GSM系统(GSM900/DCS1800)系统原理

GSM系统(GSM900/DCS1800)系统原理


前言 GSM900和DCS1800就是我们平常讲的双频网络，它们都是GSM标准。两个系统功能相同，主
要是频率不同，GSM900工作在900MHZ，DCS1800工作在1800MHZ。我国最早使用的是GSM900，随
着通信网络规模和用户数量的迅速发展，原有的GSM900网络频率变得日益紧张，为更好地满足用
户增长的需求，我国近期引入了DCS1800，并采用以GSM900网络为依托， DCS1800网络为补充的
组网方式，构成GSM900／DCS1800双频网，以缓和高话务密集区无线信道日趋紧张的状况。只要用
户使用的是双频手机，就可在GSM900／DCS1800两者之间自由切 换，自动选择最佳信道进行通
话，即使在通话中手机也可在两个网络之间自动切换而用户毫无察觉，而且手机选择了最佳信道，
接通率得到了提高。为适应这个趋势，进一步抢占市场份额，诺基亚、摩托罗拉、爱立信等世界著
名移动电话设备生产厂商竞相开发并推出多频段手机。

（一）GSM系统的网络结构

GSM的历史可以追溯到1982年，当时，北欧四国向CEPT（Conference Europe of Post
and Telecommunications)提交了一份建议书，要求制定900MHZ频段的欧洲公共电信业务规范，
以建立全欧统一的蜂窝系统。同年，成立了移动通信特别小组（GSM-Group Special Mobile)。
在1982年～1985年期间，讨论焦点是制定模拟蜂窝网标准还是制定数字蜂窝网标准问题，直到
1986年决定为制定数字蜂窝网标准。1986年，在巴黎对不同公司、不同方案的系统（8个）进行了
比较，包括现场试验。1987年5月选定窄带TDMA方案。与此同时，18个国家签署了谅解备忘录，相
互达成履行规范的协议。1988年颁布了GSM标准， 也称泛欧数字蜂窝通信标准。在现阶段，GSM包
括两个并行的系统：GSM900和DCS1800， 这两个系统功能相同，主要是频率不同。在GSM建议
中，未对硬件作出规定，只对功能和接口制定了详细规定，这样便于不同产品可以互通。GSM建议
共有12个系统。

1.GSM系统的主要组成

　

　GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统。 基站子系统
（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系 统由移动交换中心
（MSC）和操作维护中心（OMC）以及原地位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中
心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。

*移动台（MS）即便携台（手机）或车载台。也可以配有终端设备（TE）或终端适配器（TA）。

　

　 移动台是物理设备，它还必须包含用户识别模块（SIM），SIM卡和硬件设备一起组成移动台。
没有SIM卡，MS是不能接入GSM网络的（紧急业务除外）。

　

　*基站收发台（BTS）包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种上
小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线，连接基站控制器的接口电路以及收发台本
身所需要的检测和控制装置等。

　

　*基站控制器（BSC）是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台和操作维修
中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制几个基站收发台，其主要功能是进行无线信
道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制等。

*移动交换中心（MSC）是蜂窝通信网络的核心，其主要功能是对位于本MSC控制区域内的移动用户
进行通信控制和管理。例如：

1）信道的管理和分配；

2）呼叫的处理和控制；

3）过区切换和漫游的控制；

4）用户位置信息的登记与管理；

5）用户号码和移动设备号码的登记和管理；

6）服务类型的控制；

7）对用户实施鉴权；

8）为系统中连接别的MSC及为其它公用通信网络，如公用交换电信网（PSTN）、综合业务数字网
（ISDN）和公用数据网（PDN）提供链路接口，保证用户在转移或漫游的过程中实现无间隙的服
务。

由此可见，MSC的功能与固定网络的交换设备有相似之处（如呼叫的接续和信息 的交换），
也有特殊的要求（如无线资源的管理和适应用户移动性的控制）。

　

　*原地位置寄存器（HLR）是一种用来存储本地用户位置信息的数据库。在蜂窝通信网中，通常
设置若干个HLR，每个用户都必须在某个HLR（相当于该用户的原籍）中登记。登记的内容分为两
类：一种是永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务类型以及保
密参数等；另一种是暂时性的需要随时更新的参数， 即用户当前所处位置的有关参数，即使用户
漫游到HLR所服务的区域外，HLR也要登记由该区传送来的位置信息。这样做的目的是保证当呼叫
任一个不知处于哪一个地区的移动用户时，均可由该移动用户的原地位置寄存器获知它当时处于哪
一个地区，进而建立起通信链路。

　

　*访问位置寄存（VLR）是一种用于存储来访用户位置信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控
制区服务，也可为几个相邻MSC控制区服务。当移动用户漫游到新的MSC 控制区时，它必须向该地
区的VLR申请登记。VLR要从该用户的HLR查询有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码
（MSRN），并通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为其它用户呼叫此移动用户时提供路由信
息。如果移动用户由一个VLR服务区移动到另 一个VLR服务区时，HLR在修改该用户的位置信息
后，还要通知原来的VLR，删除此移动用户的位置信息。

　

　*鉴权中心（AUC）的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并 获得服务。

*设备标志寄存器（EIR）是存储移动台设备参数的数据库，用于对移动设备的鉴 别和监视，并拒
绝非移动台入网。

　

　*操作和维护中心（OMC）的任务是对全网进行监控和操作，例如系统的自检、报 警与备用设备
的激活、系统的故障诊断与处理、话务量的统计和计费数据的记录与传 递，以及各种资料的收
集、分析与显示等。

　

　 以上概括地介绍了数字蜂窝系统中各个部分的主要功能。在实际的通信网络中， 由于网络规模
的不同，营运环境的不同和设备生产厂家的不同，以上各个部分可以有 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 过，为了各个厂家所生产的设备可
以通用，上述各组成部分的连接都必须严格地符合 规定的接口标准。GSM系统遵循CCITT建议的公
用陆地移动通信网（PLMN）接口标准， 采用7号信令支持PLMN接口进行所需的数据传输。共分：

1）移动台与基站之间的接口（Um);

2)基站与移动交换中心之间的接口（A）；

3）基站收发台与基站控制器之间的接口（ABis)（基站收发台与基站控制器不配置在一起时，使
用此接口）；

4）移动交换中心与访问位置寄存器之间的接口（B）；

5）移动交换中心与原地位置寄存器之间的接口（C）；

6）原地位置寄存器与访问位置寄存器之间的接口（D）；

7）移动交换中心之间的接口（E）；

8）移动交换中心与设备标志寄存器之间的接口（F）；

9）访问位置寄存器之间的接口（G）

。 有关接口标准的详细规定可查阅GSM标准，这里不作介绍。

2.GSM的区域、号码、地址与识别

1）区域划分 从地理位置范围来看，GSM系统分为GSM服务区，公用陆地移动网（PLMN）业务区、
移动交换控制区（MSC区）、位置区（LA）、基站区和小区。

　

*GSM服务区 　　由联网的GSM全部成员国组成，移动用户只要在服务区内，就能得到系统的各种
服务，包括完成国际漫游。

*PLMN业务区

由GSM系统构成的公用陆地移动网（GSM/PLMN）处于国际或国内汇接交换机的级别上，该区域为
PLMN业务区，它可以与公用交换电信网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN） 和公用数据网
（PDNN）互连，在该区域内，有共同的编号方法及路由规划。一个PLMN 业务区包括多个MSC业务
区，甚至可扩展全国。

*MSC业务区

在该区域内，有共同的编号方法及路由规划。由一个移动交换中心控制区域称为MSC业务区。一个
MSC区可以由一个或多个位置区组成。

　

　*位置区

每一个MSC业务区分成若干位置区（LA），位置区由若干基站区组成，它与一个或若干个基站控制
器（BSC）有关。在位置区内移动台移动时，不需要作位置更新。当寻呼移动用户时，位置区内全
部基站可以同时发寻呼信号。系统中，位置区域以位置区识别码（LAI）来区分MSC业务区的不同
位置区。

　

　*基站区

一般指一个基站控制器所控制若干个小区的区域称为基站区。

　

　*小区

小区也叫蜂窝区，理想形状是正六边形，一个小区包含一个基站，每个基站包含若干套收，发信
机，其有效覆盖范围决定于发射功率、天线高度等因素，一般为几公里。基站可位于正六边形中
心，采用全向天线，称为中心激励；也可位于正六边形顶点（相隔设置），采用120度或60度定向
天线，称为顶点激励。

若小区内业务量激增时，小区可以缩小（一分为四），新的小区俗称“小小区”，在蜂窝网中称为
小区分裂。

2）识别号码

GSM网络是十分复杂的，它包括交换系统，基站子系统和移动台。移动用户可以与市话网用户、综
合业务数字网用户和其它移动用户进行接续呼叫，因此必须具有多种识别号码。

1>国际移动用户识别码（IMSI）

国际移动用户识别码是用于识别GSM/PLMN网中用户，简称用户识别码，根据GSM 建议，IMSI最大
长度为15位十进制数字。

MCC MNC MSIN/NMSI

3位数字 1或者2位数字 10-11位数字

MCC-移动国家码，3位数字。如中国的MCC为460。

MNC-移动网号，最多2位数字。用于识别归属的移动通信网（PLMN）。

MSIN-移动用户识别码。用于识别移动通信网中的移动用户。

NMSI-国内移动用户识别码。由移动网号和移动用户识别码组成。

2>临时用户识别码（TMSI）

为安全起见，在空中传送用户识别码时用TMSI来代替IMSI，因为TMSI只在本地有效（即在该
MSC/VLR区域内），其组成结构由管理部门选择，但总长不超过4个字节。

3>国际移动设备识别码（IMEI）

IMEI是唯一的，用于识别移动设备的号码。用于监控被窃或无效的这一类移动设备，

TAC - Type Approval Code (TAC) 型号批准码，由欧洲型号批准中心分配。 前2位为国家码。
(例如：Nokia的,Ericsson的,Motorola的,又各式各样不同型号的 批准码又不尽相同,如同是
Ericsson的,GH388和GF388就不一样，虽然只差有无盖; 但只要是同一型号的,前六码一定一样,
如果不一样,可能是冒牌货!) FAC - Final Assembly Code (FAC)最后装配码，表示生产厂或最
后装配地， 由厂家编码。如40的话,是Motorola在英国(UK)的工厂,07也是Motorola的工厂,在
德国，67的话也是,在美国本地。对Nokia，FAC是51。

SNR - Serial Number (SNR)序号码，独立地、唯一地识别每个TAC和FAC移动设备，所以同一个
牌子的同一型号的SNR是不可能一样的。

SP - Spare备用码，通常是0。

4>移动台PSTN/ISDN号码（MSISDN）

MSISDN用于公用交换电信网（PSTN）或综合业务数字网（ISDN）拨向GSM系统的号码，构成如
下：

MSISDN=CC+NDC+SN（总长不超过15位数字）

CC=国家码（如中国为86），NDC=国内地区码，SN=用户号码

5>移动台漫游号码（MSRN）

当移动台漫游到另一个移动交换中心业务区时，该移动交换中心将给移动台分配 一个临时漫游号
码，用于路由选择。漫游号码格式与被访地的移动台PSTN/ISDN号码格式相同。当移动台离开该区
后，被访位置寄存器（VLR）和原地位置寄存器（HLR）都 要删除该漫游号码，以便可再分配给其
它移动台使用。

MSRN分配过程如下：

市话用户通过公用交换电信网发MSISDN号至GSMC、HLR。HLR请求被访MSC/VLR分配一个临时性漫
游号码，分配后将该号码送至HLR。HLR一方面向MSC发送该移动台有关参数，如国际移动用户识别
码（IMSI）；另一方面HLR向GMSC告知该移动台漫游号码， GMSC即可选择路由，完成市话用户-
>GMSC->MSC->移动台接续任务。

6>位置区识别码（LAI）

LAI用于移动用户的位置更新。 LAI=MCC+MNC+LAC 。MCC=移动国家码，识别国家，与IMSI中的三
位数字相同。MNC=移动网号，识别不同的GSMPLMN网，与IMSI中的MNC相同。LAC=位置区号码，识
别一个GSMPLMN网中的位置区。LAC的最大长度为16bits,一个GSMPLMN中可以定义65536个不同的
位置区。

　

　7>小区全球识别码（CGI）

CGI是用来识别一个位置区内的小区。它是在位置区识别码（LAI）后加上一个小区识别码（CI)。

　

　CGC=MCC+MNC+LAC+CI。

　

　CI=小区识别码，识别一个位置区内的小区，最多为16bits。

　

　8>基站识别码（BSIC）

BSIC用于移动台识别不同的相邻基站，BSIC采用6比特编码。

（二）GSM系统信道分类

　

　 蜂窝通信系统要传输不同类型的信息，包括业务信息和各种控制信息，因而要在物理信道上安
排相应的逻辑信道。这些逻辑信道有的用于呼叫接续阶段，有的用于通信进行当中，也有的用于系
统运行的全部时间内。

1、业务信道（TCH）传输话音和数据

　

　 话音业务信道按速率的不同，可分为全速率话音业务信道（TCH/FS）和半速率话音业务信道
（TCH/HS）。

　

　 同样，数据业务信道按速率的不同，也分为全速率数据业务信道（如TCH/F9.6， TCH/F4.8，
TCH/F2.4）和半速率数据业务信道（如 TCH/H4.8,TCH/H2.4)（这里的数字9.6,4.8和2.4表示数
据速率，单位为kb/s)。

2、控制信道（CCH）传输各种信令信息

控制信道分为三类：

1）广播信息（BCH）是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向所有移动台广播公用
信息。传输的内容是移动台入网和呼叫建立所需要的各种信息。其中又分 为：

a、频率校正信道（FCCH）：传输供移动台校正其工作频率的信息；

　

b、同步信道（SCH）：传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息；

c、广播控制信道（BCCH）：传输通用信息，用于移动台测量信号强度和识别小区标志等。

2）公共控制信道（CCCH）是一种“一点对多点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段，传
输链路连接所需要的控制信令与信息。其中又分为：

　

a、寻呼信道（PCH）：传输基站寻呼移动台的信息；

b、随机接入信道（RACH）：移动台申请入网时，向基站发送入网请求信息；

c、准许接入信道（AGCH）：基站在呼叫接续开始时，向移动台发送分配专用控制信道的信令。

3）专用控制信道（DCCH）是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段和在通信
进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。其中又分为：

　

　a、独立专用控制信道（SDCCH）：传输移动台和基站连接和信道分配的信令；

　

　b、慢速辅助控制信道（SACCH）：在移动台和基站之间，周期地传输一些特定的信息，如功率
调整、帧调整和测量数据等信息；SACCH是安排在业务信道和有关的控制信道中，以复接方式传输
信息。安排在业务信道时，以SACCH/T表示，安排在控制信道时，以SACCH/C表示，SACCH/常与
SDCCH联合使用。

　

　c、快速辅助控制信道（FACCH）：传送与SDCCH相同的信息。使用时要中断业务信息（4帧），
把FACCH插入，不过，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制信道。这种控制信道的传
输速率较快，每次占用4帧时间，约18.5ms。

由此可见，GSM通信系统为了传输所需的各种信令，设置了多种专门的控制信道。这样做，除
因为数字传输为设置多各逻辑信道提供了可能外，主要是为了增强系统的控制功能（比如后面将要
提到的，为提高过境切换的速度而采用移动台辅助切换技术）， 也为了保证话音通信质量，在模
拟蜂窝系统中，要在通话进行过程中，进行控制信息的传输，必须中断话音信息的传输
（100ms)，这就是所谓的“中断一猝发”的控制方式。信道中断100ms，会使话音产生可以听得到
的喀喇声。如果这种中断过于频繁，势必明 显地降低话音质量，因此，模拟蜂窝系统必须限制在
通话过程中传输控制信息的容量。与此不同，GSM蜂窝系统采用专用控制信道传输控制信息，除去
FACCH外，不在通信过 程中中断话音信息，因而能保证话音的传输质量。其中FACCH虽然也采取
“中断一猝发” 控制方式，但是只在特定场合下才使用，而且占用的时间短（18.5ms），其影响
明显减小。GSM蜂窝系统还采用信息处理技术，来估计并补偿这种因为插入FACCH而被删除的话
音。

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