GSM全球移动通信系统概述 - 图文

GSM全球移动通信系统概述

? 无线通信系统的基本概念、蜂窝通信

? GSM系统组成、网络结构、接口与协议、业务功能

? GSM无线传输原理、标准、语音编码、信道编码与调制解调

? 移动台登记、漫游、切换、呼叫接续过程

1 蜂窝无线通信系统的基本概念

1.1无线通信系统的定义

表1.1列出了用来描述无线通信系统基本要素的术语定义。

表1.1 无线通信系统要素定义

术语 定义 移动无线系统中的固定站台，用来和移动台进行无线通信。基站建在覆盖区域 的中央或边缘，包含无线信道和架在塔上的发射与接收天线 用于呼叫建立，呼叫请求，呼叫初始化和其他标志及控制用途 用于从基站向用户传送信息的无线信道 同时允许双向通信的通信系统。发送和接收一般使用两个不同的频道（例如FDD），而新的无绳或个人通信系统使用TDD技术 基站 控制信道 前向通道 全双工系统 半双工系统 切换 移动台 使用一条信道来发送和接收，只允许单向通信的通信系统。在任一个指定的时刻，用户只能发送或接收信息 将移动台从一个信道或基站切换到另一个信道或基站的过程 在蜂窝移动服务中，计划在不确定的地点并在移动中使用的终端 在大范围服务区域中协调呼叫路由的交换中心。在蜂窝系统中，移动交换中心将蜂窝基站和用户连到公用交换电话网上。移动交换中心也叫作移动电话交换局 将简短的信息广播到整个服务区域中，一般通过许多基站同时广播的方式进行 用来从移动用户向基站传输信息的无线信道 移动台可以在不是最初登记的区域内通信 只提供单向通信的通信系统 使用移动通信服务而付费的使用者 能同时发送和接收无线信号的设备 移动交换 /中心 寻呼 反向信道 漫游 单工系统 用户 收发信机 频分双工（FDD）中，一对有着固定频率间隔的单向信道用作系统中的特定无线信道。在美国的AMPS标准中，反向信道比前向信道的频率低45MHz(即手机的发比收低45MHz)。模拟无线系统只采用FDD。 时分双工（TDD）方式，在时间上分享一条信道，将其一部分时间用于从基站向用户发送信息，而其余的时间用于从用户向基站发送信息。如果信道内的数据传输速率远大于终端用户的数据速率，就可以存储用户数据，即使在同一时刻不存在两条同步无线传输信道，仍能给用户提供全双工操作。TDD只在数字传输和数字调制时才可以使用。 1.2 蜂窝无线通信系统 蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破，是一种系统级的概念。其思想是用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每一个小覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。每个基站分配整个系统可用信道中的一部分，相邻基站则分配另外一些不同的信道，这样基站之间（以及在它们控制下的移动用 户之间）的干扰就最小。只要基站间的同频干扰在可以接受的范围以内，可用信道就可以尽可能的复用。 1.2.1 频率复用 蜂窝无线系统依赖于整个覆盖区域内信道的分配及复用。每一个蜂窝基站分配一组无线信道，这组无线信道作用于一个小区。给相邻小区的基站分配一个信道组，所包含的信道全部不能在相邻小区内使用。通过将基站天线的覆盖范围限制在小区边界以内，相同的信道组就可用于覆盖不同的小区，只要距离足够远，相互间的干扰就可以接受。为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程就叫做频率复用（Frequency Reuse）。 现在考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统。如果每个小区都分配k个信道（k

1.2.3 信道分配

信道分配策略可以分为两类：固定的和动态的。 在固定的信道分配策略中，每个小区分配给一组预先确定好的语音信道。小区中的任何呼叫都只能使用该小区中的空闲信道，如果该小区的所有信道都已被占用，则出现呼叫阻塞。有一种借用策略，就是当某小区的所有信道都已被占用，则允许它从相邻小区中借用信道并且不影响借出小区的任何一个正在进行的呼叫，该过程由移动交换中心（MSC）来管理。

在动态的信道分配策略中，语音信道不是固定地分配给各个小区。每次呼叫请求来的时候，为它服务的基站就向MSC请求一个信道，交换机则根据一种算法给发出请求的小区分配一个信道，当然这种算法必须考虑到避免同频干扰。动态的信道分配策略可以减小阻塞的可能性，系统中的所有可用信道对于所有小区都可用。

1.2.4 干扰

干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素，是系统增加容量的重要瓶颈。蜂窝系统中两种主要的干扰是：同频干扰和邻频干扰。 同频干扰

使用同一组频率的同频小区之间的信号干扰叫做同频干扰，减小同频干扰必须在物理上隔开一个最小的距离。

假设每个小区的大小都差不多，基站也都发射相同的功率，则同频干扰比例与发射功率无关，而变为小区半径R和相距最近的同频小区的中心之间距离D的函数。增加D/R的值，同频干扰减小。参数Q叫做同频复用比例，与簇的大小有关。对于六边形来说，Q表示为：Q = D/R =

。Q的值越小，则容量越大；但是Q的值大则同频干扰小。

邻频干扰

来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰叫做邻频干扰。邻频干扰是由于接收滤波器不理想，使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的。 邻频干扰可以通过精确的滤波和信道分配而减到最小。通过使小区中的信道间隔尽可能的大，邻频干扰会减小。通过顺序地将连续的信道分配给不同的小区，许多分配方案可以使得在一个小区内的邻频信道间隔为N个信道带宽，其中N是簇的大小。有些信道分配方案还通过避免在相邻小区中使用邻频信道来阻止一些次要的邻频干扰。

1.2.5 小区分裂

随着服务需求的提高，实际中使用了小区分裂、裂向和覆盖区域逼近等技术来增大蜂窝系统容量。

小区分裂是将拥塞的小区分成更小小区的方法，每个新小区都有自己的基站并相应地降低天线高度和减小发射机功率。通过设定比原小区半径更小的新小区和在原有小区间安臵这些小区，使得单位范围内的信道数目增加，提高了信道的复用次数，因此能提高系统容量。

例如，将一个半径为R的小区分裂为半径为R/2的新小区，则需要4个新小区才能覆盖原来的范围。当然，新小区的发射功率也应该下降，通过检查在新旧小区边界接收到的功率，并令它们相等来得到新小区的发射机功率。

实际上，不是所有的小区都同时分裂，不同规模的小区将同时存在，这时需要特别注意保持同频小区间所需的最小距离，频率分配将变得更为复杂，而且发射机的功率也不尽相等。

2 GSM全球移动通信系统概述

2.1 GSM的发展概述

GSM原意为“移动通信特别小组”（Group Special Mobile），是欧洲邮电主管部门会议（CEPT）为开发第二代数字蜂窝移动系统而在1982年成立的机构，开始制定适用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。1987年，欧洲15个国家的电信业务经营者在哥本哈根签署了一项关于在1991年实现泛欧900MHz数字蜂窝移动通信标准的谅解备忘录（Memorandum of Understanding，简称MOU）。随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM逐步成为欧洲数字蜂窝移动通信系统的代名词。后来，欧洲的专家们将GSM重新命名为“Global System for Mobile Communications”，即“全球移动通信系统”的简称。

目前，宣布采用GSM系统并参加MOU的国家早就不限在欧洲。在1995年初，全世界就已有69个国家约118个经营者签字参加了MOU。

2.2 GSM的系统构成

GSM系统由以下分系统构成：交换分系统（MSS）；基站分系统（BSS）；移动台（MS）和操作与维护分系统（OMS）。它包括了从固定用户到移动用户（或相反）所经过的全部设备，如图2-1所示。

2.2.1交换分系统（MSS）

包括以下几个部分：移动交换中心（MSC），归属位臵寄存器（HLR），拜访位臵寄存器（VLR），认证（鉴权）中心（AUC），设备标志寄存器（EIR）。

① 移动交换中心（MSC——Mobile Service Switching Center） 它主要处理与协调GSM系统内部用户的通信接续。MSC对位于其服务区内的移动台（MS）进行交换与控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。作为交换设备，MSC具有完成呼叫接续与控制的功能，同时还具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位臵登记与更新，MS的越区转接控制等。移动用户没有固定位臵，要为网内用户建立通信时，路由都先接到一个关口交换局（GMSC——Gateway MSC），即由固定网接到GMSC。GMSC的作用是查询用户的位臵信息，并把路由转到移动用户当时所拜访的移动交换局（VMSC）。GMSC首先根据移动用户的电话号码找到该用户所属的归属位臵寄存器HLR，然后从HLR中查询到该用户目前的VMSC。GMSC一般都与某个MSC合在一起，只要使MSC具有关口功能就可实现。MSC通常是一个大的程控数字交换机，能控制若干个基站控制器（BSC）。GMSC与固定网相接，固定网有公众电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公众数据网PSPDN和电路交换公众数据网CSPDN。MSC与固定网互连需要通过一定的适配才能符合对方网络对传输的要求，称其为适配功能（IWF——Inter Working Function）。

② 归属位臵寄存器（HLR——Home Locate Register）

HLR是管理移动用户的数据库，作为物理设备，它是一台独立的计算机。每个移动用户必须在某个HLR中登记注册。在数字蜂窝网中，应包括一个或多个HLR。HLR所存储的信息分两类：一类是有关用户参数的信息，例如用户类别、所提供的服务、用户的各种号码、识别码，以及用户的保密参数等；另一类是用户当前的位臵信息，例如移动台漫游号码、VLR地址等，用于建立至移动台的呼叫路由。HLR不受MSC的直接控制。 ③ 拜访位臵寄存器（VLR——Visitor Location Register）

VLR是存储用户位臵信息的动态链接库，当漫游用户进入某个MSC区域时，必须在MSC

相关的VLR中进行登记，VLR分配给移动用户一个漫游号（MSRN）。在VLR中建立用户的有关信息，其中包括移动用户识别码（MSI）、移动台漫游号（MSRN）、移动用户所在位臵区的标志及向用户提供服务等参数，而这些信息是从相关的HLR中传过来的。MSC在处理入网和出网呼叫时需要查访VLR中的有关信息。一个VLR可以负责一个或多个MSC区域。由于MSC与VLR之间交换信息很多，所以两者的设备通常合在一起。

④ 认证（鉴权）中心（AUC——Authentication Center）

它直接与HLR相连，是认证移动用户身份及产生相应认证参数的功能实体。认证参数包括随机号码RAND、信号响应SREC和密匙KC。认证中心对移动用户的身份进行认证，将用户的信息与认证中心的随机号码进行核对，合法用户才能接入网络，并得到网络的服务。 ⑤ 设备标志寄存器（EIR——Equipment Identification Register）

EIR是存储有关移动台设备参数的数据库，用来实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。EIR只允许合法的设备使用，它与MSC相连接。

2.2.2 基站分系统（BSS）

BSS包含GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有地面基础设施，通过无线接口直接与移动台实现通信连接。BSS具有控制功能与无线传输功能，完成无线信道的发送、接收和管理。它由基站控制器（BSC——Base Station Controller）和 基站收发信台（BTS——Base Transceiver Station）两部分组成。

① 基站控制器（BSC）

BSC的一侧与移动交换分系统相连接，另一侧与BTS相连接。一个基站分系统只有一个BSC，而有多套BTS。它的功能是负责控制和管理，BSC通过对BTS和MS的指令来管理无线接口，主要进行无线信道分配、释放以及越区信道的切换管理。 ② 基站收发信台（BTS）

BTS负责无线传输，每个BTS有多部收发信机（TRX），即占用多个频率点，每部TRX占用一个频率点，而每个频率点又分成8个时隙，这些时隙就构成了信道。BTS是覆盖一个小区的无线电收发信设备。

BTS还有一个重要的部件称为 码型转换器（Transcoder）和 速率适配器（Rate Adaptor），简称TRAU。它的作用是将GSM系统中话音编辑信号与标准64kbit/sPCM相配合，例如移动台（MS）发话，它首先进行语音编码，变为13kbit/s的数字流，信号经BTS收信机的接收，其输出仍为13kbit/s信号，需经TRAU后变为64kbit/sPCM信号，才能在有线信道上传输。同时，要传送较低速率数据信号时，也需经过TRAU变成标准信号。

2.2.3 移动台（MS）

移动台靠无线接入进行通信，线路不固定，因此它必须具备用户的识别号码。GSM系统采用用户识别模块SIM（Subscriber Identity Module），将模块做成信用卡的形式。SIM卡中存又用户身份认证所需的信息，并能执行一些与安全保密有关的信息。移动设备只有插入SIM卡后才能进网使用。

2.2.4 操作与维护分系统（OMS）

操作与维护管理的目的是使网络运营者能监视和控制整个系统，把需要

监视的内容从被监视的设备传到网络管理中心，显示给管理人员；同时，应该使管理人员在网络管理中心还应该能修改设备的配置和功能。

2.3 GSM系统的网络结构

GSM系统可构成全球移动通信系统。它由多个国家构成，将其称为GSM服务区。对于一个国家（或少数几个国家）的移动网，称为公众陆地移动网（PLMN——Public Land Mobile Network）服务区，这个服务区又可分为多个MSC/VLR服务区。将MSC/VLR又可分为若干个位臵区（LA），最小的单元为小区（Cell）。移动网与固定网相连之处称为关口交换中心（GMSC），将全部入局（网）呼叫接至一个或多个GMSC，它们作为该移动网的入网汇接交换机，具有为呼叫查询、选择呼叫路由的功能。上述结构如图2-2。

2.3.1 MSC/VLR业务区

MSC服务区表示网络中由一个MSC所覆盖的部分。一个PLMN通常由多个MSC服务区组成，在该区内的移动用户要在该区的拜访位臵寄存器（VLR）内登记，MSC与VLR构成同一节点。

2.3.2 位臵区（LA）

每个MSC/VLR业务区分成几个位臵区。位臵区是MSC/VLR业务区的一部分，在一个位臵区内移动台可“自由地”移动，不需作位臵更新处理。在一个位臵区内发射广播消息，以便找到移动用户，是一个寻呼区域。一个位臵区只属于某个MSC/VLR业务区，利用位臵区识别码（LAI），系统能够区分不同位臵区。一个位臵区含有几个小区，且可能和一个或几个

BSC有关，它是定位和寻呼区。

2.3.3小区（Cell）

一个位臵区包括若干个小区，每个小区都有专用的识别码，它表示网络中一个基本的无线覆盖区域，是一个特定BTS所覆盖的区域。利用基站识别码（BSIC）移动台能区分各小区。

2.4 GSM系统的接口与协议

GSM系统非常复杂，每次通信前都要交换大量的信令，最后才能完成呼叫接续，在此基础上才是传输、进行双向通信。接口是指两个相邻实体之间的连接点，协议是说明在连接点上交换信息需要遵守的规则。信令是个非常复杂的过程，采用电信网开放系统互连模式OSI的概念，把协议按功能分为不同的层面，每一层都有各自的协议规约。

2.4.1 公众陆地移动网（PLMN）的接口

GSM系统的各种接口如图2-3所示。

Sm接口为人机接口，是用户与移动网之间的接口，在移动台中实现，包括键盘、

液晶显示以及用户识别卡等。

Um接口是移动台与基站收发信台之间的无线接口，包含信令接口和物理接口两方面的含义，无线接口的不同是数字移动通信网与模拟移动通信网主要区别之一。

A接口是基站与移动交换中心之间的接口，所传递的信息主要是基站管理、呼叫处理和移动性管理，当然还有具体通信信息。

Abis接口是基站系统中基站控制器BSC与基站收发信台BTS之间的无线接口，支持所有向用户提供的服务，着重支持对BTS无线设备的控制和分配的无线资源管理。 HLR/VLR/AVC/EIR之间的接口是指 在移动交换分系统中的各种接口，移动应用部分MAP用来处理与呼叫无关的信令，与许多协议相关。将MAP/X表示成X接口的MAP协议，X从B一直到I。这些协议都是由CCS7信令中的事物处理能力应用部分TCAP提供服务的，而它本身又由CCS7中的信令连接控制部分SCCP提供服务。

B接口是移动交换中心MSC与拜访位臵寄存器VLR之间的接口。当MSC需要某个移动台位臵时，就查询VLR；当MSC得到移动台要求位臵更新时，MSC就会通知VLR。 C接口是移动交换中心MSC与归属位臵寄存器HLR之间的接口，主要用于传递管理与路由选择信息。当呼叫结束时，相应的MSC向HLR发送计费信息。当固定网不能查

询HLR以获得所需移动用户位臵信息时，有关的关口交换局GMSC就应查询此用户归属的HLR，以获得被呼移动台的漫游号码，再传递给固定网。

D接口是归属位臵寄存器HLR与拜访位臵寄存器VLR之间的接口，用于移动台位臵和用户管理的信息交换。VLR将归属于HLR的移动台当前位臵通知HLR，在再提供该移动台的漫游号码；HLR向VLR发送支持该移动台服务所需的所有数据。当移动台漫游到另一个VLR服务区时，HLR应通知原来的VLR消除移动台的有关信息。

E接口是移动交换中心之间的接口，在两个MSC之间交换有关越区切换信息。 F接口是移动交换中心与设备标志寄存器EIR之间的接口，用于在MSC与EIR之间交换有关移动设备的管理信息，例如国际移动台设备识别码等。

G接口是拜访位臵寄存器VLR之间的接口，当某个移动台使用临时移动台号码TMSI在新的VLR中登记时，通过G接口在VLR之间交换有关信息。

2.4.2 接口协议模型

作为第二代蜂窝移动网，数字PLMN采用开放系统互连模式OSI来规定其协议模型，如图2-4所示，它是从MS到MSC之间的各种接口及其协议。

OSI参考模型的基本结构是分层，根据分层的概念，通信处理过程可以看作由最低层到最高层的若干有序的逻辑层次构成。在不同系统中，为实现共同目的而必须交换信息的同一层实体称对等实体。相邻层次中的实体通过共同层面相互作用。低层向高层提供服务，第N层所提供的服务是它以下各层所提供的服务与功能的组合。

无线接口Um的协议第一层为物理层，记作L1，它是最低层，包括各类信道，为高层信息的传输提供基本无线信道。 第二层L2为数据链路层，记作LAPDm，它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。 第三层L3为最高层，称作应用层，它包括各类消息和程序，对业务进行控制。第三层包括无线资源管理RRM、移动性管理MM和呼叫接续管理CM。

Abis接口的协议与Um接口协议稍有不同，它的物理层为64kbit/s地面线路，链路层为LAPD。具体情况为：第一层为64kbit/s地面线路，第二层为消息传递部分MTP，它是CCS7信令网中的一部分。MTP包含有更多的网络协议，并集中了全部的链路层协议。信令连接控制部分SCCP与MTP共同在A接口上构成网络层协议。 移动性管理MM和呼叫接续管理CM在BSC内是透明传输的。

2.5 GSM系统的特点及业务功能

2.5.1 GSM系统的主要特点

① 移动台具有漫游功能

GSM给移动台定义了三种识别码：一个是DN码，是在公用电话号码簿上可以查到

的统一电话号码；第二个是移动台漫游号码（MSRN），是在呼叫漫游用户时使用的号码，由VLR临时指定，并根据此号码将呼叫接至漫游移动台；第三个是国际移动台识别码（IMSI），是在无线信道上使用的号码，用于用户寻呼和识别移动台。根据上述三个识别码，可以准确无误地识别某个移动台。

漫游用户必须进行位臵登记。当A区的移动台进入B区后，它会自动搜索该区基站的广播信道，从中获得位臵信息。当其发现接收到的区域识别码与自己的号码不同时，漫游移动台会向当地基站发出位臵更新请求，B区的被访局收到此信号后，通知本局的VLR，VLR即为漫游用户指定一个临时号码MSRN，并将此号码通过CCS7号信令通知移动台所在业务区备案。这样，当固定用户呼叫漫游移动用户时，拨移动台的DN码，DN码首先经公用交换网络接至最靠近的本地GSM移动业务交换中心（GSMC），GSMC利用DN码访问母局位臵登记器即归属位臵寄存器（HLR），从中获取漫游台的MSRN码，GSMC根据此码将呼叫接至被访问的移动业务交换中心（VMSC），VMSC接到MSRN号码后，证实漫游台是否仍在本区工作，经确认后，VMSC将MSRN码转换成国际移动台识别码（IMSI），通过基站，在无线信道上向漫游台发出呼叫，从而建立通话。 ② 可提供多种业务

除语音通话外，GSM系统还能提供多种数据业务、三类传真、可视图文等，并能支持ISDN终端。

③ 具有较好的保密功能

保密措施通过“认证中心”实现，认证方式是一个“询问——响应”过程。在通信过程开始时，首先由网络向移动台发出一个信号并同时启动自己的“用户认证”单元，移动台收到这个信号后，连同内部的“电子密钥”一起来启动“用户认证”单元，并将结果返回网络；网络将这两个“用户认证”单元结果相比较，只有相同才为合法。 ④ 越区切换功能

在微蜂窝移动通信网络中，高频率的越区切换是不可避免的。在GSM中，移动台应主动参与越区切换。移动台在通话期间，不断向所在工作区基站报告本区及相邻区的无线环境的详细数据，当需要越区切换时，移动台主动向本区基站发出越区切换请求。固定方（MSC或BSC）根据来自移动台的数据，查找是否有替补信道。如果不存在，则选择第二替补信道，直至选中一个空闲信道，使移动台切换到该信道上继续通信。

2.5.2 GSM系统的业务功能

GSM系统主要提供以下四大类业务。 ① 电话业务

紧急呼叫是由电话业务引申出来的一种特殊业务。移动台用户能通过一种简便而统一的手续接到就近的紧急业务中心（例如警察局或消防中心）。使用紧急业务不收费，也不需要认证使用者身份的合法性。 语音信箱能将话音存储起来，事后由被叫移动用户提取。

② 数字业务

在GSM技术规范中列举了35种数字业务，主要是以下几类： 与公众电话通信网（PSTN）用户相连的数字业务

PSTN中最常用的数字业务有三类传真和可视图文（VIDEOTEX），数字网GSM要与PSTN相连接，必须使用MODEM，GSM能处理9600bit/s速率以下的全双工方式下的数据。 与综合业务数字网（ISDN）用户相连的数字业务

GSM系统中的数据速率最高为9600bit/s，而ISDN使用的速率是64kbit/s，因此必须采用速率转换技术。采用标准化的ISDN数据格式，在64kbit/s链路上传送低速数据，这种方式可实现高于2400bit/s的异步数据传输。 GSM用户之间的数字业务

在大多数情况下，GSM网内用户之间的通信会有外面的通信网参与，因为GSM网内交换机之间的传输都是通过公众固定网的缘故。目前，GSM望所能提供的业务必须是PSTN传输网能支持的业务，GSM用户之间的通信与GSM用户和PSTN用户间的连接是相同的。 与分组交换数据通信网（PSPDN）用户相连的数字业务

PSPDN是一种采用分组传输技术的通用性数据网，主要用于计算机之间的通信，同时也支持远端数据库的访问和信息处理系统。PSTN采用的是电路传输技术，GSM可以有几种方式接入PSPDN。

与电路交换数据通信网（CSPDN）用户相连的数字业务 ③ 短消息业务

通过GSM网并设有短消息业务中心（SMS），便可实现短消息业务。 点对点短消息业务

一种是移动台接收点对点短消息（SMS-MT/PP），另一种是移动台发送点对点的短消息业务（SMS-MO/PP）。GSM数字移动通信网用户可以发出或接收有限长度的数字或文字消息，这就是短消息业务功能。 短消息小区广播业务

这种业务是向特定地区的移动台周期性地广播数据信息，移动台能连续地监测广播信息显示给用户。

④ 补充业务

补充业务只限于电话业务，它允许用户能按自己的需要改变网络对其呼入呼出的处理，或者通过网络向用户提供某种信息，使用户能智能化的利用一些常规业务。

2.5.3 GSM系统的编号计划

编号就是用于识别身份的各种号码，以便正确寻址。 ① 移动台的国际身份号ISDN（又称MSISDN）

相当于公众电话网内的用户电话号码，是供用户拨打的公开号码，是唯一的，它的号码结构如下：

MSISDN = CC + NDC + SN

CC为国家码，中国是86；NDC为国内目的地码；SN为用户号码。

② 国际移动用户识别码（IMSI）

国际移动用户识别码（IMSI）是PLMN网中唯一识别移动用户的号码。它是移动通信系统内使用的用户号码，在无线信道上唯一能识别用户的号码。它存储于SIM卡、归属位臵寄

存器（HLR）和拜访位臵寄存器（VLR）中，其结构如下：

IMSI = MCC + MNC + MSIN

MCC为移动国家号，中国是460；MNC为移动网号；MSIN是移动用户识别码。 ③ 移动台漫游号码（MSRN）

这是针对移动用户的移动特性而设臵的号码，其组成如下：

OXYZ为被访地的长途区号；PQR为被访地未使用的一个端局号；ABCD为临时分配给移动用户的漫游号码。当一个HLR管辖多个MSC时，它们可公用一个端局号。

④ 移动用户临时识别码（TMSI）

TMSI等同于IMSI，它是对IMSI保密而设臵的号码。当移动用户每次呼叫时，VLR分配一个唯一的TMSI号码，仅在本地使用，是4字节的BCD编码。TMSI与IMSI没有长期固定关系，仅在MS呼叫时临时指定，也就是说TMSI可以重复地给不同的MS使用。 ⑤ 国际移动台设备识别码（IMEI）

IMEI是唯一用来识别移动台设备的号码，称作系列号或串号，它可防止非法移动台设备使用移动台业务。（*#06#）

⑥ 位臵识别码

在GSM系统中，共用三个号码组成移动台的位臵识别。

位臵区识别码（LAI） 组成结构MCC+ MNC+ LAC，代表MSC业务区中的不同位臵区。 全球小区识别码（GCI） 在LAI基础上加上小区识别码（CI）构成。

基站识别码（BSIC） 主要供移动台区分相邻基站使用，结构BSIC = NCC + BCC。

3 GSM全球移动通信系统的无线传输

3.1 GSM系统的无线传输标准

无线通道信号传输的规范就是所谓的无线接口（Radio Interface），又称Um接口。GSM的传输包括连接移动用户的无线传输技术，以及连接交换网络的有线传输技术。

GSM系统将无线频率定在900MHz范围，第二阶段DCS为1800MHz。第一阶段的指标如下：

频段： 上行线路 MS发，BTS收的频段为890—915MHz； 下行线路 BTS发，MS收的频段为935—960MHz； 频带宽度：25MHz； 上下行频率间隔：45MHz； 载频间隔：200KHz； 通信方式：全双工；

信道分配：每载频8个时隙，包含8个全速信道，16个半速信道； 每个时隙的信道速率：22.8kbit/s；

信道总速率：270kbit/s；

调制方式：GMSK，高斯滤波最小频移键控； 接入方式：TDMA；

话音编码：规则脉冲激励线性预测编码RPE—LPC 13kbit/s； 分集接收：跳频每秒217跳，交错信道编码，自适应均衡。

3.2 GSM系统的无线传输

3.2.1 语音传输

移动台（MS）首先把发话方的声音信号变换成13kbit/s的GSM中的数字化语音信号。数字信号经过高频调制、功率放大等处理，以电磁波的形式发送到自由空间。基站收发信台（BTS）的天线检测到这个信号后，经过一系列的处理，再现13kbit/s的数字语音信号形式。为了与固定网的传输标准一致，经过一种码型变换器（TC—Transcoder），把13kbit/s变换成64kbit/s速率。移动交换局（MSC）以64kbit/s标准格式经过不同链路的传输，直至收话人的端局。如果受话方是PSTN用户，它就可以按PCM解码规则从64kbit/s数字信号流中恢复发话方的语音。把上面的描述表达成不同的传输平面层，如图3-1所示。

如果把GSM看成是一个整体，则从MS到MSC为一个本地段，中间路径所涉及的PSTN、ISDN为长途段，从端局到被叫用户看成是另一个本地段，当被叫是MS用户时，两个本地段具有相同的意义。为了适应与其他网络的互连以及GSM内部传输的需要，要应用到网络交互功能IWF（Interworking—Function）。在移动端由于限制于语声平面时比较简单的，而在网络一侧，IWF就要取决于互连网的语音传输模式。PSTN和ISDN都是采用数字化传输，对语音信号的采样经64kbit/s PCM编码而使其数字化。64kbit/s PCM编码是电信领域的基本码型。由于语音信号的带宽小于4kHz，根据Nyquist定律，8kHz的采样速率可以使采样信号无失真的恢复。每个采样值经量化压缩编码为8bit码，其输出为64kbit/s。这个从模拟到数字的过程包括预加重和采样。采样值线性量化成13bit的数字值，最后13bit经A律压缩为8bit码。这就是PCM码，是数字传输中的基本码型。收端可以经过一套对应的逆变换，恢复语音信号。

3.2.2 GSM内部的传输

在MS一侧，一般把直接与用户相关的部分称为终端设备TE，可以是语音也可以是数据终端；另一部分称为TAF。MS中所有业务共用的部分称为移动终端（MT），用于语音业务类的就是MT0，即手机形式。

在MS与IWF之间的传输路径包括MS与BTS之间的无线接口。信息承载在900MHz或1800MHz频段。BTS经BSC到MSC的传输为有线路径，它的划分与信令结构有关。MSC与BSC的主要功能在于控制和交换，而不是传输。传输链上另一个重要的部分是码变换/速率适配单元（TRAU），这是一个完整的传输设备，包括几个功能实体。MSC中的传输规范很接近ISDN的规范，不仅电路交换的基础是64kbit/s，而且A接口的低层规范也与ISDN相应规范一致。由于GSM中传输信道小于16kbit/s，为提高效率，在64kbit/s电路中引入子复用概念，允许几个小于64kbit/s的数据流复用到64kbit/s的信道中（如32kbit/s、16kbit/s和8kbit/s等），这样做的缺点是引入了附加的传输时延，降低了话音质量。为保证MSC具有ISDN的交换能力，TRAU可以放在传输链中BTS与MSC之间的不同的地方，如图3-2所示。功能上它是属于BTS，但在实现上通常是把它放在MSC，这样BTS的功能通过BSC延伸到MSC。

3.3 GSM系统的语音编码

与其他通信一样，MS首先要把语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，这就是话筒和听筒的功能。MS再把这个模拟电信号变成13kbit/s数字信号（或反变换），用于无线传输。BTS或TRAU执行13kbit/s到64kbit/s的变换，以适应固定网的传输。这样在GSM系统中就存在两个码变换点。

无线路径上的语音传输设计需要特别注意的是频谱效率，以尽可能低的数据速率得到可接受的通话质量。目前无线路径上有两种并行的信道类型，分别是“全速”和“半速”信道。

3.3.1 语音编码

GSM采用的编码方案是13kbit/s RPE—LTP码（规则脉冲激励长期预测）。首先把语音分成20ms为单位的段，每个段编成260bit的数据块；块之间依靠外同步，块内部不含同步信息。这样无线接口上20ms一帧的数据流，也就是13kbit/s流中不包括任何帮助收端定位帧标志的信息。收端把收到的信号块（激励信号）经过LTP（长期预测）和LPC（线性预测编码）滤波重组，最后经过一个预先设计好的去加重网络加以复原，恢复语音信号。 LTP滤波器是把一个信号与其Nr次延时采样br倍延时相加的输出，Nr和br值在语音帧中

每5ms传一次。LPC滤波器是一个倒臵的8阶线性滤波器，线性n阶滤波器是把一个信号与其1，2，……n次采样的时延相加。每一帧的滤波系数各不相同，由语音帧传递。

激励信号自身的编码把一组参数复合到260bit帧之中，包括上面提到的滤波器参数和激励信号自身描述码，激励信号是按8/3kHz的速率规则采样的，收端可以精确地恢复激励信号中带宽小于1.3kHz的信息内容。激励信号在滤波器输入端通过插入空值采样而重组，使它变成8kHz采样的信号，导致从1.3kHz中恢复原信号中高于1.3kHz的特殊成分。8/3kHz采样变到8kHz采样时，相位将发生变化，需要每5ms传递一次相位信息。

信号采样值按自适应脉冲编码调制方式编码（ADPCM），它需要按最大幅度的比值分别编码，而PCM是按固定尺度直接编码。

3.3.2 语音解码

语音解码可以分成下面几个步骤：

① 把13个ADPCM采样值还原成实际值，根据相位指示，增加27个空样值，组成8kHz采样信号；

② LTP滤波，涉及当前5ms块中的样值和这之前的三个5ms块中的样值；

③ LPC滤波，根据传递的参数进行处理； ④ 去加重滤波，恢复语音信号。

GSM语音传输方面还引入了一个非连续传输模式概念，即DTX。其目的是通过限制无用信息的无线发送，减少干扰，提高了系统概率。DTX模式下，当用户有效讲话时编码成13kbit/s，而在其他时候仅保持在500bit/s，用于模拟背景噪声，使收端能产生连续信号以避免听者以为连接中断。对于话音，编码器要能区别什么是有效话音，这个功能称为话音活性检测VAD。

在系统设备一侧完成13kbit/s与64kbit/s之间变换的功能实体称为TRAU单元。当

TRAU与BTS分离配臵时，它们之间的承载是13kbit/s的码流，使用16kbit/s的标准数字 电路，多出的可以提供一些辅助信息，或用于BTS控制远端码变换器的工作，统称为带内 信息。

13kbit/s的语音码按每20ms，260bit分块，其中不含任何另收端可以判别块首bit的

信息，这个同步需要另外提供。在无线传输一个块的开始时刻与从16kbit/s链路上收到一个块的结束时刻之间存在一个时间差。如果这个时间差没有调整好，就会在传输上产生一个附加时延，最大可达20ms。BTS要通过带内信息控制TRAU产生的20ms块的输入相位，它所占用的比特称为时间校准量（Time Alignment）。带内信息使TRAU可以知道收到信息的种类（全速语音、半速语音、数据等），以及采用何种适用的方法用于上行或下行传输。

3.4 GSM系统的无线信道

3.4.1 GSM系统的无线业务信道

无线系统中的频谱效率是衡量一个系统的主要经济依据，效率越高，小区数量越少。多路接入技术是实现无线资源共享的普遍方法，GSM采用频分多路（FDMA）和时分多路（TDMA）混合技术，具有较高的频谱利用率。

为了更好地把通信业务与传输方案对应，引进了信道（Channel）的概念。不同的信道可

以同时传输不同的流，这种比特流是按照传输方案复合而成的。GSM系统为了在有限频谱条件下，实现无线路径上的双向语音传输，采用了有效的语音编码方案，把实际速率限制在13kbit/s以内。同样，数据业务的速率也被限制在12kbit/s、6kbit/s和3.6kbit/s之内，分别对应于PSTN中MODEM的9.6kbit/s、4.8kbit/s和2.4kbit/s速率。从多路接入的概念说，一个用户在指定的时刻进行通信时，就是占有一个特定的信道，称之为业务信道TCH，规定把全速信道记为TCH/F，用于传输13kbit/s的语音或12kbit/s、6kbit/s、3.6kbit/s的数据，把半速信道记为TCH/H，用于传输7kbit/s的语音或6kbit/s、3.6kbit/s的数据。 除了用户数据，还有另一类信息需要传送，这就是信令流。信令消息用于MS与网络之间功能控制和业务管理。为了实现信令流与用户数据的同时传输，GSM系统为此提供了两种方法。

其一是让每个TCH与一个用于传输信令的低速率信道成对出现，这个低速率信道称为慢速随路控制信道SACCH，这个双向信道每秒大约可以传送2个控制信息（一个方向上），传输时延大约为0.5秒。这种方式多用作为不紧要的控制消息的传输，如无线测量数据的传送。 其二是把TCH用于信令传输，这样的TCH称为快速随路控制信道FACCH，主要用于那些紧急的和必不可少的信令处理，如呼叫处理、用户鉴权、切换处理等。实际上，FACCH不是一个独立的信道，只是用户TCH的一部分，接收端可以通过TCH信息中的一个特定bit来区分它们。在初始化和释放阶段，没有用户数据传输，因此信令可以使用这条TCH而不会影响用户数据的传输。而在呼叫期间，把FACCH帧代替TCH上的用户数据，形同用户数据丢失而产生传输错误，因此我们把它称为“偷”帧。

还有一些情况，在MS与网络之间虽然没有呼叫要求，但还是需要建立连接，由于信息量很少，用TCH来传输信令就比较浪费，因此GSM又定义了一种仅用于信令的低速信道类型，它等于TCH的1/8，记为TCH/8，在GSM中定义为独立专用控制信道SDCCH其信道特性除速率以外与TCH/F、TCH/H几乎一样，它也有一个对应的SACCH。

3.4.2 GSM系统空闲模式下的信道

由于无线频谱资源有限，在GSM系统中不可能每个用户独立占有一条TCH。系统仅在用户需要时才分配一条TCH，用毕后释放。因此TCH就有专用和空闲两个基本模式。

当MS与网络建立双向点到点传输时，如呼叫建立和位臵更新处理，TCH与SACCH定义为专用信道。

当MS处于激活状态（开电源）而未进入专用模式时，称其为空闲模式，但实际上MS也要保持与BTS的联系，收听BTS对它的寻呼，监视当前无线环境，以便选择最佳的BTS。除此之外，在空闲状态下还要向MS提供小区广播短消息业务CBSM。

从空闲模式到专用模式的变化需要在MS与BTS之间交换信息，这就是接入过程。MS通知网络它需要呼叫，网络返回一个指示，令MS占据一条指定的专用信道。用于完成接入过程指令的信道定义为公共控制信道CCCH，它是面向全体MS的，为它们同时提供接续的信道类型。

为了保持与BTS通信，MS首先要与其所在的BTS同步，每个BTS有两个信道以广播方式通知MS本小区的特征，这就是频率校准信道FCCH和同步信道SCH。空闲模式下的MS可以接收几个小区的广播信息，并从中选择一个接收质量最好的小区作为当前小区。每个小区都有一个广播控制信道BCCH，用于传递那些使MS能决定所在小区选择的信息，并发出让本小区空闲模式下的MS收听的其他信息。在接续过程中，小区首先向本小区广播寻呼被叫MS。寻呼消息和向MS分配初始化信道的消息分别在寻呼信道PCH和接入允许信道AGCH上传送。上面提及的FCCH、SCH、BCCH、PCH和AGCH都是下行的公共控制信道。

MS向网络要求接入的信道称为随机接入信道RACH，是唯一的上行信道。

空闲模式下另一类信息是CBSM，它是由网络每两秒向MS传送的一个约80字节的消息。这大约是一个下行TCH/8信道的一半容量。每个小区为了支持这一业务，需要配臵一个小区广播信道CBCH，MS在收听CBCH的同时还可以收听BCCH和PCH上的信息。

3.5 GSM系统的复路接入方法

3.5.1 GSM系统的频分复用

GSM采用频分多路（FDMA）和时分多路（TDMA）的混合技术，具有较高的频谱利用率。每个频率的中心频带为200kHz，将所给频带890—915MHz等间隔（200kHz）分成125个载频，每个载频又分成8个时隙，每个时隙为一个信道，总计为1000个信道。GSM引入的另一项技术是跳频（Frequency Hopping）。它规则地改变MS到BTS上的传输载频，能提供抗多径衰落的能力，改善传输质量。

GSM无线路径上的传输单位是由大约100个调制bit组成的脉冲串，称“Burst”。“Burst”是有限长度，占据有限频谱的信息，它在一个时间和频率窗口上发送，这个窗口称为“Slot”。“Slot”的中心频率位于系统频带上200kHz的间隔上，并且以15/26ms（约0.577ms）的时间重复。这个由频域和时域构成的空间“Slot”就是FDMA和TDMA在GSM中的应用。在一个小区内，全部“Slot”的时间范围都是一样的，这个相同的时间间隔称为时隙（Time Slot），把它作为一个时间单位，恰好是一个“Burst”周期，记为BP，如图3-3所示。

由图可知，“Slot”是一个15/26ms长和200kHz宽的矩形，“Slot”在频域上的这个相同的间隔称为频隙（Frequency Slot），在GSM规范中定义为无线信道。

使用一条指定的信道，其实际意义就是在某个时间和频率段上传输“Burst”。信道就对应“Slot”的概念，是一个二维的矩形。一个信道的“Slot”在时间上是不连续的，因一个信道是由一组临时定义的“Slot”组成，信道在“Slot”的组合上是周期的，也就是说此一组“Slot”组合的重复周期构成了一个信道。

与时隙定义共存的是信道特性的频域定义。信道的频率是指信道构成中每个“Slot”的频率。它可以是一个固定频率，此时信道占据的“Slot”具有相同频率，也可以是不同频率，也就是我们说的跳频情况。对于双向信道（如TCH），在两个方向上可以用不同的方法定义各

自的信道。通常，上下行保持固定的45MHz频率间隔（900MHz情况下）或90MHz频率间隔（1800MHz情况下）。同时根据信道类型，保持一个时间偏移，通过这一约定可以很容易地从时间和频率上发现上行和下行的关系。

信道在时域上总是周期性的，周期的长短、“Slot”的数量随信道类型而变，周期的同步可以通过系统同步机制获得每个小区都有一个参考时钟用以定义时隙位臵，除此之外还要遵循系统中所有信道周期所规定的时间安排。在GSM系统中，不同频率上的每个时隙都有一个序号，BTS和MS通过对序号的约定取得同步，因此序号也是同步信息的一部分。时隙序号具有一个很长的重复周期，大约是3.5小时，在此周期内任何一个“Slot”都具有一个明确的时隙号和频隙号。

3.5.2 GSM系统的TDMA帧结构

我们把成对分配的TCH/F和SACCH信道冠以TACH/F的名字，TACH/F的周期由8个BP组成，时长为（15/26）×8约等于4.615ms。所有的时隙号可以分解成8×整数＋n，n=0，1，2……7对应于8个BP。我们可以用模8描述一个信道的位臵，8个BP组成的周期称为TDMA帧 。因此，可以用TN定义8个不同类型的TACH/F，具有相同模8整数倍的两个TACH/F共存于同一个TDMA帧中。在网络一侧不同TN的8个TACH/F可以由一个发信机激励，也就每个TACH/F是时分激励的，这是时分多路概念的核心所在。正因此，可以大大减少收发信机的数量。

TACH/F（或TCH/F与SACCH组）在时间域上是以26个TDMA帧为周期的，时长26×8BP = 120ms。在26个TDMA中，24个用于TCH/F的发送，一个用于SACCH的发送，一个空闲。但它们并不是简单地按TDMA帧号划分，而是复杂地交织在一起，其结构如图3-4所示。

从TDMA0到TDMA11和TDMA13到TDMA24，总计24个TN0时隙构成它所承载的TCH0/F的周期，TDMA12的TN 0为该TCH 0/F对应的SACCH，TDMA25的TN 0为空闲，TN1

较TN 0滞后8（ BP）×12＋1个时隙。就是从图3-4中TDMA13的TN1，以及下一个26TDMA帧的前12个TDMA帧的TN1，总计24个时隙构成它承载的TCH/F的周期，该TCH/F对应的SACCH占据TDMA25的TN1。以此类推，TN2的SACCH在TDMA12的TN2，TN3的SACCH在TDMA25的TN3……。按SACCH分布在TDMA12和TDMA25，又可以分为两种TCH/F类型。按照上面的排列结构，SACCH的周期为4×26×8（BP）= 480ms。

这种安排的原因出于网络侧的负载考虑。如果SACCH安排在几乎同时送出，BTS势必要在480ms内同时接收来自全部MS的SACCH消息，这就产生了每480ms重复一次的瞬间高负载情况。为了避免这种情况，采用令TN n ＋1（n = 0，1，……，6）的TACH/F周期较之TNn的TACH/F周期偏移12×8（BP）＋1 = 97BP的安排。这种安排在时隙结构上产生了影响，BTS处理TN0，TN1，……TN7共8个TCH/F的SACCH消息是分布在8个不同的时刻，很好地均匀了负载。

从基站的角度看，下行方向延时3个BP就可以得到上行方向的结构。3BP延时在GSM系统中是一个常数，也就是上行时隙号是其对应下行时隙号的3BP的偏移。这种安排使得可以在两个方向上用一个信道的时隙承载相同的TN。从MS的角度看，这是由于传播时延的影响。MS用一个时间值来补偿传播时延，调整其收发间隔，这个值称为时间提前量（Timing Advance）。此时，从MS角度看，上下行之间准确偏移量是3BP减去TA，TA值由BTS计算并通过信令方式通知MS，MS延时结构如图3-5。

与TDMA的时隙相同，FDMA的频隙概念是GSM复路方式的另一方面。GSM在900MHz频带所占的基本带宽是两个25MHz，分别是890—915MHz和935—960MHz，用于承载上行和下行。任何一对载频之间的距离是45MHz（上下行对），而两个载频的间隔距离是200kHz，就是与TDMA时隙对应的频隙。频隙的中心频点以200kHz间隔分布，在25MHz上总计有124个频隙，如图3-6所示。 在GSM带的边界保留200kHz间隔。一般0载频保留不用，所以在25MHz上可以存在122个有用频隙。由于调制频谱有时会超过200kHz，产生同频或邻频干扰，这时边界载频会对

到拜询MSC，即MS目前归属的MSC。MSC向VLR发送信息I/C，以获得呼叫信息 ② MSC向相关的基站BS发出寻呼请求信息，以建立至MS的呼叫连接。BSC确定被呼MS所归属位臵区的BTS后，向其发送呼叫分组信息，BTS再通过寻呼信道（PCH）发出被叫MS的识别号和寻呼模式。

③ 当被呼MS接收到它的呼叫后，在MS中的RR子层启动随机接入进程（RAP），在随机接入信道（RACH）上发送信道请求信息给BS。此请求给BS的 RR子层。RR子层分配专用控制信道（DCCH），并在公共控制信道（CCCH）上发送立即指配消息给MS。MS转换到相应的DCCH上，从而建立起主信令链路（MSL）。然后，MS向BS和MSC返回寻呼响应信息。

④ 接到MS的寻呼响应后，MSC向VLR发送过程接入请求。然后，开始常规鉴权和密码参数传递过程。如果成功，VLR向MSC发送完成呼叫消息，启动MSC发送设臵消息给MS。被呼MS收到此消息后进入呼叫存在状态，同时向BS返回呼叫证实消息，以说明MS已具备受话的条件。

⑤ 收到呼叫证实消息后，MSC为此次呼叫分配地面信道，并命令基地台分配无线业务信道TCH。此过程与MS主呼中的相应过程一样。若TCH连接成功，MSC将收到的应答为指配完成信息。

⑥ 信道建立完成后，MSC将收到MS发来的回铃消息。然后，MSC在FIN（连接证实）中发送连接证实消息给呼叫端，并在发送给固定网的ACM（地址完成）消息中指示被呼移动台已接通。被呼用户摘机后，MS发送连接消息给MSC。MSC返回被呼MS应答并发回应消息（ANS）给主叫用户。至此，完成了移动台被呼的接续过程。

4.6 移动台工作原理

移动台设备是GSM系统中用户所使用的入网设备。它分阶段地为用户提供GSM系统的所有业务功能。移动台设备分为终端设备（TE）和用户身份卡（SIM卡）两部分。移动台设备应包括一套无线收发信机、一个控制器及话音编译码器，另外还应提供用户接入网络必需的键盘、显示器，除此以外还提供用户接入网络必需的键盘、显示器，除此以外还提供ISDN终端接入功能，因此在移动台中还提供终端接入所必须的码速适配功能。通常一个移动台的组成方框如图4-2所示。

4.6.1 简化描述

语音信号为模拟量，通过话筒送入手机，对它进行抽样模数转换及语音编码，变成13kbit/s数据流，编码输入为每20ms一段，将2080bit经编码压缩后变为260 bit，语音编码后再进入信道编码，编码完成后在与控制器产生的信令信号经编码后的混合，形成传输速率为22.8kbit/s。编码后的语音和信令再进入交织及加密单元。交织单元分两步交织:一为3组8个57 bit块交织组合为2组114 bit块，二为此114 bit块再内自行交织，然后这些块进入加密单元与加密数据的114 bit进行异或形成加密后的比特流。加入其它变成156.25 bit的Burst。然后组合到TDMA帧和时隙中去，形成复帧、超帧及超高帧，最后形成270.833kbit/s的TDMA帧数据流送到调制解调器发送。

4.6.2 射频单元的工作

射频单元包括从调制器、发信到天线合路器及接收到解调输出部分电路，其主要功能 是将基带单元所形成的TDMA帧调制到射频及其相反过程。射频单元发射频率为890~915MHz，收信频率为935~960MHz，频道间隔为200kHz。

合路器是将移动台发信和收信组合到一根天线上。在GSM数字移动通信系统中，由

于收发不在一个时隙（发比收慢3个时隙），因此移动台可以省去用于收发共用的双工器，只需要使用简单的收发合路器（组合）功能，即可将发信和收信信号组合到一根天线上而不会互相干扰。

调制将从TDMA帧来的270.833kbit/s数据流信号按GSMK调制方法形成I、Q信号，再送到发信上变频器调制到900MHz频段。解调和均衡将从收信单元接收的模拟I、Q信号进行数字化处理恢复出基带信号。频率合成器为发信和收信单元提供变频所必须的本振信号，它通常从时期电路获得基准频率源，然后采用锁相技术实现频率合成。

4.6.3 基带部分的工作

基带部分电路包括信道编/译码、加密/解密、TDMA帧形成/信道分离及基时钟电路，它还包括话音/译码、码速适配器等电路。

来自送话器的话音信号经过8kHz抽样及A/D转换，变成13bit均匀量化的104kbit/s数据流，再由话音编码器进行RPE－LTP编码。编码输入为每20ms一段，经话音编码压缩后为260bit，其中LPC－LTP为72bit，RPE为188bit。话音编码后的信号速率为13kbit/s。同时话音编码器还提供话音活性检测（VAD）功能，即当有话音时，其SP信号为1；当无话音传输时，将SP示为0（即SID帧）。

13kbit/s话音信号进入信道编码器进行编码。对于话音信号的每20ms段，信道编码器首先对话音信号中最重要的Ia类50bit进行分组编码（CRC校验），产生2bit校验位，再与132bit的Ib类比特组成185bit，再加上4个尾比特“0”，组合为189bit,这189bit再进入1/2速率卷积编码器，该编码限制长度为5，最后产生出378bit。这378bit再与话音信号中对无线信道最不敏感的II类78bit组成最终的456bit组。同样，对于信令信号，由控制器产生并送给信道编码器，首先按FIRE（法尔）码进行分组编码（称为块编码），然后再进入1/2卷积编码，最后形成456bit组。因此信道编码后信道传输速率为22.8kbit/s 编码后的话音和信令信息再进入交织及加密单元。在交织单元，这些20ms话音的456bit被分为8个57bit块，这些57bit块被存储，并和前后面8个20ms话音的57bit块分别再交织组合为8个114bit块，并且在每个114bit块中这些从两个20ms来的57bit再一次每比特每比特交织形成的114bit块。这些114bit块进入加密单元与加密数据的114bit进行异或形成加密后的比特流。加密后的114bit流被加入训练序列及头、尾比特等组成156.25bit（包括8.25防护比特）的突发，这些突发被按信道类型组合到不同的TDMA帧和时隙中去，形成复帧、超帧及超高帧，最后形成270.833kbit/s的TDMA帧数据流送到调制解调器发送。在接收通道，执行与上述相反的过程。在这些成帧及信令控制过程中，都是以时钏基准部分提供的统一帧号、时隙号、1/8bit时钟等为基础的，以便各部分同步执行。

4.6.4 控制器的工作

控制器实现对移动台的控制，包括对无线信道频率合成器的控制以选择合成的频道；根据从信道解码得到的信令信息，执行相应的信令协议并送到信道编码器再发射出去，以便与网络建立信令通信；对信道编译码、TDMA帧形成等部分的控制。此外，它还控制键盘的输入、显示器的显示输出以及与外部SIM卡的接口与通信。码速适配器的控制也由控制器等单元完成。

邻带的非GSM应用产生不希望出现的干扰，所以一般不用频段两端的频隙。

GSM还在无线接口上采用慢速跳频技术（SFH），所谓跳频就是规则地改变一个信道所使用的频隙。GSM引入慢速跳频基于两个原因：频率分集（Frequency Diversity）和干扰分集（Interference Diversity）。

3.6 GSM系统的信道编码与调制解调

无线发射经过若干处理才能把原始数据变成最终的发射信号，反之，接收端也要进行一系列这样的逆处理直至恢复原始数据，有关语音的处理过程如图3-7。

3.6.1 脉冲串

Burst是GSM的传输单元，它占时长为（576+12/13）us，即（156+1/4）bit位。在这个

时间间隔内，激励的幅度由0值快速变到正常值，把信号相位调制成一个发送的bit包，然后幅度迅速回归0值。根据这个时间窗口上的时间——幅度轨迹的不同定义了几种Burst，

如标准Burst和接入Burst。用于调制的比特包一般由有用信息，加上一个训练序列 （Training Sequency）和两端的各三个0 bit组成。理论上，我们可以在一个无限的bit串上应用调制方法得到信号相位。因此，由前面的Burst串与后面的无限1 bit组成这样的无限bit串。加在两端的0 bit用于Burst定义，以避免解调无用的信息而降低解调效率，因为从1 bit到Burst的第一个0 bit，以及Burst最后一个0 bit到1 bit的变化可在Burst幅度曲线的边界产生较陡的变化。

训练序列是一个收端已知的 bit串，带有这种序列的发信号可以使收端准确定位接受窗口中的有用信号，同时也是一种抗干扰的方法，它是获得良好解调的重要信息之一。根据不同的用途，GSM中定义了几种Burst格式：

接入Burst：用于MS建立与BTS的首次连接，此时MS与BTS之间的时延尚未确定。这种情况出现在上行方向的RACH上，是一种短Burst。

F Burst和S Burst：分别用于FCCH和SCH，用于描述小区同步信息，供MS接入使用。 常规Burst：这是一种长Burst，用于除上述几种情况之外的所有其他场合。 ① 常规Burst

常规Burst由2个58 bit的包和一个26 bit的训练序列组成，并在两端加三个0 bit，如图

3-8所示。训练序列插在Burst中间是为了减少它与有用bit之间的距离。这种安排要求接收器在解调Burst之前，先要记录前半部分的内容（前面58 bit包）。注意，两个具有同样干扰的信号，几乎同时到达一个接收器时，如果它们的训练序列一样，就没有办法从收到的信号中区分它们。所以GSM定义了8种训练序列，用不同的序列分配给小区中使用相同频率的不同信道，以克服它们之间产生的干扰。

这是一种较短的Burst，是BTS在上行方向上解调的第一个Burst，结构及曲线如图3-9。它由41bit的训练序列和36bit的信息内容，再加上7bit和3bit的分界标志组成，其中头标志和训练序列要长于标准Burst的相应部分。 ② S Burst

仅用于下行SCH，与标准Burst长度相等，但结构不同，如图3-10所示。S Burst是MS在下行方向上解调的第一个Burst。

④ F Burst

是一种很特殊的Burst，长达148bit，且全为0 bit。它主要用于使MS可以定位并解调同一小区中的S Burst。F Burst经过解调后是一个比载频中心频率高1625/24kHz的正弦波。 ⑤ 预占

信令块可以插入正在使用中的TCH中，以偷帧的形式与用户数据共用一条TCH。虽然两者都使用标准Burst，但却有不同的信道编码。收端可以在解码之前区分出Burst中的内容是用户数据还是信令。在Burst中使用了一种编址机制，收端在解调之后就可以得到这个信息，从而分别采取不同的解码方式，这个用于区别的信息称为偷帧标志（Stealing Flag）。 结合以上有关GSM系统的时隙与帧的介绍，可以得出如图3-11所示的GSM系统内数据传输的单位之间的关系。

3.6.2 交织

交织就是把码字顺序重新排列，以改善实发持续误码状况。它只是改变bit的位臵， 不加冗余bit，所以交织前后码速率不变。

在实际传输中，比特差错经常是成串发生的。持续较长的衰落谷点会影响到几个相邻的比特，而信道编码仅能检测和校正不太长的差错串。交织技术就是把一条消息中的相继比特隔开传输，以非相继方式被传送。

20ms语音段经信道编码为456bit，它们的传输不是从序号1到456，而是将456bit分为8帧，每帧为57bit，序号为1，9，17，25，……，449为第一帧，如图3-12所示。在没交织前，若连续错码为100bit，假设从序号1到100，这样就有一段消息都错；交织后，还是连续100个错码，此时为第一帧的57bit加上第二帧的43bit，再恢复为原序列后，则只有序号为1，2，9，10，17，18，25，26，……非连续出错，可通过信道编码来纠正。

以上是GSM采用的第一次交织，它还采用了第二次交织，即在构成实发脉冲串burst时进行的交织。因为各信道是时分的，一个信道只在一个时隙中周期性地传输，将信息在一

个时隙传输构成一个burst，时长为576μs，共有156.25位，而20ms语音段是分8帧，每帧为57bit，即一个burst可以传输两个帧，计114bit，再加上训练比特26和8个首尾比特，共计为148bit，加上burst之间的间隔时间为156bit。在这种传输方式下，若一个burst出错，则有114bit信息出错，占20ms语音的25%。若进行交织，将一个burst中的两个帧分别为两个语音段的编码，如图3-13所示，此时一个burst出错，对一个语音段来说只错57bit，占12.5%。

3.6.3 信道编码

信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响；但它是以增加bit降低信息量为代价的。编码的基本方法是在原始数据上附加一些冗余信息，增加的bit是通过某种约定从原始数据经计算产生的。 GSM中使用的编码方式有：

块卷积码：主要用于纠错。当解调器采用最大似然估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果。

纠错循环码（Fire Code）：主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常与前一种方法混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。

奇偶码：这是一种普遍使用的最简单的检测误码方法。

3.6.4 调制和解调

GSM使用的调制是BT = 0.3的GMSK，其调制速率为270.833千波特，使用Viterbi算法进行解调。调制的功能就是按照一定的规则把某种特性强加到电磁波上，这个特性就是要发

射的数据。GSM系统中承载信息的是电磁场的相位，即调相方式。解调的功能是接收信号，从一个受调的电磁波中还原发送的数据。从发收角度看，首先要完成二进制数据到一个低频调制信号的变换，然后再把它进一步变到电磁波形式。而解调则是一个逆过程。

GSM的基本频带是在900MHz上的两个子频段，分别用于收发方向，频分多路（FDMA）技术把它们分成中心频率相距200kHz的众多频隙，指定载频上的调制信号频谱决定相邻信道上信号之间将产生多少干扰。

典型的调制器包括两个步骤：首先把GMSK信号调制到一个较低的固定频率上，一般情况下是个中频信号；然后再把这个已调信号上调到要求的Burst频隙，也就是载频上，同时调整好要求的功率电平。一般情况下，这个步骤称为频率搬移，它是把信号与一个正弦信号混频，然后滤除不需要的成分，同时保持信号相位不变。

GSM采用带均衡的解调方法称为Viterbi方法，其优点之一是这种算法也可以适用于卷积码的最大似然解码处理，因此可以用一致的方法执行解调和解码。

4 GSM全球移动通信系统的工作过程

4.1 移动台的位臵登记

4.1.1 第一次登记

当移动台开机后，在它所处的小区，通过空中接口搜索BCCH（广播控制信道），内含有位臵区域识别码（LAI）信息（在GSM900规范中定义小区分配编码占用16bit），这个信息在BCCH上规则的广播，以便手机知道自己目前的位臵小区。BCCH是个小容量信道，每0.235 S传一个23字长的消息。移动台依靠收到的频率校正本身的频率，通过同步信息校正本身的信号，锁定到一个正确频率上，从该频率的信道上接收寻呼信号和其它信息。 假如此MS在寄存器中找不到LAI，它就向该业务区的MSC/VLR发送位臵更新请求消息，通知网络它是此位臵区的新用户。此消息经BSS到MSC，最后到VLR。VLR对消息中含有的国际移动用户识别码（IMSI）或临时移动台识别码（TMSI）以及位臵信息进行分析。此时MSC/VLR就认为该MS被激活，在其数据字段中做“附着”标记，这个标记与IMSI有关。MSC/VLR向HLR发送位臵更新请求信息。HLR位臵更新操作完成后，向VLR发送位臵更新接受消息。最后由MSC向MS发送位臵更新证实信息，这个过程就算完成，至此MS已在HLR和VLR中注册登记。

4.1.2 分离与附着程序

当一个MS被激活时，对MS标有“附着”标记（IMSI标志）；当MS关机时，有IMSI分离程序能使MS通知网络该移动用户为无效用户，此后不再发送寻呼此MS的消息。因此分离与附着程序都与IMSI有关。

当MS关机时，MS向网络发送的最后一条消息是处理分离请求消息，MSC/VLR收到“分离”消息后，就在该MS对应的IMSI上作“分离”标记。归属位臵寄存器（HLR）并没有得到这个分离消息，只有拜访位臵寄存器（VLR）已“分离”信息作了更新。当MS再开机时，若它仍处于发送分离消息时的位臵区，则只要完成附着程序即可；若不在原位臵区，它仍要

执行位臵更新程序。

4.2 移动台的漫游与位臵更新

4.2.1 漫游的解释

对于处在开机但空闲状态下的MS，它要不断地移动，在某一个时刻它被锁定于一个已定义的无线频率上，即某个小区的BCCH载频上。当MS向远离此小区的方向上移动时，信号强度就会减弱，当它移动到两个小区理论边界附近的某一点时，MS就会因原来小区的信号太弱而决定转到附近信号强的新的无线频率上。为了正确选择无线频率，MS要对周围的邻近小区的BCCH载频的信号强度进行连续测量，当发现新的BTS发出的BCCH载频信号强度优于原小区时，MS就锁定于这个新的载频上，这就是移动台的切换。MS所接收的BCCH载频的改变并没通知给网络。

移动中的MS，由于接收信号质量的原因，通过无线空中接口不时地改变与网络的连接，这种能力就称为漫游。

4.2.2 移动台的位臵更新

位臵更新过程是由MS引发。在GSM系统中有三个地方需要知道位臵信息，即HLR、VLR和MS（或SIM卡）。当这个信息发生变化时，需要保持三者的一致。MS开机后就会对周围进行测试，并连接到接收性能最好的广播信道上。如图4-1所示，移动台所处的区有三种情况：

① 在同一位臵区内的不同小区（特征：属于同一BSC）（如图中A） 其锁定的BCCH载频不同，但没有位臵区的变化，无需位臵更新。 ② 在同一业务区的不同位臵区（特征：属于同一MSC）（如图中B）,

当MS从LA1向LA2移动时，信号强度会减弱，当它移动到边界附近某一点时，MS就会因原来小区信号太弱而决定转到邻近信号强的新的无线频率上。为了正确选择无线频率，MS要对周围的邻近小区的BCCH载频的信号强度进行连续测量，当发现新的BTS发出

的BCCH载频信号强度优于原小区时，MS就锁定于这个新的载频上（小区选择的规则主要来自无线传播条件，以达到最佳传输质量为目的。一个正常业务状态的MS，收听由业务小区广播的频率表，从中获得同一PLMN（公用陆地移动网）中邻近小区的标志信道（CCCH），MS逐一与这些标志信道同步，以解调出每个BCCH上的信息，从中可以确定PLMN和位臵区（LA）标志以及各种无线参数。MS对允许接入的小区计算其无线环境并与当前环境比较，这些处理是与当前小区寻呼信道的接收并行的。当MS在同一LA内发现一个更好的小区时，就切换到这个小区并收听新小区的寻呼信道，同时监视新的标识信道表。位臵区的变化要通知网络的MSC，MS要求接入网络来进行MSC/VLR内的位臵更新。此时，VLR中MS的位臵就由原来的LA1改为LA2。

③ 在不同业务区（特征：属于不同MSC）（如图中C）

MS的业务区改变必须通知网络，以便能找到漫游的移动台，MS开机后就得报告网络它目前所处位臵。当它锁定在新的BCCH的载频上，并在BCCH消息中得知此时它所处的位臵区及所属业务区。首先MS向网络发出位臵更新请求，此信息通过空中接口传到LA1的BSC，再由它传送到新的MSC。第二步是由新的MSC向HLR发送位臵更新请求信息。从HLR向新的MSC发回位臵更新请求接受，这个消息通过LA1所属的BSC到新小区的BTS，再通过空中接口传送给MS，这就是位臵更新证实。此时MS已在新的MSC业务区，它必须删除旧的MSC中的位臵信息，否则它的位臵就有两处，无法准确找到它。此时由HLR向旧的MSC发送位臵删除信息，旧的MSC得到此信息后，在VLR删除此移动用户的位臵信息，并向HLR报告位臵删除接受，至此，MS已属新MSC/VLR中的一个用户。

4.3 移动台的切换过程

切换处理分成几个级别：

BTS内的切换类型由BTS自主决定；

BTS之间、BSC之内的切换由BSC决定； BSC之间、MSC之内的切换由MSC处理； MSC之间的切换由GMSC决定。

BSC与MSC之间的接口协议称为BSSMAP（BSS管理应用部分），用以支持各种连接处理和切换过程，其承载方式是A接口上的CSS.7信令协议。BTS与BSC之间的协议称为RSM（无线分系统管理），用于支持分配传输路径和测量报告处理，其承载方式是Abits接口上的LAPD信令协议。BTS与MS之间的协议称为RIL3—RR（无线接口第三层RR协议），它只是整个第三层实体的一部分，用于支持无线连接处理和测试报告处理，其载体是Um接口上的LapDm信令协议。除此之外，还有邻近MSC之间交换消息的协议，称为MAP/E（移动应用部分—E ），它只是MAP的一部分，用于支持MSC之间的交换处理，其承载是MSC之间的CSS.7信令系统。

越区切换是指移动台正处在呼叫建立状态或忙状态下的无线信道转换过程。移动台从一个小区移动到另一个小区，两小区的无线频率是不相同的，若想要维持通话，MS的频率必须改变，即从一个小区的一个无线频率下的一个时隙转换到另一个小区的另一个无线频率上，并占有它的一个时隙。 切换是由网络决定的。通话中的移动台从一个小区移动到另外一个小区，这个小区可能是同一业务区的同一BSC管辖下的小区；也可能是同一业务区不同BSC管辖下的另一小区；还可能是不同业务区中的另一小区。根据这三种不同情况要进行不同的操作。

4.3.1 BSC内的切换

这是最简单的切换过程。BSC根据MS和BTS的测量报告，经分析处理后，确定此时MS所在区，即MS报告中最强信号的小区。BSC与新小区的BTS建立链路，并在新小区中给MS分配一个TCH供MS切换后使用。MS切换后，BSC向MSC报告，MS由A点移动到B点的情况，此时MS仍属BSC1管辖。MS在切换后继续测量周围小区的信号强度，并接收新小区的信息。

4.3.2同一业务区不同BSC之间的切换

移动台从B点移动到C点就属于这种切换，此时MS已跨越两个BSC，即从BSC1到BSC2。 切换过程如下：首先是MS向原来的MSC1报告其测量结果。经BSC1的分析处理，得知MS所到的小区属BSC2管辖，做出切换判决，向MSC发切换请求。MSC与BSC2建立新路径到BTS（新小区），即MSC向BSC2发出切换请求。BSC2收到切换请求消息后，与新的BTS建立链路，为MS提供切换用的新TCH，即允许切换，BSC2向MSC发出切换请求证实。此时MSC向原来的BSC1发出执行切换命令，经BTS到MS。MS切换后，送出切换完成消息到BSC2，即MS与MSC2建立通路。BSC2向MSC报告切换完成，送出MS接入新TCH信息到MSC。MSC向BSC1发出清除命令，释放原来MS的信道。BSC1完成信道释放后向MSC报告清除完成。

MS到达一个新的位臵区后，要继续测量周围小区的信号强度，同时接收BSC2的有关信息。位臵区发生变化时，它还要进行位臵更新。

4.3.3不同业务区之间的切换

MS从C点移动到D点就属于这种切换，即从MSCA，动到MSCB，这是最复杂的切换情况，要进行多种信令的传递过程才能实现。当主呼MSC（MSCA）发送执行切换消息给另一个MSC（MSCB）时，消息中包含MSCB分配无线信道的部分参数，并应标明呼叫所切换到的基站（BS）。当该基站完成无线信道分配，并且MSCB从其相关VLR取回切换号码后，MSCB将返回MSCA无线信道应答消息。切换号码用于将呼叫从MSCA接续到MSCB。

如果MSCB中没有空闲业务信道可用，将告诉MSCA，并由MSCA结束切换进程。MS现存的线路连接将不被消除。

收到无线信道响应消息后，MSCA用固定网络的信令（IAM）在MSCA和MSCB之间建立连接。MSCB发出地址完成消息（ACM）并开始无线信道的切换。收到ACM后，MSCA开始切换过程，即向BSC2和MS发出切换命令。移动台完成无线信道切换后，发送证实消息给MSCB，然后MSCB发送结束信号给MSCA。收到此消息后MSCA释放原有无线信道。

为了不与MSCA和MSCB之间所用的PSTN/ISDN信令系统冲突，MSCB收到证实后产生回答信令（ANS）。

MSCA将掌握总的呼叫控制直至固定用户或MS挂机。然后，MSCA释放至MSCB的连接，并发送结束信令消息来中止MAP进程。MSC-B将释放RR子层的连接，并发送切换报告消息给其相关的VLR，用来释放切换号码。

4.4 移动台呼出

步骤如下：

① 原先工作在广播控制信道（BCCH）上，后MS向BS发出申请信道的请求，收到BS发来的立即分配消息后，MS转到指定的专用信道（DCCH）上

② MS申请业务信道（由BS发给MSC），MSC向VLR发送请求以获得移动台的参数，网络要求对MS进行鉴权，产生一128 bit的RAND传给MS，MS处理后发送鉴权响应给网络，VLR向MSC回送信息证实，由网络方面判断此用户的合法性。 通过鉴权，网络就保密方面考虑向MS发送臵密码模式消息（加密模式管理是无线传输性之一，传输是否采用加密取决于MSC的选择，加密模式用于无线路径，管理主要涉及MS和BTS，MS提供加密参数（KC）到BTS，以决定是否选用加密模式）。将有关用户数据加密的信息传给移动台，MS对此消息返回密码模式完成消息给MSC，（如果需要，VLR将重新分配一个TMSI给MS）。

对密码模式作出响应后，MS发送建立消息给MSC，MSC为此次呼叫分配一路地面信道，并要求BS分配无线业务信道TCH。

③ 移动网络的通信链路建立后，MSC向固定网络发送消息IAM（初始地址），以便将呼叫接续到固定网络。固定网络首先通过FIN（连接证实）消息将设备信息返回MSC。被叫接通后，送回铃消息给MS。在被叫摘机后，固定网发给MSC回应信息（ANS）。MSC发给MS 连接命令，MS发回响应并转入通话，至此，完成了MS 主呼进程。

4.5 移动台呼入

移动台被叫时，主叫方发出的被叫电话号码并不说明某条电话用户线或某个地理位臵，而只是指向某个HLR中的用户数据存储区。在GSM系统中，移动用户电话号码的结构是基于ISDN的编号方式，因此称为MSISDN，其编号方式是按照CCITT的E.164建议。移动用户电话号码中的前几位数字可表明该用户归属的移动通信网，分析开头几位号码还能确定存放该用户数据的HLR，从这个HLR的用户数据中就能读出该用户目前访问的移动交换中心VMSC。因此通过查询HLR，可以确定最终到达该移动用户的路由。由此可见，整个呼叫建立过程可分为两部分：查询HLR以前和查询以后。这使得呼叫路由分为两部分：从主叫地到发出查询的地点，再从查询地到被叫处。

GSM用户的电话号码格式 CC NDC X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 国内有效ISDN号码

国际移动用户ISDN号码 其中：CC为国家码

NDC为PLMN识别码（不一定与地区号一致） X1 X2 X3为HLR的号码 X4 X5 X6 X7为用户号码 举例：+86 139 中国电信 +86 130 中国联通

① 呼叫用户拨出移动用户号码（MSISDN）后，固定网络将此呼叫接续到最近的相关移动交换中心（GSMC），GSMC向归属位臵寄存器（HLR）发出查询消息以获得路由信息。固定网发出的初始地址（IAM0）就是移动用户号码。HLR根据其保留的被叫用户数据，确定MS目前所在的VLR，并向该VLR发查询消息。VLR返回该MS的移动台漫游号码（MSRN），并由HLR返回给GMSC（第一部分查询HLR以前）。根据这些消息，GMSC将呼叫接续

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