GSM全球移动通信系统概述66375new.doc

1、GSM 全球移动通信系统概述简要：如果你不是通讯科班出生，而目前你又在从事 GSM 相关的工作，本文对你绝对非常有裨益的，让你能纵览全局而不是仅仅局限在某个模块中 无线通信系统的基本概念、蜂窝通信 GSM 系统组成、网络结构、接口与协议、业务功能 GSM 无线传输原理、标准、语音编码、信道编码与调制解调 移动台登记、漫游、切换、呼叫接续过程1 蜂窝无线通信系统的基本概念1.1 无线通信系统的定义表 1.1 列出了用来描述无线通信系统基本要素的术语定义。表 1.1 无线通信系统要素定义术语 定义基站移动无线系统中的固定站台，用来和移动台进行无线通信。基站建在覆盖区域 的中央或边缘，包含无线信道和

2、架在塔上的发射与接收天线控制信道 用于呼叫建立，呼叫请求，呼叫初始化和其他标志及控制用途前向通道 用于从基站向用户传送信息的无线信道全双工系统同时允许双向通信的通信系统。发送和接收一般使用两个不同的频道（例如 FDD），而新的无绳或个人通信系统使用 TDD 技术半双工系统使用一条信道来发送和接收，只允许单向通信的通信系统。在任一个指定的时刻，用户只能发送或接收信息切换 将移动台从一个信道或基站切换到另一个信道或基站的过程移动台 在蜂窝移动服务中，计划在不确定的地点并在移动中使用的终端移动交换/中心在大范围服务区域中协调呼叫路由的交换中心。在蜂窝系统中，移动交换中心将蜂窝基站和用户连到公用交换电

3、话网上。移动交换中心也叫作移动电话交换局寻呼将简短的信息广播到整个服务区域中，一般通过许多基站同时广播的方式进行反向信道 用来从移动用户向基站传输信息的无线信道漫游 移动台可以在不是最初登记的区域内通信单工系统 只提供单向通信的通信系统用户 使用移动通信服务而付费的使用者收发信机 能同时发送和接收无线信号的设备频分双工（FDD）中，一对有着固定频率间隔的单向信道用作系统中的特定无线信道。在美国的 AMPS 标准中，反向信道比前向信道的频率低 45MHz(即手机的发比收低 45MHz)。模拟无线系统只采用 FDD。时分双工（TDD）方式，在时间上分享一条信道，将其一部分时间用于从基站向用户发送信

4、息，而其余的时间用于从用户向基站发送信息。如果信道内的数据传输速率远大于终端用户的数据速率，就可以存储用户数据，即使在同一时刻不存在两条同步无线传输信道，仍能给用户提供全双工操作。TDD 只在数字传输和数字调制时才可以使用。1.2 蜂窝无线通信系统 蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破，是一种系统级的概念。其思想是用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。每个基站分配整个系统可用信道中的一部分，相邻基站则分配另外一些不同的信道，这样基站之间（以及在它们控制下的移动用 户之间）的干扰就最小。只要基站间的同频干

5、扰在可以接受的范围以内，可用信道就可以尽可能的复用。1.2.1 频率复用蜂窝无线系统依赖于整个覆盖区域内信道的分配及复用。每一个蜂窝基站分配一组无线信道，这组无线信道作用于一个小区。给相邻小区的基站分配一个信道组，所包含的信道全部不能在相邻小区内使用。通过将基站天线的覆盖范围限制在小区边界以内，相同的信道组就可用于覆盖不同的小区，只要距离足够远，相互间的干扰就可以接受。为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程就叫做频率复用（Frequency Reuse ）。现在考虑一个共有 S 个可用的双向信道的蜂窝系统。如果每个小区都分配 k 个信道（kS），并且 S 个信道在 N 个小区中分为各

6、不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，那么可用无线信道的总数表示为 S = k N 。共同使用全部 可用频率的 N 个小区叫做一 簇（Cluster）。如果簇在系统中共复制了 M 次，则双向信道的总数可以作为容量的一个度量 C = M k N = M S。蜂窝系统的容量直接与簇在某一固定范围内复制的次数成正比。因数 N 叫做簇的大小，典型值为 4、7、12 。如果簇的大小 N 减小但是小区的数目保持不变，则需要更多数目的簇来覆盖原来给定的范围，从而获得了更大的容量。M 变大 N 变小意味着小区半径与同频小区间距离之比变大，M 变小 N 变大则意味着小区半径与同频小区间距离

7、之比变小。从设计的角度来看，N 尽可能的取最小值，以便获得某一给定覆盖范围内的最大容量，但是一定要顾及到使用相同频率的小区距离过近而引起的同频干扰必须限制在可以接受的范围以内。蜂窝系统的频率复用因子为 1/N，因为一个簇中的每个小区都只能使用所有可用信道的 1/N。 图 1-1 说明了蜂窝频率复用的思想。标有相同字母的小区使用相同的频率，相同颜色的小区组成一个簇，并在覆盖区域上进行复制。图中簇的大小 N 为 7，频率复用因子为1/7。 B 内含 K 个信道此簇为 N=7M 为复制次数 3图 1-1 蜂窝频率复用思想图解1.2.2 越区切换当一个移动台正在通话的时候，从一个基站移动到另一个基站，

8、为了使通话不被中断，系统自动地将呼叫转移到新基站的信道上。这种切换操作不仅要识别一个新基站，而且要求将话音和信令信号分派到新基站的信道上，此过程不需要用户的介入。在小区内分配空闲信道时，许多切换策略都使切换请求优先于呼叫初始请求。系统设计者必须要指定一个启动切换的最恰当的信号强度，一旦将某个特定的信号强度指定为基BGACDFEBCAEFGDBAECDGF站接收机中可接受的话音质量的最小可用信号（一般在90 dBm 到 100 dBm 之间），稍微强一点的信号强度就可作为启动切换的门限，两者之间的信号强度之差值的选择必须慎重。在决定何时切换的时候，很重要的一点是要保证所检测到的信号电平的下降不是

9、因为瞬时的衰减，而是由于移动台正在离开当前服务的基站，所以基站在准备切换之前先对信号监视一段时间。1.2.3 信道分配信道分配策略可以分为两类：固定的和动态的。在固定的信道分配策略中，每个小区分配给一组预先确定好的语音信道。小区中的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道，如果该小区的所有信道都已被占用，则出现呼叫阻塞。有一种借用策略，就是当某小区的所有信道都已被占用，则允许它从相邻小区中借用信道并且不影响借出小区的任何一个正在进行的呼叫，该过程由移动交换中心（MSC）来管理。在动态的信道分配策略中，语音信道不是固定地分配给各个小区。每次呼叫请求来的时候，为它服务的基站就向 MSC 请求一个信道，

10、交换机则根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道，当然这种算法必须考虑到避免同频干扰。动态的信道分配策略可以减小阻塞的可能性，系统中的所有可用信道对于所有小区都可用。1.2.4 干扰干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素，是系统增加容量的重要瓶颈。蜂窝系统中两种主要的干扰是：同频干扰和邻频干扰。同频干扰使用同一组频率的同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰，减小同频干扰必须在物理上隔开一个最小的距离。假设每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为小区半径 R 和相距最近的同频小区的中心之间距离 D 的函数。增加 D/R的值，同频干扰减小。参数 Q 叫做同频复

11、用比例，与簇的大小有关。对于六边形来说，Q表示为：Q = D/R = 。Q 的值越小，则容量越大；但是 Q 的值大则同频干扰小。N3邻频干扰来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰。邻频干扰是由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的。邻频干扰可以通过精确的滤波和信道分配而减到最小。通过使小区中的信道间隔尽可能的大，邻频干扰会减小。通过顺序地将连续的信道分配给不同的小区，许多分配方案可以使得在一个小区内的邻频信道间隔为 N 个信道带宽，其中 N 是簇的大小。有些信道分配方案还通过避免在相邻小区中使用邻频信道来阻止一些次要的邻频干扰。1.2.5 小区分裂随着服务

12、需求的提高，实际中使用了小区分裂、裂向和覆盖区域逼近等技术来增大蜂窝系统容量。小区分裂是将拥塞的小区分成更小小区的方法，每个新小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安置这些小区，使得单位范围内的信道数目增加，提高了信道的复用次数，因此能提高系统容量。例如，将一个半径为 R 的小区分裂为半径为 R/2 的新小区，则需要 4 个新小区才能覆盖原来的范围。当然，新小区的发射功率也应该下降，通过检查在新旧小区边界接收到的功率，并令它们相等来得到新小区的发射机功率。实际上，不是所有的小区都同时分裂，不同规模的小区将同时存在，这时需要特别注意

13、保持同频小区间所需的最小距离，频率分配将变得更为复杂，而且发射机的功率也不尽相等。 2 GSM 全球移动通信系统概述2.1 GSM 的发展概述GSM 原意为“移动通信特别小组”（Group Special Mobile），是欧洲邮电主管部门会议（CEPT ）为开发第二代数字蜂窝移动系统而在 1982 年成立的机构，开始制定适用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。1987 年，欧洲 15 个国家的电信业务经营者在哥本哈根签署了一项关于在 1991 年实现泛欧 900MHz 数字蜂窝移动通信标准的谅解备忘录（Memorandum of Understanding ，简称 MOU）。随着设备

14、的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM 逐步成为欧洲数字蜂窝移动通信系统的代名词。后来，欧洲的专家们将 GSM 重新命名为“Global System for Mobile Communications”，即“全球移动通信系统”的简称。目前，宣布采用 GSM 系统并参加 MOU 的国家早就不限在欧洲。在 1995 年初，全世界就已有 69 个国家约 118 个经营者签字参加了 MOU。2.2 GSM 的系统构成GSM 系统由以下分系统构成：交换分系统（MSS ）；基站分系统（BSS ）；移动台（MS） 和操作与维护分系统 （OMS ）。它包括了从固定用户到移动用户（或相反）所经过的全部设备，

15、如图 2-1 所示。2.2.1 交换分系统 （MSS ） 包括以下几个部分：移动交换中心（MSC ），归属位置寄存器 （HLR），拜访位置寄存器（VLR ），认证（鉴权）中心（AUC），设备标志寄存器（EIR ）。 移动交换中心（MSC Mobile Service Switching Center） 它主要处理与协调 GSM 系统内部用户的通信接续。MSC 对位于其服务区内的移动台（MS） 进行交换与控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。作为交换设备，MSC 具有完成呼叫接续与控制的功能，同时还具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新，MS 的越区转接控制等。移动用

16、户没有固定位置，要为网内用户建立通信时，路由都先接到一个关口交换局（GMSC Gateway MSC），即由固定网接到 GMSC。GMSC 的作用是查询用户的位置信息，并把路由转到移动用户当时所拜访的移动交换局（VMSC ）。 GMSC 首先根据移动用户的电话号码找到该用户所属的归属位置寄存器 HLR，然后从 HLR 中查询到该用户目前的 VMSC。GMSC 一般都与某个 MSC合在一起，只要使 MSC 具有关口功能就可实现。 MSC 通常是一个大的程控数字交换机，能控制若干个基站控制器（BSC ）。GMSC 与固定网相接，固定网有公众电话网 PSTN、综合业务数字网 ISDN、分组交换公众数

17、据网 PSPDN 和电路交换公众数据网CSPDN。MSC 与固定网互连需要通过一定的适配才能符合对方网络对传输的要求，称其为适配功能（IWFInter Working Function）。 归属位置寄存器（HLR Home Locate Register） HLR 是管理移动用户的数据库，作为物理设备，它是一台独立的计算机。每个移动用户必须在某个 HLR 中登记注册。在数字蜂窝网中，应包括一个或多个 HLR。HLR 所存储的信息分两类：一类是有关用户参数的信息，例如用户类别、所提供的服务、用户的各种号码、识别码，以及用户的保密参数等；另一类是用户当前的位置信息，例如移动台漫游号码、VLR 地址

18、等，用于建立至移动台的呼叫路由。HLR 不受 MSC 的直接控制。 拜访位置寄存器（VLRVisitor Location Register） VLR 是存储用户位置信息的动态链接库，当漫游用户进入某个 MSC 区域时，必须在MSC 相关的 VLR 中进行登记， VLR 分配给移动用户一个 漫游号（MSRN）。在 VLR 中建立用户的有关信息，其中包括移动用户识别码（MSI）、 移动台漫游号（MSRN ）、移动用户所在位置区的标志及向用户提供服务等参数，而这些信息是从相关的 HLR 中传过来的。MSC 在处理入网和出网呼叫时需要查访 VLR 中的有关信息。一个 VLR 可以负责一个或多个 MS

19、C 区域。由于 MSC 与 VLR 之间交换信息很多，所以两者的设备通常合在一起。 认证（鉴权）中心（AUCAuthentication Center） 它直接与 HLR 相连，是认证移动用户身份及产生相应认证参数的功能实体。认证参数包括随机号码 RAND、信号响应 SREC 和密匙 KC。认证中心对移动用户的身份进行认证，将用户的信息与认证中心的随机号码进行核对，合法用户才能接入网络，并得到网络的服务。 设备标志寄存器（EIREquipment Identification Register） EIR 是存储有关移动台设备参数的数据库，用来实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。EIR 只允

20、许合法的设备使用，它与 MSC 相连接。2.2.2 基站分系统 （BSS ）BSS 包含 GSM 数字移动通信系统中无线通信部分的所有地面基础设施，通过无线接口直接与移动台实现通信连接。BSS 具有控制功能与无线传输功能，完成无线信道的发送、接收和管理。它由基站控制器（BSC Base Station Controller）和 基站收发信台（BTSBase Transceiver Station）两部分组成。 基站控制器（BSC）BSC 的一侧与移动交换分系统相连接，另一侧与 BTS 相连接。一个基站分系统只有一个 BSC，而有多套 BTS。它的功能是负责控制和管理，BSC 通过对 BTS 和

21、 MS 的指令来管理无线接口，主要进行无线信道分配、释放以及越区信道的切换管理。 基站收发信台（BTS ）BTS 负责无线传输，每个 BTS 有多部收发信机（TRX ），即占用多个频率点，每部 TRX占用一个频率点，而每个频率点又分成 8 个时隙，这些时隙就构成了信道。 BTS 是覆盖一个小区的无线电收发信设备。BTS 还有一个重要的部件称为 码型转换器（Transcoder）和 速率适配器（Rate Adaptor），简称 TRAU。它的作用是将 GSM 系统中话音编辑信号与标准 64kbit/sPCM相配合，例如移动台（MS）发话，它首先进行语音编码，变为 13kbit/s 的数字流，信号

22、经 BTS 收信机的接收，其输出仍为 13kbit/s 信号，需经 TRAU 后变为 64kbit/sPCM 信号，才能在有线信道上传输。同时，要传送较低速率数据信号时，也需经过 TRAU 变成标准信号。2.2.3 移动台 （MS）移动台靠无线接入进行通信，线路不固定，因此它必须具备用户的识别号码。GSM系统采用用户识别模块 SIM（Subscriber Identity Module），将模块做成信用卡的形式。SIM 卡中存又用户身份认证所需的信息，并能执行一些与安全保密有关的信息。移动设备只有插入 SIM 卡后才能进网使用。2.2.4 操作与维护分系统 （ OMS）操作与维护管理的目的是使

23、网络运营者能监视和控制整个系统，把需要监视的内容从被监视的设备传到网络管理中心，显示给管理人员；同时，应该使管理人员在网络管理中心还应该能修改设备的配置和功能。2.3 GSM 系统的网络结构GSM 系统可构成全球移动通信系统。它由多个国家构成，将其称为 GSM 服务区。对于一个国家（或少数几个国家）的移动网，称为公众陆地移动网（PLMNPublic Land Mobile Network）服务区，这个服务区又可分为多个 MSC/VLR 服务区。将 MSC/VLR 又可分为若干个位置区（LA），最小的单元为小区（Cell） 。移动网与固定网相连之处称为关口交换中心（GMSC），将全部入局（网）呼

24、叫接至一个或多个 GMSC，它们作为该移动网的入网汇接交换机，具有为呼叫查询、选择呼叫路由的功能。上述结构如图 2-2。2.3.1 MSC/VLR 业务区MSC 服务区表示网络中由一个 MSC 所覆盖的部分。一个 PLMN 通常由多个 MSC 服务区组成，在该区内的移动用户要在该区的拜访位置寄存器（VLR）内登记，MSC 与 VLR构成同一节点。2.3.2 位置区 （LA ）每个 MSC/VLR 业务区分成几个位置区。位置区是 MSC/VLR 业务区的一部分，在一个位置区内移动台可“自由地”移动，不需作位置更新处理。在一个位置区内发射广播消息，以便找到移动用户，是一个寻呼区域。一个位置区只属于

25、某个 MSC/VLR 业务区，利用位置区识别码（LAI），系统能够区分不同位置区。一个位置区含有几个小区，且可能和一个或几个 BSC 有关，它是定位和寻呼区。2.3.3 小区（ Cell）一个位置区包括若干个小区，每个小区都有专用的识别码，它表示网络中一个基本的无线覆盖区域，是一个特定 BTS 所覆盖的区域。利用基站识别码（BSIC）移动台能区分各小区。2.4 GSM 系统的接口与协议GSM 系统非常复杂，每次通信前都要交换大量的信令，最后才能完成呼叫接续，在此基础上才是传输、进行双向通信。接口是指两个相邻实体之间的连接点，协议是说明在连接点上交换信息需要遵守的规则。信令是个非常复杂的过程，采

26、用电信网开放系统互连模式 OSI 的概念，把协议按功能分为不同的层面，每一层都有各自的协议规约。2.4.1 公众陆地移动网 （PLMN ）的接口GSM 系统的各种接口如图 2-3 所示。Sm 接口为人机接口，是用户与移动网之间的接口，在移动台中实现，包括键盘、液晶显示以及用户识别卡等。Um 接口是移动台与基站收发信台之间的无线接口，包含信令接口和物理接口两方面的含义，无线接口的不同是数字移动通信网与模拟移动通信网主要区别之一。A 接口是基站与移动交换中心之间的接口，所传递的信息主要是基站管理、呼叫处理和移动性管理，当然还有具体通信信息。Abis 接口 是基站系统中 基站控制器 BSC 与基站收

27、发信台 BTS 之间的无线接口，支持所有向用户提供的服务，着重支持对 BTS 无线设备的控制和分配的无线资源管理。HLR/VLR/AVC/EIR 之间的接口 是指 在移动交换分系统中的各种接口， 移动应用部分MAP 用来处理与呼叫无关的信令，与许多协议相关。将 MAP/X 表示成 X 接口的 MAP 协议，X 从 B 一直到 I。这些协议都是由 CCS7 信令中的事物处理能力应用部分 TCAP 提供服务的，而它本身又由 CCS7 中的信令连接控制部分 SCCP 提供服务。B 接口是移动交换中心 MSC 与拜访位置寄存器 VLR 之间的接口。当 MSC 需要某个移动台位置时，就查询 VLR；当

28、MSC 得到移动台要求位置更新时，MSC 就会通知 VLR。C 接口是移动交换中心 MSC 与归属位置寄存器 HLR 之间的接口，主要用于传递管理与路由选择信息。当呼叫结束时，相应的 MSC 向 HLR 发送计费信息。当固定网不能查询HLR 以获得所需移动用户位置信息时，有关的关口交换局 GMSC 就应查询此用户归属的HLR，以获得被呼移动台的漫游号码，再传递给固定网。D 接口是归属位置寄存器 HLR 与拜访位置寄存器 VLR 之间的接口，用于移动台位置和用户管理的信息交换。VLR 将归属于 HLR 的移动台当前位置通知 HLR，在再提供该移动台的漫游号码；HLR 向 VLR 发送支持该移动台

29、服务所需的所有数据。当移动台漫游到另一个VLR 服务区时，HLR 应通知原来的 VLR 消除移动台的有关信息。E 接口是移动交换中心之间的接口，在两个 MSC 之间交换有关越区切换信息。F 接口是移动交换中心与设备标志寄存器 EIR 之间的接口，用于在 MSC 与 EIR 之间交换有关移动设备的管理信息，例如国际移动台设备识别码等。G 接口是拜访位置寄存器 VLR 之间的接口，当某个移动台使用临时移动台号码 TMSI在新的 VLR 中登记时，通过 G 接口在 VLR 之间交换有关信息。2.4.2 接口协议模型作为第二代蜂窝移动网，数字 PLMN 采用开放系统互连模式 OSI 来规定其协议模型，

30、如图 2-4 所示，它是从 MS 到 MSC 之间的各种接口及其协议。OSI 参考模型的基本结构是分层，根据分层的概念，通信处理过程可以看作由最低层到最高层的若干有序的逻辑层次构成。在不同系统中，为实现共同目的而必须交换信息的同一层实体称对等实体。相邻层次中的实体通过共同层面相互作用。低层向高层提供服务，第 N 层所提供的服务是它以下各层所提供的服务与功能的组合。无线接口 Um 的协议第一层为物理层，记作 L1，它是最低层，包括各类信道，为高层信息的传输提供基本无线信道。 第二层 L2 为数据链路层，记作 LAPDm，它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。 第三层 L3 为最高层，称作应

31、用层，它包括各类消息和程序，对业务进行控制。第三层包括无线资源管理 RRM、移动性管理 MM 和呼叫接续管理 CM。Abis 接口的协议与 Um 接口协议稍有不同，它的物理层为 64kbit/s 地面线路，链路层为 LAPD。具体情况为：第一层为 64kbit/s 地面线路，第二层为消息传递部分 MTP，它是CCS7 信令网中的一部分。MTP 包含有更多的网络协议，并集中了全部的链路层协议。信令连接控制部分 SCCP 与 MTP 共同在 A 接口上构成网络层协议。移动性管理 MM 和呼叫接续管理 CM 在 BSC 内是透明传输的。2.5 GSM 系统的特点及业务功能2.5.1 GSM 系统的主

32、要特点 移动台具有漫游功能GSM 给移动台定义了三种识别码：一个是 DN 码，是在公用电话号码簿上可以查到的统一电话号码；第二个是移动台漫游号码（MSRN），是在呼叫漫游用户时使用的号码，由 VLR 临时指定，并根据此号码将呼叫接至漫游移动台；第三个是国际移动台识别码（IMSI），是在无线信道上使用的号码，用于用户寻呼和识别移动台。根据上述三个识别码，可以准确无误地识别某个移动台。漫游用户必须进行位置登记。当 A 区的移动台进入 B 区后，它会自动搜索该区基站的广播信道，从中获得位置信息。当其发现接收到的区域识别码与自己的号码不同时，漫游移动台会向当地基站发出位置更新请求，B 区的被访局收到此

33、信号后，通知本局的VLR，VLR 即为漫游用户指定一个临时号码 MSRN，并将此号码通过 CCS7 号信令通知移动台所在业务区备案。这样，当固定用户呼叫漫游移动用户时，拨移动台的 DN 码，DN码首先经公用交换网络接至最靠近的本地 GSM 移动业务交换中心（GSMC ），GSMC 利用 DN 码访问母局位置登记器即归属位置寄存器（HLR），从中获取漫游台的 MSRN 码，GSMC 根据此码将呼叫接至被访问的移动业务交换中心（ VMSC），VMSC 接到 MSRN号码后，证实漫游台是否仍在本区工作，经确认后，VMSC 将 MSRN 码转换成国际移动台识别码（IMSI），通过基站，在无线信道上向漫

34、游台发出呼叫，从而建立通话。 可提供多种业务除语音通话外，GSM 系统还能提供多种数据业务、三类传真、可视图文等，并能支持 ISDN 终端。 具有较好的保密功能保密措施通过“认证中心”实现，认证方式是一个“询问响应”过程。在通信过程开始时，首先由网络向移动台发出一个信号并同时启动自己的“用户认证”单元，移动台收到这个信号后，连同内部的“电子密钥”一起来启动“用户认证”单元，并将结果返回网络；网络将这两个“用户认证”单元结果相比较，只有相同才为合法。 越区切换功能在微蜂窝移动通信网络中，高频率的越区切换是不可避免的。在 GSM 中，移动台应主动参与越区切换。移动台在通话期间，不断向所在工作区基站

35、报告本区及相邻区的无线环境的详细数据，当需要越区切换时，移动台主动向本区基站发出越区切换请求。固定方（MSC 或 BSC）根据来自移动台的数据，查找是否有替补信道。如果不存在，则选择第二替补信道，直至选中一个空闲信道，使移动台切换到该信道上继续通信。2.5.2 GSM 系统的业务功能GSM 系统主要提供以下四大类业务。 电话业务紧急呼叫是由电话业务引申出来的一种特殊业务。移动台用户能通过一种简便而统一的手续接到就近的紧急业务中心（例如警察局或消防中心）。使用紧急业务不收费，也不需要认证使用者身份的合法性。语音信箱能将话音存储起来，事后由被叫移动用户提取。 数字业务在 GSM 技术规范中列举了

36、35 种数字业务，主要是以下几类：与公众电话通信网（PSTN）用户相连的数字业务PSTN 中最常用的数字业务有三类传真和可视图文（VIDEOTEX），数字网 GSM 要与PSTN 相连接，必须使用 MODEM，GSM 能处理 9600bit/s 速率以下的全双工方式下的数据。与综合业务数字网（ISDN） 用户相连的数字业务GSM 系统中的数据速率最高为 9600bit/s，而 ISDN 使用的速率是 64kbit/s，因此必须采用速率转换技术。采用标准化的 ISDN 数据格式，在 64kbit/s 链路上传送低速数据，这种方式可实现高于 2400bit/s 的异步数据传输。GSM 用户之间的数

37、字业务在大多数情况下，GSM 网内用户之间的通信会有外面的通信网参与，因为 GSM 网内交换机之间的传输都是通过公众固定网的缘故。目前，GSM 望所能提供的业务必须是PSTN 传输网能支持的业务，GSM 用户之间的通信与 GSM 用户和 PSTN 用户间的连接是相同的。与分组交换数据通信网（PSPDN）用户相连的数字业务PSPDN 是一种采用分组传输技术的通用性数据网，主要用于计算机之间的通信，同时也支持远端数据库的访问和信息处理系统。PSTN 采用的是电路传输技术，GSM 可以有几种方式接入 PSPDN。与电路交换数据通信网（CSPDN）用户相连的数字业务 短消息业务通过 GSM 网并设有短

38、消息业务中心（SMS ），便可实现短消息业务。点对点短消息业务一种是移动台接收点对点短消息（SMS-MT/PP），另一种是移动台发送点对点的短消息业务（SMS-MO/PP）。GSM 数字移动通信网用户可以发出或接收有限长度的数字或文字消息，这就是短消息业务功能。短消息小区广播业务这种业务是向特定地区的移动台周期性地广播数据信息，移动台能连续地监测广播信息显示给用户。 补充业务补充业务只限于电话业务，它允许用户能按自己的需要改变网络对其呼入呼出的处理，或者通过网络向用户提供某种信息，使用户能智能化的利用一些常规业务。2.5.3 GSM 系统的编号计划编号就是用于识别身份的各种号码，以便正确寻址。

39、 移动台的国际身份号 ISDN（又称 MSISDN）相当于公众电话网内的用户电话号码，是供用户拨打的公开号码，是唯一的，它的号码结构如下：MSISDN = CC + NDC + SNCC 为国家码，中国是 86；NDC 为国内目的地码；SN 为用户号码。 国际移动用户识别码（IMSI）国际移动用户识别码（IMSI）是 PLMN 网中唯一识别移动用户的号码。它是移动通信系统内使用的用户号码，在无线信道上唯一能识别用户的号码。它存储于 SIM 卡、归属位置寄存器（HLR ）和拜访位置寄存器（VLR）中，其结构如下：IMSI = MCC + MNC + MSINMCC 为移动国家号，中国是 460；

40、MNC 为移动网号；MSIN 是移动用户识别码。 移动台漫游号码（MSRN）这是针对移动用户的移动特性而设置的号码，其组成如下：OXYZ 为被访地的长途区号；PQR 为被访地未使用的一个端局号；ABCD 为临时分配给移动用户的漫游号码。当一个 HLR 管辖多个 MSC 时，它们可公用一个端局号。 移动用户临时识别码（TMSI）TMSI 等同于 IMSI，它是对 IMSI 保密而设置的号码。当移动用户每次呼叫时，VLR 分配一个唯一的 TMSI 号码，仅在本地使用，是 4 字节的 BCD 编码。TMSI 与 IMSI 没有长期固定关系，仅在 MS 呼叫时临时指定，也就是说 TMSI 可以重复地给

41、不同的 MS 使用。 国际移动台设备识别码（IMEI）IMEI 是唯一用来识别移动台设备的号码，称作系列号或串号，它可防止非法移动台设备使用移动台业务。（*#06#） 位置识别码在 GSM 系统中，共用三个号码组成移动台的位置识别。位置区识别码（LAI） 组成结构 MCC+ MNC+ LAC，代表 MSC 业务区中的不同位置区。全球小区识别码（GCI） 在 LAI 基础上加上小区识别码（CI）构成。基站识别码（BSIC） 主要供移动台区分相邻基站使用，结构 BSIC = NCC + BCC。3 GSM 全球移动通信系统的无线传输3.1 GSM 系统的无线传输标准无线通道信号传输的规范就是所谓的

42、无线接口（Radio Interface），又称 Um 接口。GSM 的传输包括连接移动用户的无线传输技术，以及连接交换网络的有线传输技术。GSM 系统将无线频率定在 900MHz 范围，第二阶段 DCS 为 1800MHz。第一阶段的指标如下：频段： 上行线路 MS 发， BTS 收的频段为 890915MHz；下行线路 BTS 发，MS 收的频段为 935960MHz；频带宽度：25MHz；上下行频率间隔：45MHz；载频间隔：200KHz；通信方式：全双工；信道分配：每载频 8 个时隙，包含 8 个全速信道，16 个半速信道；每个时隙的信道速率：22.8kbit/s；信道总速率：270k

43、bit/s；调制方式：GMSK，高斯滤波最小频移键控；接入方式：TDMA；话音编码：规则脉冲激励线性预测编码 RPELPC 13kbit/s；分集接收：跳频每秒 217 跳，交错信道编码，自适应均衡。3.2 GSM 系统的无线传输3.2.1 语音传输移动台（MS）首先把发话方的声音信号变换成 13kbit/s 的 GSM 中的数字化语音信号。数字信号经过高频调制、功率放大等处理，以电磁波的形式发送到自由空间。基站收发信台（BTS）的天线检测到这个信号后，经过一系列的处理，再现 13kbit/s 的数字语音信号形式。为了与固定网的传输标准一致，经过一种码型变换器（TCTranscoder），把

44、13kbit/s 变换成 64kbit/s 速率。移动交换局（MSC ）以 64kbit/s 标准格式经过不同链路的传输，直至收话人的端局。如果受话方是 PSTN 用户，它就可以按 PCM 解码规则从64kbit/s 数字信号流中恢复发话方的语音。把上面的描述表达成不同的传输平面层，如图3-1 所示。如果把 GSM 看成是一个整体，则从 MS 到 MSC 为一个本地段，中间路径所涉及的PSTN、ISDN 为长途段，从端局到被叫用户看成是另一个本地段，当被叫是 MS 用户时，两个本地段具有相同的意义。为了适应与其他网络的互连以及 GSM 内部传输的需要，要应用到网络交互功能 IWF（Interw

45、orkingFunction ）。在移动端由于限制于语声平面时比较简单的，而在网络一侧，IWF 就要取决于互连网的语音传输模式。 PSTN 和 ISDN 都是采用数字化传输，对语音信号的采样经 64kbit/s PCM 编码而使其数字化。 64kbit/s PCM编码是电信领域的基本码型。由于语音信号的带宽小于 4kHz，根据 Nyquist 定律，8kHz的采样速率可以使采样信号无失真的恢复。每个采样值经量化压缩编码为 8bit 码，其输出为 64kbit/s。这个从模拟到数字的过程包括预加重和采样。采样值线性量化成 13bit 的数字值，最后 13bit 经 A 律压缩为 8bit 码。这

46、就是 PCM 码，是数字传输中的基本码型。收端可以经过一套对应的逆变换，恢复语音信号。3.2.2 GSM 内部的传输在 MS 一侧，一般把直接与用户相关的部分称为终端设备 TE，可以是语音也可以是数据终端；另一部分称为 TAF。MS 中所有业务共用的部分称为移动终端（MT），用于语音业务类的就是 MT0，即手机形式。在 MS 与 IWF 之间的传输路径包括 MS 与 BTS 之间的无线接口。信息承载在 900MHz或 1800MHz 频段。 BTS 经 BSC 到 MSC 的传输为有线路径，它的划分与信令结构有关。MSC 与 BSC 的主要功能在于控制和交换，而不是传输。传输链上另一个重要的部

47、分是码变换/ 速率适配单元（TRAU ），这是一个完整的传输设备，包括几个功能实体。MSC 中的传输规范很接近 ISDN 的规范，不仅电路交换的基础是 64kbit/s，而且 A 接口的低层规范也与 ISDN 相应规范一致。由于 GSM 中传输信道小于 16kbit/s，为提高效率，在 64kbit/s电路中引入子复用概念，允许几个小于 64kbit/s 的数据流复用到 64kbit/s 的信道中（如32kbit/s、16kbit/s 和 8kbit/s 等），这样做的缺点是引入了附加的传输时延，降低了话音质量。为保证 MSC 具有 ISDN 的交换能力，TRAU 可以放在传输链中 BTS 与

48、 MSC 之间的不同的地方，如图 3-2 所示。功能上它是属于 BTS，但在实现上通常是把它放在 MSC，这样 BTS 的功能通过 BSC 延伸到 MSC。3.3 GSM 系统的语音编码与其他通信一样，MS 首先要把语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，这就是话筒和听筒的功能。MS 再把这个模拟电信号变成 13kbit/s 数字信号（或反变换），用于无线传输。BTS 或 TRAU 执行 13kbit/s 到 64kbit/s 的变换，以适应固定网的传输。这样在GSM 系统中就存在两个码变换点。无线路径上的语音传输设计需要特别注意的是频谱效率，以尽可能低的数据速率得到可接受的通话质量。目前无线

49、路径上有两种并行的信道类型，分别是“全速”和“半速”信道。3.3.1 语音编码GSM 采用的编码方案是 13kbit/s RPELTP 码（规则脉冲激励长期预测）。首先把语音分成 20ms 为单位的段，每个段编成 260bit 的数据块； 块之间依靠外同步，块内部不含同步信息。这样无线接口上 20ms 一帧的数据流，也就是 13kbit/s 流中不包括任何帮助收端定位帧标志的信息。收端把收到的信号块（激励信号）经过 LTP（长期预测）和LPC（线性预测编码）滤波重组，最后经过一个预先设计好的去加重网络加以复原，恢复语音信号。LTP 滤波器是把一个信号与其 Nr 次延时采样 br 倍延时相加的输出，Nr 和 br 值在语音帧中每 5ms 传一次。LPC 滤波器是一个倒置的 8 阶线性滤波器，线性 n 阶滤波器是把一个信号与其 1，2，n 次采样的时延相加。每一帧的滤波系数各不相同，由语音帧传递。激励信号自身的编码把一组参数复合到 260bit 帧之中，包括上面提到的滤波器参数和激励信号自身描述码，激励信号是按 8/3kHz 的速率规则采样的，收端可以精确地恢复激励信号中带宽小于 1.3kHz 的信息内容。激励信