GSM移动通信系统的组成原理

移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交流的通信。20年代开始在军事及某些特殊领域使用，40年代才逐步向民用扩展；最近十年间才是移动通信真正迅猛发展的时期，而且由于其许多的优点，前景十分广阔。
移动通信经历了由模拟通信向数字化通信的发展过程。目前，比较成熟的数字移动通信制式主要有泛欧的GSM，美国的ADC和日本的JDC（现改称PDC）。其中GSM的发展最引人注目，其发展历程如下：
1982年，欧洲邮电行政大会CEPT设立了“移动通信特别小组”即GSM，以开发第二代移动通信系统为目标。
1986年，在巴黎，对欧洲各国经大量研究和实验后所提出的八个建议系统进行现场试验。
1987年，GSM成员国经现场测试和论证比较，就数字系统采用窄带时分多址TDMA规则脉冲激励长期预测(RPE-LTP)话音编码和高斯滤波最小频移键控(GMSK)调制方式达成一致意见。
1988年，十八个欧洲国家达成GSM谅解备忘录(MOU)。
1989年，GSM标准生效。
1991年，GSM系统正式在欧洲问世，网路开通运行。移动通信跨入第二代。
GSM数字蜂窝移动通信系统（简称GSM系统）是完全依据欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制而成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。
GSM系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点：
 GSM系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的GSM系统或子系统能互连；
 GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对于全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关；
 GSM系统除了可以开放话音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务和与ISDN相关的业务；
 GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；
 GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承载能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；
 GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高；
 用户终端设备（手持机和车载机）随着大规模集成电路技术的进一步发展能向更小型、轻巧和增强功能趋势发展。
312 系统的结构与功能
GSM系统的典型结构如图3-1所示。由图可见，GSM系统是由若干个子系统或功能实体组成。其中基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网络子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS必须管理通信业务，保证MS与相关的公用通信网或与其它MS之间建立通信，也就是说NSS不直接与MS互通，BSS也不直接与公用通信网互通。MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分。 *** 作支持系统（OSS）则提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。

OSS： *** 作支持子系统 BSS：基站子系统 NSS：网路子系统
NMC：网路管理中心 DPPS：数据后处理系统 SEMC：安全性管理中心
PCS：用户识别卡个人化中心 OMC： *** 作维护中心 MSC：移动业务交换中心
VLR：来访用户位置寄存器 HLR：归属用户位置寄存器 AUC：鉴权中心
EIR：移动设备识别寄存器 BSC：基站控制器 BTS：基站收发信台
PDN：公用数据网 PSTN：公用电话网 ISDN：综合业务数字网
MS：移动台图
图3-1 GSM系统结构
1 移动台（MS）
移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。移动台的类型不仅包括手持台，还包括车载台和便携式台。随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持台的用户将占整个用户的极大部分。
除了通过无线接口接入GSM系统的通常无线和处理功能外，移动台必须提供与使用者之间的接口。比如完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和按键。或者提供与其它一些终端设备之间的接口。比如与个人计算机或传真机之间的接口，或同时提供这两种接口。因此，根据应用与服务情况，移动台可以是单独的移动终端（MT）、手持机、车载机或者是由移动终端（MT）直接与终端设备（TE）传真机相连接而构成，或者是由移动终端（MT）通过相关终端适配器（TA）与终端设备（TE）相连接而构成，这可参见图3-2，这些都归类为移动台的重要组成部分之一——移动设备。
移动台另外一个重要的组成部分是用户识别模块（SIM），它基本上是一张符合ISO标准的“智慧”卡，它 包含所有与用户有关的和某些无线接口的信息，其中也包括鉴权和加密信息。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，可以在不用SIM卡的情况下 *** 作移动台。SIM卡的应用使移动台并非固定地缚于一个用户，因此，GSM系统是通过SIM卡来识别移动电话用户的，这为将来发展个人通信打下了基础。

图3-2 移动台的功能结构
2 基站子系统（BSS）
基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网路子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。当然，要对BSS部分进行 *** 作维护管理，还要建立BSS与 *** 作支持子系统（OSS）之间的通信连接。
基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分的功能实体构成。实际上，一个基站控制器根据话务量需要可以控制数十个BTS。BTS可以直接与BSC相连接，也可以通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。需要说明的是，基站子系统还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM）。码变换器在更多的实际情况下是置于BSC和MSC之间，在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具有许多优点。因此，一种具有本地和远端配置BTS的典型BSS组成方面如图3-3示。
(1) 基站收发信台（BTS）
基站收发信台（BTS）属于基站子系统的无线部分，由基站控制器（BSC）控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动台（MS）之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。基带单元主要用于必要的话音和数据速率适配以及信道编码等。载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机之间的耦合等。控制单元则用于BTS的 *** 作与维护。另外，在BSC与BTS不设在同一处需采用Abis接口时，传输单元是必须增加的，以实现BSC与BTS之间的远端连接方式。如果BSC与BTS并置在同一处，只需采用BS接口时，传输单元是不需要的。

图3-3 一种典型的BSS组成方式
(2) 基站控制器（BSC）
基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理。
BSC主要由下列部分构成：
 朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相接的Ater 接口的数字中继控制部分；
 朝向与BTS相接的Abis 接口或BS接口的BTS控制部分；
 公共处理部分，包括与 *** 作维护中心相接的接口控制；
 交换部分。
3 网路子系统（NSS）
网路子系统（NSS）主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成，整个GSM系统内部，即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No7协议和GSM规范的7号信令网路互相通信。
(1) 移动业务交换中心（MSC）
移动业务交换中心（MSC）是网路的核心，它提供交换功能及面向系统其它功能实体：基站子系统BSS、归属用户位置寄存器HLR、鉴权中心AUC、移动设备识别寄存器EIR、 *** 作维护中心OMC和面向固定网（公用电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN、电路交换公用数据网CSPDN）的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。
移动业务交换中心MSC可从三种数据库，即归属用户位置寄存器（HLR）、访问用户位置寄存器（VLR）和鉴权中心（AUC）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也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。
MSC可为移动用户提供一系列业务：
 电信业务。例如：电话、紧急呼叫、传真和短消息服务等；
 承载业务。例如：31KHz电话，同步数据03kbit/s～24kbit/s 及分组组合和分解（PAD）等；
 补充业务。例如：呼叫前转、呼叫限制、呼叫等待、会议电话和计费通知等。
当然，作为网路的核心，MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动特征性能和其它网路功能。
对于容量比较大的移动通信网，一个网路子系统NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR，为了建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫，无需知道移动用户所处的位置。此呼叫首先被接入到入口移动业务交换中心，称为GMSC，入口交换机负责获取位置信息，且把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC，称为被访MSC（VMSC）。因此，GMSC具有与固定网和其它NSS实体互通的接口。目前，GMSC功能就是在MSC中实现的。根据网路的需要，GMSC功能也可以在固定网交换机中综合实现。
(2) 访问用户位置寄存器（VLR）
访问用户位置寄存器（VLR）是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR从该移动用户的归属用户位置寄存（HLR）处获取并存储必要的数据。一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。因此，VLR可看作为一个动态用户数据库。
VLR功能总是在每个MSC中综合实现的。
(3) 归属用户位置寄存器（HLR）
归属用户位置寄存器（HLR）是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。HLR还存储且为MSC提供关于移动用户实际漫游所在的MSC区域相关动态信息数据。这样，任何入局呼叫可以即刻按选择 路径送到被叫的用户。
(4) 鉴权中心（AUC）
GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行保密等。因此，鉴权中心（AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，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。
AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。
(5) 移动设备识别寄存器（EIR）
移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码，使得运营部门对于不管是失窃还是由于技术故障或误 *** 作而危及网路正常运行的MS设备，都能采取及时的防范措施，以确保网路内所使用的移动设备的唯一性和安全性。
4 *** 作支持子系统（OSS）
*** 作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路 *** 作和维护。
移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。用户数据管理一般由归属用户位置寄存器（HLR）来完成这方面的任务，HLR是NSS功能实体之一。用户识别卡SIM的管理也可认为是用户数据管理的一部分，但是，作为相对独立的用户识别卡SIM的管理，还必须根据运营部门对SIM的管理要求和模式采用专门的SIM个人化设备来完成。呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动业务交换中心MSC和GMSC分别处理，也可以采用通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据的方式。
移动设备管理是由移动设备识别寄存器（EIR）来完成的，EIR与NSS的功能实体之间是通过SS7信令网路的接口互连，为此，EIR也归入NSS的组成部分之一。
网路 *** 作与维护是完成对GSM系统的BSS和NSS进行 *** 作与维护管理任务的，完成网路 *** 作与维护管理的设施称为 *** 作与维护中心（OMC）。从电信管理网路（TMN）的发展角度考虑，OMC还应具备与高层次的TMN进行通信的接口功能，以保证GSM网路能与其它电信网路一起纳入先进、统一的电信管理网路中进行集中 *** 作与维护管理。直接面向GSM系统BSS和NSS各个功能实体的 *** 作与维护中心（OMC）归入NSS部分。
可以认为， *** 作支持子系统（OSS）已不包括与GSM系统的NSS和BSS部分密切相关的功能实体，而成为一个相对独立的管理和服务中心。主要包括网路管理中心（NMC）、安全性管理中心（SEMC）、用于用户识别卡管理的个人化中心（PCS）、用于集中计费管理的数据后处理系统（DPPS）等功能实体。

网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，就是用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，它的结构主要有星型结构、环型结构、总线结构、分布式结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构等。主要应该是体现拓扑的设计理念，如里边的服务器冗余就是为了数据安全。

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