第 6 章 GSM 及其增强移动通信系统

第6章 GSM及其增强移动通信系统 1　概述 2GSM系统的组成及相关的接口 3GSM系统的网络结构与编号计划 4GSM系统的无线信道与信号传输 5GSM系统的安全性管理 6GSM系统的移动性管理 7GPRS技术 8EDGE技术

1　概　述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。例如为了计费，可以通过MOU协调。　　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。

6.2GSM系统的组成及相关的接口6.2.1GSM系统的结构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。 6.2GSM系统的组成及相关的接口6.2.1GSM系统的结构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。

　　作为一个设备，移动交换中心控制若干个基站控制器，它通常是一台相当大的交换机。按中等人口密度百分比，一个典型的MSC可覆盖一个地区首府及其周围地区，共一百万居民，这样一个MSC大约包括6个设备机柜。　　为了与GSM网络外部的用户通信，MSC与外部网络的接口可能需要一个网间互联设备即适配网关（交互工作功能（IWF））。IWF的作用是使GSM网络的传输特性与通信对方的网络特性相适配，它使得GSM可与PSPDN、CSPDN等网络交互工作，但当通信双方是简单的PSTN或ISDN时，IWF也存在。对于语音通信的简单情况，IWF一般是放在MSC设备端，交互工作功能与MSC一起实现；在复杂情况下，IWF可以是一个独立的设备，与多个MSC相连，但在规范中未规定MSC与IWF之间的接口。

拜访位置寄存器（VLR） 图6-1 GSM系统的网络结构

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。

归属位置寄存器（HLR） 图6-1 GSM系统的网络结构

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。

设备识别寄存器（EIR） 图6-1 GSM系统的网络结构

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。

基站子系统（BSS） 图6-1 GSM系统的网络结构

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。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。

基站控制器（BSC） 图6-1 GSM系统的网络结构

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。

基站收发信台（BTS） 图6-1 GSM系统的网络结构

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.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6-4所示。

图6-4　移动台原理框图

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。

6.2.2GSM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6-5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。

图6-5 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数字传输链路实现的。　　（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接口相同。　　（10）GSM系统与其他公用电信网接口。GSM系统通过MSC与公用电信网互连，一般采用7号信令系统接口。其物理链接方式是MSC与PSTN或ISDN交换机之间采用2.048Mb/s的PCM数字传输链路实现的。

6.2.3GSM系统的业务1.承载业务　　承载业务主要保证用户在两个接入点之间传输有关信号所需的带宽容量，使用户之间实时可靠的信息（语音、数据等）传递。这类业务与OSI模型的低三层有关。承载业务定义了对网络功能的要求。为了提供各种承载业务，GSM用户应能够发送和接收速率高达9600b/s的数据。表6-1列出了GSM系统的承载业务。

图6-6　电信业务和承载业务

表6-1　承载业务

2.电信业务　　电信业务主要是为用户提供足够的容量，包括终端设备功能及与其他用户的通信。该业务结合了与信息处理功能相关的传输功能，使用承载业务来传送数据及提供更高层的功能。这些更高层的功能与OSI模型中的4～7层相对应，包括电话业务、紧急呼叫业务、短消息业务及传真业务等。表6-2给出了GSM支持的电信业务类型。

表6-2　电信业务

　　补充业务是在承载业务和电信业务的基础上获得的。一项补充业务是在一项或多项承载业务中联合使用，它不能单独使用，必须和基本业务一起提供给用户。大部分补充业务是从固定网所能提供的补充业务中继承过来的，因此这里不做详细讨论。

6.3GSM系统的网络结构与编号计划6.3.1　无线覆盖的区域划分　　从无线覆盖区域的划分来看，GSM系统各种区域之间的关系如图6-7所示。

图6-7GSM系统各种区域之间的关系

GSM网络的最小不可分割区域是由一个基站（全向天线）或一个基站的一个扇形天线（BTS）所覆盖的区域，称为小区（cell）。每个小区由全球小区识别码（GCI）来识别。　　若干个小区构成一个位置区（LAI），位置区的划分是由网络运营者设置的。一个位置区可能和一个或多个BSC有关，但它只属于一个MSC。位置区是系统用于搜索激活状态下的移动台的区域范围，因此在一个位置区内，移动台可以自由地移动，而不用更新控制该位置区的MSC/VLR中的位置信息。系统利用位置区识别码识别该位置区。　　一个MSC业务区是其所管辖的所有小区共同覆盖的区域，可由一个或几个位置区组成。PLMN业务区是由一个或几个MSC业务区组成的（每个国家有一个或多个）。GSM业务区是由全球各个国家的PLMN网络所构成的。

6.3.3　编号计划1.移动台ISDN号码（MSISDN）MSISDN是指呼叫GSM系统中的某个移动用户时所需拨的号码，号码的结构如图所示。 CC为国家码，我国为86。NDC为国内目的地址码，即网络接入号，中国电信GSM网为139、138等,中国联通GSM网为130、131等。SN为用户号码，采用等长7位编号H1H2H3ABCD，其中H1H2H3为每个移动业务本地网的HLR号码，ABCD为移动用户码。

2.国际移动用户识别码（IMSI）　　为了在无线路径和整个GSM移动通信网上正确识别某个移动用户，必须给移动用户分配一个特定的识别码，存储于客户识别模块SIM、HLR、VLR中。此码在所有位置区（包括漫游区）都有效。通常在呼叫建立和位置更新时，需要使用IMSI号码。IMSI号码结构如图6-12所示。

图6-12IMSI号码结构

MCC为移动国家号码，我国为460。MNC为移动网号，用于识别移动用户所归属的移动网，中国电信GSM网为00，中国联通GSM网为01。MSIN为移动用户识别码，用以唯一地识别国内某一网内的移动用户。IMSI的总长不超过15位数字，每位数字仅使用0～9的数字。

3.临时移动用户识别码（TMSI）　　为了对IMSI保密，IMSI只在起始入网登记时使用，在后续的呼叫中，使用经一定算法转换而来的TMSI，以避免通过无线信道发送其IMSI，从而防止窃听者检测用户的通信内容，或者非法盗用合法用户的IMSI。TMSI总长不超过4个字节，其格式由运营部门决定。

4.移动用户漫游号码（MSRN）　　当移动用户漫游到一个新的MSC/VLR业务区时，由VLR给它分配一个临时性的漫游号码，并通知该移动台的HLR，用于建立通信路由。一旦该移动台离开该业务区，此漫游号码即被收回，并可分配给其他来访用户使用。漫游号码的结构与移动用户国际（或国内）ISDN号码相同。

5.国际移动设备识别码（IMEI）IMEI是区别移动台设备的标志，可用于监控被窃或无效的移动台设备，其结构如图所示。 TAC为型号批准码，由欧洲型号认证中心分配。FAC为工厂装配码，由厂家编码，表示生产厂家及其装配地。SNR为序列号码，由厂家分配，用于区别同一个TAC和FAC中的每台移动设备。SP为备用。 • IMEI号码结构

6.位置区和基站识别码（LAI和BSIC）　　（1）位置区识别码（LAI）。系统在检测位置更新和信道切换时，要使用位置区识别标志，号码结构如图所示。 MCC和MNC与IMSI码中的MCC和MNC相同。LAC为位置区码，用于识别GSM移动网中的某个位置区，最多不超过两个字节，采用十六进制编码，由各运营部门自定。在LAI后面加上小区的标志号CI（最大16bit），可构成小区识别码。

6.4GSM系统的无线信道与信号传输6.4.1　频率配置1.使用频率GSM数字蜂窝移动通信系统采用900MHz频段:890～915MHz(移动台发、基站收);935～960MHz(基站发、移动台收)。　　可用频段为25MHz，收发频率间隔为45MHz。随着业务的发展，可用频段可向1.8GHz频段的DCS1800过渡。DCS1800使用的频段为：1710～1785MHz(移动台发、基站收)；1805～1880MHz(基站发、移动台收)。

2.多址方式GSM系统相邻频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，每载频分为8个时隙（即8个信道或8路为一帧），每帧时长4.62ms，每时隙0.577ms。将来采用半速率语音编码后，每个频道可容纳16个半速率信道。

4.频率复用模式GSM系统的频道配置采用等频距配置法,频道序号为n=1～124。频道序号和频道标称中心频率的关系为： (移动台发，基站收) （基站发，移动台收）

图6-164×3方式频率配置

图6-173×3方式频率配置

　　对于无方向性天线，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，业务量较大的地区可借用剩余的频率组，如图6-18所示。

第 6 章 GSM 及其增强移动通信系统

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