GSM数字移动通信系统

GSM数字移动通信系统目录第一部分移动通信系统的概述第二部分GSM系统结构与接口第三部分短消息业务介绍第四部分无线应用协议WAP第五部分通用分组无线业务GPRS第一部分移动通信系统的概述一、移动通信的发展与现状二、GSM移动通信系统主要性能简介一、移动通信的发展与现状第一阶段：从上世纪20年代至40年代早期，短波无线通信。第二阶段：从40年代中期至60年代初期，移动无线通信开始问世。第三阶段：从60年代中期至70年代中期，大区制移动电话。第四阶段：从70年代中期至80年代中期，是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进的移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网。第五阶段：从80年代中期开始，欧洲推出GSM体系，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。移动通信迅速发展的原因•市场驱动--中国大陆：移动电话用户1999年超过4000万用户，移动电话业务量占整个电信业务量的50%。据信息产业部副部长娄勤俭说，到六月底，中国内地移动电话用户将达到1.16亿户，比去年年底净增3000多万户。--全球移动电话用户到2000年已达到5亿。全球约每10人拥有一部手机，而现在，每五人就拥有一部手机。移动通信迅速发展的原因(续)•技术发展--微电子技术长足发展，如DSP、天线技术--形成移动通信新体制，蜂窝网。--微处理技术及计算机技术•政府调节--颁布有利于移动通信发展的政策--分配或拍卖频段移动通信系统的演进AMPSTACSNMTC450NAMTS模拟技术DAMPSIS-95GSMPDC数字技术CDMA2000WCDMATD-SCDMA语音业务多媒体业务技术驱动业务驱动第一代模拟蜂窝移动通信系统80年代第二代数字蜂窝移动通信系统90年代第三代数字蜂窝移动通信系统21世纪•FDMA•话音•TDMA•话言和低速数据•CDMA•宽带多媒体技术驱动蜂窝移动通信网从开始使用到现在不过20年的时间，其发展速度之快十分惊人。可是，在一些经济发达的国家，却因为移动通信业务的激增使人们很早就预感到模拟蜂窝系统存在着许多不足：(1)已有的模拟蜂窝系统制式混杂，不能实现国际漫游。(2)模拟蜂窝网不能提供综合业务数字网(ISDN)业务。通信网的发展趋势将实现向ISDN过渡，随着非话业务的发展，综合业务数字网逐步投入使用，对移动通信领域的数字化要求愈来愈迫切。(3)模拟系统设备价格高，手机体积大，功耗大。移动通信系统的演进移动通信系统的演进(4)模拟系统网用户容量受到限制，在人口密度很大的城市系统扩容困难。(5)模拟系统保密性不好。为了克服第一代蜂窝系统的局限性，以满足移动通信网发展的需要，北美、欧洲和日本自20世纪80年代中期起相继开始第二代即数字蜂窝系统的研究。同模拟系统相比，数字系统具有系统容量大，频率利用率高，通信质量好，业务种类多，便于与ISDN等网络互联，易于保密，便于集成，设备体积小、重量轻、耗电省、成本低等优点，是移动通信的发展趋势。移动通信系统的演进目前，世界上已投入市场的数字蜂窝通信系统有以下几种：1)欧洲的GSM系统由于欧洲各国模拟蜂窝通信系统体制的不统一，无法实现国与国之间的漫游通信，因此欧洲各国最早开始数字移动通信系统的研究，并于1991年率先投入商用。GSM系统不但能获得比模拟系统更高的通信容量，而且可以实现相邻国家之间的漫游通信。移动通信系统的演进2)北美的ADC(也称DAMPS)系统这种系统的特点是数字和模拟兼容(也叫双模式)。用户利用一种双模式设备，既能在数字蜂窝网中通信，也能在模拟蜂窝网中通信。这样不仅能提高通信容量，而且有利于解决建立新设备和利用旧设备的矛盾。美国电子工业协会于1990年批准了双模式数字蜂窝系统的标准，简称IS-54标准。3)日本的JDC系统继欧洲的GSM系统和北美的ADC系统之后，日本于1989年提出了JDC系统。JDC系统的有些技术特征和ADC相似，但它有自己的特点，也不是双模式。移动通信系统的演进4) CDMA系统这也是一种数字和模拟兼容的系统，由美国Qualcomm公司提出，并于1993年被美国电子工业协会批准，定为IS-95标准。它采用码分多址(CDMA)技术，具有用户容量更大，抗干扰、保密性能好，通信质量好等优点，业已在许多国家投入使用。二、GSM系统主要性能简介1、发射频率：上行890-915MHz下行935-960MHz2、多址方式：TDMA3、双工方式：FDD4、双工间隔：45MHz5、载波频道间隔：200KHz，共124载频。6、语音编码：规则脉冲激励长期预测编码（RPE-LPC），语音编码速率13kbps。GSM系统主要性能简介（续）7、信道编码：采用循环冗余码、1/2卷积码及交织编码。8、跳频速率：217跳/秒9、调制方式：高斯滤波最小移频键控（GMSK），调制速率270.833kbps。10、时隙和TDMA帧：物理信道/时隙，时隙周期577us，8时隙/帧。9、小区结构：在农村地区可采用宏小区，小区半径可达35km；城市地区小区半径一般为10-20km；市中心等业务密集地区可采用微小区，半径0.5km。GSM系统主要特点根据GSM标准及性能，可以看出GSM系统具有以下特点：(1)具有开放的通用接口标准。现有的GSM网络采用7号信令作为互连标准，并采用与ISDN用户网络接口一致的三层分层协议，这样易于与PSTN、ISDN等公共电信网实现互通，同时便于功能扩展和引入各种ISDN业务。(2)具有跨系统、跨地区、跨国度的自动漫游能力。GSM系统主要特点(3)提供可靠的安全保护功能。在GSM系统中，采用了多种安全手段来进行用户识别、鉴权与传输信息的加密，保护用户的权利和隐私。GSM系统中的每个用户都有一张惟一的SIM(客户识别模块)卡，它是一张带微处理器的智能卡(IC卡)，存储着用于认证的用户身份特征信息和与网络操作、安全管理以及保密相关的信息；移动台只有插入SIM卡才能进行网络操作。GSM系统主要特点(4)支持各种电信承载业务和补充业务，增值业务丰富。电信业务是GSM的主要业务，它包括电话、传真、短消息、可视图文以及紧急呼叫等业务。由于GSM中所传输的是数字信息，因此无需采用Modem就能提供数据承载业务，这些数据业务包括300～9600b/s的电路交换异步数据、1200～9600b/s的电路交换同步数据和300～9600b/s的分组交换异步数据。升级至GPRS后更支持高达171.2kb/s的分组交换数据业务。GSM系统主要特点(5)容量大，频谱利用率高，抗衰落、抗干扰能力得到加强。与模拟移动系统相比，在相同频带宽度下其通信容量增大了3～5倍，另外，由于在系统中使用了窄带调制、语言压缩编码等技术，频率可多次重复使用，从而提高了频率利用率，同时便于灵活组网。又因为在GSM系统中采用了分集、交织、差错控制、跳频等技术，系统的抗衰落、抗干扰能力得到了加强。(6)易于实现向第三代系统的平滑过渡。正是由于GSM系统具有以上诸多优点，真正实现了个人移动性和终端移动性，因此在全球得到了广泛的应用，占据了全球移动通信市场70%以上的份额。第二部分GSM系统结构与接口一、GSM系统结构二、GSM系统的各类接口三、GSM系统的控制与管理一、GSM系统结构GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分为网络子系统(NSS)、基站子系统(BSS)和移动台(MS)；（图4.6.1）除此之外，GSM网中还配有短信息业务中心(SC)，既可实现点对点的短信息业务，也可实现广播式的公共信息业务以及语音留言业务，从而提高网络接通率。一、GSM系统结构BTSMSMSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCOMCEIRMSCMSCAUCVLRHLRPDNPSTNISDN基站子系统移动台网络交换子系统公共网GSM系统设备1、移动台MS2、基站子系统BSS基站控制台BSC基站收发信台BTS4、操作维护子系统OMCOMC-BOMC-S3、网络交换子系统移动交换中心MSC归属位置寄存器HLR访问位置寄存器VLR设备标志寄存器EIR认证中心AUC移动台（MS）语音编码解调调治TDMA帧形成加密信道编码信道分离解密信道解码语音解码语音输入语音输出13kbit/sA/DD/A移动台语音处理的过程移动台是移动终端（MS）和用户识别模块（SIM）组成。基站子系统BSS•基站子系统包括基站收发信机组(BTS)和基站控制器(BSC)。该子系统由MSC控制，通过无线信道完成与MS的通信，主要实现无线信号的收发以及无线资源管理等功能。•基站系统是在小区内建立无线电覆盖的设备，负责管理无线资源，建立移动台与网络之间的无线信道，传送网络的各种信令及用户信息等。基站子系统1)基站收发信机组(BTS)基站收发信机组包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如多部收发信机、支持各种小区结构(如全向、扇形)所需要的天线、连接基站控制器的接口电路以及收发信机本身所需要的检测和控制装置等。它实现对服务区的无线覆盖，并在BSC的控制下提供足够的与MS连接的无线信道。基站子系统2)基站控制器(BSC)基站控制器(BSC)是基站收发信机组(BTS)和移动交换中心之间的连接点，也为BTS和操作维护中心(OMC)之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制多个BTS，完成无线网络资源管理、小区配置数据管理、功率控制、呼叫和通信链路的建立和拆除、本控制区内移动台的越区切换控制等功能。网络子系统NSS网络子系统由一系列功能实体构成，主要起交换、移动性管理和安全性管理等功能。1)移动交换中心(MSC)移动交换中心(MSC)是蜂窝通信网络的核心，它是用于对覆盖区域中的移动台进行控制和话音交换的功能实体，同时也为本系统连接别的MSC和其它公用通信网络(如公用交换电信网PSTN、综合业务数字网ISDN和公用数据网PDN)提供链路接口。MSC主要完成交换功能、计费功能、网络接口功能、无线资源管理与移动性能管理功能等，具体包括信道的管理和分配、呼叫的处理和控制、越区切换和漫游的控制、用户位置信息的登记与管理、用户号码和移动设备号码的登记和管理、服务类型的控制、对用户实施鉴权、保证用户在转移或漫游的过程中实现无间隙的服务等。网络子系统NSS2)归属位置寄存器(HLR)这是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制区内所有移动用户的管理信息，其中包括用户的漫游能力、签约服务和补充业务；此外，还为移动交换中心提供移动台实际漫游所在地的信息，这样就使任何来话呼叫立即按选择的路径送到被叫用户。3)访问位置寄存器(VLR)这是一个动态数据库，记录着当前进入其服务区内已登记的移动用户的相关信息，如用户号码、所处位置区域信息等，使移动业务交换中心能够建立呼入和呼出的呼叫；一旦移动用户离开该VLR服务区而在另一个VLR中重新登记时，该移动用户的相关信息即被删除。网络子系统NSS4)鉴权中心(AUC)AUC存储着鉴权算法和加密密钥，在确定移动用户身份和对呼叫进行鉴权、加密处理时，提供所需的三个参数(随机号码RAND、符合响应SRES、密钥Kb)，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户的通信安全。5)移动设备识别寄存器(EIR)EIR也是一个数据库，用于存储移动台的有关设备参数，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。目前，我国各移动运营商尚未启用EIR设备。网络子系统NSS6)操作维护中心(OMC)OMC用于对GSM系统进行集中操作、维护与管理，具体又包括无线操作维护中心(OMC-R)和交换网络操作维护中心(OMC-S)。OMC-R对基站分系统的操作维护包括：人机接口管理、保密管理、配置管理、运行管理、出错管理。OMC-S对交换分系统的操作维护操作功能：系统控制、移动用户管理、服务管理、业务管理、计费、路由和网络管理。维护功能：移动用户线维护、局间中继线维护、系统软硬件维护。二、GSM系统中的各类接口MSMSCEIRHLRVL