無線通信-gsm系統(tǒng)

無線通信技術(shù)------之GSM系統(tǒng)簡介姓名：李劍隆學(xué)號：0932081219班級：電子0912GSM系統(tǒng)簡介引言GlobalSystemofMobilecommunication就是眾所周知的GSM，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動標(biāo)準(zhǔn)。全球超過200個國家和地區(qū)超過10億人正在使用GSM。GSM標(biāo)準(zhǔn)的無處不在使得在移動運(yùn)營商之間簽署"漫游協(xié)定"后用戶的國際漫游變得很平常。GSM較之它以前的標(biāo)準(zhǔn)最大的不同是他的信令和語音信道都是數(shù)字式的，因此GSM被看作是第二代(2G)移動系統(tǒng)。這說明數(shù)字通訊從很早就已經(jīng)構(gòu)建到系統(tǒng)中。GSM是一個當(dāng)前由3GPP開發(fā)的開放標(biāo)準(zhǔn)。盡管當(dāng)前GSM相當(dāng)普及，但是構(gòu)思移動的歷史在GSM之前很長時間就開始了。GSM小組("GroupeSpécialMobile"(法語)1,2,3and4)創(chuàng)立于1982年。GSM的名字也是源于這個小組的名字，盡管后來決定使用縮寫代替了它的原有的含義。最開始這個小組由CEPT負(fù)責(zé)管理。GSM系統(tǒng)的原始技術(shù)在1987定義。1989年，ETSI從CEPT接手。1990第一個GSM標(biāo)準(zhǔn)說明完成，這個標(biāo)準(zhǔn)的文本長達(dá)超過6000頁。商業(yè)運(yùn)營開始于1991，地點(diǎn)是芬蘭的Radiolinja。1998年，3G合作工程(3GPP)啟動。最初，這個工程的目標(biāo)是制定詳細(xì)的下一代移動通訊網(wǎng)〔3G〕標(biāo)準(zhǔn)。然而，3GPP也接受了維護(hù)和開發(fā)GSM標(biāo)準(zhǔn)的工作。ETSI是3GPP的一個成員。GSM系統(tǒng)的組成GSM系統(tǒng)主要由移動臺〔MS〕、移動網(wǎng)子系統(tǒng)〔NSS〕、基站子系統(tǒng)〔BSS〕、操作維護(hù)子系統(tǒng)〔OSS〕四局部組成?；咀酉到y(tǒng)〔簡稱基站BS〕由基站收發(fā)臺〔BTS〕和基站控制器〔BSC〕組成；網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由移動交換中心〔MSC〕和操作維護(hù)中心〔OMC〕以及原地位置存放器〔HLR〕、訪問位置存放器〔VLR〕、鑒權(quán)中心〔AUC〕和設(shè)備標(biāo)志存放器〔EIR〕等組成。移動臺〔MS〕即便攜臺〔〕或車載臺。也可以配有終端設(shè)備〔TE〕或終端適配器〔TA〕。移動臺是物理設(shè)備，它還必須包含用戶識別模塊〔SIM〕，SIM卡和硬件設(shè)備一起組成移動臺。沒有SIM卡，MS是不能接入GSM網(wǎng)絡(luò)的〔緊急業(yè)務(wù)除外〕。基站收發(fā)臺〔BTS〕包括無線傳輸所需要的各種硬件和軟件，如發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、支持各種上小區(qū)結(jié)構(gòu)〔如全向、扇形、星狀和鏈狀〕所需要的天線，連接基站控制器的接口電路以及收發(fā)臺本身所需要的檢測和控制裝置等?；究刂破鳌睟SC〕是基站收發(fā)臺和移動交換中心之間的連接點(diǎn)，也為基站收發(fā)臺和操作維修中心之間交換信息提供接口。一個基站控制器通?？刂茙讉€基站收發(fā)臺，其主要功能是進(jìn)行無線信道管理、實(shí)施呼叫和通信鏈路的建立和撤除，并為本控制區(qū)內(nèi)移動臺的過區(qū)切換進(jìn)行控制等。移動交換中心〔MSC〕是蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的核心，其主要功能是對位于本MSC控制區(qū)域內(nèi)的移動用戶進(jìn)行通信控制和管理。例如：1〕信道的管理和分配；2〕呼叫的處理和控制；3〕過區(qū)切換和漫游的控制；4〕用戶位置信息的登記與管理；5〕用戶號碼和移動設(shè)備號碼的登記和管理；6〕效勞類型的控制；7〕對用戶實(shí)施鑒權(quán)；8〕為系統(tǒng)中連接別的MSC及為其它公用通信網(wǎng)絡(luò)，如公用交換電信網(wǎng)〔PSTN〕、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)〔ISDN〕和公用數(shù)據(jù)網(wǎng)〔PDN〕提供鏈路接口，保證用戶在轉(zhuǎn)移或漫游的過程中實(shí)現(xiàn)無間隙的效勞。由此可見，MSC的功能與固定網(wǎng)絡(luò)的交換設(shè)備有相似之處〔如呼叫的接續(xù)和信息的交換〕，也有特殊的要求〔如無線資源的管理和適應(yīng)用戶移動性的控制〕。其中移動臺〔MS〕也就是我們所說的，包括你的和裸機(jī)卡，其中SIM卡含有全球范圍內(nèi)用戶唯一標(biāo)識信息IMSI〔全球移動用戶標(biāo)識碼〕，當(dāng)然還有很多信息，我們仔細(xì)觀察我們的SIM卡，會發(fā)現(xiàn)我們的SIM卡上有8個觸點(diǎn)，我們的SIM卡與連接時至少要連接五個觸電〔電源、時鐘、數(shù)據(jù)、復(fù)位、和接地端〕，SIM卡里還有制卡是隨機(jī)寫入的鑒權(quán)參數(shù)Ki值，以及A3鑒權(quán)算法和A8加密算法，以及我們的PIN碼和PUC碼，這個就不長篇大論了。裸機(jī)也就是我們還沒插卡的，它里面含有一個全球唯一設(shè)備標(biāo)識信息IMEI號碼，當(dāng)然如果你的是山寨的，那么也就沒有這個號碼,這個號碼也就相當(dāng)于我們的身份證號碼，不過這個號碼是用來區(qū)分設(shè)備的，這個號碼就是在你丟了后你可以將這個掛失，那么系統(tǒng)也就不識別這個信息，換句話說，即便是別人偷走撿走，它也沒方法用這個，只不過在中國你就別想了，應(yīng)為中國這個號碼沒有啟用。所以我們的社會上也就多了偷的小偷和很多山寨，不過話又說回來，山寨也為我國的為減輕我國就業(yè)壓力做了不少奉獻(xiàn)呢，如果沒山寨了，將會有多少人失業(yè)呀。二．GSM的接口無線信道前先說下GSM的接口，GSM的接口可以這樣理解記憶，可以按其功能模塊來記憶，按功能模塊可將其劃分為BSS子系統(tǒng)下的接口、NSS子系統(tǒng)接口和GPRS〔通用分組無線業(yè)務(wù)〕接口。其他的接口也就是BSS、NSS和GPRS之間的接口。如圖其中BSS系統(tǒng)內(nèi)部接口有BSC和BTS之間的接口Abis接口，BTS和MS之間的接口Um接口也叫空中接口、BSC與TRAU〔碼型變換速率適配單元〕之間的接口Ater接口和BSC與PCU(分組控制單元)之間的接口AGPRS接口。在BSS系統(tǒng)內(nèi)除了BTS與MS之間的接口傳輸為LAPDm協(xié)議外。所有的接口協(xié)議都為LAPD協(xié)議。在NSS子系統(tǒng)，BSC與MSC之間的接口如下Ater接口A接口BSC←———————→TRAU←———————→MSCLAPD協(xié)議SS.7信令〔7號信令〕NSS內(nèi)部接口有A、B、C、D、E、F接口，其中A接口為BSC和MSC之間的接口、B接口為MSC和VLR之間的接口(由于MSC和VLR之間聯(lián)系密切，關(guān)系甚好，所以設(shè)計時將MSC和VLR的物理實(shí)體設(shè)計在了一起，所以有的有的書上沒介紹B接口)。C接口為HLR到GMSC(網(wǎng)關(guān)移動交換中心，網(wǎng)管主要作用也就是數(shù)據(jù)出入把關(guān))。D接口為MSC到HLR之間的接口。E接口為MSC到GMSC之間的接口。F接口為EIR到MSC之間的接口〔由于我國EIR沒啟用，所以我國沒有F接口〕。H接口為AUC和HLR之間的接口。在NSS內(nèi)部所有的接口所傳的協(xié)議都為SS.7下的MAP協(xié)議。GPRS，首先要說的是GPRS是個業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)名字為通用分組無線業(yè)務(wù)，我們不要被外表欺騙，不要認(rèn)為GPRS就和BSS、NSS一樣屬于一個系統(tǒng)，它是在GSM系統(tǒng)上添加的一個可以傳數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)，當(dāng)然這個數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不是我們所說的短信業(yè)務(wù)，而是我們用網(wǎng)頁上網(wǎng)的一個速率較高業(yè)務(wù)〔相對于短信而言〕。GPRS內(nèi)部的主要網(wǎng)元有SGSN〔GPRE業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)與電路域的MSC功能〕和GGSN〔GPRS網(wǎng)管支持節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于電路域的GMSC〕。GPRS和BSS系統(tǒng)之間的接口如下：AGPRSGb接口BSC←———————→PCU←———————→SGSMLAPD協(xié)議所傳為幀中繼SGSN和GGSN之間的接口為Gn接口，上面所傳的協(xié)議為GTP的tunneling協(xié)議。GGSM面向外網(wǎng)的接口為Gi接口，上面的所傳的協(xié)議為IP協(xié)議。PCU和TRAU其作用是協(xié)同基站完成信號的傳輸和轉(zhuǎn)換，可以看做是BSC的一局部。PCU是完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的處理，而TRAU是完成語音業(yè)務(wù)〔包含低速的點(diǎn)到點(diǎn)短消息業(yè)務(wù)〕的處理。GSM是一個蜂窩網(wǎng)絡(luò)，也就是說移動要連接到它能搜索到的最近的蜂窩單元區(qū)域。GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在多個不同的無線電頻率上。GSM網(wǎng)絡(luò)一共有4種不同的蜂窩單元尺寸：巨蜂窩，微蜂窩，微微蜂窩和傘蜂窩。覆蓋面積因不同的環(huán)境而不同。巨蜂窩可以被看作那種基站天線安裝在天線桿或者建筑物頂上那種。微蜂窩那么是那些天線高度低于平均建筑高度的那些，一般用于市區(qū)內(nèi)。微微蜂窩那么是那種很小的蜂窩只覆蓋幾十米的范圍，主要用于室內(nèi)。傘蜂窩那么是用于覆蓋更小的蜂窩網(wǎng)的盲區(qū)，填補(bǔ)蜂窩之間的信號空白區(qū)域。蜂窩半徑范圍根據(jù)天線高度、增益和傳播條件可以從百米以上至數(shù)十公里。實(shí)際使用的最長距離GSM標(biāo)準(zhǔn)支持到35公里。還有個擴(kuò)展蜂窩的概念，蜂窩半徑可以增加一倍甚至更多。GSM同樣支持室內(nèi)覆蓋，通過功率分配器可以把室外天線的功率分配到室內(nèi)天線分布系統(tǒng)上。這是一種典型的配置方案，用于滿足室內(nèi)高密度通話要求，在購物中心和機(jī)場十分常見。然而這并不是必須的，因?yàn)槭覂?nèi)覆蓋也可以通過無線信號穿越建筑物來實(shí)現(xiàn)，只是這樣可以提高信號質(zhì)量減少干擾和回聲。GSM系統(tǒng)消息的介紹MS為了能得到或提供各種各樣的效勞通常需要從網(wǎng)絡(luò)來獲得許多消息。這些在無線接口播送的消息被稱做系統(tǒng)消息，可分為12種類型：TYPE1、2、2bis、2ter、3、4、5、5bis、5ter、6、7、8。

每個系統(tǒng)消息都有下面不同的元素做組成：

1、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)、位置區(qū)、和小區(qū)的識別消息；

2、小區(qū)提供切換的測量報告消息和小區(qū)選擇的進(jìn)程消息；

3、當(dāng)前控制信道結(jié)構(gòu)的描述消息；

4、該小區(qū)不同的可選項的消息；

5、關(guān)于臨小區(qū)bcch頻點(diǎn)的分配。

系統(tǒng)消息在兩種邏輯信道中傳送，BCCH或SACCH信道：

1、在空閑MODE，網(wǎng)絡(luò)通過BCCH信道傳送系統(tǒng)消息1~4、7、8；

2、在通信MODE，通過SACCH信道傳送系統(tǒng)消息5和6〔包括5bis和5ter消息〕。

3、各種系統(tǒng)消息分別包含的主要內(nèi)容如下：

1〕、系統(tǒng)消息類型1：小區(qū)信道的描述+RACH控制參數(shù)。

2〕、系統(tǒng)消息類型2：鄰小區(qū)BCCH頻點(diǎn)描述+RACH控制消息+允許的PLMN。

3〕、系統(tǒng)消息類型2bis：擴(kuò)展鄰小區(qū)BCCH頻點(diǎn)描述+RACH控制消息。

4〕、系統(tǒng)消息類型2ter：擴(kuò)展鄰小區(qū)BCCH頻點(diǎn)描述2。

5〕、系統(tǒng)消息類型3：小區(qū)識別〔CELLID〕+位置區(qū)識別(LAI)+控制信道描述+小區(qū)選擇+小區(qū)選擇參數(shù)+RACH控制參數(shù)。

6〕、系統(tǒng)消息類型4：位置區(qū)識別+小區(qū)選擇參數(shù)+RACH控制參數(shù)+CBCH信道描述+CBCH移動配置。

7〕、系統(tǒng)消息類型5：鄰小區(qū)BCCH頻點(diǎn)的描述。

8〕、系統(tǒng)消息類型5bis:擴(kuò)展鄰近小區(qū)BCCH頻點(diǎn)描述?！膊煌l段間的bcch描述，例如gsm900與dcs1800間handoverrequest〕。

9〕、系統(tǒng)消息類型5ter:擴(kuò)展鄰近小區(qū)BCCH頻點(diǎn)描述。

10〕、系統(tǒng)消息類型6:小區(qū)識別+位置區(qū)識別+小區(qū)選擇。

11〕、系統(tǒng)消息類型7：小區(qū)重選參數(shù)：

12〕、系統(tǒng)消息類型8：小區(qū)重選參數(shù)：

BCCH信道是一個小容量的信道，每51復(fù)幀〔235ms〕僅有四幀〔一個消息塊〕傳送一個23字長Lapdm的消息。

無線信道GSM信道分為物理信道和邏輯信道〔物理信道上所承載的信息〕，其中邏輯信道又分為控制信道(CCH)和業(yè)務(wù)信道〔TCH〕?？刂菩诺揽煞譃椴ニ托诺?、公共控制信道、專用控制信道三局部組成，如表3名稱播送信道(BCH)頻率校正信道〔FCCH〕同步信道〔SCH〕播送控制信道〔BCCH〕公共控置信道〔CCCH〕尋呼信道〔PCH〕隨即接入信道〔RACCH〕允許接入信道〔AGCCH〕專用控制信道〔DCCH〕獨(dú)立專用信道〔SDCCH〕慢速隨路控制信道〔SACCH〕快速隨路控制信道〔FACCH〕其中FCCH為頻率校正信道：為全0信息，在定標(biāo)頻點(diǎn)上發(fā)送，主要作用為方便用戶識別該小區(qū)。SCH為同步信道：SCH中包含該時間的幀號和BSIC號碼BSIC基站識別色碼：由NCC(網(wǎng)絡(luò)色碼)和BCC(基站色碼)構(gòu)成?！矊τ谝恍┰拕?wù)量較大的市區(qū)內(nèi)由于不存在MSC的區(qū)分，因此可以將NCC當(dāng)BCC使用以增加業(yè)務(wù)量〕必須保證使用相同BCCH載頻的相鄰或相近小區(qū)具有不同的BSIC，不然移動臺切換時將無法識別該小區(qū)從而導(dǎo)致切換失敗而掉話〔也就是死鎖現(xiàn)象〕。BCCH播送控制信道：為移動臺發(fā)送小區(qū)選擇、小區(qū)重選、小區(qū)重選觸發(fā)條件的參數(shù)，其發(fā)送的系統(tǒng)消息有〔1、2、2bis、2ter、3、4、7、8〕，在空閑狀態(tài)下接收，上行時這些消息由SDCCH(獨(dú)立專用控制信道)來發(fā)送。PCH尋呼信道:發(fā)送的信息有用戶的IMSI和TEMS號碼，以及接入原因〔主叫、被叫、鑒權(quán)、P-TO-P短消息等〕。下行信道RACH隨即接入信道：包含用戶信息和用戶產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列。上行信道。AGCH允許接入信道：假設(shè)用戶跳頻那么包含跳頻序列號，假設(shè)不跳頻那么為頻點(diǎn)號，TA值〔時間提前量的值〕。以及在RACH中產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列號。SDCCH獨(dú)立專用控制信道：空閑狀態(tài)下的點(diǎn)到點(diǎn)的短消息，呼叫建立過程中傳送系統(tǒng)信令，如位置更新消息、短消息、鑒權(quán)消息、加密命令及處理各種附加業(yè)務(wù)在此信道上進(jìn)行。SACCH慢速隨路控制信道：下行是傳送系統(tǒng)消息、切換相鄰小區(qū)列表參數(shù)、新TA值，以及空閑狀態(tài)下的短消息。上行傳用戶切換相鄰小區(qū)列表測量報告，上一周期的TA值、功率控制和忙時的點(diǎn)到點(diǎn)的短消息。FACCH快速歲路控制信道：快速隨路控制信道主要是在專用狀態(tài)下小區(qū)進(jìn)行切換時，F(xiàn)ACCH占用TCH業(yè)務(wù)信道傳送切換的信令信息，當(dāng)切換完成時FACCH信道釋放，重新由TCH占用資源傳送用戶業(yè)務(wù)信息。即通信中的偷幀現(xiàn)象。四．GSM的主要信令過程分析GSM協(xié)議可以分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。其中應(yīng)用層又分為CM(協(xié)議管理)層、MM〔人機(jī)〕層和RR〔無線資源管理〕層。在GSM協(xié)議中只有對應(yīng)層和對應(yīng)層才可以相互通話。也就是說，CM層只能和CM層通話，MM層只能和MM層通話,而下層是為上層之間的通話做效勞的。其中MS和BTS之間的接口為Um接口，傳輸?shù)膮f(xié)議為LAPDm協(xié)議。物理層傳輸?shù)膮f(xié)議也就為〔radio〕無限信號。BTS與BSC之間的接口為Abis接口，傳輸?shù)膮f(xié)議為LAPD，傳輸?shù)膮f(xié)議為經(jīng)PCM編碼后的比特流信息。BSC和MSC之間的接口為A接口,傳輸?shù)膮f(xié)議為SS.7信令。其中O&M為操作與維護(hù)系統(tǒng)，BSSAP為基站子系統(tǒng)應(yīng)用局部，BSSMAP為基站子系統(tǒng)管理局部，DTAP為直接傳送應(yīng)用局部,SCCP為信令連接控制局部，MTP3、MTP2、MTP1分別為層3信令、層2信令和層1信令。TCAP為處理能力應(yīng)用局部。五．GSM頻率配置1.GSM900MHz頻段GSM900MHz頻段雙工間隔為45MHz，有效帶寬為25MHz，124個載頻，每個載頻8個信道。GSM900：上行〔MHz〕890-915；下行〔MHz〕935-960〔GSM最先實(shí)現(xiàn)的頻段，也是使用最廣的頻段〕GSM900E：上行〔MHz〕880-915；下行〔MHz〕925-960〔900MHz擴(kuò)展頻段〕2.中國GSM900使用頻率①中國移動●上行頻段：890-909MHz●下行頻段：935-954Mhz②中國聯(lián)通●上行頻段：909-915MHz●下行頻段：954-960Mhz3.GSM1800MHz頻段GSM1800MHz頻段雙工間隔為95MHz，有效帶寬為75MHz，374個載頻，每個載頻8個信道。GSM1800：上行〔MHz〕1710-1785；下行〔MHz〕1805-1880〔適用于對信道容量需求大的市場，應(yīng)用范圍僅次于900M?！?.中國GSM1800使用頻率①中國移動●上行頻段：1710-1720MHz●下行頻段：1805-1815Mhz②中國聯(lián)通●上行頻段：1745-1755Mhz●下行頻段：1840-1850MHz5.市場狀況到2004年全球有超過10億人使用GSM，GSM占到全球移動市場份額的70%。GSM的主要競爭CDMA〔主要在美國和加拿大使用〕盡管有好的前景但是有限，被作為3G標(biāo)準(zhǔn)過渡的CDMA沒有展現(xiàn)出全部的功能。還有，因?yàn)閃-CDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的推遲，導(dǎo)致至少在高密度通話這塊市場GSM的消亡速度還很慢，但是那是遲早的事情。在1998到2000年之間導(dǎo)致GSM用戶增長的主要原因是移動運(yùn)營商推出預(yù)付費(fèi)效勞。它允許那些不能或者不想跟運(yùn)營商簽署合同的的人們擁有移動。這種效勞在歐洲的移動運(yùn)營商之間競爭也比擬劇烈，即使沒有長期的簽證，人們也可以從運(yùn)營商那里以很低廉的價格買到一款。六．GSM平安GSM被設(shè)計具有中等平安水平。系統(tǒng)設(shè)計使用共享密鑰用戶認(rèn)證。用戶與基站之間的通訊可以被加密。UMTS的開展提供了一個選擇，就是USIM，它使用更長鑒別密鑰保證更好的平安以及網(wǎng)絡(luò)和用戶的雙向驗(yàn)證。GSM只有網(wǎng)絡(luò)到用戶的驗(yàn)證.雖然平安模塊提供了保密和鑒別功能，但是鑒別能力有限而且可以偽造。GSM為了平安使用多種加密算法。A5/1和A5/2兩種串流密碼用于保證在空中語音的保密