的加密，并作为移动台的解密序列。 帧号： 帧号编码成一连串的三个值，总共加起来 22 比特。 对于各种无线信道，每个突发的帧号都不同，所有同一方向上给定通信的每个突发使用不同的加密序列。 A5 算法 A5 算法必须在国际范围内规定，该算法可以描述成由 22 比特长的参数（帧号码）nts GSM通信系统规划与设计 10 和 64 比特长参数（ Kc）生成两个 114 比特长的序列的黑盒子。 密钥 Kc 开始加密之前，密钥 Kc 必须是移动台和网络同意的。 GSM 中选择在鉴权期间计算密 钥 Kc；然后把密钥存贮于 SIM 卡的永久内存中。在网络一侧，这个 “ 潜在 ”的密钥也存贮于拜访 MSC/VLR 中，以备加密开始时使用。 由 RAND（与用于鉴权的相同）和 Ki 计算 Kc 的算法为 A8 算法。与 A3 算法（由RAND 和 Ki 计算 SRES 的鉴权算法）类似，可由运营者选择决定。 用户身份保护 加密对于机密信息十分有效，但不能用来在无线路径上保护每一次信息交换。首先，加密不能应用于公共信道；其次，当移动台转到专用信道，网络还不知道用户身份时，也不能加密。第三方就有可能在这两种情况下帧听到用户身份，从而得知该用户此时漫游 到的地点。这对于用户的隐私性来说是有害的， GSM 中为确保这种机密性引入了一个特殊的功能。 在可能的情况下通过使用临时移动用户身份号 TMSI 替代用户身份 IMSI，可以得到保护。 TMSI 由 MSC/VLR 分配，并不断地进行更换，更换周期由网络运营者设置。 GSM 通信系统的组成 GSM 系统（ Global System for Mobile Communication）又称全球移动通信系统（全球通）。 GSM 通信系统主要由移动交换子系统（ MSS）、基站子系统（ BSS）和移动台（ MS）三大部分组成，如图 1 1 所示。其 中 MSS 与 BSS 之间的接口为 A 接口， BSS 与MS 之间的接口为 Um 接口。 GSM 规范对系统的 A 接口和 Um 接口都有明确的规定，也就是说， A 接口和 Um 接口是开放的接口 。 GSM 系统的组成 移动交换子系统 MSS 完成信息交换、用户信息管理、呼叫接续、号码管理等功能。 基站子系统 BSS BSS 系统是在一定的无线覆盖区中由 MSC 控制，与 MS 进行通信的系统设备，完成信道的分配、用户的接入和寻呼、信息的传送等功能。 移动台 MS MS 是 GSM 系统的移动用户设备，它由两部分组成，移动终端和客户识别卡（ SIM卡）。移动终端就是 “ 机 ” ，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。 SIM 卡就是 “ 人 ” ，它类似于我们现在所用的 IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。 SIM 卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入 SIM 卡后移动终端才能接入进网。 操作维护子系统 GSM 子系统还包括操作维护子系统（ OMC），对整个 GSM 网络进行管理和监控。通过它实现对 GSM 网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。 nts GSM通信系统规划与设计 11 . 鉴权 鉴权原理和操 作机制 鉴权是通过比较 MS 提供的鉴权响应和 AUC 提供的鉴权三参数组之间是否一致进行判断的，通过鉴权，可以防止非法用户（比如盗用 IMSI 和 KI 复制而成的卡）使用网络提供的服务。 首先明确 MS 中 SIM 卡和 AUC 中存贮的信息： SIM卡中： 固化数据： IMSI， Ki， A3、 A8 安全算法。这些内容不会更改。 临时的网络数据 TMSI， LAI， Kc，被禁止的 PLMN 业务相关数据 AUC中： 用于生成随机数 (RAND)的随机数发生器 鉴权键 Ki 各种安全算法，这些安全算法和 SIM 卡中的算法相一致。 AUC 的基本功能是产生三参数组 (RAND、 SRES、 Kc)，其中： RAND由随机数发生器产生； SRES由 RAND和 Ki由 A3算法得出； Kc由 RAND和 Ki用 A8算出。 三参数组产生后存于 HLR 中。当需要鉴权时，由 MS 所在服务区的 MSC/VLR 从 HLR中装载至少一套三参数组为此 MS 服务。 具体到某次鉴权时，如果此时 VLR 中还有该 MS 的三参组（或者允许重复使用三参组），则HLR 不参与鉴权过程， VLR 直接向 MS 下发鉴权命令；如果 VLR 中已经没有该 MS 的三参组，则需首先向 HLR 取三参组。 . 切换 . . 切换的起因 1）无线标准 信号质量 场强 MS和 /BTS接收电平 MS BTS距离 改善干扰与功率控制（选择在确保正常通信质量的情况下切换的小区以尽量减少 MS传输功率从而改善干扰） nts GSM通信系统规划与设计 12 2）网络标准 话务负荷（防止小区拥塞，均化话务；但扰乱了小区规划并增加了对周围区域的干扰强度 )，只在出现特殊事件，局部地区产生峰值时暂时使用，如举行运动会，交易会，发生了自然灾害时等。 O&M原因，应操作维护方面的需要 . . 切换启动方式 1） BSC 根据管理标准而检测到无线传输原因而执行切换判决 MS测量周围邻近小区下行信号电平和质量，以搜寻可供选择的 BTS，并将结果报告正在服务的 BTS 正在服务的 BTS对 MS上行信号电平，质量和距离进行测量 MS测量结果与 BTS测量结果送往 BSC进行处理， BSC根据传输质量标准作出切换判决 2） MSC 询问切换候选人 由于 MSC 业务的原因， MSC 希望确定是否能够切换到 MS 所指定的小区，则 MSC发 “ 切换候选者询问 ” 消息到 BSS，希望 BSS 识别在某一特定小区可以切换到另一些小区的切换候选者数目，消息中包含最大候选者的数目。 . . 切换类型 1） 内部切换 由 BSS 控制进行， MSC 不参与介入切换控制过程； BSS 仅在切换完成后发送 “ 切换完成消息 ” 到 MSC。内部切换有几种类型： 小区内切换 同一个无线频道的话务信道之间 不同的无线频道之间 同基站内小区间切换 2） 外部切换 （ MSC 参与控制切换过程） 同 MSC内不同基站间切换 同 PLMN不同 MSC之间基站间切换 nts GSM通信系统规划与设计 13 不同 PLMN的基站间切换， GSM未定义 . . 控制流程（以 BSS启动 “切换请求指示 ”为例） PLMN内不同 MSC之间的基站间切换 局间切换 GSM定义为两种切换 基本切换 最初的 MSC（ MSCA）的移动用户 MS 需要切换到另一个 MSC（ MSCB）的基站去， MSCA 主控这个切换 后续切换同一个接续在基本切换之后，已在 MSCB 的 MS 又需切换到另一个MSC（ MSCB）或重新返回到 MSCA，这类切换处理谓之 “ 后续切换 ” 不论是基本切换 ” 还是 “ 后续切换 ” ， “MSCA 始终处于主控位置 。 局间切换处理 M S C BSS1BSS2MSAAUmUmB S S 1 和 MS 间无线传输信号测量H A N D O V E R R E Q U I R E D ( 目标小区表 )切换请求 H A N D O V E R R E Q U E S T ( P C M & C h a n n e l t y p e )切换确认 H A N D O V E R R E Q U E S T A C K N O W L E D G E( 参数 L3 信 息 携 带 了 无 线 接 口 上 的 H A N D O V E R C O M M A N D 消息它 包 含 N e w T C H 号 切 换 参 考 号 )切 换 命 令 H A N D O V E R C O M M A N D( 包含 T a r g e t c h a n n e l 并 携 带 了 无 线 接 口 上H A N D O V E R C O M M A N D 消息 ) 切 换 命 令 H A N D O V E R C O M M A N D ( 包含 N e w T C H 号 和 切 换 参 考 号 ) 通 过 原 B S S , 让 MS 转 到 新 的 信 道切 换 检 测 H A N D O V E R D E T E C T切 换 检 测 H A N D O V E R D E T E C T切 换 完 成 H A N D O V E R C O M P L E T E切 换 完 成 H A N D O V E R C O M P L E T EM S 进 入 目 标 小 区C L E A R C O M M A N DC L E A R C O M P L E T E释 放 资 源释放 P C M切 换 命 令 证 实nts GSM通信系统规划与设计 14 第三章 集群通信系统与 GSM 通信系统电话互联的实现 集群通信系统与 GSM 通信系统分别属于不同的范畴，有着不同的服务对象和用途，无法相互替代。集群通信系统服务于专网用户 ，已发展成为一种多用途、高效能、低投入、调度通信与电话通信相结合的先进移动通信系统。与其它移动通信系统相比，集群通信系统信道利用率高，具有更强的快速接入和处理突发事件的能力，在部队、公安、交通、水利、地震等部门得到了广泛应用。 GSM 通信系统主要服务于公网用户，是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统，信号覆盖范围广，用户遍及社会各部门各阶层。在由集群通信系统构建的应急移动通信系统中，在某些应用场合，如抢险救灾，因为要涉及众多的部门和人员，保证系统同外界的通信畅通有时甚至比保 证系统内部的通信畅通还重要。正如集群通信系统与 PSTN 电话互联，使得专网通信扩展到了公网有线通信网络一样，集群通信系统与 GSM 通信系统电话互联，可使得专网通信扩展到公网无线通信网络，从而可充分利用 GSM 通信系统的技 术优势，大大增强集群通信系统的应急通信能力。 基于上述应用背景，本文对集群通信系统与 GSM 通信系统的电话互联进行了研究，提出了一种实用的系统电话互联方案，并阐述了具体的软硬件设计过程。 MS MSB S S 1 M S C a M S C bB S S 2V L R b无 线 传 输 信 号 测 量H A N D O V E R R E Q .P e r f o r m h a n d o v e r ( M A P )( 全 球 目 标 小 区 表 )( 全 球 目 标 小 区 标 识全 球 服 务 小 区 标 识信 道 类 型 )H A N D O V E R R E Q U E S T ( P C M & C h a n n e l t y p e )H A N D O V E R R E Q U E S TA C K N O W L E D G E( 包含 N e w T C H 和 切 换 参 考 号 )A l l o c a t i o n h a n d o v e r n u m b e r( 分 配 切 换 号 码 )S e n d h a n d o v e r r e p o r t ( H O N . )( 发 送 切 换 报 告 )R a d i o c h a n n e l a c k . ( M A P )( 包含 N e w T C H 和 H O N . )无 线 信 道 证 实I A MA C MH A N D O V E R C O M M A N DH A N D O V E R C M D经原 BSS 让 MS转 到 新 的 信 道切 换 检 测 H A N D O V E R D E T E C T切换完成 H A N D O V E R C O M P L E T EBSS2 新选 T C H 连到 P C M 电路MS 进 入 目 标 小 区发 送 结 束 信 号S e n d e n d s i g n a l ( M A P )C L E A R C O M M A N D释放 P C M 0C L E A R C O M P L E T EA N S释放 ( T U P / I S U P )E n d s i g n a l ( M A P )结 束 信 号拆去 M S C a 和 M S C b 的 物 理 连 接H a n d o v e r r e p o r t释 放 切 换 报 告移动UmA E BA Umnts GSM通信系统规划与设计 15 . 系统电话互联结构 集群通信系统与 GSM 通信系统电话互联结构框图如 图 1 所示。在该互联方案中，集群通信系统通过其 GSM接口单元来实现与 GSM通信系统的电话互联。当集群通信系统移动用户（即集群终端）呼叫 GSM 通信系统移动用户（即 GSM终端）时， GSM 接口单元首先接收集群通信系统控制中心送来的被叫 GSM 终端的用户号，然后控制其内部集成的 GSM 调制 /解调器，发起对被叫 GSM 终端的呼叫；当 GSM 终端呼叫集群终端时， GSM 接口单元首先通过 GSM 调制 /解调器与 GSM 通信网络建立连接，然后接收 DTMF 格式的被叫集群终端的用户号，并上报集群通信系统控制中心，经集群通信系统控制中心处理后，发 起对被叫集群终端的呼叫。此外，由于 GSM 通信系统与 CDMA 通信系统的互联互通，该电话互联方案还可间接实现集群通信系统与 CDMA 通信系统的电话互联。 图 1 系统电话互联结构框图 . GSM 接口单元硬件设计 GSM 接口单元一方面与集群通信系统控制中心接口，一方面与 GSM 通信系统接口，是实现系统 电话互联的关键部分， GSM 接口单元框图如图 2 所示， GSM接口单元主要由 MCU AT89S52、 GSM 调制 /解调器 TC35T 模块、串行接口芯片MAX232、 DTMF 编码 /解码器 MT8880、并口扩展芯片 82C55 以及音频处理电路等组成。 nts GSM通信系统规划与设计 16 图 2 GSM 接 口单元框图 GSM 调制 /解调器是 GSM 接口单元的关键部件，本设计选用 SIEMENS 公司的 TC35T 终端模块。 TC35T 模块支持 EGSM900 和 GSM1800 双频，可完成语音、数据、短消息以及传真的传送，具有标准的工业接口和完整的 SIM 卡阅读器，支持 HR、 FR 和 EFR 语音信道编码，工作电压范围宽达 8V30V，能自动识别1.2kbps115.2kbps 的串行接口速率，通过 AT 指令来进行控制和编程。 TC35T模块共有 5 种外部连接端口，分别是电源接口、语音接口、 SIM 卡接口、天线接口和 RS-232 接口。 TC35T 模块功能全面、设计小巧、易于集成、应用简便。 DTMF编码 /解码器采用 MITEL 公司的 MT8880 芯片，用于产生呼叫接续提示音和解码TC35T 语音接口送来的 DTMF 信令。 MT8880 是一种高性能集成 DTMF 编码 /解码器，既可以精确地完成 DTMF 信号的编码与解码，还可以发送 DTMF 信号高频群及低频群中的每一种单频，并可采用突发方式或连续方式发送。 设计上， GSM 接口单元通过 82C55 并口扩展电路来实现与集群通信系统控制中心之间的双向数据通信，占用 AT89S52 的外部中断 0。 AT89S52 的串行口 TXD 和 RXD经 MAX232 进行电平转换后，接至 TC35T 的 RS232 接口。 AT89S52 的和逻辑 “ 与非 ” 后，再与地址线 P2.6 逻辑 “ 与非 ” ，形成 MT8880 的片选信号； AT89S52 的和逻辑 “ 与 ” 后，再与 ALE 逻辑 “ 与非 ” ，形成 MT8880 的时钟信号， MT8880 内部寄存器选择控制端分别接到 AT89S52 的地址线 P2.3 和 P2.4 上， 数据端直接挂到 AT89S52 的 P0 口，中断请求端接 AT89S52 的外部中断 1。 AT89S52 采用11.0592MHz 时钟，设计串口速率为 9.6kbits/s。 TC35T 电源采用 +12V 供电，IGT IN 端直接接正电源，上电即启动网络搜索。 . GSM 接口单元软件设计 GSM 接口单元的软件采用结构化程序设计，用汇编语言编制。 GSM 接口单元的主程序流程如图 3 所示，主程序完成系统初始化后，即进入循环工作过程。 MCU 与集群通信系统控制中心和 TC35T 的通信都是通过中断方式完成的，主nts GSM通信系统规划与设计 17 程序不断查询来自外部中断 0 和串行口中断的呼叫申请，并进行相应的话务接续处理。初始化程序主 要包括串口初始化、 82 C55 初始化、 TC35T 初始化、 MT8880初始化以及各种标志位的设置等。下面详细介绍集群通信系统与 GSM 通信系统实现电话互联的软件实现过程 。 图 3 GSM 接口单元主程序流程 . GSM AT 指令 GSM 接口单元中 MCU 与 TC35T 间的串行通信采用简捷高效的 GSM AT指令，以十六进制格式传送。 TC35T 不仅支持标准的 AT 指令集， SIEMENS 公司还对 AT 指令进行了扩展，以便更有效地控制 TC35T。与本应用相关的 GSM AT 指令如表 1 所示。 nts GSM通信系统规划与设计 18 表 1 相关的 GSM AT 指令 AT 命令 功能 ATE 使能指令 ECHO ATD 起呼拨号 ATH 挂机 ATA 摘机应答 AT+CREG 网络注册 ATSNFD 设置音频参数为出厂默认值 ATSNFI 设置 MIC 通道参数 ATSNFM 静音
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