6.詳解第二代蜂窩移動通信系統的典型代表——GSM和通用分組無線業務(GPRS)

可以這樣說,到目前爲止,除了GSM系統之外,還沒有任何一個數字蜂窩移動通信系統,對人們的生活產生如此大的影響,無論是用戶的數量,還是技術的成熟,無論是對人類文明程度的提升還是對社會的進步。因爲一定意義上來講雖然是第二代,但是在很多方面卻是從無到有,從0到1的巨大跨度。


GSM的系統組成

GSM蜂窩系統分爲移動臺(Mobile Station, MS)、基站子系統(Base Station Subsystem, BSS)、網絡子系統(Network Switching Subsystem, NSS)。GSM的蜂窩系統結構如下圖所示:

 對用戶而言,直接感知和體會移動通信的就是移動臺(手機),它也是整個系統唯一由用戶所直接使用的設備。除了手機之外,移動臺是一個大家族,還包括車載臺、GSM便攜臺等。

基站子系統是在網絡一側,體現無線接入通信與有線接入通信區別的關鍵部分,廣義的說,基站分系統(BSS)包含了GSM數字移動通信系統中無線部分的所有地面基礎設施。在無線側它通過無線接口直接與移動臺實現無線接入通信;在另一側它通過有線連接的方式和交換網絡連接,因此它是完成無線接入的橋樑。按GSM數字移動通信規範提出的基本結構,BSS分爲兩部分:完成與移動臺一側無線通信功能的基站收發/信臺(BTS);完成與交換機網絡一側有線連接的基站控制器(BSC)。

網絡子系統NSS是由實現交換功能的移動交換中心(MSC)以及管理移動用戶數據的功能實體構成,包括:基站子系統(BSS)、原籍位置寄存器(HLR)、訪問位置寄存器(VLR)、鑑權中心(AUC)、移動設備識別寄存器(EIR)、操作維護中心(OMC)等。


GSM呼叫處理信令流程

移動用戶主呼信令流程:

移動臺(MS)在隨機接入信道(RACH)上,向基站(BS)發出“信道請求”信息,若BS接收成功,就給這個MS分配一個專用控制信道,即在准許接入信道(AGCH)上向MS發出“立即分配”指令。MS在發起呼叫的同時,設置一定時器,在規定的時間內可重複呼叫,如果按預定的次數重複呼叫後,仍收不到BS的應答,則放棄這次呼叫。MS收到“立即分配”指令後,利用分配的專用控制信道(DCCH)與BS建立起信令鏈路,經BS向MSC發送“業務請求”信息。MSC向VLR發送“開始接入請求”應答信令。VLR收到後,經MSC和BS向MS發出“鑑權請求”,其中包含一隨機數(RAND), MS按鑑權算法A3進行處理後,向MSC發回“鑑權”響應信息。若鑑權通過,承認此MS的合法性,VLR就給MSC發送“置密模式”信息,由MSC經BTS向MS發送“置密模式”指令。MS收到並完成置密後,要向MSC發送“置密模式完成”響應信息。經鑑權、置密完成後,VLR才向MSC“開始接入請求”應答。爲了保護IMSI不被監聽盜用,VLR將給MS分配一個新的TMSI,其分配過程如中虛線所示。隨後,MS向MSC發出“建立呼叫請求”, MSC收到後,向VLR發出指令,要求它傳送建立呼叫所需的信息。如果成功,MSC即向MS發送“呼叫開始”指令,並向BS發出分配無線業務信息的“信道指配”指令。如果BTS有空閒的業務信道(TCH),即向MS發出“信道指配”指令。當MS得到業務信道時,向BS和MSC發送“信道指配完成”的信息。MSC在無線鏈路和地面有線鏈路建立後,把呼叫接續到固定網絡,並和被呼叫的固定用戶建立連接,然後給MS發送回鈴音。被叫用戶摘機後,MSC向BS和MS發送“連接”指令,待MS發回“連接”確認後,即進入通信狀態。到此呼叫流程結束。

移動用戶被呼叫信令流程:

固定用戶向移動用戶撥出呼叫號碼後,固定網絡把呼叫接續到就近的移動交換中心,此移動交換中心在網絡中起到入口(GateWay)的作用,記作GMSC。GMSC即向相應的HLR查詢路由信息,HLR在其保存的用戶位置數據庫中查出被呼MS所在的地區,並向該區的VLR查詢該MS的漫遊號碼(MSRN)。VLR把該MS的(MSRN)送到HLR,並轉發給查詢路由信息的GMSC。GMSC即把呼叫接續到被呼MS所在地區的移動交換中心,記作VMSC。由VMSC向該VLR查詢有關的“呼叫參數”,獲得成功後,再向相關的基站(BS)發出“尋呼請求”。基站控制器(BSC)根據MS所在的小區,確定所用的收發臺(BTS),在尋呼信道(PCH)上發送此“尋呼請求”信息。MS收到尋呼請求信息後,在隨機接入信道(RACH)向BS發送“信道請求”,由BS分配專用控制信道(DCCH),即在公用控制信道(CCCH)上給MS發送“立即指配”指令。MS利用分配到的DCCH與BS建立起信令鏈路,然後向VMSC發回“尋呼”響應。VMSC接到MS的“尋呼”響應後,向VLR發送“開始接入請求”,接着啓動常規的“鑑權”和“置密模式”過程。之後,VLR即向VMSC發回“開始接入應答”和“完成呼叫”的請求。VMSC向BS及MS發送“呼叫建立”指令,被呼MS收到此指令後,向BS和VMSC發回“呼叫證實”消息,表明MS可以進入通信狀態了。VMSC收到MS的“呼叫證實”信息後,向BS發出信道“指配請求”,要求BS給MS分配無線業務信道(TCH)。隨後,MS向BS及VMSC發回“指配完成”響應及送回鈴音,於是VMSC向固定用戶發送“連接完成”信息。被呼叫MS摘機時,向VMSC發送“連接”信息。VMSC向主叫用戶發送“撥號應答”信息,並向MS發送“連接”確認信息。至此完成了全部呼叫的信令流程。


GSM的特點

1.頻譜效率較高、抗干擾能力強:採用了恆包絡的GMSK調製方案、信道編碼、交織、均衡和語音編碼等數字傳輸技術,使GSM系統具有高頻譜效率、抗干擾能力較強、在覆蓋區域內通信質量好的特徵。

2.系統容量較高:由於採用了先進的語音編碼技術,使同頻複用載幹比要求降低到9dB,因而共道再用因子α減小,再加上半速率語音編碼的使用和自動話務分配以減少越區切換的次數,使GSM系統的容量比模擬系統高2~3倍。

3.GSM系統具有高效性和靈活性:GSM系統具有靈活方便的網絡結構,使頻率再用率高,移動交換機的話務處理能力強,能滿足用戶對大容量、高密度業務的要求。

4.開放型接口:GSM標準所提供的開放性接口,不僅限於空中接口,而且包括不同網絡之間,以及同一網絡中各設備實體之間,能實現與ISDN、PSTN及其他的PLMN系統的互聯。

5.安全性高:通過鑑權、加密和TMSI號碼的使用等手段,使空中接口非常安全,開啓了空中接口安全性方案標準的先河,這在模擬系統中是沒有的。

6.實現自動漫遊:GSM系統首創了SIM卡技術標準。移動通信實現了人與固定終端的分離,而SIM實現了人與終端的分離,實現一卡打遍天下,這是個革命性的舉措,這種終端模式對後續的移動通信終端的發展產生了深遠的影響,不僅實現了跨區自動漫遊;還實現了跨國自動漫遊,即相互簽署了漫遊協議的GSM運營商其用戶可進入對方的GSM系統而與國別無關。這種通信方式就是未來“個人通信”的雛形。

7.先進的GSM終端:GSM用戶終端設備——手機和車載臺採用超大規模集成電路(VLSI)和數字信號處理器(DSP),以及功能強大的操作系統,使其具有體積小、重量輕、功能全面、操作便捷的特性。 

注意:上述的特點是帶有時代背景的特點,先說明一下免得有槓精來槓我。畢竟當時的GSM是具有鮮明特點的一代蜂窩移動通信系統。


通用分組無線業務(GPRS)

GPRS(General Packet Radio Service)稱作通用分組無線業務。GPRS是GSM Phase2.1規範實現的內容之一,GPRS是在GSM技術基礎上提供的一種端到端的分組交換業務,最大限度利用已有的GSM網絡,提供高效的無線資源利用率,GPRS系統基於標準的開放接口。

GPRS是3GPP移動網絡從第二代GSM移動通信系統向第三代WCDMA移動通信系統演進的第一步,在這一步中有兩個重要意義:① 一是在GSM網絡中引入了分組交換能力;② 二是將數據率提高到100kbit/s以上。

GPRS網絡結構是在GSM網絡結構的基礎上進行擴充,通過在GSM網絡子系統中增加GPRS服務支持節點(Serving GPRS Supporting Node,SGSN)和GPRS網關支持節點(Gateway GPRS Support Node, GGSN)兩個新的網絡節點,在BSS中增加了一組新的網絡功能實體——分組控制單元(Packet Control Unit, PCU),CCU(信道編解碼單元,Channel Code Unit)來構成的。

 GPRS的傳輸平面協議的結構如下:

GPRS的技術優勢:

(1)充分利用現有GSM資源GPRS採用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調製標準、跳頻規則以及相同的TDMA幀結構。

(2)資源利用率高且靈活GPRS採用分組交換技術,高效傳輸高速或低速數據信令,優化了對網絡資源和無線資源的利用;定義了新的GPRS無線信道,且採用動態分配方式,十分靈活:每個TDMA幀可爲用戶分配1~8個無線接口時隙,每個時隙能爲活動用戶所共享,且上行和下行鏈路的分配是獨立的,支持上下行不對稱業務。

(3)支持IP和X.25協議。

(4)永遠在線可以實現基於數據流量、業務類型及服務質量等級(QoS)的計費功能,GPRS的計費一般以數據傳輸爲依據。GPRS計費方式更加合理,用戶使用更加方便。

GPRS存在的問題:

(1)GPRS會發生丟包現象。

(2)實際速率比理論值低。

(3)存在轉接時延。

(4)射頻調製方式不是最佳。

 

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