1.网络结构和各部分作用

一、GSM 入门基础

目的：了解网元的基本概念及其作用

熟悉有关专业术语 了解GMCC 现有的网络结构 了解移动通信的基本无线原理 熟悉无线数字信道

1． 网元的概念及其作用

`

GSM 系统模型

1.1专业术语解释

SS ——SWITCHING SYSTEM BSS ——BASE STATION SYSTEM

OMC ——OPERATION AND MAINTENANCE CENTRAL OSS ——OPERATION AND SUPPORT SYSTEM ISDN ——INTEGRATED SERVICE DIGITAL NETWORK PLMN ——PUBLIC LAND MOBILE SYSTEM HPLMN ——HOME PUBLIC LAND MOBILE SYSTEM PSTN ——PUBLIC SWITCHED SYSTEM HLR ——HOME LOCATION REGISTER VLR ——VISITOR LOCATION REGISTER MSC ——MOBILE SERVICES SWITCHING CENTER AUC ——AUTHENTICATION CENTER EIR ——EQUIPMENT IDENTITY REGISTER

GMSC ——GATEWAY MOBILE SERVICES SWITCHING CENTER GIWU ——GSM INTERWORKING UNIT SC ——SERVICE CENTER

SMS-GMSC ——SHORT MESSAGE SERVICE GATEWAY MSC

SMS —IWMSC ——SHORT MESSAGE SERVICE INTER WORKING MSC BGW ——BILLING GATEWAY

BSC ——BASE STATION CONTROLLER RBS ——RADIO BASE STATION BTS ——BASE TRANSCEIVER STATION MS ——MOBILE STATION LA ——LOCATION AREA

MIN ——MOBILE INTELLIGENT NETWORK SSP ——SERVICE SWITCHING POINT SCP ——SERVICE CONTROL POINT SSF ——SERVICE SWITSHING FUNCTION SCF ——SERVICE CONTROL FNNCTION

GPRS ——G ENERAL PACKET RADIO SERVICE

1.2 GSM 基本上可分为两部分：交换系统（SS ）和基站系统（BSS ）

（1）、交换系统（SS ）

交换系统包括下列功能单元: 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) 设备识别寄存器(EIR) 入口移动交换中心(GMSC)

● MSC ：一个MSC 控制多个基站控制器，它控制移动用户自、至PSTN 、ISDN 、

PLMN 、公用数据网的呼叫。移动汇接和网络入口功能都由MSC 来实现。 A ．控制通话的建立，监视和拆除。 B ．计费和其它功能。

C. 引入SSF 和GPRS 之后，MSC 实现SSP 的功能和GPRS 的数据交换。 ● VLR ：是一个动态数据库，它包含了当前位于相应的MSC 服务区的全部MS 的

有关信息（IMSI 码和位置信息LAI ，MS 的状态）。VLR 还包括当前的MSC 中该MS 的更为详细的位置信息。

● GMSC ：与外界网络的联接的关口局。（GATE WAY －网关或门道交换局），提供

CME20、PLMN 网络与其它通信网间的链路。具有为呼叫查询、选接呼叫路由的功能。

● HLR ：寄存用户的鉴约信息，如补充业务、鉴权参数，此外还有MS 的位置信

息（MS 所在的MSC/VLR的指针）和IMSI ，ISDN 码等。

● AUC ：与HLR 相连，是向HLR 提供出于安全原因而使用的鉴权参数和密钥。

即三参数组。3 TRIPLET：Kc+RAND+SERS，在每次登记、呼叫建成立尝试、位置更新以及补充业务的激活、去活、删除之前均需要鉴权。

● EIR ：用户侧的移动台包括两部分，一部分是用户识别卡（SIM ），它寄存用

户的签约信息。没有SIM 卡，MS 不能接入GSM 网络，但是当用于紧急业务时除外。另一部分是用户设备（即话机，也可以使用另一个话机），这样为防

失窃，系统配置了EIR ，用来检验设备的合法性，可以禁止末经批准的话机设备使用。用户权与用户设备是分开的，用户设备只是一台有权收发信机，用户可以买卡租机，这也是一种新的业务。

三种名单：白名单---合法设备，包括已分配可参与运营的GSM 各国的所有

设备识别序列号码。

黑名单---非法设备，包括所有应禁用的设备识别码。 灰名单---故障设备，包括甩有故障的及未经型号认证的移动台

设备，由网络运营者决定。

（2）、基站系统（BSS ）

基站系统由以下两个部分组成 1）、基站控制器（BSC ）

BSC 控制一组基站，其任务是管理无线网络，即管理无线小区及其无线信道，并提供基站至MSC 之间的接口。无线设备的操作和维护，移动台的业务过程。 2）、无线基站（RBS ）

RBS 用来提供移动台与系统的无线接口，主要由无线收发信机构成。处理在称作“蜂窝小区”（简称小区）范围内的话务，一个基站能控制一个或几个“小区”，移动通信的地理覆盖区是一个个小区组合而成的，由于在移动通信存在大量的基站，故需要对基站的小区进行编号，以便识别和管理。

1.3 网络接口与协议

（1）、Um 移动台与基站之间的接口。 （2）、A-bis 基站与BSC 之间的接口。 （3）、A 接口 BSC与MSC 之间的接口。 （4）、B 接口 MSC与VLR 之间的接口。 （5）、C 接口 MSC与HLR 之间的接口。 （6）、D 接口 HLR与VLR 之间的接口。 （7）、E 接口 MSC与MSC 之间的接口。 （8）、F 接口 MSC与EIR 之间的接口。

（9）、G 接口 VLR与VLR 之间的接口。

1.4．几个区域的基本概念

（1）、小区（CELL ）：小区是交换机业务区的最小单元，它是基站的一个扇形天

线所覆盖的区域。而一个基站覆盖的所有小区称为基本小区。一个BSC 可以带512个小区。

（2）、位置区（LA ）：若干个基本小区组成一个位置区。一个BSC 可以有一个或

多个位置区组成，一个位置区可以跨域一个或多个BSC ，但只归属于一个MSC 。

（3）、MSC 的服务区：由MSC 所管辖的区域称为MSC 服务区，它是由若干个位置

区组成，因此为便于识别管理，位置区也要进行编号。

（4）、公用陆地移动通信网（PLMN ）：是指一家公司负责经营的移动通信业务区

域，一般由若干个服务区（移动本地网）组成，由于网内存在若干个MSC ，故MSC 的服务区也应进行编号，以便识别和管理。

2． 移动通信的无线基本原理

2.1几种无线接入方式：

（1）、FDMA （FREQUENCE DIVIDE MULTIPLE ADRESS）：频分多址，在模拟蜂窝移

动系统上就应用这种技术。

（2）、TDMA （TIME DIVIDE MULTIPLE ADRESS ）：时分多址，目前的GSM 数字移动

移动系统应用于此种技术。具体是指：每一频带上有8个时隙，最多可有8个移动用户使用同一频带，因为它们使用不同的时隙。

（3）、CDMA （CODE DIVIDE MULTIPLE ADRESS）：码分多址。CDMA 是以不同的代

码序列实现通信的。以往的蜂窝系统对邻接小区必须提供不同的频率配置，而CDMA 则可重复使用所有小区全部频谱，或者说所有小区使用同一无线信道传送不同的信息。其基本原理是使用一组正交的伪随机噪声序列（简称伪码），通过相关处理实现多客户共享频率的同时入网接续的功能。因此CDMA 技术是最有效的频率复用技术。

2.2 GSM数字移动无线系统的分类：

（1）、GSM900, 其技术参数：

频段：上行：（890～915）MHz ，移动台发。

下行：（935～960）MHz ，移动台收。

频带宽度：25 MHz。

上，下行频率间隔：45 MHz。 载频间隔：200KHz

频点：25 MHz/200K Hz=125，共124个频点。 通信方式：全双工

信道分配：每载频8个时隙，含8个全速率信道，16个半速率信道。 每个时隙信道速率：22.8 Kbit/s 信道总速率：270 Kbit/s

调制方式：GMSK （高斯滤波最小频移键控。），这是一种数字调制方式即要

发送的信息是数字的。它可以是数据或数字化话音。该调制可以看作是一相位调制器。 载频相位的变化将随送入调制器的信息比特而定。在一个突发脉冲串的时间内，GMSK 具有恒定包络调制的特性。为了在改变相位时仍得到平滑的曲线形状，

基带信号经过高斯带通滤波器的滤波。采用GMSK 方式能得到比普通MSK 更窄的带宽，但这样做的代价是降低了对噪声的抵抗能力。

接入方式：TDMA 。

话音编码：RPE-LPC 13Kbit/s规则脉冲激励线性预测编码。

分集接收：分集的方法有空间分集、频率分集、极化分集、角度分集时间

分集和分量分极分集等多种。

空间分集：即天线空间分集。利用两付接收天线，独立接收同一信号，当合成来自两付天线的信号时，衰弱的程度能被减小。三线间的距离应使两天线上信号之间的相关性很小。在GSM900 MHz 频段，天线间距为4m ～6m 时，可得到6db 左右的增益，效果最好。

跳频实质上是频率分集。跳频每秒217跳，交错信道编码，自适应均衡。

（2）、DCS1800

频段：上行：（1710～1785）MHz ，移动台发。

下行：（1805～1880）MHz ，移动台收。 频带宽度：75 MHz。

上，下行频率间隔：95 MHz。 载频间隔：200KHz

频点：75 MHz/200KHz=375，共374个频点。

（3）、PCS1900

频段：上行：（1850～1910）MHz ，移动台发。

下行：（1930～1990）MHz ，移动台收。 频带宽度：60MHz 。

上，下行频率间隔：80MHz 。 载频间隔：200KHz 。

频点：60MHz/200KHz=300，共299个频点。

2.3数字传输和信号处理

1) 、时分多址（TDMA ）

每载频共分8个时隙，即为8个信道。 总信道数为124×8＝992个信道。

124个频点中包含了联通，邮电GSM 和TACS 。

在GSM 中, 无线路径上传输的是编码后的数字话音，与模拟话音不同，数字话音是不连续的信号，可采用时分的方式传送，所以，在GSM 中，无线路径上采用的是时分多址(TDMA)方式。每一个载频上有8个时隙，每一个时隙相当于模拟系统中的一个信道，可提供一个移动台通话，最多可有8个移动用户使用同一频点，他们使用不同的时隙. 。 2) 、频率分组方案

原因：同一小区内的频点不能太近，否则邻频干扰大；另一方面，相邻小区的频率不能一样否则同频干扰大，所以这些频率必须合理安排，目前使用的分组方案有三个：

21/7——适用于TACS ，复用因数大，同一区域的复用次数少。 12/4——适用于GSM 的正常小区。 9/3——适用于GSM 的微小区。

数字传输抗干扰能力强，所以可以缩短频率复用距离，提高频率利用率。 12/4——把所有频率分成12组，用于支持12个小区，这12个小区覆盖一定的区域，而其它区域将会再次使用这些频率，在一PLMN 网络中将有很多同频小区，为区分这些小区而设置了一识别码BSIC 。 4/12的分区方案如下图示：

3) 、时间色散

在接收端，由于射频信号的反射作用，接收机接收到的信号是多种多样的，其中有的反射信号来自远离接收天线的物体，比直射的信号经过的路程长很多，因而形成相邻符号间的相互干扰。这种现象称为时间色散。在GSM 系统中，比特速率为270Kbit/s，则每一比特时间为3.7us ，也即是一比特对应1.1Km 。

出现时间色散的典型环境为山区、丘陵城市、高层金属建筑。

出现时间色散的条件：反射路径—直射路径 >1.1公里避免有害的时间色散的方法：

（1）将BTS 尽可能建在离建筑物近的地方。 （2）将BTS 背对反射物，天线有高的前背比。 （3）MS 离反射物太远。 （4）MS 离BTS 或反射物近。

4) 、时间提前

由于采用了TDMA 技术，因此要求移动台必须在指配给它的时隙内发送，而在其余时间则必须保持沉默。否则它将对使用同一载频上不同时隙的另一些移动台的呼叫造成干扰。

某一移动台非常靠近基站，指配给它的是时隙2（TS2），它只能利用该时隙进行呼叫，在该移动台呼叫期间，它向远离基站的方向移动。因此，从基站发出的信息，将会越来越迟地到达移动台，与此同时，移动台的应答信息也将越来越迟地到达基站。如果不采取任何措施，

则该时延将会长到使该移动台在TS2发送的信息与基站在TS3接收到的信息相重迭起来。引起相邻时隙的相互干扰。所以，在呼叫期间，要监视呼叫到达基站的时间，并向移动台出指令，使移动台能够随着它离开基站距离的增加，逐渐提前发送信号，这个移动台提前发送信号的时间称为定时提前时间（TA ）。小区参数中TALIM=0--63，TAMAX=63,对应小区范围为35KM 。因此TA 是决定小区大小的一个参数。 3. 7µS×63×3×108m/s=70km 3. 7µS:每个比特的时长 63：时间调整的最大比特数 3×108m/s：电波速度 其覆盖半径：35km

当一个特定连接建立时，BTS 不断测量自己脉冲时隙与收到的MS 时隙之间偏移量。基于这个测量，它可以向MS 提供要求的时间提前量，并在SACCH 上以每秒2次的频度通知MS 。 5) 、信号处理

在GSM 系统中，由于无线信道的带宽只有200KHZ ，且无线信道为变参信道，传输数字信号的误码率高，因此，话音信号在无线信道上传送之前应进行处理，使话音数字信号能够适合无线信道的高误码、窄带宽的要求。 本节主要讲： ·话音编码 ·信道编码 ·交织

·突发脉冲串的形成 ·GMSK 调制 ·均衡器

（1）、话音编码

有三种编码技术：波形编码、声源编码（参量编码）、混合编码

PCM 编码方式是一种波形编码器，这类编码方式传送的是实际波形的直接信息，其编码过程是先对模拟信号进行取样，再对取样值进行量化，然后进行编码形成数字信号，即是我们较为熟识的取样、量化、编码的过程。在现在的公用电话中通常采用这种编码方式，它质量相应较高，但需要很高的比特速率，公用电话中每个话路的比特速率为64Kbit/s。这样高的比特速率不适应在GSM 系统中的无线信道中在公用电话网中用户电路的模拟信号经PCM 抽样、量化、编码后形成每个话路的数字信号速率为64Kbit/s，在GSM 系统中，无线信道也采用数字信号，但每载频的带宽只有200KHZ ，如果采用传统的PCM 编码方式，则每个移动台的数字话音比特速率为

64Kbit/S，8个用户至少为512Kbit/S，调制后的频带远远大于200KHZ ，因此必须采用其它的编码方式来降低每个话路信息编码所需的比特率。CME20系统中采用了混合编码方式。

波形编码器具有音质好的特点，但比特速率要求高；声音编码器具有编码比特速率低的特点，但音质较差；混合编码器为波形编码器和声音编码器两者的结合，吸取两种编码器的优点，使话音编码后的比特速率能够满足GSM 系统中无线信道的传输要求，而又能保证一定的话音质量，但话音质量比公用电话的PCM 编码方式差。

GSM 中话音编码采用混合编码器，其编码过程分为：

第一阶段：话音分段。

64KBIT/S的话音分成20MS 一段进行编码。

第二阶段：编码。

每20MS 话音编成260BIT 的数码。

即比特速率为：260/20=13KBIT/S

其编码过程为：先对64Kbit/S的数字话音进行分段，每段20ms ，然后再进行混合编码，每20ms 的话音编成260个比特，即比特速率为

260bit/20ms=13Kbit/S，这样每 路话音的比特速率从64Kbit/S降至13Kbit/S。

（2）、信道编码

作用是克服无线信道中传输过程的误码。

由于在GSM 系统中的无线信道为变参信道，传输时的误码较为严重，采用信道编码能够检出和校正接收比特中的差错，克服无线信道的高误码缺点。

（3）、交织

在实际应用中，比特差错经常成串发生。这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到几个连续的比特。而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才是最有效的。采用交织技术，即是将码流以非连续的方式发送出去，使成串的比特差错能够被间隔开来，再由信道编码进行纠错和检错。

（4）、调制

采用高斯滤波最小频移键控（GMSK ），比普通的MSK 更窄的带宽，但代价是减小了对噪声的抵抗能力。

（5）、均衡器

用于消除时间色散，当出现反射信号时，移动台收到的可能是直射信号和反射信号，按一比特1.1公里计算，两种信号的路径差距是1.1公里时，移动台收到的可能是两个比特，如0和1，这时移动台无法取舍。均衡器是由基站发一组已知比特（由BSC 小区数据定义的一组训练比特）与移动台收到的比特比较来建立一个信道模型，再依此模型来确定收到的应该地什么比特。

（6）、突发脉冲串的形成

（7）、GSM 移动电话框图举例 ：

2.4．无线数字信道

无线信道分为物理信道和逻辑信道两大类：

·物理信道是指一个载频上，TDM 帧的一个时隙，它相当于FDMA 系统中的一个频道。用户通过某个载频上一个信道接入系统通信。

·逻辑信道是从信息角度定义划分的。通常我们可以把信道上传递的内容分成业务信息（话音，数据等）和控制信息（控制呼叫进程的信令）两大类。并定义与之对应的逻辑信道称业务信道和控制信道，再将不同的信息分别放在相应的逻辑信道上传送。因此根据所传信息的种类不同，可以定义不种类的

逻辑信道。

无线信道分为业务信道和控制信道

1）、业务信道（TCH ）

用于传送编码后的话音或数据信息。系统内大多数载频及时隙将用作业务信道，传送业务信息。

2）、控制信道（CCH ）

用于传送信令或同步数据。它可分为： 广播信道、公共控制信道、专用控制信道。

（1）、广播信道（BCH ）

广播信道分为频率校正信道、同步信道、广播控制信道三种。其特点均为下行信道，且为一点对多点方式。

·频率校正信道（FCCH ）：用于向移动台传送频率校正信号，使移动台能调谐到相应的频率上。

·同步信道 （SCH ）：该信道向移动台传送帧同步和基站识别码（BSIC ）。 ·广播控制信道（BCCH ）：该信道向移动台传送小区其所有小区（CELL ）的通用消息。比如：位置区识别码（LAI ），小区内允许的最大输出功率，相邻小区的的BCCH 载频等等。当移动台获得了BCH 的各项信息后，便可以与小区的基站取得同步，由于各基站间是不同步的，所以每当移动台进入新的小区时，要通过获得基站的BCH 信息实现同步。

（2）、公共控制信道（CCCH ）

公共控制信道包括寻呼信道、随机接入信道、允许接入信道三种。 ·寻呼信道（PCH ）：该信道用于在小区内寻呼移动台，是下行信道。PCH 含有被叫移动台的号码信息，故只有相应的移动台才会响应。

·随机接入信道（RACH ）：该信道是点对点的上行信道。当移动台要接入系统时（无论是主叫还是被叫），首先要通过此信道向系统申请一个供接续用的专用信道SDDCH 。

·允许接入信道（AGCH ）：这是一个点对点的上行信道。当移动台经RACH 申请到专用信道后，系统经AGCH 将分配给该移动台的专用信道通知移动台。故AGCH 总与RACH 成对使用。

（3）、专用控制信道（DCCH ）

专用控制信道包括独立专用控制信道（SDCCH ）、慢速随路控制信道（SACCH ）、快速随路控制信道（FACCH ）。

·独立专用控制信道（SDCCH ）：这是一个点对点的的双向信道，用于移动台呼叫建立之前（占用TCH 之前）传送系统信息。如登记，鉴权等。 ·慢速随路控制信道（SACCH ）：用于传送服务小区及相邻小区的信号强度、

移动台功率等级等数据。

·快速随路控制信道（FACCH ）：用于传送速度要求高的信令信息，它工作于借用模式，每当需要传送该类信息时（如要完成一次切换），则借用TCH ，即当前的一个20ms 的话音的位置（时隙）来传送。

例子：

·开电源

开电源，移动台搜索BCCH 载波、找到最强的一个并通过读取FCCH 与之同步。然后，移动台读取SCH ，找出BTS 的识别并同步到超高帧TDMA 帧上。此时，移动台必须登记以使系统知道它在何地和何时他打开电源。

·登记接入

移动台在RACH 上发接入请求消息。系统通过AGCH 为移动台分配一个SDCCH 。在SDCCH 上发控制信令。移动台返回空闲模式。现在，已做好了寻呼或接入的准备。移动台处于空闲状态，监听BCCH 和CCCH 。

·寻呼

系统通过PCH 寻呼移动台。移动台在RACH 上通过寻呼响应消息来应答。系统通过AGCH 为移动台分配一个SDCCH 。系统与移动台交换必要的信息以建立呼叫。例如鉴权、加密模式、建立信息（MS 识别、 B号码等）。在SACCH 上发送测试报告和功率控制。最后，为移动台分配一个TCH 。

·呼叫的接入

移动台在RACH 上发送接入请求信息。系统通过AGCH 为移动台分配一个SDCCH 。在SDCCH 上建立信息，在SACCH 上交换控制信息。在TCH 上开始通话。