GSM通信网络系列讲座

斯嘉丽

(一).GSM 网络系统介绍

（1）基站收发信台（BTS）：
基站收发信台（BTS）包括基带单元、载频单元和控制单元三部分，属于基站系统的无线部分，是由基站控制器控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。
当BTS与BSC为远端配置方式时，则需采用Abis接口，这时，BTS与BSC两侧都需配置BIE设备；而当BSC与BTS之间的间隔不超过10米时，可将BSC与BTS直接相连，采用内部BS接口，不需要接口设备BIE。
（2）基站控制器（BSC）：
BSC是基站系统（BSS）的控制部分，在BSS中起交换作用。
BSC一端可与多个BTS相连，另一端与MSC和操作维护中心OMC相连，BSC面向无线网络，主要负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理，控制移动台和BTS无线连接的建立、接续和拆除等管理，控制完成移动台的定位、切换和寻呼，提供语音编码、码型变换和速率适配等功能，并能完成对基站子系统的操作维护功能。
BSS中的BSC所控制的BTS的数量随业务量的大小而改变。
移动交换子系统MSS完成GSM的主要交换功能，同时管理用户数据和移动性所需的数据库。MSS子系统的主要作用是管理GSM移动用户之间的通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间的通信。
如上图所示，移动交换子系统MSS包括六个功能单元。
移动交换中心（MSC）
拜访位置寄存器（VLR）
归属位置寄存器（HLR）
鉴权中心（AUC）
设备识别寄存器（EIR）
移动交换中心（MSC）
1.MSC是PLMN的核心。MSC对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路接续的功能，也是PLMN和其他网络之间的接口。它完成通话接续，计费，BSS和MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等功能。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MSC还完成GMSC的功能，即查询移动台位置信息的功能。
MSC从三种数据库，拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）和鉴权中心（AUC）中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC根据其最新数据更新数据库。
2. 拜访位置寄存器（VLR）
VLR通常与MSC合设，其中存储MSC所管辖区域中的移动台（称拜访客户）的相关用户数据，包括：用户号码、移动台的位置区信息、用户状态和用户可获得的服务等参数。
VLR是一个动态用户数据库。VLR从移动用户的归属位置寄存器（HLR）处获取并存贮必要的数据，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消该移动用户的数据记录。
3. 归属位置寄存器（HLR）
HLR存储管理部门用于移动用户管理的数据。每个移动用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：一是有关移动用户的参数，包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据；一是有关移动用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。
4. 鉴权中心（AUC）
AUC属于HLR的一个功能单元部分，专门用于GSM系统的安全性管理。鉴权中心产生鉴权三参数组（随机数RAND、符号响应SRES、加密键Kc），用来鉴权用户身份的合法性以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通信的安全。
5. 设备识别寄存器（EIR）
EIR存储有关移动台设备参数。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中存有三种名单：
（1） 白名单――存贮已分配给可参与运营的GSM各国的所有设备识别标识IMEI。
（2） 黑名单――存贮所有应被禁用的设备识别标识IMEI。
（3） 灰名单――存贮有故障的以及未经型号认证的设备识别标识IMEI，由网路运营者决定。

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(二).GSM的发展及特点

GSM数字移动通信系统源于欧洲。早在80年代初，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其他各国也提供移动业务。但是模拟系统有一些限制：第一，尽管在80年代初的过低估计下，移动业务的潜在需求也远远超过当时模拟蜂窝网的预计容量；第二，运营中的不同系统不能向用户提供兼容性：一个TACS终端不能进入NMT网，一个NMT终端也不能进入TACS网。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年在欧洲邮电行政大会（CEPT）上成立“移动特别小组”（Group Special Mobile）简称“GSM”，开始制定使用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。1990年完成了GSM900的规范，产生一套12章规范系列。随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM逐渐演变为“全球移动通信系统”（Global System for Mobile Communication）的简称。
GSM的主要特点可以归结为：
1. 频谱效率。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。
2. 容量。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用栽干比要求降低至9dB，故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小（模拟系统为7/21）；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比TACS系统高3～5倍。
3. 话音质量。鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。
4. 开放的接口。GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且报刊网络直接以及网络中个设备实体之间，例如A接口和Abis接口。
5. 安全性。通过鉴权、加密和TMSI号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口，由SIM卡和网络AUC的密钥决定。TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。
6. 与ISDN、PSTN等的互连。与其他网络的互连通常利用现有的接口，如ISUP或TUP等。
7. 在SIM卡基础上实现漫游。漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。GSM系统可以提供全球漫游，当然也需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。
在GSM系统中，漫游是在SIM卡识别号以及被称为IMSI的国际移动用户识别号的基础上实现的。这意味着用户不必带着终端设备而只需带其SIM卡进入其他国家即可。终端设备可以租借，仍可达到用户号码不变，计费帐号不变的目的。

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(三).GSM的频段

GSM900/DCS1800/PCN1900的区别: GSM900是初始的GSM 系统, MOBILE 的功率从输出1W-8W, GSM900的通道从1 ~124, DCS1800的通道从512~885; DCS1800是低功率的, 最高是1W;
GSM的频段：GSM900 小区半径35km 上行880~915MHZ 下行将925~960MHZ
PHASE2: 890~925MHZ 和935~960MHZ; 通道号1---124.
GSM1800小区半径2km(由于1800mhz手机的低功率) 上行710~1785MHZ 下行1805~1880MHZ。
PHASE2: SAME; 通道号 :512—885. 为高密度的用户.
GSM1900: 1850~1910MHZ 1930~1990MHZ
上行和下行组成一频率对, 上行就是手机发射、机站接收；下行就是基站到手机。 例如935-960 和890-915 相差45MHZ, 第二个通道上, 上行落后下行三个时系.

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(四).GSM的信道介绍

物理通道和逻辑通道:
物理通道: 被描述在时域和频域; 是实际的频率和时域, 由频道或绝对射频信道号和时系共同决定的。TS number 和ARFCN的组合就是物理信道。
逻辑通道; 是在物理通道上,在任何频率和时系可能是业务信道或是控制信道.

1. BCH 广播信道:
BCH就象灯塔, 在每一小区的任何时候, 都有BCH在ARFCN上，使手机能发现网络, 并使手机同步于网络，并且BCH信号的强度告诉手机那个是距它最近的GSM网络; 手机几乎每30秒会报告相邻小区的BCH 功率, 以便于由基站决定是否切换.?? 每一小区使用的BCH频率通道都不同, 通道被远距离的小区重复使用; 小区中的所有的手机接收BCH. 在ARFCN上有BCH信道. BCH的信息在下行的通道0时系, 其他时系用于业务信息TCH; 使MS 同步, 运载控制信息和呼叫信息. 和网络身份信息。所有手机的呼叫信息都在BCH上。BCH由FCH、SCH、BCCH、CCCH、SDCCH、SACCH组成。基站产生的BCH在零时隙，
a) FCH: frequency correction channel 在BCH上重复使用特别的BURST, 让手机开机时调整它的频率.
b) SCH: synchronization channel, 在FCH后, 调整时间.
c) BCCH: 广播控制信道, 带有网络身份.
d) CCCH: 共用控制信道, 它的子通道PCH(PAGING CHANNEL)在CCCH上. 手机能认出并用一个RACH作出反应.; 还有子通道AGCH 访问认可通道, 命令手机进入SDCCH或TCH.
2. CCCH共用控制信道: 是双向控制信道, CCCH和BCH在多帧上分享0时隙；CCCH包括RACH; PCH; AGCH; CBCH; PCH呼叫通道 用于运载IMSI报知手机有呼叫、PCH是下行通道，
3. DCCH专用控制信道: 双向控制信道, 由三个子通道组成：SDCCH,FACCH,SACCH.。
SDCCH独立专用控制信道：指定TCH之前的过渡信道，话务建立和用户验证. SDCCH 独立专用控制信道: 在呼叫建立时, 于BCH 和TCH之间起连接作用.
SACCH 慢速相关控制信道:
上行: 接收信号质量报告、接收信号RX LEVEL 报告、相邻小区的BCH 功率报告。通道功率;手机的状态.
下行：命令MS的TX 功率控制的命令、小区信道配置、迁时、跳频。
FACCH 快速相关控制信道：由BTS用作命令手机切换，
上行： 中断TCH信号、切换时快速信息交换。
下行： 中断TCH. 控制BITS
SACCH和FACCH的区别: SACCH报告基站说有另外的小区可提供给手机更好的信号质量, 切换是必要的.在段时间内, 由于SACCH 没有足够的带宽, 所以在短时间内由FACCH取代TCH; 切换就发生了. FACCH象一个TCH. 当听到语音有小的中断时, 可能发生了切换.
4. TCH业务信道: 通话时使用的信道. 运载语音信息、是双向的用于手机和基站交换语音信息 ,TCH full rate 26 frames是 120ms。包含24carry speech, 1个idle , 1个sacch。TCH half rate 26 frames 是120ms ; 包含24carry speech , 2个sacch.

5. RACH随机接入信道:
由手机发送短的突发给基站，即呼叫需求；由MS使用来从基站获取注意; 手机并不知道路经的迟延, 所以手机发短的BURST, 当手机在下行的RACH上获得迁时时, 手机才发正常的BURST.
6. 手机测量报告：
SACCH的测量报告提供给GSM系统。每个手机测量服务小区的功率，也测量相邻小区的BCH功率；手机也测量在TCH上接收的信号的强度和质量。通过SACCH将接收RxLev（dbm）和RXQuaL(be mapped directly to bit error ratio)报告给所在服务小区。

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(五).IMEI及SIM卡介绍

l IMEI 是 international mobile equipment identity 国际移动设备识别号就是手机串号，每一个手机都有一唯一的不同于别的手机的串号。IMSI：international mobile subscriber identity国际移动用户识别号 是手机用户进入网络的正确身份。15位IMSI存于SIM卡中.
2 SIM subscriber identity module : 由4-8位的PIN码，3次错误的输入卡就停止工作；8位的PUK码，10次错误的输入SIM卡就被永久的锁住。SIM卡包含有：串号、IMSI、鉴权算法 加密、网络代码、PIN PUK、充电信息。SIM 卡: 保持有所有的用户信息,(IMSI 允许的网络单); 存有最后的位置信息. 拨打信 息和存储信息.存储电话号码等。

(六). GSM技术介绍

1. GSM 使用了TDMA 和FDMA多路传输：124 Frequency channels for GSM900; 100khz channel; mobile share ARFCN by TDMA. 0.3GMSK Modulation 270.833kbits/sec.
2. 在GSM系统中有124个频道， 频道间隔是200khz; 每个频道由8个用户共享， 在时间上进行时分复用。就是说信号的发送是突发的不是连续的发送的。上行和下行规定使用相同的信道号（ARFCN）和时系号，而且基站和移动台相差三个时系，即上行电路落后于下行电路三个时系时间。

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(七).GSM手机呼过程叫介绍

l 手机开机后的步骤:
1. 首先搜索124个信道，即所有的BCH通道, 决定收到的广播信道BCH强度, (BCH 的承载的信息是距Mobile最近的BTS; 呼叫信息);
2. 跟网络同步时间和频率, 由FCH/SCH调整频率和时间
3. 解码BCH的子通道BCCH.
4. 网络检查SIM 卡的合法身份.是否是网络允许的SIM 卡。
5. 手机的位置更新.
6. 网络鉴权

l 手机主叫(MOC)过程:
1. 手机给基站发送通道需求，即手机发送一个短的随即接入突发脉冲.(RACH Burst)
2. 由BCH 指定传输信道. SDCCH
3. 手机和基站在独立专用信道(SDCCH)上通信.
4. 权限认证
5. 指定手机在一个业务信道(TCH)上通信.
6. 在TCH上进行语音通信.

l 手机被叫
1. BTS在PCH呼叫通道上使用SIM中的IMSI号码来呼叫用户。
2. 由手机发送RACH
3. 通道指定在BCH.
4. 手机和基站在SDCCH 上通信
5. 手机用户被鉴权
6. 手机被指定TCH通道。
7. 在TCH通道上进行语音和数据通信。

l 紧急呼叫：
1. GSM规格定义了112 为紧急呼叫号码
2. 112在手机有无SIM卡的情况下均可呼叫。
3. 在RACH 上, 手机112 建立紧急呼叫。

l Authentication 鉴权：
1. 目的：验证用户身份（IMSI /SIM）; 提供手机新的加密键。
2. 鉴权是在什么情况下：每一次注册、每次呼叫或被叫企图、执行一些增值服务、漫游时的位置更新。

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(八). GSM手机位置更新

l 切换handover: 切换是手机通信从一个小区/信道到另外一个小区/信道。
1. 上行和下行的接收质量报告
2. 上行和下行的接收信号强度
3. 距离，迁时
4. 干扰层。
5. 功率预算。
6. 切换包括：同一小区内部信道/时隙之间的切换。小区于小区之间。

手机位置更新location update:
1. MSC应知道呼叫手机的位置。
2. 手机连续的改变位置，手机在改变位置时通知MSC关于新位置。由MSC处理位置更新。
3. 手机位置更新过程：（location area identity LAI）
a) 手机改变位置区
b) 手机从BCCH 上读新的位置区
c) 发送RACH, 为通道需求。
d) 在AGCH上获得一个SDCCH.
e) 在SDCCH发送IMSI和新旧LAI位置更新需求给MSC
f) MSC开始认证
g) 如果认证成功，更新手机位置在VLR上
h) 发送确认信息给手机
i) 手机离开SDCCH, 进入空闲模式。


(九). GSM手机功率等级

l 功率等级：
由于手机在小区内移动，它的发射功率要随着移动，当他靠近基站时，防止干扰别的用户功率要减小，当他远离基站是为防止衰减要增大发射功率。总共有19个功率等级, 功率等级存于手机的EEPROM中. 功率控制的好处是：手机可以省电、基站减少干扰。
1. 由基站在SACCH上发送命令手机改变发射功率
2. 改变功率是和路径的衰减成比例。TX Level 5 –33dbm ，19---5dbm。
3. 每个等级之间是间隔2dbm.
4. BTS需要在上行开始的Rxlev、Rxqual
5. 每480ms 发送报告给BSC 关于Rxlev、Rxqual。
6. 每一定时间跟初始的进行比较。

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(十).拨号方式介绍

拨号方式是使客户通过拨十进制数字实现本地呼叫、国内长途呼叫及国家长途呼叫的一种方式。我国邮电部移动通信网技术体制规定的GSM移动通信的拨号方式是：
移动客户→固定客户（含模拟移动客户）0 XYZ PQR ABCD
固定客户→外地移动客户 0139 H1H2H3 ABCD
移动客户→移动客户 139 H1H2H3 ABCD
移动客户→特服业务 0 XYZ 1XX 其中火警只需拨119，匪警只需拨110，急救中心只需拨120，交警中心只需拨122。
国际客户→移动客户 国际长途有权字冠＋139 H1H2H3 ABCD
移动客户→国际客户 00＋国家代码＋该国内有效电话号码
其中: 0＝国内长途有权字冠。
00＝国际长途有权字冠。
XYZ＝长途区号，由3位或两位数字组成。
PQR＝局号。
ABCD＝客户号码，当长途区号为2位时，客户号可以由4位或5位号码组成。
1XX＝特种业务号码。

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(十一).无线区域结构介绍

在GSM系统中，由于用户的移动性，位置信息是一个很关键的参数，其表示方法如图

GSM网路的最小不可分割的区域是由一个基站（全向天线）或一个基站的一个扇形天线所覆盖的区域，或称小区或cell。
若干个小区组成一个位置区（LAI），位置区的划分是由网路运营者设置的。一个位置区可能和一个或多个BSC有关，但只属于一个MSC。位置区信息存储于系统的MSC/VLR中，系统使用位置区识别码LAI识别位置区。
一个MSC业务区是其所管辖的所有小区共同覆盖的区域，可由一个或几个位置区组成。
PLMN（公用陆地移动通信网）业务区是由一个或多个MSC业务区组成。每个国家有一个或多个。我国各省邮电部门的数字PLMN构成邮电部全国GSM移动通信网络，以网络号“00”表示；“中国联通公司”各省的数字PLMN构成“中国联通公司”全国GSM移动通信网络，网络号用“01”表示。
GSM业务区是由全球各个国家的PLMN网路所组成的。

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十二. 鉴权处理

在数字移动通信系统中，用户接入网络系统（开机、起呼、寻呼等），需要对用户合法性进行检查，具体包括两部分：
1. 用户终端的合法性：
通过网络中的EIR设备，检查用户使用的终端是否在“黑 名单”中，如果是非法用户，则不能接入网络。当前网 络中普遍未提供该功能；
2. 用户身份的合法性：
密码参数Ki ：同时存贮在用户SIM卡和鉴权行腁UC中；. 算 法：鉴权算法A3、加密算法A8等；
鉴权参数组：随机数RAND（0--2**128-1）、应答
信号（残留结果）SRES、密钥Kc;