GSM系統(tǒng)(GSM900/DCS1800)系統(tǒng)原理

GSM系統(tǒng)(GSM900/DCS1800)系統(tǒng)原理





前言 GSM900和DCS1800就是我們平常講的雙頻網(wǎng)絡(luò)，它們都是GSM標(biāo)準(zhǔn)。兩個系統(tǒng)功能相同，主
要是頻率不同，GSM900工作在900MHZ，DCS1800工作在1800MHZ。我國最早使用的是GSM900，隨
著通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶數(shù)量的迅速發(fā)展，原有的GSM900網(wǎng)絡(luò)頻率變得日益緊張，為更好地滿足用
戶增長的需求，我國近期引入了DCS1800，并采用以GSM900網(wǎng)絡(luò)為依托， DCS1800網(wǎng)絡(luò)為補(bǔ)充的
組網(wǎng)方式，構(gòu)成GSM900／DCS1800雙頻網(wǎng)，以緩和高話務(wù)密集區(qū)無線信道日趨緊張的狀況。只要用
戶使用的是雙頻手機(jī)，就可在GSM900／DCS1800兩者之間自由切 換，自動選擇最佳信道進(jìn)行通
話，即使在通話中手機(jī)也可在兩個網(wǎng)絡(luò)之間自動切換而用戶毫無察覺，而且手機(jī)選擇了最佳信道，
接通率得到了提高。為適應(yīng)這個趨勢，進(jìn)一步搶占市場份額，諾基亞、摩托羅拉、愛立信等世界著
名移動電話設(shè)備生產(chǎn)廠商競相開發(fā)并推出多頻段手機(jī)。



（一）GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)



GSM的歷史可以追溯到1982年，當(dāng)時，北歐四國向CEPT（Conference Europe of Post
and Telecommunications)提交了一份建議書，要求制定900MHZ頻段的歐洲公共電信業(yè)務(wù)規(guī)范，
以建立全歐統(tǒng)一的蜂窩系統(tǒng)。同年，成立了移動通信特別小組（GSM-Group Special Mobile)。
在1982年～1985年期間，討論焦點(diǎn)是制定模擬蜂窩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)還是制定數(shù)字蜂窩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)問題，直到
1986年決定為制定數(shù)字蜂窩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。1986年，在巴黎對不同公司、不同方案的系統(tǒng)（8個）進(jìn)行了
比較，包括現(xiàn)場試驗。1987年5月選定窄帶TDMA方案。與此同時，18個國家簽署了諒解備忘錄，相
互達(dá)成履行規(guī)范的協(xié)議。1988年頒布了GSM標(biāo)準(zhǔn)， 也稱泛歐數(shù)字蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)階段，GSM包
括兩個并行的系統(tǒng)：GSM900和DCS1800， 這兩個系統(tǒng)功能相同，主要是頻率不同。在GSM建議
中，未對硬件作出規(guī)定，只對功能和接口制定了詳細(xì)規(guī)定，這樣便于不同產(chǎn)品可以互通。GSM建議
共有12個系統(tǒng)。



1.GSM系統(tǒng)的主要組成

　

　GSM數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的主要組成部分可分為移動臺、基站子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。 基站子系統(tǒng)
（簡稱基站BS）由基站收發(fā)臺（BTS）和基站控制器（BSC）組成；網(wǎng)絡(luò)子系 統(tǒng)由移動交換中心
（MSC）和操作維護(hù)中心（OMC）以及原地位置寄存器（HLR）、訪問位置寄存器（VLR）、鑒權(quán)中
心（AUC）和設(shè)備標(biāo)志寄存器（EIR）等組成。

　　

*移動臺（MS）即便攜臺（手機(jī)）或車載臺。也可以配有終端設(shè)備（TE）或終端適配器（TA）。


　

　 移動臺是物理設(shè)備，它還必須包含用戶識別模塊（SIM），SIM卡和硬件設(shè)備一起組成移動臺。
沒有SIM卡，MS是不能接入GSM網(wǎng)絡(luò)的（緊急業(yè)務(wù)除外）。

　

　*基站收發(fā)臺（BTS）包括無線傳輸所需要的各種硬件和軟件，如發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、支持各種上
小區(qū)結(jié)構(gòu)（如全向、扇形、星狀和鏈狀）所需要的天線，連接基站控制器的接口電路以及收發(fā)臺本
身所需要的檢測和控制裝置等。

　

　*基站控制器（BSC）是基站收發(fā)臺和移動交換中心之間的連接點(diǎn)，也為基站收發(fā)臺和操作維修
中心之間交換信息提供接口。一個基站控制器通�？刂茙讉�基站收發(fā)臺，其主要功能是進(jìn)行無線信
道管理、實施呼叫和通信鏈路的建立和拆除，并為本控制區(qū)內(nèi)移動臺的過區(qū)切換進(jìn)行控制等。


　　

*移動交換中心（MSC）是蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的核心，其主要功能是對位于本MSC控制區(qū)域內(nèi)的移動用戶
進(jìn)行通信控制和管理。例如：



1）信道的管理和分配；



2）呼叫的處理和控制；



3）過區(qū)切換和漫游的控制；



4）用戶位置信息的登記與管理；



5）用戶號碼和移動設(shè)備號碼的登記和管理；



6）服務(wù)類型的控制；



7）對用戶實施鑒權(quán)；



8）為系統(tǒng)中連接別的MSC及為其它公用通信網(wǎng)絡(luò)，如公用交換電信網(wǎng)（PSTN）、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)
（ISDN）和公用數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）提供鏈路接口，保證用戶在轉(zhuǎn)移或漫游的過程中實現(xiàn)無間隙的服
務(wù)。

　　

由此可見，MSC的功能與固定網(wǎng)絡(luò)的交換設(shè)備有相似之處（如呼叫的接續(xù)和信息 的交換），
也有特殊的要求（如無線資源的管理和適應(yīng)用戶移動性的控制）。

　

　*原地位置寄存器（HLR）是一種用來存儲本地用戶位置信息的數(shù)據(jù)庫。在蜂窩通信網(wǎng)中，通常
設(shè)置若干個HLR，每個用戶都必須在某個HLR（相當(dāng)于該用戶的原籍）中登記。登記的內(nèi)容分為兩
類：一種是永久性的參數(shù)，如用戶號碼、移動設(shè)備號碼、接入的優(yōu)先等級、預(yù)定的業(yè)務(wù)類型以及保
密參數(shù)等；另一種是暫時性的需要隨時更新的參數(shù)， 即用戶當(dāng)前所處位置的有關(guān)參數(shù)，即使用戶
漫游到HLR所服務(wù)的區(qū)域外，HLR也要登記由該區(qū)傳送來的位置信息。這樣做的目的是保證當(dāng)呼叫
任一個不知處于哪一個地區(qū)的移動用戶時，均可由該移動用戶的原地位置寄存器獲知它當(dāng)時處于哪
一個地區(qū)，進(jìn)而建立起通信鏈路。

　

　*訪問位置寄存（VLR）是一種用于存儲來訪用戶位置信息的數(shù)據(jù)庫。一個VLR通常為一個MSC控
制區(qū)服務(wù)，也可為幾個相鄰MSC控制區(qū)服務(wù)。當(dāng)移動用戶漫游到新的MSC 控制區(qū)時，它必須向該地
區(qū)的VLR申請登記。VLR要從該用戶的HLR查詢有關(guān)的參數(shù)，要給該用戶分配一個新的漫游號碼
（MSRN），并通知其HLR修改該用戶的位置信息，準(zhǔn)備為其它用戶呼叫此移動用戶時提供路由信
息。如果移動用戶由一個VLR服務(wù)區(qū)移動到另 一個VLR服務(wù)區(qū)時，HLR在修改該用戶的位置信息
后，還要通知原來的VLR，刪除此移動用戶的位置信息。

　

　*鑒權(quán)中心（AUC）的作用是可靠地識別用戶的身份，只允許有權(quán)用戶接入網(wǎng)絡(luò)并 獲得服務(wù)。


　　

*設(shè)備標(biāo)志寄存器（EIR）是存儲移動臺設(shè)備參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，用于對移動設(shè)備的鑒 別和監(jiān)視，并拒
絕非移動臺入網(wǎng)。

　

　*操作和維護(hù)中心（OMC）的任務(wù)是對全網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控和操作，例如系統(tǒng)的自檢、報 警與備用設(shè)備
的激活、系統(tǒng)的故障診斷與處理、話務(wù)量的統(tǒng)計和計費(fèi)數(shù)據(jù)的記錄與傳 遞，以及各種資料的收
集、分析與顯示等。

　

　 以上概括地介紹了數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中各個部分的主要功能。在實際的通信網(wǎng)絡(luò)中， 由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模
的不同，營運(yùn)環(huán)境的不同和設(shè)備生產(chǎn)廠家的不同，以上各個部分可以有 不同的配置方法，比如把
MSC和VLR合并在一起，或者把HLR、EIR和AUC合并在一起。不 過，為了各個廠家所生產(chǎn)的設(shè)備可
以通用，上述各組成部分的連接都必須嚴(yán)格地符合 規(guī)定的接口標(biāo)準(zhǔn)。GSM系統(tǒng)遵循CCITT建議的公
用陸地移動通信網(wǎng)（PLMN）接口標(biāo)準(zhǔn)， 采用7號信令支持PLMN接口進(jìn)行所需的數(shù)據(jù)傳輸。共分：




1）移動臺與基站之間的接口（Um);



2)基站與移動交換中心之間的接口（A）；



3）基站收發(fā)臺與基站控制器之間的接口（ABis)（基站收發(fā)臺與基站控制器不配置在一起時，使
用此接口）；



4）移動交換中心與訪問位置寄存器之間的接口（B）；



5）移動交換中心與原地位置寄存器之間的接口（C）；



6）原地位置寄存器與訪問位置寄存器之間的接口（D）；



7）移動交換中心之間的接口（E）；



8）移動交換中心與設(shè)備標(biāo)志寄存器之間的接口（F）；



9）訪問位置寄存器之間的接口（G）

。 有關(guān)接口標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)規(guī)定可查閱GSM標(biāo)準(zhǔn)，這里不作介紹。



2.GSM的區(qū)域、號碼、地址與識別



1）區(qū)域劃分 從地理位置范圍來看，GSM系統(tǒng)分為GSM服務(wù)區(qū)，公用陸地移動網(wǎng)（PLMN）業(yè)務(wù)區(qū)、
移動交換控制區(qū)（MSC區(qū)）、位置區(qū)（LA）、基站區(qū)和小區(qū)。

　

*GSM服務(wù)區(qū) 　　由聯(lián)網(wǎng)的GSM全部成員國組成，移動用戶只要在服務(wù)區(qū)內(nèi)，就能得到系統(tǒng)的各種
服務(wù)，包括完成國際漫游。

　　

*PLMN業(yè)務(wù)區(qū)

　　

由GSM系統(tǒng)構(gòu)成的公用陸地移動網(wǎng)（GSM/PLMN）處于國際或國內(nèi)匯接交換機(jī)的級別上，該區(qū)域為
PLMN業(yè)務(wù)區(qū)，它可以與公用交換電信網(wǎng)（PSTN）、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN） 和公用數(shù)據(jù)網(wǎng)
（PDNN）互連，在該區(qū)域內(nèi)，有共同的編號方法及路由規(guī)劃。一個PLMN 業(yè)務(wù)區(qū)包括多個MSC業(yè)務(wù)
區(qū)，甚至可擴(kuò)展全國。

　　

*MSC業(yè)務(wù)區(qū)

　　

在該區(qū)域內(nèi)，有共同的編號方法及路由規(guī)劃。由一個移動交換中心控制區(qū)域稱為MSC業(yè)務(wù)區(qū)。一個
MSC區(qū)可以由一個或多個位置區(qū)組成。

　

　*位置區(qū)

　　

每一個MSC業(yè)務(wù)區(qū)分成若干位置區(qū)（LA），位置區(qū)由若干基站區(qū)組成，它與一個或若干個基站控制
器（BSC）有關(guān)。在位置區(qū)內(nèi)移動臺移動時，不需要作位置更新。當(dāng)尋呼移動用戶時，位置區(qū)內(nèi)全
部基站可以同時發(fā)尋呼信號。系統(tǒng)中，位置區(qū)域以位置區(qū)識別碼（LAI）來區(qū)分MSC業(yè)務(wù)區(qū)的不同
位置區(qū)。

　

　*基站區(qū)

　　

一般指一個基站控制器所控制若干個小區(qū)的區(qū)域稱為基站區(qū)。

　

　*小區(qū)

　　

小區(qū)也叫蜂窩區(qū)，理想形狀是正六邊形，一個小區(qū)包含一個基站，每個基站包含若干套收，發(fā)信
機(jī)，其有效覆蓋范圍決定于發(fā)射功率、天線高度等因素，一般為幾公里�；�站可位于正六邊形中
心，采用全向天線，稱為中心激勵；也可位于正六邊形頂點(diǎn)（相隔設(shè)置），采用120度或60度定向
天線，稱為頂點(diǎn)激勵。



若小區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)量激增時，小區(qū)可以縮�。ㄒ环譃樗模�，新的小區(qū)俗稱“小小區(qū)”，在蜂窩網(wǎng)中稱為
小區(qū)分裂。



2）識別號碼

　　

GSM網(wǎng)絡(luò)是十分復(fù)雜的，它包括交換系統(tǒng)，基站子系統(tǒng)和移動臺。移動用戶可以與市話網(wǎng)用戶、綜
合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)用戶和其它移動用戶進(jìn)行接續(xù)呼叫，因此必須具有多種識別號碼。

　　

1>國際移動用戶識別碼（IMSI）

　　

國際移動用戶識別碼是用于識別GSM/PLMN網(wǎng)中用戶，簡稱用戶識別碼，根據(jù)GSM 建議，IMSI最大
長度為15位十進(jìn)制數(shù)字。



MCC MNC MSIN/NMSI



3位數(shù)字 1或者2位數(shù)字 10-11位數(shù)字



MCC-移動國家碼，3位數(shù)字。如中國的MCC為460。



MNC-移動網(wǎng)號，最多2位數(shù)字。用于識別歸屬的移動通信網(wǎng)（PLMN）。



MSIN-移動用戶識別碼。用于識別移動通信網(wǎng)中的移動用戶。



NMSI-國內(nèi)移動用戶識別碼。由移動網(wǎng)號和移動用戶識別碼組成。

　　

2>臨時用戶識別碼（TMSI）



為安全起見，在空中傳送用戶識別碼時用TMSI來代替IMSI，因為TMSI只在本地有效（即在該
MSC/VLR區(qū)域內(nèi)），其組成結(jié)構(gòu)由管理部門選擇，但總長不超過4個字節(jié)。

　　

3>國際移動設(shè)備識別碼（IMEI）



IMEI是唯一的，用于識別移動設(shè)備的號碼。用于監(jiān)控被竊或無效的這一類移動設(shè)備，



TAC - Type Approval Code (TAC) 型號批準(zhǔn)碼，由歐洲型號批準(zhǔn)中心分配。 前2位為國家碼。
(例如：Nokia的,Ericsson的,Motorola的,又各式各樣不同型號的 批準(zhǔn)碼又不盡相同,如同是
Ericsson的,GH388和GF388就不一樣，雖然只差有無蓋; 但只要是同一型號的,前六碼一定一樣,
如果不一樣,可能是冒牌貨!) FAC - Final Assembly Code (FAC)最后裝配碼，表示生產(chǎn)廠或最
后裝配地， 由廠家編碼。如40的話,是Motorola在英國(UK)的工廠,07也是Motorola的工廠,在
德國，67的話也是,在美國本地。對Nokia，F(xiàn)AC是51。



SNR - Serial Number (SNR)序號碼，獨(dú)立地、唯一地識別每個TAC和FAC移動設(shè)備，所以同一個
牌子的同一型號的SNR是不可能一樣的。



SP - Spare備用碼，通常是0。

　　

4>移動臺PSTN/ISDN號碼（MSISDN）



MSISDN用于公用交換電信網(wǎng)（PSTN）或綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）撥向GSM系統(tǒng)的號碼，構(gòu)成如
下：



MSISDN=CC+NDC+SN（總長不超過15位數(shù)字）



CC=國家碼（如中國為86），NDC=國內(nèi)地區(qū)碼，SN=用戶號碼

　　

5>移動臺漫游號碼（MSRN）

　　

當(dāng)移動臺漫游到另一個移動交換中心業(yè)務(wù)區(qū)時，該移動交換中心將給移動臺分配 一個臨時漫游號
碼，用于路由選擇。漫游號碼格式與被訪地的移動臺PSTN/ISDN號碼格式相同。當(dāng)移動臺離開該區(qū)
后，被訪位置寄存器（VLR）和原地位置寄存器（HLR）都 要刪除該漫游號碼，以便可再分配給其
它移動臺使用。

　　

MSRN分配過程如下：

　　

市話用戶通過公用交換電信網(wǎng)發(fā)MSISDN號至GSMC、HLR。HLR請求被訪MSC/VLR分配一個臨時性漫
游號碼，分配后將該號碼送至HLR。HLR一方面向MSC發(fā)送該移動臺有關(guān)參數(shù)，如國際移動用戶識別
碼（IMSI）；另一方面HLR向GMSC告知該移動臺漫游號碼， GMSC即可選擇路由，完成市話用戶-
>GMSC->MSC->移動臺接續(xù)任務(wù)。

　　

6>位置區(qū)識別碼（LAI）

　　

LAI用于移動用戶的位置更新。 LAI=MCC+MNC+LAC 。MCC=移動國家碼，識別國家，與IMSI中的三
位數(shù)字相同。MNC=移動網(wǎng)號，識別不同的GSMPLMN網(wǎng)，與IMSI中的MNC相同。LAC=位置區(qū)號碼，識
別一個GSMPLMN網(wǎng)中的位置區(qū)。LAC的最大長度為16bits,一個GSMPLMN中可以定義65536個不同的
位置區(qū)。

　

　7>小區(qū)全球識別碼（CGI）

　　

CGI是用來識別一個位置區(qū)內(nèi)的小區(qū)。它是在位置區(qū)識別碼（LAI）后加上一個小區(qū)識別碼（CI)。


　

　CGC=MCC+MNC+LAC+CI。

　

　CI=小區(qū)識別碼，識別一個位置區(qū)內(nèi)的小區(qū)，最多為16bits。

　

　8>基站識別碼（BSIC）

　　

BSIC用于移動臺識別不同的相鄰基站，BSIC采用6比特編碼。



（二）GSM系統(tǒng)信道分類

　

　 蜂窩通信系統(tǒng)要傳輸不同類型的信息，包括業(yè)務(wù)信息和各種控制信息，因而要在物理信道上安
排相應(yīng)的邏輯信道。這些邏輯信道有的用于呼叫接續(xù)階段，有的用于通信進(jìn)行當(dāng)中，也有的用于系
統(tǒng)運(yùn)行的全部時間內(nèi)。



1、業(yè)務(wù)信道（TCH）傳輸話音和數(shù)據(jù)

　

　 話音業(yè)務(wù)信道按速率的不同，可分為全速率話音業(yè)務(wù)信道（TCH/FS）和半速率話音業(yè)務(wù)信道
（TCH/HS）。

　

　 同樣，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道按速率的不同，也分為全速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道（如TCH/F9.6， TCH/F4.8，
TCH/F2.4）和半速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道（如 TCH/H4.8,TCH/H2.4)（這里的數(shù)字9.6,4.8和2.4表示數(shù)
據(jù)速率，單位為kb/s)。



2、控制信道（CCH）傳輸各種信令信息

　　

控制信道分為三類：

　　

1）廣播信息（BCH）是一種“一點(diǎn)對多點(diǎn)”的單方向控制信道，用于基站向所有移動臺廣播公用
信息。傳輸?shù)膬?nèi)容是移動臺入網(wǎng)和呼叫建立所需要的各種信息。其中又分 為：

　　

a、頻率校正信道（FCCH）：傳輸供移動臺校正其工作頻率的信息；

　

b、同步信道（SCH）：傳輸供移動臺進(jìn)行同步和對基站進(jìn)行識別的信息；

　　

c、廣播控制信道（BCCH）：傳輸通用信息，用于移動臺測量信號強(qiáng)度和識別小區(qū)標(biāo)志等。

　　

2）公共控制信道（CCCH）是一種“一點(diǎn)對多點(diǎn)”的雙向控制信道，其用途是在呼叫接續(xù)階段，傳
輸鏈路連接所需要的控制信令與信息。其中又分為：

　

a、尋呼信道（PCH）：傳輸基站尋呼移動臺的信息；

　　

b、隨機(jī)接入信道（RACH）：移動臺申請入網(wǎng)時，向基站發(fā)送入網(wǎng)請求信息；

　　

c、準(zhǔn)許接入信道（AGCH）：基站在呼叫接續(xù)開始時，向移動臺發(fā)送分配專用控制信道的信令。


　　

3）專用控制信道（DCCH）是一種“點(diǎn)對點(diǎn)”的雙向控制信道，其用途是在呼叫接續(xù)階段和在通信
進(jìn)行當(dāng)中，在移動臺和基站之間傳輸必需的控制信息。其中又分為：

　

　a、獨(dú)立專用控制信道（SDCCH）：傳輸移動臺和基站連接和信道分配的信令；

　

　b、慢速輔助控制信道（SACCH）：在移動臺和基站之間，周期地傳輸一些特定的信息，如功率
調(diào)整、幀調(diào)整和測量數(shù)據(jù)等信息；SACCH是安排在業(yè)務(wù)信道和有關(guān)的控制信道中，以復(fù)接方式傳輸
信息。安排在業(yè)務(wù)信道時，以SACCH/T表示，安排在控制信道時，以SACCH/C表示，SACCH/常與
SDCCH聯(lián)合使用。

　

　c、快速輔助控制信道（FACCH）：傳送與SDCCH相同的信息。使用時要中斷業(yè)務(wù)信息（4幀），
把FACCH插入，不過，只有在沒有分配SDCCH的情況下，才使用這種控制信道。這種控制信道的傳
輸速率較快，每次占用4幀時間，約18.5ms。

　　

由此可見，GSM通信系統(tǒng)為了傳輸所需的各種信令，設(shè)置了多種專門的控制信道。這樣做，除
因為數(shù)字傳輸為設(shè)置多各邏輯信道提供了可能外，主要是為了增強(qiáng)系統(tǒng)的控制功能（比如后面將要
提到的，為提高過境切換的速度而采用移動臺輔助切換技術(shù)）， 也為了保證話音通信質(zhì)量，在模
擬蜂窩系統(tǒng)中，要在通話進(jìn)行過程中，進(jìn)行控制信息的傳輸，必須中斷話音信息的傳輸
（100ms)，這就是所謂的“中斷一猝發(fā)”的控制方式。信道中斷100ms，會使話音產(chǎn)生可以聽得到
的喀喇聲。如果這種中斷過于頻繁，勢必明 顯地降低話音質(zhì)量，因此，模擬蜂窩系統(tǒng)必須限制在
通話過程中傳輸控制信息的容量。與此不同，GSM蜂窩系統(tǒng)采用專用控制信道傳輸控制信息，除去
FACCH外，不在通信過 程中中斷話音信息，因而能保證話音的傳輸質(zhì)量。其中FACCH雖然也采取
“中斷一猝發(fā)” 控制方式，但是只在特定場合下才使用，而且占用的時間短（18.5ms），其影響
明顯減小。GSM蜂窩系統(tǒng)還采用信息處理技術(shù)，來估計并補(bǔ)償這種因為插入FACCH而被刪除的話
音。



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