数字移动通信技术.ppt

第3章 数字移动通信技术,3.1 移动通信概述 3.2 数字移动通信的基本技术 3.3 GSM数字蜂窝移动通信系统 3.4 Q-CDMA(IS-95)数字蜂窝移动通信系统3.5 第三代移动通信与个人通信 思考与练习,3.1 移动通信概述,3.1.1 移动通信的特点 与其它通信方式相比较，移动通信有如下特点：(1)移动通信的电波传播环境恶劣。,(2)多卜勒频移产生附加调制。由于移动台处于运动状态中，接收信号有附加频率变化，即多卜勒频移fd。fd与移动体移动速度有关。若电波方向与移动方向之间的夹角为，则有,(3-1),(3)移动通信受干扰和噪声的影响。(4)频谱资源紧缺。在移动通信中，用户数与可利用的频道数之间的矛盾特别突出。(5)建网技术复杂。,3.1.3 蜂窝移动通信系统的组成 蜂窝移动通信系统要实现移动用户与市话用户、移动用户与移动用户，以及移动用户与长途用户之间的通信，必须包括无线传输、有线传输以及信息的收集、处理和存储等，使用的主要设备有无线收发信机、交换控制设备和移动终端设备等。图3-1是典型的蜂窝移动通信系统示意图。,图3-1 蜂窝移动通信系统,(1)交换网络分系统(NSS)。交换网络分系统包括移动交换中心(MSC)、拜访位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AC)、操作管理中心(OMC)和短消息中心(SME)等部分。(2)基站分系统(BSS)。基站分系统包括一个基站控制器(BSC)和由其控制的若干个基站收发信系统(BTS)。为使读者清楚地了解移动通信系统的组成，图3-2给出了GSM系统的结构组成。,图3-2 GSM系统结构,(3)移动台(MS)。移动台是移动通信系统不可缺少的一部分，它有车载式、手持式、便携式三种形式。移动台应包括移动台物理设备和智慧部件两部分。移动台由收发信机、频率合成器、数字逻辑单元、拨号按钮和送/受话器等组成。图3-3是一个典型的移动台收发信机框图，主要组成部分有：收信和发信信号处理、调制和解调、收信和发信通道、频率合成器和双工器等。,图3-3 移动通信收发信机框图,3.1.4 移动通信技术发展的趋势和特点(1)宽带化是通信信息技术发展的重要方向之一，随着光纤传输技术以及高通透量网络节点的进一步发展，有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开，而移动通信技术也正在朝着无线接入宽带化的方向演进，无线传输速率将从第二代系统的9.6 kb/s向第三代移动通信系统的最高速率2 Mb/s发展。,(2)随着网络中数据业务量主导地位的形成，从传统的电路交换技术逐步转向以分组的特别是以IP为基础的网络是发展的必然，IP协议将成为电信网的主导通信协议。,(3)核心网络综合化，接入网络多样化。未来信息网络的结构模式将向核心网/接入网转变，网络的分组化和宽带化使在同一核心网络上综合传送多种业务信息成为可能，网络的综合化以及管制的逐步开放和市场竞争的需要将进一步推动传统的电信网络与新兴的计算机网络的融合。,(4)信息个人化是21世纪初信息业进一步发展的主要驱动力之一，而移动IP技术正是实现未来信息个人化的重要技术手段，在手机上实现各种IP应用以及移动IP技术正逐步成为人们关注的焦点之一。(5)网络将以技术为中心转向以应用为中心。(6)移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革，现有电路交换网络向IP网络过渡的趋势已不可阻挡，IP技术将成为未来网络的核心关键技术。,3.2 数字移动通信的基本技术,3.2.1 蜂窝组网技术 1.蜂窝网的构成 若将一个移动通信服务区划分成许多小区(Cell)，每个小区设立基站，与用户移动台之间建立通信，小区的覆盖半径较小，可从几百米至几十千米。如果基站采用全向天线，覆盖区实际上是一个圆，但从理论上说，图形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖，有效覆盖整个平面区域的实际上是圆的内接规则多边形，这样的规则多边形有正三角形、正方形、正六边形三种，如图3-4所示。,图3-4 小区的形状(a)正三角形；(b)正方形；(c)正六边形,构成单元无线区群的基本条件是：区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积；相邻单元中，同信道小区之间距离保持相等，且为最大。满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。可以证明，区群内的小区数N应满足下式：N=a2+ab+b2(3-2)式中，a和b分别是相邻同频小区之间的二维距离，如图3-5所示。a，b为不能同时取0的正整数。由上式的计算可得到N为不同值时的正六边形蜂窝的区群结构如图3-6所示。,图3-5 蜂窝小区覆盖,图3-6 正六边形区群的构成,确定相邻区群同频小区的方法是：自某一小区A出发，先沿边的垂线方向跨a个小区，再按逆时针方向转60，然后再跨b个小区，这样就可找出同频小区A。在正六边形的六个方向上，可以找到6个相邻的同频小区，如图3-5所示。区群间同频复用距离可由下式计算：,(3-3),式中，N为区群内的小区数，r0为小区的辐射半径。,图3-7 用户分布密度不等时基站覆盖区的划分,图3-8 小区分裂方案,2.多信道共用 所谓多信道共用，就是在一个无线区内的n个信道为该无线区内所有用户共用，任何一个移动用户选取空闲信道及占用时间均是随机的。多信道共用可以大大提高信道的利用率，它支撑着移动网的呼损率、中断率、系统容量等指标。下面我们分别阐明话务量、呼损率、信道利用率的概念及其同系统用户数的关系。,话务量定义为在一特定时间内呼叫次数与每次呼叫平均占用信道时间的乘积，可分为流入话务量与完成话务量。流入话务量取决于单位时间内(通常为1小时)发生的平均呼叫次数与每次呼叫平均占用时间。在系统的流入话务量中，必然有一部分呼叫失败(信道全部被占用时，新发起的呼叫不能被接续)，而完成接续的那部分话务量称为完成话务量。,如用A表示流入话务量，A0表示完成话务量，C表示单位时间内发生的平均呼叫次数，C0表示单位时间内呼叫成功的次数，t表示每次呼叫平均占用信道时间，则 A=Ct(3-4)A0=C0t(3-5)损失话务量(呼叫失败的话务量)与流入话务量之比称为呼损率，用以说明呼叫损失的概率，用B表示，有,(3-6),根据话务理论，话务量、呼损率、信道数之间存在下式所示的定量关系，称为爱尔兰呼损公式。,(3-7),采用多信道共用技术能提高信道利用率，信道利用率可以用每个信道平均完成的话务量来表示，有,(3-8),用数表列出B、n、A和的关系如表3-1所示(略）。,有了上面的这些概念，接着我们讨论它们与系统用户数之间的关系。在工程设计中，为了计算系统用户数，需要知道每用户忙时话务量(用a表示)。忙时话务量与全天(24小时)话务量之比称为忙时集中系数(用K表示)，K一般取10%15%。假设每用户每天平均呼叫次数为C，每次呼叫平均占用信道时间为T(秒/次)，忙时集中系数为K，则每用户忙时话务量a为,(3-9),当每用户忙时话务量确定后，每个信道所能容纳的用户数m可由下式计算：,(3-10),若系统有n个信道，则系统所能容纳的用户数M为：M=mn=A/a(3-11),信道的自动选择方式有多种，但基本上可以分成两类：(1)专用呼叫信道方式。(2)标明空闲信道方式。,3.位置登记与信道切换 位置登记是指移动台向控制中心发送报文时，表明它本身工作时所处位置信息并被移动网登记存储的过程。在构造复杂的移动通信服务区内，一般将一个MSC控制区作为一个位置区或划分成若干个位置区。信道切换可以分为两类：越区切换和漫游切换。,3.2.2 多址技术 1.频分多址(FDMA)频分多址是以频率来区分信道的。模拟信号和数字信号都可采用频分多址方式传输。该方式有如下特点：(1)每路一个载频(2)连续传输。(3)FDMA蜂窝移动通信系统是频道受限和干扰受限的系统。,(4)FDMA系统需要周密的频率计划，频率分配工作复杂。(5)频率利用率低、系统容量小。,2.时分多址(TDMA)时分多址是以时隙(时间间隔)来区分信道的。在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙，每个业务信道占其中的一个时隙，在规定的时隙内收发信号。在时分多址方式中，分配给各移动台的是一个特定的时隙。,(1)以每一时隙为一个话路的数字信号传输。(2)各移动台发送的是周期性信号，而基站发送的是时分复用(TDM)信号，发射信号的速率随时隙数的增大而提高。(3)TDMA蜂窝移动通信系统是时隙受限和干扰受限的系统。(4)TDMA系统的定时和同步问题是关键问题。(5)抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。(6)基站设备成本低。,3.码分多址(CDMA)码分多址是基于码型分割信道。在CDMA方式中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的，而是用各不相同的编码序列来区分的。CDMA的特征是代表各信源信息的发射信号在结构上各不相同，并且其地址码相互间具有正交性，以区别地址。在移动通信中，要实现码分多址必须具备以下三个条件：,(1)要有数量足够多、相关性能足够好的地址码，使系统能通过不同的地址码建立足够多的信道。(2)必须用地址码对发射信号进行扩频调制，并使发送的已调波频谱极大地展宽(几百倍)，功率谱密度降低。(3)在码分多址系统的接收端，必须具有与发送端完全一致的本地地址码。,图3-9 DS-CDMA系统原理框图,图3-10 DS-CDMA系统各点波形图,图3-11 扩频过程中的频谱变换图,直扩码分多址移动通信系统具有如下特点：(1)具有抗干扰和抗多径衰落的能力。(2)系统容量大。(3)可与窄带系统共存。(4)软切换功能。(5)软容量和小区呼吸功能。(6)保密性好、设备简单、电池使用寿命长等。(7)存在多址干扰和远近效应。,3.2.3 调制技术 1.数字调制的要求 数字调制解调技术是数字移动通信的关键技术，应有如下主要要求：(1)频率利用率高。(2)误码性能好。(3)能接受差分检测，易于解调。(4)功率效率高。,2.主要的数字调制方式 移动通信的电波传播条件恶劣，地形地物影响大，移动通信中的调制技术应适应这种变参信道的条件。主要的调制方式有：(1)2FSK调制。移频键控基带信号是二元基带信号，分别用h和l表示传输信号，码元交替时相位不连续。2FSK信号的波形如图3-12所示。信号的频偏 d=h-0=0-l。调制产生的功率谱是基带数字信号功率谱的线性搬移。2FSK信号所占带宽为,图3-12 2FSK信号的波形,(2)MSK调制。移频键控频谱较宽的原因是码元交替过程中存在相位的跳变，如果能够控制其相位使得码元交替时载波相位连续变化，频谱边带就可以大大降低。最小移频键控(MSK)就是根据这一思想提出的。MSK是一种特殊的2FSK，只是它满足下面两个条件：,(3-12),代表基带信号“0”和“1”的两种频率的信号在一个码元期间Tb内所积累的相位差必须严格地等于，以保证码元转换时刻已调信号的相位是连续的。调制指数m=0.5。调制指数定义为频率偏移与比特率的比值，即,(3-13),图3-13 MSK的信号功率谱,(3)GMSK调制。MSK调制是调制指数为0.5的二元数字频率调制，它具有恒定包络、相对窄的带宽、相干检测等特性。(4)QPSK调制。QPSK即4PSK，是一种四进制数据的相位移相键控。其原理是先把输入数据作串/并变换，即将二进制数据每二比特分成一组，共有00，01，10，11四种组合。,图3-14 GMSK的功率谱密度,图3-15 QPSK信号相位和时间波形图,(5)OQPSK调制。OQPSK调制的原理是在输入数据作串/并变换后，再使其交错一个输入码元宽度Tb，然后再分别对两个正交的载波进行2PSK调制，最后叠加而成为OQPSK信号。,图3-16 OQPSK信号相位关系图,图3-17/4-QPSK信号状态迁移轨迹,(6)-QPSK调制。-QPSK调制是在QPSK基础上演变而来的，其相位跳变值为/4或3/4。/4-QPSK有8个相位状态，如图3-17所示。,3.2.4 语音编码技术 语音编码为信源编码，其目的是为了把模拟信号转变成数字信号以便在信道中传输。语音编码技术在移动通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率。移动通信中对语音编码技术的研究目的是在保证一定的语音质量的前提下，尽可能降低编码的比特率。语音编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。,移动通信中采用什么样的语音编码主要取决于无线移动信道的条件。移动通信对数字语音编码的要求如下：速率较低，纯编码速率应低于16 kb/s；在一定编码速率下音质应尽可能高；编码时延应较短，控制在几十毫秒之内；编码算法应具有较好的抗误码性能，计算量小，性能稳定；编码器应便于大规模集成。,1.波形编码器 波形编码可将时域的模拟信号的波形信号经过取样、量化、编码而形成的数字语音信号。为了保证数字语音信号解码后的高保真度，取样速率应满足奈奎斯特定理，并且量化分层数要大。,2.参量编码器 参量编码器又称声源编码器或声码器。这种编码器不是跟踪语音信号的波形，而是提取产生语音信号的特征参数。其原理是把人的发音器官看成是一个滤波器，它由来自声带振动的脉冲来激励，滤波器由咽喉、舌头和嘴组成。,3.混合编码器 混合编码器可以看成是波形编码器与声码器的混合，它综合了波形编码和参量编码的长处，即保持参量编码的低速率和波形编码的高语音质量的优点。在混合编码的信号中，既含有若干语音特征参量又含有部分波形编码的信息。,3.2.5 交织技术 假定由一些4比特组成的消息分组，把4个相继分组中的第一个比特取出来，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个消息分组中的第24比特，也作同样的处理，如图3-18所示。,图3-18 交织原理,图3-19 GSM系统的语音交织,3.2.6 分集技术 1.空间分集 空间分集的依据在于块衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收到的信号的衰落是不相关的。为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线，d与工作波长、地物及天线高度有关，在移动信道中，通常取 市区 d=0.5(3-14)郊区 d=0.8(3-15),2.频率分集 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。例如，市区的相关带宽Bc50 kHz，效区的Bc300 kHz，在开阔地Bc8 MHz。为了在市区和郊区都能取得满意的频率分集接收效果，Bc必须大于或等于300 kHz。,3.时间分集 时间分集表示在不同时隙发射相同的信息，在接收端产生两个非相关的衰落信号，重发信号的间隔时间要大于信道的相关时间。,图3-20 RAKE接收机原理图,3.2.7 自适应均衡技术 均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。均衡有两条基本途径：一是频域均衡，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，频域均衡往往分别校正幅频特性和群时延特性。,二是时域均衡，就是直接从时间响应来考虑，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应来考虑，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。数字通信中面临的问题是时变信号，因而需采用时域均衡来达到整个系统无码间串扰。时域均衡的主体是横向滤波器，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，如图3-21所示。,图3-21 横向滤波器,图3-22 维特比均衡器,图3-23 均衡器工作原理,表3-2 GSM系统的训练序列,3.3 GSM数字蜂窝移动通信系统,3.3.1 频率配置 移动台发送频段为890915 MHz，基站发送频段为935960 MHz，收发双工频率间隔为45MHz，相邻频道(载波)间隔为200 kHz。每个频道采用TDMA方式，分为8个时隙，即8个信道(全速率)为一帧，将来采用半速率语音编码后，每个频道可容纳16个信道。,我国GSM系统由两个运营部门经营，频率使用情况如下：中国电信：905909 MHz(移动台发送)，950954 MHz(基站发送)；中国联通：909915 MHz(移动台发送)，954960 MHz(基站发送)。频率分配采用等频距分配法。频道序号为7695，共20个频点，如表3-3所示。,表3-3 900 MHz GSM移动网的频率配置,fl(n)=890.200 MHz+(n-1)0.2 MHz(移动台发送)fh(n)=935.200 MHz+(n-1)0.2 MHz(基地台发送)(3-16)GSM系统可采用如下复用方式：对于无方向性天线，建议采用7组频率复用方式，其7组频率可从12组中任选，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用，如图3-24(a)所示。业务量较大的小区可借用剩余的频率组，如使用第9组的小区可借用第2组频率等。,对于有方向性天线，天线可采用120或60定向天线，形成“三叶草”小区，即把基站分成3个扇形小区。图3-24(b)、(c)分别给出了43、33两种复用方式。,图3-24 GSM系统频率复用方式,3.3.2 系统结构 1.交换网络分系统(NSS)交换网络分系统主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。NSS中各功能实体介绍如下：(1)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。,(2)VLR：是存储MSC处理所管辖区域中MS(统称拜访用户)的来话、去话呼叫所需检索的信息的数据库。HLR：是存储管理部门用于移动用户管理数据的数据库，存储着该HLR控制区内的所有移动用户的相关数据。AUC：用于产生为确定移动用户的身份和对呼叫保密所需鉴权和加密的三参数的功能实体。EIR：是存储有关移动台设备参数的数据库。它主要完成对移动设备和识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台使用。,OMC：操作与维护中心(OMC)用于对GSM系统的集中操作与维护，对网络进行管理与监控。OMC对基站分系统和交换网络分系统分别进行操作和维护(如监视、状态报告、故障诊断等)。,2.无线基站分系统(BSS)无线基站分系统是在一定的无线区域中由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。它主要负责无线网络资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是一个很强的业务控制点。BTS：是基站分系统的无线部分，由BSC控制。它主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道的加密、跳频等功能。,3.移动台 移动台包括移动台物理设备和智慧部件SIM卡两部分。移动台是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GSM系统中的唯一设备。移动终端(TE)：指终端设备本身，与用户个人无关，它可完成语音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息的发射和接收等。SIM卡：代表移动用户个人，存有认证用户身份所需的所有信息，并执行一些与安全保密有关的重要信息。,4.操作分系统(OSS)操作分系统是相对独立的对GSM系统提供管理和服务功能的单元，包括移动用户管理、移动设备管理、网络操作和控制等功能。移动用户管理包括对HLR和SIM卡的数据管理以及计费管理；OSS通过对EIR控制实现对移动设备管理；网络操作和控制是通过对BSS和NSS的操作和维护中心(OMC)来完成的。,3.3.3 号码与识别 1.移动台ISDN号码(MSISDN)MSISDN是指呼叫GSM系统中的某个移动用户时所需拨的号码。号码的结构为,2.国际移动用户识别码(IMSI)为了在无线路径和整个GSM移动通信网上正确识别某个移动用户，就必须给移动用户分配一个特定的识别码，存储于客户识别模块SIM、HLR、VLR中。此码在所有位置区(包括漫游区)都有效。通常在呼叫建立和位置更新时，需要使用IMSI号码。号码结构为,3.临时移动用户识别码(TMSI)为了对IMSI保密，IMSI只在起始入网登记时使用，在后续的呼叫中，使用经一定算法转换而来的TMSI，以避免通过无线信道发送其IMSI，从而防止窃听者检测用户的通信内容，或者非法盗用合法用户的IMSI。TMSI总长不超过4个字节，其格式由运营部门决定。,4.移动用户漫游号码(MSRN)当移动用户漫游到一个新的MSC/VLR业务区时，由VLR给它分配一个临时性的漫游号码，并通知该移动台的HLR，用于建立通信路由。一旦该移动台离开该业务区，此漫游号码即被收回，并可分配给其它来访用户使用。漫游号码的结构与移动用户国际(或国内)ISDN号码相同。,5.国际移动设备识别码(IEI)IMEI是区别移动台设备的标志，可用于监控被窃或无效的移动台设备，其结构为 6位数字 2位数字 6位数字 1位数字 TAC FAC SNR SP,6.位置区和基站识别码(LAI和BSIC)(1)位置区识别码(LAI)。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 3位数字 2位数字 最大16 bit MCC MNC LAC,(2)基站识别码(BSIC)。BSIC用于移动台识别相同载频的不同基站，特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载频且相邻的基站。BSIC为一个6 bit编码，结构为 3 bit 3 bit NCC BCC,3.3.4 GSM系统的数字无线接口 1.信道的定义 GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道。一个物理信道就是一个载频上的TDMA帧的一个时隙(TS)，每个用户通过一系列频率的一个物理信道接入系统，GSM中每个载频有8个物理信道，即信道07(时隙07)，在一个时隙中发出的信息称为一个突发脉冲序列。,而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息的种类不同而定义的信道，逻辑信道在传输过程中要被放在某个物理信道即时隙上。逻辑信道可分为两类：业务信道和控制信道。(1)业务信道(TCH)：用于传送经编码和加密后的语音或数据。(2)控制信道(CCH)：用于传送信令或同步数据。又可细分为：,2.TDMA帧结构 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。每帧含8个时隙(TS0TS7)，要有TDMA帧号，用于在发送信号前对信息进行加密，因为计算加密序列的算法是以TDMA帧号作为一个输入参数的。有了TDMA帧号，移动台就可判断控制信道上传送的是哪一类逻辑信道。图3-25示出了TDMA的帧结构。,图3-25 帧结构,3.时隙格式 在GSM系统中，每帧8个时隙，时隙宽度为0.576 ms，其中含156.25 bit，相应的比特速率为270.8 kb/s。根据所传信息的不同，时隙所含的具体内容和格式也不同。(1)业务时隙格式。如图3-26所示。(2)控制时隙格式。控制时隙的格式较多，如图3-27所示。,图3-26 业务时隙格式,图3-27 控制时隙格式,4.逻辑信道到物理信道的映射 传递各种信息的信道，在传输过程中要放至不同载频的某个时隙中，因此各种逻辑信道与时隙之间必须具有一定的对应关系。(1)控制信道的映射。(2)业务信道的映射。,图3-28 TS0上的控制逻辑信道(a)下行BCCH与CCCH在TS0上的映射；(b)上行TS0上RACH的映射,图3-29 TS1上的控制逻辑信道,(2)业务信道的映射。在每个基站的广播控制频道的TS0和TS1上按上述映射控制逻辑信道，该载频的TS2至TS7以及其它载频的TS0至TS7均可安排业务信道。业务信道(TCH)的映射见图3-30。,图3-30 TCH的映射,5.时间提前量 业务时隙和通用控制时隙中的保护时间为8.25 bit(约30 s)，对实际系统来说其覆盖距离往往是不够的，需要引入时间提前量(TA)。在基站角度，上行相对于下行的时隙安排是对应的。GSM规定，上行帧相对于下行帧有固定的3TS延迟时间(即收发之间的间隔为3个时隙)，称为TDMA帧偏移，见图3-31。,图3-31 上下行帧偏移,3.3.5 GSM系统的安全性管理 1.提供三参数组 用户三参数组是网络对用户实施鉴权和信息加密所必需的参数。三参数组的产生是在鉴权中心(AUC)中完成的。2.鉴权 将MSC/VLR确认移动台通过无线空间传送的IMSI是否是签约的IMSI的过程称为鉴权。,图3-32 鉴权过程,3.通信信息的加密 GSM系统中的信息的加密是指无线路径上的加密，即是指BTS和MS之间交换的用户信息和用户参数不被截获或监听，如图3-33所示。,图3-33 信息的加密(a)加密的产生；(b)加密过程,4.用户识别码的保密 IMSI是移动用户的特征号码，为防止IMSI在无线路径上被截获，提供用户识别号保密，VLR为在位置登记后的用户分配一个临时移动用户识别码(TMSI)。,5.设备识别 采用设备识别的目的是防止盗用或非法设备入网使用。设备识别是在GSM系统的设备识别寄存器(EIR)中完成的。EIR中存有三种名单：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：包括所有被禁止使用的设备识别号码。灰名单：由运营者决定，例如包括有故障的以及未经型号认证的移动设备。,设备识别过程为：MSC/VLR收到MS的接入请求后向MS请求IMEI，并将IMEI发送给EIR，EIR 将接收到的IMEI与白、黑、灰三种名单进行比较，把结果送给MSC/VLR，以决定是否允许入网。,3.3.6 移动用户的接续过程 1.开机进入空闲模式(1)移动台开机后搜索最强的BCCH载频，读取FCCH信道信息，使移动台的频率与之同步。(2)移动台读取SCH信道信息，找出基站识别码(BSIC)和帧同步信息，并且同步到超高帧TDMA帧号上。(3)移动台读取系统信息，如：邻近小区情况，现所处小区使用频率及小区是否可用，移动系统的国家号码和网络号码等，这些信息都在BCCH上得到。,2.位置登记移动台向网络登记的方式有：(1)开机登记。(2)周期性登记。,移动用户登记过程如下：(1)移动台在RACH上发出接入请求。(2)系统通过AGCH分配给移动用户一个SDCCH信道。(3)移动台在SDCCH上与系统交换信息(如鉴权)，完成登记。(4)移动台返回空闲状态，并监听BCCH和CCCH信道。,3.移动台被呼(固定用户呼叫MS为例)图3-34表示入局呼叫建立的方案，过程如下：(1)从ISDN/PSTN来的呼叫通过固定途径送到最近的入口局MSC(GMSC)()。(2)GMSC询问该用户的HLR，以求获得呼叫建立路由()。,图3-34 移动台被呼,(3)HLR询问当前为该用户服务的VLR(、)，请求VLR为该用户分配一个漫游号码(MSRN)，HLR将漫游号码及拜访MSC(VMSC)地址发给GMSC()。(4)GMSC根据从HLR获得的信息建立起到VMSC的呼叫()。(5)VMSC咨询VLR以便与被呼用户建立联系(、)。(6)VMSC/VLR通过PCH呼叫被呼移动用户(、10)，移动用户在RACH上通过发寻呼响应来应答(11)，在SACCH上发测试报告和功率控制。,(7)系统通过AGCH为移动台分配一个SDCCH。(8)系统与移动台在SDCCH上交换必要的信息，如鉴权，加密模式等。(9)系统通过SDCCH为移动台分配一个TCH，在TCH上开始通话。,4.移动台主呼(MS呼叫固定用户为例)(1)MS在RACH上发送呼叫请求。(2)系统通过AGCH为MS分配一个SDCCH信道。(3)MSC/VLR与MS经SDCCH交换必需的信息，如鉴权、加密模式、TMSI再分配等。(4)系统通过SDCCH为移动台分配一个TCH，并建立与PSTN/ISDN的连接信道。(5)被叫用户摘机，进入通话状态。,3.3.7 GSM系统的移动性管理 1.位置更新 MS从一个位置区移动到另一个位置区时，如果收到的LAI与原来存储的LAI不一致，便发出位置更新请求，将其新的位置信息通知网络，这个过程就叫位置更新。,2.切换 移动台在通话期间跨越小区或扇区时，网络进行实时控制，使维持通信连续性的系统功能称为切换。包括：小区内不同扇区间切换、BSC控制区内不同小区间切换、MSC内不同BSC间切换、MSC间切换以及PLMN间切换。,GSM系统的过区切换采用移动台辅助切换法，即把过区切换的检测和处理等功能部分地分散到各个移动台，由移动台来测量本基站和周围基站的信号强度，把测得结果送给MSC进行分析和处理，从而作出有关过区切换的决策。图3-35给出MSC间切换的实现过程。,图3-35 不同MSC/VLR间的切换过程,3.漫游 GSM移动通信网中，移动用户由归属局(MSC-H)控制区进入被访局(MSC-V)控制区后，仍能获得移动业务服务的网络功能称为漫游。漫游业务的提供包含三个步骤：位置更新、呼叫转移、呼叫建立。(1)位置更新。图3-36给出不同MSC/VLR控制区的位置更新过程。,图3-36 不同MSC/VLR控制区的位置更新,(2)呼叫转移。呼叫转移就是入口局(GMSC)根据主叫用户的拨号，通过7号信令向HLR查询漫游用户的当前位置信息以及获得MSRN，并利用MSRN重选接续路由的过程。(3)呼叫建立。被访MSC-B查出漫游用户的IMSI，将其转换成信令数据。在MSC-B控制区内的位置登记区中发出寻呼。,3.3.8 DCS1800系统简介(1)DCS1800的无线发射频段：基站为18051880 MHz，移动台为17101785 MHz，双工间隔为95 MHz。(2)DCS1800系统既能提供0.58 km的宏小区服务，又能提供0.10.5 km的微小区，甚至0.1 km以下的微微小区服务，以满足高密度用户分布区域的网络设计。,图3-37 蜂窝小区的重叠覆盖,(3)DCS1800系统可与GSM系统重叠覆盖或部分重叠覆盖运行，如图3-37所示。,图3-38 DCS1800系统的结构,3.4 Q-CDMA(IS-95)数字蜂窝移动通信系统,3.4.1 CDMA系统中的扩频码与地址码 CDMA的基本原理是基于扩展频谱技术。扩频技术是在系统中传输的已调信号带宽Bw(发射扩频信号带宽)远大于调制信号带宽Bs(信码速率)的信息传输方式，通常要求Bw/Bs100。,理想的地址码和扩频码应具有如下特性：有足够多的地址码码组。有尖锐的自相关特性。有处处为零的互相关特性。不同码元数平衡相等。尽可能大的复杂度。,图3-39 m序列自相关函数,(IS-95)CDMA系统中采用了三种码序列：(1)短PN码。周期为215个码片，速率为1.2288 Mc/s，是用于QPSK的同相与正交支路的直接序列扩频码。(2)Walsh码。CDMA系统中采用64阶正交Walsh函数。(3)长PN码。周期为(242-1)个码片，速率为1.2288 Mc/s，CDMA系统利用该码对数据进行扩频和扰码，为通信提供保密。,图3-40 长码产生器,3.4.2 正向信道及其信号设计 CDMA数字移动通信系统中，正向信道采用FDMA/CDMA混合多址技术。把使用频段分成若干个带宽为1.25 MHz的频道，一个蜂窝小区可有一个或多个1.25 MHz的频道。正向信道用Walsh函数码作为地址码来建立码分信道；各基站使用一对引导PN序列(短PN码)进行四相调制，不同基站的引导PN序列具有不同的相位偏移量。,一个CDMA频道划分为64个码分逻辑信道。正向信道包含一个导频信道、一个同步信道(必要时可改作业务信道)、七个寻呼信道(必要时可逐个改作业务信道)和55个(最多63个)正向业务信道。如图3-41所示。,图3-41 CDM系统正向信道构成,1.导频信道(W0)基站在此信道发送导频信号(信号功率比其他信道高)供移动台识别基站并引导移动台入网。2.同步信道(W32)移动台通过导频信道与引导PN序列同步后，开始解调同步信道的信息数据。3.寻呼信道(W1W7)每个基站有一个或几个寻呼信道，当呼叫时，在移动台没有转入业务信道之前，基站通过寻呼信道传送控制信息给移动台。,码使用的长码掩码格式如图3-42所示。Walsh函数码正交扩频和引导PN序列四相扩频过程同同步信道。,图3-42 寻呼信道掩码,4.正向业务信道(W8W31，W32W64)在业务信道传输的是用户语音编码或其他业务数据。业务信道中包含了一个功率控制子信道，用于传输功率控制信息来控制移动台的发射功率。,图3-43 功率控制子信道,图3-44 CDMA系统正向信道电路方框图,3.4.3 反向信道及其信号设计 1.接入信道 反向信道中，每个接入信道对应正向信道中的一个寻呼信道，但是每个寻呼信道可以对应多个接入信道。移动台通过接入信道向基站进行登记、发起呼叫、响应基站发来的呼叫等。,图3-45 CDMA系统反向信道构成,反向接入信道中的数据经正交调制后要用长码进行直接序列扩频调制(模2加)。接入信道的长码掩码格式如图3-46所示。,图3-46 接入信道掩码,2.反向业务信道 反向业务信道用于在呼叫建立期间传输用户业务和信令信息，其特点和作用与正向业务信道基本相同。用户数据速率为8600 b/s、4000 b/s、2000 b/s、800 b/s。加编码器尾比特(每20 ms中加8 bit)及对前两种速率的数据加帧质量指示后，速率为9600 b/s、4800 b/s、2400 b/s、1200 b/s。数据以一帧(20 ms)为基础实现可变速率传输。,图3-47 反向业务信道公开掩码,图3-48 CDMA反向信道电路方框图,3.4.4 功率控制 CDMA数字蜂窝移动通信系统中，由于信道地址码的互相关作用，将产生两方面的影响：一是任何一个信道将受到其它不同地址码信道的干扰，即多址干扰；二是距离接收机近的信道将严重干扰距离接收机远的信道的接收，使近端强信号掩盖了远端弱信号，即远近效应。,1.正向信道功率控制 正向信道功率控制是基站根据移动台提供的测试结果调整各用户链路信号的正向信道功率。2.反向信道开环功率控制 反向信道开环功率控制是移动台根据接收功率的变化，估算由基站到移动台的传输损耗，迅速调整其发射功率。,信息，但各接入探测所用功率是逐步增加的。反向链路中的不同信道，其开环输出功率的估算方法是不同的。(1)接入信道。接入信道移动台发射第一个探测的平均输出功率为 P0=-平均输入功率(dBm)-73(dB)+标准功率(NOM-PWR)(dB)+初始化功率(INIT-PWR)(dB),其后的试探序列不断地增加了发射功率，增加的步长为PWR-STEP(dB)，直到收到认可信息。此时平均输出电平为 P1=P0+PWR-STEP之和(dBm)(2)反向业务信道。反向业务信道初始发射后，移动台收到来自基站的第一个功率控制比特时的平均输出功率为 P2=P1+全部闭环功率控制校正值之和(dBm),3.反向信道闭环功率控制 反向信道闭环功率控制是移动台根据基站的要求来调整其发射功率的。根据功率调节命令，移动台按预定量(约0.5 dB)增加或降低发射功率。功率调节命令是以800次每秒(1.25 ms发一功率控制比特)的速率插入正向业务信道中传输的(见3.4.2节)。反向闭环功率控制是对开环功率控制的补充手段。,3.4.5 CDMA系统的安全性管理 在CDMA系统中，网络的鉴权与加密功能更加完善，以保障注册用户合法权利和信息的保密。1.鉴权 移动台在登记、主呼、被呼、请求补充业务等场合均应鉴权。鉴权分为SSD(共用加密数据)共享和非SSD共享两种。,当AC认为当前的SSD不可靠时，可启动SSD更新过程，步骤为：(1)网络(MSC/VLR、AC)通过基站在寻呼信道或正向业务信道上发送SSD更新消息，其中RAND SSD字段包含的56比特随机数同样为HLR/AC更新SSD时使用。(2)移动台在收到SSD更新消息后，开始设置输入参数，如图3-49所示。(3)移动台选择一个32比特的随机数RANDBS，通过接入信道或反向业务信道上的基站查询指令消息发往基站。,(4)基站在寻呼信道或正向业务信道上的基站查询确认指令消息中，将AUTHBS18比特发往移动台。(5)移动台比较并判定SSD更新的有效性。图3-50给出移动台主呼鉴权的过程。,图3-49 新SSD的生成,图3-50