全球移動通信系統

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全球移動通信系統(Global System for Mobile Communication,GSM)

目錄

什麼是全球移動通信系統[1]

  全球移動通信系統(Global System for Mobile Communication)的英文縮寫是GSM,它是由歐洲電信標準化協會(ETSI)制定的泛歐數字行動電話系統標準,又稱泛歐數字蜂窩移動通信系統,是世界上應用最為廣泛的第二代移動通信系統

全球移動通信系統歷史[2]

  全球移動通信系統(GSM)是迄今為止最為成功的全球性移動通信系統。其開發始於1982年。歐洲電信標準協會(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(Groupe Speciale Mobile),該小組得到了對有關泛歐數字移動通信系統的諸多建議進行改進的授權。試圖完成的兩個目標是:

  第一,用於無線通信的更好、更有效的技術解決方案——在那個時候,數字系統在用戶容量、易用性和可能的附加業務數目等方面都要優於當時還十分流行的模擬系統已經是顯而易見的了。

  第二,實現全歐洲統一的標準,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。

  之後的若幹年裡,幾家公司為這種系統提出了一些建議。這些建議幾乎涵蓋了不同技術領域的所有可能技術措施。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)提議採用的調製技術有高斯最小頻移鍵控(GMSK)、四進位頻移鍵控(4)FSK)、正交幅度調製(QAM)和自適應差分脈衝調製(ADPM)。傳輸速率從20kbit/s到8Mbit/s不等。所有提出的系統都進行了現場測試和通道模擬器測試(1986年在巴黎)。除了技術因素,市場和政治因素也影響了決策的進程。由於FDMA需要在移動台處進行天線分集,因此基於FDMA的方案就不在最終的考慮之列。儘管這種分集的技術可行性已經為日本的數字系統所證明,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,因為在那時採用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系統在這一抉擇過程中得以保留。可是,最終的(TDMA)系統並非來自某個公司的建議,而反過來形成了一個折中的系統。究其原因是政治性的而非技術性的:選擇某一個公司的建議作為標準,將會給這家公司帶來相當大的競爭優勢。這一折中系統的具體細節由(如今已成為常設機構的)一個委員會在之後的兩年裡開發完成,併在1992年以後作為歐洲進行系統實施的基礎。

  在20世紀90年代早期,人們意識到GSM應當擁有一些沒有包括在最初標準之中的功能特性。所以,包括這些功能的所謂第二階段(phase一2)規範直至1995年才開發完成。而包括分組無線電(GPRS,參見配套網站:WWW.wiley.com/go/molisch上的附錄21.6)和EDGE所採用的更高效調製方案在內的進一步的功能提升是其後才逐漸引入的。基於這些擴充,GSM通常被稱為2.5代系統,這是因為其功能比那些第二代系統強大,而又未能具備第三代系統的所有功能。

  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來開發的,但在歐洲推廣應用的同時,整個世界範圍內就已經開始了對GSM的廣泛應用。澳大利亞是第一個簽訂基礎協議(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準,在2004年已擁有了超過十億的眾多用戶。當然,也有個別的例外:日本和南韓就從未採用過GSM。在美國,GSM與基於CDMA的Is-95系統相競爭。在大多數國家,提供頻譜牌照的條件是網路運營商必須採用GSM,相比之下,在美國,牌照的出售並不要求欲購買的那些公司採用某個指定的系統。在2005年,有兩個主要的運營商提供基於GSM的業務,而另外兩個則採用與之競爭的技術。

  GSM有三種版本,每一種都使用不同的載波頻率。最初的GSM系統使用900MHz附近的載頻。稍後增加了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,並且降低了移動台的最大發射功率。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,同時發射功率的降低會造成小區尺寸的明顯縮小。這一實際效果同更寬的可用帶寬一起使網路容量可以得到相當大的擴充。第三種系統被稱做GSMl900或PCS-1900(個人通信系統),工作在1900MHz載頻上,並主要用於美國。

  GSM是一個開放性標準。這意味著只就介面做出規定,而不限制具體的實現形式。作為一個例子,我們來考慮GSM採用的調製方式,即GMSK。GSM標準規定了帶外發射的上限、相位抖動、互調產物等內容。如何達到所需的線性度(如,通過採用前饋線性化、通過使用A類放大器——由於其效率低下而不大可能被採用,或是通過採用任何其他方法)則取決於設備製造商。因此,這一開放的標準確保了來自不同製造商的所有產品可以相互兼容,儘管在質量和價格上它們可能仍然差別不小。對業務提供商而言,兼容性尤為重要。當採用專有的系統時,業務提供商只能在網路初建階段一次性地選定設備供應商。對於GSM(以及其他開放性標準),業務提供商可以先從某家製造商那裡購入基站,而之後為實現網路擴容又可以從另一家價格更合理的製造商那裡購進基站。業務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。

全球移動通信系統技術特點[1]

  GSM具有以下技術特點:

  (1)由幾個分系統組成的GSM系統可與各種公用通信網互連互通,各分系統之間或各分系統與各種公用通信網之間都明確和詳細定義了標準化介面規範,保證任何廠商提供的GSM系統或子系統都能互連。

  (2)GSM系統具有靈活和方便的組網結構,頻率重覆利用率高。

  (3)GSM系統除了可以提供語音業務外,還可以提供各種數字業務。

  (4)GSM系統能提供國際的自動漫游功能。

  (5)採用時分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)相結合的多址方式,頻分多址用於不同小區之間分享頻段,時分多址用於在一個同一頻點上區分不同用戶所使用不同的時隙。

  (6)採用數字化語音和數字化調製技術,調製方式是高斯最小移頻鍵控(GMSK),在同通道干擾情況下具有很好的性能。

GSM系統的網路結構及各部分功能[1]

  GSM系統由移動台(MS)、基站子系統(BSS)、網路子系統(NSS)和運營支撐系統(OSS)四大部分組成。GSM系統的網路結構如圖“GSM系統的網路結構”所示,各部分的主要功能概述如下。

  Image:GSM系统的网络结构.jpg

  (1)移動台(MS)移動台是用戶設備,如車載型、便攜型和手持型。移動台(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、通道編碼、信息加密、調製解調、信息發/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(BSS)由基站控制器(BSC)和基站收/發信台(BTS)組成。一個基站控制器(BSC)對一個或多個BTS進行控制,負責無線網路資源管理、小區配置、數據管理、功率控制、定位和切換等功能。每個基站收/發信台(BTS)服務於一個小區,負責為移動終端提供空中介面U。。BTS包括無線傳輸所需的各種硬體和軟體,如發射機、接收機、天線、介面電路及檢測和控制裝置。

  (3)網路子系統(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)是網路的核心,管理一個或多個BSC,是對所覆蓋區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,也是移動通信網與其他公用通信網(ISDN、PSTN)之間的介面(其中GMSC為網關移動交換中心),使各種業務可供用戶使用。

  歸屬位置寄存器(HLR)是一個資料庫,存儲MSC所轄區域中註冊的移動用戶的信息,主要包括用戶的簽約信息和當前位置這兩類信息。

  訪問位置寄存器(VLR)也是一個資料庫,存儲進入其覆蓋區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(OSS)由鑒權中心、移動設備識別寄存器和操作與維護中心組成。

  鑒權中心(AUC)存儲保證移動用戶通信不受侵犯的鑒權參數等必要信息。

  移動設備識別寄存器(EIR)實現對移動設備的識別、監視和閉鎖等功能,禁止某些非法移動台的使用。

  操作與維護中心(O&M/OMC)用於對所有網路單元的監測和維護。

GSM系統的組網方式及其工作原理[1]

  早期的模擬移動通信系統採用大區制的組網方式,即用一個基站覆蓋整個服務區,但一個基站所能提供的通道數是有限的,且覆蓋區域有限。為了突破用戶容量的限制,目前採用小區制組網方式,即是將整個服務區劃分為若幹個小區,每個小區的半徑視用戶的密度在1~30km左右,小區一般採用六邊形,因為多個正六邊形小區的整體佈局酷似蜂窩,每個小區像蜂室,故稱之為蜂窩移動通信系統,其組網方式如圖所示。

  Image:GSM系统的组网方式.jpg

  每個小區內設置一個小功率的僅能有效覆蓋本小區的基站,負責與小區內的移動台進行無線通信,同時設置一個MSC控制若幹基站。基站通過微波、陸地電纜或光纖傳輸與MSC相連,而MSC又與PSTN、ISDN等公用網相連,從而實現小區之間移動用戶通信的轉接、移動用戶與固定用戶的通信聯繫等。

  蜂窩電話網可通過頻率復用來解決缺少頻率資源的問題。頻率復用是指在相隔一定距離的不同小區採用相同的頻率組進行覆蓋,這些小區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個小區組成區群(簇),區群內不使用相同頻道。每個小區的頻率組含多個頻道。典型的分配方案如下圖所示,其頻率復用因數數為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將使每個小區分配的頻道減少,從而會降低蜂窩系統的頻率資源使用效率。

  Image:N=7时蜂窝系统的频率复用.jpg

  圖為:N=7時蜂窩系統的頻率復用

  服務於一個蜂窩電話簇的所有基站永久地連接到一個MSC。如果移動台移到另一個小區,則會通過BSC向MSC發出信號使HLR、新的VLR和舊的VLR都將得到通知以進行相應信息更新。當一個電話呼叫某一移動台時,呼

  叫首先被送到網關移動交換中心GMSC,它在HLR中查詢得到移動台當前所在區域的MSC後,將首地址信息送往MSC,MSC則從VLR中查詢移動台的位置,並通過轄區內的基站來尋呼此移動台,隨即被叫移動台便會向基站發出尋呼響應建立通話。

GSM系統介面與業務支持[3]

  (1)網路介面 

  GSM的網路介面主要包括Um介面、Sm介面、A介面、MAP介面、MSC與PSTN的介面等。目前這些介面已實現了較為完善的標準化,達到了不同廠家產品互連的目的。

  (2)無線介面

  移動終端與網路之間的介面為無線介面,根據協議可將其自下而上分為三層,物理層、數據鏈路層和網路層。其中第三層又可分為三個子層:①無線資源(I汛)管理層,負責完成專用無線通道連接的建立、操作和釋放,它是在移動台與基站子系統問進行的。②移動性管理(MM)層,負責完成位置更新、鑒權和臨時移動用戶號碼的分配工作。③連接管理(CM)層,負責完成電路交換的呼叫建立、維持和結束,並支持補充業務和短消息業務。MM、層和CM層是移動台直接與MSC之間的通信。   

GSM的業務支持

  GSM可以提供兩大類業務,即基本業務和補充業務。其中,基本業務又包括電信業務和承載業務;補充業務則是對基本業務的補充,並不能單獨提供。電信業務是指端到端的業務,它包括OSI七層協議,並具有電話、短消息、三類傳真等業務。這裡所說的短消息業務可分為兩種,其一是點對點短消息業務,它可以直接從移動臺上發送;若你的手機接到PC上,則可以通過PC輸入,由GSM網傳送到短消息中心(SC),並由它轉發給對方。其二是小區廣播短消息業務,它可以通過SC向BSC下載數據,由BSC控制向某個或某些小區發送一些公共信息(如交通、股市等信息)。如果想實現數據業務,可將與該手機配套的數據卡(即終端適配卡)接到PC、傳真機等設備上,即可進行數據通信

  承載業務是在兩個終端/網路介面處(接入點R/S)提供的業務,它僅包括OSI的下三層協議。

GSM系統的發展[1]

  目前,GSM發展趨勢是通過GPRS技術向第三代移動通信——wcDMA(寬頻碼分多址)技術演進。GPRS即通用無線分組業務,是基於GSM系統的數據業務增強技術。它在GSM的基礎之上,疊加了一個新的網路,同時在網路上增加一些硬體設備併進行了軟體升級,形成了一個新的網路邏輯實體,提供端到端的、廣域的無線IP連接,把分組交換技術引入了現有GSM系統,在現有網路上實現高速數據傳輸,將能極大地滿足日益增長的移動數據業務需求。通過對GSM原有時隙的動態分配使用,每個用戶可同時占用多個無線通道,同一無線通道又可以由多個用戶共用,增強了GSM系統的數據通信能力。GPRS的出現和進入實用,將使移動通信進入一個新的發展階段,並不斷向第三代移動通信演進。第三代移動通信系統框架結構是將衛星網路與地面移動通信網路相結合,形成一個全球無縫覆蓋的立體通信網路,以滿足城市和偏遠地區不同密度用戶的通信要求。它將使用共同的頻段,全球統一標準;具有支持語音、數據和多媒體業務的能力,特別是支持InLernet業務;能夠實現高頻譜效率、高服務質量、高保密性和低成本;同時還要將綜合寬頻網的業務儘量延伸到移動環境中,能夠傳送高達2Mbit/s的高質量圖像,真正實現人類“任何人,在任何地點、任何時間與任何人”都能便利通信的個人通信願望。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 張南主編.高等教育出版社,2007年03月第3版.
  2. [美]ANDREAS F.MOLISCH著 田斌 貼翊 任光亮譯.無線通信.電子工業出版社,2008年01月.
  3. 秦國主編.現代通信網概論.人民郵電出版社,2008.11.
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