GSM网络简介

第一章：蜂窝通信网
蜂窝电话系统实现移动用户与公众电话网或另一个蜂窝网移动用户之间的连接通信。

用户与网络的信息通信是在利用无线信道上的，这样就减除了传统电话机必须连电话线固定的局限，因此实现了用户的彻底可移动性（无论是乘坐交通工具或徒步行走）。

蜂窝网有着固定电话网不可比拟的优点，首先对用户来说，它有：
●可移动性
●更灵活
●更方便
等特点，对运营商来说，它有：
●便于扩容
●利润可观
●功能强大
●组网方便
等特点。

网络组成
GSM网络由网络交换子系统（Mobile services Switching Centres 简称MSC）、基站子系统（Base Station Systems 简称BSS）和移动台（Mobile Station简称MS）三大系统组成，各系统还可细分各子系统，如BSS包括基站控制器BSC、收发信台BTS和码速变换器等，这些子系统将在下一章详细陈述。

有了MSC、BSS和MS我们就具备了建立呼叫、进行通话和计费等一般公众电话网的功能，另外为了用户能与固定电话或其它网络通信，还有必要与PSTN （公众电话交换网）相连。

在蜂窝网里MS的服务小区叫“cells”，这些“cells”由BSS提供，每个BSS 可带一个或多个cells。

这些cells的轮廓通常象个蜂窝一样，但由于覆盖地形的多样性和网络规划需要，它实际的形状并不是那么规则。

理论上的蜂窝形状
频谱资源
频谱是一个有限的资源，只有一段非常小的频段分配给蜂窝通信使用，以下列出GSM900的频谱分配，扩展GSM900（EGSM），GSM1800（DCS1800）和PCS1900。

GSM900
⏹收（上行）：890—915MHZ
⏹发（下行）：935—960MHZ
⏹124个绝对无线频率信道（ARFCN：Absolute Radio Frequency Channels）
EGSM900
⏹收（上行）：880—915MHZ
⏹发（下行）：925—960MHZ
⏹174个ARFCN
GSM 1800（DCS1800）
⏹收（上行）：1710—1785MHZ
⏹发（下行）：1805—1880MHZ
⏹374个ARFCN
PCS1900
⏹收（上行）：1850—1910MHZ
⏹发（下行）：1930—1990MHZ
⏹299个ARFCN
ARFCN
⏹带宽=200KHZ
⏹8个时分多址（TDMA）时隙
cell的大小
在一个物理区域内小区的数量取决于当地使用网络的用户数，以及当地的地形地貌（山坡、湖泊、建筑物等）。

大区制
GSM小区最大直径大约70公里，但这取决于小区覆盖的地形状况和手机的发射功率大小。

在GSM，手机的发射功率可达8瓦特，显然，手机的发射功率越大，小区就可做得越大。

如果小区建在山顶上，没什么障碍物阻挡信号就可以发射得更远一点，若小区建在市中心，很多高大的建筑物会阻挡信号的发射。

大区制适用于：
⏹边远地区
⏹沿海地区
⏹用户稀少的地区
⏹用最少的小区覆盖大范围区域
小区制
小区制小区一般用于用户量密集面积小的地区，或需要减少发射功率以避免干扰的地区，小区制小区直径一般在200米以上。

选择大区制还是小区制并没有完全正确的大案，一般来说大区制覆盖范围大，可减少成本投入，但它的容量小，入室信号弱；小区制成本较高，但容量大，信号强度高，运行商可根据实际情况进行规划。

频率复用
标准GSM900 有124个频点，但每个运营商都不可能全部占用这124个频点，如分配给我们联通使用的是97~124共27个频点。

举个例说有一网络运营商用48个频点覆盖了大片地区，如英国。

我们知道，小区的最大直径为70公里，如果一个小区用一个频点，那么48个频点是远远不够的。

为解决这个矛盾，运营商必须一次又一次地重复利用有限地频点，这种技术称为“频率复用技术”
在进行频率复用时，我们必须研究出复用同一频率的两个小区的最少要间隔多远才能避免同频干扰和邻频干扰，这个值跟覆盖地区的特点有关，在人口密集的城市（小区制大容量）与人烟稀少的乡下（大区制小容量）是差别很大的。

同频干扰
发生在频率相同的两个载频距离太近，在发射信号时会相互干扰。

邻频干扰
发生在频率相近的两个载频相邻时会相互干扰。

前面我们所说的小区是全向性的，即基站里只有一个小区，它采用全向性发射天线（发射角度为360度）。

全向性小区的局限在于当该小区服务的地区用户增加时，必须通过增加小区的办法来解决容量问题，而且很难避免同频或邻频干扰，所以全向性小区逐渐被淘汰。

为解决这个问题，我们采用了一种方法叫“小区分裂”，即把全向性小区分裂成多个有向性小区，每个都有独立的收发天线，功能等同于一个小区。

这种小区采用有向性天线确保该小区的信号收发集中在固定的方向上，这样做有很多好处，首先由于信号集中在60、120或180度的方向而不是360度，我们就可以收到更强的信号，这样有利于入室覆盖。

其次有利于我们在更近的距离进行频率复用。

360度小区
全向性站
1根发射/接收天线
120度小区 3小区站
3根发射/接收天线
60度小区 6小区站 6根发射/接收天线
分裂基站各个有向小区形状如扇我们称之为“扇区”，我们对这些扇区站进行规划时，要使在相隔一定距离复用频率的两个小区不会发生同频或邻频干扰，同时要在满足容量的需求。

4 Site / 3 Cell复用模型：
从表上可以看出每个cell可分配3个频点，每个站共有9个频点。

这种模型每个cell 有4个频点，每个站共12个频点。

这样在同一地区可以分裂出更多扇区，提高容量。

但这样容易产生频率干扰。

切换与控制
正在通话的用户在移动时会从一个小区进入另一个小区，从当前服务小区切换另一小区的原因有多种（如当前小区信号逐渐减弱至小于邻小区的信号增强度，手机在当前小区受到干扰），通过切换到邻小区可以使手机继续保持正常通话。

不管由什么原因引起的切换，都必须有一个系统来控制，在GSM中控制切换的是移动交换中心（MSC）。

要执行切换，网络必须知道手机将要切到那个小区上，为了保证能切换到条件最好的候选邻小区，手机必须对它周围的小区信息进行测量，并把测量结果报告给网络，网络根据测量报告确定是否符合切换条件，然后发出切换申请，并建
立相关的信令发给手机，切换是由MSC控制的。

第二章：GSM数字蜂窝网的优点
模拟蜂窝网的设备不同厂家之间产品接口互不兼容，而数字蜂窝网建立了标准的协议使设备接口标准化，能相互兼容。

数字蜂窝网络采取差错控制技术能很好的抗干扰性。

数字蜂窝网络的扩容比模拟蜂窝网灵活容易
数字蜂窝网络的安全性和保密性比模拟蜂窝网好。

切换控制更灵活
能兼容综合数据服务网络（ISDN）。

可发展增值业务
语音服务
电话
紧急呼叫
短消息服务
个人与公事号码分离
数据服务
原始数据：9.6kbit/s
4.8kbit/s
2 .4kbit/s
传真
支持服务
来电显示
禁止呼叫
呼叫转移
呼叫等待
计费
多方通话
第三章：GSM的网络组成
移动台
上图显示了GSM网络的详细结构，每种网元都有特殊的标准接口协议，因此不同厂家的设备都可以兼容，如摩托罗拉的基站子系统可以用爱立信的交换机。

网络的基本组成如下：
●移动台（MS）
包括手机或传真机，这属于网络的用户部分。

●基站子统（BSS）
基站子系统作为GSM无线方面特有的基础设施，BSS通过无线接口与
移动台连接，它包括在无线路径上发送、接收及管理的设备；另一方面，
BSS也与网络交换系统的交换机连接。

●网络交换系统
包括主要交换机以及管理用户数据和移动性所需的数据的处理器。

一、移动台
移动台（手机）包括两部分：机身设备（ME: Mobile Equipment）和SIM卡(Subscriber Identity module)。

ME是用户接入网络的硬件部分，它有一个相应的IMEI（Equipment Identity）来识别它，这个号码在国际上是唯一的。

SIM是插入机身的那张小智能卡，它存储了在无线接口一侧上的所有用户信息，识别用户的IMSI(International Mobile Subsciber Identity)号。

手机的机身可以购买不同厂家的各种型号，但SIM卡必须由网络运营商提供。

没有SIM卡，手机只能作一些紧急呼叫。

由于机身识别号与用户识别号分开，GSM的计费系统一般是根据用户识别号IMSI来进行计费而不是IMEI。

ME
ME的类型有三种：
●车载移动台，设备安装在交通工具上，天线安装在车外。

●便携式移动台，设备可以在手提，但天线不在手提单元上。

●手机，设备的大小与计算器差不多，天线与机身相连接。

移动台的输出功率的能力大小与它的型号与功能有关，网络必须了解各种移动台的的特点，如不同的最大发射功率和所支持的服务。

SIM卡
SIM卡所包含的信息有：
●国际手机用户识别号（IMSI:Internationgal Mobile Subscriber Identity）
用户的识别代码，它是固定的号码，仅在接入时在无线信道上传送。

●临时用户识别号（TMSI:Temporary Mobile Subscriber Identity）
也是用户的识别代码，是网络在用户通话过程中随机分配的，用以保密
作用。

●位置区号(LAI:Location Area Identity)
识别用户当前所在区域。

●用户鉴权匙（Ki:Subscriber Authentication key）
用于鉴权SIM卡的合法性。

●国际手机业务数字网用户代码（MSISDN）
即移动用户的国际代码，它包括国家代号、网络代号和用户代号。

SIM卡里的大部分数据都保密，读取数据要通过Ki鉴权，修改要通过ISMI。

一些参数入LAI会不断地更新以反映用户当前位置。

SIM卡，还有高度保密性的运行网络，都能保护用户资料和网络不被盗用。

SIM卡很难被复制，用户可以设置口令保护它，这口令叫PIN（Personal Identity Number），象银行信用卡一样，可防止非法用户使用。

SIM卡还可以存贮一些附加信息，如通话资费，这些信息需由用户在手机键盘上输入。

二、基站子系统（BSS）
基站子系统是安装在小区里的，它的设备由数字模块和射频部分组成，BSS 系统提供手机MS与交换中心MSC的连接链路。

BSS与MS的通信是通过空中数字接口，BSS与MSC是通过2M链路连接。

BSS 由三部分组成：
●收发信台-BTS
习惯上称它为基站，它含有小区里提供空中数字接口的射频单元，这是
GSM网络里与MS通信的部分，收发天线是BTS的一部分。

●基站控制器-BSC
顾名思义它是BSS系统里面的控制部分。

它与MSC直接通信，BSC可
以控制一个或多个基站。

●码速变换器-XCDR
起码速变换作用，从MS过来的信号通过码速变换使之更有效的在接口
上透明传输。

虽然XCDR属于BSS系统，但它通常安装在交换机旁边。

基站控制器BSC
BSC作为BTS的控制系统，从BTS发出的请求信息通过BSC来接收，同时外界对基站的命令信息（如OMC的命令）也从BSC里得到。

BSC里收编了一个数字交换矩阵，它实现来自空中接口的无线信道与MSC 过来的地面电路的交换。

BSC交换矩阵也执行MS在BSC内部的BTS之间的信道切换控制，而无须通过MSC控制。

基站收发信台BTS
BTS实现空中接口与MS的通信。

并且具有一些有限的控制功能以减轻BTS 与BSC之间的信令负荷。

BSS的配置
我们知道一个BSC可以控制一个或多个基站，GSM里没有规定一个BSC 最多能带几个站，不同的厂家有不同的规格。

BTS可以与BSC和安装在同一个小区里，也可以以直连的方式安装在不同地方称为“远端站”，实际上是远端站最多，因为BTS比BSC多得多。

另一种BSS配置是菊花链形式，即BTS可以与邻近的BTS相连而不是直连控制它的BSC，这样它可以通过别的BTS回到BSC。

菊花链可以节省一定的传输电路，但它的缺点就是在链路上会产生传输延时。

所以必须有效控制链路的长度使话音的延时不致过长。

另一种拓朴结构也是允许的，包括星形拓朴或成环。

成环可以提供路由备份，举个例，如果基站的一边传输路由断了，基站可以靠另外一边的路由与BSC通信而不致断站。

码速变换器
码速变换器的功能就是把MSC输出的话音或数据的64b kit/s PCM信号转换成适合在BSS与MS 之间无线接口传输的16kbit/s 速率信号。

从MSC 输出的64 kbit/s PCM信号如果不经过码速变换直接在空中传播，将会占用很大的无线带宽，极不利于对有限频谱的有效利用，因此要把64 kbit/s 速率转换为16 kbit/s。

三、移动交换中心
MSC在GSM系统里面负责所有的电话交换处理，这与传统的电话交换功能无异。

但由于GSM蜂窝系统还涉及对于附加组成的控制和安全方面以及大量的用户资料，它还包含管理这些的附加功能。

MSC 会根据它在网络的角色起不同的功能，当它提供PSTN与BSS之间的接口时，它就是一个接口局交换中心，负责所有MS源端或长途话务的交换。

每MSC为一个区域内的用户服务，它最多可以容纳100万用户，整个网络里通常多个MSC。

MSC的主要功能如下：
呼叫处理
包括控制数据/话音呼叫的建立，BSC间切换的控制和控制更改管理（用户有效性和位置区更新）
操作与维护支持
包括数据管理，话务统计和人机接口。

网络互连
管理GSM与PSTN之间的接口
计费
收集计费信息。

归属位置寄存器（HLR）
HLR存储用户各种识别号码和地址信息，同时还有鉴权参数。

这些数据是网络商在用户入网时它们存储到数据库中。

用户ID（IMSI和MSISDN）
当前用户VLR（当前位置）
用户的支持服务
支持服务的信息
用户状态（开机/关机）
鉴权匙和鉴权功能模块
移动用户漫游号码
访问位置寄存器（VLR）
VLR复印了大部分的HLR数据，但是这些数据是用户登记在该业务时在VLR临时存储的
无论用户身处何地VLR都给当地网络提供了用户的本地数据，这些功能省去了过渡频繁的访问HLR和时间消耗。

VLR的一些附加存贮数据还有：
电话状态（在用/空闲/无应答）
LAI
TMSI
用户漫游号码MSRN
设备识别号存贮器EIR
EIR存贮了确认国际手机设备识别号IEMI的集中数据。

我们联通并无使用此设备
鉴权中心
鉴权中心是一个处理器系统，执行对用户的鉴权功能，它与HLR合设，因为它要经常访问和更新。