6.详解第二代蜂窝移动通信系统的典型代表——GSM和通用分组无线业务（GPRS）

可以这样说，到目前为止，除了GSM系统之外，还没有任何一个数字蜂窝移动通信系统，对人们的生活产生如此大的影响，无论是用户的数量，还是技术的成熟，无论是对人类文明程度的提升还是对社会的进步。因为一定意义上来讲虽然是第二代，但是在很多方面却是从无到有，从0到1的巨大跨度。

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GSM的系统组成

GSM蜂窝系统分为移动台（Mobile Station, MS）、基站子系统（Base Station Subsystem, BSS）、网络子系统（Network Switching Subsystem, NSS）。GSM的蜂窝系统结构如下图所示：

 对用户而言，直接感知和体会移动通信的就是移动台（手机），它也是整个系统唯一由用户所直接使用的设备。除了手机之外，移动台是一个大家族，还包括车载台、GSM便携台等。

基站子系统是在网络一侧，体现无线接入通信与有线接入通信区别的关键部分，广义的说，基站分系统（BSS）包含了GSM数字移动通信系统中无线部分的所有地面基础设施。在无线侧它通过无线接口直接与移动台实现无线接入通信；在另一侧它通过有线连接的方式和交换网络连接，因此它是完成无线接入的桥梁。按GSM数字移动通信规范提出的基本结构，BSS分为两部分：完成与移动台一侧无线通信功能的基站收发/信台（BTS）；完成与交换机网络一侧有线连接的基站控制器（BSC）。

网络子系统NSS是由实现交换功能的移动交换中心（MSC）以及管理移动用户数据的功能实体构成，包括：基站子系统（BSS）、原籍位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）、移动设备识别寄存器（EIR）、操作维护中心（OMC）等。

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GSM呼叫处理信令流程

移动用户主呼信令流程：

移动台（MS）在随机接入信道（RACH）上，向基站（BS）发出“信道请求”信息，若BS接收成功，就给这个MS分配一个专用控制信道，即在准许接入信道（AGCH）上向MS发出“立即分配”指令。MS在发起呼叫的同时，设置一定时器，在规定的时间内可重复呼叫，如果按预定的次数重复呼叫后，仍收不到BS的应答，则放弃这次呼叫。MS收到“立即分配”指令后，利用分配的专用控制信道（DCCH）与BS建立起信令链路，经BS向MSC发送“业务请求”信息。MSC向VLR发送“开始接入请求”应答信令。VLR收到后，经MSC和BS向MS发出“鉴权请求”，其中包含一随机数（RAND）, MS按鉴权算法A3进行处理后，向MSC发回“鉴权”响应信息。若鉴权通过，承认此MS的合法性，VLR就给MSC发送“置密模式”信息，由MSC经BTS向MS发送“置密模式”指令。MS收到并完成置密后，要向MSC发送“置密模式完成”响应信息。经鉴权、置密完成后，VLR才向MSC“开始接入请求”应答。为了保护IMSI不被监听盗用，VLR将给MS分配一个新的TMSI，其分配过程如中虚线所示。随后，MS向MSC发出“建立呼叫请求”, MSC收到后，向VLR发出指令，要求它传送建立呼叫所需的信息。如果成功，MSC即向MS发送“呼叫开始”指令，并向BS发出分配无线业务信息的“信道指配”指令。如果BTS有空闲的业务信道（TCH），即向MS发出“信道指配”指令。当MS得到业务信道时，向BS和MSC发送“信道指配完成”的信息。MSC在无线链路和地面有线链路建立后，把呼叫接续到固定网络，并和被呼叫的固定用户建立连接，然后给MS发送回铃音。被叫用户摘机后，MSC向BS和MS发送“连接”指令，待MS发回“连接”确认后，即进入通信状态。到此呼叫流程结束。

移动用户被呼叫信令流程：

固定用户向移动用户拨出呼叫号码后，固定网络把呼叫接续到就近的移动交换中心，此移动交换中心在网络中起到入口（GateWay）的作用，记作GMSC。GMSC即向相应的HLR查询路由信息，HLR在其保存的用户位置数据库中查出被呼MS所在的地区，并向该区的VLR查询该MS的漫游号码（MSRN）。VLR把该MS的（MSRN）送到HLR，并转发给查询路由信息的GMSC。GMSC即把呼叫接续到被呼MS所在地区的移动交换中心，记作VMSC。由VMSC向该VLR查询有关的“呼叫参数”，获得成功后，再向相关的基站（BS）发出“寻呼请求”。基站控制器（BSC）根据MS所在的小区，确定所用的收发台（BTS），在寻呼信道（PCH）上发送此“寻呼请求”信息。MS收到寻呼请求信息后，在随机接入信道（RACH）向BS发送“信道请求”，由BS分配专用控制信道（DCCH），即在公用控制信道（CCCH）上给MS发送“立即指配”指令。MS利用分配到的DCCH与BS建立起信令链路，然后向VMSC发回“寻呼”响应。VMSC接到MS的“寻呼”响应后，向VLR发送“开始接入请求”，接着启动常规的“鉴权”和“置密模式”过程。之后，VLR即向VMSC发回“开始接入应答”和“完成呼叫”的请求。VMSC向BS及MS发送“呼叫建立”指令，被呼MS收到此指令后，向BS和VMSC发回“呼叫证实”消息，表明MS可以进入通信状态了。VMSC收到MS的“呼叫证实”信息后，向BS发出信道“指配请求”，要求BS给MS分配无线业务信道（TCH）。随后，MS向BS及VMSC发回“指配完成”响应及送回铃音，于是VMSC向固定用户发送“连接完成”信息。被呼叫MS摘机时，向VMSC发送“连接”信息。VMSC向主叫用户发送“拨号应答”信息，并向MS发送“连接”确认信息。至此完成了全部呼叫的信令流程。

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GSM的特点

1．频谱效率较高、抗干扰能力强：采用了恒包络的GMSK调制方案、信道编码、交织、均衡和语音编码等数字传输技术，使GSM系统具有高频谱效率、抗干扰能力较强、在覆盖区域内通信质量好的特征。

2．系统容量较高：由于采用了先进的语音编码技术，使同频复用载干比要求降低到9dB，因而共道再用因子α减小，再加上半速率语音编码的使用和自动话务分配以减少越区切换的次数，使GSM系统的容量比模拟系统高2～3倍。

3．GSM系统具有高效性和灵活性：GSM系统具有灵活方便的网络结构，使频率再用率高，移动交换机的话务处理能力强，能满足用户对大容量、高密度业务的要求。

4．开放型接口：GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且包括不同网络之间，以及同一网络中各设备实体之间，能实现与ISDN、PSTN及其他的PLMN系统的互联。

5．安全性高：通过鉴权、加密和TMSI号码的使用等手段，使空中接口非常安全，开启了空中接口安全性方案标准的先河，这在模拟系统中是没有的。

6．实现自动漫游：GSM系统首创了SIM卡技术标准。移动通信实现了人与固定终端的分离，而SIM实现了人与终端的分离，实现一卡打遍天下，这是个革命性的举措，这种终端模式对后续的移动通信终端的发展产生了深远的影响，不仅实现了跨区自动漫游；还实现了跨国自动漫游，即相互签署了漫游协议的GSM运营商其用户可进入对方的GSM系统而与国别无关。这种通信方式就是未来“个人通信”的雏形。

7．先进的GSM终端：GSM用户终端设备——手机和车载台采用超大规模集成电路（VLSI）和数字信号处理器（DSP），以及功能强大的操作系统，使其具有体积小、重量轻、功能全面、操作便捷的特性。 

注意：上述的特点是带有时代背景的特点，先说明一下免得有杠精来杠我。毕竟当时的GSM是具有鲜明特点的一代蜂窝移动通信系统。

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通用分组无线业务（GPRS）

GPRS（General Packet Radio Service）称作通用分组无线业务。GPRS是GSM Phase2.1规范实现的内容之一，GPRS是在GSM技术基础上提供的一种端到端的分组交换业务，最大限度利用已有的GSM网络，提供高效的无线资源利用率，GPRS系统基于标准的开放接口。

GPRS是3GPP移动网络从第二代GSM移动通信系统向第三代WCDMA移动通信系统演进的第一步，在这一步中有两个重要意义：① 一是在GSM网络中引入了分组交换能力；② 二是将数据率提高到100kbit/s以上。

GPRS网络结构是在GSM网络结构的基础上进行扩充，通过在GSM网络子系统中增加GPRS服务支持节点（Serving GPRS Supporting Node,SGSN）和GPRS网关支持节点（Gateway GPRS Support Node, GGSN）两个新的网络节点，在BSS中增加了一组新的网络功能实体——分组控制单元（Packet Control Unit, PCU）,CCU（信道编解码单元，Channel Code Unit）来构成的。

 GPRS的传输平面协议的结构如下：

GPRS的技术优势：

（1）充分利用现有GSM资源GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。

（2）资源利用率高且灵活GPRS采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据信令，优化了对网络资源和无线资源的利用；定义了新的GPRS无线信道，且采用动态分配方式，十分灵活：每个TDMA帧可为用户分配1～8个无线接口时隙，每个时隙能为活动用户所共享，且上行和下行链路的分配是独立的，支持上下行不对称业务。

（3）支持IP和X.25协议。

（4）永远在线可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级（QoS）的计费功能，GPRS的计费一般以数据传输为依据。GPRS计费方式更加合理，用户使用更加方便。

GPRS存在的问题：

（1）GPRS会发生丢包现象。

（2）实际速率比理论值低。

（3）存在转接时延。

（4）射频调制方式不是最佳。