GSM全球移动通信系统概述-2解析

1、4 GSM全球移动通信系统的工作过程4.1移动台的位臵登记4.1.1第一次登记当移动台开机后，在它所处的小区，通过空中接口搜索BCCH（广播控制信道，内 含有位臵区域识别码（LAI信息（在GSM900规范中定义小区分配编码占用16bit，这 个信息在BCCH上规则的广播，以便手机知道自己目前的位臵小区。BCCH是个小容量信道，每0.235 S传一个23字长的消息。移动台依靠收到的频率校正本身的频 率，通过同步信息校正本身的信号，锁定到一个正确频率上，从该频率的信道上接收寻 呼信号和其它信息。假如此MS在寄存器中找不到LAI,它就向该业务区的MSC/VLR发送位臵更新 请求消息，通知网络它是此位

2、臵区的新用户。此消息经 BSS到MSC,最后到VLR。 VLR对消息中含有的国际移动用户识别码（IMSI或临时移动台识别码（TMSI以及位 臵信息进行分析。此时MSC/VLR就认为该MS被激活，在其数据字段中做 附着”标 记，这个标记与IMSI有关。MSC/VLR向HLR发送位臵更新请求信息。HLR位臵 更新操作完成后，向VLR发送位臵更新接受消息。最后由 MSC向MS发送位臵更 新证实信息，这个过程就算完成，至此MS已在HLR和VLR中注册登记。4.1.2分离与附着程序当一个MS被激活时对MS标有附着”标记（IMSI标志;当MS关机时，有IMSI 分离程序能使MS通知网络该移动用户为无效用户

3、，此后不再发送寻呼此MS的消 息。因此分离与附着程序都与IMSI有关。当MS关机时,MS向网络发送的最后一条消息是处理分离请求消息 ,MSC/VLR 收到分离”消息后，就在该MS对应的IMSI上作分离”标记。归属位臵寄存器（HLR 并没有得到这个分离消息，只有拜访位臵寄存器（VLR已分离”信息作了更新。当 MS再开机时，若它仍处于发送分离消息时的位臵区，则只要完成附着程序即可；若不 在原位臵区，它仍要执行位臵更新程序。4.2移动台的漫游与位臵更新4.2.1漫游的解释对于处在开机但空闲状态下的 MS,它要不断地移动，在某一个时刻它被锁定于 一个已定义的无线频率上，即某个小区的BCCH载频上。当M

4、S向远离此小区的方 向上移动时，信号强度就会减弱，当它移动到两个小区理论边界附近的某一点时,MS 就会因原来小区的信号太弱而决定转到附近信号强的新的无线频率上。为了正确选 择无线频率,MS要对周围的邻近小区的BCCH载频的信号强度进行连续测量，当发 现新的BTS发出的BCCH载频信号强度优于原小区时,MS就锁定于这个新的载频 上，这就是移动台的切换。MS所接收的BCCH载频的改变并没通知给网络。移动中的MS,由于接收信号质量的原因，通过无线空中接口不时地改变与网络 的连接，这种能力就称为漫游。4.2.2移动台的位臵更新位臵更新过程是由MS引发。在GSM系统中有三个地方需要知道位臵信息，即 HL

5、R、VLR和MS（或SIM卡。当这个信息发生变化时，需要保持三者的一致。MS 开机后就会对周围进行测试，并连接到接收性能最好的广播信道上。如图4-1所示，移动台所处的区有三种情况： 在同一位臵区内的不同小区（特征:属于同一 BSC（如图中A其锁定的BCCH载频不同，但没有位臵区的变化，无需位臵更新。 在同一业务区的不同位臵区（特征:属于同一 MSC（如图中B,当MS从LA1向LA2移动时，信号强度会减弱，当它移动到边界附近某一点 时,MS就会因原来小区信号太弱而决定转到邻近信号强的新的无线频率上。为了正 确选择无线频率,MS要对周围的邻近小区的BCCH载频的信号强度进行连续测量， 当发现新的B

6、TS发出的BCCH载频信号强度优于原小区时,MS就锁定于这个新的 载频上（小区选择的规则主要来自无线传播条件，以达到最佳传输质量为目的。一个 正常业务状态的MS,收听由业务小区广播的频率表，从中获得同一 PLMN（公用陆地 移动网中邻近小区的标志信道（CCCH,MS逐一与这些标志信道同步，以解调出每个 BCCH上的信息，从中可以确定PLMN和位臵区（LA标志以及各种无线参数。MS对 允许接入的小区计算其无线环境并与当前环境比较 ，这些处理是与当前小区寻呼信 道的接收并行的。当MS在同一 LA内发现一个更好的小区时，就切换到这个小区并 收听新小区的寻呼信道，同时监视新的标识信道表。位臵区的变化要

7、通知网络的 MSC,MS要求接入网络来进行 MSC/VLR内的位臵更新。此时,VLR中MS的位臵 就由原来的LA1改为LA2。 在不同业务区（特征:属于不同MSC（如图中CMS的业务区改变必须通知网络，以便能找到漫游的移动台,MS开机后就得报告 网络它目前所处位臵。当它锁定在新的 BCCH的载频上并在BCCH消息中得知此 时它所处的位臵区及所属业务区。首先 MS向网络发出位臵更新请求，此信息通过 空中接口传到LA1的BSC,再由它传送到新的MSC。第二步是由新的MSC向HLR 发送位臵更新请求信息。从 HLR向新的MSC发回位臵更新请求接受，这个消息通 过LA1所属的BSC到新小区的BTS,再

8、通过空中接口传送给 MS,这就是位臵更新证 实。此时MS已在新的MSC业务区，它必须删除旧的MSC中的位臵信息，否则它的 位臵就有两处，无法准确找到它。此时由HLR向旧的MSC发送位臵删除信息，旧的 MSC得到此信息后，在VLR删除此移动用户的位臵信息，并向HLR报告位臵删除接 受至此,MS已属新MSC/VLR中的一个用户。4.3移动台的切换过程切换处理分成几个级别：BTS内的切换类型由BTS自主决定；BTS之间、BSC之内的切换由BSC决定；BSC之间、MSC之内的切换由MSC处理;MSC之间的切换由GMSC决定BSC与MSC之间的接口协议称为BSSMAP（BSS管理应用部分，用以支持各种

9、连接处理和切换过程，其承载方式是A接口上的CSS.7信令协议。BTS与BSC之间 的协议称为RSM（无线分系统管理，用于支持分配传输路径和测量报告处理，其承载 方式是Abits接口上的LAPD信令协议。BTS与MS之间的协议称为RIL3 RR（无 线接口第三层RR协议，它只是整个第三层实体的一部分，用于支持无线连接处理和 测试报告处理，其载体是Um接口上的LapDm信令协议。除此之外，还有邻近MSC 之间交换消息的协议，称为MAP/E（移动应用部分一E ,它只是MAP的一部分,用于支 持MSC之间的交换处理，其承载是MSC之间的CSS.7信令系统。越区切换是指移动台正处在呼叫建立状态或忙状态下

10、的无线信道转换过程。移 动台从一个小区移动到另一个小区，两小区的无线频率是不相同的，若想要维持通 话,MS的频率必须改变，即从一个小区的一个无线频率下的一个时隙转换到另一个 小区的另一个无线频率上，并占有它的一个时隙。切换是由网络决定的。通话中的移动台从一个小区移动到另外一个小区，这个小区可能是同一业务区的同一 BSC管辖下的小区；也可能是同一业务区不同BSC管 辖下的另一小区；还可能是不同业务区中的另一小区。根据这三种不同情况要进行 不同的操作。431 BSC内的切换这是最简单的切换过程。BSC根据MS和BTS的测量报告，经分析处理后，确定 此时MS所在区，即MS报告中最强信号的小区。BSC

11、与新小区的BTS建立链路,并 在新小区中给MS分配一个TCH供MS切换后使用。MS切换后,BSC向MSC报 告,MS由A点移动到B点的情况，此时MS仍属BSC1管辖。MS在切换后继续测量 周围小区的信号强度，并接收新小区的信息。4.3.2同一业务区不同BSC之间的切换移动台从B点移动到C点就属于这种切换，此时MS已跨越两个BSC,即从BSC1 至U BSC2。切换过程如下：首先是MS向原来的MSC1报告其测量结果。经BSC1的分析 处理，得知MS所到的小区属BSC2管辖,做出切换判决，向MSC发切换请求。MSC 与BSC2建立新路径到BTS（新小区,即MSC向BSC2发出切换请求。BSC2收到

12、切 换请求消息后，与新的BTS建立链路，为MS提供切换用的新TCH,即允许切换,BSC2 向MSC发出切换请求证实。此时 MSC向原来的BSC1发出执行切换命令，经BTS 到MS。MS切换后，送出切换完成消息到 BSC2,即 MS与MSC2建立通路。BSC2 向MSC报告切换完成，送出MS接入新TCH信息到MSC。MSC向BSC1发出清除 命令，释放原来MS的信道。BSC1完成信道释放后向MSC报告清除完成。MS到达一个新的位臵区后,要继续测量周围小区的信号强度，同时接收BSC2的 有关信息。位臵区发生变化时，它还要进行位臵更新。433不同业务区之间的切换MS从C点移动到D点就属于这种切换，即

13、从MSC A,动到MSC B,这是最复杂 的切换情况，要进行多种信令的传递过程才能实现。当主呼 MSC（MSC A发送执行 切换消息给另一个MSC（MSC B时，消息中包含MSC B分配无线信道的部分参数，并 应标明呼叫所切换到的基站（BSo当该基站完成无线信道分配，并且MSC B从其相 关VLR取回切换号码后,MSC B将返回MSC A无线信道应答消息。切换号码用于 将呼叫从MSC A接续到MSC Bo如果MSC B中没有空闲业务信道可用，将告诉MSC A,并由MSC A结束切换进 程。MS现存的线路连接将不被消除。收到无线信道响应消息后,MSC A用固定网络的信令（IAM在MSC A和MS

14、C B 之间建立连接。MSC B发出地址完成消息（ACM并开始无线信道的切换。收到 ACM后，MSC A开始切换过程，即向BSC2和MS发出切换命令。移动台完成无线 信道切换后，发送证实消息给MSC B,然后MSC B发送结束信号给MSC A。收到此 消息后MSC A释放原有无线信道。为了不与MSC A和MSC B之间所用的PSTN/ISDN信令系统冲突，MSC B收 到证实后产生回答信令（ANS。MSC A将掌握总的呼叫控制直至固定用户或 MS挂机。然后,MSC A释放至 MSC B的连接，并发送结束信令消息来中止 MAP进程。MSC-B将释放RR子层的 连接，并发送切换报告消息给其相关的

15、VLR,用来释放切换号码。4.4移动台呼出步骤如下： 原先工作在广播控制信道（BCCH上,后MS向BS发出申请信道的请求 收到 BS发来的立即分配消息后,MS转到指定的专用信道（DCCH上 MS申请业务信道（由BS发给MSC,MSC向VLR发送请求以获得移动台的 参数，网络要求对MS进行鉴权,产生一 128 bit的RAND传给MS,MS处理后发送鉴 权响应给网络,VLR向MSC回送信息证实，由网络方面判断此用户的合法性。通过鉴权，网络就保密方面考虑向MS发送臵密码模式消息（加密模式管理是无 线传输性之一，传输是否采用加密取决于MSC的选择,加密模式用于无线路径，管理 主要涉及MS和BTS,M

16、S提供加密参数（KC到BTS,以决定是否选用加密模式。将 有关用户数据加密的信息传给移动台，MS对此消息返回密码模式完成消息给 MSC,（如果需要,VLR将重新分配一个TMSI给MS。对密码模式作出响应后,MS发送建立消息给MSC,MSC为此次呼叫分配一路地 面信道，并要求BS分配无线业务信道TCH。 移动网络的通信链路建立后,MSC向固定网络发送消息IAM（初始地址，以便 将呼叫接续到固定网络。固定网络首先通过 FIN（连接证实消息将设备信息返回 MSC。被叫接通后，送回铃消息给MS。在被叫摘机后，固定网发给MSC回应信息 （ANS。MSC发给MS连接命令,MS发回响应并转入通话,至此,完成

17、了 MS主呼进 程。4.5移动台呼入移动台被叫时，主叫方发出的被叫电话号码并不说明某条电话用户线或某个地 理位臵，而只是指向某个HLR中的用户数据存储区。在 GSM系统中，移动用户电话 号码的结构是基于ISDN的编号方式，因此称为MSISDN,其编号方式是按照CCITT 的E.164建议。移动用户电话号码中的前几位数字可表明该用户归属的移动通信网 分析开头几位号码还能确定存放该用户数据的HLR,从这个HLR的用户数据中就能读出该用户目前访问的移动交换中心 VMSC。因此通过查询HLR,可以确定最终到 达该移动用户的路由。由此可见，整个呼叫建立过程可分为两部分：查询HLR以前和 查询以后。这使得

18、呼叫路由分为两部分：从主叫地到发出查询的地点，再从查询地到 被叫处。GSM用户的电话号码格式 CC NDC X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7国内有效ISDN号码国际移动用户ISDN号码其中:CC为国家码NDC为PLMN识别码（不一定与地区号一致X1 X2 X3为HLR的号码X4 X5 X6 X7为用户号码举例:+86 139中国电信+86 130中国联通 呼叫用户拨出移动用户号码（MSISDN后,固定网络将此呼叫接续到最近的相 关移动交换中心（GSMC,GSMC向归属位臵寄存器（HLR发出查询消息以获得路由信 息。固定网发出的初始地址（IAM0就是移动用户号码。HLR根据其保留的被叫用

19、 户数据，确定MS目前所在的VLR,并向该VLR发查询消息。VLR返回该MS的移 动台漫游号码（MSRN，并由HLR返回给GMSC（第一部分查询HLR以前。根据这些 消息，GMSC将呼叫接续到拜询 MSC,艮卩MS目前归属的MSC。MSC向VLR发送 信息I/C,以获得呼叫信息 MSC向相关的基站BS发出寻呼请求信息，以建立至MS的呼叫连接。BSC 确定被呼MS所归属位臵区的BTS后，向其发送呼叫分组信息，BTS再通过寻呼信道 （PCH发出被叫MS的识别号和寻呼模式。 当被呼MS接收到它的呼叫后，在MS中的RR子层启动随机接入进程（RAP, 在随机接入信道（RACH上发送信道请求信息给BS。此

20、请求给BS的RR子层。RR 子层分配专用控制信道（DCCH,并在公共控制信道（CCCH上发送立即指配消息给 MS。 MS转换到相应的DCCH上，从而建立起主信令链路（MSL。然后,MS向BS和 MSC返回寻呼响应信息。 接到MS的寻呼响应后,MSC向VLR发送过程接入请求。然后，开始常规鉴 权和密码参数传递过程。如果成功，VLR向MSC发送完成呼叫消息，启动MSC发送 设臵消息给MS。被呼MS收到此消息后进入呼叫存在状态，同时向BS返回呼叫证 实消息，以说明MS已具备受话的条件。 收到呼叫证实消息后,MSC为此次呼叫分配地面信道，并命令基地台分配无线 业务信道TCH。此过程与MS主呼中的相应过

21、程一样。若 TCH连接成功,MSC将 收到的应答为指配完成信息。 信道建立完成后,MSC将收到MS发来的回铃消息。然后,MSC在FIN（连接 证实中发送连接证实消息给呼叫端，并在发送给固定网的ACM（地址完成消息中指 示被呼移动台已接通。被呼用户摘机后,MS发送连接消息给MSC。MSC返回被呼 MS应答并发回应消息（ANS给主叫用户。至此，完成了移动台被呼的接续过程。4.6移动台工作原理移动台设备是GSM系统中用户所使用的入网设备。它分阶段地为用户提供 GSM系统的所有业务功能。移动台设备分为终端设备（TE和用户身份卡（SIM卡两部分。移动台设备应包括一套无线收发信机、一个控制器及话音编译码器

22、，另外还应提供用户接入网络必需的键盘、显示器，除此以外还提供用户接入网络必需的键 盘、显示器，除此以外还提供ISDN终端接入功能，因此在移动台中还提供终端接入 所必须的码速适配功能。通常一个移动台的组成方框如图4-2所示。461简化描述 语音信号为模拟量，通过话筒送入手机，对它进行抽样模数转 换及语音编码，变成13kbit/s数据流，编码输入为每20ms 段，将2080bit经编码 压缩后变为260 bit，语音编码后再进入信道编码，编码完成后在与控制器产生的 信令信号经编码后的混合，形成传 输速率为22.8kbit/s。编码后的语音和信令再进 入交织及加密单元。交织单元分两步交织：一为3组8

23、个57 bit块交织组合为2组 114 bit块，二为此114 bit块再内自行交织，然后 这些块进入加密单元与加密数据 的114 bit进行异或形成加密后的比特流。加入其它变成 156.25 bit的Burst。然后 组合到TDMA帧和时隙中去，形成复帧、超帧及超高帧，最后形成270.833kbit/s的TDMA帧数据流送到调制解调器发送。462射频单元的工作射频单元包括从 调制器、发信到天线合路器及接收到解调输出部分电路，其主要功能是将基带单元所形成的TDMA帧调制到射频及其相反过程。射频单元发射频率为890915MHz，收信频率为935960MHz，频道间隔为200kHz。合路器是将移动

24、 台发信和收信组合到一根天线上。在 GSM数字移动通信系统中，由于收发不在一 个时隙（发比收慢3个时隙），因此移动台可以省去用于收发共用的双工器，只需要使用简单的收发合路器（组合）功能，即可将发信和收信信号组合到一根天线 上而不会互相干扰。 调制将从TDMA帧来的270.833kbit/s数据流信号按GSMK 调制方法形成I、Q信号，再送到发信上变频器调制到 900MHz频段。解调和均衡 将从收信单元接收的模拟I、Q信号进行数字化处理恢复出基带信号。频率合成器 为发信和收信单元提供变频所必须的本 振信号，它通常从时期电路获得基准频率 源，然后采用锁相技术实现频率合成。463基带部分的工作基带部

25、分电路包括信 道编/译码、加密/解密、TDMA帧形成/信道分离及基时钟电路，它还包括话音/译码、码速适配器等电路。来自送话器的话音信号经过8kHz抽样及A/D转换，变成13bit均匀量化的 104kbit/s数据流，再由话音编码器进行 RPE LTP编码。编码输入为每20ms 段，经话音编码压 缩后为260bit，其中LPC LTP为72bit, RPE为188bit。话音 编码后的信号速率为13kbit/s。同时话音编码器还提供话音活性检测（VAD ）功 能，即当有话音时，其SP信号为1;当无话音传输时，将SP示为0 （即SID 帧）。13kbit/s话音信号进入信道编码器进行编码。对于话音信号的每20ms段，信道编码 器首先对话音信号中最重要的la类50bit进行分组编码（CRC校验）