移动通信第7章GSM数字蜂窝移动通信系统

移动通信第7章GSM数字蜂窝移动通信系统第一页，共110页。第二页，共110页。1、教学内容

GSM网络结构、网元及接口功能；GSM的号码管理；GSM的物理信与逻辑信道、信道的组合方式GSM突发脉冲序列与时隙格式；

GSM的信令与协议；GSM的呼叫、安全与移动性管理；GPRS网络的特点，网络结构与网元、接口功能；GPRS传输面和控制面协议结构，GPRS空中接口各层的介绍；GPRS系统移动管理和会话管理；EDGE技术的特点，网络结构和协议变化。第三页，共110页。2、教学基本要求掌握GSM的网络结构、网络单元及各单元间的接口；熟悉GSM的号码管理；掌握GSM无线信道的结构及特点；了解突发脉冲与时隙格式；了解GSM的信令与协议；掌握GSM呼叫、安全与移动性管理过程；掌握GPRS网络的特点及业务应用，GPRS网络结构与网元、接口功能；了解GPRS传输面和控制面协议结构；掌握GPRS空中接口各层的功能；了解GPRS系统移动管理和会话管理；了解EDGE技术的演进及特点，EGPRS网络结构和协议变化。第四页，共110页。3、重点、难点

掌握GSM的网络结构、网络单元及各单元间的接口；掌握GSM信道的组合方式；掌握GSM呼叫、安全与移动性管理过程；掌握GPRS网络的特点及业务应用，GPRS网络结构与网元、接口功能；掌握GPRS空中接口各层的功能；第五页，共110页。7.1GSM系统网络结构7.1.1GSM系统的结构与功能

一个完整的蜂窝移动通信系统主要由网络子系统（NSS）、无线基站子系统（BSS）、操作维护子系统（OSS）和移动台（MS）四大子系

统组成。 GSM系统的典型结构如图7-1所示。第六页，共110页。图7-1

GSM蜂窝系统的网络结构第七页，共110页。7.1.2基站子系统

基站子系统（BSS）一般指包含了GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有基础设施，它一端通

过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一端又连

接到网络端的交换机，为移动台（MS）和交换子系统

提供传输通路。

基站子系统（BSS）是在一定的无线覆盖区中由移动业务交换中心（MSC）控制、与移动台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。 BSS功能实体包括基站控制器和基站收发信机。第八页，共110页。1．基站收发信机

基站收发信机（BTS）在网络的固定部分和无线部分之间提供中继，移动用户通过空中接口与BTS相连。 BTS包括收发信机和天线以及与无线接口有关的信号处理电路等。第九页，共110页。 BTS最大容量典型值是16个载频。

在农村用户比较分散的区域，BTS可能减少到一个载频，能支持7个同时通信的用户手机。

在城市等用户密集区域，一般BTS有2到4个载频，可支持14～28个用户手机。

每个BTS约覆盖1000m2的面积。第十页，共110页。2．基站控制器

基站控制器（BSC）是基站收发信机和移动交换中心之间的连接点，是基站子系统（BSS）的智能中心，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。

BSC的处理能力可在话务量100～900Erl（厄兰）之间。第十一页，共110页。7.1.3网络子系统

网络子系统（NSS）主要包括移动交换中心和相关的数据库。

网络子系统（NSS）主要完成交换功能，用户数据与用户移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。

构成网络子系统（NSS）的一系列实体包括移动业务交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、设备识别寄存器（EIR）、鉴权中心（AUC）等。第十二页，共110页。1．移动业务交换中心 MSC提供最基本的交换功能，完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能，还完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等，并提供面向其他功能实体和通信网的接口功能。第十三页，共110页。2．访问位置寄存器

访问位置寄存器（VisitorLocationRegister，VLR）是一个数据库，存储着本地区动态用户的数据。 VLR通常为一个MSC控制区服务，也可以为几个相邻的MSC控制区服务，但一般来说，VLR都只与一个MSC相连。 MSC/VLR可共同管理十万以上的用户，每用户平均话务量约为0.025Erl。第十四页，共110页。3．归属位置寄存器

归属位置寄存器（HomeLocationRegister，HLR）是一个静态数据库，是GSM系统的中央

数据库，用来存储本地用户的数据信息。

一个HLR能够控制若干个移动交换区域或整个移动通信网，所有用户重要的静态数据如用户的漫游权限、基本业务、补充业务及当前位置信息等都存储在HLR中。第十五页，共110页。4．鉴权中心

鉴权中心（AuC，AuthenticationCentre）为每个用户设置一个密钥，以便鉴别其服务要求，并将通信数字化。第十六页，共110页。5．移动设备识别寄存器

移动设备识别寄存器（EquipmentIdentificationRegister，EIR）存储着移

动设备的国际移动设备识别码（IMEI）。第十七页，共110页。7.1.4操作维护子系统

操作维护子系统（OSS）是操作人员与设备之间的中介，它实现了系统的集中操作与维护，完成包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作维护等功能。

它一侧与网络设备相连，另一侧则是作为人机接口的工作站。第十八页，共110页。1．网络管理

网络管理（NetworkManagement）包括所有的网络运行和功能的管理，它存储与控制运行管理和资源使用，从而为用户提供一定质量水平的服务。第十九页，共110页。

具体管理功能如下。

（1）商务管理（用户登记、终端、账单、统计等）。

（2）安全管理（非法入侵检测、授权等级等）。第二十页，共110页。

（3）运营和性能管理（通话质量和话务量监测、网络承载的变化、维护移动监测等）。

（4）系统控制（软件水平、新设备和新功能的引入等）（见GSM12.06）。

（5）维护（故障检测、设备测试等）。第二十一页，共110页。2．网管TMN的结构图7-2TMN示意图第二十二页，共110页。3．OMC和NMC GSM规范（GSM12.00）推荐了以下两种平台。

（1）OMC操作维护中心。

（2）NMC网络管理中心。第二十三页，共110页。7.1.5移动台

移动台就是指配有SIM卡的终端设备，如

手机等，它是GSM系统的移动客户设备部分，

由两部分组成：移动终端（ME）和用户识别

卡（SIM）。1．移动终端2．SIM卡第二十四页，共110页。7.2GSM网络接口与协议7.2.1GSM系统的主要接口1．A接口 A接口定义为网络子系统（NSS）与基站子系统（BSS）间的通信接口。第二十五页，共110页。2．Abis接口 Abis接口定义了基站子系统（BSS）中基站控制器（BSC）和基站收发信机（BTS）之间的通信标准，用于远端互连方式。第二十六页，共110页。图7-3GSM系统的主要接口第二十七页，共110页。3．Um接口 Um接口（空中接口）定义为移动台与基站收发信机（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，物理链路是无线链路。第二十八页，共110页。7.2.2网络子系统的内部接口1．B接口2．C接口3．D接口4．E接口5．F接口6．G接口第二十九页，共110页。图7-4网络子系统内部接口第三十页，共110页。7.3GSM系统主要参数7.3.1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935~960890~9151805~18801710~1785

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0.51.350.535

接续方式TDMATDMA

调制GMSKGMSK

传输速率（kbit/s)270.833270.833（全速率语音编译码）比特率（kbit/s)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编码率的卷积码具有交织脉冲检错和1/2编码率的卷积码（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（s)2020国际漫游能力有有（每载频信道数）全速率半速率816816表7-1 GSM系统主要参数第三十一页，共110页。7.3.2各类空中信道图7-5GSM系统空中信道第三十二页，共110页。（1）频率校正信道（FCCH）。（2）同步信道（SCH）。（3）广播控制信道（BCCH）。（4）寻呼信道（PCH）（5）随机接入信道（RACH）（6）准许接入信道（AGCH）。第三十三页，共110页。（7）独立专用控制信道（SDCCH）。（8）慢速辅助控制信道（SACCH）。（9）快速辅助控制信道（FACCH）。（10）业务信道（TCH）。第三十四页，共110页。7.3.3帧结构、复帧结构图7-6GSM系统帧结构第三十五页，共110页。7.4GSM系统的号码与识别1．国际移动用户识别码

在GSM系统中，给每个移动用户分配

一个唯一的国际移动用户识别码（IMSI）， IMSI永久地属于一个注册用户，该号码在

包括漫游区域在内的所有位置都是有效的。第三十六页，共110页。

（1）IMSI的结构 IMSI最多有15位，由以下3部分组成。

①移动国家号码

②移动通信网号码

③移动用户识别号

（2）IMSI的分配原则第三十七页，共110页。图7-7IMSI的组成第三十八页，共110页。2．临时移动用户识别码

在呼叫建立和位置更新时，GSM系统在空中接口传输使用临时移动用户识别码（TemporaryMobileSubscriberIdentity，TMSI）来代替IMSI。第三十九页，共110页。 TMSI分配原则如下。

（1）包含4个字节，可以由8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。

（2）TMSI的32比特不能全部为1，因为在SIM卡中全为1的TMSI表示无效的TMSI。第四十页，共110页。

（3）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重启后某一特定位改变的方法。第四十一页，共110页。3．移动用户ISDN号码 MSISDN号码是呼叫GSM网络中的一个移动用户时，主叫用户所拨的号码，类似于固定网的PSTN号码。

其号码结构如图7-8所示。第四十二页，共110页。图7-8MSISDN的组成第四十三页，共110页。4．移动台漫游号码

移动台漫游号码（MobileStationRoamingNumber，MSRN）是指当MS漫游后，GMSC

寻址VMSC(VisitorMSC)或MSCA寻址MSCB，

为使GSM网络能够进行路由选择，把呼叫转移

到移动台当前所登记的MSC，而由VLR临时分

配给MS一个号码。第四十四页，共110页。5．其他号码（1）本地移动用户识别码（LMSI）（2）切换号码（HON）（3）位置区识别码（LAI）（4）MSC/VLR号码

（5）小区全球识别码（CGI）（6）HLR号码

（7）漫游区域识别码（RSZI）（8）基站识别码（BSIC）（9）国际移动设备识别码（IMEI）第四十五页，共110页。7.5GSM的漫游、安全和呼叫管理7.5.1用户鉴权和加密1．鉴权

就是检查插入的SIM卡与移动台提供的用户标识码是否一致来决定是否允许MS接入和使用网路。第四十六页，共110页。

鉴权包括了对用户终端的鉴权和用户身份鉴权。

（1）用户终端的鉴权

（2）用户身份的鉴权

用户身份的鉴权主要是由鉴权中心（AuC）经过A3、A8算法产生鉴权三参数组（RAND、SRES、Kc）来完成的。第四十七页，共110页。

①安全数据及其在网络实体中存储的位置

在GSM网络中与鉴权、加密相关的安全性数据如下。移动用户识别码用户鉴权键算法鉴权三参数组第四十八页，共110页。网络实体存储的安全数据MSIMSI、TMSI、A3、A8、Ki、KcHLRIMSI、三参数组（RAND、SRES、Kc）VLRIMSI、TMSI、三参数组（RAND、SRES、Kc）AuCA3、A8、Ki表7-2 主要安全数据的存储位置第四十九页，共110页。②鉴权中心产生鉴权三参数组③鉴权流程④PIN码第五十页，共110页。2．加密 GSM系统中的加密是指无线路径上的加密，以防止BTS和MS之间交换的用户信息和用户参数被非法个人和团体盗取和窃听，从而保护用户的隐私，提高通信的安全性水平。第五十一页，共110页。3．用户身份保护

在可能的情况下，通过使用临时移动用户识别码TMSI替代IMSI，可以使用户身份得到保护。第五十二页，共110页。7.5.2位置更新和漫游管理

当MS从一个位置区移动到另一个位置区时，发现其存储器中的位置区识别码LAI与接收到的位置区识别码LAI发生了变化，便向网络进行重新登记，这个过程就叫“位置更新”。第五十三页，共110页。1．越局位置更新

当移动用户从一个MSC漫游到另一个MSC时，就要进行越局位置更新。

此时，需要HLR参与位置更新过程。2．周期性位置更新第五十四页，共110页。图7-9不同MSC之间的位置更新第五十五页，共110页。7.5.3切换

切换（HandOver）是指将一个处于呼叫建立状态或忙状态的MS转换到新的业务信道上的过程，切换功能保持移动用户已经建立的链路不被中断。第五十六页，共110页。

小区切换可分为BSS内部切换、同MSC内不同BSS间的小区切换、MSC间小区切换。

其中BSS间的切换和MSC间的切换都需要由MSC控制完成，而BSS内部切换由BSC控制完成。第五十七页，共110页。

图7-10是局间MSC切换的流程示意图，这种切换涉及两个MSC，切换前MS所处的MSC为服务交换机（MSC-A），切换后MS所处的MSC为目标交换机（MSC-B）。第五十八页，共110页。图7-10不同MSC间的切换第五十九页，共110页。图7-11不同MSC间切换信令流程第六十页，共110页。7.5.4呼叫的管理

用户呼叫是GSM系统最基本和最重要的功能之一，一般主叫可分为几个大的阶段：接入阶段、鉴权加密阶段、TCH指配阶段、取被叫用户路由信息阶段。

手机主叫建立流程如图7-12所示。第六十一页，共110页。图7-12手机主叫建立流程第六十二页，共110页。

接入阶段主要包括信道请求、信道激活、信道激活响应、立即指配、业务请求等几个步骤。

鉴权加密阶段主要包括鉴权请求、鉴权响应、加密模式命令、加密模式完成、呼叫建立等几个步骤 TCH指配阶段主要包括指配命令、指配完成。第六十三页，共110页。

取被叫用户路由信息阶段主要包括向HLR请求路由信息、HLR向VLR请求漫游号码、VLR回送被叫用户的漫游号码、HLR向MSC回送被叫用户的路由信息（MSRN），MSC收到路由信息后，对被叫用户的路由信息进行分析，得到被叫用户的局向，然后进行话路接续。第六十四页，共110页。图7-13移动呼叫固定用户信令流程第六十五页，共110页。7.5.5移动台的状态

移动台的守候状态包括了网络选择、小区选择、小区重选、位置更新和寻呼等事件。1．网络选择

（1）网络选择的目的

（2）网络选择的方式

网络选择分自动选择和手动选择两种。第六十六页，共110页。2．小区选择

手机完成网络选择后就要寻找网络允许的所有BCCH频点，并选择一个最合适的频点进行驻留，该过程就叫作“小区选择”。

（1）小区选择的标准第六十七页，共110页。

①所选择的小区必须是属于所选择的网络。

②该小区不是被禁止的。

③该小区的C1>0。第六十八页，共110页。

④如果处于漫游中，检查是否处于禁止列表中。

⑤在没有一般小区选择的情况下，才选择优先级低的小区。第六十九页，共110页。

（2）小区选择的流程

①存储列表式

②普通方式

（3）小区接入控制第七十页，共110页。3．小区重选

小区重选是MS在空闲模式下因位置变动、信号变化等因素引起的重新选择服务小区的过程。第七十一页，共110页。7.6通用分组无线业务7.6.1GPRS特点及应用

1．GPRS网络特点2．构建GPRS网络的方法3．GPRS应用第七十二页，共110页。7.6.2GPRS网络结构1．GPRS网络结构 GPRS网络结构如图7-14所示，GPRS系统中新引入的网络单元通常分为无线部分和数据部分两大类。第七十三页，共110页。图7-14GPRS网络结构第七十四页，共110页。2．主要网元及功能（1）PCU（2）SGSN（3）GGSN（4）GPRS系统中其他数据单元第七十五页，共110页。①域名解析服务器②动态地址分配协议③计费网关④防火墙⑤网络时间协议服务器⑥操作维护中心第七十六页，共110页。3．GPRS网络新增接口及功能 GPRS网络通过在GSM网络结构中增添SGSN和GGSN两个新的网络节点来实现。

与GPRS网络相关的接口如图7-14所示。第七十七页，共110页。（1）Gb接口（2）Gc接口（3）Gd接口（4）Gi接口（5）Gn/Gp接口（6）Gr接口（7）Gs接口（8）Ga接口（9）Um接口第七十八页，共110页。7.6.3GPRS空中接口（Um）1．物理层

（1）GPRS帧结构 GPRS网络可以动态地配置逻辑信道向物理信道的映射，根据网络的负荷自适应地分配或释放无线资源。第七十九页，共110页。图7-15GPRS系统中52复帧结构组成第八十页，共110页。 GPRS系统中，一个物理信道也指一个分组数据信道（PacketDataChannel，PDCH），由所在频点和时隙决定。第八十一页，共110页。（2）GPRS逻辑信道及分类

①分组业务信道 GPRS系统中，分组业务信道即分组数据业务信道（PDTCH），PDTCH用于在分组交换的模式下承载用户信息，主要用于传送语音业务和数据业务。第八十二页，共110页。

②分组控制信道

分组控制信道用于承载信令、同步数据和传送控制信息，主要分为3类：分组公共控制信道（PCCCH）、分组广播控制信道（PBCCH）和分组专用控制信道（PDCCH）。第八十三页，共110页。2．MAC协议层

（1）MAC层功能 MAC层位于RLC层和物理层之间，通过直接与物理层连接完成信道资源共享、无线链路控制和媒体接入控制等功能，使多个MS共享相同的传输媒体。第八十四页，共110页。（2）MAC层主要标识符①临时块流（TBF）②临时块流标识（TFI）③上行链路状态标识（USF）第八十五页，共110页。3．RLC层协议

（1）RLC层功能 RLC层是LLC层和MAC层之间的接口，负责对发往空中接口的数据进行封装和解封装。

（2）RLC层传输模式第八十六页，共110页。4．LLC协议层

（1）LLC层功能

逻辑链路控制层（LLC）基于RLC/MAC层，支持SNDCP层、信令和会话层，为MS与SGSN之间的高可靠性连接提供逻辑信道。

（2）LLC层主要标识符

①LLC层业务接入点标识（SAPI）。

②临时逻辑链路标识符（TLLI）。第八十七页，共110页。5．SNDCP协议层

（1）SNDCP层功能 SNDCP（子网相关汇聚协议）层位于网络层下面和LLC层的上面，提供了对协议的透明性。第八十八页，共110页。（2）网络层业务接入点（NSAPI）的作用 NSAPI为使用SNDCP业务的PDP上下文的索引，它用于对SNDCP层提供的业务的PDP类型地址组合进行标识。第八十九页，共110页。7.6.4GPRS的移动性和会话管理1．基本概念

（1）MM上下文 GSPRS的移动性管理（MM）是指移动台在空闲状态（IDLE）、待命状态（STANDY）和就绪状态（READY）3种状态之间的相互转换。第九十页，共110页。（2）PDP上下文

每个PDP上下文由PDP状态及相关信息来描述，通常包括如下内容：接入点名（APN），指相关联的GGSN；业务接入点标识（NSAPI）；LLC业务接入点标识（LLCSAPI）；PDP地址；请求的QoS、射频优先级别和协议配置选项等。第九十一页，共110页。2．GPRS移动台移动管理状态（1）IDLE状态。（2）STANDBY状态。（3）READY状态第九十二页，共110页。3．GPRS系统中的小区选择与重选

（1）小区选择

当移动台开机或从盲区进入覆盖区时，移动台将搜索PLMN允许的所有频点，并选择合适的小区驻留，这个过程称为小区选择。第九十三页，共110页。（2）小区重选

与GSM网络不同，GPRS系统中不考虑切换的问题，对于MS的移动管理采用小区重选程序。第九十四页，共110页。4．GPRS附着/去附着

移动台进行GPRS附着后才能够获得GPRS业务的使用权。

当移动台不再需要GPRS业务时，需要GPRS去附着过程。第九十五页，共110页。5．GPRS路由区更新

当GPRS移动台长期驻留在某个路由区或者检测到新的路由区时，移动台将发起路由区（RA）更新过程。第九十六页，共110页。6．GPRS系统中的会话管理

会话管理程序是指GPRS移动台连接到外部数据网络的处理程序。

会话管理程序主要包括PDP上下文的激活、去激活和修改，还包括匿名接入时PDP上下文的去激活。第九十七页，共110页。

（1）PDP上下文管理相关的两个概念

①PDP状态

②PDP地址

（2）PDP上下文激活/去激活

（3）PDP上下文修改第九十八页，共110页。7.7EDGE7.7.1EDGE概述1．EDGE的引入2．ECSD

增强电路交换数据（ECSD）业务是以高速电路交换数据（HighSpeedCi