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1、第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS,5.1 引言 5.2 GSM的电信业务 5.3 GSM结构 5.4 GSM较模拟网的优势 5.5 GSM网络接口 5.6 GSM的编号、 鉴权与加密 5.7 GSM无线信道 5.8 GSM呼叫方案 5.9 GSM通向3G的一个重要里程碑GPRS,5.1 引 言,1980年欧洲经历了无线通信的飞速发展。每天都有大量用户加入无线网络，网络覆盖面积不断扩大。无线网络爆炸性扩大，虽然给营运者带来赢利，同时由于各网络增长情况的不同，使用的频段也不同，技术上又互不兼容，并缺乏一个中心组织来协调发展，并且全都是模拟的。欧洲的营运商意识到这些模拟网容量已接近极限，
2、原因如下： (1)由于使用不同的频段及不兼容的无线技术使用户无法跨国界漫游。,(2)所有的网容量接近饱和，需寻找一个解决该问题的方法。 (3)由于对各技术的有限市场，用户和基础设施上的经济指标未能达到，进一步的用户数增长将导致高的用户设备成本。,表5-1 全球移动通信系统GSM的发展里程碑,5.2 GSM的电信业务,GSM小组在概念上受到无线网向ISDN发展的强烈影响，为发展与有线标准相兼容的无线数字标准，小组决定GSM标准将尽可能地接近ISDN标准。这意味着GSM与ISDN将使用相同的信令方案和信号特性。这一决定使得有线与无线需建立统一的接入平台和统一的业务特性。,由GSM网络支持的电信业务
3、是由网络营运者提供给用户的通信能力。GSM网络，与其他网络，如PSTN一起为用户提供服务。GSM小组受到了ISDN提供业务的影响，他们打算使GSM可以提供与ISDN一样的业务。但由于受空中接口的影响，对宽带业务目前无法提供支持。ISDN支持64kb/s的话音作为基本服务，GSM由于空中接口达不到这么高的速率而不可能做到。由GSM支持的电信业务包含有线ISDN及现有模拟蜂窝系统和无线寻呼系统提供的一切业务。,图5-1 电信业务和承载业务,5.2.1承载业务 为了提供各种承载业务(BearerServices)，GSM用户应能够发送和接收速率高达9600b/s的数据。由于GSM是数字网，在用户和G
4、SM网络之间不需Modem，但在GSM和PSTN接口方面仍然需要话音Modem。表5-2列出了GSM的承载业务。,表5-2列出了GSM的承载业务。,5.2.2 电信业务,1. 电话和紧急呼叫 话音编码可以以64 kb/s速率进行传输，但频率利用率低。为提高频率利用率，GSM采用13 kb/s（全速）话音编码器来进行话音编码传输。GSM还可采用接近6.5 kb/s（半速）进行话音编码，使频率利用率更高。表5-3列出GSM支持的电信业务情况。,2. 短信息业务（SMS） GSM可以提供给用户的短消息业务，使GSM用户无需同时携带寻呼机。GSM设计者还允许移动用户发送短消息，即开展双向短消息业务。对
5、于MO/PP和MT/PP两类短消息业务 业务中心是作为存储转发中心，该业务中心在功能上与GSM网络分开。所有GSM点对点短消息都来自或去向该业务中心。 GSM允许短消息在一次呼叫中发送或空闲时发送。,表 5-3 电 信 业 务,5.2.3补充业务 补充业务(SupplementaryServices)是在承载业务和电信业务基础上获得的。一项补充业务是在联合一项或多项承载业务中使用的，它不能单独使用，它必须和基本电信业务一起提供给用户，相同的补充业务对一系列电信业务来说是有利的。前向呼叫是补充业务的一个例子，对于该业务的预要求是电话或传真业务。如果用户要求，前向呼叫业务能在电话和传真呼叫中应用。
6、表54给出了GSM支持的补充业务。,表5-4 GSM支持的补充业务,表5-4 GSM支持的补充业务,5.3 GSM结构,图5-2 GSM网络结构,5.3.1 移动台（MS）,表5-5 GSM900系统的移动台功率等级,表5-6 DCS1800系统的移动台功率等级,一个GSM移动台可以分成两部分：一部分包括与无线电接口有关的硬件和软件；另一部分包括用户特有的数据：用户识别模块（SIM），SIM是GSM最有吸引力的组成部分。SIM有着与信用卡相同的尺寸，或者是尺寸更小的内插卸式SIM卡（俗称小卡），小卡在许多手机中得到应用。SIM卡支持用个人移动性， 用户可以只带SIM卡旅游，在新的目的地只需将S
7、IM卡插入GSM移动台即可得到服务。SIM卡包括有关移动用户指定的GSM业务和网络信息。它存储有用户识别号、位置信息和有关保密数据（如密钥）、禁止GSM网络和参考语言。SIM卡支持用个人身份码（PIN）来鉴别卡的用户，以防非法卡的使用。PIN由4到8位数字组成，在SIM卡出售时写入。移动台如无SIM卡只能进行紧急呼叫。,5.3.2基站(BS)及基站收发信机（BTS） 移动台到网络的接口是基站收发信机（BTS）。一个BTS由无线收/发信机及多块用于无线电接口的信号处理模块组成。在朝基站控制器BSC侧，BTS区分与移动台有关的话音和控制信令，并通过各自信道传给BSC。在朝MS侧，BTS将信令和语音
8、合在一个载波上。BTS位置通常在小区中心。BTS的发射功率决定小区的尺寸。一个典型的BTS通常具有124个收/发信机（TRX），每个TRX代表一个单独的RF信道。表5-7给出了基站的功率等级。,表5-7 基站的功率等级,5.3.3 基站控制器（BSC） 一个基站控制器（BSC）监视和控制几个基站。BSC的主要任务是实现频率管理以及BTS的控制和交换功能。BSC通过BTS和MS的远程命令对无线电接口进行管理，主要有无线信道安排和释放，切换的安排。BSC向下连接一系列BTS，向上连接移动交换中心（MSC）。一个BSC和与它相应的BTS可看成是一基站子系统（BSS）。,5.3.4 发送编码器和速率适
9、配器单元（TRAU）,TRAU网络单元负责对16 kb/s到64 kb/s的用户数据进行发送编码及速率适配。 在物理上，TRAU可以在BTS任何一边， 即在BTS和BSC的BTS边；或在BSC和MSC的BSC边或MSC边。通常在BSC和MSC的BSC边。,5.3.5 移动业务交换中心（MSC）,MSC的主要功能是协调去GSM或来自GSM用户的呼叫。它主要由交换机及支持呼叫建立所需的几个数据库组成。它还是GSM网和公共交换电话网PSTN之间的接口。MSC还完成由MSC负责区域移动用户所有的交换和信令功能。一个MSC可以连接数个BSC。 除了支持BSC之外, MSC还处理BSC/MSC内部的切换及
10、相互之间的呼叫。 MSC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、越区切换等。 为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就远进入关口MSC（GMSC），由该GMSC查询有关的归属位置寄存器HLR， 并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由。,5.3.6 归属位置寄存器（HLR）,1) 用户数据的存储 HLR必须存储其归属用户的有关数据。HLR还必须存储由营运者选择的不同用户提供的业务数据，并能随着业务的发展， 增改相应存储内容。 2) 用户数据的检索 任何时候当访问者位置寄存器VLR请求（例如登记时）， HLR应能依据要求向VLR提供有关的用户数据。当某些用户数据有
11、变化时（例如签约的变化，服务项目清单的变化），HLR要能够将这些数据信息通知VLR。,3) 提供移动用户漫游号(MSRN) MSRN是在MS进行位置更新时，由当地的VLR负责产生的。 MS被叫时，HLR应能根据GMSC（关口MSC）或始发MSC的请求，将MSRN发往请求的MSC。 请求的MSC从而得到MS目前所在的MSC和位置区域LA。 4) 鉴权 HLR应能支持用户的鉴权操作。 5) 登记 HLR应能配合访问者位置寄存器VLR完成登记功能和向前一个VLR发起取消登记功能。,6) 移动台去话 当HLR接收到VLR发来的移动台去话通知后， HLR应能设置此移动台为去话状态。 7) HLR的恢复
12、应能周期性地拷贝HLR中的数据（一般在24小时内），拷贝可存储在磁盘或磁带中。当HLR重新启动后，在前一次拷贝的基础上，执行HLR恢复程序， 尽量得到正确的移动用户位置与补充业务有关的信息。为避免错误数据的扩散，HLR应通知相关的VLR，使VLR删除与HLR有关的数据，同时HLR应能够撤消MS的登记，等待MS的重新登记。,5.3.7 访问者位置寄存器（VLR）,1) 用户数据的存储 VLR必须存储其归属用户的有关数据。VLR还必须存储由营运者选择的不同用户提供的业务数据，并能随着业务的发展， 增改相应存储内容。 2) 用户数据的检索 当呼叫建立时，根据MSC的请求，VLR应能够依据TMSI、
13、MSRN向MSC提供用户的信息。通常在移动台呼叫时，依据国际移动用户识别码TMSI； 移动台被叫时, 依据移动用户漫游号MSRN。,3) 登记 当移动用户出现在一个新的位置区域或从移动台收到登记、 呼叫建立、补充业务操作消息后，若有需要，则应能向HLR发出请求登记通知。VLR应能完成登记、取消登记的功能，并能向HLR检索用户的信息。根据HLR的请求或当用户在24小时内没有在MSC/VLR区域中出现时，VLR应能删除该用户的有关信息。 4) 移动台去话 当VLR收到MSC发来的移动台去话通知后，VLR应能删除此用户的数据，并能通知相应的HLR。,5) 鉴权 VLR应能向鉴权中心(AUC)索取并存
14、储鉴权参数。VLR通过MSC要求移动台进行鉴权，并比较从移动台返回的和自己存储的鉴权参数。当比较不一致时，拒绝移动台的业务请求，同时予以警告。 6) 提供MSRN 当MS位置更新时，当地的VLR应能够根据HLR请求，要求MSC分配MSRN，并将MSRN发往请求的HLR，即支持每次MS被呼叫时进行的MSRN分配。 7) VLR的恢复 当VLR发生数据错误时，VLR应能够通知相应的HLR，删除与其相应的数据。,5.3.8 鉴权中心（AUC）,AUC鉴权中心是认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。AUC对任何试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。它给每一个在相关
15、HLR登记的移动用户安排了一个识别字, 该识别字用来产生用于鉴别移动用户身份的数据及用来产生用于对移动台与网络之间无线信道加密的另一个密钥。 AUC存储鉴权(A3)和加密(A8)算法。 AUC只与HLR通信。,5.3.9 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。EIR实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台使用。,5.3.10 操作和维护中心（OMC）,OMC操作维护中心是网络操作维护人员对全网进行监控和操作的功能实体。接入MSC和BSC, 处理来自网络的错误报告, 控制BSC和BTS的业务负载。OMC通过BSC对BTS进行设置并允许操作者检查系统的相
16、连部分。 在实际蜂窝网络中，根据网络规模、所在地域以及其他因素，上述实体可有各种配置方式。通常将MSC和VLR设置在一起， 而将HLR、 EIR和AC合设于另一个物理实体中。,5.4 GSM较模拟网的优势,5.4.1 GSM系统在抗瑞利衰落及干扰方面均优于TACS系统,1. GSM系统具有较为完善的对抗瑞利衰落和符号间干扰的措施 （1）天线（空间）分集。 当分集天线间距56 m时， 最大可获得约6 dB的分集增益。,（2） 跳频。 由于瑞利衰落的衰落谷点随频率不同而发生在不同地点，因此，使载频在几个频率点上变化（跳频），可减少信息损失，然后通过复杂的信息处理过程重新恢复全部信息。 跳频只对慢速移动用户有好处，其得益约为14 dB（当无天线分集时，最多可达4 dB, 当有二重分集时，最多可有2.5 dB）。但是，当一个基站或小区只有2个载波
