第6、7章GSM数字蜂窝移动通信系统

第6、7章GSM数字蜂窝移动通信系统12十一月2023了解GSM的历史背景、业务、编号、鉴权与加密、无线信道、GPRS。理解GSM网络结构及其各部分的功能、接口及其位置、呼叫方案和处理过程以及明确本课内容的教学目标。本章重点：GSM网络结构及其各部分的功能、接口及其位置、呼叫方案和处理过程。本章教学目的12十一月20236.1引言6.2GSM的电信业务6.3GSM结构6.4GSM较模拟网的优势6.5GSM网络接口6.6GSM的编号、鉴权与加密6.7GSM无线信道6.8GSM呼叫接续6.9GSM通向3G的一个重要里程碑——GPRS本章小结本章内容

12十一月20236.1引言表6-1全球移动通信系统GSM的发展里程碑日期成果1982年“移动通信特别组”（GroupSpecialMobile）在欧洲邮政与电信大会(CEPT)内成立1986年建立一永久核心1987年在1986年圆形系统评价的基础上,选择了主要无线传输技术1988年18个国家签署谅解备忘录,并决定将GSM正式定名为“全球移动通信系统”(GlobalSystemforMobileCommunications)1989年GSM成立欧洲电信标准协会的一个技术委员会1990年第一阶段GSM900规范(1987-1990年制定)被冻结,开始DCS1800的修改1991年第一个系统在Telecom91展示会上运行DCS1800规范被冻结1992年欧洲各大GSM900营运者开始商业营运12十一月20236.2GSM的电信业务图6-1电信业务和承载业务12十一月20236.2.1承载业务表6-2列出了GSM的承载业务。业务内容异步数据300~9600b/s同步数据1200~9600b/sPAD接入300~9600b/s,分组打包和拆包，为GSM用户接入分组网提供一个异步连接。该业务只能由移动台主叫发起分组接入2400~9600b/s，为GSM用户接入分组网提供一个同步连接。该业务只能由移动台主叫发起话音/数据交替在呼叫过程中,提供话音和数据的交替话音后数据先话音连接,而后进入数据连接12十一月20236.2.2电信业务1.业务是GSM移动通信网提供的最重要业务。经过GSM网和PSTN网，能为数字移动客户之间、数字蜂窝移动网客户与模拟蜂窝移动网客户之间以及与固定网客户之间，提供实时双向通信，其中包括各种特服呼叫、各类查询业务和申告业务，以及提供人工、自动无线电寻呼业务。12十一月20232.紧急呼叫业务紧急呼叫业务来源于业务，它允许数字移动客户在紧急情况下，进行紧急呼叫操作，即拨119或110或120等时，依据客户所处基站位置，就近接入火警中心(119)、匪警中心(110)、急救中心(120)等。当客户按紧急呼叫键(SOS键)时，应向客户提示如何拨叫紧急中心。紧急呼叫业务优先于其它业务，在移动台没有插入客户识别卡(SIM)或移动客户处于锁定状态时，也可按SOS键或拨112(欧洲统一使用的紧急呼叫服务中心号码，目前我国使用的移动台均符合欧洲标准)，即可接通紧急呼叫服务中心(目前我国GSM移动通信网是用送辅导音方式，提示客户拨不同紧急呼叫服务中心号码呼叫不同紧急服务中心，因我国各紧急呼叫服务中心尚未联网)。12十一月20233.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。对于MO/PP(SMS-MT/PP-MobilTerminatedShortMessageService)和MT/PP(SMS-MO/PPmobile-originatedShortMessageService)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。

12十一月20234.可视图文接入

5.智能用户电报传送

6.

12十一月2023表6-3电信业务业务内容话音服务全速（13kb/s），半速（6.5kb/s）。这项服务提供语音信息和语音信号到网络的传输紧急呼叫典型的是，紧急电话在一些受限的情况下，更具有优先权。一般只提供移动用户主叫发起短消息服务（到移动电话终端，MT/PP）短字符消息，小于160个字符。这项服务用于消息处理系统（服务中心）提供短消息给移动用户

短消息服务（移动电话发起，MO/PP）短字符消息，小于160个字符。这项服务用于移动用户给消息处理系统（服务中心）提供短消息。以下由移动用户发起的呼叫可以进行传输：一个在存储器中预先存储的消息；从拨号盘上发起的一串数字；从另外的键盘或设备终端与移动台相连的信息短消息传输（小区广播）短字符消息，小于93个字符。这项服务用于传输对小区范围内的所有的移动用户。这是一点对多点的服务自动传真第3类传真。这项服务自动提供第3类呼叫和被呼模式传真12十一月20236.2.3补充业务表5-4GSM支持的补充业务业务内容号码识别主叫号码显示(CLIP)主叫线号码限制(CLIR)连接线显示(CoLP)连接线限制(CoLR)呼叫服务前向呼叫无条件转移（CFU）移动台忙时前向呼叫（CFB）无应答前向呼叫（CFNRy）移动用户未能达到前向呼叫呼叫完成呼叫保持（HOLD）呼叫等待（CW）12十一月2023表6-4GSM支持的补充业务业务内容多方多方业务(MPTY)兴趣群体密切用户群计费计费信息提示(AoCI)计费费用提示(AoCC)呼叫限制所有呼叫禁止(BAOC)国际呼出禁止(BOIC)除拨向归属国家的国际呼出禁止(BOIC-exHC)所有呼入禁止(BAIC)漫游出归属国家呼入禁止(BIC-Roam)无结构化无结构化补充业务数据营运者确定限制由营运者确定的不同呼叫/业务限制12十一月20236.3GSM结构△图6-2GSM网络结构12十一月2023系统的组成

交换网络子系统（NSS）

无线基站子系统（BSS）操作维护子系统（OMC）移动台(MS+SIM

)

12十一月2023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(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),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。

6.3.1移动台12十一月2023表6-5GSM900系统的移动台功率等级功率级移动台最大功率120W28W35W42W50.8W12十一月2023表6-6DCS1800系统的移动台功率等级功率级移动台最大功率11W20.25W12十一月2023无线基站子系统（BSS）

包括：基站控制器

(BSC)和基站收发信机（BTS）

表6-7基站的功率等级功率级GSM900基站的最大功率DCS1800基站的最大功率1320W20W2160W10W380W5W440W2.5W520W610W75W82.5W12十一月20236.3.2.1基站控制器（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。12十一月20236.3.2.2基站收发信机（BTS）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、跳频等功能。

12十一月20236.3.2.3发送编码器和速率适配器单元（TRAU）TRAU网络单元负责对16kb/s到64kb/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。

12十一月20236.3.3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。

包括：MSC、HLR、VLR

、

AUC、EIR

12十一月20231移动业务交换中心（MSC）GSM系统的核心，对应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，是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。可完成网路接口、公共信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。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。12十一月20232归属位置寄存器（HLR）存储管理部门用于移动客户管理的数据库。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呼叫路由，例如MSC、VLR地址等12十一月20233访问者位置寄存器（VLR）

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的数据库，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。12十一月20234鉴权中心（AUC）认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。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。AUC只与HLR通信。12十一月20235设备识别寄存器（EIR）一个存储有关移动台设备参数的数据库。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。

12十一月20236.3.4操作维护子系统（OMC）

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。

12十一月20236.4GSM较模拟网的优势6.4.1GSM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5~6m时，最大可获得约6dB的分集增益。12十一月2023（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1~4dB（当无天线分集时，最多可达4dB,当有二重分集时，最多可有2.5dB）。但是，当一个基站或小区只有2个载波时，不能获得跳频增益。

(3）均衡GSM规范要求均衡器能处理时延高达15us的反射信号，大约相当于4bit时间。12十一月20232.要求干扰保护比低无跳频时要求C/I≥12dB有跳频时要求C/I≥9dB邻道干扰保护比要求C/I≥-9dB，载波偏离400kHz时，要求C/I≥-41dB。

12十一月2023由于同频干扰保护比只要求大于等于9~12dB，可以采用4×3方式，如果有跳频功能而且网络规划考虑周全，也可采用3×3或2×6方式。无论采用无方向性天线或有方向性天线，以及无论哪一种复用方式，都应避免相邻载波在相邻基站或小区使用。选用3×3复用方式时不能避免相邻频道在相邻小区内使用。

12十一月20236.4.2GSM系统与TACS系统的性能比较1.GSM系统频率利用率高、系统容量高

(1)TACS系统共有400个频道，按7×3复用方式计算，每个扇区只有(19-1)18个话音频道可用。每个用户忙时话务量0.027erl计算，一个3小区的基站可负荷13.385（有频道呼损率）×3=40.155erl的话务量或可容1487个用户。

12十一月2023(2)GSM系统10MHz共有50个载波400个频道，按4×3复用方式计算，每个扇区有31或32个话音信道，一个3扇区的基站可负荷78.292erl的话务量或可容2899个用户。如果按3×3复用方式，则每个扇区有42或43个话音信道，一个3扇区的基站可负荷110.713erl的话务量或可容4100个用户。以上按目前采用的全速率（FR）计算所得结果，如按半速率（HR）考虑，则有：

4×3复用方式可容177.82erl的话务量或可容6586个用户；

3×3复用方式可容244.83erl的话务量或可容9067个用户。

12十一月2023(3)GSM与TACS两个系统的频谱利用率及容量比较，见表5-8。

表6-8GSM与TACS的频谱利用率及容量比较频率复用方式频谱利用率系统容量GSM（FR）/TACSGSM（HR）/TACSGSM（FR）/TACSGSM（HR）/TACSGSM4×31.743.591.954.43TACS7×3GSM3×32.354.812.766.1TACS7×312十一月2023

2.GSM系统具有开放的接口和通用的接口标准

3.GSM系统支持电信业务、承载业务和补充业务

4.GSM系统的保密性和安全性大大提高

利用用户识别鉴权可以防止无权用户使用GSM系统。利用用户识别保密，则可使窃听者不能确定在无线路径上使用资源的是哪一个用户，以保证用户识别系统的安全与保密。

12十一月20236.5GSM网络接口△

12十一月20236.5.1空中接口（Um）图6-3空中接口的协议堆栈每个RF八个时隙

ISDN协议的改进型

12十一月2023图6-4A-bis的接口协议堆栈6.5.2A-bis接口物理接口E112十一月20236.5.3A接口图6-5A接口协议堆栈12十一月20236.5.4PSTN接口GSM结构是建立在ISDN接入的基础上的。为了充分利用ISDN业务的优点，MSC通过以CCS7为基础的协议如ISUP连接公共交换网PSTN。在GSM中，无ISUP信令方案连接，PSTN就无法支持基本呼叫。12十一月20236.5.5移动应用部分（MAP）图6-6MAP界面协议堆栈12十一月20231.MAP-B2.MAP-C3.MAP-D4.MAP-E5.MAP-F

12十一月20236.6GSM的编号、鉴权与加密6.6.1编号和路由1.移动用户ISDN号（MSISDN）

移动用户漫游号（MSRN）MSISDN包含国家代码（CC）、国家目的代码（NDC）和用户码（SN）12十一月20232.国际移动用户识别码（IMSI）图6-7IMSI结构12十一月20233.临时移动用户识别号存储在移动台和SIM卡中的信息缩写全名解释IMSI国际移动用户识别码它是作为惟一的用户识别码，但不是可拨打的号码TMSI临时移动用户识别号由VLR分配使用在空中接口，是出于安全意图。它确保用户的保密性IMEI国际移动设备识别码用于空中接口，提供设备识别号。手机的惟一识别号图6-8在GSM中用于记数和鉴别的参数12十一月2023缩写全名解释MSISDN移动用户ISDN号可拨打的移动用户电话号MSRN移动台漫游号GSM网络内部使用，提供被访的MSC路由网络使用的路由信息图6-9在GSM中用于记数和鉴别的参数呼叫流程.exe12十一月20234.位置区域(locationareas)图6-9定位区域和小区识别参数

12十一月2023(1)位置识别码（LAI）和小区识别码(CI)

LAI有MCC、MNC和LAC（LocationAreaCode）。在检测位置更新和信道切换时，要使用位置区识别标志。号码结构为：三位数字两位数字最大16bitMCCMNCLAC(2)基站识别码(BSIC)结构为：3bit3bitNCCBCCNCC为网络色码，用来识别相邻的移动通信网。BCC为BTS色码，用来识别相同载波的不同基站。12十一月2023位置区划分的示意图12十一月20236.6.2鉴权与加密(AuthenticationandCiphering)图6-10GSM的鉴权过程12十一月2023图6-11GSM的加密过程12十一月20236.7GSM无线信道6.7.1频域分析GSM900/1800系统使用900/1800MHz频段,收发频差为45/95MHz。每个射频（RF）信道频道宽度为200kHz,共有8个时隙信道。每个RF信道由一个上行和一个下行频率对组成，这种方式称为频分双工（FDD）。由于各基站(BTS)会占用频段中任何一组频率,移动台必须有在整个频段上发送和接收信号的能力。

12十一月20236.7.2时域分析GSM将每个用户安排在无线信道的8个不同时隙一个时隙中并只能在该时隙发送。时隙从0~7编码。这相同频率的8个时隙被称为一个TDMA帧。用户在某一时隙发送被称为突发时隙(burst)。一个突发长度时隙为577μs，一帧为4.615ms。若用户在上行频率的0时隙发送，则将在下行频率的0时隙接收。12十一月2023帧结构由若干个TDMA帧构成复帧，其结构有两种：业务复帧:由26TDMA帧组成的复帧，这种复帧长120ms，主要用于业务信息的传输.控制复帧:是由51TDMA帧组成的复帧，这种复帧长235.385ms，专用于传输控制信息.12十一月2023由51个业务复帧或26个控制复帧均可组成一个超帧，超帧的周期为1326个TDMA帧，超帧长51×26×4.615×10-3≈6.12秒。由2048个超帧组成超高帧，超高帧的周期为2048×1326=2715648个TDMA帧，即12533.76秒，即3小时28分53秒760毫秒。帧的编号(FN)以超高帧为周期，从0到2715647。

12十一月2023业务复帧控制复帧12十一月20236.7.3语音编码(SpeechCoding)图6-12不同GSM接口的语音传输示意(发送编码和速率适配单元)净速率260bit/20ms=13k全速率456bit/20ms=22.8k12十一月20236.7.4信道编码(ChannelCoding)图6-13语音编解码的前向纠错（全速业务信道）12十一月20236.7.5交织（Interleaving）交织是用来抗瑞利衰落影响的。瑞利衰落是频率选择性衰落，它引起大块数据连续出错，使接收机上很难正确接收。GSM所采用的交织是一种既有块交织又有比特交织的交织技术。12十一月2023全速语音的时块被交织成8个突发时隙，即，从语音编码器来的两个20ms456bit输出被分裂成8个时块，每个子块2×57个比特，再将每2×57个比特进行比特交织，然后再根据奇偶原则分配到不同的突发块口。12十一月20236.7.6调制

GSM采用GMSK（高斯最小移频键控）调制。GMSK具有每符号１bit的有效性，由于这种调制技术有个很窄的功率谱，12十一月2023如接入许可CH6.7.7信道组成(ChannelOrganization△)

12十一月2023用于GSM的各类突发时隙

12十一月20236.7.8不连续发送和话音激活检测

GSM不连续发送（DTX）能在通话期对话音进行13kb/s编码，在停顿期用500b/s编码。12十一月20236.7.9定时前置和功率控制1.定时前置（TimingAdvance）GSM具有非常严格的时间同步系统，处理传输时延变化的方法是考虑可能的最大传输时延。在每个时隙片的结尾要留有足够的保护时间作补偿。定时前置允许对每个时隙的上行发送时间独立控制，远离BTS的MS要求比离BTS近的MS发射早。在GSM中最大的定时前置限制小区尺寸在35km左右。

12十一月20232.功率控制

在GSM中，功率电平每60ms变化台阶为2dB（步长）。上行功率控制范围是20~30dB；下行功率控制范围一般可达30dB。BSS是功率控制的管理者，通过指令规定BTS和MS的功率。12十一月20236.8GSM呼叫接续(自学)6.9三种TDMA系统分析比较(自学)12十一月2023GSM网络采用线路交换的方式,主要用于语音通话，因特网上的数据传递则采用分组交换的方式，因而导致网络彼此独立运行的情况。制定GPRS(GeneralPacketRadioService通用分组无线业务)标准的目的：是改变两种网络互相独立的现状，使GSM网轻易地实现与高速数据分组的接入。6.10GSM通向3G的一个重要里程碑

——GPRS(通用分组无线业务)（了解）12十一月2023GPRS网络12十一月20236.9.1GPRS标准制定的过程与阶段GPRS网络内各个部分的标准12十一月2023第1阶段：（1）GPRS网络和因特网进行点对点的数据传输。（2）定义GPRS网络所需要的各种识别码（Identity）。这一工作是同GSM网络内要定义的包括IMEI、IMSI等识别码是一样的。（3）当GPRS网络传输数据时，维护分组安全的特殊算法（Algorithm）。（4）根据传输的分组数据量确定收费的方式。（5）原有GSM网络上的短信业务（SMS）如何以GPRS网络来传送。

12十一月2023第2阶段：（1）GPRS网络与因特网的联机，可以是点对点传输，也可以是点对多点传输，如此则因特网上的电子邮件即可同时发送给很多不同的手机用户。（2）定义出当GPRS网络传送声音、图像或多媒体等应用业务时，不同的应用业务所需要不同的传输速率与延迟时间，即各个应用业务传输时所需要的服务品质。（3）在许多架设GPRS网络的国家间，如何实现国际漫游的功能。12十一月20236.9.2GPRS网络的网络结构1.业务设备结点SGSN传输GPRS网络内的数据分组(类似通信网络内的路由器)，将BSC送出的数据分组路由到其他的SGSN，或是由GGSN将分组传递到外部的因特网。GPRS移动通信网络与因特网最大的区别，就是GPRS网络增加了手机或终端的移动性管理（MobilityManagement），同GSM网一样，GPRS网络同样有针对数据传输的鉴权、加密功能，12十一月20232.网关设备结点GGSNGGSN是GPRS网络连接外部因特网的一个网关，负责GPRS网络与外部因特网的数据交换。在GPRS标准的定义内，GGSN可以与外部网络的路由器、ISP的RADIUS服务器或是企业公司的Intranet等IP网络相连接，也可以与X.25网络相连接，不过全世界大部分的电信营运商都倾向于只将GPRS网络与IP网络连接。12十一月20236.9.3GPRS网络的分层结构SGSN路径区域RA（RoutingArea）:

GSM网络内的位置区域（LA）范围与GPRS网络内的RA区域范围并不需要完全相同，通常一个RA区域范围包含许多的LA区，通常与电信营运商对网络的规划有关。

12十一月2023SGSN服务区域（ServiceArea）

在GPRS网络内，多个SGSN路径区域RA共同组成一个SGSN服务区域（ServiceArea），SGSN服务区域包含一个SGSN。

SGSN服务区域的范围并不需要与MSC／VLR区域的涵盖范围相同。

12十一月2023蜂窝小区更新GPRS网络内