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第一章GSM系统结构移动通信是至少有一方处于移动状态下进行通信的方式，由于其通信状态的特殊性使其构成的系统与固定电话网相比有所不同。11..11GGSSMM发发展展历历史史和和技技术术规规范范1.1.1GSM系统发展历史GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。蜂窝系统的概念和理论在二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS（先进的移动电话业务）模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT（北欧移动电话）系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统（全接入通信系统），德国开通C－450系统等。蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区切换和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点：1、各系统间没有公共接口；2、很难开展数据承载业务；3、频谱利用率低无法适应大容量的需求；4、安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。尤其是在欧洲各系统间没有公共接口，这些系统都只是国内系统，手机不可能在国外使用，相互之间不能漫游，对客户之间造成很大的不便。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年北欧国家向CEPT（ConferenceEuropeofPostandTelecommunications）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组（GroupSpecialMobile）”，简称“GSM”，由该小组来制定有关的标准和建议书。图1-1ETSI制定的GSM规范1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见。同年，欧洲17个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。与此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。1990年完成了GSM900的规范制定，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套12系列的ETSIGSM标准建议书。1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（GlobalSystemforMobilecommunications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组根据英国的建议，完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCS1800系统。该系统与GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCS1800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，GSM900和DCS1800这两个系统都属于GSM系统。1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。1993年欧洲第一个DCS1800系统投入运营。此后GSM系统在全球迅速发展，全球绝大多数移动运营商都采用了GSM制式。到2003年3月GSM网络已经覆盖近200个国家，450家运营商经营GSM网络，总客户数已超过8亿，预计到2004年，全球GSM用户将达到10亿。GSM网络也成为最成熟的第二代移动通信系统，随着GPRS在开通和大力发展，GSM网络已经平划过渡到2.5G移动通信系统，目前有85%的移动通信运营商选择GSM—GPRS—3G的发展之路。根据欧洲的计划，GSM将近一步过渡到WCDMA，这是目前最成熟，也是今后主流的第三代移动通信系统。2002年我国GSM用户突破2亿，中国移动通信公司也成为世界上客户数最多、网络规模最大的移动通信运营商。1.1.2GSM系统技术规范GSM系统技术规范中只对功能和接口制定了详细规范，未对硬件做出规定。这样做的目的是尽可能减少对设计者限制，又使各运营者有可能购买不同厂家的设备。GSM系统技术规范共分12章：表1.1GSM系统技术规范系列内容01概述02业务方面03网络方面04MS-BS接口与协议05无线路径上的物理层06话音编码规范07MS终端适配器08BS-MSC接口协议09网络互通10业务互通11设备和型号认可规范12操作和维护这些系列规范都是由ETSI组建的不同工作组和专家组编写而成的。1988年春天完成第一阶段标准的第一个版本，以支撑当时的投标活动。后来修改过几次，1990年以后除了传真方面的规范外，其它很少作改动，1992年底基本冻结。第二阶段标准到1993年底也基本完成了主要部分，并与1994年底冻结，为了提高系统的性能，从1994年6月又开始考虑第2＋阶段的有关标准的定义，后并入第二阶段标准，并宣布还会有第三阶段的标准。但后来由于第三代移动通信系统（3G）的提出，GSM第三阶段标准就中止了。其中第4章MS-BS接口协议和第8章BS-MSC接口协议，对网络优化非常有帮助，特别是第4章，详细描述了Um空中接口上的协议。11..22GGSSMM系系统统结结构构移动通信网主要分交换传输部分和无线部分，交换传输部分与PSTN网很类似，而无线网络是特有的，无线比有线存在很多不确定因素，而移动无线电比固定无线通信由于其移动性和传播条件的恶劣就更复杂。无线网络的优劣常常成为决定移动通信网络好坏的决定因素之一，也是网络优化的重点。一套完整的蜂窝移动通信系统主要是由交换网络子系统（SS）、无线基站子系统（BSS）、移动台（MS）及操作维护子系统（OMC）四大子系统设备组成。由于GSM规范是由北欧一些运营公司制定出的规范，为了照顾各运营公司的利益，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。AUCVLRHLREIROMCMSCBSCBTSMSISDNPSPDNCSPDNPSTNPLMNSSBSS交换系统基站系统基站系统信息传输基站系统呼叫连接和信息传输图1-2GSM系统结构GSM系统如图所示，SS系统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）；BSS系统包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。为了各个厂家所生产的设备可以通用，上述各组成部分的连接都必须严格地符合规定的接口标准。GSM系统遵循CCITT建议的公用陆地移动通信网（PLMN）接口标准，采用7号信令支持PLMN接口进行所需的数据传输。GSM系统各功能实体之间的接口定义明确，同样GSM规范对各接口所使用的分层协议也作了详细的定义协议是各功能实体之间共同的“语言”，通过各个接口互相传递有关的消息，为完成GSM系统的全部通信和管理功能建立起有效的信息传送通道。不同的接口可能采用不同形式的物理链路，完成各自特定的功能，传递各自特定的消息，这些都由相应的信令协议来实现。GSM系统各接口采用的分层协议结构是符合开放系统互连OSI参考模型的。分层的目的是允许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议，每层协议在明确的服务接入点对上层协议提供它自己特定的通信服务。其中BSC与MSC之间的接口为“A”接口；移动交换中心与访问位置寄存器之间的接口为“B”接口；移动交换中心与归属位置寄存器之间的接口为“C”接口；归属位置寄存器与访问位置寄存器之间的接口为“D”接口；移动交换中心之间的接口为“E”接口；移动交换中心与设备标志寄存器之间的接口为“F”接口；访问位置寄存器之间的接口为“G”接口；BSS与MS之间的接口为“Um”接口；基站收发台与基站控制器之间的接口为“Abis”接口。图1-3GSM系统中的不同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，SS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。1.2.1交换网络子系统交换网络子系统（SS）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。SS由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：1．MSC移动交换中心它是GSM网络系统的核心部分，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。MSC提供交换功能，完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能，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，并提供面向系统其它功能实体和面向固定网（PSTN、ISDN等）的接口功能。作为网络的核心，MSC与网络其他部件协同工作，完成移动用户位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功能。MSC处理用户呼叫所需的数据和后面介绍的三个数据库有关，它们是HLR、VLR和AUC，MSC根据用户当前位置和状态信息更新数据库。2．HLR归属位置寄存器HLR是一个静态数据库，用来存储本地用户数据信息的数据库。一个HLR能够控制若干个移动交换区域或整个移动通信网，所有用户重要的静态数据都存贮在HLR中，在GSM通信网中，通常设置若干个HLR，每个用户都必须在某个HLR（相当于该用户的原籍）中登记。登记的内容分为两类：一种是永久性的参数，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；另一种是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，即使用户漫游到HLR所服务的区域外，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原地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。HLR储存两类数据：一是用户的参数，包括MSISDN、IMSI、用户类别、Ki，补充业务等参数。二是用户的位置信息，即该MS目前处于哪个MSC/VLR中的MSC/VLR地址。3．VLR拜访位置寄存器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控制区服务，也可为几个相邻MSC控制区服务。当移动用户漫游到新的MSC控制区时，它必须向该地区的VLR申请登记。VLR要从该用户的HLR查询有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码（MSRN），并通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为其它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。因此VLR可看作一个动态的数据库。VLR用于寄存所有进入本交换机服务区域用户的信息。VLR看成是分布的HLR，由于每次呼叫，它们之间有大量的信令传递，若分开，信令链路负荷大，所以在爱立信系统中，VLR和MSC配对合置于一个物理实体中，将MSC与VLR之间的接口做成AXE的内部接口。VLR中也寄存两类信息：一是本交换区用户参数，该参数是从HLR中获得的。二是本交换区MS的LAI。4．AUC鉴权中心AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。它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，用户的鉴权和加密都需通过系统提供的用户三参数组参与来完成。三参数组：RANDomnumber(RAND)、SignedRESponse(SRES)、CipheringKey(Kc)AUC存储着鉴权信息与加密密钥，用来进行用户鉴权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安全。每个