GSM移动通信原理

GSM移动通信原理第一节 全国数字公用陆地蜂窝移动通信网络结构1、我国数字公用陆地蜂窝移动通信网采用三级组网结构。在各省或大区设有两个一级移动汇接中心，通常为单独设置的移动业务汇接中心，它们以网状网方式相连；每个省内至少应设有两个以上的二级移动汇接中心，并把它们置于省内主要城市，并以网状网方式相连，同时它还应与相应的两个一级移动汇接中心连接2、移动信令网结构七号信令网的组建也和国家地域大小有关，地域大的国家可以组建三级信令网（HSTP、LSTP和SP），地域偏小的国家可以组建二级网（STP和SP）或无级网，下面以中国GSM信令网为例来作一介绍。在中国，信令网有两种结构，一是全国No.7网；二是组建移动专用的No.7信令网，是全国信令网的一部分，它最简单、最经济、最合理，因为No.7 信令网就是为多种业务共同服务的，但随着移动和电信的分营，移动建有自己独立的的No.7 信令网。我国移动信令网采用三级结构（有些地方采用二级结构），在各省或大区设有两个HSTP，同时省内至少还应设有两个以上的LSTP （少数HSTP和LSTP合一），移动网中其它功能实体作为信令点SP。HSTP之间以网状网方式相连，分为A、B两个平面；在省内的LSTP之间也以网状网方式相连，同时它们还应和相应的两个HSTP连接；GMSC、 MSC、VLR、HLR、AUC、EIR等信令点至少要接到两个LSTP点上，若业务量大时，信令点还可直接与相应的HSTP连接。 我国移动网中信令点编码采用24位，只有在A接口连接时采用14位的国际信令点编码，如表所示。 国际信号点编码格式NMLDJIHGFEDCBA大区识别区域网识别信令点识别信号区域网编码SANC国际信号点编码ISPC表中，NML：识别世界编号大区； KD：识别世界编号大区内的地理区域或区域网； CBA：识别地理区域或区域网内的信号点。NML和K至D两部分合起来的名称为信号区域网编号，每个国家都分配了一个或几个备用SANC。如果一个不够用（SANC中的8个编码不够用）可申请备用。我国被分配在第4个信号大区，其NML编码为4，区域编码为120，所以SANC的编码是4120。我国国内网信号点编码如表所示。我国国内信号网信号点编码888首先发送的比特主信号区分信号区信号点省自治区直辖市地区、地级市，直辖市内的汇接区、郊区电信网中的交换局在国际电话连接中，国际接口局负责两个信号点编码的变换。第二节：GSM系统结构与相关接口1 . GSM系统结构1.1 系统的基本特点GSM数字蜂窝移动通信系统（简称GSM系统）是完全依据欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制而成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。GSM系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有下列主要特点： GSM系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的GSM系统或子系统能互连； GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对于全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关； GSM系统除了可以开放话音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务和与ISDN相关的业务； GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全； GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承载能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求； GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高； 用户终端设备（手持机和车载机）随着大规模集成电路技术的进一步发展能向更小型、轻巧和增强功能趋势发展。1.2 系统的结构与功能GSM系统的典型结构如图3-1所示。由图可见，GSM系统是由若干个子系统或功能实体组成。其中基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网络子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS必须管理通信业务，保证MS与相关的公用通信网或与其它MS之间建立通信，也就是说NSS不直接与MS互通，BSS也不直接与公用通信网互通。MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分。操作支持系统（OSS）则提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。OSS：操作支持子系统BSS：基站子系统NSS：网路子系统NMC：网路管理中心DPPS：数据后处理系统SEMC：安全性管理中心PCS：用户识别卡个人化中心OMC：操作维护中心MSC：移动业务交换中心VLR：来访用户位置寄存器HLR：归属用户位置寄存器AUC：鉴权中心EIR：移动设备识别寄存器BSC：基站控制器BTS：基站收发信台PDN：公用数据网PSTN：公用电话网ISDN：综合业务数字网MS：移动台图图3-1 GSM系统结构1.2.1 移动台（MS）移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。移动台的类型不仅包括手持台，还包括车载台和便携式台。随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持台的用户将占整个用户的极大部分。除了通过无线接口接入GSM系统的通常无线和处理功能外，移动台必须提供与使用者之间的接口。比如完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和按键。或者提供与其它一些终端设备之间的接口。比如与个人计算机或传真机之间的接口，或同时提供这两种接口。因此，根据应用与服务情况，移动台可以是单独的移动终端（MT）、手持机、车载机或者是由移动终端（MT）直接与终端设备（TE）传真机相连接而构成，或者是由移动终端（MT）通过相关终端适配器（TA）与终端设备（TE）相连接而构成，这些都归类为移动台的重要组成部分之一移动设备。移动台另外一个重要的组成部分是用户识别模块（SIM），它基本上是一张符合ISO标准的“智慧”卡，它 包含所有与用户有关的和某些无线接口的信息，其中也包括鉴权和加密信息。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常的紧急呼叫时，可以在不用SIM卡的情况下操作移动台。SIM卡的应用使移动台并非固定地缚于一个用户，因此，GSM系统是通过SIM卡来识别移动电话用户的，这为将来发展个人通信打下了基础。1.2.2 基站子系统（BSS）基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网路子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。当然，要对BSS部分进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接。基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分的功能实体构成。实际上，一个基站控制器根据话务量需要可以控制数十个BTS。BTS可以直接与BSC相连接，也可以通过基站接口设备（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。需要说明的是，基站子系统还应包括码变换器（TC）和相应的子复用设备（SM）。码变换器在更多的实际情况下是置于BSC和MSC之间，在组网的灵活性和减少传输设备配置数量方面具有许多优点。 基站收发信台（BTS）基站收发信台（BTS）属于基站子系统的无线部分，由基站控制器（BSC）控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动台（MS）之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。基带单元主要用于必要的话音和数据速率适配以及信道编码等。载频单元主要用于调制 / 解调与发射机 / 接收机之间的耦合等。控制单元则用于BTS的操作与维护。另外，在BSC与BTS不设在同一处需采用Abis 接口时，传输单元是必须增加的，以实现BSC与BTS之间的远端连接方式。如果BSC与BTS并置在同一处，只需采用BS接口时，传输单元是不需要的。 基站控制器（BSC）基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理。BSC主要由下列部分构成： 朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相接的Ater 接口的数字中继控制部分； 朝向与BTS相接的Abis 接口或BS接口的BTS控制部分； 公共处理部分，包括与操作维护中心相接的接口控制； 交换部分。1.2.3 网路子系统（NSS）网路子系统（NSS）主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。NSS由一系列功能实体构成，整个GSM系统内部，即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7 协议和GSM规范的7号信令网路互相通信。 移动业务交换中心（MSC）移动业务交换中心（MSC）是网路的核心，它提供交换功能及面向系统其它功能实体：基站子系统BSS、归属用户位置寄存器HLR、鉴权中心AUC、移动设备识别寄存器EIR、操作维护中心OMC和面向固定网（公用电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN、电路交换公用数据网CSPDN）的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定网用户互相连接起来。移动业务交换中心MSC可从三种数据库，即归属用户位置寄存器（HLR）、访问用户位置寄存器（VLR）和鉴权中心（AUC）获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。MSC可为移动用户提供一系列业务： 电信业务。例如：电话、紧急呼叫、传真和短消息服务等； 承载业务。例如：3.1KHz电话，同步数据0.3kbit/s2.4kbit/s 及分组组合和分解（PAD）等； 补充业务。例如：呼叫前转、呼叫限制、呼叫等待、会议电话和计费通知等。当然，作为网路的核心，MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动特征性能和其它网路功能。对于容量比较大的移动通信网，一个网路子系统NSS可包括若干个MSC、VLR和HLR，为了建立固定网用户与GSM移动用户之间的呼叫，无需知道移动用户所处的位置。此呼叫首先被接入到入口移动业务交换中心，称为GMSC，入口交换机负责获取位置信息，且把呼叫转接到可向该移动用户提供即时服务的MSC，称为被访MSC（VMSC）。因此，GMSC具有与固定网和其它NSS实体互通的接口。目前，GMSC功能就是在MSC中实现的。根据网路的需要，GMSC功能也可以在固定网交换机中综合实现。 访问用户位置寄存器（VLR）访问用户位置寄存器（VLR）是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。VLR从该移动用户的归属用户位置寄存（HLR）处获取并存储必要的数据。一旦移动用户离开该VLR的控制区域，则重新在另一个VLR登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据。因此，VLR可看作为一个动态用户数据库。VLR功能总是在每个MSC中综合实现的。 归属用户位置寄存器（HLR）归属用户位置寄存器（HLR）是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制的所有存在的移动用户的相关数据。一个HLR能够控制若干个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都存储在HLR中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。HLR还存储且为MSC提供关于移动用户实际漫游所在的MSC区域扔关动态信息数据。这样，任何入局呼叫可以即刻按选择 路径送到被叫的用户。 鉴权中心（AUC）GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的话音、数据和信号信息进行保密等。因此，鉴权中心（AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。 移动设备识别寄存器（EIR）移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格，在表格中分别列出了准许使用的、出现故障需监视的、失窃不准使用的移动设备的IMEI识别码，使得运营部门对于不管是失窃还是由于技术故障或误操作而危及网路正常运行的MS设备，都能采取及时的防范措施，以确保网路内所使用的移动设备的唯一性和安全性。1.2.4 操作支持子系统（OSS）操作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。用户数据管理一般由归属用户位置寄存器（HLR）来完成这方面的任务，HLR是NSS功能实体之一。用户识别卡SIM的管理也可认为是用户数据管理的一部分，但是，作为相对独立的用户识别卡SIM的管理，还必须根据运营部门对SIM的管理要求和模式采用专门的SIM个人化设备来完成。呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动业务交换中心MSC和GMSC分别处理，也可以采用通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据的方式。移动设备管理是由移动设备识别寄存器（EIR）来完成的，EIR与NSS的功能实体之间是通过SS7信令网路的接口互连，为此，EIR也归入NSS的组成部分之一。网路操作与维护是完成对GSM系统的BSS和NSS进行操作与维护管理任务的，完成网路操作与维护管理的设施称为操作与维护中心（OMC）。从电信管理网路（TMN）的发展角度考虑，OMC还应具备与高层次的TMN进行通信的接口功能，以保证GSM网路能与其它电信网路一起纳入先进、统一的电信管理网路中进行集中操作与维护管理。直接面向GSM系统BSS和NSS各个功能实体的操作与维护中心（OMC）归入NSS部分。可以认为，操作支持子系统（OSS）已不包括与GSM系统的NSS和BSS部分密切相关的功能实体，而成为一个相对独立的管理和服务中心。主要包括网路管理中心（NMC）、安全性管理中心（SEMC）、用于用户识别卡管理的个人化中心（PCS）、用于集中计费管理的数据后处理系统（DPPS）等功能实体。2 接口和协议为了保证网路运营部门能在充满竞争的市场条件下灵活选择不同供应商提供的数字蜂窝移动通信设备，GSM系统在制定技术规范时就对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了比较具体的定义，使不同供应商提供的GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通、组网的目的。为使GSM系统实现国际漫游功能和在业务上迈入面向ISDN的数据通信业务，必须建立规范和统一的信令网路以传递与移动业务有关的数据和各种信令信息，因此，GSM系统引入7号信令系统和信令网路，也就是说GSM系统的公用陆地移动通信网的信令系统是以7号信令网路为基础的。整个GSM系统接口如下：2.1 主要接口GSM系统的主要接口是指A接口、Abis 接口和Um 接口。如图3-4所示。这三种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网路子系统设备能纳入同一个GSM数字移动通信网运行和使用。 GSM系统的主要接口图 A接口A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心（MSC）与基站控制器（BSC）之间的互连接口，其物理链接通过采用标准的2.048Mb/s PCM数字传输链路来实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。 Abis 接口Abis 接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于BTS（不与BSC并置）与BSC之间的远端互连方式，物理链接通过采用标准的2.048Mb/s 或64kbit/s PCM 数字传输链路来实现。图3-4 所示的BS接口作为Abis 接口的一种特例，用于BTS（与BSC并置）与BSC之间的直接互连方式，此时BSC与BTS之间的距离小于10米。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。 Um 接口（空口接口）Um 接口（空中接口）定义为移动台与基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通，其物理链接通过无线链路实现。此接口传递的信息包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等。2.2 网路子系统内部接口网路子系统由移动业务交换中心（MSC）、访问用户位置寄存器（VLR）、归属用户位置寄存器（HLR）等功能实体组成，因此GSM技术规范定义了不同的接口以保证各功能实体之间的接口标准化。其示意图如图3-5 所示。 网路子系统内部接口示意图 D接口D接口定义为归属用户位置寄存器（HLR）与访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口。用于交换有关移动台位置和用户管理的信息，为移动用户提供的主要服务是保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼叫。实用化的GSM系统结构一般把VLR综合于移动业务交换中心（MSC）中，而把归属用户位置寄存器（HLR）与鉴权中心（AUC）综合在同一个物理实体内。因此D接口的物理链接是通过移动业务交换中心（MSC）与归属用户位置寄存器（HLR）之间的标准2.048Mb/s 的PCM 数字传输链路实现的。 B接口B接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的内部接口。用于移动业务交换中心（MSC）向访问用户位置寄存器（VLR）询问有关移动台（MS）当前位置信息或者通知访问用户位置寄存器（VLR）有关移动台（MS）的位置更新信息等。 C接口C接口定义为归属用户位置寄存器（HLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的接口。用于传递路由选择和管理信息。如果采用归属用户位置寄存器（HLR）作为计费中心，呼叫结束后建立或接收此呼叫的移动台（MS）所在的移动业务交换中心（MSC）应把计费信息传送给该移动用户当前归属的归属用户位置寄存器（HLR），一旦要建立一个至移动用户的呼叫时，入口移动业务交换中心（GMSC）应向被叫用户所属的归属用户位置寄存器（HLR）询问被叫移动台的漫游号码。C接口的物理链接方式与D接口相同。 E接口E接口定义为控制相邻区域的不同移动业务交换中心（MSC）之间的接口。当移动台（MS）在一个呼叫进行过程中，从一个移动业务交换中心（MSC）控制的区域移动到相邻的另一个移动业务交换中心（MSC）控制的区域时，为不中断通信需完成越区信道切换过程，此接口用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换。E接口的物理链接方式是通过移动业务交换中心（MSC）之间的标准2.048Mbit/s PCM 数字传输链路实现的。 F接口F接口定义为移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的接口。用于交换相关的国际移动设备识别码管理信息。F接口的物理链接方式是通过移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的标准2.048Mbit/s 的PCM 数字传输链路实现的。 G 接口G接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口。当采用临时移动用户识别码（TMSI）时，此接口用于向分配临时移动用户识别码（TMSI）的访问用户位置寄存器（VLR）询问此移动用户的国际移动用户识别码（IMSI）的信息。G接口的物理链接方式与E接口相同。2.3 GSM系统与其它公用电信网的接口其它公用电信网主要是指公用电话网（PSTN），综合业务数字网（ISDN），分组交换公用数据网（PSPDN）和电路交换公用数据网（CSPDN）。GSM系统通过MSC与这些公用电信网互连，其接口必须满足CCITT的有关接口和信令标准及各个国家邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。根据我国现有公用电话网（PSTN）的发展现状和综合业务数字网（ISDN）的发展前景，GSM系统与PSTN和ISDN网的互连方式采用7号信令系统接口。其物理链接方式是通过MSC与PSTN或ISDN交换机之间标准2.048Mbit/s 的PCM 数字传输实现的。如果具备ISDN交换机，HLR与ISDN 网之间可建立直接的信令接口，使ISDN 交换机可以通过移动用户的ISDN号码直接向HLR 询问移动台的位置信息，以建立至移动台当前所登记的MSC之间的呼叫路由。2.4 各接口协议GSM系统各功能实体之间的接口定义明确，同样GSM规范对各接口所使用的分层协议也作了详细的定义。协议是各功能实体之间共同的“语言”，通过各个接口互相传递有关的消息，为完成GSM系统的全部通信和管理功能建立起有效的信息传送通道。不同的接口可能采用不同形式的物理链路，完成各自特定的功能，传递各自特定的消息，这些都由相应的信令协议来实现。GSM系统各接口采用的分层协议结构是符合开放系统互连（OSI）参考模型的。分层的目的是允许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议，每层协议在明确的服务接入点对上层协议提供它自己特定的通信服务。下图给出了GSM系统主要接口所采用的协议分层示意图。 系统主要接口的协议分层示意图 协议分层结构.信号层1（也称物理层）这是无线接口的最低层、提供传送比特流所需的物理链路（例如无线链路）、为高层提供各种不同功能的逻辑信道，包括业务信道和逻辑信道，每个逻辑信道有它自己的服务接入点。.信号层2主要目的是在移动台和基站之间建立可靠的专用数据链路，L2协议基于ISDN的D信道链路接入协议（LAP-D），但作了更动，因而在Um接口的L2协议称之为LAP-Dm。.信号层3这是实际负责控制和管理的协议层，把用户和系统控制过程中的特定信息按一定的协议分组安排在指定的逻辑信道上。L3包括三个基本子层：无线资源管理（RR）、移动性管理（MM）和接续管理（CM）。其中一个接续管理子层中含有多个呼叫控制（CC）单元，提供并行呼叫处理。为支持补充业务和短消息业务，在CM子层中还包括补充业务管理（SS）单元和短消息业务管理（SMS）单元。 信号层3 的互通在A接口，信令协议的参考模型如下图 所示。由于基站需完成蜂窝控制这一无线特殊功能，这是在基站自行控制或在MSC的控制下完成的，所以子层（RR）在基站子系统（BSS）中终止，无线资源管理（RR）消息在BSS中进行处理和转译，映射成BSS移动应用部分（BSSMAP）的消息在A接口中传递。BSSAP：BSS应用部分SCCP：信令连接控制部分DTAP：直接转移应用部分MTP：消息传递部分BSSMAP：BSS移动应用部分 A接口信令协议参考模型子层移动性管理（MM）和接续管理（CM）都至MSC终止，MM和CM消息在A接口中是采用直接转移应用部分（DTAP）传递，基站子系统（BSS）则透明传递MM和CM消息，这样就保证L3子层协议在各接口之间的互通。 NSS内部及GSM系统与PSTN之间的协议在网路子系统（NSS）内部各功能实体之间已定义了B、C、D、E、F和G接口，这些接口的通信（包括MSC与BSS之间的通信）全部由7号信令系统支持，GSM系统与PSTN之间的通信优先采用7号信令系统。支持GSM系统的7号信令系统协议层简单地用下图表示。与非呼叫相关的信令是采用移动应用部分（MAP），用于NSS内部接口之间的通信；与呼叫相关的信令则采用电话用户部分（TUP）和ISDN用户部分（ISUP），分别用于MSC之间和MSC与PSTN、ISDN之间的通信。应指出的是，TUP和ISUP信令必须符合各国家制定的相应技术规范，MAP信令则必须符合GSM技术规范。 应用于GSM系统的7号信令协议层图.3 GSM系统主要参数表3-1 频带的划分及使用特性GSM900DCS1800发射类别业务信道控制信道271KF7W271KF7W271KF7W271KF7W发射频带(MHZ)基 站移动台9359608909151805188017101785双工间隔45MHZ95MHZ射频带宽200KHZ200KHZ射频双工信道总数124374基站最大有效发射功率射频载波峰值（W）30020业务信道平均值（W）37.52.5小区半径（KM）最小最大0.5350.535接续方式TDMATDMA调制GMSKGMSK传输 速率（kbps）270.833270.833全速率话音编译码比特率（kbps）误差保护139.8139.8编码算法RPE-LTPRPE-LTP信道编码具有交织脉冲检错和1/2编码率卷积码具有交织脉冲检错和1/2编码率卷积码控制信道结构 公共控制信道 随路控制信道 广播控制信道有快速和慢速有有快速和慢速有时延均衡能力（us）2020国际漫游能力有有每载频信道数全速率半速率816816第三节： 移动区域定义与识别号.1 区域定义在小区制移动通信网中，基站设置很多，移动台又没有固定的位置，移动用户只要在服务区域内，无论移动到何处，移动通信网必须具有交换控制功能，以实现位置更新、越区切换和自动漫游等性能。在由GSM系统组成的移动通信网路结构中，区域的定义如图所示。：1.1 服务区服务区是指移动台可获得服务的区域，即不同通信网（如PLMN、PSTN或ISDN）用户无需知道移动台的实际位置而可与之通信的区域。一个服务区可由一个或若干个公用陆地移动通信网（PLMN）组成，可以是一个国家或是一个国家的一部分，也可以是若干个国家。1.2 公用陆地移动通信网（PLMN）PLMN是由一个公用陆地移动通信网（PLMN）提供通信业务的地理区域。PLMN 可以认为是网路（如ISDN网或PSTN网）的扩展，一个PLMN区可由一个或若干个移动业务交换中心（MSC）组成。在该区内具有共同的编号制度（比如相同的国内地区号）和共同的路由计划。MSC构成固定网与PLMN之间的功能接口，用于呼叫接续等。1.3 MSC区MSC是由一个移动业务交换中心所控制的所有小区共同覆盖的区域构成PLMN网的一部分。一个MSC区可以由一个或若干个位置区组成。1.4 位置区位置区是指移动台可任意移动不需要进行位置更新的区域。位置区可由一个或若干个小区（或基站区）组成。为了呼叫移动台，可在一个位置区内所有基站同时发寻呼信号。1.5 基站区由置于同一基站点的一个或数个基站收发信台（BTS）包括的所有小区所覆盖的区域。1.6 小区采用基站识别码或全球小区识别进行标识的无线覆盖区域。在采用全向天线结构时，小区即为基站区。2 移动识别号2.1 IMSI (International Mobile Subscriber Identity)： IMSI是GSM系统分配给移动用户(MS)的唯一的识别号，此码在所有位置，包括在漫游区都是有效的。 采取E.212编码方式。 存储在SIM卡、HLR和VLR中，在无线接口及MAP接口上传送。 结构说明：图4-2 IMSI的组成其中：MCC：Mobile Country Code，移动国家码，三个数字，如中国为 460。MNC：Mobile Network Code，移动网号，两个数字，如中国邮电的MNC为00。MSIN：Mobile Subscriber Identification Number，在某一PLMN内MS唯一的识别码。编码格式为：H1 H2 H3 S XXXXXXNMSI：National Mobile Subscriber Identification，在某一国家内MS唯一的识别码。典型的IMSI举例：460-00-4777770001 IMSI分配原则：(a) 最多包含15个数字(0-9)。(b) MCC在世界范围内统一分配，而NMSI的分配则是各国运营者自己的事。(c) 如果在一个国家有不止一个GSM PLMN，则每一个PLMN都要分配唯一的MNC。(d) IMSI分配时，要遵循在国外PLMN最多分析MCC+MNC就可寻址的原则。 UpdateLocation、PurgeMS、SendAuthenticationInfo必需用IMSI寻址 RestoreData一般用IMSI寻址，目前所有到HLR的补充业务的操作都是用IMSI寻址。2.2 TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)： TMSI是为了加强系统的保密性而在VLR内分配的临时用户识别，它在某一VLR区域内与IMSI唯一对应。 TMSI分配原则：(e) 包含四个字节，可以由八个十六进制数组成，其结构可由各运营部门根据当地情况而定。(f) TMSI的32比特不能全部为1，因为在SIM卡中比特全为1的TMSI表示无效的TMSI。(g) 要避免在VLR重新启动后TMSI重复分配，可以采取TMSI的某一部分表示时间或在VLR重起后某一特定位改变的方法。2.3 LMSI (Local Mobile Subscriber Identity)：LMSI是为了加快VLR用户数据的查询速度而有VLR在位置更新时分配，然后与IMSI一起发送往HLR保存，HLR不会对它做任何处理，但是会在任何包含IMSI的消息中发送往VLR。LMSI的长度是四个字节，没有具体的分配原则要求，其结构由各运营部门自定。2.4 MSISDN(Mobile Subscriber International ISDN/PSTN number)： MSISDN是指主叫用户为呼叫GSM PLMN中的一个移动用户所需拨的号码，作用同于固定网PSTN号码 采取E.164编码方式 存储在HLR和VLR中，在MAP接口上传送 结构说明： MSISDN的组成其中：CC： Country Code，国家码，如中国为86。NDC：National Destination Code，国内接入号，如中国电信的NDC目前有139、138、137、136、135。SN：Subscriber Number MSISDN的一般格式为86-139(或8-0)-H1 H2 H3 ABCD 典型的MSISDN举例：861394770001 SendRoutingInfo与SendIMSI都是用MSISDN寻址的 在中国，移动用户号码升位为11位，在H1H2H3前面加了一个H0（09），其一般格式变为86-139（或8-0）-H0H1H2H3ABCD，典型的号码举例：86139047700012.5 MSC-Number(MSC 号码)/VLR-Number(VLR 号码) 采取E.164编码方式 编码格式为CC+NDC+LSP其中CC、NDC含义同MSISDN的规定，LSP(locally significant part)由运营者自己决定。 典型的MSC-Number为86-139-0477 PerformHandover与PrepareHandover都是用MSC-Number寻址的 目前在网上MSC与VLR都是合一的，所以MSC-Number与VLR-Number基本上都是一样的 在中国，MSC号码和VLR号码均已升位，在M1M2M3前面加了一个0，典型的号码举例：8613900477SendIdentification、CancelLocation、InsertSubscriberData、 DeleteSubscriberData、Reset、ProvideRoamingNumber等操作都必需用VLR-Number寻址，而SendParameters操作则可以用VLR-Number寻址。2.6 Roaming-Number(漫游号码)与Handover-Number(切换号码)Roaming-Number简称MSRN，Handover-Number简称HON 在移动被叫或切换过程中临时分配，用于GMSC寻址VMSC或MSCA寻址MSCB所用，在接续完成后立即释放。它对用户而言是不可见的。 采取E.164编码方式 编码格式为： 在MSC-Number的后面增加几个字节 典型的Roaming-Number或Handover-Number为86-139-0477XXX 因MSISDN号码、MSC号码、VLR号码均已升位，MSRN和HON也随之升位，典型的升位后的MSRN和HON号码为86-139-00477ABC 对于MSRN的分配有两种： 在起始登记或位置更新时，由VLR分配MSRN后传送给HLR。当移动台离开该地后，在VLR和HLR中都要删除MSRN，使此号码能再分配给其它漫游用户使用。 在每次移动台有来话呼叫时，根据HLR的请求，临时由VLR分配一个MSRN，此号码只能在某一时间范围（比如90秒）内有效。对于HON，它是用于两移动交换区（MSC区）间进行切换时，为建立MSC之间通话链路而临时使用的号码。2.7 HLR-Number(HLR 号码) 采取E.164编码方式 编码格式为CC+NDC+H1 H2 H3 0000；升位后变为：CC+NDC+H0H1H2H3000其中CC，NDC含义同MSISDN的规定。 典型的HLR-Number为86-139-4770000；升位后为861390477000 用IMSI寻址的操作，除了必需用的之外，都可转换为用HLR-Number寻址2.8 LAI(Location Area Identification-位置区)在检测位置更新时，要使用位置区识别LAI。焈编码格式为 LAI的组成其中，MCC与MNC与IMSI中的相同。LAC：Location Area Code，是2个字节长的十六进制BCD码，0000与FFFE不能使用。2.9 CGI(Cell Global Identification-全球小区识别)CGI是所有GSM PLMN中小区的唯一标识，是在位置区识别LAI的基础上再加上小区识别CI构成的。焈编码格式为LAI+CICI：Cell Identity, 是2个字节长的十六进制BCD码，可由运营部门自定。2.10 RSZI (Regional Subscription Zone Identity) RSZI明确地定义了用户可以漫游的区域 编码格式为 编码格式为 RSZI的组成其中：CC与NDC同MSISDN中的含义相同。ZC(Zone Code)在某一PLMN内唯一地识别允许漫游的区域，它是由运营者设定，在VLR内存储。 RSZI并不在HLR与VLR之间传送，而只有ZC在位置更新时，从HLR传送到VLR，用于VLR判断某用户是否允许在该VLR区域内漫游。2.11 BSIC（基站识别色码）用于移动台识别相邻的、采用相同载频的、不同的基站收发信台（BTS），特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载频的相邻BTS。BSIC为一个6比特编码，其组成如图4-6所示。 BSIC的组成其中：NCC-PLMN色码。用来唯一地识别相邻国家不同的PLMN。相邻国家要具体协调NCC的配置。BCC-BTS色码。用来唯一地识别采用相同载频、相邻的、不同的BTS。2.12 IMEI（国际移动设备识别码）IMEI唯一地识别一个移动台设备，用于监控被窃或无效的移动设备。IMEI的组成如图4-7所示： IMEI的组成TAC-型号批准码，由欧洲型号批准中心分配。FAC-最后装配码，表示生产厂家或最后装配所在地，由厂家进行编码。SNR-序号码。这个数字的独立序号码唯一地识别每个TAC和FAC的每个移动设备。SP-备用。四：系统的安全性和移动性管理：1 GSM系统的安全性管理GSM系统主要有如下安全性措施 访问AUC，进行用户鉴权 无线通道加密 移动设备确认 IMSI临时身份TMSI的使用在明确这些措施之前，有必要回顾一下表明用户身份的SIM卡的内容和鉴权中心(AUC)的内容： SIM卡中有如下内容：固化数据，IMSI，Ki，安全算法临时的网络数据TMSI，LAI，Kc，被禁止的PLMN业务相关数据 AUC有如下内容：用于生成随机数(RAND)的随机数发生器鉴权键Ki各种安全算法以下对GSM安全措施详细说明1）、访问AUC，进用用户鉴权AUC的基本功能是产生三参数组(RAND、SRES、Kc)，其中RAND由随机数发生器产生，SRES由RAND和Ki由A3算法得出；Kc由RAND和Ki用A8算出。三参数组存于HLR中。对于某一已登记的MS，由其服务区的MSC/VLR从HLR中装载至少一套三参数组为此MS服务。当用户要建立呼叫，进行位置更新等操作时，先需对其鉴权，其过程如下： MSC、VLR传送RAND至MS MS用RAND和Ki算出SRES并返至MSC/VLR。 MSL/VLR把收到的SRES与存贮其中的SRES比较，决定其真实性。2）、无线通道加密其过程如下：结合图1； MSC/VLR把“加密模式命令M”和Kc一起送给BTS “加密模式命令”传至MS “加密模式完成”消息M和Kc用A5算法加密，同时TDMA帧号也用A5算法加密，合成Mc Mc送至BTS Mc和Kc用A5算法解密，TDMA帧号也由A5算法解密。 若Mc能被解密成M(加密模式成功)并送至MSC，则所有信息从此时开始加密。图1 加密过程3）、移动设备识别过程如下MSC/VLR要求MS发送IMEIMS发送IMEIMSC/VLR转发IMEI在EIR中核查IMEI，返回信息至MSC/VLR4）、TMSI的使用当MS进行位置更新，发起呼叫或激活业务时，MSC/VLR将分配给IMSI一个新的TMSI，并由MS存贮于SIM卡上，此后MSC/VLR与MS间信令联系只使用TMSI，使用TMSI主要是用户号码保密和避免被别人对用户定位。2 GSM系统移动性管理由于MS的移动性，要求网路对此特性给以支持及管理。其最终目的就是确定MS当前位置及使MS与网络的联系达到最佳状态。根据MS当前状态的不同，可分为漫游管理及切换管理。2.1 漫游管理当MS处于空闲模式时，怎样确定其位置是很重要的。只有明确知道MS当前位置，才能在有对MS的呼叫时迅速建立其与被叫MS的连接。移动用户在移动性的情况下要求改变与小区和网络联系的特点称为漫游。而在漫游其间改变位置区及位置区的确认过程则称为位置更新。在相同位置区中的移动不需通知MSC，而在不同位置区间的小区间移动则需通知MSC，位置更新主要由以下几种组成。1、常规位置更新MS由BCCH传送的LAI确定要更新后，通过SDCCH与MSC/VLR建立联结，然后发送请求，更新VLR中数据，若此时LAI属于不同的MSC/VLR，则HLR也要更新，当系统确认更新后，MS和BTS释放信道。2、IMSI分离当MS关机后，发送最后一次消息要求进行分离操作，MSC/VLR接到后在VLR中的IMSI上作分离标记。3、IMSI附着当MS开机后，若此时MS处于分离前相同的位置区，则将MSC/VLR中VLR的IMSI作附着标记；若位置区已变，则要进行新的常规位置更新。4、强迫登记在IMSI要求分离时(MS关机)，若此时信令链路质量不好，则系统会认为MS仍在原来位置，因此每隔30分钟要求MS重发位置区信息，直到系统确认。5、隐式分离在规定时间内未收到系统强迫登记后MS的回应信号，对VLR中的IMSI作分离标记。2.2 切换管理在MS通话阶段中MS小区的改变引起的系统相应操作叫切换。切换的依据是由MS对周邻BTS信号强度的测量报告和BTS对MS发射信号强度及通话质量决定的，统一由BSC评价后决定是否进行切换。下面将结合图解具体分析三种不同的切换。1、由相同BSC控制的小区间的切换 相同BSC控制小区间的切换 BSC预订新的BTS激活一个TCH。 BSC通过旧BTS发送一个包括频率及时隙及发射功率参数的信息至MS，此信息在FACCH上传送。 MS在规定新频率上发送一个切换接入突发脉冲（通过FACCH发送）。 新BTS收到此突发脉冲后，将时间提前量信息通过FACCH回送MS。 MS通过新BTS向BSC发送一切换成功信息。 BSC要求旧BTS释放TCH。2、由同一MSC，不同BSC控制小区间的切换 由相同MSC，不同BSC控制小区间的切换 旧BSC把切换请求及切换目的小区标识一起发给MSC。 MSC判断是哪个BSC控制的BTS，并向新BSC发送切换请求。 新BSC预订目标BTS激活一个TCH。 新BSC把包含有频率、时隙及发射功率的参数通过MSC，旧BSC和旧BTS传到MS。 MS在新频率上通过FACCH发送接入突发脉冲。 新BTS收到此脉冲后，回送时间提前量信息至MS。 MS发送切换成功信息通过新BSC传至MSC。 MSC命令旧BSC去释放TCH BSC转发MSC命令至BTS并执行。3、由不同MSC控制的小区间的切换。 由不同MSC控制小区间的切换 旧BSC把目标小区标志和切换请求发至旧MSC。 旧MSC判断出小区属另一MSC管辖。 新MSC分配一个切换号（路由呼叫用），并向新BSC发送切换请求。 新BSC激活BTS的一个TCH。 新MSC收到BSC回送信息并与切换号一起转至旧MSC。 一个连接在MSC间被建立（也许会通过PSTN网） 旧MSC通过旧BSC向MS发送切换命令，其中包含频率，时隙和发射功率。 MS在新频率上发一接入突发脉冲（通过FACCH）。 新BTS收到后，回送时间提前量信息（通过FACCH）。 MS通过新BSC和新MSC向旧SCM发送切换成功信息。此后，旧TCH被释放，而控制权仍在旧MSC手中。第五节：几种基本呼叫流程1手机主被叫信令流程11手机呼叫手机 MSa BSa MSC BSb MSb CHAN_REQ IMM_ASSIGN CM_SERV_REQ COM_L3_INFO AUT_REQ AUT_RES CIPH_MOD_CMD CIPH_MOD_CMD CIPH_MOD_COM CIPH_MOD_COM TMSI_REALL_CMD TMSI_REAL_COM SETUP CALL_PROC .Channel assignment direct after receiving CALL_PROC. ASS_REQ ASS_CMD ASS_COM ASS_COM PAGING_TO_BSS PAGE_REQ CHAN_RE IMM_ASSIGN PAGE_RES COM_L3_INFO AUTH_REQ AUTH_RES CIPH_MOD_CMD CIPH_MOD_CMD CIPH_MOD_COM CIPH_MOD_COM