燕山大学工学硕士学位论文
第 2 章 GSM 网络基础知识及 SMS 通信原理
2.1 GSM 网的体系结构
GSM 网络是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中最成熟、最完 善、覆盖面最广、用户最多的一种移动通信网络介绍。
GSM 网的总体结构由以下功能单元组成：
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。下面对 GSM 网的系 统结构作简要
(1) MS(移动台)。它包括 ME(移动设备)和 SIM(用户识别模块)。根据 业务的状况，移动设备可包括 MT(移动终端)、TAF(终端适配功能)和 TE(终 端设备)等功能部件。
(2) BTS(基站系统)。为一个小区服务的无线收发信设备。
(3) BSC(基站控制器)。具有一个或多个 BTS 进行控制以及相应呼叫控 制功能。BSC 以及相应的 BTS 组成了 BSS(基站子系统)。BSS 是在一定的 无线覆盖区中，由 MSC 控制，与 MS 进行通信的系统设备。
(4) MSC(移动业务交换中心)。对于位于管辖区域中的移动台进行控 制、交换的功能实体。
(5) VLR(拜访位置寄存器)。MSC 为所管辖区域中 MS 的呼叫接听所需 检索信息的数据库，VLR 存储与呼叫处理有关的一些数据，例如，用户号 码、所处的位置识别、向用户提供的服务等参数。
(6) HLR(归属位置寄存器)。管理部门用于移动用户管理的数据库。每 个移动用户都应在其 HLR 注册登记。HLR 主要存储两类信息——有关用 户的参数和有关用户目前所处位置的信息。
(7) EIR(设备识别寄存器)。存储有关移动台设备参数的数据库。主要 完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。
(8) AUC(鉴权中心)。为认证移动用户的身份和产生相应的鉴权参数的 功能实体。通常，HLR、AUC 合设在一个物理实体中，VLR、MSC 合设 在一个物理实体中，MSC、VLR、HLR、AUC、EIR 也合设在一个物理实
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中。MSC、VLR、HLR、AUC、EIR 功能实体组成交换子系统(SSS)。 体
(9) OMC(操作维护子中心)。操作维护子系统中的各功能实体，根据厂 家的实现方式可分为 OMC-R(无线子系统的操作维护中心)和 OMC-S(交换 子系统的操作维护中心)，GSM 系统通过 MSC 实现与多种网络互通，包括 PSIN、ISDN、PLMN 和 PSPDN
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。
整个体系结构可归为四大子系统，移动台、基站子系统、网络和交换 子系统、运行子系统，以上各功能单元包括在这四大系统中，下面对这四 大子系统作详细介绍。
2.1.1 移动台(MS)
移动台通常代表用户从整个系统看到的唯一设备，移动台的类型不仅 有车载型和便携型设备，还有手机。但是一个移动台包含什么呢？除了通 过无线接口接入网络的一般无线处理功能外，移动台必须提供一个与使用 者的接口(如送话器、收话器、显示器和管理话音呼叫的键盘)，或与其它 终端设备的接口(如：与个人计算机或传真机的接口)，或者两者都有。已 经作出努力使得脱架终端设备与移动台相连接(例如，第三类传真机就是为 了与电话网相连而设计的)，并为此规定了一些特殊的终端适配功能。但是， 所有的实现方法都可以选择，并对制造商开放，使得完全集成化的小型移 动台能与带有标准接口的移动台共存。
涉及用户数据处理时，要分清三大功能：
(1) 终端设备 机；
执行业务特有的功能，而不涉及 GSM 特有的功能，如 传真
(2) 移动终端装置
执行与无线接口上的传输有关的所有功能；
作为终端设备和移动终端装置之间的连接器。当移 动终
(3) 终端适配器
端装置的外部引入一个终端适配器。
移动终端装置、终端适配器和终端设备间的功能划分与每项业务的传 输要求密切相关。
移动台另一个重要的结构特点与用户模块或 SIM 卡(SIM——用户识 别模块，由于它不仅仅包括身份识别，这个名称的使用要有所限制)的概念 有关。从一个将移动终端装置分开的观点出发，移动台被分为两部分：一
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是通讯处理设备，另一侧是 SIM 卡。SIM 卡基本上是一块遵守 ISO 标准 的智能侧
卡(或它切下的一部分)，包含存储在无线接口的用户一侧的所有与 用户有关的信息。它的功能，除了信息存储能力，还与保密性有关。移动 台的基本部分包括接入网络的所有通用传输和信令方法，以及人机设备(如 终端 ) 。 SIM 卡与移动台的其它部分的接 口在规范中都有规定，简称 ―SIM-ME‖接口(ME 代表移动设备)
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。
在规范中，移动台(MS)一般都包括移动设备和 SIM 卡，在没有 SIM 卡时对移动台操作的情况(如网络允许时，移动台可以处理无名紧急呼叫) 很少。可擦除的用户数据存储设备的概念具有深远的影响。在以前的蜂窝 系统中，移动台的个人化，要求的介入较多，这只对技术专家可能，而对 运营公司的行政管理人员则难以做到。这种情况下有几个缺点：移动台只 能卖给专业商人，他们不但能在车辆中安装设备，而且成为在用户和业务 提供者之间使设备个人化的中间人；一旦移动台失效，很难在维修期间给 用户提供替代品，更不能允许用户在这一期间保留相同的电话号码。
可移走的 SIM 卡简化了这些问题，而且带来了其他益处。一个潜在的 用户当然可以买一台移动设备，但他也可以在任何时间租用或借用一台， 并可随意更换，而无需很多管理。他所需要的只是自己的 SIM 卡，这可以 从运营者或业务提供者处获得，与选择任何设备无关。SIM 卡个人化的最 后一步可通过小型计算机和简单的适配器很容易实现。因为它们不再需要 运营者或业务提供者的介入，移动设备的销量将比以前有大幅度提高，汽 车电话仍在车辆上安装，便携式或手机将鼓励用户从任何商店购买移动设 备。
2.1.2 基站子系统(BSS)
一般来说，基站子系统包括 GSM 无线蜂窝方面特有的基础设施。BSS 通过无线接口与移动台直接相连，它包括负责在无线路径上发送、接收及 管理的设备；另一方面，BSS 也与网络和交换子系统的交换机相连
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。因 此，BSS 的作用可概括为：将移
动台分别与 NSS 和其他电信用户连接起来。 BSS 要由运动和维护子系统控制，故与它也有联系。
根据规范的 GSM 结构，BSS 包括两类设备：基站收发台(BTS)(它通
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无线接口与移动台联系)和基站控制器(BSC)(它与 NSS 的交换机联系)。 功能划过
分基本上是在传输设备(BTS)和管理设备(BSC)之间。
基站收发台包括无线发射和接收设备、天线和特有的信号处理部分。 BTS 可看作一个复杂的无线调节器，其功能很少。典型的第一代 BTS 由几 个机柜组成，它包含传输功能所必须的所有电子设备。天线通常位于几十 米远的塔上，通过馈线电缆与设备架相连。只有一个设备机柜的第一代 BTS，典型地可处理 3~5 个无线载波，承载 20~40 个同时通信。减少 BTS 的体积对于降低蜂房站址的成本很重要，预计在该领域将有大的进展。
基站子系统的一个重要部分(在规范的 GSM 结构中被认为是 BTS 的一 部分)是 TRAU(编码变换器/速率适配单元)。TRAU 是执行 GSM 特有的话 音编码和解码及数据速率适配的设备。虽然规范中把 TRAU 看作 BTS 的 一部分，它可以不与 BTS 安装在一起，甚至在许多情况下，它实际上位于 BSC 和 MSC 之间。它的较远位置允许进一步压缩 BTS 和 TRAU 之间的传 输(这是运营者节省成本的一种途径)。
BSS 的内部结构中，在基站收发台的上面是 BSS 的第二个基本组成部 分——基站控制器(BSC)。BSC 通过 BTS 和移动台的远端命令，负责所有 的无线接口的管理，主要是无线信道的分配、释放及切换管理。BSC 一端 与几个 BTS 相连接，另一端与网络和交换子系统相连(更确切的说，是与 移动业务交换中心相连)。
一台 BSC 实际上是一台具有重要计算能力的小型交换机，它的主要作 用是管理无线接口上的信道和切换过程。典型的 BSC 由一个或两个设备机 柜组成，根据 BTS 的业务能力，可以管理多达几十个 BTS。
BSC 和 MSC 之间的接口(A 接口)在 GSM 标准制定早期就引入了。后 来决定制定 BTS 和 BSC 之间的 Abis 接口(实际上，Abis 接口并不比 A 接 口更有意义)。
在 GSM 词汇中，一个 BSS 指一部 BSC 及它所控制的所有 BTS，以免 与作为子系统(包括所有 BSC 和 BTS)的 BSS 混淆。
2.1.3 网络和交换子系统(NSS)
网络和交换子系统包括 GSM 的主要交换功能以及管理用户数据和移
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性所需的数据库，有时它也称为交换子系统。由于 GSM 网络包括 BSS 和 NSS，动
因而后一个名称更恰当。NSS 的主要作用是管理 GSM 用户和其 它电信网络用户之间的通信。
在 NSS 内部，基本交换功能由 MSC 完成，MSC 的主要功能是协调呼 叫 GSM 用户和来自 GSM 用户的呼叫的建立。MSC 一侧与基站子系统接 口(通过 BSS 与 GSM 用户联系)，另一侧与外部网络接口。为了与 GSM 外 部的用户通信，MSC 与外部网络的接口可能需要一个适配网关(交互工作 功能 IWF)。IWF 的作用总是或多或少要依赖用户数据的类型和它要与之接 口的网络类型。NSS 还要利用与外部网络接口的能力，在 GSM 实体之间 传输用户数据和信令。特别地，NSS 利用一个遵循 CCITT7 号信令系统协 议的信令支持网络(至少有一部分在 GSM 的外部)，因而常常称为 SS7 网络； 这个信令网使得位于一个或几个 GSM 网络内部的 NSS 设备能协调交互工 作
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。
作为一个设备，移动业务交换中心控制着几个基站控制器，它通常是 一台相当大的交换机。MSC 与特定网络的互相连接，要求将 GSM 网络传 输特性与通信对方的网络特性相适配，这些适配就是交互工作功能(IWF)， 这个术语也可指负责该功能的实体。它基本上由一个传输和协议适配设备 构成。它使得 GSM 网络可与 PSPDN、CSPDN 等网络交互工作，当通信对 方是简单的 PSTN 或 ISDN 时，IWF 也存在。交互工作功能既可与 MSC 功 能一起实现，也可由单独的设备实现。当单独实现 IWF 时，规范未规定 MSC 与 IWF 之间的接口。
除了 MSC，网络和交换子系统还包括数据库。与电信业务的提供者有 关的用户信息都存储在基础设施中的 HLR(归属位置寄存器)内，而不管用 户当前的实际位置。HLR 保存与用户的当前位置有关的信息，从而能够建 立对移动台的呼叫。
作为一个物理设备的 HLR 是一台独立的计算机，它没有交换能力，能 管理成千上万的用户。HLR 功能的一个部分是鉴权中心(AuC)，AuC 的作 用是为用户确认管理安全数据。
GSM 中的第二个数据库是 VLR(来访位置寄存器)，它与一个或多个
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