第6章 第二代(2G)移动通信技术

第6章第二代（2G）移动通信技术GSM系统概述6.1GSM移动通信网络接口6.2无线接口6.3GSM的主要业务6.4GSM无线网络规划6.5窄带CDMA移动通信系统6.6GSM（GlobalSystemForMobileCommunications）系统是泛欧数字蜂窝移动通信网的简称，即“全球移动通信系统”。自20世纪90年代中期投入商用以来，被全球100多个国家采用。我国具有世界上最大的GSM网络。第一代蜂窝移动通信网也称模拟蜂窝网，尽管用户迅速增长，但有很多不足之处，例如：①模拟蜂窝系统制式混杂，不能实现国际漫游；②不能提供综合业务数字网（ISDN）业务；③模拟系统设备价格高；④手机体积大，电池充电后有效工作时间短；⑤用户容量受到限制，系统扩容困难；⑥模拟系统保密性差、安全性差。为了解决模拟网中的上述问题，很多国家、部门都开始对数字移动通信系统的研究。蜂窝移动通信系统之所以能迅速发展，其基本原因有两个：①采用多信道共用和频率复用技术，频率利用率高；②系统功能完善，具有越区切换、漫游等功能，与市话网互连，可以直拨市话、长话、国际长途，计费功能齐全，用户使用方便。6.1GSM系统概述为了解决全欧移动电话自动漫游，采用统一制式得到了欧洲邮电主管部门会议成员国的一致赞成。为了推动这项工作的进行，于1982年成立了移动通信特别小组（GroupSpecialMobile，GSM）着手进行泛欧蜂窝状移动通信系统的标准制定工作。1985年提出了移动通信的全数字化，并对泛欧数字蜂窝状移动通信提出了具体要求。根据目标提出了两项主要设计原则：语音和信令都采用数字信号传输，数字语音的传输速率降低到16kbit/s或更低；不再采用模拟系统使用的12.5kHz～25kHz标准带宽，采用时分多址接入方式。在GSM协调下，1986年欧洲国家的有关厂家向GSM提出了8个系统的建议，并在法国巴黎进行移动实验的基础上对系统进行了论证比较。1987年，就泛欧数字蜂窝状移动通信采用时分多址（TDMA）、规则脉冲激励——长期线性预测编码（RPE-LTP）、高斯滤波最小移频键控调制方式（GMSK）等技术，取得一致意见，并提出了如下主要参数。频段：935MHz～960MHz（基站发，移动台收）；890MHz～915MHz（移动台发，基站收）；频带宽度：25MHz；通信方式：全双工；载频间隔：200kHz；信道分配：每载频8时隙；全速信道8个，半速信道16个（TDMA）；信道总速率：270.8kbit/s；调制方式：GMSK，BT=0.3；话音编码：RPE-LTP13kb/s规则脉冲激励线性预测编码。数据速率：9.6kb/s。抗干扰技术：跳频技术217跳/s，分集接收技术，交错信道编码，自适应均衡技术。6.1.1GSM系统的特点GSM数字移动通信系统最主要的特点可简述如下：（1）漫游功能。GSM的移动台具有漫游功能，可以实现国际漫游。（2）提供多种业务。除了能提供话音业务外，还可以开放各种承载业务，补充业务和与ISDN相关的业务，可与今后的ISDN兼容。（3）较好的抗干扰能力和保密功能。GSM可以向用户主要提供以下两种保密功能：①对移动台识别码加密，使窃听者无法确定用户的移动台电话号码，起到对用户位置保密的作用；②将用户的话音、信令数据和识别码加密，使非法窃听者无法收到通信的具体内容。（4）越区切换功能。在微蜂窝移动通信网中，高频度的越区切换已不可避免。GSM采取主动参与越区切换的策略。移动台在通话期间，不断向所在工作区基站报告本区和相邻区无线环境的详细数据。当需要越区切换时，移动台主动向本区基站发出越区切换请求，固定方（MSC和BS）根据来自移动台的数据，查找是否存在替补信道，以接收越区切换，如果不存在，则选择第二替补信道，直至选中一个空闲信道，使移动台切换到该信道上继续通信。（5）GSM系统容量大、通话音质好。（6）具有灵活和方便的组网结构。6.1.2GSM系统网络结构一个完整的GSM系统主要是由交换子系统和基站子系统组成，此外还有大量移动台作为用户接入移动通信网的用户设备。网络运行部门为管理整个移动通信系统还需专门的操作支持子系统，如图6.1所示。图6.1GSM系统网络结构GSM系统的各子系统之间和子系统内部各功能实体之间存在大量的接口。为保证各厂商的设备能够实现互连，在GSM技术规范中对其作了详细的规定。基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网络子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，还包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。１．移动台移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，是整个GSM系统中用户能够直接接触的惟一设备。移动台的类型有车载台、便携台和手持台。移动台能通过无线方式接入通信网络，为主叫和被叫提供通信完成各种控制和处理，MS还具备与使用者之间的接口，如完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和按键，或者提供与其他一些终端设备之间的接口，如与个人计算机或传真机之间的接口，或同时提供这两种接口。移动台的主要功能有：（1）能通过无线接入通信网络，完成各种控制和处理以提供主叫或被叫通信；（2）具备与使用者之间的人机接口，例如要实现话音通信必须要有送、受话器，键盘以及显示屏幕等，或者与其他终端设备相连接的适配器，或两者兼有。移动台的另一个重要组成部分是用户识别模块（SubscriberIdentifyModule，SIM）。它以信用卡的形式出现，移动台上只配有读卡装置，SIM有与用户有关信息，其中包括鉴权和加密信息，移动台中必须插入SIM卡才能工作，只有在处理异常的紧急呼叫时，可在没有SIM卡的情况下操作。移动台还涉及用户注册与管理。移动台依靠无线接入，不存在固定的线路，移动台本身必须具备用户的识别号码，这些用于识别用户的数据资料可以由电话局一次性注入移动台。2．基站子系统广义地讲，基站子系统包含了GSM系统中无线通信部分的所有地面基础设施，它通过无线接口直接与移动台相连，负责无线发送、接收和无线资源管理。另一方面，BSS通过接口与移动交换中心（MSC）相连，并受移动交换中心（MSC）控制，处理与交换业务中心的接口信令，完成移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。因此BSS可视作移动台与交换机之间的桥梁。BSS还建立与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接，向用户提供一个操作维护接口，使系统运行时有良好的维护手段。网管中心与BSS之间可以没有直接的物理链接，而通过系统交换机转接，如图6.2所示。图6.2BSS结构BSS可分为两部分，即基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）。（1）基站收发信台BTS是通过无线接口与移动台一侧相连的基站收发信机，主要负责无线传输；BSC在另一侧与交换机相连，负责控制和管理。BTS包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种小区结构所需要的天线、连接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。BTS可以直接与BSC相连接，也可以通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。BTS的天线通常安装在几十米外的天线铁塔上，通过馈线电缆与收发信机架相连接。在GSM系统结构中，BTS还有一个重要的功能部件称为码型转换器／速率适配器（TRAU），它使GSM系统内部信号与传输线路中标准的64kb/sPCM相配合。TRAU虽是BTS的一部分，但可以放在远离BTS的地方，大多数场合都放在BSC与交换机之间，提高BTS与BSC之间传输线路的效率。（2）基站控制器BSC是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台和操作维护中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制几个基站收发台，其主要功能是进行无线信道管理，实行呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内的移动台的越区切换进行控制等。3．网络子系统（NSS）NSS具有系统交换功能和数据库功能，数据库中存有用户数据及移动性、安全性管理所需的数据，在系统中起着管理作用。NSS内各功能实体之间和NSS与BSS之间通过７号信令协议和GSM的７号信令网络互相通信。NSS由移动业务交换中心（MSC）、归属位置寄存器（HLR）、拜访位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）、设备识别寄存器（EIR）和操作维护中心（OMC）构成。（1）移动业务交换中心（MSC）MSC是蜂窝通信网络的核心，其主要功能是对于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制与管理。例如：①信道的管理与分配；②呼叫的处理和控制；③越区切换和漫游的控制；④用户位置登记与管理；⑤用户号码和移动设备号码的登记与管理；⑥服务类型的控制；⑦对用户实施鉴权；⑧为系统与其他网络连接提供接口，例如，与其他MSC、公用通信网络（如公用交换电信网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）和公用数据网（PDN））等，保证用户在转移或漫游过程中实现无间隙的服务。MSC可从HLR，VLR和AUC三种数据库中获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据，反之，MSC也根据其获取的最新信息请求更新数据库中的部分数据。大容量移动通信网中的NSS可包括若干个MSC，VLR和HLR。当固定网用户呼叫GSM移动网用户时，首先将呼叫接入到关口移动业务交换中心，称为GMSC，由关口交换机负责获取位置信息，并把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC，称为被访MSC（ＶMSC）。GMSC具有与固定网和其他NSS实体互通的接口，其功能在MSC中实现。根据网络的需要，GMSC功能也可以在固定网交换机中综合实现。（2）归属位置寄存器（HLR）HLR是一种用来存储本地用户位置信息的数据库。在蜂窝通信网中，通常设置若干个HLR，每个用户都必须在某个HLR中登记。登记的内容分为两类：①永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务类型以及保密参数等；②暂时性的需要随时更新的参数，即用户当前所处位置的有关参数，当用户漫游到HLR服务区域之外，HLR也要登记由该区传送来的位置信息。这样做的目的是保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时，均可由该移动用户的归属位置寄存器获知它当时处于哪一个地区，进而建立起通信链路。（3）访问位置寄存器（VLR）VLR是一种用于存储来访用户位置信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控制服务区，也可分为几个相邻MSC控制服务区。当移动用户漫游到新的MSC控制区时，它必须向该区的VLR申请登记。VLR要从该用户的HLR查询其有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码（MSRN），并通知其HLR修改用户的位置信息，准备为其他用户呼叫此移动用户时提供路由信息。如果移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，HLR在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR，删除此移动用户的位置信息。（4）鉴权中心（AUC）AUC的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并获得服务。GSM系统采取了特别的安全措施，例如，用户鉴权，对无线接口上的话音、数据和信号信息进行加密等。因此，AUC存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户进入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。AUC属于HLR的有关功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。（5）移动设备识别寄存器（EIR）EIR存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），用于对移动设备的鉴别和监视，并拒绝非法移动台入网。EIR通过核查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI，使得运营部门对于网络中非正常运行的MS设备，都能采取及时的防范措施，以确保网络内所使用的移动设备的惟一性和安全性。（6）操作维护中心（OMC）OMC的任务是对全网进行监控和操作，例如，系统的自检、报警与备用设备的激活，系统的故障诊断与处理，话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及各种资料的收集、分析与显示等。4．操作支持子系统（OSS）OSS的主要功能是移动用户管理、移动设备管理以及网络操作和维护。移动用户管理包括用