GSM原理及其网络优化
第1章GSM移动通信系统及优化概述
1．1 GSM数字移动通信的发展
移动通信是达到通信最终目的的有效手段，它在商业市场上所具有的巨大潜力已经越来 越多的被人们所认识。移动通信并不是一项很新的技术，但它在最近几十年得到了飞速的发 展。20世纪80年代初，随着模拟蜂窝技术的引进，移动通信技术向前迈进了一大步。20世纪90年代开始出现了数字移动通信系统，GSM系统是欧洲在20世纪80年代设计、1992年开通的数字移动通信系统。
第一代移动电话网是由人工操作使移动用户和有线网用户相连接。它的终端庞大、笨重 而且昂贵，服务区域也仅限于单个发射台和接收站址的覆盖范围。由于它的可用频率很少， 因而系统容量很小，并且很快出现饱和，服务质量也随用户数量的增加而迅速下降，甚至达 到死锁的状态。
20世纪60年代随着半导体技术的发展，无线系统发展为自动接续系统，成本也开始降 低，但其有所增加的容量与用户的需求相比仍然是远远不够，公众无线电话依然是一种奢侈 品，只能被一小部分人所使用。 20世纪70年代，大规模集成电路和微处理器件的发展使实现复杂系统成为可能。由于 覆盖区域受到发射功率的限制，系统开始改由一个发射台和多个中继接收站所组成，这种复 杂配置扩展了系统的覆盖范围。真正的突破是蜂窝系统的建立，在蜂窝系统中有若干个收发 信机，而且每个收发信机所覆盖的范围有一部分是重叠的。蜂窝系统的概念如图1_1所示。
蜂窝系统采用频率复用的方式增加其容量。在蜂窝系统中，同一频率可以被相距足够远 的几个小区同时使用，在增大了系统容量的同时，系统网络和设备的复杂性也大大增加。蜂 窝概念由贝尔实验室提出，20世纪70年代世界上几个不同地方的研究人员对其进行了研究。美国第一个AMPS(Advariced Mobile Phone Service)蜂窝系统于1983年在芝加哥开通，在欧洲，电信部门和生产厂家推出了旨在覆盖整个北欧的NMT系统，此系统于1981年在瑞典投入运行，并很快在挪威、芬兰和丹麦开通。20世纪80年代中期，世界上出现了很多基于上述两种系统的移动通信系统，例如，从AMPS中派生的TACS系统于1985年在英国投入使用。
上述蜂窝系统均是以模拟语音信道传输，采用频率调制，频率在450MHz或900MHz，一般覆盖整个国家，容量在几十万用户左右。欧洲最大的移动网络是英国的网络，它由两个覆盖全国的网络组成，到1990年网上用户已过百万。密度最高的是北欧的NM'I’系统，人均拥有量超过7％，远远高于欧洲平均数字。
移动通信终端设备在20世纪80年代末得到飞速发展。最初只有车载设备，20世纪80
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年代中期出现了只有几公斤重的便携式设备，手机大约在1988年出现，发展至今，已经出现了重量只有100一200g重的手机。在重量和体积减小的同时，其价格也迅速下降到大多数人可以接受的水平。
由于不同系统不具有兼容性，用户得到的移动通信只限于某个系统内而不是更广的范围，例如，TACS终端不能接入NMT网，NMT的终端也不能接入TACS网。早在20世纪80年代初期，当模拟蜂窝移动通信系统刚投放市场时，欧洲的电信运营部门便发觉，5～6种移动通信系统将整个欧洲的蜂窝系统分割成四分五裂的状态，无法形成快速增长的市场所需求的规模经济。面对这一现状，欧洲电信管理部门(CEPT)成立了一个被称为GSM的移动特别小组，开始制定使用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。新诞生的“GSM”举行第一次会议是在1982年11月，在斯德哥尔摩，大会主席是来自瑞典电信管理部门的Thomas Haug，11个国家的31位代表出席了这次会议。
1990年，由英国提出将1800MHz频段归入GSM标准之中，带宽为2x75MHz，此建议的目的是针对PCN(Personal Communications Network个人通信网)的应用，以进一步适应城区更高容量的需求。 GSM的原意是“移动通信特别小组”，而随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM逐步成为泛欧数字蜂窝移动通信系统的代名词。欧洲的专家们将GSM。重新命名为“Glob~System for Mobile Communications”，使之成为“全球移动通信系统”的简称。 GSM标准的制定花了约十年时间，在标准联合会及后来的欧洲电信标准协会ETSI的统一领导下，GSM系统由主要的欧洲通信设备制造商和操作维护部门共同进行设计。由于考虑到了未来用户的需要，GSM系统具有很大的灵活性。从1990年起，GSM开始向欧洲外扩展，目前，世界上已经有上百个运营商在GSM分配的频带内运行，可以想象，GSM能向用户提供相当范围的覆盖，使用户在众多国家内实现漫游，称为名副其实的“全球移动通信”。
1．2 GSM数字移动通信系统
1．2．1 GSM系统的基本特点
GSM数字蜂窝移动通信系统(简称GSM系统)是完全依照欧洲通信标准化委员会 (ETSI)制定的GSM规范研制而成的，任何GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。GSM系统是一种典型的开放式结构，作为一种面向未来的通信系统，它具有下列主要特点：
1)GSM系统由几个分系统组成，各分系统之间都有定义明确且详细的标准化接口方案， 保证任何厂商提供的GSM系统设备可以互连。同时，GSM系统与各种公用通信网之间也都详细定义了标准接口规范，使GSM系统可以与各种公用通信网实现互连互通。
2)GSM系统除了可以开放基本的话音业务外，还可以开放各种承载业务、补充业务以 及与ISDN相关的各种业务。
3)GSM系统采用FDMA／TDMA及跳频的复用方式，频率重复利用率较高，同时它具 有灵活方便的组网结构，可满足用户的不同容量需求。
4)GSM系统具有较强的鉴权和加密功能，能确保用户和网络的安全需求。 5)GSM系统抗干扰能力较强，系统的通信质量较高。 1．2．2 GSM系统的组成
GSM系统由一系列功能单元组成，其具体组成如图1-2所示，分为MS(移动台)、NSS (网络子系统)、BSS(基站子系统)、OSS(操作维护子系统)等几个主要部分。
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1．2．2．1移动台／移动用户(MS)
移动台是整个系统中直接由用户使用的设备，可分为车载型、便携型和手持型三种。应 当指出的是，在GSM系统中，物理设备与移动用户是相互独立的。也就是说，用户的所有 信息都存储在SIM卡(用户识别卡)上，系统中的任何一个移动台都可以利用SIM卡来识 别移动用户。由网络来进行相关的认证，保证使用移动网的是合法用户。移动台有自己的识 别码IMEI，称为国际移动台设备识别号。每个移动台的IMEI都是唯一的，网络对IMEI进 行检查，可以保证移动台的合法性。SIM卡中存储着用户的所有信息，包括国际移动用户识 别码IMSI等。
在本书中，术语MS代表移动用户，因为移动台与呼叫无关。 1．2．2．2基站子系统(BSS) 广义来说，基站子系统包含了GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有基础设施， 它通过无线接口直接与移动台实现通信连接，同时又连到网络端的交换机，为移动台和交换 子系统提供传输通路，因此，BSS可以看作移动台与交换机之间的桥梁。按GSM规范提出 的基本结构，BSS由两个基本部分组成：通过无线接口与移动台一侧相连的基站收、发信机 (BTS)和与交换机一侧相连的基站控制器(BSC)。从功能上看，BTS主要负责无线传输，BSC主要负责控制和管理。值得指出的是，在GSM规范中，一个基站子系统是指一个BSC 以及由它所管辖的所有BTS，而不是一个交换机所带的无线系统。 BTS在网络的固定部分和无线部分之间提供中继，移动用户通过空中接口与BTS相连。 BTS包括收发信机和天线，以及与无线接口有关的信号处理电路等，它也可以看作是一个复杂的无线解调器。在GSM系统中，为了保持BTS尽可能的简单，BTS往往只包含那些靠近无线接口所必须的功能。
BSC通过BTS和移动台的远端命令管理所有的无线接口，主要是进行无线信道的分配、 释放以及越区信道切换的管理等，起着BSS系统中交换设备的作用。BSC由BTS控制部分、 交换部分和公共处理器部分等组成。根据BTS的业务能力，一台BSC可以管理多达几十个 BTS。
此外，BSS还包括码型变换器TC。码型变换器在实际应用中一般是置于BSC和MSC 之间，完成16kbit／s RPE—LTP编码和64kbit／s A律PCM之间的码型转换。 1．2．2．3网络与交换子系统(NSS)
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网络与交换子系统包括实现GSM的主要交换功能的交换中心以及管理用户数据和移动 性的所需的数据库，有时也称之为交换子系统。它由一系列功能实体构成，各功能实体间以 及NSS与BSS之间通过符合CCITT信令系统No．7协议规范的7号信令网络互相通信。它的主要作用是管理GSM用户和其它网络用户之间的通信。NSS可分为如下几个功能单元： (1)移动业务交换中心MSC~MSC是网络的核心，它完成最基本的交换功能，即实
现移动用户与其它网络用户之间的通信连接。为此，它提供面向系统其它功能实体的接口、 到其它网络的接口以及与其它MSC互连的接口。
MSC从HLR、VLR、AUC这三种数据库中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据，同 时这三个数据库也会根据MSC最新信息进行自我更新。MSC为用户提供承载业务、基本业 务与补充业务等一系列服务。作为网络的核心，MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫 游等移动性能及其它网络功能。
对于容量较大的通信网，一个NSS可以包括若干个MSC、HLR和VLR，在建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫时，呼叫往往首先被接到入口MSC(GMSC)，再由入口 MSC负责获取位置信息然后进行接续。GMSC具有与固定网和其它NSS实体互通的接口， 也就是我们通常所说的关口局。GMAC（入口移动业务交换中心）是与PSTN/ISDN和其它NSS互连的接口，因而是其它网络呼叫区域内移动用户的固定接入点。GMSC与HLR有通过7号信令直接互连的链路。当GMSC接收数字移动接入号以后，应能继续分析HLR识别号H1H2H3,具有从HLR中询问用户当前位置信息的功能。当询问获得是用户号码，则将呼叫接至被呼用户所在的MSC；当获得的是漫游号码（MSRN），则完成漫游路由重选，转接至漫游用户所在的MSC-V（被访局）。
(2)拜访位置寄存器VLR：VLR存储进入其覆盖区的所有用户的全部有关信息，为已 经登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR是一个动态数据库，需要随时与有关的HLR进行大量的数据交换以保证数据的有效性。当用户离开其覆盖区时，用户的有关信息将被删除。
vLR在物理实体上总是与MSC一体，这样可以尽量避免由于MSC与VLR之间频繁联 系所带来的接续时延。
(3)归属位置寄存器HLR：HLR且是系统的中央数据库，存放与用户有关的所有信息， 包括用户的漫游权限、基本业务、补充业务及当前位置信息等，从而为MSC提供建立呼叫 所需的路由信息等相关数据。一个HLR可以覆盖几个移动交换区域甚至整个移动网。 (4)鉴权中心AuC：AuC存储用户的加密信息，用以保护用户在系统中的合法地位不 受侵犯。由于空中接口的开放性，经由空中接口传送的信息极易受到侵犯，因此GSM采用 了严格的保密措施如用户鉴权、信息的加密等。这些鉴权信息和加密密钥等均存放在AUC 中，因此，AUC是一个受到严格保护的数据库。在物理实体上，AUC与HLR共存。 (5)设备识别寄存器：EIR：EIR存储与移动台IMEI有关的信息。它可以对移动台的IMEI 进行核查，以确定移动台的合法性，防止未经许可的移动台设备使用移动网。 1．2．2．4操作与维护子系统OSS
OSS是操作人员与系统设备之间的中介，它实现了系统的集中操作与维护，完成包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作维护等功能。它的一侧与设备相连，(但并不包括BTS，因为在GSM技术规范中明确提出，对BTS的操作维护是经过BSC进行管理)，另一侧是作为人一机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维护的设备被称为操作维护中心OMC。GSM系统的每个组成部分都可以以通过特有的网络连接至OMC，从而实现集中维护。OMC由两个功能单元构成。OMC—S(操作维护中心一系统部分)用于MSC、HLR、VLR等交换子系统各功能单元的维护与操作。OMC—R(操作维护中心一无线部分)用于实现整个BSS系统的操作与维护，它一般是通过SUN工作站在BSS上的应用来实现。OMC也可以
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作为进入更高一层管理网络的关口设备。 1．2．3 GSM系统的业务功能
GSM是一种多业务系统，可以依照用户的需要为用户提供各种形式的通信。习惯上， 人们把话音业务与数据业务(或称为非话音业务)区别开来：话音业务中，信息是话音，而 数据业务传送包括电文、图像、传真及计算机文件等在内的其它信息。除了这些传统业务 以外，GSM还提供一些非传统的业务，如短消息业务，它区别于目前固定网提供的各种业 务，而更像无线寻呼业务。
一般来说，电信业务的定义不仅仅取决于所传信息的特征，还涉及到通信的其它特性， 如传输结构、资费处理、用户的通信特点等等。为用户提供的服务取决于三个独立因素： (1)用户注册的业务：网络运营部门为用户提供了所有可提供服务的项目，同时确定相应的费率，用户将按照自己的需要在其中进行选择并为之付费，网络运营部门也只为用户提供其注册登记的业务。
(2)网络能力：并不是所有的网络都能提供同样的服务范围，用户使用的业务可能会于它漫游进入的网络有关。
(3)用户终端性能：有些业务需要用户终端的配合，例如，传真业务在只有话音业务 的终端上就无法提供。
通信网络提供的基本业务主要涉及传输媒介和建立呼叫的方式。补充业务则使用户能够 更好的接受基本业务或是简化电信的日常使用，为用户提供方便，如呼叫前转、来电显示等 等。基本业务与补充业务的区别在于，一项补充业务可以适用于几个基本业务。在已存在的 网络中，这些补充业务被要求附加在基本业务之上，而未来它们很有可能从补充业务转化为 基本业务。
GSM所提供的基本业务可分为承载业务和电信业务，这两种业务是独立的通信业务， 其差别在于用户接入点的不同。电信业务主要包括包括话音业务、数据业务及短消息业务等。 此外GSM还提供了多种多样的附加业务，下面将分别进行介绍。 1．2．3．1承载业务
承载业务提供接入点(ISDN协议中称为用户一网络间接口)之间传输信号的能力。GSM 系统一开始便考虑到了兼容多种在ISDN中定义的承载业务，以满足GSM移动用户对数据 通信服务的需要。GSM系统设计的承载业务不仅使移动用户之间能完成数据通信，更重要 的是能为移动用户与PSTN或ISDN用户之间提供数据通信服务，同时还能使GSM移动通 信网与其它公用数据网(如公用分组数据网和公用电路数据网)实现互通。
在传输数据业务时，MSC需启用互通功能单元IWF。互通功能单元是为完成数据连通 而规定的全部功能。用户总是需要不同种类的承载业务，要支持各种承载业务也就要经过不 同类型的MS或IWF接入接口和终端网络。下面简要介绍一下不同种类的承载业务所能支 持的各种用户应用：？？？？？？
1)承载业务中具有透明和不透明非限制数字能力的非结构电路型，所支持的用户应用 是经过速率适配的子速率信息流；
2)承载业务中分组组合和分解器(PAD)业务所支持的用户应用包括：经过速率适配 的高速率信息流；接入分组组合／分解功能；
3)承载业务中分组业务所支持的用户应用包括：采用X32或X31选择A接入x．25公 用数据网；X31选择B接入的应用(虚拟电路承载业务)
4)承载业务中具有透明和不透明交替话音／非限制数字能力的非结构电路型所支持的用户应用包括：经过速率适配的子速率信息流；具有在呼叫中交替话音和数据的能力； 5)具有透明和不透明话音后接非限制数字能力的非结构电路型所支持的用户应用包括： 经过速率适配的子速率信息流；开始建立话音呼叫，然后在呼叫持续过程中的某段时间能使
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