移动通信第5章GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS.ppt

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1、第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 第第5 5章章 GSMGSM数字蜂窝移动通信系统与数字蜂窝移动通信系统与GPRS GPRS 5.1 引言引言 5.2 GSM的电信业务的电信业务 5.3 GSM结构结构 5.4 GSM较模拟网的优势较模拟网的优势 5.5 GSM网络接口网络接口 5.6 GSM的编号、的编号、鉴权与加密鉴权与加密 5.7 GSM无线信道无线信道 5.8 GSM呼叫方案呼叫方案 5.9 GSM通向通向3G的一个重要里程碑的一个重要里程碑GPRS 第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.1 引引 言言 1980年欧洲经历了无线通信的飞速发展。每天都有大量用户加

2、入无线网络，网络覆盖面积不断扩大。无线网络爆炸性扩大，虽然给营运者带来赢利，同时由于各网络增长情况的不同，使用的频段也不同，技术上又互不兼容，并缺乏一个中心组织来协调发展，并且全都是模拟的。欧洲的营运商意识到这些模拟网容量已接近极限，原因如下：(1)由于使用不同的频段及不兼容的无线技术使用户无法跨国界漫游。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS(2)所有的网容量接近饱和，需寻找一个解决该问题的方法。(3)由于对各技术的有限市场，用户和基础设施上的经济指标未能达到，进一步的用户数增长将导致高的用户设备成本。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 表表5-1 全球移动通信系统全球移动通

3、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“移动通信特别组”在欧洲邮政与电信大会(CEPT)内成立1986年建立一永久核心1987年在1986年圆形系统评价的基础上,选择了主要无线传输技术1988年18个国家签署谅解备忘录,并决定将GSM正式定名为“全球移动通信系统”(GlobalSystemforMobileCommunications)1989年GSM成立欧洲电信标准协会的一个技术委员会1990年第一阶段GSM 900规范(1987-1990年制定)被冻结,开始DCS1800的修改1991年第一个系统在Telecom91展示会上运行DCS1800规范被冻结19

4、92年欧洲各大GSM900营运者开始商业营运第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.2 GSM的电信业务的电信业务 GSM小组在概念上受到无线网向ISDN发展的强烈影响，为发展与有线标准相兼容的无线数字标准，小组决定GSM标准将尽可能地接近ISDN标准。这意味着GSM与ISDN将使用相同的信令方案和信号特性。这一决定使得有线与无线需建立统一的接入平台和统一的业务特性。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 由GSM网络支持的电信业务是由网络营运者提供给用户的通信能力。GSM网络，与其他网络，如PSTN一起为用户提供服务。GSM小组受到了ISDN提供业务的影响，他们打算使GSM可

5、以提供与ISDN一样的业务。但由于受空中接口的影响，对宽带业务目前无法提供支持。ISDN支持64kb/s的话音作为基本服务，GSM由于空中接口达不到这么高的速率而不可能做到。由GSM支持的电信业务包含有线ISDN及现有模拟蜂窝系统和无线寻呼系统提供的一切业务。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 图5-1电信业务和承载业务第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.2.15.2.1承载业务承载业务为了提供各种承载业务(BearerServices)，GSM用户应能够发送和接收速率高达9600b/s的数据。由于GSM是数字网，在用户和GSM网络之间不需Modem，但在GSM和PST

6、N接口方面仍然需要话音Modem。表5-2列出了GSM的承载业务。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 表表5-2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3009600b/s同步数据12009600b/sPAD接入3009600b/s,分组打包和拆包，为GSM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分组接入24009600b/s，为GSM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话音/数据交替在呼叫过程中,提供话音和数据的交替话音后数据先话音连接,而后进入数据连接第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.2.2

7、 电信业务电信业务 1.电话和紧急呼叫电话和紧急呼叫话音编码可以以64kb/s速率进行传输，但频率利用率低。为提高频率利用率，GSM采用13kb/s（全速）话音编码器来进行话音编码传输。GSM还可采用接近6.5kb/s（半速）进行话音编码，使频率利用率更高。表5-3列出GSM支持的电信业务情况。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 2.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GSM用户无需同时携带寻呼机。GSM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MO/PP和MT/PP两类短消息业务业务中心是作为存储转发中心，该业务中心在功能上与GSM网

8、络分开。所有GSM点对点短消息都来自或去向该业务中心。GSM允许短消息在一次呼叫中发送或空闲时发送。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 表表 5-3 电电 信信 业业 务务业业 务务 内内 容容 话音服务全速（13kb/s），半速（6.5kb/s）。这项服务提供语音信息和语音信号到网络的传输紧急呼叫典型的是，紧急电话在一些受限的情况下，更具有优先权。一般只提供移动用户主叫发起短消息服务（到移动电话终端，MT/PP）短字符消息，小于160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短消息服务（移动电话发起，MO/PP）短字符消息，小于160个字符。这项服务用于移动用

9、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移动台相连的信息短消息传输（小区广播）短字符消息，小于93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自动传真第3类传真。这项服务自动提供第3类呼叫和被呼模式传真第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.2.35.2.3补充业务补充业务补充业务(SupplementaryServices)是在承载业务和电信业务基础上获得的。一项补充业务是在联合一项或多项承载业务中使用的，它不能单独使用，它必须和基本电

10、信业务一起提供给用户，相同的补充业务对一系列电信业务来说是有利的。前向呼叫是补充业务的一个例子，对于该业务的预要求是电话或传真业务。如果用户要求，前向呼叫业务能在电话和传真呼叫中应用。表54给出了GSM支持的补充业务。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 表表5-4 GSM支持的补充业务支持的补充业务 业业 务务 内内 容容 号码识别主叫号码显示(CLIP)主叫线号码限制(CLIR)连接线显示(CoLP)连接线限制(CoLR)呼叫服务前向呼叫无条件转移（CFU）移动台忙时前向呼叫（CFB）无应答前向呼叫（CFNRy）移动用户未能达到前向呼叫呼叫完成呼叫保持（HOLD）呼叫等待（CW）第

11、5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 表表5-4 GSM支持的补充业务支持的补充业务 业业 务务 内内 容容 多方多方业务(MPTY)兴趣群体密切用户群计费计费信息提示(AoCI)计费费用提示(AoCC)呼叫限制所有呼叫禁止(BAOC)国际呼出禁止(BOIC)除拨向归属国家的国际呼出禁止(BOIC-exHC)所有呼入禁止(BAIC)漫游出归属国家呼入禁止(BIC-Roam)无结构化无结构化补充业务数据营运者确定限制由营运者确定的不同呼叫/业务限制第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3 GSM结构结构 图5-2GSM网络结构第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3

12、.1 移动台（移动台（MS）表表5-5 GSM900系统的移动台功率等级系统的移动台功率等级 功率级功率级 移动台最大功率移动台最大功率 120W28W35W42W50.8W第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 表表5-6 DCS1800系统的移动台功率等级系统的移动台功率等级 功率级功率级移动台最大功率移动台最大功率11W20.25W第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 一个GSM移动台可以分成两部分：一部分包括与无线电接口有关的硬件和软件；另一部分包括用户特有的数据：用户识别模块（SIM），SIM是GSM最有吸引力的组成部分。SIM有着与信用卡相同的尺寸，或者是尺寸更小的内

13、插卸式SIM卡（俗称小卡），小卡在许多手机中得到应用。SIM卡支持用个人移动性，用户可以只带SIM卡旅游，在新的目的地只需将SIM卡插入GSM移动台即可得到服务。SIM卡包括有关移动用户指定的GSM业务和网络信息。它存储有用户识别号、位置信息和有关保密数据（如密钥）、禁止GSM网络和参考语言。SIM卡支持用个人身份码（PIN）来鉴别卡的用户，以防非法卡的使用。PIN由4到8位数字组成，在SIM卡出售时写入。移动台如无SIM卡只能进行紧急呼叫。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3.25.3.2基站基站(BS)BS)及基站收发信机（及基站收发信机（BTSBTS）移动台到网络的接口是

14、基站收发信机（BTS）。一个BTS由无线收/发信机及多块用于无线电接口的信号处理模块组成。在朝基站控制器BSC侧，BTS区分与移动台有关的话音和控制信令，并通过各自信道传给BSC。在朝MS侧，BTS将信令和语音合在一个载波上。BTS位置通常在小区中心。BTS的发射功率决定小区的尺寸。一个典型的BTS通常具有124个收/发信机（TRX），每个TRX代表一个单独的RF信道。表5-7给出了基站的功率等级。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 表表5-7 基站的功率等级基站的功率等级 功率级功率级 GSM900基站的最大功率基站的最大功率 DCS1800基站的最大功率基站的最大功率 1320W

15、20W2160W10W380W5W440W2.5W520W610W75W82.5W第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3.3 基站控制器（基站控制器（BSC）一个基站控制器（BSC）监视和控制几个基站。BSC的主要任务是实现频率管理以及BTS的控制和交换功能。BSC通过BTS和MS的远程命令对无线电接口进行管理，主要有无线信道安排和释放，切换的安排。BSC向下连接一系列BTS，向上连接移动交换中心（MSC）。一个BSC和与它相应的BTS可看成是一基站子系统（BSS）。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3.4 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（

16、TRAU）TRAU网络单元负责对16kb/s到64kb/s的用户数据进行发送编码及速率适配。在物理上，TRAU可以在BTS任何一边，即在BTS和BSC的BTS边；或在BSC和MSC的BSC边或MSC边。通常在BSC和MSC的BSC边。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3.5 移动业务交换中心（移动业务交换中心（MSC）MSC的主要功能是协调去GSM或来自GSM用户的呼叫。它主要由交换机及支持呼叫建立所需的几个数据库组成。它还是GSM网和公共交换电话网PSTN之间的接口。MSC还完成由MSC负责区域移动用户所有的交换和信令功能。一个MSC可以连接数个BSC。除了支持BSC之外,M

17、SC还处理BSC/MSC内部的切换及相互之间的呼叫。MSC具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新、越区切换等。为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就远进入关口MSC（GMSC），由该GMSC查询有关的归属位置寄存器HLR，并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3.6 归属位置寄存器（归属位置寄存器（HLR）1)用户数据的存储HLR必须存储其归属用户的有关数据。HLR还必须存储由营运者选择的不同用户提供的业务数据，并能随着业务的发展，增改相应存储内容。2)用户数据的检索任何时候当访问者位置寄存器VLR请求（例如

18、登记时），HLR应能依据要求向VLR提供有关的用户数据。当某些用户数据有变化时（例如签约的变化，服务项目清单的变化），HLR要能够将这些数据信息通知VLR。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 3)提供移动用户漫游号(MSRN)MSRN是在MS进行位置更新时，由当地的VLR负责产生的。MS被叫时，HLR应能根据GMSC（关口MSC）或始发MSC的请求，将MSRN发往请求的MSC。请求的MSC从而得到MS目前所在的MSC和位置区域LA。4)鉴权HLR应能支持用户的鉴权操作。5)登记HLR应能配合访问者位置寄存器VLR完成登记功能和向前一个VLR发起取消登记功能。第5章 GSM数字蜂窝移动

19、通信系统与GPRS 6)移动台去话当HLR接收到VLR发来的移动台去话通知后，HLR应能设置此移动台为去话状态。7)HLR的恢复应能周期性地拷贝HLR中的数据（一般在24小时内），拷贝可存储在磁盘或磁带中。当HLR重新启动后，在前一次拷贝的基础上，执行HLR恢复程序，尽量得到正确的移动用户位置与补充业务有关的信息。为避免错误数据的扩散，HLR应通知相关的VLR，使VLR删除与HLR有关的数据，同时HLR应能够撤消MS的登记，等待MS的重新登记。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3.7 访问者位置寄存器（访问者位置寄存器（VLR）1)用户数据的存储VLR必须存储其归属用户的有关数

20、据。VLR还必须存储由营运者选择的不同用户提供的业务数据，并能随着业务的发展，增改相应存储内容。2)用户数据的检索当呼叫建立时，根据MSC的请求，VLR应能够依据TMSI、MSRN向MSC提供用户的信息。通常在移动台呼叫时，依据国际移动用户识别码TMSI；移动台被叫时,依据移动用户漫游号MSRN。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 3)登记当移动用户出现在一个新的位置区域或从移动台收到登记、呼叫建立、补充业务操作消息后，若有需要，则应能向HLR发出请求登记通知。VLR应能完成登记、取消登记的功能，并能向HLR检索用户的信息。根据HLR的请求或当用户在24小时内没有在MSC/VLR区域

21、中出现时，VLR应能删除该用户的有关信息。4)移动台去话当VLR收到MSC发来的移动台去话通知后，VLR应能删除此用户的数据，并能通知相应的HLR。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5)鉴权VLR应能向鉴权中心(AUC)索取并存储鉴权参数。VLR通过MSC要求移动台进行鉴权，并比较从移动台返回的和自己存储的鉴权参数。当比较不一致时，拒绝移动台的业务请求，同时予以警告。6)提供MSRN当MS位置更新时，当地的VLR应能够根据HLR请求，要求MSC分配MSRN，并将MSRN发往请求的HLR，即支持每次MS被呼叫时进行的MSRN分配。7)VLR的恢复当VLR发生数据错误时，VLR应能够通

22、知相应的HLR，删除与其相应的数据。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3.8 鉴权中心（鉴权中心（AUC）AUC鉴权中心是认证移动用户的身份以及产生相应认证参数的功能实体。AUC对任何试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。它给每一个在相关HLR登记的移动用户安排了一个识别字,该识别字用来产生用于鉴别移动用户身份的数据及用来产生用于对移动台与网络之间无线信道加密的另一个密钥。AUC存储鉴权(A3)和加密(A8)算法。AUC只与HLR通信。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3.9 设备识别寄存器（设备识别寄存器（EIR）EIR是存储有关移动

23、台设备参数的数据库。EIR实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台使用。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.3.10 操作和维护中心（操作和维护中心（OMC）OMC操作维护中心是网络操作维护人员对全网进行监控和操作的功能实体。接入MSC和BSC,处理来自网络的错误报告,控制BSC和BTS的业务负载。OMC通过BSC对BTS进行设置并允许操作者检查系统的相连部分。在实际蜂窝网络中，根据网络规模、所在地域以及其他因素，上述实体可有各种配置方式。通常将MSC和VLR设置在一起，而将HLR、EIR和AC合设于另一个物理实体中。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS

24、5.4 GSM较模拟网的优势较模拟网的优势 5.4.1 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系系统统具具有有较较为为完完善善的的对对抗抗瑞瑞利利衰衰落落和和符符号号间间干干扰扰的的措施措施 （1）天线（空间）分集。当分集天线间距56m时，最大可获得约6dB的分集增益。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS（2）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。跳频只对慢速移动用户有好处，其得益约为14dB（当无天线分集时，

25、最多可达4dB,当有二重分集时，最多可有2.5dB）。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。(3）均衡。均衡是消除时间色散引起的符号间干扰的有效措施。GSM规范要求均衡器能处理时延高达15的反射信号，大约相当于4bit时间。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 2.要求干扰保护比低要求干扰保护比低TACS系统要求同频道干扰C/I大于1718dB，GSM系统在无跳频时要求C/I12dB，有跳频时要求C/I9dB。GSM系统对邻道干扰保护比只要求C/I-9dB，载波偏离400kHz时，要求C/I-4dB。由于同频干扰保护比只要求大于等于912dB，因此在GSM系统中可以采

26、用TACS系统中可以用的频率复用方式，例如采用43方式，如果有跳频功能而且网络规划考虑周全，也可采用33或26方式。但是无论采用无方向性天线或有方向性天线，以及无论哪一种复用方式，都应避免相邻载波在相邻基站或小区使用。而选用33复用方式时不能避免相邻频道在相邻小区内使用。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.4.2 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、系统容量高这里以10MHz可用频带为例说明：(1)TACS系统。10MHz共有400个频道，按73复用方式计算，每个小区只有18个话音频道可用。按5%的频道呼

27、损率和每个用户忙时话务量0.027 erl计算，一个3小区的基站可负荷13.3853=40.155erl的话务量或可容1487个用户。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS(2)GSM系统。10MHz共有50个载波400个频道，按43复用方式计算，每个小区有31或32个话音信道，一个3小区的基站可负荷78.292erl的话务量或可容2899个用户。如果按33复用方式，则每个小区有42或43个话音信道，一个3小区的基站可负荷110.713erl的话务量或可容4100个用户。以上按目前采用的全速率（FR）计算所得结果，如按半速率（HR）考虑，则有：43复用方式可容177.82erl的话务量或

28、可容6586个用户；33复用方式可容244.83erl的话务量或可容9067个用户。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS(3)GSM与TACS两个系统的频谱利用率及容量比较，见表5-8。表表5-8 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 频率复用方式频谱利用率系统容量GSM（FR）/TACSGSM（HR）/TACSGSM（FR）/TACSGSM（HR）/TACSGSM431.743.591.954.43TACS73GSM332.354.812.766.1TACS73第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 2.GSM系统具有开放的接口和通用的接口标准系统具有

29、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由于采用数字传输，因此可以对全部消息进行加密，防止截听，使用户放心使用移动电话。利用用户识别鉴权可以防止无权用户使用GSM系统。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哪一个用户，以保证用户识别系统的安全与保密。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.5 GSM网络接口网络接口 5.5.1 空中接口（空中接口（Um）图5-3空中接口的协议堆栈第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 图5

30、-4A-bis的接口协议堆栈5.5.2 A-bis 接口接口 第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.5.3 A接口接口 图5-5A接口协议堆栈第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.5.4 PSTN接口接口就像MSC建立在综合业务数字网ISDN交换的基础上一样，GSM结构也是建立在ISDN接入的基础上的。为了充分利用ISDN业务的优点，MSC通过以CCS7为基础的协议如ISUP连接公共交换电话网PSTN。(在许多国家它也可以不是ISUP。)在GSM中，无ISUP信令方案连接，PSTN就无法支持基本呼叫。(今后的发展也可能会支持。)第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPR

31、S 5.5.5 移动应用部分（移动应用部分（MAP）图5-6MAP界面协议堆栈第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 1.MAP-B MAP-B是MSC和与它相关的访问者位置寄存器VLR的接口，一旦MSC需要当前在其区域移动台的有关数据，它就询问VLR。当用户激活一个特殊的补充业务或修改与该业务有关的数据时，MSC（通过VLR）通知归属位置寄存器HLR存储这些修改的数据；如果需要，就更新VLR。由于MSC和VLR的接口相互联系非常多，因此，有些制造商将VLR的功能集成在MSC中。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 2.MAP-CMAP-C是MSC和HLR之间的接口，在GSM中它

32、有一个被称为关口的特殊的功能。由于在GSM中所有到移动台的呼叫的编号和路由方案首先由GMSC（关口MSC）处理，所谓的“关口”表示从公共交换电话网PSTN到移动网的一条路径。GMSC然后查询相应用户的HLR,以决定一个呼叫或一条短消息的路由信息，这些信息由MAP-C协议处理，附加SMS和计费信息来自该接口信息组的部分。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 3.MAP-DMAP-D是HLR和VLR之间的接口。它用于交换有关移动台的位置和用户管理的数据。VLR通知HLR有关由该HLR管理的移动台位置，并提供该用户漫游的信息。数据交换可以出现在移动用户要求的特殊服务，或可出现在传到已经做完的

33、描述上，还可以出现在描述参数被管理者修改等情况。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 4.MAP-E当移动台在呼叫进程中从一个MSC区域移动到另一个MSC区域，为了保持通信不中断，必须完成过境切换过程（ahandoverprocedure）。我们假设MSC之间已经交换了初始化的数据，并实现该操作。该接口支持完成切换功能所需的信令，当移动台和短消息服务中心之间要传送短消息时，该接口用来在该移动用户所在的MSC和与短消息中心接口的MSC之间传送信息。5.MAP-F MAP-F是MSC和设备识别寄存器（EIR）之间的接口，它用于交换保证EIR识别移动用户设备的数据。第5章 GSM数字蜂窝移动

34、通信系统与GPRS 5.6 GSM的编号、鉴权与加密的编号、鉴权与加密 5.6.1 编号和路由编号和路由 1.移动用户移动用户ISDN号（号（MSISDN）MSISDN是用户为找到GSM用户所拨的号码。公共交换电话 网 PSTN在 MSISDN基 础 上 将 该 呼 叫 路 由 到 关 口MSC（GMSC），GMSC在内部一张MSISDN与HLR对应表的基础上，去对应HLR查询以获得用户信息。HLR应答有关移动用户当前所在的MSC身份等特殊信息，并提供一个可到达被叫用户的号码，该号码就是所谓的移动用户漫游号（MSRN）。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS MSISDN包含国家代码（C

35、C）、国家目的代码（NDC）和用户码（SN）。国家代码用于识别目的国家和按区域变化。例如，美国的国家代码是1，英国的国家代码为44，中国的国家代码为86。国家代码由ITU-T管理。NDC可以有两种方法使用，用于识别目的网或识别用户所属的地理区域。在美国，NDC作为编码计划地区（NPA）或地区码。它不用来识别目的网络，而是按地理区域编码的。用户号码是让呼叫者拨号用的，该号码通常在电话簿中可以查到。NDC和SN由国家指定的管理部门管理。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 2.国际移动用户识别码（国际移动用户识别码（IMSI）图5-7IMSI结构第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS

36、 IMSI由三部分组成：（1）由三位数字组成的移动国家代码（MCC）；（2）由两位数字组成的移动网络代码（MNC）；（3）移动用户识别号（MSIN）。MCC惟一表示移动用户的所属国家，MCC与MSISDN中的CC不同在于它只有固定长度（即3位数字），而CC字位是可变的同样，在每一个国家MCC不同于CC。例如，美国的CC是1，而MCC是310316；我国的CC是86，而MCC为460。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 3.临时移动用户识别号临时移动用户识别号 缩写缩写 全全 名名 解解 释释 IMSI国际移动用户识别码它是作为惟一的用户识别码，但不是可拨打的号码TMSI临时移动用户识

37、别号由VLR分配使用在空中接口，是出于安全意图。它确保用户的保密性IMEI国际移动设备识别码用于空中接口，提供设备识别号。手机的惟一识别号图5-8在GSM中用于记数和鉴别的参数表表5-9GSM中不同的编号方式和识别参数中不同的编号方式和识别参数 第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 缩写缩写 全全 名名 解解 释释 MSISDN移动用户ISDN号可拨打的移动用户电话号MSRN移动台漫游号GSM网络内部使用，提供被访的MSC路由网络使用的路由信息网络使用的路由信息 第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 4.4.位置区域位置区域(locationareaslocationareas

38、)无线和有线最主要的不同在于它的移动性和移动台当前位置的确定。有以下两种方法可以达到这一目的：在最简单不需要位置登记的方案中，网络不需要对移动台进行跟踪，也不需要确定移动台当前的位置。一旦有来呼呼叫移动用户时,网络只需在全网上呼叫移动用户即可；一旦有应答返回，网络将呼叫连接上即可。但这种方案对公网是不可行的，因为公网需支持国内、国际漫游。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 另一种端呼的方法是，网络对用户的位置已预先有了解，当呼叫到来后，只在某一位置区发起寻呼，而不是全网寻呼。这里引入位置区的概念。最简单的位置区只包含一个小区，一旦用户进入新的小区，网络就通知新的位置区。该方案将造成网

39、络负荷增加，因为需要许多有关位置更新信息来报告每个用户的每次位置变化，为此，要付出的代价是很大的。折衷的方案是把一些小区集成为一个位置区域(LA)，每个小区发送位置区识别号给所属移动台。一旦移动台发现由于小区变化造成位置区变化，它就发一个位置更新(LocationUpdating)给网络，这就是在GSM使用的方案。位置区在工程上需较好地规划，原因是它受两个矛盾的结果影响,这两个矛盾就是既要减少寻呼业务量又要减少位置更新业务量。如果位置区很大，那么寻呼业务量很重；如果位置区很小，位置更新业务量将很高。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 图5-8定位区域和小区识别参数第5章 GSM数字蜂

40、窝移动通信系统与GPRS(1)位置识别码（LAI）和小区识别码(CI)。LAI的 结 构 与 IMSI结 构 相 同，有 MCC、MNC和LAC（LocationAreaCode）。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：三位数字两位数字最大16bitMCCMNCLACMCC和MNC与IMSI码中的MCC和MNC定义相同。LAC为位置区码，用于识别GSM网络中的位置区域的固定长度的码字，最多不超过2个字节，采用十六进制编码，由各营运部门自定。在LAI后面加上小区的标志号CI（最大16bit）可构成小区识别码。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS(2)基站识别码(B

41、SIC)。BSIC用于移动台识别相同载波的不同基站，特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载波且相邻的基站。BSIC为一个6bit编码，结构为：3bit3bitNCCBCCNCC为网络色码，用来识别相邻的移动通信网。BCC为BTS色码，用来识别相同载波的不同基站。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.6.2 鉴权与加密鉴权与加密(Authentication and Ciphering)图5-9GSM的鉴权过程第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 为了防止未授权或非法用户使用网络，鉴权HT是十分必需的。加密对于用户通信保密也是需要的，另一个与保密有关的参数是用户识别码，它

42、通过使用TMSI来保证。GSM的加密过程是通过利用滑动门（trapdoor）功能来完成鉴权和加密过程的。这些功能让计算机找出密钥也十分困难。即使与明文（plaintext）相关的加密信息和用于加密的算法全都知道，找出密钥也十分困难。在GSM中，鉴权过程是建立在称为惟一询问响应方案的基础上的。一旦网络要对移动用户进行鉴权，它需做几件事：它需有用户的密钥（Ki），有鉴权算法（A3）和一系列询问响应对。询问是一个由网络产生的随机数（RAND）与Ki一起作为A3算法的输入，算法的输出作为响应，这个A3算法的输出响应在GSM定义中称为签名响应（SRES）。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 另

43、一方面，移动台同样有一个惟一的Ki和所有移动台一样的算法A3。网络为了对移动台鉴权，从一张与该用户有关的表中取出一个随机数（RAND）送给移动台。移动台在收到随机数（询问）后，计算签名响应值（SRES），并送给网络。网络用计算的SRES与收到的SRES进行比较，如果它们匹配就允许提供业务给用户，否则予以拒绝。这样，即使随机数和SRES在空中被拦截,A3算法是恒定的。Ki由于trapdoor函数的特性不能知道。GSM只让运营者使用A3算法以提供附加的保密。更进一步，Ki以严格保护方式存储在SIM卡中，移动用户不知道它是什么，不同A3算法的选择让运营者在选择他们所需的A3算法有很大灵活性。由于鉴权

44、计算使处理机增加负担，AUC为每个用户计算了询问响应对，并把它送到存储它们的HLR，到需要时再用它，表5-10详细给出了北美标准IS-41.C版本与GSM的鉴权过程比较。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 表5-10IS-41C与GSM鉴权过程比较GSMIS-41RevC密钥的提供128位的鉴权密钥Ki存在于SIM卡中64位鉴权密钥（A密钥）通过邮件传输给用户。用户接收到密钥后把它输入电话中。也可以选择空中接口程序输入密钥。这不需要用户进行任何干预。共享或保密的数据都是从A密钥中得到的鉴权机理独一无二的竞争过程，鉴权中心给每一个移动用户提供不同的随机数RAND）如果用户在同一个小区内

45、使用同样的RAND就会进行全局竞争程序。程序支持惟一性，但它不是主要的鉴权过程第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS GSMIS-41RevC鉴权过程独一无二的RAND和Ki作为A3算法的输入，生成SRES通过网络传输进行鉴别。A3算法的输入参数和接入方式无关广播的RAND、ESN、MIN1和SSD-A作为CAVE算法的输入产生AUTHR。通过网络传输进行鉴别。CAVE算法的输入参数随着接入方式的不同而不同。（例如：登记或主呼发起等等）漫游用户的鉴权给VLR提供一组参数。每组参数包括RAND、SRES和密钥Kc。VLR选择一个RAND要求移动用户进行鉴权。将MS送来的SRES与网络生成的

46、SRES进行比较。一般来说，一次传输5个数据。一旦VLR全部用完，就需要向LR/AUC申请附加的组参数。3算法驻留在AUC中给VLR提供SSD。VLR中有CAVE算法。从MS接收到RAND、ESN和MINI信号后，VLR能够通过存储的SSD-A作为CAVE算法的输入，用于对MS自动鉴权第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS GSMIS-41RevC鉴权参数的传输一旦信道已经建立起来，鉴权信息就被发送。这样带宽效率较高鉴权参数可以作为初始接入信息的一部分鉴权数据抗截获保护如果这组参数在网络中被截获，用户会遭损害直到这组参数全部用完。之后，又可以要求新的一组参数SSD在网络中被拦截，用户因此

47、会受很长时间的牵连。可以通过历史记录（COUNT）参数来防范这一点第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 图5-10描述了GSM的加密过程。GSM支持MS和BTS之间空中接口上的加密。用于鉴权的RAND用在与Ki一起作为A8算法的输入。输出Kc和帧数一起作为另一个A5算法的输入。输出被认为是加密序列和对数据加密。密钥的管理与鉴权密钥相同，在网络侧BTS使用密钥，对每次传输进行加密并将数据送给BSC。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 图5-10GSM的加密过程第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.7 GSM无线信道无线信道 5.7.1 频域分析频域分析 正像前面已提

48、到，GSM是TDMA/FDMA系统。GSM900系统使用900 MHz频段,收发频差为45 MHz。每个射频（RF）信道频道宽度为200kHz,共有8个时隙信道。每个RF信道由一个上行（uplink）和一个下行（downlink）频率对组成，这种方式称为频分双工（FDD）。由于各基站(BTS)会占用频段中任何一组频率,移动台必须有在整个频段上发送和接收信号的能力。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.7.2 时域分析时域分析GSM将每一个无线信道分成8个不同时隙，每个时隙支持一个用户，这样一个无线信道能够支持8个用户。每个用户被安排在无线信道的一个时隙中并只能在该时隙发送。时隙从0

49、7编码。这相同频率的8个时隙被称为一个TDMA帧。用户在某一时隙发送被称为突发时隙(burst)。一个突发长度时隙为577s，一帧为4.615ms。若用户在上行频率的0时隙发送，则将在下行频率的0时隙接收。时隙0的上行发射出现在接收下行时隙的三个时隙之后。这样带来一个好处是移动台不需要双工器。但它需要同步发射和接收。在移动台中去掉双工器，可使GSM手机更轻，功耗更小，制造价格更便宜。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 5.7.35.7.3语音编码语音编码(SpeechCodingSpeechCoding)GSM网络提供给GSM用户最重要的电信业务是电话（即语音业务），语音质量必须满足

50、要求，由于语音是连续的,而GSM中空中信号是采用时隙方式发送的。这意味着，连续的语音信号不得不进行分块压缩使其能在一个时隙中传递，在接收端再扩张，以还原出原始连续的语音信号。这类器件被称为是语音编解码器。语音编解码器将人的语音变成一组适合无线接口传输的数据信号,接收端的解码器将接收的数字还原成人的语音，每一个移动台都有一个语音编解码器。在网络这一边，语音编解码器形成发送编码器和速率适配器单元TRA。TRA存在于基站子系统BSS中，GSM支持各种语音编解码器。第5章 GSM数字蜂窝移动通信系统与GPRS 在GSM的第1阶段定义支持全速语音编解码，所谓全速编码是指该编译码器在语音传送时每帧均占有一