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1、第5章 GSM移动通信系统,【本章内容简介】GSM移动通信系统当前应用最为广泛。本章对GSM系统的特点、系统的结构组成、GSM移动通信网的网络结构和网络接口进行了全面介绍，同时介绍了GSM网络的编号和业务应用，对GSM网络的信道配置、接续流程和移动性管理作了详细的说明。 【学习重点与要求】本章重点掌握GSM系统的总体结构和各个子系统的基本功能，熟悉GSM的帧结构、物理信道、逻辑信道和突发脉冲的概念，了解业务应用和接续流程。,51 GSM移动通信系统综述,GSM蜂窝移动通信网是世界上最早推出的数字蜂窝通信系统，GSM标准对该系统的结构、信令和接口等进行了详细的描述，而且符合公用陆地移动通信网（P
2、LMN）的一般要求，能适应与其它发展中的数字通信网的互连。GSM具有以下五大特点： 1GSM的移动台具有漫游功能 GSM通过移动台识别码、位置登记和呼叫接续为用户提供漫游功能。 （1）移动台识别码：GSM为用户定义了三个识别码，即DN码、MSRN码和IMSI码。DN码是公用电话号码簿上可以查到的统一电话号码；MSRN码是移动台漫游号码，它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；国际移动台识别码IMSI在无线信道上使用，用来寻呼和识别移动台。上述三个识别码存在着对应关系，利用它们可以准确无误地识别某个移动台。,51 GSM移动通信系统综述,（2）位置登记
3、：移动台从一个小区进入另一个小区，必须经过位置登记后才能使用。如A区移动台进入B区后，它会自动搜索该区基站的广播公共信道，获得位置信息。当发现接收到的区域识别码与自己的不同时，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No7信令，通知移动台所在业务区备案。这样，一个漫游用户位置登记就完成了。,51 GSM移动通信系统综述,（3）呼叫接续：当公用有线电话用户要呼叫某漫游移动台时，用有线电话机拨移动台DN码，DN码首先经由公用交换网接至最靠近的本地GSM移动业务交换中心（GSMC）；GSMC利用DN
4、码访问总局位置登记器，从中取得漫游台的MSRN码，并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，进一步访问来访者登记器，证实漫游台是否仍在本区工作，经确认后，VMSC把MSRN码转换成国际移动台识别码（IMSI），通过当地基站，在无线信道上向漫游移动台发出寻呼，从而建立通话。,51 GSM移动通信系统综述,2GSM提供多种业务 GSM除可以开放基本的话音业务外，还可提供各种承载业务、补充业务以及与ISDN相关的各种业务，包括传输速率为300bit/s9600bit/s的双工异步数据，1200bit/s9600bit/s的双工同步数据；异步300bit/s
5、9600bit/s的PAD接入电路、分组数据和话音数字信号、可视图文等方面。,51 GSM移动通信系统综述,3GSM具有较好的保密功能 GSM向用户提供的保密功能有以下三种： （1）通过“用户鉴别”实现保密。其鉴别方式是一个“询问-响应”过程。为了鉴别用户，在通信过程开始时，首先由网络向移动台发出一个信号；移动台收到这个号码后，连同内部的“电子密锁”，共同启动“用户鉴别”单元，随之输出鉴别结果，返回网络的固定方。网络固定方在发出号码的同时，也启动自己的“用户鉴别”单元，产生相应的结果，与移动台返回的结果进行比较，若结果相同则确认为合法用户，否则确认为非法用户，从而确保了用户的使用权。 （2）对
6、移动台识别码加密，使窃听者无法确定用户的移动台电话号码，起到对用户位置保密的作用。 （3）将用户的话音、信令数据和识别码加密，使非法窃听者无法收到通信的具体内容。,51 GSM移动通信系统综述,4越区切换功能 在微蜂窝区移动通信网中，越区切换十分频繁。GSM采取主动参与越区切换的策略。移动台在通话期间，不断向所在工作区基站报告本区和相邻区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和BS）根据来自移动台的数据，查找是否存在替补信道，以接收越区切换。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。 5容量大、音质
7、好 GSM系统容量大，通话音质好，便于数字传输，可与今后的综合业务数字港网（ISDN）兼容，还具有电子信箱、短消息业务等功能。,5.2 GSM的系统结构,移动通信网主要由交换传输部分和无线部分组成，交换传输部分与PSTN很类似，而无线网络是特有的。无线比有线存在很多不确定因素，而移动无线电与固定无线通信相比，由于其移动性和传播条件的恶劣就更复杂。无线网络的优劣常常成为决定移动通信网络好坏的决定因素之一，因而也是网络优化的重点。 完整的蜂窝移动通信系统主要是由交换网络子系统（SS）、无线基站子系统（BSS）、移动台（MS）及操作维护子系统（OMC）4大子系统设备组成。 GSM系统如图5-l所示，
8、SS包括有移动业务交换中心（MSC）、访问位置寄存器（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）；BSS包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）；MS由收发信机和SIM卡组成；OMC主要是对整个GSM网络进行管理和监控。 依据厂家的实现方式不同可分为OMC-R（无线子系统的操作维护）和OMC-S（交换子系统的操作维护）。通过OMC实现对GSM网内各种部件功能的监视、系统的自检、报警与备用设备的激活、系统的故障诊断与处理、话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及各种资料的收集、分析与显示等功能。,图5-l GSM系统结构,5.2.1 交换网络子
9、系统（SS）,交换网络子系统（SS）主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。SS由下列功能实体构成。 1移动业务交换中心（MSC） MSC是GSM网络系统的核心部分，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他公用通信网之间的接口。MSC提供交换功能，完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能，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，并提供面向系统其他功能实体和面向固定网（PSTN、ISDN等）的接口功能。作为网络的核心，MSC与网络其他部件协同工作，完成移动用户
10、位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功能。 MSC处理用户呼叫所需的数据与HLR、VLR和AUC 3个数据库有关，MSC根据用户当前位置和状态信息更新数据库。,5.2.1 交换网络子系统（SS）,2访问位置寄存器（VLR） VLR是用于存储所有来访用户位置信息的数据库，为已经登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。一个VLR通常为一个MSC控制区服务，也可为几个相邻的MSC控制区服务。当移动用户漫游到新的MSC控制区时，它必须向该地区的VLR申请登记。VLR要从该用户的HLR查询有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码（MSRN），并通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为
11、其他用户呼叫此移动用户时提供路由信息。如果移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，HLR在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR，删除此移动用户的位置信息。因此VLR可看作一个动态的数据库。 VLR用于寄存所有进入本交换机服务区域用户的信息。VLR看成是分布的HLR，由于每次呼叫，它们之间有大量的信令传递，若分开，信令链路负荷大，所以在爱立信系统中，VLR和MSC配对合置于一个物理实体中，将MSC与VLR之间的接口做成AXE的内部接口。 VLR中也存储两类信息：一是本交换区用户参数，该参数是从HLR中获得的。二是本交换区MS的位置区标识LAI。,5.2.1 交换网络子系统（
12、SS）,3归属位置寄存器（HLR） HLR是系统的一个中央数据库，用来存储本地用户的数据信息。一个HLR能够控制若干个移动交换区域或整个移动通信网，所有用户重要的静态数据都存储在HLR中。在GSM通信网中，通常设置若干个HLR，每个用户都必须在某个HLR（相当于该用户的原籍）中登记。登记的内容分为两类：一种是永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务类型以及保密参数等；另一种是暂时性的需要随时更新的参数，即用户当前所处位置的有关参数，即使用户漫游到HLR所服务的区域外，HLR也要登记由该区传送来的位置信息。这样做的目的是保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时，均
13、可由该移动用户的原地位置寄存器获知它当时处于哪一个地区，进而建立起通信链路。 HLR存储两类数据：一是用户的参数，包括MSISDN、IMSI、用户类别、Ki，补充业务等参数。二是用户的位置信息，即该MS目前处于哪个MSC/VLR中的MSC/VLR地址。,5.2.1 交换网络子系统（SS）,4鉴权中心（AUC） AUC存储用户的加密信息，属于HLR的一个功能单元部分，是一个受到严密保护的数据库，专用于GSM系统的安全性管理。它是产生为确定移动用户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的3个参数随机号码（RAND）、符合响应（SRES）和密钥（Kc）的功能实体，用户的鉴权和加密都需通过系统提供的用户三参
14、数组参与来完成。 AUC存储着鉴权信息与加密密钥，用来进行用户鉴权及对无线接口上的话音、数据、信令信号进行加密，防止无权用户接入和保证移动用户的通信安全。,5.2.1 交换网络子系统（SS）,5设备识别寄存器（EIR） EIR也是一个数据库，存储与移动台有关的设备参数。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。 EIR存储着移动设备的国际移动设备识别号（IMEI），通过核查白色清单、黑色清单、灰色清单这3种表格，分别列出准许使用、出现故障需监视、失窃不准使用的移动设备识别号（IMEI）。运营部门可据此确定被盗移动台的位置并将其阻断，对故障移动台能采取及时的防范措施。
15、在我国，基本上没有采用EIR进行设备识别。,5.2.2 无线基站子系统（BSS）,无线基站子系统（BSS）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）。 BSS在GSM网络的固定部分和无线部分之间提供中继，一方面BSS通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面BSS又连接到网络端的移动交换机。,5.2.2 无线基站子系统（BSS）,1基站控制器（BSC） 基站控制器（BSC）是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台和操作维护中心之间交换信息提供接口。一个
16、基站控制器通常控制多个基站收发台，其主要功能是进行无线信道管理，实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制，控制完成移动台的定位、切换及寻呼等，是个很强的业务控制点。 2基站收发信台（BTS） 基站收发信台（BTS）包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线，连接基站控制器的接口电路以及收发信台本身所需要的检测和控制装置等。BTS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包括无线收发信机和天线，此外还有与无线接口相关的信号处理电路。信号处理电路将实现多址复用所需的帧和时隙的形成和管理，以及为改善无线传输所需的信道编解码和加密、解密，速率适配等功能。,5.2.3 移动台（MS）,移动台就是常说的“手机”，可分为车载型、便携型和手持型三种。它是GSM系统中直接由移动用户使用的终端设备，由移动设备（ME）和用户识别卡（SIM）两部分组
