GSM無線通信原理

1、GSM:Global System for Mobile Communications,全球移動通信系統(tǒng)。GSM網(wǎng)絡由終端、無線接入設備和核心網(wǎng)絡等幾部分組成。具體包括交換網(wǎng)絡子系統(tǒng)（NSS）、無線基站子系統(tǒng)（BSS）、操作維護子系統(tǒng)（OSS）和移動臺（MS）四大部分。GSM移動通信系統(tǒng)的組成其中BSS部分包括有基站控制器（BSC）、基站收發(fā)信臺（BTS）和碼型轉換單元（TC）；NSS部分包括有移動業(yè)務交換中心（MSC）、拜訪位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權中心（AUC）和移動設備識別寄存器（EIR）；OSS部分包括有操作與維護中心-無線部分（OMC-R）、操作與維護中心-

2、移動部分（OMC-M）和操作與維護中心-交換部分（OMC-S）；移動臺部分（MS），其中包括移動終端（MT）和客戶識別卡（SIM）。無線基站子系統(tǒng)BSS系統(tǒng)是在一定的無線覆蓋區(qū)中，由MSC控制，與MS進行通信的系統(tǒng)設備，它主要負責完成無線發(fā)送接收和無線資源管理等功能。它給MS和NSS之間提供了傳輸通道并管理這個通道。BSS功能實體可分為BTS、BSC和TC。BTS：BTS包括收發(fā)信機和天線,以及與無線接口有關的信號處理電路等無線接口設備，它完全由BSC控制，主要負責無線傳輸，完成無線與有線的轉換、無線分集、無線信道加密、跳頻等功能。BSC：主要負責控制和管理,主要由BTS控制部分、交換部分和公

3、共處理器部分等組成。具有對一個或多個BTS進行控制和管理的功能，它主要是進行無線信道的分配,釋放以及越區(qū)信道切換的管理等,起中BSS系統(tǒng)中交換設備的作用。 TC：具有碼型轉換，速率適配的功能。交換網(wǎng)絡子系統(tǒng)：交換網(wǎng)路子系統(tǒng)（NSS）包括實現(xiàn)GSM的主要交換功能的交換中心以及管理用戶數(shù)據(jù)和移動性的所需的數(shù)據(jù)庫。NSS 由一系列功能實體所構成，各功能實體間以及NSS與BSS之間通過符合CCITT信令系統(tǒng)No.7協(xié)議規(guī)范的7號信令網(wǎng)絡互相通信。它的主要作用是管理GSM用戶和其他網(wǎng)絡用戶之間的通信。MSC：是GSM系統(tǒng)的核心，它完成最基本的交換功能，即實現(xiàn)移動用戶與其它網(wǎng)絡用戶之間的通信連接。提供面向

4、系統(tǒng)其他功能實體的接口、到其他網(wǎng)絡的接口以及與其他MSC互連的接口。MSC為用戶提供承載業(yè)務、基本業(yè)務與補充業(yè)務等一系列服務，還支持位置登記、越區(qū)切換和自動漫游等功能。為了建立至移動臺的呼叫路由，相關的MSC還應能完成關口MSC（GMSC）的功能，即查詢位置信息的功能。拜訪位置寄存器VLR：是存儲所管轄區(qū)域中所有用戶的全部有關信息，為已經(jīng)登記的移動用戶提供建立呼叫連接的必要條件。是一個動態(tài)數(shù)據(jù)庫，需要隨時與有關的HLR進行大量的數(shù)據(jù)交換以保證數(shù)據(jù)的有效性。當用戶離開其覆蓋區(qū)時，用戶的有關信息將被刪除。VLR在物理實體上總是與MSC一體。歸屬位置寄存器HLR：是GSM系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫，是存儲管理

5、部門用于移動客戶管理的數(shù)據(jù)。每個移動客戶都應在其歸屬位置寄存器（HLR）注冊登記，它主要存儲兩類信息：一是有關客戶的參數(shù)，包括用戶的漫游權限、基本業(yè)務和補充業(yè)務等；二是有關客戶目前所處位置的信息，以便建立至移動臺的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。一個HLR可以覆蓋幾個移動交換區(qū)域甚至整個移動網(wǎng)。鑒權中心AUC：存儲用戶的加密信息，用以保護用戶在GSM系統(tǒng)中的合法地位不受侵犯。用于產(chǎn)生為確定移動客戶的身份和對呼叫保密所需鑒權、加密的三參數(shù)（隨機號碼RAND，符合響應SRES，密鑰Kc）的功能實體。是一個受嚴格保護的數(shù)據(jù)庫，在物理實體上與HLR共存。設備識別寄存器EIR：也是一個數(shù)據(jù)庫，存儲有

6、關移動臺IMEI有關的信息。主要完成對移動設備的識別、監(jiān)視、閉鎖等功能，以防止非法移動臺的使用。操作維護子系統(tǒng)GSM系統(tǒng)的操作維護子系統(tǒng)（OMC），它主要是對整個GSM網(wǎng)絡進行管理和監(jiān)控。通過它實現(xiàn)對GSM網(wǎng)內各種部件功能的配置管理、故障管理和性能管理等功能。其功能實體包括有無線部分的操作與維護中心（OMC-R）、移動部分的操作與維護中心（OMC-M）、交換部分的操作與維護中心（OMC-S）、GPRS部分的操作與維護中心（OMC-G）和網(wǎng)管中心（NMC）。移動臺：移動臺就是移動客戶設備部分，它由兩部分組成，移動終端(MT)和客戶識別卡（SIM）。移動終端就是“機”，它可完成話音編碼、信道編碼、

7、信息加密、信息的調制和解調、信息發(fā)射和接收，以及實現(xiàn)鑒權、位置更新等通信處理。GSM的編號和識別方案GSM系統(tǒng)是一個十分復雜的通信系統(tǒng)，它包括眾多的功能實體和繁雜的實體間、子系統(tǒng)間及網(wǎng)絡間的接口。為了將一個呼叫接續(xù)至某個用戶，系統(tǒng)需要調用相應的實體，因此要實現(xiàn)正確的尋址，編號計劃就顯得尤為重要。由于GSM系統(tǒng)的業(yè)務類似于ISDN網(wǎng)的延伸，因此GSM系統(tǒng)采用了CCITT建議中的“網(wǎng)號”編號方案，即將GSM系統(tǒng)作為一個電話網(wǎng)的獨立編號方案，此時的PLMN相對于PSTN完全獨立，其各種號碼也就完全獨立于PSTN。MSISDN移動用戶號碼（移動臺ISDN號碼）移動用戶號碼是指主叫用戶為呼叫數(shù)字公用陸地

8、蜂窩移動通信網(wǎng)中的用戶所需撥的號碼，是移動用戶對外公開的電話號碼，MSISDN號碼結構如下所示：1)CC：為國家碼，中國為86。目前國內有效移動用戶isdn號碼為一個十一位數(shù)字的等長號碼：n1n2n3H0H1H2H3ABCD。2)NDC：國內目的地碼，即網(wǎng)絡接入號n1n2n3，“中國移動”GSM網(wǎng)為134、139；“中國聯(lián)通公司”GSM網(wǎng)為130、132。 3）SN：移動用戶號碼，采用等長8位編號計劃。SN號碼結構是H0H1H2H3ABCD，其中：H0H1H2H3為每個移動業(yè)務本地網(wǎng)的HLR號碼，ABCD為移動用戶碼，由各hlr自行分配。所以，MSISDN號碼：l SCCP全球標題地址（例如，

9、用于找HLR） l PSTN/ISDN電話號碼（電話簿上的號碼） l 用于撥號IMSI國際移動用戶識別碼為了在無線路徑和整個GSM移動通信網(wǎng)上正確地識別某個移動用戶，就必須給移動用戶分配一個特定的識別碼。這個識別碼稱為國際移動用戶識別碼（IMSI），用于位置更新、呼叫建立和GSM移動網(wǎng)所有信令中，并存貯在SIM卡和HLR中，也在VLR中作為臨時登記標識。用戶用于網(wǎng)絡操作的全部數(shù)據(jù)均存儲于imsi對應存儲區(qū)中。IMSI是數(shù)字PLMN網(wǎng)中唯一地識別一個移動用戶的號碼，為一個16位數(shù)字的號碼。imsi永久地屬于一個注冊用戶，在包括漫游區(qū)域在內的所有位置都是有效的，其結構如下所示：其中：1)MCC：移

10、動國家號碼，由3位數(shù)組成。用于唯一地識別移動用戶所屬的國家。（中國移動國家號為460） 2)MNC：移動網(wǎng)號，由2位數(shù)字組成，用于識別移動用戶所歸屬的移動網(wǎng)。（“中國移動通信公司”GSM PLMN網(wǎng)為00，“中國聯(lián)通公司”GSM PLMN網(wǎng)為01。） 3)MSIN：移動用戶識別碼。采用等長11位數(shù)字構成。唯一地識別在一個PLMN網(wǎng)內移動用戶的號碼，該號碼為N1N2N3 H0H1H2H3 ABCD所以，IMSI號碼：l 對一個MS或SIM卡唯一l 在所有位置有效l MS在呼叫建立時、位置更新以及一些安全或業(yè)務操作時需要此號碼。MSRN移動用戶漫游號碼HLR具有漫游用戶的位置更新紀錄，因此被叫用戶

11、所歸屬的HLR知道該用戶目前是處在哪一個MSC/VLR業(yè)務區(qū)，為了提供給入口MSC/VLR（GSMC）一個用于選路由的臨時號碼，HLR請求被叫所在業(yè)務區(qū)的MSC/VLR給該被叫用戶分配一個移動用戶漫游號碼（MSRN），并將此號碼送至HLR，HLR收到后再發(fā)給GMSC，GMSC根據(jù)此號碼選路由，將呼叫接至被叫用戶目前正在訪問的MSC/VLR交換局。路由一旦建立，此號碼就可立即釋放。這種查詢、呼叫選路由功能（即請求一個MSRN功能）是NO.7信令中移動應用部分（MAP）的一個程序，在GMSCHLRMSC/VLR間的NO.7信令網(wǎng)中進行傳遞。msrn的分配對主叫與被叫用戶都是保密的，它只能作為漫游呼

12、叫轉接中的路由重選，不同于也不能用于直接撥號。移動用戶漫游號碼（MSRN）的結構如下：中國電信GSM移動通信網(wǎng)技術規(guī)定1390后的MSISDN號碼為移動用戶漫游號碼（MSRN），即1390M0M1M2M3ABC。M0M1M2M3為被訪的MSC號碼。ABC為000499。所以，MSRN號碼：l 結構和MSISDN相同l SCCP全球標題地址找當前的VLRl 是VLR在呼叫過程中對MS的一個動態(tài)標識，在VLR中存在MSRN到IMSI的鏈接l 對MS是唯一的，僅在一個VLR區(qū)域中有效l 在使用ISUP重選到目的地MSC的路由時需要該號碼TMSI臨時移動用戶識別號碼為了對IMSI保密，當移動用戶每次位

13、置登記（包括位置更新）后或者呼叫（主叫或被叫）時，VLR將為其分配一個唯一的TMSI號碼，為一個由MSC自行分配的4字節(jié)的BCD編碼。僅在本MSC業(yè)務區(qū)內才有效。移動用戶的TMSI與IMSI是對應的，但它們之間沒有長期的固定關系，僅在MS呼叫和位置更新時臨時指定，并保持到MS被分配新的TMSI時。但當TMSI被釋放后，可以重復地給另一個MS使用。所以，TMSI號碼：l 由當前的VLR分配給一個MSl 對MS是唯一的，僅在一個VLR中有效l MS在呼叫建立、位置更新時需要此號碼IMEI國際移動臺識別號碼國際移動臺識別碼（IMEI）用于唯一地識別一個移動臺設備，它是一個15位的十進制數(shù)字，其結構為

14、：其中： TAC：型號批準碼，由歐洲型號認證中心分配。由6位數(shù)字組成。 FAC：工廠裝配碼，由廠家編碼，表示生產(chǎn)廠家及其裝配地。由2位數(shù)組成。 SNR：序號，由廠家分配。識別每個TAC和FAC中的某個設備的。由6位數(shù)組成。 SP：備用，1位。所以，IMEI號碼：用于設備管理LAI位置區(qū)識別碼在GSM系統(tǒng)中，共有三個號碼組成對移動臺的位置識別：LAI，CGI，BSIC。 LAI用于位置區(qū)識別和位置更新，和MS做被叫時呼叫接續(xù)。由三部分組成：其中： MCC：移動用戶國家碼，由3位數(shù)字組成（和IMSI中的前3位數(shù)字相同）。 NMC：移動網(wǎng)號，由2位數(shù)字組成（同IMSI中的MNC）。 LAC：位置區(qū)號

15、碼，為一個2字節(jié)的BCD編碼。表示為X1X2X3X4，其范圍為0000FFFF。全部為0的編碼保留不用。在一個GSM PLMN網(wǎng)中可定義65536個不同的位置區(qū)。其中X1X2可由國家主管部門統(tǒng)一分配，而X3X4由各省主管部門自行分配。所以，LAI號碼：l 當位置更新和尋呼時需要此號碼CGI小區(qū)識別碼（全球小區(qū)識別碼）CGI是用來識別一個位置內的小區(qū)，它是在位置區(qū)識別碼（LAI）后加上一個小區(qū)識別碼（CI），其結構是：其中：MCC，NMC，LAC同上。CI：小區(qū)識別。為一個2字節(jié)BCD編碼，由各MSC自定。所以，CGI號碼： l 在所有的PLMNS內小區(qū)識別碼唯一BSIC基站識別碼NCCBCCB

16、SICBSIC是用于識別相鄰基站的，為6比特編碼，其結構是：其中：NCC：網(wǎng)絡色碼，主要用來區(qū)分國界各側的運營者（國內區(qū)別不同的省），為X Y1Y2（3比特）。多址技術多址技術就是要使眾多的客戶公用公共通信信道所采用的一種技術。實現(xiàn)多址的方法基本上有三種，采用頻率、時間或碼元分割的多址方式，即是頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。（1）頻分多址（FDMA）技術：在傳統(tǒng)的無線電廣播中，均采用頻分多址（FDMA方式，每個廣播信道都有一個頻點，如果你要收聽某一廣播信道，則必須把你的收音機調諧到這一頻點上。我國早期的模擬蜂窩移動系統(tǒng)TACS也采用了此技術，某一小區(qū)中的某一

17、客戶呼叫占用了一個頻點，即一個信道，則其它用戶就不能再占用。（2）時分多址（TDMA）技術：時分多址（TDMA）在每個頻率上產(chǎn)生多個隙，在不同的時隙上進行通信，歐洲的GSM、日本的PDC均采用了TDMA技術。（3）碼分多址（CDMA）技術：碼分多址（CDMA）技術是以不同的代碼序列實現(xiàn)通信的，它可重復使用所有小區(qū)的頻譜，它是目前最有效的頻率復用技術。是數(shù)字移動通信系統(tǒng)的主流技術。頻分多址和時分多址方式業(yè)務信道（TCH）業(yè)務信道（TCH Traffic CHannel） 用于傳送編碼后的話音或客戶數(shù)據(jù)，在上行和下行信道上，點對點（BTS對一個MS，或反之）方式傳播。控制信道（CCH）控制信道：用

18、于傳送信令或同步數(shù)據(jù)。根據(jù)所需完成的功能又把控制信道定義成廣播控制信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）和專用控制信道（DCCH）廣播信道（BCH）廣播信道（BCH）是一種“一點對多點”的單方向控制信道，用于基站向所有移動臺廣播公用信息。傳輸?shù)膬热菔且苿优_入網(wǎng)和呼叫建立所需要的各種信息。它是單向的下行信道，其又分為： a、頻率校正信道（FCCH）：FCCH信道攜帶用于校正MS頻率的信息，它的作用是使MS可以定位并解調出同一區(qū)的其他信息；b、同步信道（SCH）：SCH信道是傳輸移動臺所需的同步信息以及該小區(qū)的TDMA幀號（22bit）和基站識別碼BSIC號（6bit）。c、廣播控制信道（BCC

19、H）：傳輸通用的系統(tǒng)（SI）信息，用于移動臺測量信號強度和識別小區(qū)標志等。如小區(qū)的所有頻點、鄰小區(qū)的BCCH頻點、LAI（LAC+MNC+MCC）、CCCH和CBCH信道的管理、控制和選擇參數(shù)及小區(qū)的一些選項。在BCCH上系統(tǒng)消息有種類型。公共控制信道（CCCH）CCCH是一種“一點對多點”的雙向控制信道，其用途是在呼叫接續(xù)階段，傳輸鏈路連接所需要的控制信令與信息。在下行方向上，由PCH、AGCH和CBCH來廣播尋呼請求、專用信道的批配和短消息；在上行方向上由RACH信道來傳送專用信道的請求消息。其中又分為：a、 尋呼信道（PCH）：傳輸基站尋呼移動臺的信息；當網(wǎng)絡相與某一MS建立通信時，它就

20、會根據(jù)MS所登記的LAC號向所有具有該LAC號的小區(qū)的PCH信道上進行尋呼，尋呼MS的標識為TMSI或IMSI。PCH屬于下行信道，點對多點傳播方式。b、 b、接入許可信道（AGCH）：用于為MS分配一個獨立專用控制信道（SDCCH）。當網(wǎng)絡收到處于空閑模式下的MS發(fā)出的信道請求后，就根據(jù)該請求需要分配一專用信道，AGCH通過該指配的描述（所分信道的描述和接入的參數(shù)），向所有的移動臺進行廣播。AGCH信道屬于下行信道，點對多點傳播方式。c、 c、隨機接入信道（RACH）：MS通過此信道申請分配一個獨立專用控制信道（SDCCH），可作為對尋呼的響應或MS主叫登記時的接入（如呼叫請求、響應尋呼、位

21、置更新請求及短消息請求等），上行信道，點對點方式傳播。d、 d、小區(qū)廣播信道（CBCH）：用于基站給小區(qū)內移動臺廣播消息的信道。通常占用SDCCH/8的第三個子信道，屬于下行信道，點對多點傳播。專用控制信道（DCCH）專用控制信道（DCCH）是一種“點對點”的雙向控制信道，其用途是在呼叫接續(xù)階段和在通信進行當中，在移動臺和基站之間傳輸必需的控制信息。其中又分為：a、獨立專用控制信道（SDCCH）：SDCC是一種雙向的專用信道，它主要用于傳送建立連接的信令消息、位置更新消息、短消息、鑒權消息、加密命令及處理各種附加業(yè)務。b、伴隨信道（ACCH），既能伴隨SDCCH，也能伴隨業(yè)務信道（TCH），換句話說，它是與一條TCH