GSM网络原理简介

     当前市场上存在两种制式的手机,一种是CDMA,另一种就是GSM,如加上小灵通则有三种手机了.今天我们主要来介绍一下GSM制式的手机原理.  

     GSM(Global System for Mobile Communication)的中文是全球移动通信系统，又称“全球通”，最早在欧洲开发出来并成功运用。为区别早期的模拟移动通信系统，把模拟移动通信系统称为第一代（1G）移动通信系统，把GSM称第二代数字蜂窝移动通信系统,简称2G。  

     GSM采用的是数字调制技术，其关键技术之一是时分多址(TDMA，每个用户在某一时隙上选用载频且只能在特定时间下收信息)，因此其话音清晰，保密容易，能提供的数据传输服务较多。GSM网能支持的用户数量为模拟网的1.8-2倍。由于GSM发展极快，在其900MHz频段满以后，又开辟了DCSl800、PCS1900等频段，但一般的手机都工作在GSM900和DCS1800两个频段，当然也有三频段的手机。  

     GSM网络采用的是蜂窝式组网，因此又叫蜂窝移动通信系统，蜂窝通信系统的结构一般如下图所示。蜂房大小的上限比较明显：35公里范围。 

一、GSM的技术特性 

下表为 GSM无线传输的主要特点。 

频带有：900MHz、1800MHz及1900MHz

载波间隔：200KHz

调制方式：GMSK（高斯滤波最小频移键控） 270.833Kbit/s均衡解调,以适应复杂的地形(如多山地区) 时分复用,同一载波用于不同速率的信道跳频,是使用相同频率的蜂房间实现CDMA的一种形式数字话音传输,从开始的13Kbit/s(每载波8个信道)发展到6Kbit/s(每载波16个信道).

旨在提高频谱效率的许多功能,如呼叫建立时用较低速率信令信道,话音安静期间减少发射,控制发射功率,慢速跳频,移动辅助切换… 

1、  发射功率  

    这里所说的功率是指峰值功率，当与非TDMA系统进行比较时应以平均发射功率为基础，对于2W的移动台，其中给全速率话音的平均功率为250mW，半速率话音的平均功率为125mW。  

2.GSM的频率 

3.频率误差和相位误差 

GSM900:±0.1PPM(即±90Hz左右)  DCS1800:±0.1PPM(即±180Hz左右) 
峰值相位误差:20°              平均相位误差:5° 

4.接收灵敏度 

GSM900:-102dBm/BER(位差错率)<2%  DCS1800:-100dBm/BER(位差错率)<2%   

5、自动频率控制特性 

手机的工作频率受控于网络，即由基站传送一个标准的时钟信号与手机中频率进行比较，从而使手机时钟稳定。一般手机中的时钟频率为13MHz，这个13M一方面作为逻辑部分的同步时钟，另一方面又作为压控振荡器的参考频率。 

6．时分特性：GSM手机收发控制信号时序图如下图所示。  

                                           
上述的时序图可以作如下理解: 

1）  收发电路受脉冲信号控制,其频率为217Hz,脉冲宽度为577us. 

2）  发脉冲相隔3个脉冲周期,约2ms,能满足收发转换,因此,GSM手机可以取消双工器. 

3）  收发信号为断续信号,即间隙接收和间隙发射.发射是在接收的后3个BP(BURST PULSE突发脉冲周期). 

4）  由于收发信号为断续信号,因此测量收发信号的频率应采用频谱分析仪,而不能使用频率计. 

二、GSM的网络管理 

1．空闲模式与专用模式  

   由于GSM网络中其可用无线信道数远小于潜在用户数，双向通信的信道只能在需要时才分配，这是与标准电话网很大的区别。因此，GSM移动台有两种模式。  

   1）空闲模式：移动台侦听广播信道，此时不占用任一信道。  

   2）专用模式：一条双向信道分配给需要通信的移动台，使它可以利用基础设施进行双向点对点通信。  接入过程是使移动台从空闲模式转到专用模式的特殊功能。 

2．位置管理  

   蜂窝系统中用户的移动性是它与固定电话网的又一主要区别，特别是对来话呼叫。网络向一固定用户路由一个呼叫，只需要知道它的网络地址（如：电话号码）就可以了，因为与用户电话线直接相连的交换机是不变的。然而蜂窝系统中，当用户移动时，与之建立联系的蜂房可能会变化。因此要想收到一个来话呼叫，首先需要定位移动用户，即系统必须确定他目前位于哪个蜂房内。  

   GSM引入了定位区的概念。一个定位区是一组蜂房，每个蜂房只属于一个定位区。在蜂房内用广播信道发送蜂房属于哪个定位区的识别码，从而使移动台知道它目前所在的定位区。当移动台所在的蜂房发生改变时，有两种情况：  

   前后所属的两个蜂房位于同一定位区：这时移动台不需要向网络发送任何信息。  

   前后所属的两个蜂房位于不同的定位区：这时移动台需要向网络报告定位区的变化（位置更新）。

  
   基础设施存贮在数据库中的不是用户所在的蜂房信息，而仅仅是最近一次位置更新时所在定位区的信息。当一个来话呼叫到来时，寻呼信息只发往属于该定位区的蜂房。这种折衷的方法使系统操作人员能平衡寻呼信息的数量（当定位区包括较多蜂房时，寻呼信息增加）和位置更新信息的数量（当定位区包括较少蜂房时，此量增加）。 

3．切换  

   将正在进行中的呼叫，从一个蜂房转移到另一个蜂房，以避免用户移动的有害影响的过程。这个过程首先要检测出专用模式下更换蜂房的要求（切换准备）；其次是将通信从给定蜂房中一个信道转到另一个信道，理想情况上不为用户察觉，至少要对用户的干扰最小。 

4．漫游  

     通过固定线路接入电信系统时，选择哪个网络提供服务（当选择可能时）在注册时就确定了，并保持不变。当引入移动性后，会出现新的问题。由于移动终端不局限于一个地方，需要不同网络（根据终端的位置）为他提供业务。如果各网络运营者协同服务，他们就可以提供给用户比单个网络更广的覆盖范围。这就是漫游，这是GSM的一个主要特征，这样用户只需要向国内运营者注册，就可心享受覆盖全球的服务。  

    为此，移动台的自由移动要求制定规章的机构同意相互承认批准的型号（这就是手机的FTA认证）。 

三、GSM功能  

    GSM是一种多业务系统，可依据用户要传输信息的特点，提供各种形式的通信。传统上，我们将话音业务与数据业务分开：话音业务中，信息是话音，而数据业务包括电文、图像、传真、计算机文件和消息等。另外，GSM提供了一组非传统业务，即短消息业务。 

1．  话音业务 

GSM提供的最重要的业务是电话业务，它使GSM用户和通过普通电话网可达到的任何电话用户间能进行双向语音呼叫。根据GSM的术语，紧急呼叫是电话演变来的一项单独业务。它允许用户通过一个简单固定的步骤就可找到附近的紧急服务部门（如警察局或消防部门）。 

由电话发展而来的另一项业务是话音留言。GSM规范未将该业务定义为一项单独业务，但许多运营者将其作为一项基本业务。 

2．  数据业务 

作为ISDN的继承者，GSM从一开始设计就提供了多种数据业务。只要无线传输允许，它基本上包括了提供给固定电话用户和ISDN用户（包含一些专用网，如分组交换数据网）的绝大多数业务。数据业务的分类主要取决于：可能的通信方（电话网、ISDN网或专用网用户），端到端信息流的特性（原始数据、传真、可视图文、智能电报…），传输方式（分组或电路交换，端到端数字传输或利用音频调制解调器，同步或异步传输）以及终端的特性等等。 

依据通信用户所连接的网络类型可分为以下五种： 

a、  与PSTN用户的连接 

b、  与ISDN用户的连接 

c、  GSM用户间的连接 

d、  与分组交换公用数据网（PSPDN）用户的连接 

e、  与电路交换公用数据网（CSPDN）用户的连接 

3．短消息业务  

  1）GSM能传输点对点短消息，并能区分接收短消息的“移动台被呼点对点短消息业务”（SMS-MT-PP）和使GSM用户能向另一GSM用户发短消息的“移动台呼叫点对点短消息业务”（SMS-MO/PP）。  

  2）另一种短消息业务是“蜂房广播短消息业务（SMS-CB），它能以固定的时间间隔将一般的短消息向给定地理区域中所有用户广播。 

4．  附加业务 

附加业务修改、丰富了基本业务，主要允许用户选择网络处理主呼/被呼呼叫的方法，或提供给用户一定信息使之能智能地利用业务。这些功能不是GSM特有的，也不是无线蜂窝特有的，绝大部分是直接继承固定网络，少部分在需要适应移动性时作了修改。GSM的最终目标是提供广泛的附加业务。具体说来，有如下附加业务。 

阻塞所有呼出呼叫（BAOC）：可禁止任何呼叫。 

呼叫保持（HOLD） 

阻塞所有呼入呼叫（BAIC） 

移动台不能被找到时呼叫转发（CFNRc） 

移动用户忙时呼叫转发（CFB） 

呼叫等待（CW） 

呼叫线路识别显示（CLIP） 

呼叫线路识别限制（CLIR） 

无应答呼叫转移（CFNRy） 

连接线识别显示（CoLP） 

连接线识别禁止（CoLR） 

另外，还有计费、多方会议、闭合用户组（如VPN虚拟用户网） 

5．  本地业务 

作为一个GSM集成终端，它无需网络的帮助，就可以完成许多本地功能。例如：缩位拨号，存储接收的短消息，编辑短消息，自动重复失败了的呼叫，自动呼叫应答等等。另一点值得注意的是，“+“键的存在，它被指定为代替国际前缀的捷径。 

四、用户识别卡（SIM）  

    GSM移动台分为两个部分：一部分是包含无线接口特有的软件和硬件；另一部分是用户数据—用户识别卡（SIM）。SIM可以是一块智能卡（与信用卡大小差不多），也可分割成更小的形式，称为“插入式SIM“。SIM卡是一种钥匙，一旦从终端中拨出SIM卡，除了紧急呼叫（如果网络允许）外，就不能使用终端，也就是说，它不能用其用于任何会影响用户帐单的业务。SIM卡可通过一个四位数的PIN（个人识别码）来保护。 

五、安全性功能 

无线连接的网络不如固定网络安全，这是由于无论从何地都可以在不影响运营者设备的情况下侦听和发射无线电波。为了稍微改进一下这种状态，使网络能防止欺骗性接入，并保证用户的秘密，GSM已引入几种安全性功能，它们包括：  

  1）用户鉴别，防止未注册的用户接入  

  2）无线路径加密，特别是对所有用户信息加密，以防止第三方偷听；  

  3）用户身份保护，防止用户位置泄露。 

这些功能不需用户注册，也不受用户控制。原因是管理每个用户、每次呼叫的加密和用户身份保护将是很昂贵的，也很复杂。就鉴权而言，根本与注册无关，由于鉴权对包括正在被鉴别的用户在内的各方都有好处。 

所有安全性功能都涉及到SIM卡，实际上SIM卡才是真正的鉴权主体（正确的说法是：真正被鉴别的是SIM卡，而不是用户或移动台）。 

   
MS（即移动电话）、BSS（基站子系统）与NSS（网络子系统）之间的关系图  
 

GSM手机原理简介

     GSM是采用FDMA（频分）与TDMA（时分）制式相结合的一种通信技术，其网络中所有用户分时使用不同的频率进行通信。在GSM900频段，25MHZ的频率范围划分为124个不同的信道，每个信道带宽为200K，每个信道含8个时隙，即GSM900M频段在同一区域内，可同时供近1000个用户使用。而CDMA是采用码分多址技术的一种通信系统，在这个系统中所有用户都使用同一频率。FDMA、TDMA及CDMA的比较如图2.1.

图1 FDMA、TDMA及CDMA之间的对照图

一、GSM的理论基础

    GSM系统是第二代数字蜂窝移动通信系统,它采用900MHz频段,在后期又加入了1800MHz频段及1900MHz频段,为便于区别,分别称为GSM900、DCS1800及PCS1900. 凌锐手机具有GSM900MHz及DCS1800MHz两个频段自动切换的功能. 

    初期的GSM的工作频率是890～915MHz(移动台发),935～960MHz(基站发)共25MHz的双工频率;后加入了EGSM(扩展GSM)其频段为880～890MHz(移动台发),925～935MHz(基站发),为与EGSM区别,把前者称之为PGSM。GSM900上行与下行频段的间隔为45MHz,信道间隔为200KHz,可分为124个信道（EGSM加入了975～1023共49个信道）；因此E-GSM共有174个信道。 

    DCS1800的频段为1710～1785MHz(移动台发),1805～1880MHz(基站发),上行与下行频段的间隔为95MHz，频带宽度为75M，可分为374个信道（512至885）。 

    PCS1900的频段分为上行：1850～1910MHz，下行：1930～1990MHz，上行与下行频段的间隔为80MHz，频带宽度为60M，可分为300个信道。 

    每信道分成8个时隙(半速率是有16个),每个时隙信道速率是22.8kb/s,信道总传输速率270.83Kb/s,采用GMSK调制，通信方式是全双工，分集接收，每秒跳频217次,交错信道编码,自适应均衡.现在GSM向前发展开发了GPRS业务，作为2G向3G的过渡方式。 

    注：GPRS（General Packet Radio Service，通用无线分组业务）作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信（3G）的过渡技术，是由英国BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+ (1997年)规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。      

    GSM手机的话音编码采用RPE-LTP(规则脉冲激励线性预测编码)方案,它每20ms输出260比特,因此速率是13Kb/s.每帧为120/26=4.625ms,每时隙为577us,每比特宽度为3.692us. 

    下图是一个GSM的源编码与信道编码示意图.

图2-2-2 GSM的源编码与信道编码

    但它还要加入纠错编码.因为话音编码的比特重要性不同,一种是重要的称为I类比特,必需加以保护,即规则脉冲编码与LPC参数比特共182个,加上3位奇偶检验比特,及4位尾比特共189比特.纠错编码使用1/2码率的卷积码,因此共编码为378个比特.260比特中的其余78个比特,则不加以保护.这样加起来,每20ms的总输出是456比特.如图1所示. 

    为了防止抗衰落引起的突了误码,编码后的比特还须进行交织.交织的原理在此从略.    

 二、GSM手机原理框图

图2 GSM移动电话原理框图

    移动电话(以下均称手机)电路结构可分为四个部分:无线部分、传输处理部分、接口部分、电源部分。其电路原理可归纳为两大部分：射频电路和基带电路。

1．无线部分 

    包括天线回路、发送、接收、调制解调和振荡器等高频系统.其中发送部分由射频功率放大器、带通滤波器组成.接收部分由高频滤波、高频放大、变频及中频滤波器组成,调制解调器采用GMSK.

2．传输处理 

    2.1发送通道的处理包括语音编码、信道编码、加密、TDMA帧形成. 

    1）语音编码:用户的话音通过MIC转化成电信号,这个电信号通过ADC转化成数字的、代表语音的13Kbitps的信息流。 

    2）信道编码：为了检测甚至纠正传输期间产生的差错，在数据流中引入冗余码，通过从信源数据计算得到的信息来提高其速率。信道编码的结果是一个码字流。 

    3）交织:将几个码字的比特混合起来,使得在已调制信号中相互靠近的比特能扩展到几个码字上.由于调制流中连续出错的可能性是紧密相关的,而且由于当差错被去相关后,信道编码性能会改善,交织的目的就是去除差错及它们在码字中位置的相关性,交织以后,信息流就成了信息块的序列。

   4）突发脉冲格式化：为有助于接收信号的同步和均衡，向加密的信息块中增加一些二进制信息使其成为二进制信息块。 

   5）加密：通过仅由移动台和基站收发台知道的加密方式修改这些信息块的内容。 

   6）调制：使用GMSK调制技术，在适当时刻将数码信号转变为合适的频率的模拟信号；然后通过射频电路的处理，以无线电波的形式发射出去。 

   2.2接收通道的处理包括均衡、信道分离、解密、信道解码和语音解码. 

   1）解调：无线电波被天线接收以后，接收机根据多址规则接收相应的信息。在突发脉冲格式化期间引入的附加信息的帮助下对这部分信号进行解调，结果为二进制信息块的序列。 

   2）均衡：采用均衡解调的目的是校正因复杂地形引起的无线电信号失真。 

   3）解密：通过与加密相反的方法修改这些比特。 

   4）去交织：为了重建码字，把不同的突发脉冲的比特放回原位。 

   5）信道解码：利用附加的冗余码，检测或纠正解调器输出中可能的差错，从解调器的输出中恢复信源信息。 

   6）语音解码：通过译码器DAC将数字语音信息还原成模拟的语音信号。 

     控制部分对移动电话进行控制和管理.包括定时控制、数字系统控制、天线系统控制以及人机接口控制等.若采用跳频,还应包括对跳频的控制.控制器采用微处理器.

3．接口部分 

   包括模拟语音接口、数字接口及人机接口三个部分.模拟语音接口包括A/D、D/A变换、话筒和扬声器.数字接口主要是数字终端适配器.人机接口主要有显示器和键盘.

4．电源部分

电源部分包括电池直接供电的电路和由电池供电通过专用集成电源IC转换成各路直流电压的电路。

电话机常见计费方式有哪些？

• 自动寻呼计费
  
  对于某些寻呼台，特别是一些自动寻呼台，声音太小，或是一些短促BI BI声，些时如果没有极性反转信号则会导致无法计费。为确保你的利益，可将此类寻呼台的台号设置为自动寻呼计费方式，设置以后，当你拨完寻呼台的台号后电话机就开始计费。此计费方式称为“自动寻呼计费方式”。
   
• 极性反转计费：
  
  当你打通电话，被叫方摘机后，交换机会把主叫方电话的两根电源线的极性交换一下，这就称为“极性反转”。电话机检测到此信号后就立即计费，此计费方式最准确可靠，但必须到电信局申请此项服务后才有此功能。
   
• 语音检测计费：
  
  当拨完号对方摘机后，电话机会检测到对方说话的声音，检测到语音后，电话机会延时一段时间，然后开始计费。（电话机不会分辨出机器语言，如“你拨的号码是空号”之类，你只要在延时时间内挂机，话机不会计费。）
   
• 手动计费：
  
  当你拨完号后，被叫方摘机，如果对方声音太小，电话机语音检测线路检测不到，又没有极性反转信号，将导致电话机打不开发送，被叫方听不到主叫方的声音，此时手动按“查询”（或“确认”）键，即可立即计费，并且让对方听到自己的声音，此计费方式为“手动计费”。
   
• 延时强制计费：
  
  当电话机既没有检测到极性反转信号，又没有检测到语音信号，电话机会在你拨完最后一位号码后，延时一段时间，强制计费延时时间到就开始计费，此计费方式称为“延时强制计费”。

 IC卡电话机和计费电话机术语解释

• 本地区号：
  
  指电话机使用所在地的区号。如：在深圳使用，本地区号是0755。
   
•  费率：
  
  单位时间内通话的费用。比如：目前国内长途电话费率是每6秒0.07元
   
•  附加费：
  
  各地方电信局所收长途电话的额外费用
   
• 代办服务费：
  
  公用电话的使用管理费
   
•  农话：
  
  这是一个相对概念。在市内相对郊县为农话，在郊县相对市内为农话
   
• 字头：
  
  某个区域电话号码前几位相同的数字即为字头
   
   
   
   
   

来电显示电话功能键