GSM通信原理基础理论

第一部分第一部分 GSM 通信原理基础理论通信原理基础理论 GSM 涵涵义义 GSM 1 全名为 Global System for Mobile Communications 中文为全球移动通讯系 统 俗称 全球通 是一种起源于欧洲的移动通信技术标准 是第二代移动通信技术 其开发 目的是让全球各地可以 共同使用一个移动电话网络标准 让用户使用一部手机就能行遍全球 我国于 20 世纪 90 年代初引进采用此项技术标准 此前一直是采用蜂窝模拟移动技术 即 第一代 GSM 技术 2001 年 12 月 31 日我国关闭了模拟移动网络 目前 中国移动 中国 联通各拥有一个 GSM 网 为世界最大的移动通信网络 GSM 系统包括 GSM 900 900M Hz GSM1800 1800MHz 及 GSM1900 1900MHz 等几个频段 GSM 全球移动通信 系统 是一种广泛应用于 欧洲及世界其他地方的数字移动电话系统 GSM 实际上是欧洲的 无线电话标准 据 GSM MoU 联合委员会报道 GSM 在全球有 12 亿的用户 并且用户遍 布 120 多个国家 因为许多 GSM 网络操作员与其他国外操作员有漫游协议 因此当用户到 其他国家之后 仍然可以继续使用他们的移动电话 GSM 及其他技术是无线移动通信的演进 无线移动通信包括高速电路交换数据 通用无线 分组系统 基于 GSM 网络的数据增强型移动通信技术以及通用移动通信服务 GSM 历历史史 20 世纪 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 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 1991 年 GSM 系统正式在欧洲问世 网络开通运行 GSM 数字移动通信系统源于欧洲 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 欧洲邮电行政大会 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 Special Mobile 简称 GSM 来制定有关的标准和建议书 而随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立 GSM 逐步成为泛欧数字蜂窝移动通信系统 的代名词 欧洲的专家们将 GSM 重新命名为 Global System for Mobile Communications 使之成为 全球移动通信系统 的简称 1990 年 由英国提出将 1800MHz 频段归入 GSM 标准之中 此建议的目的是针对 PCN Pers onal Communications Network 即个人通信网 的应用 以进一频适应城区更高容量的需求 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 在发展的过程中 GSM 系统的功能不断得到丰富 从而能够提供更多样的服务 由G SM 系统首先引入的短信息服务 SMS 提供了一种新颖 便捷 廉价的通讯方式 1994 年 GSM 实现了基于电路交换的数据业务和传真服务 1999 年 WAP 协议使得用户可以通过手机访问互联网 2000 年后开始商用的通用分组无线服务 GPRS 使得 GSM 系统能够以效率更高的分 组方式提供数据通讯 2003 年 EDGE 技术开始商用 提供了接近 3G 的数据通讯能力 目前 3GPP 组织还在发展 GSM 标准 以便利用已经大量部署 GSM 基础设施 平滑 地向 3G 技术演进 GSM 特特点点 1 GSM 使使用用上上直直观观的的特特点点 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 2 GSM 的的技技术术特特点点 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 接以及网络中个设备实体之间 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 一一 GSM 数字移动通信系统数字移动通信系统 我们了解 GSM 网络所能够提供的业务后 有必要知道这些业务在 GSM 网络是如何设计 和配置以实现这些业务的 图 1 GSM 系统框图 1 11 1 GSMGSM 系统的组成系统的组成 和其它移动通信网络一样 GSM 网络也大致由终端 无线接入设备和核心网络等几部分组成 具体包括交换网络子系统 NSS 无线基站子系统 BSS 操作维护子系统 OSS 和移动台 MS 四大部分 NSSNSS MSMS EXTERNALEXTERNAL NETWORKSNETWORKS OPERATORSOPERATORS BSSBSS USERSUSERS G SM OSSOSS 图 1 1 1 蜂窝移动通信系统的组成 GSM 系统框图如图 1 1 所示 其中 BSS 部分包括有基站控制器 BSC 基站收发信台 BTS 和码型转换单元 TC NSS 部分包括有移动业务交换中心 MSC 拜访位置寄存器 VLR 归属位置寄存器 HLR 鉴权中心 AUC 和移动设备识别寄存器 EIR OSS 部分 包括有操作与维护中心 无线部分 OMC R 操作与维护中心 移动部分 OMC M 和操作与 维护中心 交换部分 OMC S 移动台部分 MS 其中包括移动终端 MT 和客户识别卡 SIM 1 1 11 1 1 无线基站子系统无线基站子系统 MSMS OMC SOMC S OMC MOMC M BSSBSSNSSNSS OMC ROMC R TCTCBSCBSC OMC ROMC R BTSBTS BTSBTS BSS BSS BTSBTS BT S MSCMSC VLRVLR MSCMSC VLRVLR HLRHLR AuCAuC EIREIR HLRHLR AuCAuC EIREIR PSTNPSTN ISDNISDN OMC ROMC R BTSBTS BSCBSCTCTC BTSBTS OMC ROMC R 图 1 1 2 无线基站子系统的组成 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 它主要负责 完成无线发送接收和无线资源管理等功能 它给 MS 和 NSS 之间提供了传输通道并管理这个通道 BSS 功能实体可分为 BTS BSC 和 TC BTS BTS 包括收发信机和天线 以及与无线接口有关的信号处理电路等无线接口设备 它完 全由 BSC 控制 主要负责无线传输 完成无线与有线的转换 无线分集 无线信道加密 跳频等 功能 BSC 主要负责控制和管理 主要由 BTS 控制部分 交换部分和公共处理器部分等组成 具有 对一个或多个 BTS 进行控制和管理的功能 它主要是进行无线信道的分配 释放以及越区信道切 换的管理等 起中 BSS 系统中交换设备的作用 TC 具有码型转换 速率适配的功能 1 1 2 1 1 2 交换网络子系统交换网络子系统 交换网路子系统 NSS 包括实现 GSM 的主要交换功能的交换中心以及管理用户数据和移动 性的所需的数据库 NSS 由一系列功能实体所构成 各功能实体间以及 NSS 与 BSS 之间通过符 合 CCITT 信令系统 No 7 协议规范的 7 号信令网络互相通信 它的主要作用是管理 GSM 用户和 其他网络用户之间的通信 移动业务交换中心移动业务交换中心 MSCMSC 是 GSM 系统的核心 它完成最基本的交换功能 即实现移动用 户与其它网络用户之间的通信连接 提供面向系统其他功能实体的接口 到其他网络的接口以及 与其他 MSC 互连的接口 MSC 为用户提供承载业务 基本业务与补充业务等一系列服务 还支持位置登记 越区切 换和自动漫游等功能 为了建立至移动台的呼叫路由 相关的 MSC 还应能完成关口 MSC GMSC 的功能 即查询位置信息的功能 拜访位置寄存器拜访位置寄存器 VLRVLR 是存储所管辖区域中所有用户的全部有关信息 为已经登记的移动用 户提供建立呼叫连接的必要条件 是一个动态数据库 需要随时与有关的 HLR 进行大量的数据交 换以保证数据的有效性 当用户离开其覆盖区时 用户的有关信息将被删除 VLR 在物理实体上 总是与 MSC 一体 归属位置寄存器归属位置寄存器 HLRHLR 是 GSM 系统的中央数据库 是存储管理部门用于移动客户管理的数据 每个移动客户都应在其归属位置寄存器 HLR 注册登记 它主要存储两类信息 一是有关客户 的参数 包括用户的漫游权限 基本业务和补充业务等 二是有关客户目前所处位置的信息 以 便建立至移动台的呼叫路由 例如 MSC VLR 地址等 一个 HLR 可以覆盖几个移动交换区域甚 至整个移动网 鉴权中心鉴权中心 AUCAUC 存储用户的加密信息 用以保护用户在 GSM 系统中的合法地位不受侵犯 用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权 加密的三参数 随机号码 RAND 符合 响应 SRES 密钥 Kc 的功能实体 是一个受严格保护的数据库 在物理实体上与 HLR 共存 设备识别寄存器设备识别寄存器 EIREIR 也是一个数据库 存储有关移动台 IMEI 有关的信息 主要完成对移动 设备的识别 监视 闭锁等功能 以防止非法移动台的使用 在 GSM 网上还配有短信息业务中心 SC 即可开放点对点的短信息业务 类似数字寻呼业 务 实现全国联网 又可开放广播式公共信息业务 另外配有语音信箱 可开放语音留言业务 当移动被叫客户暂不能接通时 可接到语音信箱留言 提高网路接通率 给运营部门增加收入 1 1 3 操作维护子系统操作维护子系统 图 1 1 3 操作维护子系统的组成 GSM 系统的操作维护子系统 OMC 它主要是对整个 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配置管理 故障管理和性能管理等功能 其功能实体包括有无 线部分的操作与维护中心 OMC R 移动部分的操作与维护中心 OMC M 交换部分的操作 与维护中心 OMC S GPRS 部分的操作与维护中心 OMC G 和网管中心 NMC 1 1 4 1 1 4 移动台移动台 移动台就是移动客户设备部分 它由两部分组成 移动终端 MT 和客户识别卡 SIM 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 以及实现鉴权 位置更新等通信处理 SIM 卡就是 身份卡 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络 SIM 卡还存储与网络和客户有关的管理数据 只有插入 SIM 后移动终端才能接入进网 但 SIM 卡 本身不是充值卡或预付费卡 1 2 GSM 系统的业务功能系统的业务功能 GSM 是一种多业务系统 可以依照用户的需要为用户提供各种形式的通信 习惯上 人们把话音业务与数据业务 或称非话音业务 区别开来 话音业务中 信息是话音 而数据业 务传送包括电文 图像 传真及计算机文件等在内的其他信息 除了这些外 GSM 还提供些非传 统的业务 如短信业务 为用户提供的服务取决于三个独立因素 1 用户注册的业务 网络运营部门为用户提供了所有可提供业务的项目 同时确定相 应的费率 用户按照自己的需要选择并为之付费 网络运营部门也只为用户提供其注册登记的业 务 2 网络能力 并不是所有的网络都能提供同样的服务范围 用户使用的业务可能会 与它漫游进入的网络有关 3 用户终端性能 有些业务需要用户终端的配合 例如传真业务在只有话音业务的 终端上就无法提供 通信网络提供的基本业务主要涉及传输媒介和建立呼叫的方式 补充业务则使用户能够更好 的接受基本业务或是简化电信的日常使用 为用户提供方便 如呼叫前转 来电显示等 基本业 务与补充业务的区别在于 一项补充业务可以适用于几个基本业务 GSM 所提供的基本业务可分为承载业务和电信业务 这两种业务是独立的通信业务 其 差别在于用户的接入点不同 电信业务主要包括话音业务 数据业务及短信业务等 1 2 1 承载业务承载业务 GSM 系统一开始就考虑兼容多种在 ISDN 中定义的承载业务 满足 GSM 移动客户对数据通信服 务的需要 GSM 系统设计的承载业务不仅使移动客户之间能完成 数据通信 更重要的是能为移动 客户与 PSTN 或 ISDN 客户之间提供数据通信服务 还能使 GSM 移动通信网与其它公用数据网互通 例如公用分组数据网和公用电路数据网 GSM 系统各种承载业务的定义都可归结为在 R S 参考点 参见图 1 2 1 之间提供信息传送 用 来支持多客户应用 图 1 2 1 GSM 支持的业务接入点 GSM 系统第一阶段提供的承载业务 其业务编号 名称 终端网路和在 MS 的接入口等见表 1 2 2 所示 需要说明的是 在表中 MS 或 IWF 互通功能 的接入接口 括号内的数字表示终端网 路的代号 不加括号的数字表示在 MS 或互通功能 1WF 所需的接入接口特征编号 分别与不同的 终端网路相对应 也就是说对于不同的终端网路可采用不同的或系统的接入接口 表 1 2 3 表示了 接入接口的编号 表 1 2 2 GSM 第一阶段提供的承载业务 表 1 2 3 接入接口编号 在 MS IWF 所需 的接入接口 编号 模拟四线 0 V 21 DTE DCE 接口 1 V 22 DTE DCE 接口 2 V 22 bis DTE DCE 接口 3 V 23 DTE DCE 接口 4 V 26 ter DTE DCE 接口 5 V 32 DTE DCE 接口 6 X 21 7 X 25 8 S 接口 9 不定义接口 A 在传输数据业务时 MSC 应启用互通功能单元 1WF 见图 1 2 4 互通功能单元是为完成数据 连通而规定的全部功能 数据业务要求 MS 与 BS 空中接口具有不同协议 因而它是在其低层上把 这些不同协议联系在一起 图 1 2 4 数据传输网路示意图 透明与不透明的主要差异在于透明支持业务与不透明支持业务 只需用承载业务的业务特征质 量指定为透明值或不透明值来区分 多种客户应用需要不同种类的承载业务 要支持各种承载业务也就需要经过不同类型的 MS 或 IWF 接入接口和终端网路 下面归纳性地介绍一下不同种类的承载业务所能支持的各种客户应用 归纳在承载业务具有透明和不透明非限制数字能力的非结构电路型 所支持的多种客户应 用经过速率适配的子速率信息流 归纳在承载业务分组组合和分解器 PAD 业务 所支持的多种客户应用包括 经过速率适配的高速率信息流 接入分组组合 分解功能 归纳在承载业务分组业务 所支持的多种客户应用包括 接入 X 25 公用数据网 采用 X32 或 X3l 选择 A 接入 X31 选择 B 接入的应用 虚拟电路承载业务 归纳在承载业务具有透明和不透明交替话音 非限制数字能力的非结构电路型 所支持的 多种客户应用包括 经过速率适配的子速率信息流 具有在呼叫中交替话音和数据的能力 具有透明和不透明话音后接非限制数字能力的非结构电路型 所支持的多种客户应用包括 经过速率适配的子速率信息流 一开始建立话音呼叫 然后在呼叫持续过程中的某端时间能使客户转换为数据通信 实际上 以上对不同种类的承载业务所支持的各种客户应用阐述也就是各种承载业务在定义上 的差异点 1 2 21 2 2 话音业务话音业务 话音业务是 GSM 系统提供的最主要的业务 这种业务允许 GSM 用户与其它 GSM 用户或其它 固定用户双向通话 电话业务派生出两种特殊业务 一是紧急呼叫业务 这种业务使移动用户 通过拨打一个简单号码接入到就近的紧急业务中心 如警局或消防中心 一般约定以 112 这个号 码作为紧急业务号码 紧急业务不收费 另一个是语音信箱 这种业务能把话音储存起来 以备 收方提取 在呼叫不能接通时 用户可以将声音信息存入 GSM 语音信箱 一旦收方接通就会得 到通知 收方就可以从语音中提取存储的话音信息 语音信箱提高了网络效率 又为用户带来方 便 1 2 3 数据业务数据业务 GSM 规范在制定时便按照 ISDN 综合业务数字网 模式为用户提供各种数据业务 因为数 字业务的应用越来越广泛 GSM 系统的数字业务包括大部分为固定电话用户和 ISDN 用户提供的 数字业务 由于移动信道的局限性 在信号速率和容量方面受到一定的限制 1 2 4 短短消消息息业业务务 短信息服务是一种类似寻呼的业务 它不仅仅可以从系统中得到短信息 也能实现 GSM 用户之间的短信息传递 主要有以下几种 1 点对点短信息业务 GSM 用户可以发出 或接收长度有限的数字或文字消息 移动台接收这种消息时与寻呼接收机类似 消息会显示在移 动台显示屏上 但 GSM 网的短信息业务比寻呼网功能更强 主要原因是 GSM 网具有双向通信能 力 GSM 系统可以确认收方是否收到所发的短信息 即使用户关机或处于不服务区 GSM 系统 能将短信息存于系统内 当 GSM 用户重新接入系统后 能从系统中取出信息并给系统发出确认 信息 这种方式可确保用户的短消息不被丢失 而寻呼网不能做到这一点 2 短消息小 区广播 GSM 系统可在特定的地区向移动台发送广播信息 在 GSM 技术规范中对这些信息不 设地址也不加密 任何移动台只要有这一业务功能就能接收并对信息进行解码 1 2 5 补补充充业业务务 补充业务修改和添加了基本业务 它主要是允许用户能够选择网络对其呼叫的处理以及 通过网络为用户提供信息 使用能更充分地利用基本业务 GSM 所提供的补充业务共有 8 大类 1 2 5 1 号码类补充业务 1 主叫号码识别显示 CNIP 向被叫方提供主叫方的 MSISDN 号码 2 主叫号码识别码限制 CNIR 限制将主叫方的 MSISDN 号码提供给被叫方 3 被叫号码识别显示 CONP 将被叫方的 MSISDN 号码提供给主叫方 4 被叫号码识别限制 CONR 限制将被叫方的 MSISDN 号码提供给主叫方 5 恶意呼叫识别 MCl 移动客户可要求在网路中识别并记录一个不希望的呼入源 1 2 5 2 呼叫提供类补充业务 1 无条件呼叫前转 CFU 被服务的移动客户可以让网路将呼叫他的所有入局呼叫接至另一个 设定号码 2 遇移动客户忙呼叫前转 CFB 当遇到被叫移动客户忙时 将入局呼叫接至另一个设定号码 3 遇无应答呼叫前转 CFNR 当网路遇被叫移动客户无应答时 将入局呼叫接至另一设定号 码 4 遇移动客户不可及呼叫前转 CFNR 当移动客户末登记 没有 SIM 卡 或无线链路阻塞 或移动客户离开无线覆盖区域 而无法找到时 将入局呼叫接至另一个设定号码 5 呼叫转移 CT 能使客户将已经建立 即进入通话状态 的呼叫转移给第三方 进行呼叫转移 的移动客户可以是主叫方 也可以是被叫方 6 移动接入搜索 MAN 使入呼叫能按照某种次序在一组接入点范围内进行搜索 以接通其中 某一移动客户 这组接入点仅限于一个 MSC 区域内 每一移动接入搜索组分配有一个直接号码 只需拔打直接号码就可搜索属于搜索组并登记于同一 MSC VLR 区域的移动客户 1 2 5 3 呼叫完成类补充业务 1 呼叫等待 CM 可以通知处于忙状态的被叫移动客户有来话呼叫等待 然后由被叫方选择 是否接受还是拒绝这一等待中的呼叫 2 呼叫保持 HOLD 允许移动客户在现有的呼叫连接上暂时中断通话 让对方听录音通知 而在随后需要时重新恢复通话 3 至忙客户的呼叫完成 CCBS 主叫移动客户遇被叫忙时 可在被叫空闲时被通知 如需要 可提供重新发起该呼叫的业务 1 2 5 4 多方通信类补充业务 1 三方业务 3PTY 可使正在进行的呼叫另增一个对第三方的呼叫 即三方之间能够互相听到 各方的声音 也可根据需要 暂时与某一方的通话置于保持状态而只与一方通话 任何一方可以 独立退出三方通话 2 会议电话 CONF 允许一个客户与多个客户同时通话 并且这些客户之间也能同时通话 1 2 5 5 集团类补充业务 闭合客户群 CUG 能使一些客户构成闭合客户群 呼入和呼出该客户群要受限制 一个特定 的移动客户可以是一个或多个 CUG 的成员 一个特定 CUG 的成员彼此间可以相互进行通信 但 一般不能与客户群外的客户通信 CUG 的某些特定成员可以有附加能力 使它们能向客户群外发 出呼叫和 或接受来自客户群外的呼叫 1 2 5 6 计费类补充业务 1 计费通知 AOC 此业务可以将呼叫的计费信息实时地通知应付费的移动客户 计费通知可 以是如下一个或多个类型 呼叫终了的计费信息 呼叫期间的计费信息 呼叫建立期间的计费信息 2 免费业务 FPH 指移动客户为所有呼叫该客户的电话支付话费 3 对方付费 REVC 通 常指移动客户作为被叫 在主叫明确提出对方付费请求而经被叫同意后可由被叫方付费 但是被 叫方也可拒绝 不应答而不接通电话或者不承认主叫方而接通电话 1 2 5 7 附加信息传送类补充业务 客户至客户信令 UUS 此业务允许许多应答客户发送通过信令信道透明传输的有限量的客户信 息至另一个 PLMN 或 ISDN 客户 或从这些客户接收信息 客户可以在呼叫建立的不同阶段发送 客户至客户的信息 1 2 5 8 呼叫限制类补充业务 1 闭锁所有出局呼叫 BAOC 除紧急呼叫外 不允许有任何出局呼叫 2 闭锁所有国际出局呼叫 BOIC 阻止移动客户进行所有出局国际呼叫 仅可与本国的 PLMN 或固定网建立出局呼叫 不管此 PLMN 是否为归属 PLMN 3 闭锁除归属 PLMN 国家外的所有国际呼叫 BOICEXXHC 仅可与本国的 PLMN 或固定客户 以及与归属 PLMN 某一运营部电在不同国家经营的同一 PLMN 所跨及的国家的 PLMN 或固定网 建立出局呼叫 4 闭锁所有入局呼叫 BAIC 移动客户无法接收任何入局呼叫 5 当漫游出归属 PLMN 国家后 闭锁入局呼叫 BAIC Roam 当移动客户漫游出归属 PLMN 所跨及的国家后 闭锁所有入局呼叫 1 3 GSMGSM 的编号和识别方案的编号和识别方案 GSM 系统是一个十分复杂的通信系统 它包括众多的功能实体和繁杂的实体间 子系 统间及网络间的接口 为了将一个呼叫接续至某个用户 系统需要调用相应的实体 因此要实 现正确的寻址 编号计划就显得尤为重要 由于GSM 系统的业务类似于 ISDN 网的延伸 因此 GSM 系统采用了 CCITT 建议中的 网号 编号方案 即将 GSM 系统作为一个电话网 的独立编号方案 此时的 PLMN 相对于 PSTN 完全独立 其各种号码也就完全独立于PST N 1 3 1 3 1 1 MSISDNMSISDN 移动用户号码 移动台移动用户号码 移动台 ISDNISDN 号码 号码 移动用户号码是指主叫用户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动通信网中的用户所需拨的号码 是移动 用户对外公开的电话号码 MS ISDN 号码结构如下所示 图 1 3 1 MS ISDN 号码结构 其中 1 CC 为国家码 中国为 86 目前国内有效移动用户 isdn 号码为一个十一位数字的等长号码 n1n2n3H0H1H2H3ABCD 2 NDC 国内目的地码 即网络接入号 n1n2n3 中国移动 GSM 网为 134 139 中国联通公司 GSM 网为 130 132 中国联通公司 CDMA 网为 133 3 SN 移动用户号码 采用等长 8 位编号计划 SN 号码结构是 H0H1H2H3ABCD 其中 H0H1H2H3为每个移动业务本地网的 HLR 号码 ABCD 为移动用户码 由各 hlr 自行分配 所以 MS ISDN 号码 SCCP 全球标题地址 例如 用于找 HLR PSTN ISDN 电话号码 电话簿上的号码 用于拨号 1 3 1 3 2 2 IMSIIMSI 国际移动用户识别码国际移动用户识别码 为了在无线路径和整个 GSM 移动通信网上正确地识别某个移动用户 就必须给移动用户分配 一个特定的识别码 这个识别码称为国际移动用户识别码 IMSI 用于位置更新 呼叫建立和 GSM 移动网所有信令中 并存贮在 SIM 卡和 HLR 中 也在 VLR 中作为临时登记标识 用户用于 CCNDCSN 国际 MS ISDN 号 国内 ISDN 号 网络操作的全部数据均存储于 imsi 对应存储区中 IMSI 是数字 PLMN 网中唯一地识别一个移动用户的号码 为一个 16 位数字的号码 imsi 永 久地属于一个注册用户 在包括漫游区域在内的所有位置都是有效的 其结构如下所示 图 1 3 2 IMSI 号码结构 其中 1 MCC 移动国家号码 由 3 位数组成 用于唯一地识别移动用户所属的国家 中国移动国家号为 460 2 MNC 移动网号 由 2 位数字组成 用于识别移动用户所归属的移动网 中 国移动通信公司 GSM PLMN 网为 00 中国联通公司 GSM PLMN 网为 01 3 MSIN 移动用户识别码 采用等长 11 位数字构成 唯一地识别在一个 PLMN 网 内移动用户的号码 该号码为 N1N2N3 H0H1H2H3 ABCD 所以 IMSI 号码 对一个 MS 或 SIM 卡唯一 在所有位置有效 MS 在呼叫建立时 位置更新以及一些安全或业务操作时需要此号码 1 3 1 3 3 3 MSRNMSRN 移动用户漫游号码移动用户漫游号码 HLR 具有漫游用户的位置更新纪录 因此被叫用户所归属的 HLR 知道该用户目前是处在哪一个 MSC VLR 业务区 为了提供给入口 MSC VLR GSMC 一个用于选路由的临时号码 HLR 请求 被叫所在业务区的 MSC VLR 给该被叫用户分配一个移动用户漫游号码 MSRN 并将此号码送 至 HLR HLR 收到后再发给 GMSC GMSC 根据此号码选路由 将呼叫接至被叫用户目前正在访 问的 MSC VLR 交换局 路由一旦建立 此号码就可立即释放 这种查询 呼叫选路由功能 即 请求一个 MSRN 功能 是 NO 7 信令中移动应用部分 MAP 的一个程序 在 GMSC HLR MSC VLR 间的 NO 7 信令网中进行传递 msrn 的分配对主叫与被叫用户都是保 密的 它只能作为漫游呼叫转接中的路由重选 不同于也不能用于直接拨号 移动用户漫游号码 MSRN 的结构如下 MCCMNCMSIN 国内移动用户识别 国际移动用户识别 图 1 3 3 MSRN 号码结构 中国电信 GSM 移动通信网技术规定 1390 后的 MSISDN 号码为移动用户漫游号码 MSRN 即 1390M0M1M2M3ABC M0M1M2M3为被访的 MSC 号码 ABC 为 000 499 所以 MSRN 号码 结构和 MS ISDN 相同 SCCP 全球标题地址找当前的 VLR 是 VLR 在呼叫过程中对 MS 的一个动态标识 在 VLR 中存在 MSRN 到 IMSI 的链接 对 MS 是唯一的 仅在一个 VLR 区域中有效 在使用 ISUP 重选到目的地 MSC 的路由时需要该号码 1 3 1 3 4 4 TMSITMSI 临时移动用户识别号码临时移动用户识别号码 为了对 IMSI 保密 当移动用户每次位置登记 包括位置更新 后或者呼叫 主叫或被叫 时 VLR 将为其分配一个唯一的 TMSI 号码 为一个由 MSC 自行分配的 4 字节的 BCD 编码 仅在本 MSC 业务区内才有效 移动用户的 TMSI 与 IMSI 是对应的 但它们之间没有长期的固定关系 仅在 MS 呼叫和位置更新 时临时指定 并保持到 MS 被分配新的 TMSI 时 但当 TMSI 被释放后 可以重复地给另一个 MS 使用 所以 TMSI 号码 由当前的 VLR 分配给一个 MS 对 MS 是唯一的 仅在一个 VLR 中有效 MS 在呼叫建立 位置更新时需要此号码 1 3 1 3 5 5 IMEIIMEI 国际移动台识别号码国际移动台识别号码 国际移动台识别码 IMEI 用于唯一地识别一个移动台设备 它是一个 15 位的十进制数字 其 结构为 CCNDCTemp SN 国际移动用户 ISDN 号码 国内有效移动用户 ISDN 号码 图 1 3 4 IMEI 号码结构 其中 TAC 型号批准码 由欧洲型号认证中心分配 由 6 位数字组成 FAC 工厂装配码 由厂家编码 表示生产厂家及其装配地 由 2 位数组成 SNR 序号 由厂家分配 识别每个 TAC 和 FAC 中的某个设备的 由 6 位数组成 SP 备用 1 位 所以 IMEI 号码 用于设备管理 1 3 1 3 6 6 LAILAI 位置区识别码位置区识别码 在 GSM 系统中 共有三个号码组成对移动台的位置识别 LAI CGI BSIC LAI 用于位置区识别和位置更新 和 MS 做被叫时呼叫接续 由三部分组成 图 1 3 5 LAI 号码结构 其中 MCC 移动用户国家码 由 3 位数字组成 和 IMSI 中的前 3 位数字相同 NMC 移动网号 由 2 位数字组成 同 IMSI 中的 MNC LAC 位置区号码 为一个 2 字节的 BCD 编码 表示为 X1X2X3X4 其范围为 0000 FFFF 全部为 0 的编码保留不用 在一个 GSM PLMN 网中可定 义 65536 个不同的位置区 其中 X1X2可由国家主管部门统一分配 而 X3X4由各省主管部门自行分配 所以 LAI 号码 当位置更新和寻呼时需要此号码 1 3 1 3 7 7 CGICGI 小区识别码 全球小区识别码 小区识别码 全球小区识别码 CGI 是用来识别一个位置内的小区 它是在位置区识别码 LAI 后加上一个小区识别码 CI 其结构是 LAI MCCMNCLAC TACFACSNRSP 图 1 3 6 CGI 号码结构 其中 MCC NMC LAC 同上 CI 小区识别 为一个 2 字节 BCD 编码 由各 MSC 自定 所以 CGI 号码 在所有的 PLMNS 内小区识别码唯一 1 3 1 3 8 8 BSICBSIC 基站识别码基站识别码 图 1 3 7 BSIC 号码结构 BSIC 是用于识别相邻基站的 为 6 比特编码 其结构是 其中 NCC 网络色码 主要用来区分国界各侧的运营者 国内区别不同的省 为 X Y1Y2 3 比特 二二 GSM 无无线线接接口口理理论论 2 2 1 1 工作频段的分配工作频段的分配 GSM 数字移动通信系统 分 GSM900 DCS1800 和 PCS1900 三个频段 一般的所谓 的双频手机就是在 GSM900 和 DCS1800 频段切换的手机 PCS1900 PCS1900 Person al Communications System operating in the 1 900MHz band 则是别的一些国家使用的 频段 如美国 GSM900 1800 分别是工作在 890 960mhz 1710 1880mhz 频段的 GSM 900 的手机最大功率是 8W 实际中移动台没这么大的功率 一般的手机最大功率是2W 车载台功能大 而 DCS1800 的手机的最大功率是 1W 2 1 1我国我国 GSM 网络的工作频段网络的工作频段 我国陆地蜂窝数字移动通信网 GSM 通信系统采用 900MHz 和 1800MHz 频段 900MHz 频段为 890 915MHz 移动台发 基站收 935 960MHz 基站发 移动台发 1800MHz 频段为 1710 1785MHz 移动台发 基站收 1805 1880MHz 基站发 移动台发 MCCMNCLACCI LAI CGI NCCBCC BSIC GSM 系统上行频段 MHz上行频段 MHz带宽 MHz双工间隔双工信道数 GSM900890 915935 9602 2545124 GSM900E880 915925 9602 3545174 GSM18001710 17851805 18802 7595374 GSM19001850 19101930 19902 6080299 图 2 1 1GSM 网络的工作频段 2 1 22 1 2 频道间隔频道间隔 相邻两频点间隔为 200KHz 每个频点采用时分多址 TDMA 方式 分为 8 个时隙 即 8 个信道 全速率 13kbit s 若 GSM 采用半速率话音编码后 每个频点可容纳 16 个半速率信 道 可使系统容量扩大一倍 但会导致语音质量降低 2 1 3 频道配置 绝对频点号和频道村称中心频率的关系如下 1 GSM900MHz 频段为 fl n 890 2MHz n 1 0 2MHz 移动台发 基站收 fh n fl n 45MHz 基站发 移动台收 n 1 24 2 GSM1800MHz 频段为 fl n 1710 2MHz n 512 0 2MHz 移动台发 基站收 fh n fl n 95MHz 基站发 移动台收 n 512 885 式中 fl n 上行信道频率 fh n 下行信道频率 n 绝对频点号 注 1 在我国 GSM900 使用的频段为 905 915MHz 上行频率 950 960MHz 下行频率 频道号为 76 124 共 10MHz 带宽 中国移动公司 905 909MHz 上行 950 954MHz 下行 共 4MHz 带宽 20 个 频道 频道号为 76 95 中国联通公司 909 915MHz 上行 954 960MHz 下行 共 6MHz 带宽 29 个 频道 频道号为 96 124 2 目前中国移动公司拥有 GSM1800MHz 网络 大多申请 10MHz 带宽 频道号为 512 562 2 2 干扰保护比干扰保护比 为了保证通信质量 提出载波干扰保护比 C I 的概念 即接收到的正常信号电平与干扰信 号电平的比值 该值与移动台的瞬时位置有关 这是由于地形不规则性及本地散射体的形状 类 型及数量不同 以及其它一些因素如天线类型 方向性及高度 站址的标高及位置 当地的干扰 源数目等所造成的 GSM 规范中规定 同频道干扰保护比 C I 9dB 所谓 C I 是指不同小区使用相同频率时 另一小区对服 务小区产生的干扰 它们的比值即 C I 工程中一般加 3 dB 邻频道干扰保护比 C I 9dB C A 是指在频率复用模式下 邻近频道对服务小区使 用的频道进行干扰 这两个信号间的比值即 C A 工程中一般加 3 dB 载波偏离 400KHz 的干扰保护比 C I 41dB 2 32 3 频率复用频率复用 在实际网络设计中 由于频率资源非常紧张 为了满足话务容量需求 必须采用频率复用 频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖 这些区域必须隔开足够的距离 以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计 频率复用方式就是指将可用频道分成若干组 若所有可用的频道 N 如 49 分成 F 组 如 9 组 则每组的频道数为 N F 49 9 5 4 即有些组的频道数为 5 个 有些为 6 个 见图 2 3 1 图 2 3 1 900MHz 3 9 方式频道分配图 因总的频道数 N 是固定的 所以分组数 F 越少则每组的频道数就越多 但是 频率分组 数的减少也使同频道复用距离减小 导致系统中平均 C I 值降低 因此 在工程实际使用中是把 同频干扰保护比 C I 值加 3dB 的冗余来保护 采用 12 分组方式 即 4 个基站 12 组频率 见图 2 3 2 和图 2 3 3 所示 图 2 3 2 和图 2 3 3 频率复用方式 对于有向天线而言 天线可采用 120 或 60 的定向天线 形成三叶草小区 即把基站分成 3 个扇形小区 如采用 4 12 复用方式 每个小区最大可用到 5 个频道 一般的也可用到 4 个频道 如采用 3 9 复用方式 则每个小区可用到 6 个或 5 个频道 对于无方向性天线 即全向天线建议采用 7 组频率复用方式 其 7 组频率可从 12 组中任选 但相邻频率组尽量不在相邻小区使用 见图 3 5 业务量较大的小区可借用剩余的频率组 如使用 第 9 组的小区可借用第 2 组频率等 图 2 3 4 小区分组 以上所谈每小区可用频道数都是在可用频段为 10MHz 情况下 目前 10MHz 中 4MHz 为邮电部使 用 另 6MHz 为 中国联通公司 使用 从频道序号来看 76 95 为邮电部使用 95 124 为 中 国联通公司 使用 这样 邮电部建的 GSM 数字移动通信网如采用 4 12 频率复用方式时 每小 区可用频道数最大仅有 2 个 16 个信道 有些只能用到 1 个 8 个信道 为此 邮电部下属大部 分邮电管理局将 4MHz 带宽向下端扩展 2MHz 即占用模拟 B 网 2MHz 使 GSM 数字移动通信网从可 用频道 76 95 20 个 扩展到 66 95 30 个 4 12 方式每个小区一般可用 3 个频道 24 信道 最小也能用到 2 个频道 16 个信道 2 2 4 4 GSMGSM 系统接口和接口协议系统接口和接口协议 下面我们将从 BSS NSS 和 GPRS 网络三部分来讨论 GSM 各网元间的接口和接口间采用的信 令协议 在数字移动通信系统中 规范对一些接口 网元功能和信令流程进行了明确规定 这样 各设备生产厂家对这些接口都采用标准的接口协议进行开发和生产 而用户和运营商可以独立地 采购 MSC HLR BSS 和 MS 的设备 2 4 12 4 1 BSSBSS 部分部分 2 4 1 12 4 1 1 接口接口 图 2 4 1 BSS 部分的接口 AirAir 接口 空中接口 接口 空中接口 UmUm 接口 接口 Um 接口定义为 MS 和 BTS 间的通信接口 主要用于传 递无线电磁波信号 这些信号是经过编码 交织 加密 调制的处理 以 TDMA 帧的格式在空 中传播 实现 MS 和 GSM 网络固定部分的互通 此接口传递的信息包括无线资源管理 移动性 管理和接续管理等 AbisAbis 接口 接口 BTS 和 BSC 间的接口 一般采用有线 PCM 传输 负责传递基站与基站控制器之 间的操作维护信令和用户有关通信的话务与信令 A terA ter muxmux 接口 接口 BSC 和 TC 间的接口 负责传递用户业务数据和七号信令 A A 接口 接口 BSS 和 MSC 间的接口 负责传递用户业务数据和七号信令 物理连接通常采用 2M PCM 链路 七号信令消息中通常包括移动性管理 MM 呼叫管理 CM 等信息 2 4 1 22 4 1 2 协议协议 首先我们需要分清接口和协议的区别 接口是两个相邻实体或网元之间的连接点 而协议是 说明连接点上交换信息的规则 按照 OSI 的概念 把协议按其功能分为不同的层面 最底层为传 输层或物理层 第二层为链路层或称网络层 第三层以上统称为应用层 每一层都有自己的协议 和规定 在 GSM 网络各接口间主要采用七号信令网络传递各种资源管理 移动性管理和呼叫控制信 息 接口和接口协议的对应见于图 2 4 2 GPRS 网络中加入了 TCP IP 协议 七号信令的协议基础部分 N7 Network MTP SCCP 等 和电路交换应用部分 TUP ISUP 可以参见 ITU T 的 Q7 系列 BSSAP 和 MAP 的细节描述则分别在 GSM08 和 GSM09 系列规范中 下面是对各层次协议的简单解释 L1L1 LayerLayer 1 1 物理层 物理层 这是无线接口的最底层 负责实际数据 位 bit 的传送 为高层 提供实现不同功能的逻辑信道 AirAir UmUm A bisA bis A terA ter A terA ter muxmux A A T T C C B B T T S S BSCBSC BIBI E E BIBI E E S S MM S S MM LAPDmLAPDm LinkLink AccessAccess ProtocolProtocol ForFor DmDm ChannelChannel 传递 MS 和 BTS 间信息的协议 LAPDm 基于 ISDN 的 D 信道链路接入协议 LAPD 但是做了修改以应用于 Um 接口 所以称 为 LAPDm LAPDLAPD LinkLink AccessAccess ProtocolProtocol ForFor D D ChannelChannel 传递 BTS 和 BSC 间信息的协议 图2 4 2 BSS 部分的接口和接口协议 2 4 2 NSS 部分部分 图 2 4 3 NSS 部分的接口 AirAir A bisA bis A A MSMS BTSBTS BSCBSC MSCMSC MTPMTP 2 2 MTPMTP 1 1 MTPMTP 3 3 MAPMAP SCCPSCCP TCAPTCAP MTPMTP 2 2 MTPMTP 1 1 MTPMTP 3 3 SCCPSCCP BSSAPBSSAP LAPDLAPD L L 1 1 BTSMBTSM MTPMTP 2 2 MTPMTP 1 1 MTPMTP 3 3 SCCPSCCP BSSAPBSSAP LAPDmLAPDm L L 1 1 LAPDLAPD L L 1 1 BTSMBTSM LA