移動通信基礎(chǔ)2.1

移動通信設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)任務(wù)2.1認(rèn)識GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.1.1概述

GSM系統(tǒng)是基于時分多址（TDMA）的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)，屬于第二代移動通信系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)信道中傳輸?shù)娜渴菙?shù)字信號，其采用窄帶時分復(fù)用（TDMA）、線性預(yù)測語音編碼和高斯濾波最小移頻鍵控（GMSK）結(jié)合的方式，使用戶容量擴(kuò)大，保密性能提高。

GSM的主要特點(diǎn)可以歸納為：

（1）頻譜效率高。由于采用了高效調(diào)制器、信道編碼、交織、均衡和語音編碼技術(shù)，因此系統(tǒng)具有較高的頻譜利用率。

（2）容量較大。使GSM系統(tǒng)的容量效率（每兆赫每小區(qū)的信道數(shù)）比模擬移動系統(tǒng)TACS提高3～5倍。（3）語音質(zhì)量好。鑒于數(shù)字傳輸技術(shù)的特點(diǎn)以及GSM規(guī)范中有關(guān)空中接口和語音編碼的定義，在門限值以上時，語音質(zhì)量總是達(dá)到相同的水平，而與無線傳輸質(zhì)量無關(guān)。

（4）開放的接口。GSM所提供的開放性接口不僅包括空中接口，而且包括網(wǎng)絡(luò)之間以及網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備實(shí)體之間的接口，例如，A接口和Abis接口等。

（5）安全性好。通過鑒權(quán)、加密和使用臨時移動用戶識別號（TMSI），達(dá)到安全目的。

（6）與ISDN、PSTN等互聯(lián)。與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)通常利用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)接口。（7）在SIM卡基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)漫游。漫游是移動通信的重要特征，它標(biāo)志著用戶可以從一個網(wǎng)絡(luò)自動進(jìn)入另一個網(wǎng)絡(luò)。對于GSM標(biāo)準(zhǔn)，它可以提供全球漫游，當(dāng)然網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營商之間的某些協(xié)議還是必需的。

在GSM系統(tǒng)中，漫游是在SIM卡識別號以及被稱為IMSI的國際移動用戶識別號的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。這意味著用戶不必帶著終端設(shè)備而只需帶其SIM卡即可進(jìn)入其他國家或地區(qū)。GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.1.2

GSM系統(tǒng)的組成1.交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

1）移動交換中心（MSC）

MSC是GSM系統(tǒng)的核心，其主要作用有：

(1)對位于它所覆蓋的區(qū)域內(nèi)的移動臺進(jìn)行控制和完成話路交換；

(2)對所有呼叫查詢位置信息并建立路由；

(3)是GSM系統(tǒng)和其他公網(wǎng)之間的接口；

(4)完成公共信道信令系統(tǒng)功能以及計費(fèi)功能；

(5)完成BSS、MSC之間的切換以及輔助性資源管理、移動性管理，等等。

2）拜訪位置寄存器（VLR）

VLR是一個數(shù)據(jù)庫，它與一個或多個MSC相連，是存儲MSC為了處理所管轄區(qū)域中MS（統(tǒng)稱拜訪用戶）的來話、去話呼叫所需檢索的信息，例如用戶的號碼、所需位置區(qū)域的識別、向用戶提供的服務(wù)等參數(shù)。它存儲的位置數(shù)據(jù)比HLR中的要精確一些。在多數(shù)情況下，VLR總是與各個MSC集成在一起的。

3）歸屬位置寄存器（HLR）

HLR也是一個數(shù)據(jù)庫，是存儲管理部門用于移動用戶管理的數(shù)據(jù)。每個移動用戶都應(yīng)在其歸屬位置寄存器（HLR）中注冊登記。HLR主要存儲兩類信息：一類是有關(guān)用戶的參數(shù)；另一類是有關(guān)用戶目前所處位置的信息，以便建立至移動臺的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。作為一個物理設(shè)備，典型的HLR是一臺獨(dú)立的計算機(jī)，它沒有交換能力，能管理成千上萬的用戶。

4）鑒權(quán)中心（AUC）

AUC用于產(chǎn)生為確定移動用戶身份和對呼叫保密所需鑒權(quán)、加密的三個參數(shù)（隨機(jī)數(shù)RAND、響應(yīng)數(shù)SRES、密鑰KC）的功能實(shí)體。

5)設(shè)備識別寄存器（EIR）

EIR是存儲有關(guān)移動臺設(shè)備參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，主要完成對移動設(shè)備的識別、監(jiān)視、閉鎖等功能，以防止非法移動臺的使用。

在實(shí)際的GSM通信網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、運(yùn)營環(huán)境和設(shè)備生產(chǎn)廠家的不同，上述各個部分可以有不同的配置方法。比如，把MSC和VLR合并在一起，或者把HLR、AUC和EIR合并為一個實(shí)體。

2.基站子系統(tǒng)

基站子系統(tǒng)（BSS）是GSM系統(tǒng)的基本組成部分。它通過無線接口與移動臺相接，進(jìn)行無線發(fā)送、接收及無線資源管理。另一方面，基站子系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）中的移動交換中心（MSC）相連，實(shí)現(xiàn)移動用戶與固定網(wǎng)絡(luò)用戶之間或移動用戶之間的通信連接?；咀酉到y(tǒng)主要由基站收發(fā)信機(jī)（BTS）和基站控制器（BSC）構(gòu)成?；臼瞻l(fā)信機(jī)、天線共用器和天線是基站子系統(tǒng)的無線部分，它由基站控制器實(shí)施控制。

1）基站控制器（BSC）

BSC具有對一個甚至數(shù)十個BTS進(jìn)行控制的功能，它主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)資源的管理、小區(qū)配置數(shù)據(jù)管理、功率控制、定位和切換等，是一個很強(qiáng)的業(yè)務(wù)控制點(diǎn)。圖6-1GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基站收發(fā)信臺（BTS）

2）基站收發(fā)信臺（BTS）

BTS是無線接口設(shè)備，完全由BSC控制，主要負(fù)責(zé)無線傳輸，完成無線與有線的轉(zhuǎn)換、無線分集、無線信道加密、跳頻等功能。

BTS可以直接與BSC相連接，也可以通過基站接口設(shè)備（BIE）采用遠(yuǎn)端控制的連接方式與BSC相連接。此外，基站子系統(tǒng)為了適應(yīng)無線與有線系統(tǒng)使用不同傳輸速率進(jìn)行傳輸，在BSC與MSC之間增加了碼變換器（TC）（語音速率轉(zhuǎn)換設(shè)備）及相應(yīng)的子復(fù)用設(shè)備（SM），兩者合稱為碼型轉(zhuǎn)換和速率適配器（TRAU）。一種具有本地和遠(yuǎn)端配置BTS的典型BSS組成方式如圖6-2所示。BIE、TC和SM稱為GSM系統(tǒng)的傳輸附屬設(shè)備。

3）TC單元

碼轉(zhuǎn)換器（TC）位于BSC和MSC之間，在GSM中實(shí)現(xiàn)GSM與PSTN用戶之間的通信。GSM系統(tǒng)采用RPE-LTP語音編碼，速率為13kb/s，經(jīng)過信道編碼，并經(jīng)無線空中接口及基站設(shè)備后，信息流為16kb/s。PSTN用戶的語音在A接口為A律PCM編碼，速率為64kb/s。64kb/sA律PCM編碼和16kb/sRPE-LTP編碼之間的轉(zhuǎn)換是由碼轉(zhuǎn)換器完成的。從功能上講，TC能夠接口一條PSTN的2.048Mb/sPCM鏈路（從MSC來），將30×64kb/s業(yè)務(wù)信道轉(zhuǎn)換為30×16kb/s業(yè)務(wù)信道，并同時建立一個64kb/s的7號信令信道。

4）SM單元

復(fù)用單元（SM）的主要功能是將4個16kb/s信道復(fù)用到一個64kb/s信道上，從而節(jié)省地面?zhèn)鬏斁€路。SM復(fù)用4×16kb/s到一個64kb/s時隙時，對30個16kb/s話路（即一條2.048Mb/sPCM鏈路提供的業(yè)務(wù)信道）復(fù)用需8個64kb/s時隙和一個64kb/s的7號信令時隙，另外還要附加一個64kb/s的同步時隙。所以，一條2.048Mb/sPCM鏈路總計可提供90×16kb/s的話路傳輸。SM單元可以使用也可以不使用，視網(wǎng)絡(luò)配置而定。

值得注意的是，上述的碼轉(zhuǎn)換和速率適配器（TRAU）在GSM傳輸鏈路中的位置是可選的，它有三種情況，如圖所示。

TRAU位置不同形成的幾種傳輸結(jié)構(gòu)

5）BIE單元

當(dāng)BSS中的BSC和BTS遠(yuǎn)距離連接時，BIE用于支持Abis接口。選用BIE的目的是透明傳遞用戶業(yè)務(wù)信息和對BTS的控制信令、操作維護(hù)信令，提供多路復(fù)用，提高傳輸資源的利用率。BIE還允許位于同一位置的若干個BTS共享由BTS至BSC的PCM鏈路。

一個BSS系統(tǒng)是否采用BIE傳輸設(shè)備，取決于BTS和BSC之間的距離。如果兩者之間的距離超過15米，則必須采用BIE，否則可以不用。

3.移動臺子系統(tǒng)

移動臺是GSM移動通信網(wǎng)中用戶使用的設(shè)備。移動臺類型可分為車載臺、便攜臺和手機(jī)。移動臺由發(fā)信、收信回路及控制接口部分組成，通過無線接口接入GSM系統(tǒng)。移動臺的原理如圖所示。移動臺原理框圖

發(fā)信電路的基帶信號處理包括語音編碼、信道編碼、加密、TDMA幀形成。語音編碼對A/D輸出信號進(jìn)行RPE-LTP處理，輸出13kb/s數(shù)字語音信號。信道編碼采用帶有差錯校驗(yàn)的1／2碼率卷積碼，并跟隨有交織處理。信道編碼后語音信號速率為22.8kb/s。TDMA幀形成單元對已加密信息插入慢速隨路控制信息0.95kb/s，設(shè)置同步比特和保護(hù)時間共計10.1kb/s，使每路業(yè)務(wù)信號速率提高為33.85kb/s，最后輸出為分配時隙（TS）中的突發(fā)信號，其速率是270.83kb/s。在發(fā)信電路的基帶信號處理中，完成發(fā)信基帶處理相反的變換，均衡的目的是補(bǔ)償傳播失真。接收機(jī)還完成接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）的計算。

發(fā)信電路的射頻信號部分由調(diào)制、帶通濾波、功率放大器組成；收信電路的射頻部分由射頻帶通濾波器、高頻放大、變頻、中頻放大及濾波、解調(diào)等組成，采用GMSK（BbTb=0.3）調(diào)制。頻率源由頻率合成器產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)工作頻道的選定，移動臺能夠在工作頻段中任一頻道上進(jìn)行發(fā)射和接收。移動臺包括模擬語音接口、數(shù)字接口及人機(jī)接口。模擬語音接口包括A/D變換、D/A變換、話筒和揚(yáng)聲器。數(shù)字接口主要是數(shù)字終端適配器。人機(jī)接口主要是顯示器和鍵盤。移動臺另外一個重要組成部分是用戶識別模塊(SIM)，亦稱SIM卡。它基本上是一張符合ISO（開放系統(tǒng)互連）標(biāo)準(zhǔn)的“智慧”磁卡，其中包含與用戶有關(guān)的無線接口信息，也包括監(jiān)權(quán)和加密信息。使用GSM標(biāo)準(zhǔn)的移動臺都需要插入SIM卡，只有處理異常的緊急呼叫時，可以在不用SIM卡的情況下操作移動臺。SIM卡的應(yīng)用不僅使用戶與設(shè)備分離（人機(jī)分開），而且可以使通信更加安全可靠，這為今后發(fā)展個人通信打下了基礎(chǔ)。

SIM卡是帶有微處理器的智能芯片卡，它由以下幾個模塊構(gòu)成：

（1）CPU；

（2）程序存儲器（ROM）；

（3）工作存儲器（RAM）；

（4）數(shù)據(jù)存儲器（EPROM或EEPROM）；

（5）串行通信單元。

SIM卡是GSM用戶的資料卡，它存儲著用戶的個人資料（如國際用戶移動識別碼IMSI及PIN碼等）、保密算法（A3、A5、A8）、密鑰KC等。它主要完成兩種功能：存儲數(shù)據(jù)及在安全條件下完成用戶身份鑒權(quán)和用戶信息加密的全過程。

4.操作維護(hù)中心

GSM系統(tǒng)中的操作維護(hù)中心（OMC）主要是對整個GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和監(jiān)控，通過它實(shí)現(xiàn)對GSM網(wǎng)內(nèi)各種部件功能的監(jiān)視、狀態(tài)報告、故障診斷等功能。OMC對基站子系統(tǒng)和交換子系統(tǒng)分別進(jìn)行操作和維護(hù)。2.1.3

GSM系統(tǒng)的接口

GSM系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)內(nèi)部各功能實(shí)體之間存在大量的接口，GSM技術(shù)規(guī)范對這些接口做了詳細(xì)的規(guī)定，使不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備能夠在同一個網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)，如圖所示。

（1）Um接口。移動臺（MS）和基站收發(fā)信臺（BTS）之間的接口，即空中無線電接口，用于移動臺和GSM系統(tǒng)的固定部分之間的互通，其物理連接通過無線鏈路實(shí)現(xiàn)。Um接口傳遞的信息包括無線資源管理、移動性管理和接續(xù)管理等。GSM系統(tǒng)的接口

（2）Abis接口。基站子系統(tǒng)中的BSC和BTS之間的通信接口，其物理連接通過采用2Mb/s或64kb/s的PCM數(shù)字傳輸鏈路來實(shí)現(xiàn)。Abis接口支持向用戶提供的所有服務(wù)，并支持對BTS無線設(shè)備的控制和無線頻率的分配。Abis接口是一個未開放的接口。

（3）A接口。BSS和MSC之間的接口。A接口基于2Mb/s數(shù)字接口，采用14位7號信令方式，主要傳遞呼叫處理、移動性管理、基站管理、移動臺管理等信息。

（4）B接口。MSC與VLR之間的接口，用于MSC向VLR詢問有關(guān)移動臺當(dāng)前位置信息，或通知VLR有關(guān)移動臺的位置更新信息等。該接口是一個內(nèi)部接口，一般不做規(guī)定。

（5）C接口。MSC與HLR之間的接口，用于被叫移動用戶信息的傳遞以及獲取被叫移動用戶的漫游號碼。兩者之間是采用標(biāo)準(zhǔn)的2.048Mb／s或64kb/sPCM數(shù)字傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)

（6）D接口。HLR與VLR之間的接口，用于交換移動臺的位置信息和用戶管理的信息，保證移動臺在整個服務(wù)區(qū)內(nèi)能建立和接受呼叫。由于VLR綜合于MSC中，因此D接口的物理鏈路與C接口相同。

（7）E接口。相鄰區(qū)域的不同MSC之間的接口，用于移動臺從一個MSC控制區(qū)到另一個MS控制區(qū)時為保持通話連續(xù)而進(jìn)行局間切換，以及兩個MSC之間建立用戶呼叫接續(xù)時傳遞有關(guān)的消息。此接口的物理鏈接方式是采用標(biāo)準(zhǔn)的2.048Mb／sPCM數(shù)字傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)的。

（8）F接口。MSC與EIR之間的接口，用于MSC檢驗(yàn)移動臺IMEI時使用，也是一個2.048Mb/s或64kb/sPCM數(shù)字接口。

（9）G接口。兩個VLR之間的接口。當(dāng)采用臨時移動用戶識別碼(TMSI)時，此接口用于向分配TMSI的VLR詢問此移動用戶的國際移動用戶識別碼(IMSI)的信息。G接口的物理鏈路與E接口