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(luò)由終端、無線接入設(shè)備和核心網(wǎng)絡(luò)等幾部分組成。具體包括交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）、無線基站子系統(tǒng)（BSS）、操作維護(hù)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(zhuǎn)換單元（TC）；NSS部分包括有移動業(yè)務(wù)交換中心（MSC）、拜訪位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權(quán)中心（AUC）和移動設(shè)備識別寄存器（EIR）；OSS部分包括有操作與維護(hù)中心-無線部分（OMC-R）、操作與維護(hù)中心-

2、移動部分（OMC-M）和操作與維護(hù)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(jìn)行通信的系統(tǒng)設(shè)備，它主要負(fù)責(zé)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(guān)的信號處理電路等無線接口設(shè)備，它完全由BSC控制，主要負(fù)責(zé)無線傳輸，完成無線與有線的轉(zhuǎn)換、無線分集、無線信道加密、跳頻等功能。BSC：主要負(fù)責(zé)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(jìn)行控制和管理的功能，它主要是進(jìn)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(shè)備的作用。 TC：具有碼型轉(zhuǎn)換，速率適配的功能。交換網(wǎng)絡(luò)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(gòu)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(luò)互相通信。它的主要作用是管理GSM用戶和其他網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(wù)、基本業(yè)務(wù)與補充業(yè)務(wù)等一系列服務(wù)，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(guān)的MSC還應(yīng)能完成關(guān)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(guān)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(guān)的HLR進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換以保證數(shù)據(jù)的有效性。當(dāng)用戶離開其覆蓋區(qū)時，用戶的有關(guān)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(yīng)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(guān)客戶的參數(shù)，包括用戶的漫游權(quán)限、基本業(yè)務(wù)和補充業(yè)務(wù)等；二是有關(guān)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(quán)中心AUC：存儲用戶的加密信息，用以保護(hù)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(quán)、加密的三參數(shù)（隨機號碼RAND，符合響應(yīng)SRES，密鑰Kc）的功能實體。是一個受嚴(yán)格保護(hù)的數(shù)據(jù)庫，在物理實體上與HLR共存。設(shè)備識別寄存器EIR：也是一個數(shù)據(jù)庫，存儲有

6、關(guān)移動臺IMEI有關(guān)的信息。主要完成對移動設(shè)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(hù)子系統(tǒng)GSM系統(tǒng)的操作維護(hù)子系統(tǒng)（OMC），它主要是對整個GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和監(jiān)控。通過它實現(xiàn)對GSM網(wǎng)內(nèi)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(hù)中心（OMC-R）、移動部分的操作與維護(hù)中心（OMC-M）、交換部分的操作與維護(hù)中心（OMC-S）、GPRS部分的操作與維護(hù)中心（OMC-G）和網(wǎng)管中心（NMC）。移動臺：移動臺就是移動客戶設(shè)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(diào)制和解調(diào)、信息發(fā)射和接收，以及實現(xiàn)鑒權(quán)、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(fù)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(luò)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(diào)用相應(yīng)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(wù)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(jié)構(gòu)如下所示：1)CC：為國家碼，中國為86。目前國內(nèi)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(nèi)目的地碼，即網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)是H0H1H2H3ABCD，其中：H0H1H2H3為每個移動業(yè)務(wù)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(biāo)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(biāo)識。用戶用于網(wǎng)絡(luò)操作的全部數(shù)據(jù)均存儲于imsi對應(yīng)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(nèi)的所有位置都是有效的，其結(jié)構(gòu)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(gòu)成。唯一地識別在一個PLMN網(wǎng)內(nèi)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(wù)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(jì)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(wù)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(wù)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(yīng)用部分（MAP）的一個程序，在GMSCHLRMSC/VLR間的NO.7信令網(wǎng)中進(jìn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如下：中國電信GSM移動通信網(wǎng)技術(shù)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(jié)構(gòu)和MSISDN相同l SCCP全球標(biāo)題地址找當(dāng)前的VLRl 是VLR在呼叫過程中對MS的一個動態(tài)標(biāo)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(dāng)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(wù)區(qū)內(nèi)才有效。移動用戶的TMSI與IMSI是對應(yīng)的，但它們之間沒有長期的固定關(guān)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(dāng)TMSI被釋放后，可以重復(fù)地給另一個MS使用。所以，TMSI號碼：l 由當(dāng)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(shè)備，它是一個15位的十進(jìn)制數(shù)字，其結(jié)構(gòu)為

14、：其中： TAC：型號批準(zhǔn)碼，由歐洲型號認(rèn)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(shè)備的。由6位數(shù)組成。 SP：備用，1位。所以，IMEI號碼：用于設(shè)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(dāng)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)是：其中：NCC：網(wǎng)絡(luò)色碼，主要用來區(qū)分國界各側(cè)的運營者（國內(nèi)區(qū)別不同的?。?，為X Y1Y2（3比特）。多址技術(shù)多址技術(shù)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(shù)。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(shù)：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(diào)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(shù)，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(shù)：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(jìn)行通信，歐洲的GSM、日本的PDC均采用了TDMA技術(shù)。（3）碼分多址（CDMA）技術(shù)：碼分多址（CDMA）技術(shù)是以不同的代碼序列實現(xiàn)通信的，它可重復(fù)使用所有小區(qū)的頻譜，它是目前最有效的頻率復(fù)用技術(shù)。是數(shù)字移動通信系統(tǒng)的主流技術(shù)。頻分多址和時分多址方式業(yè)務(wù)信道（TCH）業(yè)務(wù)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?nèi)容是移動臺入網(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(diào)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(biāo)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行尋呼，尋呼MS的標(biāo)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(yīng)或MS主叫登記時的接入（如呼叫請求、響應(yīng)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(nèi)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(jìn)行當(dāng)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(quán)消息、加密命令及處理各種附加業(yè)務(wù)。b、伴隨信道（ACCH），既能伴隨SDCCH，也能伴隨業(yè)務(wù)信道（TCH），換句話說，它是與一條TCH