GSM数字移动通信系统

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1、第一讲 GSM 数字移动通信发展史1.1 GSM 系统历史背景 GSM 数字移动通信系统是由欧洲主要 电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂 窝系统的基础上发展而成。 蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统 ，尤其是 实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电 路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。直到 1979 年美国在芝加哥开通了第一个 AMPS(先 进的移动电话业务)模拟蜂窝系统，而北欧也于 1981年 9 月在瑞典开通了 NMT(Nordic

2、移动电话) 系统，接着欧洲先后在英国开通TACS 系统，德国开通 C450 系统等。见表 1-1。 表 1-1 1991 年欧洲主要蜂窝系统国家 系统 频带 建立日期 用户数(千) 英国 TACS 900 1985 1200瑞典、挪威芬兰、丹麦NMT 450900198119861300法国 Radiocom2000NMT450,9004501985198930090意大利 RTMSTACS4509001985199060560德国 C-450 450 1985 600瑞士 NMT 900 1987 180荷兰 NMT 450900 19851989 130奥地利 NMT 450 1984 6

3、0TACS 900 1990 60西班牙 NMTTACS450900198219906060蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模 拟系统有四大缺点：1. 各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，易被窃听，易做“假机” 。尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，对客户之间造成很大的不便。 GSM 数字移 动通信系统 史源于欧洲。早在 1982 年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的

4、 NMT（北欧移 动电话）和英国的 TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统， 1982年北欧国家向 CEPT（欧洲邮电行政大）提交了一份建 议书，要求制定 900MHz 频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技 术委员会下的“移动特别小组Group SpecialMobile）简称“GSM ”，来制定有关的标准和建议书。 1986 年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的 8 个建议系统进行了现场实验。 1987 年 5

5、月 GSM 成 员国就数字系统采用窄带时分多址 TDMA、规则脉冲激励线性预测 RPE 一 LTP 话音编码和高斯滤波最小移 频键控 GMSK 调制方式达成一致意见。同年，欧洲 17 个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。与此同 时还成立了 MoU 组织，致力于 GSM标准的发展。 1990 年完成了 GSM900 的 规范，共 产生大约 130 项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套 12 系列。 1991 年在欧洲开通了第一个系统，同时 MoU 组织为该系统设计和注册了市场商标，将 GSM 更名为“全球移动通信系统”（Globa1 system fo

6、r Mobile communications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移 动特别小组还完成了制定 1800MHz 频段的公共欧洲电信业务的规范，名 为 DCSI800系统。该系统与 GSM900 具有同样的基本功能特性，因而该规范只占 GSM建议的很小一部分，仅将 GSM900 和 DCSI800 之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为 GSM 系统。 1992 年大多数欧洲 GSM 运营者开始商用业务。到 1994 年 5 月已有 50 个GSM 网在世界上运营， 10 月总客户数已超过 400 万，国际漫游客户每月呼叫次数超过 500 万，客

7、户平均增长超过 50。 1993 年欧洲第一个 DCSI800 系统投入运营。到 1994 年已有 6 个运营者采用了该系统。 1.2 GSM 系统技术规范 GSM 系 统技 术规范中只对 功能和接口制定了详细规范，未对硬件做出规定。这样做目的是尽可能减少对设计者限制，又使各运营者有可能购买不同厂家的设备。 GSM 系 统技术规范共分 12 章： 系列 01 概述 02 业务方面 03 网路方面 04 MS-BS 接口与协议 05 无线路径上的物理层 06 话音编码规范 07 MS 的终端适配器 08 BS-MSC 接口 09 网路互通 10 业务互通 11 设备和型号认可规范 12 操作和维

8、护 这些系列规范都是由 ETSI 组建的不同工作组和专 家组编写而成的。 1988年春天完成第一阶段标准的第一个版本，以支撑当时的投标活动。后来修改过几次，1990 年以后除了传真方面的规范外，其它很少作改动， 1992 年底基本冻结。第二阶段标准到 1993 年底也基本完成了主要部分，并与 1994 年底冻结，为了提高系统的性能，从 1994 年 6 月又开始考虑第 2阶段的有关标准的定义，后并入第二阶段标准，并宣布还会有第三阶段的标准。 实际 上由于第三代移动通信系统的提出，已中止第三阶段标 准。 为了保证 GSM 网路内现 有的和将来的业务开展，在制定标准时必须考虑兼容性的要求。第二讲

9、GSM 通信系统2.1 系统的组成 蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成，如图 21 所示。其中 NSS 与 BSS 之间的接口为“A”接口，BSS 与 MS 之间的接口为“Um”接口。在模拟移动通信系统中，TACS 规 范只对 Um 接口进行了规定，而未对 A 接口做任何的限制。因此，各设备生产厂家对 A 接口都采用各自的接口协议，对 Um 接口遵循 TACS 规范。也就是说，NSS 系统和 BSS 系统只能采用一个厂家的 设备，而 MS 可用不同厂家的设备。 图 21 蜂窝移动通信系统的组成 由于 GSM 规范是由北欧一些运

10、 营公司“炒”出的规范，运营公司当然喜欢花最少的投资，用最好的设备来建最优良的通信网，因此 GSM 规范对系统的各个接口都有明确的规定。也就是说，各接口都是开放式接口。 GSM 系 统框 图如图 2-2，A 接口往右是 NSS 系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（ HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）， A 接口往左 Um 接口是 BSS 系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（ BTS）。Um 接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别 卡（SIM ）。 图 22 GSM 系统框图 在 GS

11、M 网上 还配有短信息 业务中心（SC ），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。另外配有 语音信箱，可开放语音留言业务，当移 动被叫客户暂不能接通时，可接到 语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。 2.2 交换网路子系统 交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。 NSS 由一系列功能实 体所构成，各功能实体介绍如下： MSC：是 GSM 系统的核心，是对位于它所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它公用通信网之间的接口。它可完成网路接口、公共信

12、道信令系统和计费等功能，还可完成 BSS、MSC 之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外， 为了建立至移动台的呼叫路由，每个 MS、还应能完成入口 MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。VLR：是一个数据库，是存储 MSC 为了处理所管辖 区域中 MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需 检索的信息，例如客 户的号 码，所 处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。 HLR：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的

13、呼叫路由，例如 MSC、VLR 地址等。 AUC：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码 RAND，符合响 应 SRES，密钥 Kc）的功能实体。 EIR：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。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。 2.3 无线基站子系统 BSS 系 统是在一定的无 线 覆盖区中由 MSC 控制，与 MS 进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发 送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发 信台（BTS）。 BSC：具有对一个或多个 BTS 进行控制的功能，它主要负责无线网路

14、资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。 BTS：无线接口 设备，它完全由 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。 2.4 移动台 移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡（SIM）。 移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道 编码、信息加密、信息的 调制和解调、信息发射和接收。 SIM 卡就是“身份卡”，它 类似于我们现在所用的 IC 卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。 SIM 卡还存储

15、与网路和客 户有关的管理数据，只有插入 SIM 后移动终端才能接入进网，但 SIM 卡本身不是代金卡。 2.5 操作维护子系统 GSM 系 统还 有个操作维护 子系统（OMC ），它主要是对整个 GSM 网路进行管理和监控。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 与 MSC 之间的接口目前还未开放，因为 CCITT 对电信网路管理的 Q3 接口标准化工作尚未完成。 第三讲 GSM 关键技术3.1 工作频段的分配 （1）工作频段 见图 3-1。我国 陆地公用蜂窝数字移动通信网 GSM 通信系统采用 900MHz频段： 905915（移动台发、基站收） 950960（基站发、移动台收） 随着业务的发展，可视需要向下扩展，或向 1.8GHz 频段的 DCSI800 过渡，即 1800MHz 频段： 17101785（移动台发、基站收） 18051880（基站发、移动台收） 图 3-1 我国 陆地蜂窝移动体系系统频段分配图 （2）频道间隔 相邻两频道间隔为 200kHz，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为 8 个时隙，即 8 个信道（全速率）。每信道占用 带宽 200kHz8=25kHz，同模拟网 TACS 制式每个信道占用的频率带宽。从 这点看二者具有同样的频谱利用率。 将来 GS