第6、7章 GSM数字蜂窝移动通信系统

2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 业务、业务、2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.1 引言引言 6.2 GSM的电信业务的电信业务 6.3 GSM结构结构 6.4 GSM较模拟网的优势较模拟网的优势 6.5 GSM网络接口网络接口 6.6 GSM的编号、的编号、鉴权与加密鉴权与加密 6.7 GSM无线信道无线信道 6.8 GSM呼叫接续呼叫接续 6.9 GSM通向通向3G的一个重要里程碑的一个重要里程碑GPRS本章内容 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.1 引引 言言 表表6-1 全球移动通信系统全球移动通信系统GSM的发展里程碑的发展里程碑 日日 期期 成成 果果 1982年年“移动通信特别组移动通信特别组”（Group Special Mobile）在欧洲邮政与电）在欧洲邮政与电信大会信大会(CEPT)内成立内成立 1986年年 建立一永久核心建立一永久核心 1987年年 在在1986年圆形系统评价的基础上年圆形系统评价的基础上,选择了主要无线传输技术选择了主要无线传输技术 1988年年 18个国家签署谅解备忘录个国家签署谅解备忘录,并决定将并决定将GSM正式定名为正式定名为“全球移全球移动通信系统动通信系统”(Global System for Mobile Communications)1989年年 GSM成立欧洲电信标准协会的一个技术委员会成立欧洲电信标准协会的一个技术委员会 1990年年 第一阶段第一阶段GSM 900规范规范(1987-1990年制定年制定)被冻结被冻结,开始开始DCS1800的修改的修改 1991年年 第一个系统在第一个系统在Telecom 91展示会上运行展示会上运行 DCS1800规范被冻结规范被冻结 1992年年 欧洲各大欧洲各大GSM900营运者开始商业营运营运者开始商业营运 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.2 GSM的电信业务的电信业务 图6-1 电信业务和承载业务 用户终端GSM网可能的传输网端网用户终端承载业务电信业务2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.2.1 承载业务承载业务 表表6-2列出了列出了GSM的承载业务。的承载业务。业业 务务 内内 容容 异步数据异步数据 3009600 b/s 同步数据同步数据 12009600 b/s PAD接入接入 3009600 b/s,分组打包和拆包，分组打包和拆包，为为GSM用户接入分组网提用户接入分组网提供一个异步连接。该业务只能由移动台主叫发起供一个异步连接。该业务只能由移动台主叫发起 分组接入分组接入 24009600 b/s，为，为GSM用户接入分组网提供一个同步连接。用户接入分组网提供一个同步连接。该业务只能由移动台主叫发起该业务只能由移动台主叫发起 话音话音/数据交数据交替替 在呼叫过程中在呼叫过程中,提供话音和数据的交替提供话音和数据的交替 话音后数据话音后数据 先话音连接先话音连接,而后进入数据连接而后进入数据连接 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.2.2 电信业务电信业务 1.电话电话 电话业务是电话业务是GSM移动通信网提供的最重要业务。经过移动通信网提供的最重要业务。经过GSM网和网和PSTN网，能为数字移动客户之间、数字蜂窝移动网，能为数字移动客户之间、数字蜂窝移动电话网客户与模拟蜂窝移动电话网客户之间以及与固定网客电话网客户与模拟蜂窝移动电话网客户之间以及与固定网客户之间，提供实时双向通信，其中包括各种特服呼叫、各类户之间，提供实时双向通信，其中包括各种特服呼叫、各类查询业务和申告业务，以及提供人工、自动无线电寻呼业务。查询业务和申告业务，以及提供人工、自动无线电寻呼业务。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 紧急呼叫业务来源于电话业务，它允许数字移动客户在紧急呼叫业务来源于电话业务，它允许数字移动客户在紧急情况下，进行紧急呼叫操作，即拨紧急情况下，进行紧急呼叫操作，即拨119或或110或或120等时，等时，依据客户所处基站位置，就近接入火警中心依据客户所处基站位置，就近接入火警中心(119)、匪警中、匪警中心心(110)、急救中心、急救中心(120)等。当客户按紧急呼叫键等。当客户按紧急呼叫键(SOS键键)时，时，应向客户提示如何拨叫紧急中心。应向客户提示如何拨叫紧急中心。紧急呼叫业务优先于其它业务，在移动台没有插入客户紧急呼叫业务优先于其它业务，在移动台没有插入客户识别卡识别卡(SIM)或移动客户处于锁定状态时，也可按或移动客户处于锁定状态时，也可按SOS键或键或拨拨112(欧洲统一使用的紧急呼叫服务中心号码，目前我国欧洲统一使用的紧急呼叫服务中心号码，目前我国使用的移动台均符合欧洲标准使用的移动台均符合欧洲标准)，即可接通紧急呼叫服务中，即可接通紧急呼叫服务中心心(目前我国目前我国GSM移动通信网是用送辅导音方式，提示客户移动通信网是用送辅导音方式，提示客户拨不同紧急呼叫服务中心号码呼叫不同紧急服务中心，因拨不同紧急呼叫服务中心号码呼叫不同紧急服务中心，因我国各紧急呼叫服务中心尚未联网我国各紧急呼叫服务中心尚未联网)。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 3.短信息业务（短信息业务（SMS）GSM可以提供给用户的短消息业务，使可以提供给用户的短消息业务，使GSM用户无需同用户无需同时携带寻呼机。时携带寻呼机。GSM设计者还允许移动用户发送短消息，即设计者还允许移动用户发送短消息，即开展双向短消息业务。对于开展双向短消息业务。对于MO/PP(SMS-MT/PP-Mobil Terminated Short Message Service)和和MT/PP(SMS-MO/PP mobile-originated Short Message Service)两类短消息业务两类短消息业务 业务中心是作为存储转发中心，业务中心是作为存储转发中心，该业务中心在功能上与该业务中心在功能上与GSM网络分开。所有网络分开。所有GSM点对点短消点对点短消息都来自或去向该业务中心。息都来自或去向该业务中心。GSM允许短消息在一次呼叫中允许短消息在一次呼叫中发送或空闲时发送。发送或空闲时发送。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 4.可视图文接入可视图文接入 5.智能用户电报传送智能用户电报传送 6.传真传真 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 表表 6-3 电电 信信 业业 务务业业 务务 内内 容容 话音服务话音服务 全速（全速（13 kb/s），），半速（半速（6.5 kb/s）。）。这项服务提供语音这项服务提供语音信息和语音信号到网络的传输信息和语音信号到网络的传输 紧急呼叫紧急呼叫 典型的是，典型的是，紧急电话在一些受限的情况下，紧急电话在一些受限的情况下，更具有优先更具有优先权。权。一般只提供移动用户主叫发起一般只提供移动用户主叫发起 短消息服务（到移动短消息服务（到移动电话终端，电话终端，MT/PP）短字符消息，小于短字符消息，小于160个字符。这项服务用于消息处理系统个字符。这项服务用于消息处理系统（服务中心）提供短消息给移动用户（服务中心）提供短消息给移动用户 短消息服务短消息服务（移动电话发起，（移动电话发起，MO/PP）短字符消息，小于短字符消息，小于160个字符。这项服务用于移动用户给消个字符。这项服务用于移动用户给消息处理系统（服务中心）提供短消息。以下由移动用户发息处理系统（服务中心）提供短消息。以下由移动用户发起的呼叫可以进行传输：一个在存储器中预先存储的消息；起的呼叫可以进行传输：一个在存储器中预先存储的消息；从拨号盘上发起的一串数字；从另外的键盘或设备终端与从拨号盘上发起的一串数字；从另外的键盘或设备终端与移动台相连的信息移动台相连的信息 短消息传输（小区广短消息传输（小区广播）播）短字符消息，小于短字符消息，小于93个字符。这项服务用于传输对小区范个字符。这项服务用于传输对小区范围内的所有的移动用户。这是一点对多点的服务围内的所有的移动用户。这是一点对多点的服务 自动传真自动传真 第第3类传真。这项服务自动提供第类传真。这项服务自动提供第3类呼叫和被呼模式传真类呼叫和被呼模式传真 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.2.3 补充业务补充业务 表表5-4 GSM支持的补充业务支持的补充业务 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 表表6-4 GSM支持的补充业务支持的补充业务 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.3 GSM结构结构 图6-2 GSM网络结构 BTSBTSBTSBTSBTSBTSOMC-RadioBSCBSCMSCMSCVLRAUCEIRVLRBTSHLRPSTND 接口Um接口A-Bis接口A接口B接口B,C,D,E,FMAP接口E 接口C 接口F 接口业务与信令信令注：2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 表表6-5 GSM900系统的移动台功率等级系统的移动台功率等级 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 表表6-6 DCS1800系统的移动台功率等级系统的移动台功率等级 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.3.2无线基站子系统（无线基站子系统（BSS）包括：基站包括：基站控制器控制器(BSC)和基站收发信机（和基站收发信机（BTS）表表6-7 基站的功率等级基站的功率等级 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.3.2.1 基站控制器（基站控制器（BSC）具有对一个或多个具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.3.2.3 发送编码器和速率适配器单元（发送编码器和速率适配器单元（TRAU）TRAU网络单元负责对网络单元负责对16kb/s到到64kb/s的用户数据进行发的用户数据进行发送编码及速率适配。送编码及速率适配。在物理上，在物理上，TRAU可以在可以在BTS任何一边，即在任何一边，即在BTS和和BSC的的BTS边；或在边；或在BSC和和MSC的的BSC边或边或MSC边。通常在边。通常在BSC和和MSC的的BSC边。边。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 1 移动业务交换中心（移动业务交换中心（MSC）GSM系统的核心，系统的核心，对应于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的对应于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，功能实体，是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。理等。为了建立至移动台的呼叫路由，每个为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS、还应能完成入口、还应能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。）的功能，即查询位置信息的功能。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2 归属位置寄存器（归属位置寄存器（HLR）存储管理部门用于移动客户管理的数据库。每个移存储管理部门用于移动客户管理的数据库。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记。）注册登记。它主要存储两类信息：它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等地址等2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 3 访问者位置寄存器（访问者位置寄存器（VLR）存储存储MSC为了处理所管辖区域中为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息的数据库，户）的来话、去话呼叫所需检索的信息的数据库，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。供的服务等参数。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 4 鉴权中心（鉴权中心（AUC）认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。实体。用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应，符合响应SRES，密钥，密钥Kc）的功能实体。）的功能实体。AUC只与只与HLR通信。通信。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 5 设备识别寄存器（设备识别寄存器（EIR）一个存储有关移动台设备参数的数据库。一个存储有关移动台设备参数的数据库。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。以防止非法移动台的使用。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.3.4 操作维护子系统（操作维护子系统（OMC）主要是对整个主要是对整个GSM网路进行管理和监控。通过它网路进行管理和监控。通过它实现对实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。故障诊断等功能。OMC与与MSC之间的接口目前还未开放，因为之间的接口目前还未开放，因为CCITT对电信网路管理的对电信网路管理的Q3接口标准化工作尚未完接口标准化工作尚未完成。成。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.4 GSM较模拟网的优势较模拟网的优势 6.4.1 GSM系统在抗瑞利衰落及干扰方面均优于系统在抗瑞利衰落及干扰方面均优于TACS系统系统 1.GSM系统具有较为完善的对抗瑞利衰落和符号间干扰的系统具有较为完善的对抗瑞利衰落和符号间干扰的措施措施 （1）天线（空间）分集。）天线（空间）分集。当分集天线间距当分集天线间距56m时，时，最大可获得约最大可获得约6dB的分集增益。的分集增益。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology（2）跳频跳频 由于瑞利衰落的衰落谷点随频率不同而发生在不同地点，因由于瑞利衰落的衰落谷点随频率不同而发生在不同地点，因此，使载频在几个频率点上变化（跳频），可减少信息损失，此，使载频在几个频率点上变化（跳频），可减少信息损失，然后通过复杂的信息处理过程重新恢复全部信息。然后通过复杂的信息处理过程重新恢复全部信息。跳频只对慢速移动用户有好处，其得益约为跳频只对慢速移动用户有好处，其得益约为14dB（当无天线（当无天线分集时，最多可达分集时，最多可达4dB,当有二重分集时，最多可有当有二重分集时，最多可有2.5 dB）。）。但是，当一个基站或小区只有但是，当一个基站或小区只有2个载波时，不能获得跳频增益。个载波时，不能获得跳频增益。(3）均衡）均衡GSM规范要求均衡器能处理时延高达规范要求均衡器能处理时延高达15us的反射信号，大约相的反射信号，大约相当于当于4bit时间。时间。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2.要求干扰保护比低要求干扰保护比低无跳频时要求无跳频时要求C/I12dB有跳频时要求有跳频时要求C/I9dB邻道干扰保护比要求邻道干扰保护比要求C/I-9dB，载波偏离载波偏离400 kHz时，要求时，要求C/I-41dB。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.4.2 GSM系统与系统与TACS系统的性能比较系统的性能比较 1.GSM系统频率利用率高、系统容量高系统频率利用率高、系统容量高(1)TACS系统系统 共有共有400个频道，按个频道，按73复用方式计算，每个扇区只有复用方式计算，每个扇区只有(19-1)18个话音频道可用。每个用户忙时话务量个话音频道可用。每个用户忙时话务量0.027erl计算，一个计算，一个3小区的基站可负荷小区的基站可负荷13.385（有频道呼损率有频道呼损率）3=40.155 erl的话的话务量或可容务量或可容1487个用户。个用户。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology (2)GSM系统系统 10MHz共有共有50个载波个载波400个频道，按个频道，按43复用方式计算，每复用方式计算，每个扇区有个扇区有31或或32个话音信道，一个个话音信道，一个3扇区的基站可负荷扇区的基站可负荷78.292erl的话务量或可容的话务量或可容2899个用户。如果按个用户。如果按33复用方式，复用方式，则每个扇则每个扇区有区有42或或43个话音信道，一个个话音信道，一个3扇区的基站可负荷扇区的基站可负荷110.713erl的的话务量或可容话务量或可容4100个用户。以上按目前采用的全速率（个用户。以上按目前采用的全速率（FR）计）计算所得结果，算所得结果，如按半速率（如按半速率（HR）考虑，）考虑，则有：则有：43复用方式可容复用方式可容177.82 erl的话务量或可容的话务量或可容6586个用户；个用户；33复用方式可容复用方式可容244.83 erl的话务量或可容的话务量或可容9067个用户。个用户。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology(3)GSM与与TACS两个系统的频谱利用率及容量比较，见表两个系统的频谱利用率及容量比较，见表5-8。表表6-8 GSM与与TACS的频谱利用率及容量比较的频谱利用率及容量比较 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2.GSM系统具有开放的接口和通用的接口标准系统具有开放的接口和通用的接口标准 3.GSM系统支持电信业务、系统支持电信业务、承载业务和补充业务承载业务和补充业务 4.GSM系统的保密性和安全性大大提高系统的保密性和安全性大大提高 利用用户识别鉴权可以防止无权用户使用利用用户识别鉴权可以防止无权用户使用GSM系统。系统。利用用利用用户识别保密，则可使窃听者不能确定在无线路径上使用资源的是户识别保密，则可使窃听者不能确定在无线路径上使用资源的是哪一个用户，以保证用户识别系统的安全与保密。哪一个用户，以保证用户识别系统的安全与保密。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.5 GSM网络接口网络接口 VLRVLRHLREIRMSCBTSBSCAbisMSCMSUmAEFCBDG2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology BTSBTSBTSBTSBTSBTSBTS去BSC去BSCRIL-3LAPDmRF层空中接口6.5.1 空中接口（空中接口（Um）图图6-3 空中接口的协议堆栈空中接口的协议堆栈 每个每个RF八个时隙八个时隙 ISDN协议的改进型协议的改进型 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 图图6-4 A-bis的接口协议堆栈的接口协议堆栈 6.5.2 A-bis 接口接口 BTSBTSBTSBTSBTSBTSBTS去MSC去MSCRIL-3LAPD物理层A-bis 接口BSCBSCOMC-Radio物理接口物理接口E12022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.5.3 A接口接口 图6-5 A接口协议堆栈 去PSTN,其他MSCBSSMAPSCCPA接口BSCOMC-RadioMSCBSCMTP 3MTP 2MTP 12022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.5.4 PSTN接口接口GSM结构是建立在结构是建立在ISDN接入的基础上的。接入的基础上的。为了充分利用为了充分利用ISDN业务的优点，业务的优点，MSC通过以通过以CCS7为基础的为基础的协议如协议如ISUP连接公共交换电话网连接公共交换电话网PSTN。在在GSM中，无中，无ISUP信令方案连接，信令方案连接，PSTN就无法支持基本呼就无法支持基本呼叫。叫。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.5.5 移动应用部分（移动应用部分（MAP）图图6-6 MAP界面协议堆栈界面协议堆栈 TCAPSCCPB,C,D,E,FMAP接口MTP 3MTP 2MTP 1MSCMSCD 接口VLRAUCEIRVLRHLRB 接口去PSTNE 接口C 接口F 接口2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 1.MAP-B 2.MAP-C 3.MAP-D 4.MAP-E 5.MAP-F 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.6 GSM的编号、鉴权与加密的编号、鉴权与加密 6.6.1 编号和路由编号和路由 1.移动用户移动用户ISDN号（号（MSISDN）移动用户漫游号（移动用户漫游号（MSRN）MSISDN包含国家代码（包含国家代码（CC）、）、国家目的代码（国家目的代码（NDC）和）和用户码（用户码（SN）2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2.国际移动用户识别码（国际移动用户识别码（IMSI）图6-7 IMSI结构 15位数字3位数字2位数字移动国家号码移动网号移动用户识别码 MCCMNCMSIN2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 3.临时移动用户识别号临时移动用户识别号 存储在移动台和存储在移动台和SIM卡中的信息卡中的信息 图6-8 在GSM中用于记数和鉴别的参数2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 网络使用的路由信息网络使用的路由信息 图图6-9 在在GSM中用于记数和鉴别的参数中用于记数和鉴别的参数呼叫流程呼叫流程.exe2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 4.位置区域位置区域(location areas)图图6-9 定位区域和小区识别参数定位区域和小区识别参数 移动用户网络代码：惟一确认用户在该 国的经营商网络位置区域码：确定区群小区识别码：惟一确认每个小区2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology (1)位置识别码（位置识别码（LAI）和小区识别码）和小区识别码(CI)LAI有有MCC、MNC和和LAC（Location Area Code）。在检测位置更新）。在检测位置更新和信道切换时，要使用位置区识别标志。号码结构为：和信道切换时，要使用位置区识别标志。号码结构为：三位数字三位数字 两位数字两位数字 最大最大16 bit MCC MNC LAC (2)基站识别码基站识别码(BSIC)结构为：结构为：3 bit 3 bitNCC BCC NCC为网络色码，用来识别相邻的移动通信网。为网络色码，用来识别相邻的移动通信网。BCC为为BTS色码，色码，用来识别相同载波的不同基站。用来识别相同载波的不同基站。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology BTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCBSCVLRMSCVLRMSCHLRLA1LA2LA3LA4位置区划分的示意图位置区划分的示意图 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.6.2 鉴权与加密鉴权与加密(Authentication and Ciphering)图6-10 GSM的鉴权过程 随机数(RAND)）签名响应(SRES)鉴权中心RAND,SRESRANDSRES 比较从鉴权中心和移动台收到的SRES,如果匹配,则移动台就鉴权成功VLRKiSRES A3（1：A3IMSI(1)Ki(1)IMSI(x)Ki(x)访问者位置寄存器移动台2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 图6-11 GSM的加密过程 AUC存储 HLR 中所有用户的鉴权键 KiHLRMSC/VLRBTS存储所有与网络有关的用户信息对所有用户产生三参数组RAND/Kc/SRES临时存储所有用户的三参数组(每用户110个）并依请求发给 VLR存储所有访问用户的三参数组(每用户1 7个)RAND/Kc/SRES临时存储 Kc用于与 MS 通话中的加密鉴权程序启动加密加密模式命令MMSRANDRANDA8(Kc)KcA5(加密)TDMA帐号加密消息“加密模式完成”A5TDMA帧号Kc解密消息“加密模式完成”成功否是加密模式完成2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.7 GSM无线信道无线信道6.7.1 频域分析频域分析 GSM900/1800系统使用系统使用900/1800MHz频段频段,收发频收发频差为差为45/95 MHz。每个射频（每个射频（RF）信道频道宽度为）信道频道宽度为200kHz,共有共有8个个时隙信道。时隙信道。每个每个RF信道由一个上行和一个下行频率对组成，信道由一个上行和一个下行频率对组成，这种方式称为频分双工（这种方式称为频分双工（FDD）。）。由于各基站由于各基站(BTS)会占用频段中任何一组频率会占用频段中任何一组频率,移动移动台必须有在整个频段上发送和接收信号的能力。台必须有在整个频段上发送和接收信号的能力。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.7.2 时域分析时域分析GSM将每个用户安排在无线信道的将每个用户安排在无线信道的8个不同时隙一个时隙中并个不同时隙一个时隙中并只能在该时隙发送。时隙从只能在该时隙发送。时隙从07编码。编码。这相同频率的这相同频率的8个时隙被称为一个个时隙被称为一个TDMA帧。帧。用户在某一时隙发送被称为突发时隙用户在某一时隙发送被称为突发时隙(burst)。一个突发长度时。一个突发长度时隙为隙为577s，一帧为，一帧为4.615ms。若用户在上行频率的若用户在上行频率的0时隙发送，则将在下行频率的时隙发送，则将在下行频率的0时隙接时隙接收。收。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 由由 51个业务复帧或个业务复帧或 26个控制复帧均可组成一个个控制复帧均可组成一个超帧，超帧的周期为超帧，超帧的周期为1326个个TDMA帧，超帧长帧，超帧长 51264.61510-36.12秒。秒。由由2048个超帧组成超高帧，超高帧的周期为个超帧组成超高帧，超高帧的周期为20481326=2715648个个TDMA 帧，即帧，即12533.76秒，秒，即即 3 小时小时28 分分53 秒秒760毫秒。毫秒。帧的编号帧的编号(FN)以超高帧为周期，从以超高帧为周期，从0到到 2715647。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7220123423 24 25012347 48 49 501（26帧）的复帧 26 TDMA帧（120 ms）024250123474849501（51（26帧）的复帧或者 26（51帧）的复帧）2 0422 0432 0442 0452 0462 04701234561超高帧 2 048超帧2 715 648 TDMA帧012TDMA帧1超帧 1 326 TDMA帧（6.12 s)1（51帧）的复帧 51 TDMA帧（235.385 ms）业务复帧业务复帧控制复帧控制复帧2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.7.3 语音编码语音编码(Speech Coding)图6-12 不同GSM接口的语音传输示意用户移动台MSC&PSTNISDN电话用户人的语音语音的13 kb/s数据序列人的语音语音的13 kb/s数据序列TRAUBTS语音的64 kb/s数据序列语音的64 kb/s数据序列(发送编码和速率适配单元)净速率净速率260bit/20ms=13k全速率全速率456bit/20ms=22.8k2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 53 bit 4 尾比特378编码比特456 bit(8个子块,57 bit/子块)语音编码器(260 bit)3 bit奇偶校验8时隙交织半速卷积编码器II类(78 bit)Ib类(132 bit)Ia类(50 bit)6.7.4 信道编码信道编码(Channel Coding)图6-13 语音编解码的前向纠错（全速业务信道）2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.7.5 交织（交织（Interleaving）交织是用来抗瑞利衰落影响的。交织是用来抗瑞利衰落影响的。瑞利衰落是频率选择性衰落，它引起大块数据连续瑞利衰落是频率选择性衰落，它引起大块数据连续出错，使接收机上很难正确接收。出错，使接收机上很难正确接收。GSM所采用的交织是一种既有块交织又有比特交织的交织所采用的交织是一种既有块交织又有比特交织的交织技术。技术。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 全速语音的时块被交织成全速语音的时块被交织成8个突发时隙，即，从语个突发时隙，即，从语音编码器来的两个音编码器来的两个20ms456bit输出被分裂成输出被分裂成8个时个时块，每个子块块，每个子块257个比特，再将每个比特，再将每257个比特个比特进行比特交织，然后再根据奇偶原则分配到不同进行比特交织，然后再根据奇偶原则分配到不同的突发块口。的突发块口。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.7.6 调制调制 GSM采用采用GMSK（高斯最小移频键控）（高斯最小移频键控）调制。调制。GMSK具有每符号具有每符号bit的有效性，由于这种调制的有效性，由于这种调制技术有个很窄的功率谱，技术有个很窄的功率谱，2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 如接入许可如接入许可CH频率较正信道FCCH同步信道SCH广播控制信道BCCH广播信道 BCH寻呼信道PCH准许接入信道AGCH随机接入信道RACH公用控制信道CCCH独立专用控制信道SDCCH慢速辅助控制信道SACCH快速辅助控制信道FACCH专用控制信道DCCH业务信道TCH控制信道 CH信道分类（下行）（下行）（下行）（下行）（下行）（上行）（上/下行）（上/下行）（上/下行）6.7.7 信道组成信道组成(Channel Organization)2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 用于用于GSM的各类突发时隙的各类突发时隙 常规突发接入突发同步突发TT3数据57 bitS1训练序列26 bitS1数据58 bitS3 8.25 bitT8训练序列41 bit数据36 bit68.25 bitT3T3数据39 bit训练序列64 bit数据39 bitT38.25 bitT3T38.25 bit固定 bit142 bitn 1帧保护时段频率修正突发持续时间 156.25 bit012345670123456701234567n帧n 1帧2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.7.8 不连续发送和话音激活检测不连续发送和话音激活检测 GSM不连续发送（不连续发送（DTX）能在通话）能在通话期对话音进行期对话音进行13kb/s编码，在停顿期用编码，在停顿期用500b/s编码。编码。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.7.9 定时前置和功率控制定时前置和功率控制 1.定时前置（定时前置（Timing Advance）GSM具有非常严格的时间同步系统，具有非常严格的时间同步系统，处理传输时延处理传输时延变化的方法是考虑可能的最大传输时延。变化的方法是考虑可能的最大传输时延。在每个时隙片的结尾要留有足够的保护时间作补偿。在每个时隙片的结尾要留有足够的保护时间作补偿。定时前置允许对每个时隙的上行发送时间独立控制，定时前置允许对每个时隙的上行发送时间独立控制，远离远离BTS的的MS要求比离要求比离BTS近的近的MS发射早。在发射早。在GSM中最大的定时前置限制小区尺寸在中最大的定时前置限制小区尺寸在35km左右左右。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2.功率控制功率控制 在在GSM中，功率电平每中，功率电平每60ms变化台阶为变化台阶为2dB（步长）。（步长）。u上行功率控制范围是上行功率控制范围是2030dB；u下行功率控制范围一般可达下行功率控制范围一般可达30dB。BSS是功率控制的管理者，通过指令规定是功率控制的管理者，通过指令规定BTS和和MS的功的功率。率。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.8 GSM呼叫接续呼叫接续(自学自学)6.9 三种三种TDMA系统分析比较系统分析比较(自学自学)2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.10 GSM通向通向3G的一个重要里程碑的一个重要里程碑 GPRS(通用分组无线业务通用分组无线业务)（了解）（了解）2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology GPRS网络 BSS(基站系统)SS(交换系统)AUCMSCBSCIP,X.25网络移动台HLRVLREIRSGSNPCUBTSMSGGSNIP骨干网ISP2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.9.1 GPRS标准制定的过程与阶段标准制定的过程与阶段GPRS网络内各个部分的标准网络内各个部分的标准 2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 第第1阶段：阶段：（1）GPRS网络和因特网进行点对点的数据传输。网络和因特网进行点对点的数据传输。（2）定义定义GPRS网络所需要的各种识别码（网络所需要的各种识别码（Identity）。）。这一工作是同这一工作是同GSM网络内要定义的包括网络内要定义的包括IMEI、IMSI等识别等识别码是一样的。码是一样的。（3）当当GPRS网络传输数据时，网络传输数据时，维护分组安全的特殊算维护分组安全的特殊算法（法（Algorithm）。）。（4）根据传输的分组数据量确定收费的方式。根据传输的分组数据量确定收费的方式。（5）原有原有GSM网络上的短信业务（网络上的短信业务（SMS）如何以）如何以GPRS网络来传送。网络来传送。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 第第2阶段：阶段：（1）GPRS网络与因特网的联机，可以是点对点传输，网络与因特网的联机，可以是点对点传输，也可以是点对多点传输，如此则因特网上的电子邮件即可同也可以是点对多点传输，如此则因特网上的电子邮件即可同时发送给很多不同的手机用户。时发送给很多不同的手机用户。（2）定义出当定义出当GPRS网络传送声音、图像或多媒体等应网络传送声音、图像或多媒体等应用业务时，不同的应用业务所需要不同的传输速率与延迟时用业务时，不同的应用业务所需要不同的传输速率与延迟时间，间，即各个应用业务传输时所需要的服务品质。即各个应用业务传输时所需要的服务品质。（3）在许多架设在许多架设GPRS网络的国家间，如何实现国际漫网络的国家间，如何实现国际漫游的功能。游的功能。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.9.2 GPRS网络的网络结构网络的网络结构 1.业务设备结点业务设备结点SGSN传输传输GPRS网络内的数据分组网络内的数据分组(类似通信网络内的路由器类似通信网络内的路由器)，将将BSC送出的数据分组路由到其他的送出的数据分组路由到其他的SGSN，或是由，或是由GGSN将分组传递到外部的因特网。将分组传递到外部的因特网。GPRS移动通信网络与因特网最大的区别，就是移动通信网络与因特网最大的区别，就是GPRS网网络 增 加 了 手 机 或 终 端 的 移 动 性 管 理（络 增 加 了 手 机 或 终 端 的 移 动 性 管 理（M o b i l i t y Management），同），同GSM网一样，网一样，GPRS网络同样有针对网络同样有针对数据传输的鉴权、加密功能数据传输的鉴权、加密功能，2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 2.网关设备结点网关设备结点GGSN GGSN是是GPRS网络连接外部因特网的一个网关，负责网络连接外部因特网的一个网关，负责GPRS网络与外部因特网的数据交换。网络与外部因特网的数据交换。在在GPRS标准的定义内，标准的定义内，GGSN可以与外部网络的路由可以与外部网络的路由器、器、ISP的的RADIUS服务器或是企业公司的服务器或是企业公司的Intranet等等IP网络相连接，也可以与网络相连接，也可以与X.25网络相连接，不过全世界大网络相连接，不过全世界大部分的电信营运商都倾向于只将部分的电信营运商都倾向于只将GPRS网络与网络与IP网络连接。网络连接。2022年9月4日星期日College of Computer and Communication,Lanzhou University of Technology 6.9.3 GPRS网络的分层结构网络的分层结构 SGSN路径区域路径区域RA（Routing Area）:GSM网络内的位置区域（网络内的位置区域（LA）范围与）范围与GPRS网网络内的络内的RA区域范围并不需要完全相同