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3.1 GSM3.1 GSM原理原理 一、时分多址（一、时分多址（TDMATDMA）GSM中：上行频率：890915MHZ 下行频率：935960MHZ 共分为124对双工载频，载频间隔为200KHZ。每载频共分8个时隙，即为8个信道。总信道数为1248992个信道。124个频点中包含了联通，邮电GSM和TACS。关于关于“下行链路下行链路”和和“上行链路上行链路”的概念的概念 手机基站上行链路下行链路D3D1C1B3B2C2B1A2D2A1C3A3D3D1C1B3B2C2B1A2D2A1C3A3D3D1C1B3B2C2B1A2D2A1C3A3D3D1C1B3B2C2B1A2D2A1C3A3D3D1C1B3B2C2B1A2D2A1C3A3同频小区二、二、GSMGSM信号处理信号处理 （一）GSM中的技术难点 1、时间色散 2、时间提前 3、话音编码-压缩话音数据的比特速率 4、误码处理 采用信道编码、交织、跳频等技术。1、时间色散010101010101 0101010543216 7322、时间提前（二）、话音编码（二）、话音编码 GSM中话音编码采用混合编码器，脉冲激励长期预测编码（RPELTP）。其编码过程分为：第一阶段：话音分段。64KBITS的话音分成20MS一段进行编码。第二阶段：编码。每20MS话音编成260BIT的数码。即比特速率为：26020=13KBITS分段话音编码64K bit/s20ms20ms260 bit260 bit/20ms=13Kbit/s编码前话音编码后话音 其编码过程为：先对64Kbit/S的数字话音进行分段，每段20ms，然后再进行混合编码，每20ms的话音编成260个比特，即比特速率为260bit/20ms=13Kbit/S，这样每路话音的比特速率从64Kbit/S降至13Kbit/S。（三）、信道编码（三）、信道编码 作用是克服无线信道中传输过程的误码。由于在GSM系统中的无线信道为变参信道，传输时的误码较为严重，采用信道编码能够检出和校正接收比特流中的差错，克服无线信道的高误码缺点。GSM中采用分组编码和卷积编码两种编码方式。把话音编码产生的260比特分成 50个最重要比特 132个重要比特 78个不重要比特 对50个比特先添加3个奇偶检验比特（分组编码）。再与132比特和4 个尾比特一起卷积编码，比率为12，形成378个比特。另外78个不重要比特不予保护。信道编码后速率变为22.8kbps2：1（四）交织（四）交织 在实际应用中，比特差错经常成串发生。这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到几个边续的比特。而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才是最有效的。采用交织技术，即是将码流以非连续的方式发送出去，使成串的比特差错能够被间隔开来，再由信道编码进行纠错和检错。为克服比特差错经常成串发生，而信道编码只在检测和校正不太长的差错串时才最有效，利用交织可把一条消息中相继比特隔开，将它们以非相继的方式发送，从而使成串的差错化为较短的差错串。一次交织在20MS话音内进行 二次交织在相邻的两个20MS话音间进行 写入读出00010 0 1100011101001110010011.0110001001.0 1发送中发生了长突发误码，则经过交织译码后，变成011000100111，即实现了把长突发误码离散化，有利于纠错19172533404856449817.45620ms456个比特分8段，不按顺序放置，即每帧57比特是不连续比特，每一个脉冲串中含现两个帧。接如下方法安排：572657话音帧 训练比特 话音帧A0A1A2A3A4A5A6A7B0B1B2B3B7B6B5B4C0C1C2C3C4C5C6C7一次交织示意图B0B1B2B3B4B5B6B7 （五）调制（五）调制 采用高斯滤波最小频移键控（GMSK），比普通的MSK更窄的带宽，但代价是减小了对噪声的抵抗能力。（六）跳频（六）跳频 瑞利衰落的衰落图形是与频率相关的，即衰落谷点将因频率不同而发生在不同的地点。这样如果在呼叫期间，让载波频率在几个频率点上变化，并假定只在一个频率上有一衰落谷点，那么仅会损失呼叫的一小部分，而采用复杂的信号处理过程能重新恢复全部信息内容。这种方法称为跳频。在呼叫期间，载波频率在几个频率上变化，以克服瑞利衰落。因瑞利衰落谷点只是对某一个频点有效，对另一个频点无效。（七）天线（空间）分集接收（七）天线（空间）分集接收 GSM中的实现分集的方法是使用两个接收天线，它们受到的衰落影响是不相关的。它们两者在某一时该经受某很深衰落点影响的可能性很小。利用两付接收天线来接收信号，它们独立接收同一信号，并因此受到衰落包络的不同影响，当合成来自两付天线的信号时，衰落的程度能被减小。在900MHZ频段，天线间距5米6米，可得到6dB左右的增益。在1800MHZ频段，由于波长较短，所以天线间距可以缩短。最小值原则接收码输出接收码输出信道模型相关器3 57 1 26313？1 26？31比较57RBS基站发信序列 M移动台接收序列 N移动台码发生器（八）均衡器（八）均衡器 用于消除时间色散，当出现反射信号时，移动台收到的可能是直射信号和反射信号.（九）突发脉冲串的形成（九）突发脉冲串的形成 在GSM系统中，一个TDMA帧每时隙只能送出2组57个比特，并以不连续的脉冲串形式在无线信道上传送，因此除了2组57个比特的话音数据外，还必须加入其它的一些比特，这些比特包括前后各3个尾比特（TB），用于帮助均衡器知道突发脉冲串的起始位和停止位；26个训练比特，用于均衡器计算信道模型；两个1比特的借用标志，用于表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用。插入这些比特后，信号的数码率从22.8Kbit/s升至33.8Kbit/S。话音编码信道编码突发脉冲串形成调制器发射机A/D分段交织加密均衡解码均衡器接收解调D/A话音解码去交织解密13KB/S2.8KB/S33.8KB/S移动台框图移动台框图（十）用户识别卡（十）用户识别卡（SIM卡）卡）SIM卡是含有微处理器的智能卡。在它的存储器中含有SIM卡本身序号、状态、鉴权键、密钥、IMSI用户密码等信息，有两个密码PIN码及PUK码。三、三、无线数字信道无线数字信道 物理信道是指一个载频上一个TDMA帧的一个时隙，它相当于FDMA系统中的一个频道。用户通过某一个载频上的个信道接入系统通信。用户在该入道上，即该时隙上发出的信息比特流被称为突发脉冲序列。逻辑信道是从信息内容的性质角度定义划分的。把信道上传递的内容分成业务信息（话音、数据等）和控制信息（控制呼叫进程的信令）两大类。定义与之对应的逻辑信道称为业务信道和控制信道。业务信道（TCH）-用于传送编码后的话音或数据信息。控制信道（CCH）-用于传递控制信息如控制呼叫进程的信令的信道传送控制信息 1、控制信道（、控制信道（CCH）控制信道分为广播信道、公共控制信道和专用控制信道三种。1、广播信道包括FCCH、SCH、BCCH三种信道。其特点为下行信道，且是点对多点的方式，用于向移动台传递小区的各项广播信息，使移动台与基站取得同步。频率校正信道向移动台传递频率校正信号，使移动台能调到相应的频率上。同步信道用于向移动台传送帧同步号，即TDMA帧号，同时也传送基站识别码BSIC。广播控制信道用于向移动台传送所有小区的通用消息。如LAI、小区内允许MS最大输出功率、相邻小区的BCCH载频等。2、公共控制信道包括PCH、RACH、AGCH三种信道。该类信道主要用于寻呼被叫，以及完成移动台所需专用控制信道的申请和分配。所以移动通信的实现不仅要有传递话音的业务信道，而全要相应的控制信道配合才行。PCH寻呼信道用于在小区内寻呼移动台，是下行信道。PCH含有被叫移动台的号码信息，故只有相应的移动台才会响应。RACH随机接入信道是一个点对点的下行信道。当移动台经RACH申请到专用信道后，系统经AGCH将分配给该移动台的专用信道通知移动台。所以AGCH和RACH成对使用。3、专用控制信道由SDCCH、SACCH、FACCH三种信道组成，用于向特定的呼叫提供专门的信道来传递其专用信令信息。是点对点的双向信道。SDCCH独立专用控制信道是一个点对点的双向信道，主要用于在移动台呼叫建立之前，即在使用TCH之前，传送系统信息：如登记和鉴权呼在此信道上进行。SACCH慢速随路控制信道，它与一个业务信道或一个独立专用控制信道相关,用于传送有关连接信息的点对点的双向连接数据信道。如传送服务小区及相邻小区的信号强度，移动台功率等级管理等信息。FACCH快速随路控制信道与一个TCH相关，用于传送速度（实时）要求高的信令信息，它工作于借用模式，每当需要传送该类信息时，例如需要完成一次切换，则需借用TCH，即当前的一个20ms的话音信息位置被借用来传送这些信息。由于译码器会重复最后20ms的话音，故这种中断不会让用户感觉到。四、逻辑信道映射四、逻辑信道映射 用于呼叫处理的各种逻辑信道和信令，实际上是由物理信道（以突发脉冲序列的形式）来传递的。因此有必要讨论各种逻辑信道与物理信道的关系，了解它们是怎样从自身的构成体系上被列入相应的物理信道上传送的。现在常用的映射方法有SDCCH/8和SDCCH/4两种映射方法，下面分两种来讨论。1、业务复帧结构 TTTTTTTTTTTTATTTTTTTTTTTTI 2、控制信道映射 （1）SDCCH/8映射 *TS 0 下行链路的映射 FSBBBBCCCCFSCCCCCCCCFSCCCCCCCCFSCCCCCCCC FSCCCCCCCCI 共51帧 TS 0 上行链路的映射RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR TS 1 上行和下行链路的映射D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A0 A1 A2 A3III D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A4 A5 A6 A7III 下行链路 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A0 A1 A2 A3III D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A4 A5 A6 A7III 上行链路 共102帧 （每个DN或AN为四个TS）SDCCH/4映射 FSBBBBCCCCFSCCCCCCCCFSDDDDDDDDFSDDDD DDDDFSAAAAAAAAI 下行链路的映射DDDDRRAAAAAAAARRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRDDDDDDDDRRDDDD五、突发脉冲序列五、突发脉冲序列1、普通突发脉冲序列（除RACH、SCH、FCCH外的信号）：2、空闲突发脉冲序列：3、频率校正突发脉冲序列：4、同步突发脉冲列：5、接入突发脉冲序列：3 57 1 26 1 57 3 8.253 142 3 8.253 39 64 39 3 8.253 57 1 26 1 57 3 8.258 68.2541 36 3鉴权鉴权A3算法密钥Ki密钥Ki随机数RAND响应SRES随机数RAND随机数RAND响应SRESA3算法比较两个SRESMSMSC/VLRAUCIMSI1IMSI2KiKiRANDKcSRES RANDKcSRESRAND加密算法8鉴权算法3结果结果数据库IMSI和鉴权产生随机数HLR三参数组的产生过程三参数组的产生过程AUCHLRMSC/VLRMS算法 A3RANDKiSERSRAND接入请求SRESAUC SRESMS?=存储HLR中所有用户的鉴权键Ki对所有用户产生一参数RAND/KC/SRES临时存储所有用户的三参数组(每用户1至10个)依请求发给VLR存储所有拜访用户的三数组(每用户1至7个三参数组)存储所有有关的用户信息NOYES系统的鉴权过程系统的鉴权过程加密加密突发脉冲串形成调制器发射机交织加密A8A5AUC+交织MS114bit114已加密bit密钥密钥Kc114加密bitA5+BTS已解密114bit114bitKc114解密bit加密模式加密模式MTDMA帧号帧号AUCHLRMSC/VLRBTSMS存储HLR中所有用户鉴权键Ki对所有用户产生三参数组临时存储所有用户的三参数组(每用户1至10个并请求发给VLR)存储所有拜访用户的三数组(每用户1至7个三参数组)存储所有与网路有关的用户信息监时存储KC用于与MS通话中的加密鉴权程序启动加密A5A5A8RAND KiKcKcMMKcTDMA帧号TDMA帧号加密后信息解密后信息与M比较是 否加密完成加密不成功系统的加密过程系统的加密过程3G认证协议认证协议3G系统沿用了系统沿用了GSM系统的挑战系统的挑战/响应认证模响应认证模式，进行了较大的改进。它通过在式，进行了较大的改进。它通过在MS和和HLR中共享的密钥中共享的密钥K，实现了实现了MS和和HLR之间的双之间的双向认证。向认证。3G认证协议流程认证协议流程3G认证协议流程认证协议流程认证向量产生方法认证向量产生方法移动用户的认证功能移动用户的认证功能EIRMSC/VLRMS存储所有不同GSM国家分配了移动设备识别码存储所有被列入灰/黑名单的设备存储本设备识别IMEI接入/禁止信息继续/停止呼叫建立程序检查IMEI发送IMEIIMEI请求呼叫建立移动用户设备的识别过程移动用户设备的识别过程 图 2 入口 MSC 的网络位置MSC/VLR业务区MSC/VLR业务区MSC/VLR业务区MSC/VLR业务区GMSC GSM服务区PLMN服务区MSCVLR服务区位置区小区图3 GSM的网络结构六、六、编号系统编号系统 号码移动台或移动用户识别码移动台号码位置区和基站识别码国际移动用户识别码临时移动用户识别码国际移动设备识别码移动台国际ISDN号码移动台漫游号码信道切换号码位置区识别全球小区识别基站识别色码1、移动台的国际身份号码、移动台的国际身份号码ISDN（MSISDN）是在公用交换电话网编号计划中唯一地识别移动电话的鉴约号码。CCITT建议结构为：MSISDNCCNDCSN CC国家码即在国际长途电话通信网中的号码(86)NDC国内目的地码 SN用户号码 如1392223456139222便是NDC，前三位用于识别网号，后三位用于识别归属区，目前开通的135-138实际上是同一个网。2、国际移动用户识别码（、国际移动用户识别码（IMSI）是唯一地识别GSM PLMN网中某一用户的信息。IMSIMCCMNCMSIN(460-00-)MCC移动网的国家号码（与CC不同）MNC移动网号 MSIN移动台识别号，最长为15位。3、移动台漫游号码（、移动台漫游号码（MSRN）用于一次呼叫的路由选择。MSRNCCNDCSN CC国家号 NDC国内目的地号码(用于识别MSC/VLR）SN用户号，对应于用户的IMSI号码4、临时移动用户识别码（、临时移动用户识别码（TMSI）用于保护IMSI码，该号只在本MSC区域有效，其结构可由各电信部门选择，长度不超过4个字节。5、国际移动台设备识别码（、国际移动台设备识别码（IMEI）是唯一用来识别移动台终端设备的号码，称作系列号。IMEITACFACSNRSP TAC型号论证码 FAC最终装配码，用于识别制造厂家。SNR序号 SP备用6、位置区识别码（、位置区识别码（LA）LAI代表MSC业务区的不同位置区，用于移动用户的位置更新。LAIMCCMNCLAC MCC移动国家号，识别一个国家 MNC移动网号，识别国内的GSM网 LAC位置区号码，识别一个GSM网中的位置区 7、小区全球识别码（、小区全球识别码（CGI）用于识别一个位置区内的小区。CGIMCCMNCLACCI 8、基站识别码（基站识别码（BSIC）(6bit）BSICNCCBCC NCC国家色码，用于识别GSM移动网(3bit)BCC基站色码，用于识别基站(3bit):BCC=TSC训练序列码 9、各种号码的应用、各种号码的应用 在呼叫过程中各种号码的应用如下图所示：PSTNMSISDNGMSCMSISDNMSRNMSRNIMSIVLRMSCMSRN HLRVLR八、系统工作过程及八、系统工作过程及CELL参数参数 （一）移动台漫游过程 1、移动台的状态、移动台的状态 移动台的状态关系到系统是否能够到达移动台的状态关系到系统是否能够到达移动台，是移动台在系统中的重要信息关系移动台，是移动台在系统中的重要信息关系到系统的整个工作过程。到系统的整个工作过程。移动台的状态可能有下列种：移动台的状态可能有下列种：1、移动台关机、移动台关机 这种状态下MS不能应答寻呼消息，网络不能达到MS。同时它也不能通知网络其所处的位置区的变化。此时MS被认为是“分离”状态。2、移动台开机，空闲状态、移动台开机，空闲状态 这种状态下，系统可以成功地寻呼MS，MS被 认为是“附着”。当MS移动时，能够通过测试检查，MS连接到接收性能最好的BCCH载波上，MS具有漫游功能，并能通知网络其位置区的变化，即位置更新。另外，MS还要进行周期性登记。3、移动台忙、移动台忙 在这时，网络分配给MS一个业务信道传送话音或数据，当MS移动时它必须有能力进行定位和切换。1、MS的开机过程的开机过程扫描124个RF信号和测量信号平均强度锁定至次强的RF信号MS读取同步并读取BCCH信息搜索FCCH判定其是否为BCCH载波锁定至这个小区锁定至强度最大的RF信号是否是一个BCCH载波是否是要接入的PLMN小区是否闭掉C1=0？NOYESNOYESYESNONOYES2、移动台的漫游（小区重选）、移动台的漫游（小区重选）在移动中的移动台，由于接收质量原因，需要通过空中接口不时地改变与系统的连接，这种能力称为“漫游”。C2测量及比较MS将根据C1来决定应与哪个小区连接BSCMSCVLRHLRBSCMSCVLR123456位置更新请求位置更新请求请求位置更新接受位置更新证实位置删除位置删除接受小区2小区1移动台网络信道请求立即指配CM业务请求鉴权请求鉴权响应加密模式命令加密模式完成呼叫处理建立指配命令指配完成提醒连接连接证实早分配early assignmentwithout OACSU移动主叫流程一移动主叫流程二移动台网络信道请求立即指配CM业务请求鉴权请求鉴权响应加密模式命令加密模式完成呼叫处理建立指配命令指配完成提醒连接连接证实晚分配late assignmentwith OACSU移动主叫流程三移动台网络信道请求立即指配(TCH)CM业务请求鉴权请求鉴权响应加密模式命令加密模式完成呼叫处理建立信道模式修改信道模式修改证实提醒连接连接证实特别早分配very early assignment移动被叫流程一移动台网络信道请求立即指配寻呼响应鉴权请求鉴权响应加密模式命令加密模式完成呼叫证实建立指配命令指配完成提醒连接连接证实早分配early assignmentwithout OACSU寻呼请求移动被叫流程二移动台网络信道请求立即指配寻呼响应鉴权请求鉴权响应加密模式命令加密模式完成呼叫证实建立指配命令指配完成提醒连接连接证实晚分配late assignmentwith OACSU寻呼请求10Impacts to Existing GSM NodesGPRS 特点特点End-to-end Packet SwitchingInterworks with existing circuit-switched servicesFlexible Charging(data volume,time-based,service-based,etc.)“Always connected-always on-line”Re-usage of existing radio networkLow investment costFast and flexible implementation Backbone Backbone NetworkNetworkIPIPIPIPNetworkNetworkBTSSGSNGGSNBSCMSC/VLRPTM-SCMSGPRS Network ModelBGOther Other GPRS GPRS OperatorOperatorCorporateCorporateNetworkNetworkISP NetworkISP NetworkInternetInternetDNSRADIUSFWRouterDNSDHCPRouterHLRSGSNGGSNMSC/VLRABSCAGi(X.25)Gi(IP)GnGr(MAP)GcGsGb基站收发系统基站收发系统 BTSMAP GnHLRIPNetworkX.25Networkl无线接口的包数据l时隙和信道的分配BTSBackbone NetworkIPMSSGSNGGSNMSC/VLRHLRGbGi(X.25)Gi(IP)GnGr(MAP)GcGs基站控制器基站控制器 BSCMAP GnAlGPRS 移动性管理l在小区中PD CH的分配l广播 GPRS 消息IPNetworkX.25NetworkBackbone NetworkIPBSCMSSGSNGGSNMAPGsGi(X.25)Gi(IP)GnGr(MAP)Gc移动交换中心移动交换中心 MSC Gnl来自 SGSN的本地消息lCS 域 向SGSN请求IPNetworkX.25NetworkHLRMSC/VLRBackbone NetworkIPSGSNGGSN GnGr(MAP)GcGi(X.25)Gi(IP)本地位置寄存器本地位置寄存器 HLR GnHLRlGPRS subscription androuting informationlMaps subscriber to oneor more GGSNslUpdate SGSN at attach and detachIPNetworkX.25NetworkBackbone NetworkIPMSGGSNGnGi(X.25)Gi(IP)服务服务 GPRS 支持点支持点 SGSNlCiphering,authentication,and IMEI checklMobility managementlLogical link management towards the MSlCharging datalPacket routing&transferlConnection-HLR,MSC,BSC and SMS-MSCSGSNIPNetworkX.25NetworkMSMSGi(X.25)Gi(IP)关口关口 GPRS 支持点支持点 GGSNlExternal interfaces lAccess functionality lTraditional gateway functionalitylSubscriber addresses publish lRoutingGGSNIPNetworkX.25NetworkDNSPDP Context ActivationHow to Locate Correct GGSNBTSSGSNMSDNSBSCGGSN(B)BackboneBackboneDNSISP BISP BISP AISP ACorp.Corp.NetworkNetworkGGSN(A)SGSN resolves an Access Point Name(APN)into the IP address for the GGSN connected to the target networkSystem InformationNetwork Operation Mode IBTSMSC/VLRBSCSGSNGs mandatory combined LA/RA update combined Paging long sleep periods small Paging load Paging within RA(LA+RA)(LA)Network Operation ModesSystem InformationNetwork Operation Mode IIMSC/VLRBSCSGSN combined Paging long sleep periods small Paging load Paging in LAListen to one Paging ChannelBTSBTSMSC/VLRBSCSGSNListen to one Paging ChannelCS/PS Paging only 1 PossibilityPCHNetwork doesnt coordinate PagingPaging in Network Operation Mode IINetwork Operation ModesSystem InformationNetwork Operation Mode IIIBTSMSC/VLRBSCSGSNListen to two Paging Channel -Class A MS required separate LA/RA update separate Paging short sleep periods big Paging loadPaging in Network Operation Mode IIIBTSMSC/VLRBSCSGSNListen to two Paging ChannelCS Paging/PS Paging(1.Possibility)PCHPS Paging 2.PossibilityPPCHNetwork doesnt coordinate Paging
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