GSM通信协议详解

GSM通信协议详解GSM全名为：GlobalSystemforMobileCommunications，中文为全球移动通讯系统，是第二代(2G)移动通信系统，俗称全球通，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。目前，我国中国移动、中国联通各拥有一个GSM网，为世界最大的移动通信网络。GSM系统包括GSM900：900MHz、GSM1800：1800MHz及GSM1900：1900MHz等几个频段。GSM的发展：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”（GroupSpecialMobile）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”（GlobalSystemforMobileCommunication）的简称。GSM通信系统组成：蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成如图2－1所示（1）GSM系统原理其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的限制。因此，各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。也就是说，NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备，而MS可用不同厂家的设备由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范，运营公司当然喜欢花最少的投资，用最好的设备来建最优良的通信网，因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。也就是说，各接口都是开放式接口。GSM系统框架图：MS：移动台BTS：基站收发信台BSC：基站控制器OMC：操作维护中心MSC：移动交换中心HLR：归属位置寄存器AUC：鉴权中心VLR：拜访位置寄存器EIR：设备识别寄存器SC：短消息中心A接口往右是NSS系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往左Um接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。在GSM网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。(2)交换网路子系统NSS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。NSS由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：MSC：是GSM系统的核心，是对位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，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可完成网路接口、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。另外，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。VLR：是一个数据库，是存储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，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。HLR：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。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。AUC：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。EIR：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。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。(3)无线基站子系统BSSBSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。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。BTS：无线接口设备，它完全由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。(4)移动台MS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，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。（5）操作维护子系统GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个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。GSM关键技术（1）工作频段的分配我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段：905～915（移动台发、基站收）950～960（基站发、移动台收）随着业务的发展，可以向下扩展，向1.8GHz频段的DCSI800过渡，即1800MHz频段：1710～1785（移动台发、基站收）1805～1880（基站发、移动台收）频道间隔频道配置双工收发间隔干扰保护比频率复用方式保护带宽（2）时分多址技术（TDMA）多址技术就是要使众多的客户公用公共通信信道所采用的一种技术。实现多址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常称它们为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。在传统的无线电广播中，均采用频分多址（FDMA）方式，每个广播信道都有一个频点，如果你要收听某一广播信道，则必须把你的收音机调谐到这一频点上。模拟蜂窝移动系统也采用了此技术，某一小区中的某一客户呼叫占用了一个频点，即一个信道（实际上是占用两个，因为是双向连接，即双工通信），则其它呼叫就不能再占用。在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。GSM网络结构我国GSM数字移动通信网是采用独立网号方式来组网的。它与PSTN、ISDN、PSPDN以及现有模拟PLMN之间的关系见图所示。“中国电信”GSM网路接入号为“139”，“中国联通”GSM网路接入号为“130”。（1）我国GSM移动通讯网的网络结构全国GSM移动电话网按大区设立一级汇接中心、省内设立二级汇接中心、移动业务本地网设立端局构成三级网路结构。它与PSTN网(公用电话网)的连接关系参见图：从图中可见，三级网路结构组成了一个完全独立的数字移动通信网路。而模拟移动通信网路结构是与PSTN网混合方式来组建的，参见图：它在省内建立二级汇接中心，在移动业务本地网内建端局，无一级汇接中心，省际间的通信是借助于PSTN网的长途电话网来实现，当然为实现省际间的自动漫游，模拟移动电话网必须建立自己的全国信令网。另外，模拟移动通信网是采用PSTN网的端局号方式接入，以“9”字头为标志，因此可以说模拟移动通信网是PSTN网的一部分，而GSM数字移动通信网与PSTN网相重叠。当然，公用电话网还有它的国际出口局，而GSM数字移动通信网却无国际出口局，国际间的通信仍然还需借助于公用电话网的国际局。（2）省内GSM移动通信网的网路结构省内GSM移动通信网由省内的各移动业务本地网构成，省内设若干个移动业务汇接中心(即二级汇接中心)，汇接中心之间为网球网结构，汇接中心与移动端局之间成星状网。根据业务量的大小，二级汇接中心可以是单独设置的汇接中心(即不带客户，全有至基站接口，只作汇接)，也可兼作移动端局(与基站相连，可带客户)。省内GSM移动通信网中一般设置二三个移动汇接局较为适宜，最多不超过四个，每个移动端局至少应与省内两个二级汇接中心相连，见图4-5所示。任意两个移动交换局之间若有较大业务量时，可建立话音专线。（3）移动业务本地网网络结构全国可划分为若干个移动业务本地网，划分的原则是长途区号为2位或3位的地区为一个移动业务本地网。每个移动业务本地网中应设立一个HLR(必要时可增设HLR，HLR可以是有物理实体的，也可是虚拟的，即几个移动业务本地网公用同一个物理实体HLR，HLR内部划分成若干个区域，每个移动业务本地网用一个区域，由一个业务终端来管理，如图1所示；和一个或若干个移动业务交换中心(MSC)，还可以几个移动业务本地网共用一个MSC，见图2：图1虚拟HLR的实现框图图2GSM移动业务本地网结构示意图在移动业务本地网中，每个MSC与局所在地的长途局相连，并与局所在地的市话汇接局相连。在长途多局制地区，MSC应与该地区的高级长途局相连。在没有市话汇接局或话务量足够大的情况下，MSC亦可与本地市话端局相连。当一个MSC覆盖几个长途编号区时，该MSC亦可和这几个长途编号区的市话汇接局和长途局相连。每个MSC均为数字移动通信网的入口局，入口局具有为移动终端的呼叫询问呼叫路由的功能和为呼叫选路至它们终端的目的地---被叫移动台的功能。（4）信令网路结构在建网初期，由于国内的No.7信令网不适宜传输MAP消息，作为过渡，可先建立移动专用No.7信令网。网路结构仍采用三级结构(见图3)：第一级为最高级，称高级信令转接点(HSTP)；第二级为低级信令转接点(LSTP)；第三级为信令点(SP)。移动通信网的专用高级信令转接点(HSTP)设置在大区一级移动业务汇接中心，专用的低级信令转接点(LSTP)设置在各省二级移动业务汇接中心，移动业务本地网中的每个MSC／VLR、EIR、HLR／AUC、SCH和BSC设置信令点。图3GSM信令网结构图各大区只设置一个专用HSTP，呈单星型结构，HSTP之间以网状网互连。各省专用LSTP连接到本大区中心的专用HSTP上，LSTP间一般不直接相连。各移动业务本地网的SP点至少应连接到本省的2个LSTP点上，LSTP根据业务量可单独设置或合设在省内二级汇接中心内。图4表示了我国邮电部门近期数字移动通信网的信令网结构示意图。图4中国电信近期GSM信令网结构将来，我国数字移动通信网的信令网结构将取消移动通信网专用的HSTP，割接到公用信令网的HSTP上。如图5所示。届时我国公用数字移动通信网的信令网路组织将按我国No。7信令网技术体制规定组织，即第一级HSTP间采用A、B平面方式连接，A和B平面内部各个HSTP网状相连，A、B平面间成对的HSTP相连；每个LSTP与一对HSTP间设置直达信令链路，每个SP连至个LSTP(LSTP或HSTP)；若连至HSTP时，应分别固定连至A、B面内成对的HSTP上。远期移动通信网的信令网结构示意