全球移动通信系统

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全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication,GSM)

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什么是全球移动通信系统[1]

  全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication)的英文缩写是GSM,它是由欧洲电信标准化协会(ETSI)制定的泛欧数字移动电话系统标准,又称泛欧数字蜂窝移动通信系统,是世界上应用最为广泛的第二代移动通信系统

全球移动通信系统历史[2]

  全球移动通信系统(GSM)是迄今为止最为成功的全球性移动通信系统。其开发始于1982年。欧洲电信标准协会(ETSI)的前身欧洲邮政电信管理会议(CEPT)成立了移动特别行动小组(Groupe Speciale Mobile),该小组得到了对有关泛欧数字移动通信系统的诸多建议进行改进的授权。试图完成的两个目标是:

  第一,用于无线通信的更好、更有效的技术解决方案——在那个时候,数字系统在用户容量、易用性和可能的附加业务数目等方面都要优于当时还十分流行的模拟系统已经是显而易见的了。

  第二,实现全欧洲统一的标准,以支持跨越国界的漫游。这在以前是不可能做到的,因为各国使用的是互不兼容的模拟系统。

  之后的若干年里,几家公司为这种系统提出了一些建议。这些建议几乎涵盖了不同技术领域的所有可能技术措施。提出的多址方式包括时分多址(TDMA),频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)提议采用的调制技术有高斯最小频移键控(GMSK)、四进制频移键控(4)FSK)、正交幅度调制(QAM)和自适应差分脉冲调制(ADPM)。传输速率从20kbit/s到8Mbit/s不等。所有提出的系统都进行了现场测试和信道模拟器测试(1986年在巴黎)。除了技术因素,市场和政治因素也影响了决策的进程。由于FDMA需要在移动台处进行天线分集,因此基于FDMA的方案就不在最终的考虑之列。尽管这种分集的技术可行性已经为日本的数字系统所证明,增大的天线尺寸使之仍然不能成为一个理想的选择。CDMA最终也被排除在外,因为在那时采用CDMA方式所必需的信号处理看上去造价过高且不够可靠。因此,只有TDMA系统在这一抉择过程中得以保留。可是,最终的(TDMA)系统并非来自某个公司的建议,而反过来形成了一个折中的系统。究其原因是政治性的而非技术性的:选择某一个公司的建议作为标准,将会给这家公司带来相当大的竞争优势。这一折中系统的具体细节由(如今已成为常设机构的)一个委员会在之后的两年里开发完成,并在1992年以后作为欧洲进行系统实施的基础。

  在20世纪90年代早期,人们意识到GSM应当拥有一些没有包括在最初标准之中的功能特性。所以,包括这些功能的所谓第二阶段(phase一2)规范直至1995年才开发完成。而包括分组无线电(GPRS,参见配套网站:WWW.wiley.com/go/molisch上的附录21.6)和EDGE所采用的更高效调制方案在内的进一步的功能提升是其后才逐渐引入的。基于这些扩充,GSM通常被称为2.5代系统,这是因为其功能比那些第二代系统强大,而又未能具备第三代系统的所有功能。

  GSM的成功出乎了所有人的意料。虽然最初它是作为欧洲系统来开发的,但在欧洲推广应用的同时,整个世界范围内就已经开始了对GSM的广泛应用。澳大利亚是第一个签订基础协议(谅解备忘录,MoU)的非欧洲国家。从那时起,GSM逐渐成为了全球性的移动通信标准,在2004年已拥有了超过十亿的众多用户。当然,也有个别的例外:日本和韩国就从未采用过GSM。在美国,GSM与基于CDMA的Is-95系统相竞争。在大多数国家,提供频谱牌照的条件是网络运营商必须采用GSM,相比之下,在美国,牌照的出售并不要求欲购买的那些公司采用某个指定的系统。在2005年,有两个主要的运营商提供基于GSM的业务,而另外两个则采用与之竞争的技术。

  GSM有三种版本,每一种都使用不同的载波频率。最初的GSM系统使用900MHz附近的载频。稍后增加了GSM一1800,也就是所谓的DCS-1800,用以支持不断增加的用户数目。它使用的载波频率在1800MHz附近,总的可用带宽大概是900MHz附近可用带宽的三倍,并且降低了移动台的最大发射功率。除此之外,GSM-1800和最初的GSM完全相同。因此,信号处理、交换技术等方面无须做任何改变就可以同样加以利用。更高的载波频率意味着更大的路径损耗,同时发射功率的降低会造成小区尺寸的明显缩小。这一实际效果同更宽的可用带宽一起使网络容量可以得到相当大的扩充。第三种系统被称做GSMl900或PCS-1900(个人通信系统),工作在1900MHz载频上,并主要用于美国。

  GSM是一个开放性标准。这意味着只就接口做出规定,而不限制具体的实现形式。作为一个例子,我们来考虑GSM采用的调制方式,即GMSK。GSM标准规定了带外发射的上限、相位抖动、互调产物等内容。如何达到所需的线性度(如,通过采用前馈线性化、通过使用A类放大器——由于其效率低下而不大可能被采用,或是通过采用任何其他方法)则取决于设备制造商。因此,这一开放的标准确保了来自不同制造商的所有产品可以相互兼容,尽管在质量和价格上它们可能仍然差别不小。对业务提供商而言,兼容性尤为重要。当采用专有的系统时,业务提供商只能在网络初建阶段一次性地选定设备供应商。对于GSM(以及其他开放性标准),业务提供商可以先从某家制造商那里购入基站,而之后为实现网络扩容又可以从另一家价格更合理的制造商那里购进基站。业务提供商同样可以从一家公司购买一些部件,而从另一家公司购买其他部件。

全球移动通信系统技术特点[1]

  GSM具有以下技术特点:

  (1)由几个分系统组成的GSM系统可与各种公用通信网互连互通,各分系统之间或各分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系统或子系统都能互连。

  (2)GSM系统具有灵活和方便的组网结构,频率重复利用率高。

  (3)GSM系统除了可以提供语音业务外,还可以提供各种数字业务。

  (4)GSM系统能提供国际的自动漫游功能。

  (5)采用时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)相结合的多址方式,频分多址用于不同小区之间分享频段,时分多址用于在一个同一频点上区分不同用户所使用不同的时隙。

  (6)采用数字化语音和数字化调制技术,调制方式是高斯最小移频键控(GMSK),在同信道干扰情况下具有很好的性能。

GSM系统的网络结构及各部分功能[1]

  GSM系统由移动台(MS)、基站子系统(BSS)、网络子系统(NSS)和运营支撑系统(OSS)四大部分组成。GSM系统的网络结构如图“GSM系统的网络结构”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)移动台(MS)移动台是用户设备,如车载型、便携型和手持型。移动台(MS)由移动终端与客户识别卡(SIM卡)组成。移动终端完成语音编码、信道编码、信息加密、调制解调、信息发/收等功能;SIM卡存储客户身份认证所需的信息和部分管理信息。

  (2)基站子系统(BSS)由基站控制器(BSC)和基站收/发信台(BTS)组成。一个基站控制器(BSC)对一个或多个BTS进行控制,负责无线网络资源管理、小区配置、数据管理、功率控制、定位和切换等功能。每个基站收/发信台(BTS)服务于一个小区,负责为移动终端提供空中接口U。。BTS包括无线传输所需的各种硬件和软件,如发射机、接收机、天线、接口电路及检测和控制装置。

  (3)网络子系统(NSS)主要起着交换、移动性管理和安全性管理等功能。

  移动交换中心(MSC)是网络的核心,管理一个或多个BSC,是对所覆盖区域中的移动终端进行呼叫控制和完成语音信号交换的功能实体,也是移动通信网与其他公用通信网(ISDN、PSTN)之间的接口(其中GMSC为网关移动交换中心),使各种业务可供用户使用。

  归属位置寄存器(HLR)是一个数据库,存储MSC所辖区域中注册的移动用户的信息,主要包括用户的签约信息和当前位置这两类信息。

  访问位置寄存器(VLR)也是一个数据库,存储进入其覆盖区的移动用户的全部信息,使移动交换中心能够建立呼入和呼出的呼叫。

  (4)运营支撑系统(OSS)由鉴权中心、移动设备识别寄存器和操作与维护中心组成。

  鉴权中心(AUC)存储保证移动用户通信不受侵犯的鉴权参数等必要信息。

  移动设备识别寄存器(EIR)实现对移动设备的识别、监视和闭锁等功能,禁止某些非法移动台的使用。

  操作与维护中心(O&M/OMC)用于对所有网络单元的监测和维护。

GSM系统的组网方式及其工作原理[1]

  早期的模拟移动通信系统采用大区制的组网方式,即用一个基站覆盖整个服务区,但一个基站所能提供的信道数是有限的,且覆盖区域有限。为了突破用户容量的限制,目前采用小区制组网方式,即是将整个服务区划分为若干个小区,每个小区的半径视用户的密度在1~30km左右,小区一般采用六边形,因为多个正六边形小区的整体布局酷似蜂窝,每个小区像蜂室,故称之为蜂窝移动通信系统,其组网方式如图所示。

  Image:GSM系统的组网方式.jpg

  每个小区内设置一个小功率的仅能有效覆盖本小区的基站,负责与小区内的移动台进行无线通信,同时设置一个MSC控制若干基站。基站通过微波、陆地电缆或光纤传输与MSC相连,而MSC又与PSTN、ISDN等公用网相连,从而实现小区之间移动用户通信的转接、移动用户与固定用户的通信联系等。

  蜂窝电话网可通过频率复用来解决缺少频率资源的问题。频率复用是指在相隔一定距离的不同小区采用相同的频率组进行覆盖,这些小区必须保持足够的间隔,以抑制同频干扰。在GSM中,由3个、4个或7个小区组成区群(簇),区群内不使用相同频道。每个小区的频率组含多个频道。典型的分配方案如下图所示,其频率复用因子数为N=7。显然,使用同一频率组的两基站之间的距离将随,v的增大而增大,从而可减少同频干扰;另一方面,在同样的频率资源下,增大N将使每个小区分配的频道减少,从而会降低蜂窝系统的频率资源使用效率。

  Image:N=7时蜂窝系统的频率复用.jpg

  图为:N=7时蜂窝系统的频率复用

  服务于一个蜂窝电话簇的所有基站永久地连接到一个MSC。如果移动台移到另一个小区,则会通过BSC向MSC发出信号使HLR、新的VLR和旧的VLR都将得到通知以进行相应信息更新。当一个电话呼叫某一移动台时,呼

  叫首先被送到网关移动交换中心GMSC,它在HLR中查询得到移动台当前所在区域的MSC后,将首地址信息送往MSC,MSC则从VLR中查询移动台的位置,并通过辖区内的基站来寻呼此移动台,随即被叫移动台便会向基站发出寻呼响应建立通话。

GSM系统接口与业务支持[3]

  (1)网络接口 

  GSM的网络接口主要包括Um接口、Sm接口、A接口、MAP接口、MSC与PSTN的接口等。目前这些接口已实现了较为完善的标准化,达到了不同厂家产品互连的目的。

  (2)无线接口

  移动终端与网络之间的接口为无线接口,根据协议可将其自下而上分为三层,物理层、数据链路层和网络层。其中第三层又可分为三个子层:①无线资源(I汛)管理层,负责完成专用无线信道连接的建立、操作和释放,它是在移动台与基站子系统问进行的。②移动性管理(MM)层,负责完成位置更新、鉴权和临时移动用户号码的分配工作。③连接管理(CM)层,负责完成电路交换的呼叫建立、维持和结束,并支持补充业务和短消息业务。MM、层和CM层是移动台直接与MSC之间的通信。   

GSM的业务支持

  GSM可以提供两大类业务,即基本业务和补充业务。其中,基本业务又包括电信业务和承载业务;补充业务则是对基本业务的补充,并不能单独提供。电信业务是指端到端的业务,它包括OSI七层协议,并具有电话、短消息、三类传真等业务。这里所说的短消息业务可分为两种,其一是点对点短消息业务,它可以直接从移动台上发送;若你的手机接到PC上,则可以通过PC输入,由GSM网传送到短消息中心(SC),并由它转发给对方。其二是小区广播短消息业务,它可以通过SC向BSC下载数据,由BSC控制向某个或某些小区发送一些公共信息(如交通、股市等信息)。如果想实现数据业务,可将与该手机配套的数据卡(即终端适配卡)接到PC、传真机等设备上,即可进行数据通信

  承载业务是在两个终端/网络接口处(接入点R/S)提供的业务,它仅包括OSI的下三层协议。

GSM系统的发展[1]

  目前,GSM发展趋势是通过GPRS技术向第三代移动通信——wcDMA(宽带码分多址)技术演进。GPRS即通用无线分组业务,是基于GSM系统的数据业务增强技术。它在GSM的基础之上,叠加了一个新的网络,同时在网络上增加一些硬件设备并进行了软件升级,形成了一个新的网络逻辑实体,提供端到端的、广域的无线IP连接,把分组交换技术引入了现有GSM系统,在现有网络上实现高速数据传输,将能极大地满足日益增长的移动数据业务需求。通过对GSM原有时隙的动态分配使用,每个用户可同时占用多个无线信道,同一无线信道又可以由多个用户共享,增强了GSM系统的数据通信能力。GPRS的出现和进入实用,将使移动通信进入一个新的发展阶段,并不断向第三代移动通信演进。第三代移动通信系统框架结构是将卫星网络与地面移动通信网络相结合,形成一个全球无缝覆盖的立体通信网络,以满足城市和偏远地区不同密度用户的通信要求。它将使用共同的频段,全球统一标准;具有支持语音、数据和多媒体业务的能力,特别是支持InLernet业务;能够实现高频谱效率、高服务质量、高保密性和低成本;同时还要将综合宽带网的业务尽量延伸到移动环境中,能够传送高达2Mbit/s的高质量图像,真正实现人类“任何人,在任何地点、任何时间与任何人”都能便利通信的个人通信愿望。

参考文献

  1. 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 张南主编.高等教育出版社,2007年03月第3版.
  2. [美]ANDREAS F.MOLISCH著 田斌 贴翊 任光亮译.无线通信.电子工业出版社,2008年01月.
  3. 秦国主编.现代通信网概论.人民邮电出版社,2008.11.
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知识不用看,大咖讲你听
好啊

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