全球移動通信系統(tǒng)-詳細解讀

全球移動通信系統(tǒng)-詳細解讀

全球移動通信系統(tǒng)全球移動通信系統(tǒng)(GlobalSystemforMobileCommunication，GSM)目錄1什么是全球移動通信系統(tǒng)[1]2全球移動通信系統(tǒng)歷史[2]3全球移動通信系統(tǒng)技術(shù)特點[1]4GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及各部分功能[1]5GSM系統(tǒng)的組網(wǎng)方式及其工作原理[1]6GSM系統(tǒng)接口與業(yè)務(wù)支持[3]6.1GSM的業(yè)務(wù)支持7GSM系統(tǒng)的發(fā)展[1]8Reference什么是全球移動通信系統(tǒng)[1]全球移動通信系統(tǒng)(GlobalSystemforMobileCommunication)的英文縮寫是GSM，它是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(ETSI)制定的泛歐數(shù)字移動電話系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，又稱泛歐數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，是世界上應(yīng)用最為廣泛的第二代移動通信系統(tǒng)。全球移動通信系統(tǒng)歷史[2]全球移動通信系統(tǒng)(GSM)是迄今為止最為成功的全球性移動通信系統(tǒng)。其開發(fā)始于1982年。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)的前身歐洲郵政電信管理會議(CEPT)成立了移動特別行動小組(GroupeSpecialeMobile)，該小組得到了對有關(guān)泛歐數(shù)字移動通信系統(tǒng)的諸多建議進行改進的授權(quán)。試圖完成的兩個目標(biāo)是：第一，用于無線通信的更好、更有效的技術(shù)解決方案——在那個時候，數(shù)字系統(tǒng)在用戶容量、易用性和可能的附加業(yè)務(wù)數(shù)目等方面都要優(yōu)于當(dāng)時還十分流行的模擬系統(tǒng)已經(jīng)是顯而易見的了。第二，實現(xiàn)全歐洲統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以支持跨越國界的漫游。這在以前是不可能做到的，因為各國使用的是互不兼容的模擬系統(tǒng)。之后的若干年里，幾家公司為這種系統(tǒng)提出了一些建議。這些建議幾乎涵蓋了不同技術(shù)領(lǐng)域的所有可能技術(shù)措施。提出的多址方式包括時分多址(TDMA)，頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA）提議采用的調(diào)制技術(shù)有高斯最小頻移鍵控(GMSK)、四進制頻移鍵控(4）FSK)、正交幅度調(diào)制(QAM)和自適應(yīng)差分脈沖調(diào)制(ADPM）。傳輸速率從20kbit／s到8Mbit／s不等。所有提出的系統(tǒng)都進行了現(xiàn)場測試和信道模擬器測試(1986年在巴黎)。除了技術(shù)因素，市場和政治因素也影響了決策的進程。由于FDMA需要在移動臺處進行天線分集，因此基于FDMA的方案就不在最終的考慮之列。盡管這種分集的技術(shù)可行性已經(jīng)為日本的數(shù)字系統(tǒng)所證明，增大的天線尺寸使之仍然不能成為一個理想的選擇。CDMA最終也被排除在外，因為在那時采用CDMA方式所必需的信號處理看上去造價過高且不夠可靠。因此，只有TDMA系統(tǒng)在這一抉擇過程中得以保留。可是，最終的(TDMA)系統(tǒng)并非來自某個公司的建議，而反過來形成了一個折中的系統(tǒng)。究其原因是政治性的而非技術(shù)性的：選擇某一個公司的建議作為標(biāo)準(zhǔn)，將會給這家公司帶來相當(dāng)大的競爭優(yōu)勢。這一折中系統(tǒng)的具體細節(jié)由(如今已成為常設(shè)機構(gòu)的)一個委員會在之后的兩年里開發(fā)完成，并在1992年以后作為歐洲進行系統(tǒng)實施的基礎(chǔ)。在20世紀(jì)90年代早期，人們意識到GSM應(yīng)當(dāng)擁有一些沒有包括在最初標(biāo)準(zhǔn)之中的功能特性。所以，包括這些功能的所謂第二階段(phase一2)規(guī)范直至1995年才開發(fā)完成。而包括分組無線電(GPRS，參見配套網(wǎng)站：WWW．wiley．com／go／molisch上的附錄21．6)和EDGE所采用的更高效調(diào)制方案在內(nèi)的進一步的功能提升是其后才逐漸引入的?；谶@些擴充，GSM通常被稱為2．5代系統(tǒng)，這是因為其功能比那些第二代系統(tǒng)強大，而又未能具備第三代系統(tǒng)的所有功能。GSM的成功出乎了所有人的意料。雖然最初它是作為歐洲系統(tǒng)來開發(fā)的，但在歐洲推廣應(yīng)用的同時，整個世界范圍內(nèi)就已經(jīng)開始了對GSM的廣泛應(yīng)用。澳大利亞是第一個簽訂基礎(chǔ)協(xié)議(諒解備忘錄，MoU)的非歐洲國家。從那時起，GSM逐漸成為了全球性的移動通信標(biāo)準(zhǔn)，在2004年已擁有了超過十億的眾多用戶。當(dāng)然，也有個別的例外：日本和韓國就從未采用過GSM。在美國，GSM與基于CDMA的Is-95系統(tǒng)相競爭。在大多數(shù)國家，提供頻譜牌照的條件是網(wǎng)絡(luò)運營商必須采用GSM，相比之下，在美國，牌照的出售并不要求欲購買的那些公司采用某個指定的系統(tǒng)。在2005年，有兩個主要的運營商提供基于GSM的業(yè)務(wù)，而另外兩個則采用與之競爭的技術(shù)。GSM有三種版本，每一種都使用不同的載波頻率。最初的GSM系統(tǒng)使用900MHz附近的載頻。稍后增加了GSM一1800，也就是所謂的DCS-1800，用以支持不斷增加的用戶數(shù)目。它使用的載波頻率在1800MHz附近，總的可用帶寬大概是900MHz附近可用帶寬的三倍，并且降低了移動臺的最大發(fā)射功率。除此之外，GSM-1800和最初的GSM完全相同。因此，信號處理、交換技術(shù)等方面無須做任何改變就可以同樣加以利用。更高的載波頻率意味著更大的路徑損耗，同時發(fā)射功率的降低會造成小區(qū)尺寸的明顯縮小。這一實際效果同更寬的可用帶寬一起使網(wǎng)絡(luò)容量可以得到相當(dāng)大的擴充。第三種系統(tǒng)被稱做GSMl900或PCS-1900(個人通信系統(tǒng))，工作在1900MHz載頻上，并主要用于美國。GSM是一個開放性標(biāo)準(zhǔn)。這意味著只就接口做出規(guī)定，而不限制具體的實現(xiàn)形式。作為一個例子，我們來考慮GSM采用的調(diào)制方式，即GMSK。GSM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了帶外發(fā)射的上限、相位抖動、互調(diào)產(chǎn)物等內(nèi)容。如何達到所需的線性度(如，通過采用前饋線性化、通過使用A類放大器——由于其效率低下而不大可能被采用，或是通過采用任何其他方法)則取決于設(shè)備制造商。因此，這一開放的標(biāo)準(zhǔn)確保了來自不同制造商的所有產(chǎn)品可以相互兼容，盡管在質(zhì)量和價格上它們可能仍然差別不小。對業(yè)務(wù)提供商而言，兼容性尤為重要。當(dāng)采用專有的系統(tǒng)時，業(yè)務(wù)提供商只能在網(wǎng)絡(luò)初建階段一次性地選定設(shè)備供應(yīng)商。對于GSM(以及其他開放性標(biāo)準(zhǔn))，業(yè)務(wù)提供商可以先從某家制造商那里購入基站，而之后為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴容又可以從另一家價格更合理的制造商那里購進基站。業(yè)務(wù)提供商同樣可以從一家公司購買一些部件，而從另一家公司購買其他部件。全球移動通信系統(tǒng)技術(shù)特點[1]GSM具有以下技術(shù)特點：(1)由幾個分系統(tǒng)組成的GSM系統(tǒng)可與各種公用通信網(wǎng)互連互通，各分系統(tǒng)之間或各分系統(tǒng)與各種公用通信網(wǎng)之間都明確和詳細定義了標(biāo)準(zhǔn)化接口規(guī)范，保證任何廠商提供的GSM系統(tǒng)或子系統(tǒng)都能互連。(2)GSM系統(tǒng)具有靈活和方便的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，頻率重復(fù)利用率高。(3)GSM系統(tǒng)除了可以提供語音業(yè)務(wù)外，還可以提供各種數(shù)字業(yè)務(wù)。(4)GSM系統(tǒng)能提供國際的自動漫游功能。(5)采用時分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)相結(jié)合的多址方式，頻分多址用于不同小區(qū)之間分享頻段，時分多址用于在一個同一頻點上區(qū)分不同用戶所使用不同的時隙。(6)采用數(shù)字化語音和數(shù)字化調(diào)制技術(shù)，調(diào)制方式是高斯最小移頻鍵控(GMSK)，在同信道干擾情況下具有很好的性能。GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及各部分功能[1]GSM系統(tǒng)由移動臺(MS)、基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)和運營支撐系統(tǒng)(OSS)四大部分組成。GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖“GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”所示，各部分的主要功能概述如下。(1)移動臺(MS)移動臺是用戶設(shè)備，如車載型、便攜型和手持型。移動臺(MS)由移動終端與客戶識別卡(SIM卡)組成。移動終端完成語音編碼、信道編碼、信息加密、調(diào)制解調(diào)、信息發(fā)／收等功能；SIM卡存儲客戶身份認證所需的信息和部分管理信息。(2)基站子系統(tǒng)(BSS)由基站控制器(BSC)和基站收／發(fā)信臺(BTS)組成。一個基站控制器(BSC)對一個或多個BTS進行控制，負責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)資源管理、小區(qū)配置、數(shù)據(jù)管理、功率控制、定位和切換等功能。每個基站收／發(fā)信臺(BTS)服務(wù)于一個小區(qū)，負責(zé)為移動終端提供空中接口U。。BTS包括無線傳輸所需的各種硬件和軟件，如發(fā)射機、接收機、天線、接口電路及檢測和控制裝置。(3)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)主要起著交換、移動性管理和安全性管理等功能。移動交換中心(MSC)是網(wǎng)絡(luò)的核心，管理一個或多個BSC，是對所覆蓋區(qū)域中的移動終端進行呼叫控制和完成語音信號交換的功能實體，也是移動通信網(wǎng)與其他公用通信網(wǎng)(ISDN、PSTN)之間的接口(其中GMSC為網(wǎng)關(guān)移動交換中心)，使各種業(yè)務(wù)可供用戶使用。歸屬位置寄存器(HLR)是一個數(shù)據(jù)庫，存儲MSC所轄區(qū)域中注冊的移動用戶的信息，主要包括用戶的簽約信息和當(dāng)前位置這兩類信息。訪問位置寄存器(VLR)也是一個數(shù)據(jù)庫，存儲進入其覆蓋區(qū)的移動用戶的全部信息，使移動交換中心能夠建立呼入和呼出的呼叫。(4)運營支撐系統(tǒng)(OSS)由鑒權(quán)中心、移動設(shè)備識別寄存器和操作與維護中心組成。鑒權(quán)中心(AUC)存儲保證移動用戶通信不受侵犯的鑒權(quán)參數(shù)等必要信息。移動設(shè)備識別寄存器(EIR)實現(xiàn)對移動設(shè)備的識別、監(jiān)視和閉鎖等功能，禁止某些非法移動臺的使用。操作與維護中心(O&M／OMC)用于對所有網(wǎng)絡(luò)單元的監(jiān)測和維護。GSM系統(tǒng)的組網(wǎng)方式及其工作原理[1]早期的模擬移動通信系統(tǒng)采用大區(qū)制的組網(wǎng)方式，即用一個基站覆蓋整個服務(wù)區(qū)，但一個基站所能提供的信道數(shù)是有限的，且覆蓋區(qū)域有限。為了突破用戶容量的限制，目前采用小區(qū)制組網(wǎng)方式，即是將整個服務(wù)區(qū)劃分為若干個小區(qū)，每個小區(qū)的半徑視用戶的密度在1～30km左右，小區(qū)一般采用六邊形，因為多個正六邊形小區(qū)的整體布局酷似蜂窩，每個小區(qū)像蜂室，故稱之為蜂窩移動通信系統(tǒng)，其組網(wǎng)方式如圖所示。每個小區(qū)內(nèi)設(shè)置一個小功率的僅能有效覆蓋本小區(qū)的基站，負責(zé)與小區(qū)內(nèi)的移動臺進行無線通信，同時設(shè)置一個MSC控制若干基站?；就ㄟ^微波、陸地電纜或光纖傳輸與MSC相連，而MSC又與PSTN、ISDN等公用網(wǎng)相連，從而實現(xiàn)小區(qū)之間移動用戶通信的轉(zhuǎn)接、移動用戶與固定用戶的通信聯(lián)系等。蜂窩電話網(wǎng)可通過頻率復(fù)用來解決缺少頻率資源的問題。頻率復(fù)用是指在相隔一定距離的不同小區(qū)采用相同的頻率組進行覆蓋，這些小區(qū)必須保持足夠的間隔，以抑制同頻干擾。在GSM中，由3個、4個或7個小區(qū)組成區(qū)群(簇)，區(qū)群內(nèi)不使用相同頻道。每個小區(qū)的頻率組含多個頻道。典型的分配方案如下圖所示，其頻率復(fù)用因子數(shù)為N=7。顯然，使用同一頻率組的兩基站之間的距離將隨，v的增大而增大，從而可減少同頻干擾；另一方面，在同樣的頻率資源下，增大N將使每個小區(qū)分配的頻道減少，從而會降低蜂窩系統(tǒng)的頻率資源使用效率。圖為:N=7時蜂窩系統(tǒng)的頻率復(fù)用服務(wù)于一個蜂窩電話簇的所有基站永久地連接到一個MSC。如果移動臺移到另一個小區(qū)，則會通過BSC向MSC發(fā)出信號使HLR、新的VLR和舊的VLR都將得到通知以進行相應(yīng)信息更新。當(dāng)一個電話呼叫某一移動臺時，呼叫首先被送到網(wǎng)關(guān)移動交換中心GMSC，它在HLR中查詢得到移動臺當(dāng)前所在區(qū)域的MSC后，將首地址信息送往MSC，MSC則從VLR中查詢移動臺的位置，并通過轄區(qū)內(nèi)的基站來尋呼此移動臺，隨即被叫移動臺便會向基站發(fā)出尋呼響應(yīng)建立通話。GSM系統(tǒng)接口與業(yè)務(wù)支持[3](1)網(wǎng)絡(luò)接口GSM的網(wǎng)絡(luò)接口主要包括Um接口、Sm接口、A接口、MAP接口、MSC與PSTN的接口等。目前這些接口已實現(xiàn)了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)化，達到了不同廠家產(chǎn)品互連的目的。(2)無線接口移動終端與網(wǎng)絡(luò)之間的接口為無線接口，根據(jù)協(xié)議可將其自下而上分為三層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。其中第三層又可分為三個子層：①無線資源(I汛)管理層，負責(zé)完成專用無線信道連接的建立、操作和釋放，它是在移動臺與基站子系統(tǒng)問進行的。②移動性管理(MM)層，負責(zé)完成位置更新、鑒權(quán)和臨時移動用戶號碼的分配工作。③連接管理(CM)層，負責(zé)完成電路交換的呼叫建立、維持和結(jié)束，并支持補充業(yè)務(wù)和短消息業(yè)務(wù)。MM、層和CM層是移動臺直接與MSC之間的通信。GSM的業(yè)務(wù)支持GSM可以提供兩大類業(yè)務(wù)，即基本業(yè)務(wù)和補充業(yè)務(wù)。其中，基本業(yè)務(wù)又包括電信業(yè)務(wù)和承載業(yè)務(wù)；補充業(yè)務(wù)則是對基本業(yè)務(wù)的補充，并不能單獨提供。電信業(yè)務(wù)是指端到端的業(yè)務(wù)，它包括OSI七層協(xié)議，并具有電話、短消息、三類傳真等業(yè)務(wù)。這里所說的短消息業(yè)務(wù)可分為兩種，其一是點對點短消息業(yè)務(wù)，它可以直接從移動臺上發(fā)送；若你的手機接到PC上，則可以通過PC輸入，由GSM網(wǎng)傳送到短消息中心(SC)，并由它轉(zhuǎn)發(fā)給對方。其二是小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)，它可以通過SC向BSC下載數(shù)據(jù)，由BSC控制向某個或某些小區(qū)發(fā)送一些公共信息(如交通、股市等信息)。如果想實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可將與該手機配套的數(shù)據(jù)卡(即終端適配卡)接到PC、傳真機等設(shè)備上，即可進行數(shù)據(jù)通信。承載業(yè)務(wù)是在兩個終端／網(wǎng)絡(luò)接口處(接入點R／S)提供的業(yè)務(wù)，它僅包括OSI的下三層協(xié)議。GSM系統(tǒng)的發(fā)展[1]目前，GSM發(fā)展趨勢是通過GPRS技術(shù)向第三代移動通信——wcDMA(寬帶碼分多址)技術(shù)演進。GPRS即通用無線分組業(yè)務(wù)，是基于GSM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增強技術(shù)。它在GSM的基礎(chǔ)之上，疊加了一個新的網(wǎng)絡(luò)，同時在