移动通信基础2.1

移动通信设备运行与维护任务2.1认识GSM系统的网络结构2.1.1概述

GSM系统是基于时分多址（TDMA）的数字蜂窝系统，属于第二代移动通信系统。GSM系统信道中传输的全部是数字信号，其采用窄带时分复用（TDMA）、线性预测语音编码和高斯滤波最小移频键控（GMSK）结合的方式，使用户容量扩大，保密性能提高。

GSM的主要特点可以归纳为：

（1）频谱效率高。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，因此系统具有较高的频谱利用率。

（2）容量较大。使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比模拟移动系统TACS提高3～5倍。（3）语音质量好。鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和语音编码的定义，在门限值以上时，语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所提供的开放性接口不仅包括空中接口，而且包括网络之间以及网络中各设备实体之间的接口，例如，A接口和Abis接口等。

（5）安全性好。通过鉴权、加密和使用临时移动用户识别号（TMSI），达到安全目的。

（6）与ISDN、PSTN等互联。与其他网络的互联通常利用现有的标准接口。（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。对于GSM标准，它可以提供全球漫游，当然网络经营商之间的某些协议还是必需的。

在GSM系统中，漫游是在SIM卡识别号以及被称为IMSI的国际移动用户识别号的基础上实现的。这意味着用户不必带着终端设备而只需带其SIM卡即可进入其他国家或地区。GSM系统的网络结构2.1.2

GSM系统的组成1.交换网络子系统

1）移动交换中心（MSC）

MSC是GSM系统的核心，其主要作用有：

(1)对位于它所覆盖的区域内的移动台进行控制和完成话路交换；

(2)对所有呼叫查询位置信息并建立路由；

(3)是GSM系统和其他公网之间的接口；

(4)完成公共信道信令系统功能以及计费功能；

(5)完成BSS、MSC之间的切换以及辅助性资源管理、移动性管理，等等。

2）拜访位置寄存器（VLR）

VLR是一个数据库，它与一个或多个MSC相连，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访用户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如用户的号码、所需位置区域的识别、向用户提供的服务等参数。它存储的位置数据比HLR中的要精确一些。在多数情况下，VLR总是与各个MSC集成在一起的。

3）归属位置寄存器（HLR）

HLR也是一个数据库，是存储管理部门用于移动用户管理的数据。每个移动用户都应在其归属位置寄存器（HLR）中注册登记。HLR主要存储两类信息：一类是有关用户的参数；另一类是有关用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。作为一个物理设备，典型的HLR是一台独立的计算机，它没有交换能力，能管理成千上万的用户。

4）鉴权中心（AUC）

AUC用于产生为确定移动用户身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三个参数（随机数RAND、响应数SRES、密钥KC）的功能实体。

5)设备识别寄存器（EIR）

EIR是存储有关移动台设备参数的数据库，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。

在实际的GSM通信网络中，由于网络规模、运营环境和设备生产厂家的不同，上述各个部分可以有不同的配置方法。比如，把MSC和VLR合并在一起，或者把HLR、AUC和EIR合并为一个实体。

2.基站子系统

基站子系统（BSS）是GSM系统的基本组成部分。它通过无线接口与移动台相接，进行无线发送、接收及无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动交换中心（MSC）相连，实现移动用户与固定网络用户之间或移动用户之间的通信连接。基站子系统主要由基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC）构成。基站收发信机、天线共用器和天线是基站子系统的无线部分，它由基站控制器实施控制。

1）基站控制器（BSC）

BSC具有对一个甚至数十个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网络资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是一个很强的业务控制点。图6-1GSM系统的网络结构基站收发信台（BTS）

2）基站收发信台（BTS）

BTS是无线接口设备，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。

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。此外，基站子系统为了适应无线与有线系统使用不同传输速率进行传输，在BSC与MSC之间增加了码变换器（TC）（语音速率转换设备）及相应的子复用设备（SM），两者合称为码型转换和速率适配器（TRAU）。一种具有本地和远端配置BTS的典型BSS组成方式如图6-2所示。BIE、TC和SM称为GSM系统的传输附属设备。

3）TC单元

码转换器（TC）位于BSC和MSC之间，在GSM中实现GSM与PSTN用户之间的通信。GSM系统采用RPE-LTP语音编码，速率为13kb/s，经过信道编码，并经无线空中接口及基站设备后，信息流为16kb/s。PSTN用户的语音在A接口为A律PCM编码，速率为64kb/s。64kb/sA律PCM编码和16kb/sRPE-LTP编码之间的转换是由码转换器完成的。从功能上讲，TC能够接口一条PSTN的2.048Mb/sPCM链路（从MSC来），将30×64kb/s业务信道转换为30×16kb/s业务信道，并同时建立一个64kb/s的7号信令信道。

4）SM单元

复用单元（SM）的主要功能是将4个16kb/s信道复用到一个64kb/s信道上，从而节省地面传输线路。SM复用4×16kb/s到一个64kb/s时隙时，对30个16kb/s话路（即一条2.048Mb/sPCM链路提供的业务信道）复用需8个64kb/s时隙和一个64kb/s的7号信令时隙，另外还要附加一个64kb/s的同步时隙。所以，一条2.048Mb/sPCM链路总计可提供90×16kb/s的话路传输。SM单元可以使用也可以不使用，视网络配置而定。

值得注意的是，上述的码转换和速率适配器（TRAU）在GSM传输链路中的位置是可选的，它有三种情况，如图所示。

TRAU位置不同形成的几种传输结构

5）BIE单元

当BSS中的BSC和BTS远距离连接时，BIE用于支持Abis接口。选用BIE的目的是透明传递用户业务信息和对BTS的控制信令、操作维护信令，提供多路复用，提高传输资源的利用率。BIE还允许位于同一位置的若干个BTS共享由BTS至BSC的PCM链路。

一个BSS系统是否采用BIE传输设备，取决于BTS和BSC之间的距离。如果两者之间的距离超过15米，则必须采用BIE，否则可以不用。

3.移动台子系统

移动台是GSM移动通信网中用户使用的设备。移动台类型可分为车载台、便携台和手机。移动台由发信、收信回路及控制接口部分组成，通过无线接口接入GSM系统。移动台的原理如图所示。移动台原理框图

发信电路的基带信号处理包括语音编码、信道编码、加密、TDMA帧形成。语音编码对A/D输出信号进行RPE-LTP处理，输出13kb/s数字语音信号。信道编码采用带有差错校验的1／2码率卷积码，并跟随有交织处理。信道编码后语音信号速率为22.8kb/s。TDMA帧形成单元对已加密信息插入慢速随路控制信息0.95kb/s，设置同步比特和保护时间共计10.1kb/s，使每路业务信号速率提高为33.85kb/s，最后输出为分配时隙（TS）中的突发信号，其速率是270.83kb/s。在发信电路的基带信号处理中，完成发信基带处理相反的变换，均衡的目的是补偿传播失真。接收机还完成接收信号强度指示（RSSI）的计算。

发信电路的射频信号部分由调制、带通滤波、功率放大器组成；收信电路的射频部分由射频带通滤波器、高频放大、变频、中频放大及滤波、解调等组成，采用GMSK（BbTb=0.3）调制。频率源由频率合成器产生，实现工作频道的选定，移动台能够在工作频段中任一频道上进行发射和接收。移动台包括模拟语音接口、数字接口及人机接口。模拟语音接口包括A/D变换、D/A变换、话筒和扬声器。数字接口主要是数字终端适配器。人机接口主要是显示器和键盘。移动台另外一个重要组成部分是用户识别模块(SIM)，亦称SIM卡。它基本上是一张符合ISO（开放系统互连）标准的“智慧”磁卡，其中包含与用户有关的无线接口信息，也包括监权和加密信息。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有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卡的应用不仅使用户与设备分离（人机分开），而且可以使通信更加安全可靠，这为今后发展个人通信打下了基础。

SIM卡是带有微处理器的智能芯片卡，它由以下几个模块构成：

（1）CPU；

（2）程序存储器（ROM）；

（3）工作存储器（RAM）；

（4）数据存储器（EPROM或EEPROM）；

（5）串行通信单元。

SIM卡是GSM用户的资料卡，它存储着用户的个人资料（如国际用户移动识别码IMSI及PIN码等）、保密算法（A3、A5、A8）、密钥KC等。它主要完成两种功能：存储数据及在安全条件下完成用户身份鉴权和用户信息加密的全过程。

4.操作维护中心

GSM系统中的操作维护中心（OMC）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监视、状态报告、故障诊断等功能。OMC对基站子系统和交换子系统分别进行操作和维护。2.1.3

GSM系统的接口

GSM系统的各个子系统之间以及子系统内部各功能实体之间存在大量的接口，GSM技术规范对这些接口做了详细的规定，使不同生产厂家的设备能够在同一个网内互联，如图所示。

（1）Um接口。移动台（MS）和基站收发信台（BTS）之间的接口，即空中无线电接口，用于移动台和GSM系统的固定部分之间的互通，其物理连接通过无线链路实现。Um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。GSM系统的接口

（2）Abis接口。基站子系统中的BSC和BTS之间的通信接口，其物理连接通过采用2Mb/s或64kb/s的PCM数字传输链路来实现。Abis接口支持向用户提供的所有服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。Abis接口是一个未开放的接口。

（3）A接口。BSS和MSC之间的接口。A接口基于2Mb/s数字接口，采用14位7号信令方式，主要传递呼叫处理、移动性管理、基站管理、移动台管理等信息。

（4）B接口。MSC与VLR之间的接口，用于MSC向VLR询问有关移动台当前位置信息，或通知VLR有关移动台的位置更新信息等。该接口是一个内部接口，一般不做规定。

（5）C接口。MSC与HLR之间的接口，用于被叫移动用户信息的传递以及获取被叫移动用户的漫游号码。两者之间是采用标准的2.048Mb／s或64kb/sPCM数字传输链路实现

（6）D接口。HLR与VLR之间的接口，用于交换移动台的位置信息和用户管理的信息，保证移动台在整个服务区内能建立和接受呼叫。由于VLR综合于MSC中，因此D接口的物理链路与C接口相同。

（7）E接口。相邻区域的不同MSC之间的接口，用于移动台从一个MSC控制区到另一个MS控制区时为保持通话连续而进行局间切换，以及两个MSC之间建立用户呼叫接续时传递有关的消息。此接口的物理链接方式是采用标准的2.048Mb／sPCM数字传输链路实现的。

（8）F接口。MSC与EIR之间的接口，用于MSC检验移动台IMEI时使用，也是一个2.048Mb/s或64kb/sPCM数字接口。

（9）G接口。两个VLR之间的接口。当采用临时移动用户识别码(TMSI)时，此接口用于向分配TMSI的VLR询问此移动用户的国际移动用户识别码(IMSI)的信息。G接口的物理链路与E接口