GSM数字移动通信系统

    作者：童卫东  江沩

    模拟蜂窝移动通信业务自推出后发展非常迅速，但随着业务的激增，在一些经济发达的国家和地区，其通信容量不足的缺点很快显露出来；同时，随着计算机和数据终端的广泛应用，非话数据通信业务需求日益增多，而模拟蜂窝通信网则无法满足这种需求。

    因此，人们开始寻求一种通信容量更大并适合数据通信的新型移动通信系统，GSM(GlobalSystemforMobile communications)就是在此背景下诞生的。

    一、GSM的发展过程

    GSM数字移动通信系统是由欧洲的主要电信运营商和制造商组成的标准化委员会设计的，以TDMA(时分多址)+FDMA(频分多址)的方式实现多用户的通信，容量较模拟蜂窝移动通信系统有了很大的提高。GSM的管理者是欧洲电信标准协会(ETSI)，这个组织不仅包括管理组织者，还包括工业界人士、用户团体和运营商，因此保证了每一次的技术更新都能有的放矢。

    GSM是在1982年提出标准的，到1992年，欧洲各大运营商开始提供GSM900服务。从1990年起，GSM网络开始向欧洲以外的国家和地区扩展，至今已有100多个国家获得GSM运营执照，GSM成为迄今为止使用国家最多、用户最普及、设备供应商最多的移动通信系统。我国于1993年在浙江嘉兴开始兴建GSM实验网，1994年10月中国联通开始建设GSM通信网，目前，GSM已成为我国移动通信网络的主体，中国的GSM网络已是全世界最大的移动通信网络，为国家的经济发展做出了巨大贡献。

    虽然CDMA和第三代移动通信系统等其他移动通信技术发展非常迅速，但是GSM已有的网络基础加上其本身技术的不断进步，可以预见，在未来的数年内，GSM仍将保持世界移动通信领域的统治地位。

    二、GSM的网络结构

    与通常的移动通信系统一样，GSM移动通信系统也由移动台子系统、基站子系统和交换子系统组成。GSM系统还有运行子系统。下面分别予以介绍。

    1.移动台子系统

    移动台是与用户最为接近的子系统，也是用户最为熟悉的设备。它除了通过无线接口接入网络进行一般的无线处理外，还提供与用户的接口(如送话器、受话器、显示器和键盘)和与其他终端设备的接口(电脑接口、SIM卡接口等)。移动台子系统包括移动设备(即手机)和SIM卡部分。SIM卡除了用于信息存储外，还有保密功能，是用户识别、位置管理和通信保密的主要设备，几乎是所有通信(除应急通信)必需的部分。通过SIM卡进行用户识别和通信保密是GSM相对于模拟移动通信系统的一个重要革新。

    2.基站子系统

    基站子系统包括GSM无线蜂窝特有的基础设施。它一方面通过无线接口(包括在无线链路上的发送、接收及管理等设备)与移动台直接连接；另一方面与网络和交换子系统的交换机连接：同时，还与运行和维护子系统相连。基站子系统的传输设备是BTS(基站收发台)，负责与移动台联系；管理设备是BSC(基站控制器)，可以管理10多个BTS，负责与其他设备联系。基站子系统将无线信号转换为有线信号并交给交换子系统处理。

    3.交换子系统

    交换子系统完成GSM的主要交换功能，由MSC(移动交换中心)、HLR(归属位置寄存器)、VLR(访问位置寄存器)、GMSC(网关移动交换中心)组成，共同管理GSM用户与其他电信网络用户之间的通信，并管理用户数据和移动性所需的数据库。

    4.运行子系统

    运行子系统由OMC(操作维护中心)、计费中心、EIR(设备识别寄存器)等组成，完成整个系统的运行管理。

    三、GSM的业务功能

    GSM数字移动通信系统能提供多种不同类型的业务，基本上可以分为电话业务和数字业务(也称非话业务)。前者传输的是音频范围的语音信号；后者传输的是话音以外的其他信号，如文字、图像、传真、计算机文件等，其典型应用是短消息业务。

    1.电话业务

    GSM为系统用户和其他所有与其联网的用户提供双向话音通信。电话业务是目前为止数字移动通信系统最重要的业务。电话业务还引伸出语音信箱业务，这在一定程度上提高了网络效率，为用户带来了方便。

    2.数字业务

    GSM系统设计之初，就是按照ISDN(综合业务数字网)的模式计划提供各种数字业务的，因此，现行的GSM系统基本上包含了大部分为固定电话用户和ISDN用户提供的数字业务。GSM系统还可以接入其他网络，如分组交换数据网，从而得到这些网络提供的数据业务。GPRS(通用分组无线业务)正是这种应用的最好体现，现在它被称作2.5代移动通信技术，最大传输速率可达170kbit/s左右，应用广泛。目前，最新的GSM技术已经将数据传送速率提高到384kbids，达到第三代移动通信系统的基本速率，可以传送动态画面。

    3.短消息业务

    点对点短消息传送是GSM首创的数字业务，使得用户可以发出或接收有一定长度限制的数字或文字信息。虽然这一业务与寻呼业务相似，但它具有双向通信能力，网络端可以知道被叫方是否已经收到消息，甚至可以将这个消息通知主叫方。短消息如果遇信道拥塞或系统忙而导致传送失败，GSM系统会在一定时间内保留消息并自动重发，直到被叫方收到。收发短消息和用的是空闲信道，所以运营商可以很低的成本提供这一业务，相应地，用户使用费也很低。短消息已经成为SM系统提供的一个十分重要的业务。时下非常流行的彩信业务是短消息业务的发展，在网络和特定功能的手机支持下，可以传送彩色照片等多媒体业务。

    4.补充业务

    补充业务主要指允许用户按照自己的需要改变网络对其呼入和呼出的处理，或者网络通过提供某一种信息让用户能够智能化地利用一些常规业务，如呼叫转移、呼叫限制、多方通话、闭合用户群等。

    四、GSM主要信道

    GSM系统在每个小区使用8个频点，每个频点分为8个时隙，这样每个小区有64个信道。主要信道分为专用信道和公用信道，分配在每个小区的64个信道中。专用信道有TCH(业务信道)、SACCH(慢速辅助控制信道)和SDCCH(独立专用控制信道)；公用信道有FCCH(频率校正信道)、SCH(同步信道)、BCCH(广播控制信道)、PCH(寻呼信道)、AGCH(允许接入信道)和RACH(随机接入信道)。

    TCH是GSM业务的承载信道，又可分为TCH/F、TCH/H和TCH/8，分别对应不同速率的业务。SACCH用于移动台和基站之间一些特定信令的传输。SDCCH传输移动台与基站之间的连接和信道分配的信令，起控制作用。每个蜂窝都有一个BCCH，用于广播与这个蜂窝小区相关的所有信息，供处于空闲模式的手机进行侦听，它是一个基站发出的下行单向信道。SCH和FCCH是移动台与基站保持通信同步的公用信道，根据系统情况可以与BCCH合在一个信道中。PCH和AGCH也可合称为PAGCH，基站通过广播寻呼消息通知移动台对它的呼叫已经建立，包括来自移动台的申请和来自基站的应答，也是单向下行信道。RACH是移动台将接入申请传给网络的单向上行信道。

    五、GSM的通信过程

    1.开机

    移动台完成开机需要经过下列过程：移动台读取SIM卡中的用户数据，并将数据发送给最近的基站。基站收到数据后，根据手机的IMSI(国际移动台识别号码)向其归属地的HLR进行查询，如果属于正常用户，就分配给移动台一个TMSI(临时移动台识别号码)，如果移动台处于漫游状态，则在其VLR中同时进行位置登记，即完成开机过程。

    2.待机

    每个移动台在开机后都处于待机过程。在这个过程中，系统根据移动台的情况，完成越区切换和新的位置登记，如果需要还将分配新的TMSI号码，保持移动台与最近的基站子系统的联系，并不断通过BCCH通知移动台其所在小区的信道情况。移动台通过接收SCH和FCCH的信息，保持与基站通信的同步。在待机过程中，移动台不占用信道资源。

    3.呼出

    用户在移动台上完成呼叫号码的输入并开始发送时，呼出过程开始。移动台首先通过RACH发送接入请求给基站，基站子系统根据BCCH发布的信道信息为移动台分配一个最为合适的TCH，通过PAGCH信道通知移动台，同时通过系统的协调完成需要的区域切换过程。保证信道连续性。在信道分配完成后，将呼出的号码通过交换子系统接入公共电话网络，通过这个网络建立呼叫，为用户提供话音服务。

    4.呼入

    系统在收到对某个移动台的呼叫请求后，首先通过查询HLR和VLR找到移动台所在的小区，然后由基站根据BCCH的信道分配情况给移动台分配一个合适的信道，并通过PAGCH通知移动台建立信道，再通过这个信道将振铃信息传递给移动台，移动台用户摘机后，呼入建立成功。

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