第2章gsm数字蜂窝移动通信系统

《第2章gsm数字蜂窝移动通信系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章gsm数字蜂窝移动通信系统（192页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第 3 章 GSM数字蜂窝移动通信系统,3.1 概述 3.2 GSM系统组成 3.3 GSM系统的业务 3.4 GSM系统的编号 3.5 GSM的接续和移动性管理 3.6 GSM的安全性管理 3.7 GSM体制的特点 思考与练习题,3.1 概 述,第一代模拟蜂窝移动通信系统的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用技术大大提高了频率利用率，增大了系统容量; 网络智能化实现了越区切换和漫游功能, 扩大了客户的服务范围。 但上述模拟系统存在以下缺陷: (1) 各分立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

2、听, 易做“假机”。,对于各自拥有模拟蜂窝移动通信网络(如北欧多国的NMT和英国的TACS)的欧洲各国来说, 由于没有系统间的公共接口, 不能实现跨国漫游, 非常不方便。 1982年, 欧洲邮电大会(CEPT, Conference Europe of Post and Telecommunication)组建了一个新的标准化组织, 称为移动通信特别小组(GSM, Group Special Mobile), 专门用于制定900 MHz频段的公共欧洲电信业务规范, 以实现全欧移动漫游功能。这就是GSM数字蜂窝移动通信系统开始研究的背景情况。,1986年, 泛欧11个国家为GSM提供了8个实验系

3、统和大量的技术成果, 并就GSM的主要技术规范达成共识。 这些技术规范包括窄带时分多址(TDMA)、 规则脉冲激励线性预测(RPE-LTP)语音编码和高斯滤波最小移频键控(GMSK)调制方式等。 1990年, GSM系统试运行。 1991年, 第一个实用系统在欧洲开通, 同时, GSM被更名为“全球移动通信系统”(Global System for Mobile communications)。 从此移动通信跨入了第二代数字移动通信的发展阶段。,此后, GSM系统又经历了不断的改进与完善。 尽管其他的一些代数字系统(如北美的ADC(亦称IS-54)和日本PDC)也陆续被开发出来并投入使用, 但

4、是由于GSM系统规范、标准的公开化和优点的诸多性, 很快就在全世界范围内得到了广泛的应用, 实现了世界范围内移动用户的联网漫游。 截止到本世纪初, 全球共运行着350多个GSM网络, 用户人数总计达到3亿。,3.2 GSM系统组成,3.2.1 GSM系统结构,图 3-1 GSM系统整体结构框图,图 3-2 GSM蜂窝移动通信系统的简单组成,3.2.2 GSM系统主体部分,1. 网络交换子系统(NSS, Network Switch Subsystem),1) 移动业务交换中心(MSC, Mobile Services Switching Center) MSC是GSM系统的核心, 是对位于它所

5、覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体, 也是移动通信系统与其他公用通信网之间的接口。 它使用户使用各种业务成为可能。,MSC的具体功能如下: MSC可从三种数据库(HLR、VLR和AUC)中获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之, MSC也可根据其最新得到的用户请求信息(如位置更新, 越区切换等)更新数据库的部分数据。 MSC作为网络的核心, 应能完成位置登记、 越区切换和自动漫游等移动管理工作。同时具有电话号码存储编译、呼叫处理、路由选择、回波抵消、超负荷控制等功能。 MSC还支持信道管理、数据传输以及包括鉴权、信息加密、 移动台设备识别等安全保密功能。,MSC可为

6、移动用户提供以下服务: 电信业务。 例如通话、 紧急呼叫、 传真和短信息服务等: 承载业务。 例如3.1 kHz电话, 同步数据0.32.4 kb/s及分组组合和分解(PAD)等。 补充业务。例如呼叫转移、呼叫限制、呼叫等待、电话会议和计费通知等。 对于容量比较大的GSM系统, 一个网络子系统NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR, 当固定网用户呼叫GSM移动用户时, 无需知道移动用户所处的位置, 此呼叫首先被接入到入口移动业务交换中心(亦称移动关口局, 简称GMSC)中, 入口交换机负责从HLR中获取移动用户位置信息, 且把呼叫转接到移动用户所在的MSC那里。,2) 来访位置寄存器(VLR

7、, Visitor Location Register) VLR是一个数据库, 负责存储MSC为了处理所管辖区域中MS(统称来访用户)的来话接听和去话呼叫所需检索的信息, 例如用户的号码, 所处位置区域的识别, 向用户提供的服务等参数。 具体来讲, VLR是为其控制区域内的移动用户服务的, 它存储着进入其控制区域内的已登记的移动用户的相关信息, 从而为该用户以后的呼叫连接创造了前提条件。VLR从该移动用户所在的归属位置寄存器(HLR)处获得并存储该用户的数据。 一旦用户离开该VLR的控制区域, 则重新在他所进入的另一个VLR登记, 原VLR将取消临时记录的该移动用户的数据。 因此, VLR可看

8、作是一个动态的用户数据库。,3) 归属位置寄存器(HLR, Home Location Register) HLR是GSM系统的中央数据库, 主要存储着管理部门用于移动用户管理的相关数据, 具体包括两类信息: 一是有关用户的参数, 即该用户的相关静态数据, 包括移动用户识别号码、 访问能力、用户类别和补充业务等; 二是有关用户目前所处状态的信息, 即用户的有关动态数据, 如用户位置更新信息或漫游用户所在的MSC/VLR地址及分配给用户的补充业务等。 每个移动用户都应在其HLR处注册登记。 HLR可以与MSC/VLR一一对应, 也可以一个HLR控制若干个MSC/VLR或整个区域的移动网。,4)

9、鉴权中心(AUC, Authentication Center) AVC也是一个数据库, 保存着关于用户的三个参数(随机号码RAND、 响应数SRES和密钥Kc)。 其作用是: 通过鉴权能够确定移动用户的身份是否合法, 还能够进一步满足用户的保密性通信等要求。 鉴权是GSM系统采取的一种安全措施, 用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。 任何手机在通话前都要先经过鉴权, 待得到系统确认, 承认其为合法用户后, 方可进入通话接续。 在此过程中, AUC起到了关键的作用。,5) 设备识别寄存器(EIR, Equipment Identity Register) 对移动台身

10、份的核准包括三个组成部分: 入网许可证的核准号码、装配工厂号和手机专用号。 针对不同的核准结果, 移动台的IMEI会分列于白色清单、 黑色清单或灰色清单这三种表格之一。 白色清单中收录了所有的核准号码, 拥有该清单中的号码的移动台可以正常使用网络; 黑色清单中收录了所有的挂失移动台和禁止入网移动台的号码, 拥有这些号码的移动台会被暂时禁用(闭锁); 灰色清单收录了所有的出现异常或功能不全, 但不足以禁用的移动台的号码, 拥有这些号码的移动台会受到网络的监视, 随时可能被鉴别出其非法身份。这样便可以确保入网移动设备不是被盗用的或是故障设备, 确保注册用户的安全性。一旦手机丢失, 只要向系统报告该

11、手机的IMEI号码, EIR就会将其列入黑色清单, 使得盗用者空欢喜一场。,2. 基站子系统(BSS, Base Station Subsystem) 基站子系统又称无线子系统, 因为它是GSM系统中与无线蜂窝网络关系最直接的基本组成部分, 主要负责系统的无线方面。 它是一种在特定的蜂窝区域内建立无线电覆盖的设备, 负责完成无线发送、 接收和管理无线资源。 从整个GSM网络来看, 基站子系统(简称基站)介于网络交换子系统和移动台之间, 起中继作用。一方面, 基站通过无线接口直接与移动台相接, 负责空中无线信号的发送、接收和集中管理; 另一方面, 它与网络交换子系统中的移动业务交换中心(MSC)

12、采用有线信道连接, 以实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信, 传送系统信号和用户信息等。以移动台用户与固定网络用户之间的通信为例: 基站接收到移动台的无线信号, 经过简单处理之后即传送给移动交换中心, 经过交换中心的交换机等设备的处理, 再通过固定网络(PLMN或ISDN等)传送给固定用户, 即可实现正常的网络通信了。,正是由于基站子系统在整个GSM网络中的重要地位, 因而它在GSM网络中起着重要的作用, 直接影响着GSM网络的通信质量。一个覆盖区中基站的数量、 基站在蜂窝小区中的位置, 基站子系统中相关组件的工作性能等是决定整个蜂窝系统通信质量的重要因素。 基站的选型与建设, 已成

13、为组建现代移动通信网络的重要一环, 而目前国内能够生产基站的电信企业只有上海大唐、 广州金鹏等少数几家。,GSM赋予基站的无线组网特性使基站的实现形式可以多种多样宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝及室内、 室外型基站。无线频率资源的有限性又迫使人们发展出基站的各种不同应用形式远端TRX、分布天线系统、光纤分路系统、直放站, 以扩大覆盖范围，增强话务能力。 从组成上看, 基站子系统主要包括两类设备: 基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)。通常来说, 一个基站只包括一个BSC, 而一个BSC根据话务量的需要可以控制一个或多个BTS。BTS可以与BSC直接相连, 从而构成一个整体基站系统, 其覆盖区为

14、包含若干相邻小区的单一区域; BTS与BSC也可以通过基站接口设备(BIE)采用远端控制(当BSC与BTS间距离超过15 m时)的连接方式相连, 此时基站系统服务区为若干个无线覆盖区, 如图2-3所示。,图 3-3 基站原理框图,1) 基站收发信台(BTS, Base Transfer and Receive Station) BTS属于基站子系统的无线接口设备, 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、 无线调制、 编码等功能。 具体来说, 它可以接收来自移动台的信号, 也可以把BSC提供的信号发送给移动台, 从而完成BSC与无线信道之间的信

15、号转换。,一般情况下, 每个BTS覆盖面积约1平方千米。 在某个区域内, 多个子基站和收发信台相互组成一个蜂窝状的网络, 通过控制收发信台与收/发信台之间的信号传送和接收来达到移动通信信号的传送, 这个范围内的地区也就是我们常说的网络覆盖面。 如果没有了收/发信台, 那就不可能完成手机信号的发送和接收。 基站收/发信台不能覆盖的地区也就是手机信号的盲区。 所以基站收/发信台发射和接收信号的范围直接关系到网络信号的好坏以及手机是否能在这个区域内正常使用。,从容量上来讲, 1个BTS的最大容量在16个载频左右。 也就是说, 它能够支持上百个通信(一个载频包括8个时隙)同时进行。 在农村, BTS的

16、载频数可以减小到一个, 即可以支持7个手机同时通信; 在城市, 1个BTS一般有24个载频, 可同时支持1428个用户手机。 由图2-3可知, 基站子系统的主要组成之一是收/发信机TRX。 TRX的结构组成如图2-4所示。,图 3-4 基站收/发信机组成结构图 (a) 基站发信机; (b) 基站收信机,基站收/发信台的另一个组成部分是天线。 天线有发射天线和接收天线、全向天线和定向天线之分, 一般可有下列三种配置方式: 发全向、 收全向方式; 发全向、 收定向方式; 发定向、 收定向方式。 从字面上我们就可以理解每种方式的不同, 发全向主要负责全方位的信号发送; 收全向自然就是各方位的信号接收了。定向的意思就是只朝一个固定的角度进行发送和接收。一般情况下, 频道数较少的基站(如位于郊区)常采用发全向、 收全向方式, 而频道数较多的基站则采用发全向、 收定向的方式, 且基站的建立城市也比郊区更为密集。一般来说, 在农村用全向基站, 城市和高速公路区域用定向基站。,2) 基站控制器(BSC, Base Station Control) BS