第章TDMA蜂窝移动通信系统.ppt

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1、第8章 TDMA蜂窝移动通信系统,8.1 GSM蜂窝系统的网络结构及其功能 8.2 GSM蜂窝系统的无线传输方式 8.3 GSM系统主要技术 8.4 主要接续流程 8.5 三种TDMA蜂窝移动通信系统的比较 习题,8.1 GSM蜂窝系统的网络结构及其功能,8.1.1 TDMA与蜂窝结构的关系 泛欧GSM数字蜂窝移动通信系统是在频分多址下的时分多址，当它工作在跳频方式时，又引入了码分多址。数字移动通信系统也是蜂窝系统，即蜂窝区群结构和频率复用。蜂窝区群小区数的多少以及小区半径的大小，取决于数字系统保证正常通信所需载干比和本地区业务量的分布和大小。,构成区群的小区数目越少，半径越小，系统的频谱效率

2、就越高。由于在相同服务质量条件下，数字系统允许比模拟系统更低的载干比要求。换句话说，可采用更小的区群结构，从而提高频谱的利用率。TDMA蜂窝系统采用的区群结构如图8-1所示。,图 8-1 TDMA蜂窝系统区群结构(a)3扇区3小区的区群结构；(b)6扇区2小区的区群结构；(c)3扇区4小区的区群结构,8.1.2 系统的基本特点 GSM数字蜂窝移动通信（简称GSM系统）是完全依据欧洲通信标准委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制成的，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系统是由几个分

3、系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能，对全部GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关。GSM系统除了可以开放语音业务外，还可以开放各种承载业务、补允业务和与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担能力一般都很强，保证在语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。GSM系统终端设备（手持机和车载机）随着大规模集成电路技术的进一步发展

4、，移动机将向更小型、更轻巧和增强功能趋势发展。,8.1.3 网络结构及功能 GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统，如图8-2所示。基站子系统（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统由移动交换中心（MSC），操作维护中心（OMC）以及原籍位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。,图 8-2 GSM数字蜂窝通信系统的网络结构,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系统中的惟一设备。移动台的类型不仅包括车载台和便

5、携台，还包括手持台。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。,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，负责无线发送收、接和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（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络用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。,基站子系统是由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）这两部分功能实体构成。实际上，一个基站控制器根据话务量大约可以控制数十个BTS。BTS可以直

6、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。因此，一种具有本地和远端配置BTS的典型 BSS组成方式如图8-3所示。,图 8-3 一种典型BSS组成方式,(1)基站收发信台(BTS)。基站收发信台(BTS)属于某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

7、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。,(2)基站控制器。基站控制器(BSC)是基站控制系统(BSS)的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即承担各种接口及无线资源和无线参数管理的任务。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；,3.网路子系统(NSS)(1)移动业务交换中心(MSC)。移动业务交换中心(MSC)是网络的核心，它提供交换功能和接口功能。接口功能包括面向基站子系统BSS、面向系统其它功能

8、实体(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)这三种数据库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可为移动用户提供如下的系列业务：电信业务。承载业务。补充业务。,(2)访问用户位置寄存器(

9、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。(3)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。,(4)鉴权中心(AUC)。GSM系统采取了特别的安全措施，例如用户鉴权、对无线接口上的语音、数据和信号信息进行保密等。,(5)移动用户识别寄存器(EIR)。移动用户识别寄存器(EIR)存储着移动设备的国际移动设备识别码(IMEI)，通过核查白色清单、黑色清单或灰色清单这三种表格(在表格中分别列

10、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络正常运行的MS设备，都能采取及时的防范措施，以确保网络内所使用的移动设备的惟一性和安全性。,8.1.4 接口和接口协议 为了保证网络运营部门能在充满竞争的市场条件下，灵活地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。,1.主要接口 GSM系统的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接

11、口。如图8-4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、基站子系统和网络子系统设备能纳入同一个GSM数字移动通信网运行和使用。,图 8-4 GSM系统的主要接,(1)A接口。A接口定义为网络子系统(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2.048 Mb/s PCM数字传输链路来实现。,(2)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

12、连方式，物理链接通过采用标准的2.048 Mbs或64 kb/s PCM数字传输链路来实现。图8-4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 m，此接口支持所有向用户提供的服务，并支持所有面向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。,(3)Um接口(空中接口)。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.网络子系统内部接

13、口 网络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8-5所示。,图 8-5 网络子系统内部接口示意图,(1)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。(2)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

14、新信息等。,(3)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。(4)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。(5)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。(6)G接口。G接口定义为访问用户位置寄存器(VLR)之间的接口。,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)。

15、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和ISDN或ISDN交换机之间标准2.048 Mb/s PCM数据传输链路实现的。,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，

16、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。图8-6给出了GSM系统主要接口所采用的协议分层示意图。,图 8-6 系统主要接口的协议分层示意图,8.2 GSM蜂窝系统的无线传输方式,8.2.1 TDMA/FDMA接入方式 1.时隙 GSM蜂窝系统采用时分多址、频分多址和频分双工(TDMAFDMA/FDD)制式。在25 MHz的频段中共分125个频道，频道间隔200 kHz。每载波含8个(以后可扩展为16个)时隙，时隙宽为0.577 ms。8个时隙构成一个TDMA帧，帧长为4.615 ms，如图8-7所示。,图 8-7 TDMAFDMA接入方式,2.频率与频道序号 GSM系统工

17、作在以下射频频段：上行(移动台发、基站收)为890915 MHz 下行(基站发、移动台收)为935960 MHz 收、发频率间隔为 45 MHz。移动台采用较低频段发射，传播损耗较低，有利于补偿上、下行功率不平衡的问题。,由于载频间隔是 0.2 MHz，因此GSM系统整个工作频段分为124对载频。其频道序号用n表示，则上、下两频段中序号为n的载频可用下式计算：下频段 fl(n)=(890+0.2 n)MHz 上频段 fh(n)=(935+0.2n)MHz 式中，n=1124。例如n=1，fl(1)=890.2 MHz，fh(1)=935.2 MHz。其它序号的载频依次类推。,3.调制方式 GS

18、M的调制方式是高斯型最小移频键控(GMSK)方式。矩形脉冲在调制器之前先通过一个高斯滤波器。这一调制方案由于改善了频谱特性，从而能满足CCIR提出的邻信道功率电平小于-60 dBW的要求。高斯滤波器的归一化带宽 BT=0.3。基于200 kHz的载频间隔及270.833 kb/s的信道传输速率，其频谱利用率为1.35(bs)Hz-1。,4.载频复用与区群结构 GSM系统中，基站发射功率为每载波500 W，每时隙平均为5008=62.5 W。移动台发射功率分为0.8 W、2 W、5 W、8 W和20 W五种，可供用户选择。小区覆盖半径最大为35 km，最小为500m。前者适用于农村地区，后者适用

19、于市区。,8.2.2 信道及其组合 蜂窝通信系统要传输不同类型的信息，按逻辑功能而言，可分为业务信息和控制信息。因而在时分、频分复用的物理信道上要安排相应的逻辑信道。在时分多址的物理信道中，帧的结构(或组成)是基础，为此下面先讨论GSM的帧结构。1.帧结构 图8-8给出了GSM系统各种帧及时隙的格式。,图 8-8 GSM系统各种帧及时隙的格式,帧的编号(FN)以超高帧为周期，从 0到 2 715 647。GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同。但上行帧相对于下行帧来说，在时间上推后3个时隙，见图8-9。这样安排允许移动台在这3个时隙的时间内，进行帧调整以及对收发信机的调谐和转换。

20、,图 8-9 上行帧号和下行帧号所对应的时间关系,2.信道分类 图8-10示出了GSM系统的信道分类。(1)业务信道。业务信道TCH主要传输数字语音或数据，其次还有少量的随路控制信令。业务信道有全速率业务信道(TCHF)和半速率业务信道(TCHH)之分。语音业务信道。数据业务信道。,图 8-10 GSM系统的信道分类,(2)控制信道。控制信道(CCH)用于传送信令和同步信号。它主要有三种：广播信道(BCH)、公共控制信道(CCCH)和专用控制信道(DCCH)。广播信道(BCH)。公用控制信道(CCCH)。专用控制信道(DCCH)：这是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段以及在通

21、信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。,8.2.3 时隙的格式 1.常规突发(NB，Normal Burst)脉冲序列 常规突发脉冲序列亦称普通突发脉冲序列，用于业务信道及专用控制信道，其组成格式如图8-11所示。,图8 11 常规突发 脉冲序列,8个训练序列相互间的相关性很低，它们的自相关函数具有特殊的形状，以缓和对解调技术的要求。这8个训练序列中，每个序列的自相关函数如图8-12所示，这是从中央的16比特和整个26比特序列之间的计算而得来的。所有8个序列，中央为相关峰，两边为5个“0”。,有关各突发序列的时间-振幅图也已有明确的规定。作为一个实例，图8-13示出了常规突发序列(

22、例如用于业务信道)在其发射窗期间的振幅图，同时还给出了规范所明确的时间框，它表明了可接受的限制范围，而振幅图必须落入该限制范围，恒幅部分持续147比特，即携带信息的142比特及其两边的2.5比特。,图 8-12 GSM训练序列的自相关函数,图 8-13 常规突发序列的振幅图,2.频率校正突发(FCB，Frequency Correction Burst)脉冲序列 频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率，其格式比较简单，参见图8-11。起始和结束的尾比特各占 3 比特，保护时间8.25 比特，它们均与普通突发脉冲序列相同，其余的142比特，均置成“0”，发送的射频是一个与载频有固定偏移(频

23、偏)的纯正弦波，以便于调整移动台的载频。,3.同步突发(SB，Synchronization Burst)脉冲序列 同步突发脉冲序列用于移动台的时间同步。其格式参见图8-11，主要组成包括64 bit的同步信号(扩展的训练序列)以及两段各 39 比特数据，用于传输TDMA帧号和基站识别码(BSIC)。,4.接入突发(AB，Access Burst)脉冲序列 接入突发脉冲序列用于上行传输方向，在随机接入信道(RACH)上传送，用于移动用户向基站提出入网申请。接入突发脉冲序列的格式如图8-14所示。由图可见，AB序列的格式与前面三种序列的格式有较大差异。它包括 41 比特的训练序列，36 比特的信

24、息，起始比特为 8位(0，0，1，1，1，0，1，0)，而结束的尾比特为 3位(0，0，0)，保护期较长，为 68.25比特。,图 8-14 接入突发脉冲序列的格式,前述的NB序列是一个长的序列，而AB序列则是一个短的序列，其突发序列的振幅图如图8-15(a)所示。AB序列的包络在时间窗期间受到图8-15(b)所示的时间限制框的约束。AB序列的斜坡部分与NB序列的相同，只是有用部分的持续时间要短得多，以适应远距离移动台传播时间的需要。,图 8-15 接入突发序列的时间限制框,图 8-16 接入序列突发的时延,AB序列采用单个训练序列。其抵触的概率确实很小，这也表明复式训练序列的附加复杂性是合理

25、的。在使用AB序列时，由于移动台和基站之间的传播时间是不知道的，因此该AB序列到达基站时，与接收窗相比较已带有两次传播时延的时间误差，如图8-16所示。若移动台离基站很远，AB序列就不能与接收窗相吻合。,8.2.4 信道的组合方式 1.业务信道的组合方式 业务信道有全速率和半速率之分，下面只考虑全速率情况。业务信道的复帧含26个TDMA帧，其组成的格式和物理信道(一个时隙)的映射关系如图8-17所示。图中给出了时隙2(即TS2)构成一个业务信道的复帧，共占26 TDMA帧，其中24帧T(即TCH)，用于传输业务信息。1帧A，代表随路的慢速辅助控制信道(SACCH)，传输慢速辅助信道的信息(例如

26、功率调整的信令)，还有1帧I为空闲帧。(半速率传输业务信息时，此帧也用于传输SACCH的信息。),图 8-17 业务信道的组合方式,2.控制信道的组合方式 控制信道的复帧含51帧，其组合方式类型较多，而且上行传输和下行传输的组合方式也是不相同的。(1)BCH和CCCH在TS0上的复用。广播信道(BCH)和公用控制信道(CCCH)在主载频(C0)的 TS0上的复用(下行链路)如图8-18所示。图中，F(FCCH)用于移动台校正频率；S(SCH)移动台据此读TDMA帧号和基站识别码BSIC；B(BCCH)移动台据此读有关小区的通用信息；I(IDEL)空闲帧。,图 8-18 BCH和CCCH在TS0

27、上的复用,(2)SDCCH和 SACCH在TS1上的复用。主载频 C0上的 TS1可用于独立专用控制信道和慢速辅助控制信道。下行链路C0上的TS1的映射如图8-20所示。下行链路占用102个TS1，从时间长度上讲是102个TDMA帧。,图 8-19 TS0上RACH的复用,图 8-20 SDCCH和SACCH(下行)在TS1上的复用,(3)公用控制信道和专用控制信道均在TS0上复用。在小容量地区或建站初期，小区可能仅有一套收发单元，这意味着只有8个TS(物理信道)。TS1TS7均用于业务信道，此时TS0既用于公用控制信道(包括 BCH，CCCH)，又用于专用控制信道(SDCCH，SACCH)，

28、其组成格式如图8-21所示。,图 8-21 TS0上控制信道综合复用,8.3 GSM系统主要技术,8.3.1 语音和信道编码技术 数字化语音信号在无线传输时主要面临三个问题：一是选择低速率的编码方式，以适应有限带宽的要求；二是选择有效的方法减少误码率，即信道编码问题；三是选用有效的调制方法，减小杂波辐射，降低干扰。下面着重讨论GSM系统中语音编码和信道编码的主要特点。图8-22示出了GSM系统的语音编码和信道编码的组成方框图。,图 8-22 GSM系统的语音编码和信道编码的组成方框图,RPE-LTP编码器是将波形编码和声码器两种技术综合运用的编码器，从而以较低速率获得较高的语音质量。模拟语音信

29、号数字化后，送入RPE-LTP编码器，此编码器每 20 ms取样一次，输出260 比特，编码速率为13 kb/s。然后，进行前向纠错编码，纠错的办法是在20 ms的语音编码帧中，把语音比特分为两类：第一类是对差错敏感的(这类比特发生误码将明显影响语音质量)，占128比特；第二类是对差错不敏感的，占78比特。第一类比特加上3个奇偶校验比特和4个尾比特后共 189比特，进行信道编码，亦称作前向纠错编码。,GSM系统中采用码率为1/2和约束长度为5的卷积编码，即输入一个比特，输出二个比特，前后5个码元均有约束关系，共输出 378 比特，它和不加差错保护的 78 比特合在一起共计 456 比特。通过卷

30、积编码后速率为 456 比特20 ms=22.8 kb/s，其中包括原始语音速率 13 kbs，纠错编码速率9.8 kbs。卷积编码后数据再进行交织编码，以对抗突发干扰。交织的实质是将突发错误分散开来。显然，交织深度越深，抗突发错误的能力越强。,本系统采用的交织深度为8，参见图8-23所示的GSM编码流程。即把40 ms中的语音比特(2456=912比特)组成8114矩阵，按水平写入、垂直读出的顺序进行交织(如图8-24所示)，获得8个114 比特的信息段，每个信息段要占用一个时隙且逐帧进行传输。可见每40 ms的语音需要用8帧才能传送完毕。,图 8-23 GSM的编码流程,图 8-24 GS

31、M的交织方式,8.3.2 跳频和间断传输技术 1.跳频 前已指出，在GSM系统中，采用自适应均衡抵抗多径效应造成的时散现象，采用卷积编码纠随机干扰，采用交织编码抗突发干扰，此外，还可采用跳频技术进一步提高系统的抗干扰性能。跳频是指载波频率在很宽频率范围内按某种图案(序列)进行跳变。图8-25为GSM系统的跳频示意图。采用每帧改变频率的方法，即每隔4.615 ms改变载波频率，亦即跳频速率为 14.615 ms=217跳秒。,图 8-25 GSM系统的跳频示意图,跳频系统的抗干扰原理与直接序列扩频系统是不同的。直扩是靠频谱的扩展和解扩处理来提高抗干扰能力的，而跳频是靠躲避干扰来获得抗干扰能力的。

32、抗干扰性能用处理增益Gp表征，Gp的表达式为,2.间断传输 为了提高频谱利用率，GSM系统还采用了语音激活技术。这个被称为间断传输(DTx)技术的基本原则是只在有语音时才打开发射机，这样可以减小干扰，提高系统容量。采用DTx技术，对移动台来说更有意义，因为在无信息传输时即关闭发射机，可以减少电源消耗。,GSM中，语音激活技术采用一种自适应门限语音检测算法。当发端判断出通话者暂停通话时，立即关闭发射机，暂停传输；在接收端检测出无语音时，在相应空闲帧中填上轻微的“舒适噪声”，以免收听者造成通信中断的错觉。,8.3.3 调制与解调技术 1.调制技术 调制器接收来自加密单元的比特流，并产生射频信号。调

33、制方式为GMSK(高斯滤波最小移频键控)，其归一化带宽BT=0.3。调制速率为1/T=(1625/6)kb/s，即近似为270.833 kb/s。,GMSK调制是下述两者之间的折衷选择：相当高的无线频谱效率(1 b/Hz数量级)和合理的解调复杂性。图8-26示出了理论的调制频谱。,图 8-26 GMSK调制频谱,2.解调技术 解调器对所收的失真信号，必须作调制数据序列估计。为使解调器完成此项工作，在每个突发脉冲序列中都含有一个接收机能识别的预定序列(如训练序列)，以便接收机能估计出传播引起的信号失真。现有的解调算法很多，GSM规范也没有规定必须采用哪一种算法，但对信道译码纠错以后所测的总性能是

34、有要求的。,8.3.4 鉴权与加密技术 由于空中接口极易受到侵犯，GSM系统为了保证通信安全，采取了特别的鉴权与加密措施。鉴权是为了确认移动台的合法性，而加密是为了防止第三者窃听。鉴权中心(AUC)为鉴权与加密提供了三参数组(RAND、SRES和Kc)，在用户入网签约时，用户鉴权键Ki连同IMSI一起分配给用户，每一个用户均有惟一的Ki和IMSI，它们存储于AUC数据库和SIM 用户识别卡中。根据HLR的请求，AUC按下述步骤产生一个三参数组(参见图8-27)。,图 8-27 AUC产生三个参数组,图 8-28 鉴权程序,1.鉴权 无论是移动台主呼或被呼，都有鉴权过程，鉴权程序如图8-28所示

35、。鉴权过程主要涉及到 AUC、HLR、MSCVLR和 MS，它们均各自存储着用户有关的信息或参数。,2.加密 GSM系统为确保用户信息(语音或非语音业务)以及与用户有关信令信息的私密性，在 BTS与 MS之间交换信息时专门采用了一个加密程序，如图8-29所示。,图 8-29 加密程序,3.设备识别 每一个移动台设备均有一个惟一的移动台设备识别码(IMEI)。在EIR中存储了所有移动台的设备识别码，每一个移动台只存储本身的设备识别码。设备识别的目的是确保系统中使用的设备不是盗用的或非法的设备。为此，EIR中使用如下三种设备清单：,白名单合法的移动设备识别号；黑名单禁止使用的移动设备识别号；灰名单

36、是否允许使用由运营者决定，例如有故障的或未经型号认证的移动设备识别号。设备识别程序如图8-30所示。,图 8-30 设备识别程序,4.用户识别码(IMSI)保密 为了防止非法监听进而盗用 IMSI，在无线链路上需要传送IMSI时，均用临时移动用户识别码(TMSI)代替 IMSI。仅在位置更新失败或 MS得不到 TMSI时，才使用 IMSI。MS每次向系统请求一种程序，如位置更新、呼叫尝试等，MSCVLR将给MS分配一个新的TMSI。图8-31示出了位置更新时使用的新的TMSI程序。,图 8-31 位置更新时产生新的TMSI,8.3.5 位置登记 所谓位置登记(或称注册)是通信网为了跟踪移动台的

37、位置变化，而对其位置信息进行登记、删除和更新的过程。由于数字蜂窝网的用户密度大于模拟蜂窝网，因而位置登记过程必须更快、更精确。位置信息存储在原籍位置寄存器(HLR)和访问位置寄存器(VLR)中。GSM蜂窝通信系统把整个网络的覆盖区域划分为许多位置区，并以不同的位置区标志进行区别，如图8-32中的LA1，LA2，LA3，。,图 8-32 位置区划分的示意图,8.3.6 GSM的区域与号码 1.区域定义 GSM系统属于小区制大容量移动通信网。在它的服务区间，设置很多基站，移动通信网在此服务区内，具有控制、交换功能，以实现位置更新、呼叫接续、过区切换及漫游服务等功能。在由GSM系统组成的移动通信网络

38、结构中，其相应的区域定义如图8-33所示。,图 8-33 GSM的区域定义,(1)GSM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。(2)公用陆地移动通信网(PLMN)。(3)MSC区。MSC区系指一个移动交换中心所控制的区域，通常它连接一个或若干个基站控制器，每个基站控制器控制多个基站收发信机。,(4)位置区。位置区一般由若干个小区(或基站区)组成，移动台在位置区内移动无需进行位置更新。通常呼叫移动台时，向一个位置区内的所有基站同时发寻呼信号。(5)基站区。基站区系指基站收发信机有效的无线覆盖区，简称小区。(6

39、)扇区。当基站收发信机天线采用定向天线时，基站区分为若干个扇区。,2.号码与识别 GSM网络是比较复杂的，它包含无线、有线信道，并与其它网络如PSTN、ISDN、公用数据网或其它PLMN网互相连接。为了将一次呼叫接续传至某个移动用户，需要调用相应的实体。因此，正确地寻址就非常重要，各种号码就是用于识别不同的移动用户、不同的移动设备以及不同的网络。,各种号码的定义及用途如下：(1)移动用户识别码。在GSM系统中，每个用户均分配一个惟一的国际移动用户识别码(IMSI)。,IMSI的组成如图8-34所示。IMSI的总长不超过15位数字，每位数字仅使用09的数字。图中：MCC移动用户所属国家代号，占3

40、位数字，中国的MCC规定为460。MNC移动网号码，最多由两位数字组成。用于识别移动用户所归属的移动通信网。MSIN移动用户识别码，用以识别某一移动通信网(PLMN)中的移动用户。由MNC和MSIN两部分组成为国内移动用户识别码(NMSI)。,图 8-34 国际移动用户识别码(IMSI)的格式,(2)临时移动用户识别码。考虑到移动用户识别码的安全性，GSM系统能提供安全保密措施，即空中接口无线传输的识别码采用临时移动用户识别码(TMSI)代替IMSI。两者之间可按一定的算法互相转换。访问位置寄存器(VLR)可给来访的移动用户分配一个TMSI(只限于在该访问服务区使用)。,(3)国际移动设备识别

41、码。国际移动设备识别码(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设备。IMEI的格式如图8-35所示。图中：TAC型号批准码，由欧洲型号标准中心分配。FAC装配厂家号码。SNR产品序号，用于区别同一个TAC和FAC中的每台移动设备。SP备用。,图 8-35 国际移动设备识别码(IMEI)的格式,图 8-36 移动台国际ISDN号码格式,(4)移动台的号码。移动台的号码类似于PSTN中的电话号码，在呼叫接续时所需拨的号码，其编号规则应与各国的编号规则相一致。移动台的号码有下列两种：移动台国际ISDN号码(MSISDN)。MSISDN为呼叫GSM系统中的某个移动用户所需拨的号码

42、。一个移动台可分配一个或几个MSISDN号码，其组成的格式如图8-36所示。,图中：CC国家代号，即移动台注册登记的国家代号，中国为86。NDC国内地区码，每个PLMN有一个NDC。SN移动用户号码。由NDC和SN两部分组成国内ISDN号码，其长度不超过13位数。国际ISDN号码长度不超过15位数字。,移动台漫游号码(MSRN)。当移动台漫游到一个新的服务区时，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。,(5)位置区和基站的识别码 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(LAI)，LAI的组成格式如图8-37所示。图中：M

43、CC和MNC均与IMSI的MCC和MNC相同。位置区码(LAC)。,图 8-37 位置区识别码的格式,基站识别色码(BSIC)。基站识别色码(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比特编码，其格式如图9-38所示。图中：NCCPLMN色码，用来识别相邻的PLMN网。BCCBTS色码，用来识别相同载频的不同的基站。,图 8-38 基站识别色码(BSIC)的格式,8.3.7 主要业务 1.通信业务分类 GSM系统能提供6类10种电信业务，其编号、名称、业务类型及实现阶段见表8-1。2.业务定义(1)电话业务。(2)紧急

44、呼叫业务。(3)短消息业务。(4)可视图文接入。(5)智能用户电报传送。(6)传真。,表 8-1 GSM电信业务分类,8.4 主要接续流程,8.4.1 位置更新基本流程 一种典型的位置更新基本流程如图8-39所示。对图中的基本流程说明如下：移动台MS从一个位置区(属于MSCB的覆盖区内)移动到另一个位置区(属于MSCA的覆盖区内)。,通过检测由基站BS持久发送的广播信息，移动台发现新收到的位置区识别与目前所使用的位置区识别不同。、移动台通过该基站向MSCA发送具有“我在这里”的信息位置更新请求。由MSCA向HLR发送消息。HLR发回响应消息，其中包含有全部相关的用户数据。、在被访问的VLR中进

45、行用户数据登记。,把有关位置更新响应消息通过基站送给移动台(如果重新分配TMSI，此时一起送给移动台)。10 通知原来的VLR，删除与此移动用户有关的用户数据。,图 8-39 位置更新基本流程,8.4.2 移动用户至固定用户出局呼叫流程 移动用户至固定用户出局呼叫流程如图8-40所示。对图中流程说明如下：在服务小区内，一旦移动用户拨号后，移动台向基站请求随机接入信道。在移动台MS与移动业务交换中心TMSC之间建立信令连接的建立过程。对移动台的识别码进行鉴权的过程，如果需加密，则设置加密模式，进入呼叫建立起始阶段。,分配业务信道。采用7号信令，用户部分 ISUPTUP通过与固定网(ISDNPST

46、N)建立至被叫用户的通路，并向被叫用户振铃，向移动台回送呼叫接通证实信号。被叫用户取机应答，向移动台发送应答(连接)消息，最后进入通话阶段。,图 8-40 移动用户出局呼叫流程,8.4.3 固定用户至移动用户入局呼叫的基本流程 一种典型的固定用户至移动用户入局呼叫的基本流程如图8-41所示。对图中流程说明如下：通过7号信令用户部分ISUPTUP，入口MSC(GMSC)接受来自固定网(ISDNPSTN)的呼叫。GMSC向HLR询问有关被叫移动用户正在访问的MSC地址(即MSRN)。HLR请求被访问VLR分配MSRN，MSRN是在每次呼叫的基础上由被访的VLR分配并通知HLR的。,GMSC从HLR

47、获得MSRN后，就可重新寻找路由建立至被访MSC的通路。、被访MSC从VLR获取有关用户数据。、MSC通过位置区内的所有基站BS向移动台发送寻呼消息。、10 被叫移动用户的移动台发回寻呼响应消息，然后执行与前述出局呼叫流程中的、相同的过程，直到移动台振铃，向主叫用户回送呼叫接通证实信号(图8-41中省略)。11 移动用户应答，向固定网发送应答(连接)消息，最后进人通话阶段。,图 8-41 移动用户入局呼叫基本流程,8.4.4 切换基本流程 一种典型的MSC之间切换的基本流程如图8-42所示。对图中流程说明如下：稳定的呼叫连接状态。移动台对邻近基站发出的信号进行无线测量，包括测量功率、距离和语音

48、质量，这三个指标决定切换的门限。无线测量结果通过信令信道报告给基站子系统BSS中的基站收发信台BTS。,图 8-42 MSC之间切换基本流程,MSCA 决定进行MSC之间的切换。MSCA请求在MSCB区域内建立无线通道，然后在MSCA与MSCB之间建立连接。MSCA向移动台发出切换命令，移动台切换到已准备好连结通路的基站。移动台发出切换成功的确认消息传送给MSCA，以释放原来的信息等资源。,8.5 三种TDMA蜂窝移动通信系统的比较,8.5.1 三种TDMA蜂窝移动通信系统的主要性能 三种TDMA蜂窝移动通信系统主要性能的比较，见表8-2所列。,表 8-2 三种TDMA蜂窝移动通信系统主要参数

49、,8.5.2 美国数字蜂窝移动通信系统(D-AMPS)的特征 1.工作频段 移动台发送频段 824849 MHz；基站发送频段 869894 MHz；频道间隔30 kHz；双工频率间隔 45 MHz。,2.多址方式 采用时分多址频分多址频分双工(TDMAFDMAFDD)制式。时分多址的帧长为40 ms，每帧分6个时隙。和GSM通信系统一样，D-AMPS也定义了全速率与半速率两种逻辑信道，初期的全速率逻辑信道占2个时隙，相当于每载波含3个信道，进而开发的半速率逻辑信道只占一个时隙，相当于每载波含6个信道。每个时隙含324 bit，即系统的信道传输速率为324640=48.6 kb/s，帧格式和时

50、隙格式如图8-43所示。,图 8-43 D-AMPS的帧格式和时隙格式,G保护时间；R功率上升时间；SACCH慢速辅助控制信道；SYNC同步信道；DATA业务信道和快速辅助控制信道SACCH；DVCC数字识别色码；RSVD保留(备用)时间。,3.语音编码 D-AMPS蜂窝系统采用“矢量和激励线性预测(VSELP)编码，编码速率为795 kb/s。在 20 ms的语音编码帧中，共有159个信息比特，分为两类：一类是对差错敏感的77 比特；二类是对差错不敏感的82 比特。一类比特加上CRC校验位(7 比特)和尾比特(5 比特)，进行码率为12和约束长度为5的卷积编码，变成178个传输比特；二类比特