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1、GSM移动通信系统综述GSM的历史在十九世纪八十年代，蜂窝电话系统在欧洲迅速发展起来，特别是在斯堪的纳维亚和联合国，还有法国和德国。每个国家发展自己的系统，在设备和运营方面和别的其他国家不相同。这是一个不受欢迎的情况，因为移动设备不仅受国界的限制，（这在统一的欧洲变的越来越不重要），而且还受每种设备类型的市场限制，以至于如此的经济规模和储蓄不能被实现。欧洲首先认识到这种情况，在1982年欧洲邮电行政大会成立了一个欧洲移动特别小组，简称GSM，形成这个小组为了研究和发展欧洲的移动陆地通信系统，所提出的这个系统必须遵循以下几个标准；l 好的话音质量。l 低的终端服务成本。l 支持国际漫游。l 支持
2、手持终端。l 支持新的服务和设备。l 高效的光谱。l ISDN兼容性。在1989年，GSM的责任是被欧洲电讯学会标准所接受。GSM规范的第一阶段于1990年被公布，商业服务在1991年被推行，到1993年 ，在22个国家有36个GSM网络。虽然标准定型在欧洲，但GSM不只是欧洲的标准，超过200个GSM网络（包括DCS1800和PCS1900）在世界上110个国家运营。在1994年初，世界上有1.3百万个用户，到1997年10月已经超过了55百万个用户。 北美洲进入GSM领域比较晚，而且随之有一个GSM派生物叫PCS1900，GSM在每个大陆存在，而缩写词GSM代表了全球移动通信系统。GSM
3、的发展选择了一个（在时间上）被分割的数字系统，相反的是，像美洲的AMPS和联合国TACS 一样标准的模拟的细胞系统。他们相信那个处于压缩状态的算法和数字信号处理器的进展，允许实现原来的标准和在连续不断改进的系统方面的质量和费用。超过八千页的GSM系统介绍尽量允许给中间供给者以灵活性和竞争性，但是足够的标准化保证在系统组成部分之间互相交织。这个被通过为每个在系统中的定义的功能实体提供功能和交织描述。GSM所提供的服务从开始，GSM的计划者想在提供的服务和信号使用的控制方面考虑ISDN 的兼容性。然而，无线传输限制，带宽方面和费用，不允许ISDNB标准的通道点率64KPS被实际达到。使用ITU-T
4、定义，电讯服务被划分为送信人服务，电话服务和其它补充服务。最基本的电话是被GSM支持的电话。比如其它通信，语音被进行数字化编码，作为数字流通过GSM网络被传输。有一种紧急服务，在最近的紧急事件发生处，服务提供者被通知拨打三位电话号码（比如911）。 各种各样的数据服务被提供。GSM使用者可以发送和接收数据给使用者通过POPTS（普通的老的电话服务）、ISDN、转换公共数据的网络包和转换公共数据网络的电路，使用多样化的接口方法和协议，比如X.25或X.32。速率可以达到9600bps，由于GSM是一个数字网络，在用户和GSM网之间是不需要调制解调器的，但是调制解调器要求在GSM网和POTS里交织
5、工作。 其他数据服务包括组3传真，作为在ITU-T协议T.30中被描述，这个被传真编剧的使用者所支持，GSM的唯一特性就是在较老的类似系统中找不到，是短信息系统（SMS），SMS是一种字母数字的双向的信息服务。消息被传输采用一种存储转交的形式。对于点对点的SMS，一条信息被发送到另一个用户，收到的谢意被提供给发送人。SMS能被用于细胞播送模式，用来发送诸如交通更新资料或消息更新资料。消息能被存储在SIM卡里。补充的服务被提供在电话服务或送信人服务之上。在第一阶段的说明中，他们包括若干形式的呼叫转接如呼叫转接当移动用户不能到达网络时），外出呼叫，或入局呼叫，比如在其它国家漫游时。在第二阶段的规范
6、中许多补充服务将被提供，比如呼叫者识别，呼叫等待，多政党谈话。信道控制普通的信道模式能被分为两类：专用呼叫信道模式和标明空闲信道模式。普通的信道被空闲模式使用，从而改变要求变成专用信道的信号信息。专用信道方式监控周围的基站和其它信息，普通信道被定义在51帧，以及专用信道使用26帧，TCH结构仍然能监控信道，普通信道包括：l 广播控制信道（BCCH） 连续不断的发送，在下行链路上，消息包括基站识别，频率分配和跳频序列 l 频率校正信道（FCCH）和同步信道（SCH） 同步突发脉冲序列用于移动台的时间同步。在GSM蜂窝网络中，广播确切的指一个频率校正信道和一个同步信道。l 随机接入信道（RACH）
7、 被移动台使用的时隙提出入网。l 寻呼信道(PCH) 对下一个呼叫向移动台发出报警。l 传输基站准许接入信道（AGCH） 寻呼移动台的信息。分配独立专用信道（为了获得一个独立专用信道），对RACH作出应答。信道编码和调制由于自然的和人为的电磁干扰，语音编码或数据信号通过无线电接口传输必是从差错保护的。GSM使用编码，并阻塞交错达到这个保护，这个算法使用由于语音和不同的数据率而不同，用于语音的方法块将被描述如下：取消语音编码每20ms产生一个260点块的抽样，从主观测试来看，一些点块感知的语音量比其他人感知的更重要。这些点被分为3类：l Ia类 50比特 对点差错最敏感l Ib类 132比特 对
8、点差错适中敏感l II类 78比特 对点差错最不敏感Ia类为错误检测出有3比特的循环冗余码，如果一个错误被检测出，侦被判定被损坏，而需要被丢弃。如果它稍微被削弱而被换以前正确接收到的侦。这53个比特，和Ib类132比特以及4比特尾巴序列一起（总数189比特）被输入1/2长度为4的译码。每个输入比特被两个输出比特译码，是基于以前4输入比特的译码。译码器输出378 比特，在保持II类位的基础上增加了78个比特这是不被保护的。每20ms语音采样被作为456比特译码。进一步为了避免无线电接口带来的突发误差，每一个采样被隔行扫描，456比特输出被译码划分为8个点块的，这些点块被8个连续的时间传输，时隙脉
9、冲。每一个时隙携带两个57点块，每个脉冲从两个不同的语音采样中开始。话音编码GSM是一个数字系统，所以语音被固定的模拟而且被数字化。这种方法被ISDN和采用在高速中继线和光纤上的多路复用技术的当前的电话系统所使用，被称作脉幅调制。从PCM流出的信息流是64KBPS，太高的速率通过无线电线路不是切实可行的。GSM小组在主观语音质量和复杂性上研究若干语音编码。（这关系到费用，延迟处理和消费力量的执行）基本上，来自以前的采样信息不会迅速的改变，而是被用来预测当前采样信息。以前的采样信息的线性结合的系数，再加上剩余的编码形式，以及预测和实际的采样中的不同，来代表信号。语音被分为50HZ的采样频率间隔，
10、每个间隔被分为260个比特，这就是所谓的呼叫充足率语音编码，近来提高充足率语音编码算法被一些美国GSM1900运营商所执行。这就是说通过使用现有的13bps的点率改进语音质量。功率控制有五个不同的移动台被定义，根据它们的高峰传输功率，额定功率分别为20，8，5，2瓦特。为了最小化次通道干扰和保持功率，移动台和基站收发信台以最小功率运行，这将会保持一个可以接受的信号质量，功率水平能被加强或减弱2dB从最高功率下降到最小功率为13dBm.移动台测量信号强弱和信号质量（主要通过比特差错率），通过发送信息到基站台控制器，这将最终决定功率水平是否被改变。功率控制应该被细心处理，因为那有可能的不稳定性，这
11、是因为移动台在次通道细胞中不断增加它们的功率来回应由其它移动台在增加功率时造成的次通道干扰。这在实际中不可能发生但它可以用于理论研究。跳频移动台已经不得不采用跳频，意味着GSM 可以在一个TDMA帧内接收，传输，监控时隙，这样在不同的频率间改变从而使用频率灵活性来执行慢频率跳变。这里移动台和收发信台在不同的载波频率上传输TDMA帧。跳频算法在广播控制通道上进行。由于多径衰落是依靠载频，缓慢的频率跳跃来提高抗干扰性能的，此外，次通道实际上是干扰随机化。多路均衡在900MHZ频段，无线电波受建筑物，汽车，飞机等等的影响。许多反射信号，都有不同的频段，可以到达一个天线。平等被用来从不需要反映的信号中
12、提取想要得到的信号。它通过查明一个已知发射的信号怎样通过多径衰落被改进，建造一个反转的滤波器去提取想要得到的信号。这个已知的信号是26比特点序列在中间所有的时间突发。这个均衡器的实际执行不是被指定在GSM中。间断传输最大限度的减少通道干扰是蜂窝系统的目标，由于它允许给一个特定的小区提供更好的服务，或者为更小的小区使用，从而增加系统的容量。不连续的传输（DTX）是一种方法，利用一个人在正常交谈中讲话不少于40%的时间，通过在无语音信号时关闭发射器。DTX的另一个增加的好处是功率在移动单元中被保存。DTX最重要的组成部分是语音激活检测。它必须在声音和噪音输入时区分开，一个任务就是不和它出现时一样考
13、虑到背景噪音。如果一个声音信号被作为噪音信号曲解，立即关闭发射机。一个非常讨厌的称作剪辑的东西被在接收端听到。如果，另一方面，噪音也会被做为一种声音信号曲解，间断传输的功效就会被减小。要考虑的另一个因素是当发射机关闭时，在接收端就完全无话音，这是由于数字GSM的性质。为了保证接收者检测出的是无话音，通过尽力与发射端背景噪声相匹配在接受端建立舒适噪声。间断接收另一种在移动台上保存功率的办法是间断接收。寻呼信道通过一个入局的呼叫给基站一个信号，被构造成次通道。每一个移动台仅仅需要听到自己的次信道。这时在连续的寻呼次信道中，当没有被使用的功率时，移动台可以进入休眠模式。在GSM中的信号协议结构在GS
14、M中，信号协议被分为三层，依赖于接口，当时引入了数字3，第一层是物理层，它为物理层提供无线信道，第二层是数据链路层，通过Um接口，数据链路层使用在ISDN中被LAPD协议，叫做LAPDm，通过A接口，7号信令的信息传输层被使用，GSM的第3层，被分为3个子层。l 无线资源管理 控制建立，维持，终止无线电装置和固定信道，包括转发器。l 连接控制功能l 处理呼叫控制 与CCITT协议的Q.931相似，管理补充服务和短信息服务。信号在网络的固定部分的不同实体之间，比如归属位置寄存器和访问位置寄存器，它们通过移动应用部分协议完成。移动应用协议是被建立在7号信令部分的最高层。MAP的说明非常复杂，超过了
15、500页，是GSM协议中最长的文件。无线资源管理 无线资源管理层在移动台和移动交换中心之间的一层接口协议。主要的功能组成部分是移动台，和基站控制器，还有移动交换中心。无线资源管理层与无线资源管理-会议的管理有关，这里移动台有一个专门的功能，无线通信信道的结构包括无线信道的分配。一个无线管理层协议总是移动台通过接口协议开始，或者是一次向外的呼叫，或者是调度信息的接口，这个接口和调度程序的细节，如同当一个专用信道被分配在移动台上和调度次信道结构被在无线资源管理层被处理。另外，它处理无线电特性包括功率控制，间断传输和接收。转发器在一个蜂窝网中，无线电和固定联系不是永久的被分配在依次呼叫间。转发器是一
16、个对向外呼叫给不同的信道和蜂窝的开关，转发器所需要的执行器和测量方法是无线资源管理层最基本的功能之一。在GSM系统中有四个不同类型的转发器，包括转移呼叫：l 在一个蜂窝网中的信道（时隙）。l 在同一基站控制器下的基站移动台。l 在不同基站控制器控制下的细胞，但是属于在相同的移动交换中心l 在不同的移动交换中心。前两种类型的转发器，叫内部转发器，只包括基站控制器，为了节省信号带宽，它们利用基站控制器不包括移动交换中心，除此之外在完成转发时通知它。最后两种转发器称做外部转发器，被移动交换中心所处理。GSM一个重要的方面是原始移动交换中心，仍然对其余的呼叫相关功能起作用。除了后来的内部基站控制器外，
17、转发器在新的移动交换中心控制下，被称作中继器。转发器能被其它移动台或移动交换中心所启动。在一个空闲时隙里，移动台扫描相邻的16个蜂窝中的广播控制信道，对于可能的转发器形成一张六个最好的侯选列表，基于收到的信号的强度。这个信息通过基站控制器和移动交换中心运用转发算法被使用，至少每秒一次，算法适用在当转发器决定应该被用在GSM协议中时。有两个基本的运算法则被使用，都密切被束缚在功率控制中，这是因为基站控制器通常不知道弱信号是否因为多径衰落或移动台移动到另一个蜂窝网中了。这种情况在郊区蜂窝网中确实是存在。最小的可以接受的性能算法为转发器优先，以致于在一定的点上，当信号减弱时移动台的功率在增强。如果功
18、率一直增加而不改变信号的话，这个转发器是可以考虑使用的。这是一个既简单又普通的方法，但是当一个移动台以很高的功率从一段距离的原始的蜂窝边界进入另一个蜂窝时，它抹去了一些蜂窝边界。功率预算法使用转发器在相同或更小的功率水平上去维持或改进信号质量。它优先于功率控制法。避免了抹去细胞边界的问题，减少了次信道的干扰，但是非常复杂。移动管理移动管理层是建立在无线资源管理的上一层，和处理用户移动和安全，鉴权方面的问题。位置管理与程序有关，这程序是使系统能够知道当前加强移动台功率的程序，这样的话，入局呼叫路由选择能被完成。位置更新信号最强的基站被入局呼叫通过寻呼信号通知。一个极端就是在网络中的一个寻呼对应一
19、次呼叫，这显然是一种资源的浪费。另一个极端就是为了移动用户通知系统，经当前位置更新信息使它的当前位置在一个单独的细胞中。这将需要寻呼信息被确切地发送到一个细胞中，但是这将会对于大量更新的位置信息造成浪费。一个折衷的被使用在GSM系统中的办法就是在位置区域组成蜂窝网。当在位置区域之间移动时，要求更新信息。移动台在它们当前位置的区域中被寻呼。位置更新程序和后来的呼叫路由选择，使用移动交换中心和两个位置寄存器：归属位置寄存器，访问位置寄存器。当移动台在一个新的位置区域被转换时或者它移动到一个新的位置区域时或不同运营商的公共陆地移动网，它必须向网络登记表明它当前的位置。在正常情况下，一个位置更新信息被
20、发送到新的移动交换中心/访问位置寄存器，这时记录当前位置然后发送当前位置信息给用户归属位置寄存器。被送到归属位置寄存器的信息正常是新的访问位置寄存器的SS7地址，虽然它只可能是一个路由选择数字。路由选择数字的原因不是正常的被指定，甚至它将减少信号。是在新的移动交换中心/访问位置寄存器里可以得到的路由选择数字里的有限的数字，它们按入局呼叫的要求分配。如果用户有权享受服务，归属位置寄存器发送用户信息的一个子集，为了呼叫控制需要新的移动交换中心/归属位置寄存器。然后发送信息到旧的移动交换中心/访问位置寄存器去取消旧的登记信息。由于可靠性的原因，GSM也有一种位置更新程序，如果一个归属位置寄存器或移动
21、交换中心不能工作了，同时有每一次移动台登记更新新的数据将造成超载的情况，然而当更新位置信息发生时，数据库也被更新，且能够周期性的更新，且被运营商所控制，信号传输和恢复的速度之间是一种贸易。如果一个移动用户不注册，在更新的周期后，它将被撤消。一个关系到位置更新的过程是IMSI的附加且派遣。派遣让网络知道移动台是不可能到达的，并避免不必要的分配信道和发送寻呼信息，附加类似于位置更新，通知系统移动用户是可以到达的。IMSI附加/派遣激活到一个单独的细胞基础上运行。鉴权与安全由于无线媒介能被任何人访问，使用者的鉴定为了证明他们是谁，这是一个移动网络中非常重要的部分，鉴定包括两个功能实体，SIM卡和认证
22、中心。每一个用户被一把秘密的钥匙，一部分被储存在SIM卡里，其它的储存在认证中心，在认证期间，认证中心产生一个随机号码把它发送到移动用户，然后认证中心和移动终端使用这个随机号码。一种秘密算法称作A3算法，产生一个回应信号（SRES）被返回到认证中心。如果被移动用户发送的数字和被认证的一样，那么用户被鉴别。同样的初始随机码和用户钥匙被使用一种的秘密钥匙叫A8，这个秘密钥匙与TDMA侦一道，使用A5算法去创建一个114突发点序列，译成密码是相当大胆的选择，由于信号已经被以一种TDMA侦方式编码，扫描和传输。这样以免受到所有的保护，而采用专用窃听器。另一个水平的安全是在移动设备本身执行，与移动用户相
23、反。正如以前提到的，每一个移动终端被唯一的国际移动设备识别号码辨别，网络中的一张IMEIS在识别登记设备中被存储，状态回应到EIR的IMEI是下列之一：l 白色单：合法的移动设备识别号。l 灰色单：是否允许由运营商所决定。l 黑色单：终端既没有被报告偷窃，也没有被类型认可，禁止使用的移动设备识别号。Overview of the Global System for Mobile CommunicationsHistory of GSMDuring the early 1980s,analog cellular telephone systems were experiencing rapid
24、growth in Europe, particularly in Scandinavia and the United Kingdom, but also in France and Germany. Each country developed its own system , which was income paible with everyone elses in equipment and operation .This was an undesir-able sitution, because not only was the mobile equipment limited t
25、o operation within national boundaries, which in a unified Europe were increasingly unimportant , but there was also a very limited market for each type of equipment , so economies of scale and the subsequent savings could not be realized. The Europeans realized this early on , and in 1982 the Confe
26、rence of European Posts and Telegraphs (CEPT) formed a study group called the Groupe Spcial Mobile (GSM) to study and develop a pan-European public land mobile system .The proposed system had to meet certain criteria: Good subjective speech quality Low terminal and service cost Support for internati
27、onal roaming Ability to support handheld terminals Support for range of new services and facilities Spectral efficiency ISDN compatibility In 1989, GSM responsibility was transferred to the EuropeaTelecommunication Standards Institute (ETSI), and phase I of the GSM specifications were published in 1
28、990. Commercial service was started in mid-1991 , and by 1993 there were 36 GSM networks in 22 countries.Although standardized in Europe, GSM is not only a European standard. Over 200 GSM networks ( including DCS1800 andPCS1900) are operational in 110 countries around the world. In the beginning of
29、1994, there were 1.3 million subscribers worldwide which had grown to more than 55 million by October 1997. With North America making a delayed entry into the GSM field with derivative of GSM called PCS1900 , GSM systems exist on every continent, and the acronym GSM now aptly stands for Global Syste
30、m for Mobilecommunications. The developers of GSM chose an unproven (at the time)digital system,as opposed to the then-standard analog cellular systems like AMPS in the United States TACS in the United Kingdom. They had faith that advancements in compressionalgorithm and digital signal processors wo
31、uld allow the fulfillment of the original criteria and the continual improvement of the system interms of quality and cost . The over 8000 pages of GSM recommendations try to allow flexibility and cometitive innovation among suppliers but provide enough standardization to guarantee proper interwork
32、between the components of the system.This is done by providing functionaandinter-face descriptions for each of the functional entities defined in the system. Services provided by GSMFrom the beginning, the planners of GSM wanted ISDN compatibility in terms of the services offered and the control sig
33、nalling used . However, radio transmission limitations, in terms of bandwidth and cost, do not allow the standard ISDN B-channel bit rate of 64 kbps to be practically achieved. Using the ITU-T definitions , telecommunication services be divided into bearer services, teleservices , and supplementary
34、services . The basic teleservice supported by GSM is telephony . As with anothercommunications , speech is digitally encoded and transmitted through the GSM network as a digital stream . There is emergency service , where the narest emergency- service provider is notified by dialing three digits (si
35、milar to 911). A variety of data services is offered.GSM users can send and receive data,at rates up to 9600 bps , tousers on POTS ISDN, Packet Switched Public Data Networks , and Circuit Switched Public Data Networks using a variety of access methods and protocols, such as X.25 or X.32.Since GSM is
36、 a digital network,a modem is not required between the user and GSM network,although an audio modem is required inside theGSMnetwork to interwork with POTS. Other data services include Group 3 facsimile , as described in ITU-T recommend-dation T.30, which is supported by use of an appropriate fax ad
37、aptorA unique feature of GSM, not found in older analog systems, is the Short Message Service (SMS). SMS is a bidirectional service for short alphanumeric messages . Messages are transported in a store-and-forward fashion.For point -to-point SMS, a message can be sent to another sub scriber to the s
38、erviceand anacknowledgement of receipt is provided to the sender . SMS can also be used in a cell-broadcast mode , for sending messages such as traffic up-dates or news updates. Messages can also be stored in the SIM card for later retrieval .Supple mentary services are provided on top of teleservic
39、es or bearer services.Inthe current (Phase I) specifications, they include several forms of call forward ( such as call forwarding when the mobile subscriber is unreachable by the network ) , and call barring of outgoing or incoming calls , for example , when roaming in another country . Many additi
40、onal supplementary services will be provided in the Phase 2 specifications , such as caller identification, call waiting, multi-party conversations .Control channelsCommon channels can be accessed both by idle mode and dedicated mode mobiles. The common channels are used by idle mode mobiles to exch
41、ange the signallinginformation required to change to dedicated mode . Mobiles already in dedicated mode monitor the surrounding base stations for handover and other information .The common channels are defined within a 51frame multiframe , so that dedicatedmobile using the 26-frame multiframe TCH st
42、ructure canstill monitor control channels .The common channels include: l Broadcast Control Channel (BCCH) Continually broadcasts, on the downlink, information including base station identity, frequency allocations, and frequency-hopping sequences. l Frequency Correction Channel (FCCH) and Synchroni
43、sation Channel ( SCH ) Used to synchronise the mobile to the time slot structure of a cell by defining the boundaries of burst periods , and the time slot numbering . Every cell in a GSM network broadcasts exactly one FCCH andone SCH , which are by definition on time slot number 0 (within a TDMA fra
44、me). l Random Access Channel (RACH) Slotted Aloha channel used by the mobile to request access to the network. l Paging Channel (PCH) Used to alert the mobile station of an incoming call. l Access Grant Channel (AGCH) Used to allocate an SDCCH to a mobile for signalling (in order to obtain adedicate
45、d channel), following a request on the RACH. Channel coding and modulationBecause of natural and man-made electromagnetic interference,the encoded speech or data signal transmitted over the radio interface must be protected from errors . GSM uses convolutional encoding and block interleaving to achi
46、eve this protection . The exact algorithms used differ for speech and for different data rates .The method used forspeech blocks will be described below. Recall that the speech codec produces a 260 bit block for every 20ms speechsample. From subjective testing , it was found that some bits of this b
47、lock were more important for perceived speech quality than others . The bits are divided into three classes: Class Ia 50 bits - most sensitive to bit errors Class Ib 132 bits - moderately sensitive to bit errors Class II 78 bits - least sensitive to bit errors Class Ia bits have a 3 bit Cyclic Redun
48、dancy Code added for error detection. If an error is detected,the frame is judged too damaged to be comprehensible and itisdiscarded. It is replaced by a slightly attenuated version of the previous correctly received frame . These 53 bits, together with the 132 ClassIb bits and a 4 bit tail sequence (a total of 189 bits), are input into a 1/2 rate convolutional encoder of constraint length 4 . Each input bit is encoded as two output bits, based on a combination of the previous 4 input bits.The
