20 蜂窝移动通信系统.ppt

现代通信技术进展,第二十讲：蜂窝移动通信系统,GSM的发展历史,蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS(先进的移动电话业务)模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT(Nordic 移动电话)系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C450系统等。,GSM的局限性,1.各系统间没有公共接口；2.很难开展数据承载业务；3.频谱利用率低无法适应大容量的需求；4.安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。,GSM通信系统,蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成.,GSM系统框图,它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往左Um接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。,2.2 交换网路子系统,交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。NSS 由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：,MSC,是GSM系统的核心，是对位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，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS、还应能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。,VLR,是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，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。,HLR,也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。,AUC,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RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。,EIR,也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。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。,2.3 无线基站子系统,BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。,BSC,具有对一个或多个BTS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、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。,BTS,无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。,2.4 移动台,移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡（SIM）。,移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。,SIM卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。,2.5 操作维护子系统,GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。,3 GSM关键技术,3.1 工作频段的分配 我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段：905915（移动台发、基站收）950960（基站发、移动台收）,随着业务的发展，可视需要向下扩展，或向1.8GHz频段的DCSI800过渡，即1800MHz频段：17101785（移动台发、基站收）18051880（基站发、移动台收）,2）频道间隔,相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）。每信道占用带宽200kHz8=25kHz，同模拟网TACS制式每个信道占用的频率带宽。从这点看二者具有同样的频谱利用率。将来GSM采用半速率话音编码后，每个频道可容纳16个半速率信道。,（3）频道配置,采用等间隔频道配置方法，频道序号为76124，共49个频点。频道序号和频点标称中心频率的关系为：,（4）双工收发间隔：45kHz,发射标识：业务信道发射标识为271KF7W；控制信道发射标识为271KF7W。271K F 7 W 必要带宽271kHz 主载波调制方式：调频 调制主载波的信号性质：包含量化或数字信息的双信道或多信道 被发送信息的类型：电报传真数据、遥测、遥控、电话视频的组合,（5）干扰保护比,载波干扰保护比（CI）就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其它一些因素如天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等所造成的。,GSM规范中规定,同频道干扰保护比：C/I 9dB 邻频道干扰保护比：C/I-9dB 载波偏离400kHz时的干扰保护比：C/I-41dB,（6）频率复用方式,频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。,900MHz 39方式频道分配图,频率复用方式,7小区分组,(7)保护带宽：400kHz,当一个地区数字移动通信系统与模拟移动通信系统共存时，两系统之间(频道中心频率之间)应有约400kHz的保护带宽，通常是由模拟B网预留。,3.2 时分多址技术（TDMA）,多址技术就是要使众多的客户公用公共通信信道所采用的一种技术。实现多址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常称它们为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。,频分多址和时分多址方式,在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。每一频点（频道或叫载频TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道，因此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用.,TDMA系统具有如下特性,(1)每载频多路。如前所述，TDMA系统形成频率时间矩阵，在每一频率上产生多个时隙，这个矩阵中的每一点都是一个信道，在基站控制分配下，可为任意一移动客户提供电话或非话业务。,(2)突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的，只是在规定的时隙内发射脉冲序列.,TDMA系统具有如下特性,(3)传输速率高，自适应均衡。每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高，但数字传输带来了时间色散，使时延扩展量加大，则务必采用自适应均衡技术。,(4)传输开销大。由于TDMA分成时隙传输，使得收信机在每一突发脉冲序列上都得重新获得同步。为了把一个时隙和另一个时隙分开，保护时间也是必须的。因此，TDMA系统通常比FDMA系统需要更多的开销。,TDMA系统具有如下特性,5)对于新技术是开放的。例如当话音编码算法的改进而降低比特速率时，TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。,(6)共享设备的成本低。由于每一载频为许多客户提供业务，所以TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了。,(7)移动台较复杂。它比FDMA系统移动台完成更多的功能，需要复杂的数字信号处理,3.3 时分多址(TDMA)帧结构,1）TDMA信道概念 GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就为一个时隙(TS)，而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。,逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道,逻辑信道,业务信道（TCH）：用于传送编码后的话音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点（BTS对一个MS，或反之）方式传播。,控制信道：用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道.,广播信道（BCH）,频率校正信道（FCCH）：携带用于校正MS频率的消息，下行信道，点对多点（BTS对多个MS）方式传播,同步信道（SCH）：携带MS的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，下行信道，点对多点方式传播。,广播控制信道（BCCH）：广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。下行，点对多点方式传播。,专用控制信道,独立专用控制信道（SDCCH）：用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。例如登记和鉴权在此信道上进行。上行和下行信道，点对点方式传播。,慢速随路控制信道（SACCH）：它与一个TCH或一个SDCCH相关，是一个传送连续信息的连续数据信息，如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。,快速随路控制信道（FACCH）：它与一个TCH相关。工作于借用模式，即在话音传输过程中如果突然需要以比ACCH所能处理的高得多的速度传送信令信息，则借用20ms的话音（数据）来传送。,公共控制信道,寻呼信道（PCH）：用于寻呼（搜索）MS。下行，点对多点方式传播。,随机接入信道（RACH）：MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH），可作为对寻呼的响应或MS主叫登记时的接入。上行信道，点对点方式传播。,允许接人信道（AGCH）：用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。下行信道，点对点方式传播。,（2）TDMA帧,在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，相当于FDMA系统中的一个频道，每帧包括8个时隙（TS0-7），要有TDMA 帧号，这是因为GSM的特性之一是客户保密性好，是通过在发送信息前对信息进行加密实现的。,帧结构图,3）突发脉冲序列（Burst）,TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。共有五种类型。,普通突发脉冲序列（NB）,用于携带TCH及除RACHA，SCH和FCCH以外的控制信道上的信息，“57个加密比特”是客户数据或话音，再加“1”个比特用作借用标志。借用标志是表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用。“26个训练比特”是一串已知比特，用于供均衡器产生信道模型（一种消除时间色散的方法）。,频率校正突发脉冲序列（FB）,用于移动台的频率同步，它相当于一个带频移的未调载波。此突发脉冲序列的重复称FCCH。图中“固定比特”全部是0，使调制器发送一个未调载波。“TB”和“GP”同普通突发脉冲序列中的“TB”和“GP”。,同步突发脉冲序列（SB）,用于移动台的时间同步，它包括一个易被检测的长同步序列并携带有TDMA帧号和基站识别码（BSIC）信息。这种突发脉冲序列的重复称为SCH。,接入突发脉冲序列（AB）,用于随机接入，它有一个较长的保护间隔，这是为了适应移动台首次接入（或切换到另一个BTS）后不知道时间提前量而设置的。移动台可能远离BTS，这意味着初始突发脉冲序列会迟一些到达BTS，由于第一个突发脉冲序列中没有时间调整，为了不与下一时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲序列必须短一些.,空闲突发脉冲序列（DB）,此突发脉冲序列在某些情况下由BTS发出，不携带任何信息。它的格式与普通突发脉冲序列相同，其中加密比特改为具有一定比恃模型的混合比特。,（4）逻辑信道到物理信道的映射,每小区有若干个载频，每个载频都有8个时隙，我们定义载频数为C0，C1，Cn，时隙数为T30，T51，T87。,控制信道的映射,F（FCCH）-移动台依此同步频率，它的突发脉冲序列为FB。S（SCH）-移动台依此读TDMA帧号和BSIC码，突发脉冲序列为SB。B（BCCH）-移动台依此读有关此小区的通用信息。突发脉冲序列为NB。I（IDEL）-空闲帧，不包括任何信息。突发脉冲序列为DB。C（CCCH）-移动台依此接受寻呼和接入，突发脉冲序列NB。,业务信道的映射,除映射控制信道以外的时隙均映射业务信道（TCH），映射方法如图。图中仅给出了下行C0上的TS2映射构成。,3.4 空间分集,采用分集方法即在若干个支路上接收相互问相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。分集的方法有空间分集、频率分集、极化分集、角度分集、时间分集和分量分集等多种。,3.5 时间色散和均衡,数字传输的引入带来了另一问题是时间色散。这一问题也起源于反射，但与多径衰落不同，其反射信号来自远离接收天线的物体约在几千米远处。由基站发送“1”、“0”序列，如果反射信号的达到时间刚好滞后直射信号一个比特的时间，那么接收机将在从直射信号中检出“0”的同时，还从反射信号中检出“1”，于是导致符号“1”对符号“0”的干扰。,均衡有两个基本途径：,一为频域均衡，它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件。它往往是分别校正幅频特性和群时延特性，序列均衡通常采用这种频域均衡法。二为时域均衡，就是直接从时间响应考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。,横向滤波器,时域均衡系统的主体是横向滤波器，也称横截滤波器，它由多级抽头延迟线、加权系数相乘器（或可变增益电路）及相加器组成。,自适应均衡器,自适应均衡器所追求的目标就是要达到最佳抽头增益系数，是直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益，因而能适应信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的工作状态，有更好的失真补偿性能，自适应均衡器需有三个特点：快速初始收敛特性、好的跟踪信道时变特性和低的运算量,实际使用的自适应均衡器系统除在正式工作前先发一定长度的测试脉冲序列，又称训练序列，以调整均衡器的抽头系数，使均衡器基本上趋于收敛，然后再自动改变为自适应工作方式，使均衡器维持最佳状态。,均衡技术的原理,最佳接收机应适合用于特殊类型传输信道。我们要做的事情就是建立一个传输信道（即空中接口）的数学模型，计算出最可能的传输序列，这就是均衡器。,传输序列是以突发脉冲串的形式传输，在突发脉冲串的中部，加有已知方式的且自相关性强的训练序列，利用这一训练序列，均衡器能建立起该信道模型。这个模型随时间改变，但在一个突发脉冲串期间被认为是恒定的。,3.6 基站与移动台间的时间调整,由于在空中接口采用了TDMA技术，那么某一移动台必须在指配给它的时隙内发送，而在其余时间又必须保持寂静，否则它会干扰使用同样载频上不同时隙的另一些移动客户。,从图可见，收发之间是间隔3个时隙。假如某移动台占用了时隙2（TS2），可它在呼叫期间向远离基站方向移动，因此从基站发出的信息，将会越来越迟地到达移动台。与此同时移动台的应答信息，也会越来越迟地到达基站。如果不采取措施，该时延长至使该移动台在TS2发送的信息与基站在TS3接受到的另一个呼叫信息重迭起来。所以，在呼叫进行期间，必须监视呼叫到达基站的时间，并由系统向移动台发送指令，随着移动台离开基站的距离，逐步指示移动台提前发送的时间，这就是时间的调整。,时间调整,时间调整的提前是063个比特之间的任意值。如0个比特就表示不必调整，表明MS和BTS在一起。63个比特是调整的最大量，也就是BTS与BS之间最长距离。,当一个特定连接建立时，BTS不断测量自己脉冲时隙与收到的MS时隙之间的时间偏移量。基于这个测量，它可以向MS提供要求的时间提前量，并在SACCH上以每秒2次的频度通知MS。,3.7 话音编码,由于GSM系统是一种全数字系统，话音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把话音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。,PCM编码,采样。在某瞬间测量模拟信号的值。采样速率8kHz/s,量化。对每个样值用8个比特的量化值来表示对应的模拟信号瞬间值，即为样值指配256（28）个不同电平值中的一个。,编码。每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。,3.8 信道编码,采用数字传输时，所传信号的质量常常用接收比特中有多少是正确的”来表示，并由此引出比特差错率(BER)概念。BER表明总比特率中有多少比特被检测出错误，差错比特数目或所占的比特要尽可能小。然而，要把它减小到0，那是不可能的，因为路径是在不断变化的。这就是说必须允许存在一定数量的差错，但还必须能恢复出原信息，或至少能检测出差错，这对于数据传输来说特别重要，对话音来说只是质量降低。,信道编码,信道编码，能够检出和校正接收比特流中的差错。这是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，但有效地减少差错。,3.9 交织技术,在陆地移动通信上比特差错经常是成串发生的。持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。然而，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有效。为了解决这一问题，希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。这种方法就是交织技术。,1交织技术的一般原理,假定由一些4比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第1个比特取出来，并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组，称作第一帧，4个消息分组中的比特24，也作同样处理，如图所示。,2GSM系统中交织方式,在GSM系统中，信道编码后进行交织，交织分为两次，第一次交织为内部交织，第二次交织为块间交织。话音编码器和信道编码器将每一20ms话音数字化并编码，提供456个比特。首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特，见图所示。,如果将同一20ms话音的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中，那么该突发脉冲串丢失则会导致该20ms的话音损失25的比特，显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特。因此必须在两个话音帧间再进行一次交织，即块间交织。,把每20ms话音456比特分成的8帧为一个块，假设有A、B、C、D四块，在第一个普通突发脉冲串中，两个57比特组分别插入A块和D块的各1帧，这样一个20ms的话音8帧分别插入8个不同普通突发脉冲序列中，然后一个一个突发脉冲序列发送，发送的突发脉冲序列首尾相接处不是同一话音块，这样即使在传输中丢失一个脉冲串，只影响每一话音比特数的12.5，而这能通过信道编码加以校正。,3.10 跳频技术,采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性，它首先被用于军事通信，后来在GSM标准中也被采纳。,1)改善衰落。(2)处于多径环境中的漫速移动的移动台通过采用跳频技术，大大改善移动台的通信质量，相当于频率分集。(3)跳频相当于频率分集。,基带跳频,基带跳频的原理是将话音信号随着时间的变换使用不同频率发射机发射。,射频跳频,射频跳频是将话音信号用固定的发射机，由跳频序列控制，采用不同频率发射。需要说明的是，射频跳频必须有两个发射机，一个固定发射载频Fo，因它带有控制信道BCCH；另一发射机载波频率可随着跳频序列的序列值的改变而改变。,射频跳频,(1)射频跳频目前还不成熟。(2)射频跳频只有当每小区拥有4个频率以上时效果比较明显。(3)射频跳频必须使用HIBRID合成器，每小区如使用4个载频就需要配置3个HIBRID，损耗约6dB，比空腔合成器的损耗大3dB 左右。对基站覆盖范围有一定影响。(4)合成器要求网路中各基站必须同步，而目前很多供货商难满足。,3.11 保密措施,接入网路方面采用了对客户鉴权；无线路径上采用对通信信息加密；对移动设备采用设备识别；对客户识别码用临时识别码保护；SMI卡用PIN码保护。,(1)提供三参数组,客户的鉴权与加密是通过系统提供的客户三参数组来完成的。客户三参数组的产生是在GSM系统的AUC(鉴权中心)中完成，,(2)鉴权,鉴权的作用是保护网路，防止非法盗用。同时通过拒绝假冒合法客户的“入侵”而保护GSM移动网路的客户。,(3)加密,GSM系统中的加密也只是指无线路径上的加密，是指BTS和MS之间交换客户信息和客户参数时不被非法个人或团体所得或监听。,(4)设备识别,每个移动台设备均有设备识别码(1MEl)，移动台设备如允许进入运营网，必需经过欧洲型号认证中心认可，并分配一个十进制6位数字，占用IMEI 15位十进制数字的前6位设备识别的作用就是确保系统中使用的移动台设备不是盗用的或非法的。,白名单-包括已分配给可参与运营的GSM各国的所有设备识别序列号码。黑名单-包括所有应被禁用的设备识别码。灰名单-包括有故障的及未经型号认证的移动台设备，由网路运营者决定。,(5)临时识别码(TMSI),临时识别码的设置是为了防止非法个人或团体通过监听无线路径上的信令交换而窃得移动客户真实的客户识别码(IMSI)或跟踪移动客户的位置。,(6)PIN码,在GSM系统中，客户签约等信息均被记录在一个客户识别模块(SIM)中，此模块称作客户卡。客户卡插到某个GSM终端设备中，便视作自己的电话机，通话的计费帐单便记录在此客户卡户名下。为防止帐单上产生讹误计费，保证入局呼叫被正确传送，在SIM卡上设置了PIN码操作(类似计算机上的Password功能)。PIN码是由48位数字组成，其位数由客户自己决定。,GSM网络结构,4.1 全国GSM移动通信网的网路结构 全国GSM移动电话网按大区设立一级汇接中心省内设立二级汇接中心、移动业务本地网设立端局构成三级网路结构。三级网路结构组成了一个完全独立的数字移动通信网路。而模拟移动通信网路结构是与PSTN网混合方式来组建的，它在省内建立二级汇接中心，在移动业务本地网内建端局，无一级汇接中心，省际间的通信是借助于PSTN网的长途电话网来实现，当然为实现省际间的自动漫游，模拟移动电话网必须建立自己的全国信令网。,4.2 省内GSM移动通信网的网路结构,省内GSM移动通信网由省内的各移动业务本地网构成，省内设若干个移动业务汇接中心(即二级汇接中心)，汇接中心之间为网球网结构，汇接中心与移动端局之间成星状网。根据业务量的大小，二级汇接中心可以是单独设置的汇接中心(即不带客户，全有至基站接口，只作汇接)，也可兼作移动端局(与基站相连，可带客户)。省内GSM移动通信网中一般设置二三个移动汇接局较为适宜，最多不超过四个，每个移动端局至少应与省内两个二级汇接中心相连。任意两个移动交换局之间若有较大业务量时，可建立话音专线。,4.3 移动业务本地网的网路结构,全国可划分为若干个移动业务本地网，划分的原则是长途区号为2位或3位的地区为一个移动业务本地网。每个移动业务本地网中应设立一个HLR(必要时可增设HLR，HLR可以是有物理实体的，也可是虚拟的，即几个移动业务本地网公用同一个物理实体HLR，HLR内部划分成若干个区域，每个移动业务本地网用一个区域，由一个业务终端来管理，和一个或若干个移动业务交换中心(MSC)，还可以几个移动业务本地网共用一个MSC。,4.4 信令网路结构,在建网初期，由于国内的No.7信令网不适宜传输MAP消息，作为过渡，可先建立移动专用No.7信令网。网路结构仍采用三级结构：,第二级为低级信令转接点(LSTP)；第三级为信令点(SP)。第一级为最高级，称高级信令转接点(HSTP),中国电信近期GSM信令网结构,GSM网络支持的业务,GSM移动通信网能提供6类10种电信业务，其业务编号、名称、种类和实现阶段见所示。,(1)电话业务,电话业务是GSM移动通信网提供的最重要业务。经过GSM网和PSTN网，能为数字移动客户之间、数字蜂窝移动电话网客户月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、各类查询业务和申告业务，以及提供人工、自动无线电寻呼业务。,(2)紧急呼叫业务,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119或110或120等时，依据客户所处基站位置，就近接入火警中心(119)、匪警中心(110)、急救中心(120)等。当客户按紧急呼叫键(SOS键)时，应向客户提示如何拨叫紧急中心。,3)短消息业务,短消息业务又可分为包括移动台起始和移动台终止的点对点的短消息业务和点对多点的小区广播短消息业务。移动台起始的短消息业务能使GSM客户发送短消息给其它GSM点对点客户；点对点移动台终止的短消息业务，则可使GSM客户接收由其它GSM客户发送的短消息。,(4)可视图文接入 可视图文接入是一种通过网路完成文本、图形信息检索和电子邮件功能的业务。,(5)智能用户电报传送 智能用户电报传送能够提供智能用户电报终端间的文本通信业务。此类终端具有文本信息的编辑、存储处理等功能。,(6)传真 交替的语音和三类传真是指语音与三类传真交替传送的业务。自动3类传真是指能使客户经GSM网以传真编码信息文件的形式自动交换各种函件的业务。,6.4 移动台支持的功能,(1)被叫号码的输入和显示。(2)环境进程信号提示音。(3)地区PLMN指示。-当自动登记到另外PLMN时的指示(4)地区PLMN选择。(5)签署识别管理：当SIM卡从移动台设备中抽出时，不能进行正常的呼叫。(6)PIN输入错误指示。(7)业务指示：登记成功时的一种指示。(8)短消息指示和应答。(9)短消息溢出指示。,2补充功能 MS补充功能是指直接针对补充业务的操作。必备项：MS可对补充业务进行控制。一旦运营部门拒绝提供服务时，MS能提供明确指示。可选项：MS能显示来自PLMN的每次通话的费率信息。,3MS附加功能,必备项：自检功能。MS开机后，在进入网路之前必需进行自检，以便为正常运行做准备。可选项：(1)缩位拨号。(2)固定号码呼叫。(3)号码重拨。(4)免提功能。(5)禁止呼出选择。(6)鉴权保护。(7)耳机音量调整。(8)自动开机，定时关机。(9)接收质量指示。(10)呼叫费率计量。,SIM卡,无线传输比固定传输更易被窃听，如果不提供特别的保护措施，很容易被窃听或被假冒一个注册用户。八十年代的模拟系统深受其害，令到用户利益受损，因此GSM首先引入了SIM卡技术。,SIM卡,客户与设备分离(人机分开)。在GSM通信中，SIM卡与移动设备之间已设置一个开放式的公共接口，这样，使用者与自己的设备之间没有互相依存的关系。,通信安全可靠。因为在SIM卡中有一个永久性的存储器，既有存储能力，又有进行计算的能力，所以它属于智能卡。,1.SIM卡的结构和类型,SIM卡是带有微处理器的智能芯片卡，它的构成是以下几个模块：-CPU-程序存储器(ROM)-工作存储器(RAM)-数据存储器(EPROM或E2PROM)-串行通信单元,2SIM卡的软件特性,SIM卡采用新的单片机及存储器管理结构，因此处理功能大大增强。SIM卡中存有三类数据信息：(1)与持卡者相关的信息以及SIM卡将来准备提供的所有业务信息，这种类型的数据存储在根目录下。(2)GSM应用中特有的信息，这种类型的数据存储在GSM目录下。(3)GSM应用所使用的信息，此信息可与其它电信应用或业务共享，位于电信目录下。,3SIM卡中的保密算法及密钥,SIM卡中最敏感的数据是保密算法A3、A8算法、密约Ki、PIN、PUK和Kc。A3、A8算法是在生产SIM卡的同时写入的，一般人都无法读A3、A8算法；HN码可由客户在手机上自己设定；PUK码由运营者持有；Kc是在加密过程中由Ki导出；Ki需要根据客户的IMSI和写卡时用的母钥(Kki)，由运营部门提供的一种高级算法DES，即KiDES(IMSI，Kki)，经写卡机产生并写入SIM卡中，同时要将IMSI、Ki这一对数据送入GSM网路单元AUC鉴权中心。,7.3 SIM功能简介,SIM卡的主要完成两种功能：存储数据(控制存取各种数据)和在安全条件下(个人身份号码PIN、鉴权钥Ki正确)完成客户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程。,2功能配置,(1)业务表 这种功能所配置的数据字段为6F38，用于识别在 SIM卡中已分配的和已激活的业务。这些业务是移动开发所需要的业务，如电信目录下的各种业务。,(2)国际移动开发识别(IMSI)这种功能所配置的数据字段为6F07，是用于存储国际移动开发身份的字段。,功能配置,(3)闭锁PLMN问路 这种功能所配置的数据字段为6F7B，用于存储4个不允许移动设备自动进入的PLMN网路。,4)位置信息 这种功能所配置的数据字段为6F7E，用于存储客户临时身份识别(TMSI)、位置区识别(LAI)、临时身份的有效时间(TMSITIME)、位置更新状态。,功能配置,(5)加密密钥(Kc)及它的序列号码(n)这种功能所配置的数据字段为6F20，用于存储加密密钥(Kc)和它的序列号码(n)。,(6)PLMN选择器 这种功能所配置的数据字段为6F30，用于客户或运营者选择使用PLMN网路的优先次序。,功能配置,(7)广播控制信道信息(BCCH)这种功能所配置的数据字段为6F74，用于存储加快呼叫连接进程的BCCH。,(8)接入控制 这种功能所配置的数据字段为6F78，用于存储客户接入控制等级。在15个等级中，有l0个等级可分配给一般的客户，5个等级分配给有高、优先权的客户，所以共需2个字节。,功能配置,(9)被叫客户子地址 这种功能所配置的数据字段为6F3E，用于存储被叫客户子地址。一般可以结合存储在时间字段6F3A的缩位拨号进行操作。,(10)缩位拨号 这种功能所配置的数据字段为6F3A，用于存储客户电话号码、被叫客户子地址识别符、网路承载能力识别符等。,功能配置,(11)容量配置参数 这种功能所配置的数据字段为6F3D，用于存储所需要的网路承载能力的参数和当采用缩位拨号时移动设备结合已建立的呼叫配置参数。,(12)短消息 这种功能所配置的数据字段为6F3C，用于存储移动设备从网路端接收的短消息，以及移动台发起的短消息。所需要的容量为176字节。,功能配置,(13)计费 这种功能所配置的数据字段为6F39，用于存储所有的呼叫话费信息，即在客户通话结束后的最终话费。,(14)固定拨号 这种功能所配置的数据字段为6F3B。,呼叫处理,8.1 客户状态 移动台客户状态一般是处于MS(客户)开机(空闲状态)、MS关机和MS忙三种状态之一，因此网路需要对这三种状态做相应处理。,(1)MS开机，网路对它作“附着”标记,当移动台开机(打开电源)后，它首先要在空中接口上搜索以找到正确的频率，并依靠搜索到的正确频率校正和同步频率，并将此频率锁定。该频率载有广播信息和可能的寻呼信息。,(2)MS关机，从网路中“分离”,前面已经提到，一个激活状态的MS在VLR中标有“附着”标记。当MS切断电源关机时，MS即向网路发送最后一条消息，其中包括分离处理请求，MSC接收到后，即通知VLR对该MS对应的IMSI上作“分离”标记，而归属位置寄存器(HLR)并没有得到该客户已脱离网路的通知。当该客户被寻呼，HLR向拜访MSCVLR要漫游号码(MSRN)时，MSCVLR通知HLR该客户已分离网路，不再需要发送寻找该客户的寻呼消息。,(3)MS忙,无线网路分配给MS一个业务信道传送话音或数据，并在该客户ISDN上标注客户”忙”。当MS移动时，必须有能力转到别的信道上，这就叫切换。为了决定是否需要切换及怎样切换，系统要对来自MS和BTS的消息进行判断分析，这叫“定位”。,8.2 周期性登记,若MS向网路发送“IMSI分离”消息时，由于此时无线链路质量很差，衰落很大，那么GSM系统有可能不能正确译码，这就意味着系统仍认为MS处于附着状态。,再如MS开着机，可移动到覆盖区以外的地方，即盲区，GSM系统也不知道，仍认为MS处于附着状态。此时该客户被寻呼。系统就会不断地发出寻呼消息，无效占用无线资源。,初始化过程,初始化过程是一个随机接入过程。从广义上说，这个过程始于MS，MS在RACH(随机接入信道)上发送一条“信道请求”消息，BTS收到此消息后通知BSC，并附上BTS对该MS到BTS传输时延的估算及本次接入原因，BSC根据接入原因及当前资料情况，选择一条空闲的专用信道SDCCH通知BTS激活它。,当MS正确地收到自己的初始分配后，根据信道的描述，把自己调整到该信道上，建立一条传输信令的链路，发送第一个专用信道上的初始消息，其中含有客户的识别码(来自SIM卡上的信息)、本次接入的原因、登记和鉴权等内容。,8.4 位置更新,MS从一个位置区移到另一位置区时必须进行登记，也就是说一旦MS发现其存储器中的LAI与接收到的LAI发生了变化，便执行登记。这个过程就叫“位置更新”。,当MS向远离此小区BTS的方向移动时，信号强度就会减弱。当移动到两小区理论边界附近的某一点时，MSC就会因信号强度太弱而决定转移到邻近小区的新的无线频率上。,强制登记,由于小区1和小区2有相同的位置区码，所以MS接收的BCCH载频的改变并没有通知网路。这就是说，MS在没有进行位置更新时，网路并不参与此处理过程。,小区2和小区3不属于同一位置区。当MS从小区2移动到小区3时，MS通过接收BCCH便可知道已接入了新位置区。由于位置信息非常重要，因此位置区的变化一定要通知网路。这在移动通信中称为“强制登记”。,不同MSCVLR业务区间的位置更新,当MS从小区3移向小区5时(如图85)，BTS5通过新的 BSC把位置区消息传到新的MSCVLR。这就是不同MSCVLR业务区间位置更新。,位置更新过程,MS从一个BTS小区移向不同MSC的另一个 BTS小区时，它发现自己锁定的BCCH载频信号强度在减弱，而另一BTS小区的BCCH信号在增强，MS就通过新的BTS小区向MSC发送一个具有“我在这里”的信息，即位置更新请求。MSC把位置更新请求消息送给HLR，同时给出 MSC的和MS的识别码，HLR 修改该客户数据，并回给MSC一个确认响应，VLR对该客户进行数据注册，最后由新的MSC发送给MS一个位置更新确认，同时由HLR通知原来的MSC 删除VLR中有关该MS的客户数据。当然在这一过程发生前，要进行MS的鉴权。,不同BSC控制的位置区，BTS4通过新的BSC把位置消息传给原来的MSCVLR,相同MSCVLR业务区，不同MSC间的切换,在这种情况下，网路很大程度地参与了切换过程.BSC需向MSC请求切换，然后再建立MSC与新的BSC、新的BTS的链路，选择并保留新小区内空闲TCH供MS切换后使用，然后命令MS切换到新频率的新TCH上。切换成功后MS同样需要接收了解周围小区信息，由于位置区发生了变化，在呼叫完成后还须进行位置更新。,不同MSC间的切换,这是一种最复杂的情况，切换前需进行大量的信息传递。这种切换由于涉及两个MSC，我们称切换前MS所处的MSC为服务交换机(MSCA)，切换后MS所处的MSC为目标交换机(MSCB).MS原所处的BSC根据MS送来的测量信息作决定需要切换就向MSCA发送切换请求，MSCA再向MSCB发送切换请求，MSCB负责建立与新BSC和BTS的链路连接，MSCB向MSCA回送无线信道确认。根据越局切换号码(HON)，两交换机之间建立通信链路，由MSCA向MS发送切换命令，MS切换到新的TCH频率上，由新的BSC向MSCB，MSCB向MSCA发送切换完成指令。MSCA控制原BSC和BTS释放原TCH。,寻 呼,呼叫MS的路由到达该MS服务的MSC后，MSC即向MS发寻呼消息，这个消息在整个位置区内广播，这就是说位置区(LAI)内的所有基站收发信机(可以是由一个BSC控制，也可以是几个BSC控制的基站)都要向MS发送寻呼消息。LAI内正在接收CCCH信息的被叫MS便会接收此寻呼消息并立即响应。,MS主叫,若一MS处于激活且空闲状态，客户A 要建