1、第3章 GSM移动通信系统第3章 GSM移动通信系统3.1 概述概述 3.2 系统组成系统组成 3.3 系统编号系统编号 3.4 移动网络功能移动网络功能 3.5 GPRS系统系统 第3章 GSM移动通信系统 3.1 概概 述述 第一代模拟蜂窝移动通信系统的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用技术大大提高了频谱利用率、增大了系统容量；网络智能化实现了越区切换和漫游功能，扩大了客户的服务范围。但上述模拟系统存在以下四大缺陷：(1)各分立系统间没有公共接口；(2)很难开展数据承载业务；(3)频谱利用率低，无法适应大容量的需求；(4)安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。第3章 GSM移动通信
2、系统对于各自拥有模拟蜂窝移动通信网络(如北欧多国的NMT和英国的TACS)的欧洲各国来说，由于没有系统间的公共接口，不能实现跨国漫游，非常不方便。1982年，欧洲邮电大会(Conference Europe of Post and Telecommunication，CEPT)组建了一个新的标准化组织，称为移动通信特别小组(Group Special Mobile，简称GSM)，专门用于制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范，以实现全欧移动漫游功能。这就是GSM数字蜂窝移动通信系统开始研究的背景情况。第3章 GSM移动通信系统1986年，泛欧11个国家为GSM提供了8个实验系统和大量的技术
3、成果，并就GSM的主要技术规范达成共识。这些技术规范包括窄带时分多址(TDMA)、规则脉冲激励线性预测(RPE-LTP)话音编码和高斯滤波最小移频键控(GMSK)调制方式等。1990年，GSM系统试运行。1991年，第一个实用系统在欧洲开通，同时，GSM被更名为“全球移动通信系统”(Global System for Mobile communications)。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信的发展阶段。第3章 GSM移动通信系统此后，GSM系统又经历了不断的改进与完善。尽管其它的一些2G数字系统(如北美的IS-54和日本PDC)也陆续被开发出来并投入使用，但是由于GSM系统规范、标准的
4、公开化和优点的诸多性，很快就在全世界范围内得到了广泛的应用，实现了世界范围内移动用户的联网漫游。截止到本世纪初，全球共运行着350多个GSM网络，用户人数总计达到3亿。GSM的另一个名字“全球通”日趋名副其实。第3章 GSM移动通信系统3.2 系系 统统 组组 成成3.2.1 结构组成结构组成GSM蜂窝移动通信系统主要包括四个相互独立的子系统：操作维护子系统(Operation&Maintenance Subsystem，简称OMS)、网络交换子系统(Network Switch Subsystem，简称NSS)、无线基站子系统BSS和移动台MS，如图3-1所示。其中BSS介于MS和NSS之间
5、，提供和管理它们之间的信息传输通路，也管理MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口。NSS保证MS与相关的公共通信网(如ISDN和PSTN)或与其它MS之间建立通信。也就是说，NSS不直接与MS互相联系，BSS也不直接与公共通信网互相联系。OMS与BSS和NSS都有直接连接，负责整个网络的操作维护和控制。第3章 GSM移动通信系统图3-1 GSM蜂窝移动通信系统的基本组成 第3章 GSM移动通信系统图3-2 GSM系统整体结构框图 第3章 GSM移动通信系统1.网络交换子系统网络交换子系统NSS在GSM说明书的phose2+中，该子系统所采用的名称术语是SMSS(Switching and M
6、anagement Sub-System，交换与管理子系统)。尽管这个名称表达得更恰当一些，但是由于网络交换子系统NSS这种叫法更具有普遍性，所以本书也使用NSS。网络交换子系统NSS负责GSM系统内各个指令的交换和路由选择(路由选择指的是当一个移动用户向外拨打或有外部电话拨打移动用户时，系统为了完成两部电话之间的接续所做的选择合适路径的过程)，并管理着用户的各种数据，进而可以进行用户安全的管理(如鉴权)和移动性的管理。它既可以看做是一台控制器又可看做是一个大型的数据库，存储着各种指令信息和用户信息。第3章 GSM移动通信系统NSS由一系列功能实体构成，每一个功能实体都肩负着不可或缺的使命。各
7、功能实体介绍如下：1)移动业务交换中心(MSC，Mobile Service Switching Center)MSC是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它使用户享受各种业务成为可能。MSC的具体功能如下：MSC可从三种数据库(HLR、VLR和AUC)中获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC也可根据其最新得到的用户请求信息(如位置更新，越区切换等)更新数据库的部分数据。第3章 GSM移动通信系统 MSC作为网络的核心，应能完成位置登记、越区切换和自动漫游等移动管理工作。同时具有电话号
8、码存储编译、呼叫处理、路由选择、回波抵消、超负荷控制等功能；MSC还支持信道管理、数据传输以及包括鉴权、信息加密、移动台设备识别等安全保密功能。MSC可为移动用户提供以下服务：电信业务。例如：通话、紧急呼叫、传真和短消息服务等。承载业务。例如：3.1kHz电话，同步数据0.3kb/s2.4kb/s及分组组合和分解(PAD，Packet Assembly and Disassembly)等。补充业务。例如：呼叫转移、呼叫限制、呼叫等待、电话会议和计费通知等。第3章 GSM移动通信系统2)访问位置寄存器(VLR，Visitor Location Register)VLR是一个数据库，负责存储MSC
9、为了处理所管辖区域中所有MS的来话接听和去话呼叫所需检索的信息，例如用户的号码、所处位置区域的识别、向用户提供的服务等参数。具体来讲，VLR是为其控制区域内的移动用户服务的，它存储着进入其控制区域内的已登记的移动用户的相关信息，从而为该用户以后的呼叫连接创造了前提条件。VLR从该移动用户所在的归属位置寄存器(HLR)处获得并存储该用户的数据。一旦用户离开该VLR的控制区域，则重新在他所进入的另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户的数据。因此，VLR可看做一个动态的用户数据库。第3章 GSM移动通信系统3)归属位置寄存器(HLR，Home Location Register)HLR
10、是GSM系统的中央数据库，主要存储着管理部门用于移动用户管理的相关数据，具体包括两类信息：一是有关用户的参数，即该用户的相关静态数据：包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等；二是有关用户目前所处状态的信息，即用户的有关动态数据，如用户位置更新信息或漫游用户所在的MSC/VLR地址及分配给用户的补充业务等。用户购买新的手机及SIM卡时，服务人员都会在相应的HLR处注册登记。HLR可以与MSC/VLR一一对应，也可以是一个HLR控制若干个MSC/VLR或整个区域的移动网。第3章 GSM移动通信系统4)鉴权中心(AUC，Authentication Center)AUC也是一个数据库，
11、保存着与用户鉴权紧密相关的三个参数(随机号码RAND、符合响应SRES和密钥KC)，其作用是：通过鉴权能够确定移动用户的身份是否合法，还能够进一步满足用户的保密性通信等要求。鉴权是GSM系统采取的一种安全措施，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。任何手机在通话前都要先经过鉴权，待得到系统确认，承认其为合法用户后，方可进入通话接续。在此过程中，AUC起到了关键的作用。第3章 GSM移动通信系统5)设备识别寄存器(EIR，Equipment Identity Register)EIR也是一个数据库，存储着有关移动台的设备参数，主要是国际移动设备识别码(Internati
12、onal Mobile Equipment Identity，简称IMEI)，其功能是完成对移动台设备的识别、监视、闭锁等，以防止非法移动台的使用。对移动台身份的核准包括三个组成部分：入网许可证的核准号码、装配工厂号和手机专用号。针对不同的核准结果，移动台的IMEI会分列于白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格之一。白色清单中收录了所有的核准号码，拥有该清单中号码的移动台可以正常使用网络；第3章 GSM移动通信系统黑色清单中收录了所有的挂失移动台和禁止入网移动台的号码，拥有这些号码的移动台会被暂时禁用(闭锁)；灰色清单收录了所有的出现异常或功能不全，但不足以禁用的移动台的号码，拥有这些号码的移
13、动台会受到网络的监视，随时可能被鉴别出其非法身份，这样便可以确保入网移动设备不是被盗用的或是故障设备，确保注册用户的安全性。一旦手机丢失，只要向系统报告该手机的IMEI号码，EIR就会将其列入黑色清单，使得盗用者空欢喜一场。第3章 GSM移动通信系统2.基站子系统基站子系统(BSS，Base Station Subsystem)基站子系统(简称基站)又称无线子系统，因为它是GSM系统中与无线蜂窝网络关系最直接的基本组成部分，主要负责系统的无线方面。BSS是一种在特定的蜂窝区域内建立无线电覆盖的设备，负责完成无线发送、接收和管理无线资源。第3章 GSM移动通信系统从整个GSM网络来看，基站子系统
14、介于网络交换子系统和移动台之间，起中继作用。一方面，基站通过无线接口直接与移动台相接，负责空中无线信号的发送、接收和集中管理；另一方面，它与网络交换子系统中的移动业务交换中心(MSC)采用有线信道连接，以实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信，传送系统信号和用户信息等。以移动台用户与固定网络用户之间的通信为例：基站接收到移动台的无线信号，经过简单处理之后即传送给移动交换中心，经过交换中心的交换机等设备的处理，再通过固定网络传送给固定用户，这样网络通路建立，即可实现正常的网络通信了。第3章 GSM移动通信系统正是由于基站子系统在整个GSM网络中的重要地位，因而它在GSM网络中起着重要的作
15、用，直接影响着GSM网络的通信质量。一个覆盖区中基站的数量、基站在蜂窝小区中的位置，基站子系统中相关组件的工作性能等都是决定整个蜂窝系统通信质量的重要因素。基站的选型与建设，已成为组建现代移动通信网络的重要一环。GSM赋予基站的无线组网特性使基站的实现形式可以多种多样宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝及室内、室外型基站。无线频率资源的有限性又迫使人们发展出基站的各种不同应用形式远端TRX、分布天线系统、光纤分路系统、直放站，以扩大覆盖范围、增强话务能力。第3章 GSM移动通信系统从组成上看，基站子系统主要包括两类设备：基站收发信台BTS和基站控制器BSC。通常来说，一个基站只包括一个BSC，而一个BSC
16、根据话务量的需要可以控制一个或多个BTS。BTS可以与BSC直接相连，从而构成一个整体基站系统，其覆盖区为包含若干相邻小区的单一区域，如图3-3(a)所示；BTS与BSC也可以通过基站接口设备(Base-station Interface Equipment，简称BIE)采用远端控制(当BSC与BTS间距离超过15米时)的连接方式相连，此时基站系统服务区为若干个无线覆盖区，如图3-3(b)所示。第3章 GSM移动通信系统图3-3 BTS与BSC的连接方式 第3章 GSM移动通信系统下面对BTS和BSC进行具体介绍。1)基站收/发信台(BTS，Base Transfer and Receive
17、Station)BTS属于基站子系统的无线接口设备，完全受BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、无线调制和编码等功能。具体来说，它可以接收来自移动台的信号，也可以把BSC提供的信号发送给移动台，从而完成BSC与无线信道之间的信号转换。第3章 GSM移动通信系统从覆盖范围上讲，每个BTS大致能覆盖1km2。在某个区域内，多个基站共同组成一个蜂窝状的网络，通过控制收/发信台与收/发信台之间的信号相互传送和接收来达到移动通信信号的传送，这个范围内的地区也就是我们常说的网络覆盖面。如果没有了收发信台，那就不可能完成手机信号的发送和接收。基站收/发信台不能覆盖的地区
18、也就是手机信号的盲区。所以基站收/发信台发射和接收信号的范围直接关系到网络信号的好坏以及手机是否能在这个区域内正常使用。第3章 GSM移动通信系统从容量上讲，1个BTS的最大容量约为16个载频。由于GSM系统每个载频能够支持7个业务时隙，因此，每个BTS能够支持上百个(716=112)通信同时进行。在农村，BTS的载频数可以减少到1个，即可以支持7个手机同时通信；在城市，一个BTS一般有24个载频，可同时支持1428个手机通信。BTS主要包括收/发信机TRX、天线和基站控制功能(Base-Station Control Function，简称BCF)单元三个部分。BCF单元在BTS中实现公共控
19、制功能。基站收发信机TRX按照功能不同又可分为发信机和收信机两部分，它们各自的主要功能流程如图3-4所示。第3章 GSM移动通信系统图3-4 BTS的功能流程 第3章 GSM移动通信系统BTS的另一个组成部分是天线。天线有发射天线和接收天线、全向天线和定向天线之分。全向天线是指收发全方位(360)信号的天线；定向天线是指收发固定角度(如80)信号的天线，两者的外观图如图3-5所示。天线一般可有下列三种配置方式：发全向、收全向方式；发全向、收定向方式；发定向、收定向方式。在GSM系统中，频道数较少的基站(如位于郊区)常采用发全向、收全向方式，而频道数较多的基站则采用发全向、收定向或发定向、收定向
20、的方式，且基站的建立也比郊区更为密集。一般来说，在农村用全向天线，城市和高速公路区域用定向天线。第3章 GSM移动通信系统图3-5 移动通信系统中的天线外观图(a)全向天线 (b)定向天线 第3章 GSM移动通信系统2)基站控制器BSC基站控制器BSC在BSS子系统内充当控制器和话务集中器，它主要负责管理BTS，而且当BSC与MSC之间的信道阻塞时，由它进行指示。它同时具有对各种信道的资源管理、小区配置的数据管理、操作维护、观察测量和统计、功率控制、切换及定位等功能，是一个很强的功能实体。第3章 GSM移动通信系统一个BSC通常控制着几个BTS，通过BTS和MS的远端命令，BSC负责所有的移动
21、通信接口管理，主要是无线信道的分配、释放和管理。当用户使用移动电话时，它负责打开一个信号通道，通话结束时它又把这个信道关闭，留给其它用户使用。除此之外，还对本控制区内移动台的越区切换进行控制。如用户在使用手机过程中跨入另一个基站的信号收发范围内时，BSC则负责与另一个基站之间相互切换，并保持始终与移动交换中心的连接。第3章 GSM移动通信系统BSC通过A接口与MSC相连，BSC端的接口设备是数字中继控制器(Digital Trunk Controller，简称DTC)。BSC通过Abis接口与BTS相连，BSC端的接口设备是终端控制单元(Terminal Control Unit，简称TCU)
22、，由此构成一个简单的通信网络。BSC的核心是交换网络(SW)和公共处理器(Common Processing Resource，简称CPR)。交换网络SW完成Abis接口与A接口之间64 kb/s的语音/数据业务信道的内部交换，其容量配置应根据系统容量的需要，可以是16个2 Mb/s端口，也可以是64个2 Mb/s端口。公共处理器CPR负责对BSC内部各模块进行控制管理，包括对内部数据库的管理，以及后备程序寄存器和各种软件的管理。此外，CPR通过X.25接口与系统的操作维护中心(OMC)相连接。CPR还提供RS-232接口，可用于BSC内部的人机通信。BSC的主要组成及对外连接情况请参见图3-
23、6。第3章 GSM移动通信系统图3-6 BSC的主要组成及对外连接情况第3章 GSM移动通信系统除了BSC和BTS这两个主要组成部分之外，基站子系统BSS还必须包括码变换器(TransCoder，简称TC)和相应的子复用设备(Sub Multiplexer，简称SM)。码变换器TC通常放在BSC和MSC之间，主要完成16 kb/s的规则脉冲激励长期预测RPE-LTP编码和64 kb/s的A律PCM之间的语音转换。TC配置SM可以增加组织网络时的灵活性并可减少传输设备的配置数量。基站子系统BSS完整的结构组成如图3-7所示。第3章 GSM移动通信系统图3-7 BSS完整的结构组成图 第3章 GS
24、M移动通信系统3.移动台移动台MSMS是GSM移动通信系统中用户所使用的设备，也是用户在整个GSM系统中能够接触到的唯一的设备，是硬件设备和用户数据的结合体。移动台可以在整个系统的服务区内移动，不论移动台是处于运动之中还是处在不同地点，都应该能够享受到网络服务。第3章 GSM移动通信系统为了便于用户携带和使用，一般对手机做出如下要求：总重量低于0.8 kg；体积小于900 cm3；供电容量应保持电台的工作时间在连续通话状态下不少于1小时，在待机或接收状态下不少于10小时。根据发射功率的不同，移动台还有不同的级别划分。具体划分及其应用类型如表3-1所示。由表可知，移动台等级的划分依据是移动台发射
25、功率的峰值。也就是说，移动台的发射功率是可变的，这要根据基站的具体需要而定。一般来讲，移动台发射功率降低的步进为2dB。第3章 GSM移动通信系统表 3-1 移动台功率等级 等级 峰值功率/W 类 型 1 20 车载台、便携台 2 8 车载台、便携台 3 5 手持机 4 2 手持机 5 0.8 手持机 第3章 GSM移动通信系统1)移动终端(MT，Mobile Terminal)移动终端就是“机”，它是移动台的主体，是完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信号的发射和接收的主要设备。它可以通过天线接收来自外界无线信道的信号，然后经过一系列的变换和处理，还原成语音信号，供用户接听；
26、相反的，它也可以将用户的语音信号，经过一系列相反的变换和处理，转变成适合无线信道传输的信号形式，然后通过天线发送出去。移动终端的结构组成如图3-8所示。第3章 GSM移动通信系统图3-8 移动终端的结构组成 第3章 GSM移动通信系统由图可见，移动终端可分为三大部分：无线部分、处理部分和接口部分。(1)无线部分为高频系统，包括天线系统、发送、接收、调制解调以及压控振荡器(Voltage Control Oscillator，简称VCO)等。发送又包括带通滤波、射频功率放大等；接收又包括高频滤波、高频放大、变频、中频滤波放大等。第3章 GSM移动通信系统(2)处理部分可分为两个子块：信号基带子块
27、和控制子块。信号基带子块对数字信号进行一系列处理。发送通道的处理包括：语音编码、信道编码、加密、TDMA帧形成等，其中信道编码包括分组编码、卷积编码和交织；接收通道的处理包括均衡、信道分离、解密、信道解码和语音解码等。控制子块对整个移动台进行控制和管理，包括定时控制、数字系统控制、无线系统控制以及人机对话控制等。若采用跳频，还应包括对跳频的控制。第3章 GSM移动通信系统(3)接口部分包括语音模拟接口、数字接口以及人机接口三个子块。语音模拟接口包括A/D、D/A变换、麦克风和扬声器等；数字接口主要是数字终端适配器；人机接口主要有显示器和键盘等。第3章 GSM移动通信系统2)用户识别卡(SIM，
28、Subscriber Identity Module)SIM卡中存储着有关用户的个人信息和网络管理的一些信息以及加密、解密算法等，通过这些信息可以验证用户身份、防止非法盗用、提供特殊服务等，因而SIM卡又称为智能卡。又由于SIM卡中存储着与用户通信费用相关的信息，因而又称为储值卡。网络正是根据SIM卡中存储的这些数据来为用户提供个性化服务和通信管理的。SIM卡是用户移动终端的重要组成部分，是用户使用终端设备和享用网络服务的一把钥匙，用户只有把合法的SIM卡插入或嵌入任何一个移动设备，才能实现通信，而通信费用会自动计入该卡中的用户账户上。第3章 GSM移动通信系统(a)原卡 (b)标准卡 (c)
29、小卡 图3-9 不同样式的SIM卡 第3章 GSM移动通信系统(1)原卡，即SIM卡刚买来时的大卡，就是比标准卡多了一个框架，上面可能标示有SIM卡的个人识别密码(Personal Identity Number，简称PIN)和用户码。其尺寸为54 mm85mm(银行卡标准尺寸)。(2)标准卡。将其从原卡上扣下来后插入GSM终端，即可接入GSM网络。标准卡的尺寸为25 mm15mm(比普通邮票还小)。(3)小卡，也称Micro SIM卡、第三类规格SIM卡，尺寸为12mm15mm(拇指大小)。第3章 GSM移动通信系统按照付费方式不同，SIM卡又可分为以下两类：(1)一次性预付费卡。该卡在制作
30、过程中，预先被写入一定数量的话费单元，当话费单元扣减至零或超出有效期时，此卡不可再使用；(2)可增值预付费卡。这种卡在其中的话费单元扣减至零时，用户可通过指定服务点或电话转账等方式，向预付费卡中增加话费，之后此卡可继续使用。在有效期内，可多次向预付费卡中充值。第3章 GSM移动通信系统各种的SIM卡外包装都有防水、耐磨、抗静电、接触可靠和精度高的特点。SIM卡内部是带有微处理器的智能芯片，它主要由以下五个模块构成：中央处理器(Central Processor Unit，简称CPU)、只读存储器(Read Only Memory，简称ROM)、随机存储器(Random Access Memor
31、y，简称RAM)、数据存储器(电可擦除可编程只读存储器，Electronic Erasable Programmable ROM，简称E2PROM或闪存Flash)和串行通信单元。SIM卡内部结构组成框图如图3-10所示。SIM卡的五个组成模块都集成在一块集成芯片中，该芯片有八个触点，与移动设备相互接通是在SIM卡插入设备中、接通电源后完成的。此时，操作系统和指令设置才开始为SIM卡提供智能特性。第3章 GSM移动通信系统图3-10 SIM卡内部结构组成 第3章 GSM移动通信系统图3-11 SIM卡存储目录结构及内容 第3章 GSM移动通信系统所有目录下存储的数据信息都是以数据字段的形式来表
32、示的。这些数据字段分为两种类型：一种是透明的、非结构化的，由固定长度的字块构成；另一种是面向记录的、可随时更新的，它由固定长度的逻辑记录组成。每种数据字段都要表达出它的用途、更新程度、特性及类型等。SIM卡除了存储正常的数据字段，也存储有非文件字段，如鉴权钥、个人身份鉴权号码、个人解锁码等数据。GSM Phase2的GSM应用目录和电信应用目录下的数据字段分别如表3-2和表3-3所示。第3章 GSM移动通信系统表 3-2 GSM 阶段 2 的 GSM 应用目录下的数据字段 标识符 名 称 长度 6F05 语种选择(Language Preference)4 6F07 IMSI 9 6F20 K
33、c,n 9 6F30 PLMN 选择(PLMN Selector)42 6F31 HPLMN 搜索(HPLMN Search)1 6F38 业务表(Service Table)4 6F45 小区广播消息标识(Cell Broad Message ID)8 6F74 BCCH 消息(BCCH Information)16 6F78 接入控制(Access Control)2 6F7B 禁止 PLMN(Forbidden PLMN)12 6F7E TMSI LAI 11 6FAD 管理数据(Admin Data)3 6FAE Phase 识别(Phase Identifying)2 第3章 GSM
34、移动通信系统表 3-3 GSM 阶段 2 电信业务应用目录下的数据字段 标识符 名 称 6F3A 缩位拨号(Abbreviated Dialing)6F3C 短消息存储(Short Message Storage)6F3D 容量配置参数(Capability Configuration)6D40 MSISDN 6F42 短消息存储参数(SMS Parameters)6F43 短消息存储状态(SMS Status)6F44 最后拨号存储(Last Number Dialed)6F4A 扩展 1 文件(Extension 1 file)第3章 GSM移动通信系统在GSM系统中，SIM卡的主要功能具
35、体表现在如下三个方面：(1)用户相关数据和参数的存储功能。SIM卡中存有数据：ISDN、Ki、PIN、PUK(Personal Unlock Key，个人身份解钥码)、TMSI(Temporary Mobile Station Identity，临时移动台识别码)、LAI、ICCID(Integrate circuit card identity，集成电路卡识别码)以及用户短信息等。其中ISDN、Ki、PIN、PUK是相对固定的；TMSI和LAI是随着用户移动，网络随时写入的；ICCID就是SIM卡号，它的数据格式如图3-12所示。每个SIM卡的反面，即不带芯片的那一面上都印有ICCID号码。
36、其印制方式有两种：条形码和数字号码，颜色为黑色。第3章 GSM移动通信系统图3-12 ICCID的数据结构 第3章 GSM移动通信系统(2)PIN的操作和管理功能。SIM卡本身是通过PIN码来保护的，因而SIM卡具有PIN码的操作与管理功能。关于PIN码的构成及其保护功能，将在3.4.2节加以介绍。(3)存储保密算法和密钥进行用户身份鉴权和数据加密的功能。用户的SIM卡中存储着有关鉴权和加密的各种算法和密钥，能够协助网络在必要的时候进行用户身份的识别、功能请求的鉴权以及数据的加密等。第3章 GSM移动通信系统4.操作维护子系统操作维护子系统OMS如果把GSM网络比作一个繁忙的飞机场的话，网络管
37、理子系统OMS就是飞机场上的总调度室。OMS实现对GSM整个网络的维护和管理功能。GSM规范没有对OMS作严格规定，不同厂家的设备也都不同，主要包括网络管理中心NMC和操作维护中心OMC两种。NMC是全网管理的最高层，每一个网络只有一个，我国的GSM网络没有设此项。OMC主要是对整个GSM网络进行管理和监控，通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。根据分工不同，OMC又分为交换操作维护中心OMC_S和无线操作维护中心OMC_R两种。OMC_S完成对网络交换子系统NSS的操作和维护；OMC_R完成对基站子系统BSS的操作和维护。第3章 GSM移动通信系统3.2.2 接
38、口接口接口代表两个相邻实体之间的连接点，协议是说明连接点上交换信息需要遵守的规则。除了OMC与MSC之间的接口外，GSM规范对系统中的大部分接口都有明确的规定。也就是说，大部分接口都是开放式的。通过这些接口，网络各单元之间交换信息，以此实现网络的功能。如图3-13所示，GSM系统中接口有十余个。第3章 GSM移动通信系统图3-13 GSM系统中的接口示意图 第3章 GSM移动通信系统1.基站基站(BS)与移动台与移动台(MS)之间的无线接口之间的无线接口(Radio Interface)Um接口接口在GSM系统中，移动台通过无线通道与网络的固定部分相连，使用户可以接入网中，从而得到通信服务。移
39、动台(MS)和基站(BS)设备的研制开发是允许分别进行的。为了实现它们的互联，对无线通道上信号的传输必须做出一系列规定，建立一套标准，这套关于无线通道信号传输的规范就是所谓的无线接口，即Um接口，如图3-14所示。第3章 GSM移动通信系统Um接口由下述特性所规定：(1)信道结构和接入能力；(2)MS-BS通信协议；(3)维护和操作特性；(4)性能特性；(5)业务特性。第3章 GSM移动通信系统图3-14 GSM系统中的无线接口第3章 GSM移动通信系统Um是GSM系统中最重要的接口，如果能够实现标准化，各移动台即使分布在世界的不同国家或地区、即使采用不同的技术和结构，也能够以统一标准的无线信
40、道接入方式进入GSM系统，为实现全欧漫游功能奠定基础。这就是Um接口的接入能力，下面对Um接口的协议模型加以简单介绍。作为第二代数字蜂窝移动通信网，GSM的无线接口采用开放系统互联(Open System Interconnection，简称OSI)参考模型的概念来规定其协议模型。有关OSI参考模型的相关规定，请参考其它技术资料。基于OSI参考模型，Um接口可分为3层，如图3-15所示。第3章 GSM移动通信系统图3-15 无线接口的分层结构 第3章 GSM移动通信系统第一层是物理层，为最低层，记为L1。它包括各类信道，为高层信息的传输提供基本的无线通道。第二层是数据链路层，为中间层，记为L2
41、。它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。数据链路层接受物理层的服务，并向第三层提供服务。第三层为网络应用层，记为L3。它提供GSM和与其相连接的其它公共移动网建立、维护和终止电路交换连接的功能。它还提供必要的支持补充业务和短消息业务的控制功能以及移动管理和无线资源管理的功能。第三层又可分为无线资源(Radio Resource，简称RR)管理、移动性管理(Mobile Management，简称MM)和呼叫管理(Calling Management，简称CM)3个子层。第3章 GSM移动通信系统2.基站子系统基站子系统BSS与移动业务交换中心与移动业务交换中心MSC之间的之间的A接接口口
42、A接口实质上是基站控制器BSC与MSC之间的接口，属于固定网络接口。该接口的物理链路采用标准的2.048 Mb/s PCM数字传输链路，信令协议基于CCITT的No.7信令系统。信令主要包括移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理等。A接口支持网络向移动用户提供的所有业务，同时支持在PLMN内分配无线资源以及对这些资源的管理。第3章 GSM移动通信系统A接口可用下述特性来规定：(1)物理和电气参数；(2)信道结构；(3)网络操作过程；(4)操作与维护信息支持。第3章 GSM移动通信系统A接口的分层协议模型如图3-16所示。第一层定义了BSC与MSC之间物理层结构，包括物理和电气参数及信道结构
43、。采用公共信道信令No.7(SS7)的第一级消息传递部分(MTP1)来实现。第二层定义了数据链路层和网络层，即MTP2和MTP3、SCCP。其中MTP2是高级数据链路控制(High-level Data Link Control，简称HDLC)协议的一种变体，MTP3和SCCP主要完成信令路由选择功能。第三层是应用层，包括BSS应用部分(BSS Application Part，简称BSSAP)规程和BSS操作维护应用规程(BSS Operation&Maintenance Application Part，简称BSSOMAP)，完成基站系统资源和连接的维护管理，业务的接续及拆除的控制。第3章
44、 GSM移动通信系统图3-16 A接口的分层协议模型 第3章 GSM移动通信系统3.基站收基站收/发信机发信机(BTS)与基站控制器与基站控制器(BSC)之间的之间的Abis接口接口Abis接口是BTS与BSC之间的固定网络接口，主要为BTS和BSC完成各种功能时提供信息交换。当BTS和BSC不在同一地点时，必须有此接口。当二者直接相连时，可以改用BS接口。Abis接口支持网络对移动用户提供的所有业务，同时还支持BTS内的无线设备控制和无线频率分配。第3章 GSM移动通信系统Abis接口由下述特性所规定：(1)物理和电气参数；(2)信道结构；(3)信令传输程序；(4)配置和控制程序；(5)操作
45、与维护信息支持。第3章 GSM移动通信系统由于GSM规范没有对该接口做出严格的规定，因此各个厂家对此接口的理解各有不同，不同厂家的BSC和BTS不能配合着一起工作。Abis接口也可以用三层分层结构模型来描述：第一层是物理层，规定了采用标准的2.048 Mb/s PCM数字传输链路；第二层是数据链路层，采用D信道链路接入规程(Link Access Procedure on D-channel，简称LAPD)协议，可实现一点到多点的通信；第三层是网络层，是以基站管理层(BTS Management，简称BTSM)和无线资源管理RR进行控制的，包括无线链路管理(Radio Link Managem
46、ent，简称RLM)功能和操作维护(Operation&Maintenance，简称OM)功能等。第3章 GSM移动通信系统4.移动业务交换中心移动业务交换中心MSC与公众网之间的与公众网之间的ISUP和和TUP接口接口如2.2.6节所述，ISUP是No.7信令系统的ISDN用户部分，它定义了综合业务数字网ISDN中电路交换业务控制，包括话音业务(如电话)和非话业务(如电路交换数据通信)控制所必需的信令消息、功能和过程；TUP是No.7信令系统的电话用户部分，它规定了电话业务中呼叫控制所需的信令程序以及实现这些信令程序所需的消息和消息格式。通过这两个接口，MSC可分别与ISDN和公众电话交换网
47、PSTN连接，因此，GSM系统具有广泛的联网能力。第3章 GSM移动通信系统5.移动业务交换中心MSC与访问位置寄存器VLR之间的B接口MSC通过该接口向VLR传送漫游用户位置信息，并在呼叫建立时向VLR查询漫游用户的有关数据。当MSC与VLR合设在一起时，它们之间采用内部接口。6.移动业务交换中心MSC与归属位置寄存器HLR之间的C接口MSC通过该接口向HLR查询被叫移动台的路由信息，HLR提供路由。7.访问位置寄存器VLR与归属位置寄存器HLR之间的D接口D接口用于两个寄存器之间传送用户数据信息(位置信息、路由信息、业务信息等)。第3章 GSM移动通信系统8.移动业务交换中心MSC与MSC
48、之间的E接口E接口用于越局频道转接。该接口要传送控制两个MSC之间话路接续的常规的电话网局间信令。9.移动业务交换中心MSC与设备识别寄存器EIR之间的F接口MSC向EIR查询移动台设备的合法性时使用该接口。10.访问位置寄存器VLR与VLR之间的G接口当移动台由某一个VLR移动到另一个VLR覆盖区域时，新老两个VLR通过该接口交换必要的信息。第3章 GSM移动通信系统3.2.3 信道信道信道指的是一种信息传输的通道，在这个通道中，信号可以以一定的形式稳定地传输。正是因为有了信道，各种通话话音、文字图片、控制信令等才能有效地进行传输。信道有狭义和广义之分：狭义的信道指的是发送设备和接收设备之间
49、用以传输信号的传输媒质；而广义的信道，除了包括传输媒质之外，还可以包括发送和接收端的有关部件和电路。按照传输媒质的性质不同，狭义的信道可分为有线信道和无线信道两种。有线信道指的是具有物理上实际存在的传输线路，如架空明线、同轴电缆、光缆等；无线信道不具有实际的传输线路，一般指的是通过自由空间、大气层等进行传输的情况。第3章 GSM移动通信系统GSM系统中既包含有线信道，又包含无线信道。一般来讲，移动台与基站之间的通信信道属于无线信道；而系统其它部分的通信信道都属于有线信道。在不同的体制中，信道又可以体现为不同的形式。在FDMA中，信道是电磁信号的一个特定频率区域，称为频带；在TDMA中，信道指的
50、是信号的一个特定时间片段，称为时隙；在CDMA中，一个信道针对着一个特定的编码序列，称为伪随机序列。上述这些形式的信道都称为物理信道。GSM系统采用的是TDMA/FDMA体制，其物理信道指的是对应1个载频上的TDMA帧的1个时隙TS。因为GSM的1个TDMA帧包含8个时隙，因而，1个载频对应8个信道(依次称为信道0、信道1、信道7)。第3章 GSM移动通信系统在物理信道的上层，还有逻辑信道。GSM中的逻辑信道是根据BTS与MS之间传输的信息种类的不同而定义的。这些逻辑信道在传输过程中都要被放到相应的物理信道上去，这称为映射。另外，从BTS到MS方向的信道称为下行信道或称信道的下行链路(Down
