数字蜂窝移动通信系统课件

数字蜂窝移动通信系统 1 1 概 述 n尽管模拟移动通信系统的技术日趋成熟 ，但仍然存在着一些严重的缺陷。一些 发达国家早在20世纪70年代就着手考虑 数字蜂窝移动通信技术的研究开发。 2 1 概 述 n为此，美国蜂窝电信工业公司（CTIA）于 1988年发布了一个称为用户的性能需求（UPR ）的文件。其中，对第二代蜂窝通信系统提出 的主要要求是： n系统的容量至少是AMPS的10倍； n通信质量等于或优于现有AMPS系统； n易于过渡并和现有模拟系统兼容（双模式）； n较低的成本； n蜂窝开发网络结构（CONA）等。 3 2 泛欧数字蜂窝通信系统GSM n在20世纪80年代初期，欧洲的电信运营部门就发觉他 们的汽车电话远不如他们的高速公路那样畅通，56 种模拟移动制式将整个欧洲的蜂窝系统分割成四分五 裂的状态，根本不能形成快速增长的市场所需求的规 模经济。 n面对这一现状，欧洲电信管理部门（CEPT）于1982 年成立了一个被称为GSM（移动特别小组）的专题小 组，开始制定适用于泛欧各国的一种数字移动通信系 统的技术规范。经过6年的研究、实验和比较，于 1988年确定了包括采用TDMA技术在内的主要技术规 范，并制定出实施计划。 n在GSM标准中，未对硬件进行规定，只对功能和接口 等进行了详细规定，便于不同公司产品的互连互通。 GSM标准共有12项内容，如表8-1所示。 4 2 泛欧数字蜂窝通信系统GSM 序 号内 容序 号内 容 01概述07MS的终端适配器 02业务08BS-MSC接口 03网络09网络互通 04 MS-BS接口与协 议 10业务互通 05 无线链路的物理 层 11 设备型号认可规 范 06语音编码规 范12操作和维护 5 2.1 GSM系统的结构和业务功能 n一个完整的数字移动通信网主要由交换分系统和基站 分系统组成，除此以外还有大量移动台作为用户接入 移动通信网的用户设备。网络运营部门为了管理整个 移动通信系统还需要专门的操作维护分系统。 n构成移动通信网的各个分系统之间，以及分系统内部 各功能实体之间都存在大量的接口，GSM技术规范对 这些接口及其协议也进行了详细的规定，从而使不同 厂商按规范生产的设备能够在同一个网内互连。 nGSM数字移动通信系统能够为用户提供的各种业务。 语音通信业务是最普通也是应用最广泛的一种常规业 务。GSM系统还为用户提供各种数字通信业务。短消 息业务是GSM系统提供的一种特殊类型的业务。 6 分系统组成 移动台 n移动台是整个移动通信系统中直接由用户使用 的设备，因此也是最被广大的用户所关心的设 备。移动台的形式有安装在车辆上的车载式和 随身携带的便携式两种。 n由于移动台使用上的灵活性，它也可用于固定 通信中。在没有电信线路或者需要临时性电信 服务的场合，利用移动台可以代替固定的电信 设备灵活地为用户提供他们需要的各类电信业 务。 7 分系统组成 移动台 n移动台的主要功能除了无线接入通信网络，完 成各种控制和处理以提供主叫或被叫通信以外 ，还必须具备与使用者之间的人机接口或与其 他终端设备相连接的适配装置，或两者兼有。 n广义的移动终端包括单纯的移动台、终端适配 器和专用的终端设备。图表示了这三种移动台 的构成方式。 8 分系统组成 移动台 9 分系统组成 移动台注册与管理 n对普通的有线电话，决定电话号码的是用户线而不是 电话机本身。此电话用户的注册状况，诸如能否打长 途电话，是否按时交了月租费等信息资料都存储在交 换机的数据库中。 n而移动台依靠的是无线接入，不存在固定的线路，移 动台本身必须具备用户的识别号码，这些用于识别用 户的数据资料可以由电话局一次性注入移动台。另一 种更为灵活的方式是采用用户识别模块，这种识别模 块可以做成信用卡的形式，在移动台上只配有读卡装 置。这种包含了用户信息的卡称为SIM（Subscriber Identity Module）卡。使用移动台的人必须将SIM卡 插入移动台才能使用，就像有线电话机必须接上电话 用户线才能打电话一样。 10 分系统组成 移动台注册与管理 n用户只要把其SIM卡带到任何地方将SIM卡插 入其他移动台设备，就像携带着自己的设备一 样同样能获得用户自己所注册登记的各种通信 服务。这种通信方式将成为未来个人通信的基 础，也就是真正实现了人与人之间的直接通信 ，而不像以往的通信方式，通信接续只是从某 一终端设备到另一终端设备。当前的数字移动 通信系统虽然还不能说已经达到个人通信的要 求，但是至少进行了某种尝试和探索，为今后 完善的个人通信奠定了基础。 11 分系统组成 基站分系统 n广义来说，基站分系统（BSS）包含了GSM数字移动 通信系统中无线通信部分的所有地面基础设施，它通 过无线的接口直接与移动台实现通信连接。为此， BSS要完成无线信道的发送、接收和管理。 n另一方面，BSS的角色可视为移动台与交换机之间的 桥梁。此外，BSS还应受到网络管理系统的控制，因 此与网络管理系统之间也必须有适当的接口。 n按GSM数字移动通信规范提出的基本结构，BSS又可 分为两部分：通过无线接口与移动台一侧相连的基站 收、发信台（BTS）和另一侧与交换机相连的基站控 制器（BSC）。从功能上看，它们之间的分工是BTS 负责无线传输，而BSC负责控制和管理。 12 分系统组成 基站分系统 nBTS包括无线收发信机和天线，此外还有与无线接口 有关的信号处理电路。在数字移动通信系统中，信号 处理电路将实现多址复用所需的帧和时隙的形成和管 理，以及为改善无线传输所需的信道编译码和加密解 密等功能。 nBTS还有一个重要的部件称为码型转换器/速率适配器 （TRAU），它使GSM系统内部专用的语音编译码信 号和传递数据时较低的速率与有线电信传输线路中普 遍采用的64 kbit/PCM相配合。在GSM数字移动通信规 范中虽将TRAU作为BTS的一部分，但它们可以放在远 离BTS的地方，大多数场合都放在BSC与交换机之间 ，以便提高BTS与BSC之间传输线路的效率。 13 分系统组成 基站分系统 nBSS内部的结构如图2所示，BSC通过对 BTS和MS发送指令来管理无线接口，主 要是进行无线信道的分配、释放及越区 信道切换的管理。 nBSC与移动交换中心（MSC）之间的接 口称为“A”接口后来BTS与BSC之间的接 口也进行了标准化，并称为“Abis”接口 ，但是“Abis”接口的完善程度远不如“A” 接口。 14 分系统组成 基站分系统 15 分系统组成 交换分系统 nGSM数字移动通信系统中的交换分系统（MSS）包括 移动交换中心（MSC）和存储用户数据和移动管理信 息的数据库。MSS负责管理GSM系统内部用户之间及 与其他电信网用户之间的通信。 n在MSS内，交换功能由移动交换中心（MSC）提供， 它主要处理和协调GSM系统内部用户的通信接续，不 论是主叫还是被叫。MSC在BSC一侧通过“A”接口与 GSM系统内部的用户相连，在另一侧则与公用移动通 信网PLMN及其他现有的各种通信网相连。 nMSC通常是一个相当大的数字程控交换机，能控制若 干个BSC。目前一个典型的移动交换中心有八到十二 个机架，大约能满足一个百万人口的省会城市的要求 ，使其移动通信的普及率达到中等程度。 16 分系统组成 交换分系统 nMSC与某些网络的互连需要通过一定的适配才能符合 对方网络对传输的要求。这种用于适配的功能块称为 IWF（Interworking Functions），通常由传输和规程 适配设备组成，用以实现与分组交换公众数据网 PSPDN或电路交换公众数据网CSPDN互连。 n与电信业务有关的用户信息都由归属位置寄存器HLR 掌管。每个移动用户当前位置的信息都存储在HLR中 。HLR从功能上可以分出一个子功能实体，称为鉴权 中心AUC，其管理与安全性有关的用户数据，并对用 户进行鉴权。 n在GSM系统中，第二个数据库是直接与一个或多个 MSC连接在一起的访问位置寄存器VLR，其作用是存 储当时在其管辖下的用户所处位置的精确数据及其他 的用户数据。 17 分系统组成 交换分系统 n在不明路径的情况下要为GSM数字移动通信网内的用 户建立通信时，首先都先接到一个关口交换局称为 GMSC。GMSC的作用是查询用户的位置信息，并把路 由转到移动用户当时所在的移动交换局VMSC。要做 到这一点，GMSC首先根据移动用户的电话号码找到 该用户的HLR，然后从HLR查询到该用户目前的VMSC 。 nGMSC有接口与GSM网外的电信网相连接以便能够实 现“关口”功能，同时GMSC与GSM网内交换分系统的其 他实体之间用CCS7信令网互连。考虑到便于GSM网络 运行部门对网内移动用户计费，通常总是把GMSC作 为GSM网的一部分。从经济上考虑也不希望设置单独 的GMSC，于是实际上的GMSC都是与MSC放在同一个 设备中，而使该MSC包含了关口局的功能。 18 分系统组成 交换分系统 n以上已经把交换分系统内的部件进行了介绍，接下来 就要使用SS7信令网把这些部件连接成一个分系统。 GSM网络的运行部门是否有权经营SS7信令网，各个 国家有不同的规定。如果GSM网络的运行部门可以掌 管SS7信令网，信令网的信令交换点STP可以根据经济 上最合理的原则与MSC放在一起成为GSM交换分系统 的一部分或者作为单独的结点设置在其他地方。 n与此相类似，GSM网络的运行部门是否被允许自己经 营GMSC到各MSC之间的传输线路也取决于不同国家 的电信法规。如果可以自己经营，那么汇接局也可以 与某些MSC放在一起成为GSM网的一部分，或者单独 成为独立的网络结点。 n下图给出了交换分系统内主要的实体和相互间的连接 关系。 19 分系统组成 交换分系统 20 分系统组成操作和维护分系统 n操作和维护分系统需要执行各种各样的任务，为此要 网内所有的设备及经营这些设备和实体的公司和部门 相互配合。 n以前，操作维护工作都是在设备安放现场进行，每种 设备都通过本地终端提供某种人机界面，各设备之间 的协调完全靠操作人员自己掌握。如果完全使用本地 操作，操作维护功能就分散到基站分系统和交换分系 统中，惟一的操作维护设备就是本地的终端。 n随着需要操作的设备越来越多，需要某种程度的集中 管理，同时也要求用一些专门的设备辅助操作人员对 分散在各处的业务控制设备进行协调管理，使各种不 同设备的配置和参数能更协调配合。最终应该达到电 信管理网TMN提出的目标。 21 分系统组成操作和维护分系统 n网络的操作维护需要在操作人员和被操作的设备之间 存在某种中介。GSM技术规范指明，用于操作维护的 设备与基站分系统和交换分系统的设备是直接相连的 ，这种专门用于操作维护的设备称为操作维护中心 OMC。根据与电信网络中所接的设备类别不同又分为 管理无线设备的OMC-R和管理交换设备的OMC-S。这 些OMC也可以起中介作用，成为进入更大的管理网络 的一种关口设备。 n对用户的管理是独立于一般操作维护功能以外的专项 任务，因此另外有专门的设备支持这项管理工作。用 户管理包括两个方面：用户数据管理和计费管理。 GSM技术规范没有规定第一项的内容，对第二项也只 进行了少量的规定，网络的运行部门将采用各自的方 法处理对用户的管理工作。 22 分系统组成操作和维护分系统 n用户数据的管理只涉及HLR（包括AUC负责与安全性 有关的数据）及专门的管理设备。运行部门可以在其 营业部门安装具有人-机接口的设备，然后通过传输网 络接到HLR。 n用户数据管理还涉及到用户持有的用户识别卡SIM。 在SIM卡中的用户数据必须与网络端HLR中的用户数 据保持一致，为此SIM卡分为两个阶段：第一阶段只 能与用户注册管理系统打交道，而不能在系统的通信 业务中使用，第二阶段是经过用户注册管理系统给予 初始化以后，SIM卡才能插入移动台用于通信业务。 n计费管理在移动通信环境下要比常规的有线电话复杂 得多。GSM移动用户的计费数据来自许多MSC， GMSC也可以成为计费数据的一个来源。计费设备要 为网内的每个移动用户收集来自各方面的计费数据。 GSM技术规范没有对计费设备进行专门的规定，然而 网内的HLR可以成为计费数据的集中点再接到与其相 连的用户管理系统。 23 分系统组成操作和维护分系统 n在GSM网络的结构中专门有一种设备负责移动台的管 理，这就是设备识别寄存器EIR。它是一个用于寄存 网内每个移动台的设备数据的数据库。前面已经作过 解释，移动台包括SIM卡和移动设备。涉及SIM卡的 用户数据由HLR掌管，SIM卡可以从移动设备中取出 而再插入其他移动设备，因此对用户的监督并不意味 着对移动台设备的监督。 n虽然移动设备的管理对电信业务管理来说并不是必需 的，用户可以自己购买设备，但是作为网络运行部门 还是会对移动设备的管理产生兴趣。有两个例子可以 说明运行部门的需要：一种情况是要搜寻被偷的移动 设备；另一种情况是网内出现了性能不正常的移动设 备。 24 GSM业务功能 nGSM数字移动通信系统是一种多业务系统，能 提供许多种不同类型的业务。从传统的业务来 看，可分为电话业务和数字业务（或统称非话 业务）。对电话业务，传输的信息是音频范围 的语言信号；对非话业务，则传输除语音以外 的其他各种信号，包括文字、图像、传真、各 种消息和计算机的文件等。 nGSM数字移动通信系统还为用户提供非传统的 业务，如短消息业务。这种业务与目前固定电 信网提供的业务不同，其更像无线寻呼业务（ 单向的消息传递）。 25 GSM业务功能 n一般来说，电信业务的类型不仅仅取决 于传递的信息，还涉及通信的其他特性 。例如，传输结构的不同；通信的参与 方介入的程度；资费上的不同处理等许 多方面。 26 GSM业务功能 n实际为用户提供的业务取决于三个独立的因素 ： n用户实际注册登记的业务项目。用户将按照自己的 需要，在注册登记时选择全部或一部分业务。网络 运行部门只会为用户提供其注册登记的业务。 n网络的能力。目前并不是所有的电信网都能提供同 样的业务，当用户漫游到一个新的地点，可能会发 现他在当地可以使用的业务会受到某种限制。 n用户设备的能力。有些业务需要用户设备的配合， 显而易见。 27 GSM业务功能 n电信网为用户提供基本业务时会涉及两个方面 的工作：一是传输媒介；另一个是建立接续。 而补充业务与基本业务的区别在于用户的参与 程度。许多补充业务为用户提供了主动性，使 用户能参与网络的控制，从而根据用户各自的 需要，让网络为用户提供更灵活方便的服务。 n补充业务中有些性能的改变可以在用户的终端 上设置，另一些则由网络提供。目前大多数网 络经营者对要求提供补充业务的用户需另行申 请，大部分补充业务还要附加收费。 28 2.2 GSM系统的无线接口 nGSM数字蜂窝网的无线接口即Um接口， 也就是通常所称的空中接口，是系统最 重要的接口。 n下表给出了GSM系统的主要参数，为便 于比较，表中还列出了另外两种时分多 址数字蜂窝网的对应参数。 29 GSM系统无线传输特征 欧洲 GSM 美国 D-AMPS 日本 JDC 多址方式TDMA/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMA 频率/MHz 移动台（发）890915824849940956/14291453 基站（发）935960869894810826/14771501 载频间 隔/kHz2003025 时隙数/载频8/163/63/6 调制方式GMSK/4-QPSK/4-QPSK 加差错保护后的语音速率/(Kb/s)22.81311 信道速率/( Kb/s)270.83348.642 TDMA帧长/ms4.6154020 交织跨度/ms402727 30 GSM系统无线传输特征 TDMA/FDMA接入方式 nGSM系统中，由若干个小区（3个，4个 或7个）构成一个区群，区群内不能使用 相同频道，同频道距离保持相等，每个 小区含有多个载频，每个载频上含有8个 时隙，即每个载频有8个物理信道，因此 GSM系统是时分多址/频分多址的接入方 式，如图所示。 31 GSM系统无线传输特征 TDMA/FDMA接入方式 32 GSM系统无线传输特征频率与 频道序号 nGSM系统工作在以下射频频段： n上行（移动台发、基站收） 890915 MHz n下行（基站发、移动台收） 935960 MHz n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。 n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： n下频段 fl(n) = (890 0.2n) MHz n主频段 fh (n) = (935 0.2n) MHz n式中，n=1124。例如n = 1，fl (1) = 890.2 MHz，fh (1) = 935.2 MHz，其他序号的载频依次类推。 n前面已经指出，每个载频有8个时隙，因此GSM系统总共有124 8 = 992个物理信道。 33 GSM系统无线传输特征载频复 用与区群结构 nGSM系统中，基站发射功率为每载波500 W， 每时隙平均为500/8=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500 m，前者适用于农村地区，后者 适用于市区。 n由于系统采取了多种抗干扰措施（如自适应均 衡、跳频和纠错编码等），同频道射频防护比 可降到C/I=9 dB，因此在业务密集区，可采 用3小区9扇区的区群结构。 34 信道类型及其组合 n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 信道主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。 n图5给出了GSM系统各种帧及时隙的格式 。 35 信道类型及其组合帧结构 36 信道类型及其组合帧结构 n每一个TDMA帧分07共8个时隙，帧长度为120/264.615 ms 。每个时隙含156.25个码元，占15/260.577 ms。由若干个 TDMA帧构成复帧，其结构有两种：一种是由26帧组成的复帧， 这种复帧长120 ms，主要用于业务信息的传输，也称为业务复 帧；另一种是由51帧组成的复帧，这种复帧长235.385 ms，专 用于传输控制信息，也称为控制复帧。 n由51个业务复帧或26个控制复帧均可组成一个超帧，超帧的周 期为1326个TDMA帧，超帧长51264.61510-36.12 s。由 2048个超帧组成超高帧，超高帧的周期为20481326=2715648 个TDMA帧，即12533.76秒，即3小时28分53秒760毫秒。帧的 编号（FN）以超高帧为周期，从0到2715647。 nGSM系统上行传输所需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，如图所示。这 样安排，允许移动台在这3个时隙的时间内，进行帧调整及对收 发信机的调谐和转换。 37 信道类型及其组合帧结构 38 信道类型及其组合信道分类 39 信道类型及其组合信道分类 n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（TCH/F）和半速率业务信道 （TCH/H）之分。半速率业务信道所用时隙是全速率业务信道所用时隙 的一半。 n语音业务信道。载有编码语音的业务信道分为全速率语音业务信道 （TCH/FS）和半速率语音业务信道（TCH/HS），两者的总速率分 别为22.8 Kb/s和11.4 Kb/s。 n数据业务信道。在全速率或半速率信道上，通过不同的速率适配和 信道编码，用户可使用下列各种不同的数据业务： n9.6 Kb/s，全速率数据业务信道（TCH/F9.6） n4.8 Kb/s，全速率数据业务信道（TCH/F4.8） n4.8 Kb/s，半速率数据业务信道（TCH/H4.8） n2.4 Kb/s，全速率数据业务信道（TCH/F2.4） n2.4 Kb/s，半速率数据业务信道（TCH/H2.4） n此外，在业务信道中还可安排慢速辅助控制信道或快速辅助控制信道， 它们与业务信道的连接在图中用虚线表示。 40 信道类型及其组合信道分类 n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）。 n广播信道。一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向移动台 广播公用的信息。传输的内容主要是移动台入网和呼叫建立所需要的 有关信息。包括： n频率校正信道（FCCH）：传输供移动台校正其工作频率的信息； n同步信道（SCH）：传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息，因 为基站识别码是在同步信道上传输的； n广播控制信道（BCCH）：传输系统公用控制信息，例如公共控制信道（ CCCH）号码及是否与独立专用控制信道（SDCCH）相组合等信息。 n公用控制信道。CCCH是一种双向控制信道，用于呼叫接续阶段传输 链路连接所需要的控制信令。其中又分为： n寻呼信道（PCH）：传输基站寻呼移动台的信息； n随机接入信道（RACH）：这是一个上行信道，用于移动台随机提出的入 网申请，即请求分配一个独立专用控制信道（SDCCH）； n准许接入信道（AGCH）：这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网 申请作出应答，即分配一个独立专用控制信道。 41 信道类型及其组合信道分类 n专用控制信道。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及在通信进行当中，在移动台和 基站之间传输必要的控制信息。其中又分为： n独立专用控制信道（SDCCH）：用于在分配业务信道之 前传送有关信令。 n慢速辅助信道（SACCH）：在移动台和基站之间，需要 周期性地传输一些信息。SACCH可与一个业务信道或一 个独立专用控制信道联用。SACCH安排在业务信道时， 以SACCH/T表示；安排在控制信道时，以SACCH/C表示 。 n快速辅助控制信道（FACCH）：传送与SDCCH相同的信 息，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制 信道。使用时要中断业务信息，把FACCH插入业务信道 ，每次占用的时间很短，约18.5 ms。 42 信道和语音编码 n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。 nGSM系统中的语音编码器全称为线性预测编码 -长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC- LTP-RPE编码器）。 43 信道和语音编码信道编码 n信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因 素对信号产生的不良影响。但它是以增加bit ，降低信息量为代价的。 n编码的基本方法是在原始数据上附加一些冗余 信息。增加的bit是通过某种约定从原始数据 经计算机产生的。接收端的解码过程利用这些 冗余bit检测误码并尽可能地纠正错误 n根据传输模式不同，在无线传输中使用不同的 码型。实际上，大多数情况下是把几种编码方 式组合在一起应用，最终的冗余码是多种编码 的混合结果。 44 信道和语音编码信道编码 nGSM中使用的编码方式有下列几种： n块卷积码：主要用于纠错。当解调器采用最大似然 估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果。 n纠错循环码：主要用于检测和纠正成组出现的误码 。通常与前一种方法混合使用，用于捕捉和纠正遗 漏的组误差。 n奇偶码：这是一种普遍使用的，最简单的检测误码 方法。 n在GSM系统中，首先将一些信息比特构成一个“信息分 组+奇偶（检验）比特”的形式，然后对全部比特做卷 积编码。采用两次编码的好处是：当有差错时，利用 卷积编码特性进行校正，利用分组编码特性进行检测 。 45 信道和语音编码信道编码 nGSM系统首先是把语音分成20 ms的音 段，这20 ms的音段通过语音编码器被 数字化和语音编码，产生260个比特流 ，并被分成： n50个最重要比特 n132个重要比特 n78个不重要比特 46 2.3 GSM系统的控制和管理 n由于GSM系统是一种功能繁多且设备复 杂的通信网络，无论是移动用户与市话 用户还是移动用户之间建立通信，必须 涉及系统中的各种设备。 n下面着重讨论系统控制与管理中的几个 主要问题，包括位置登记与更新、鉴权 与保密、呼叫接续和过境切换等。 47 位置登记 n所谓位置登记（或称注册）是通信网为 了跟踪移动台的位置变化，而对其位置 信息进行登记、删除和更新的过程。由 于数字蜂窝网的网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。 n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。 48 位置登记 nGSM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，如图中的LA1，LA2，LA3，。 49 位置登记 n当一个移动用户首次入网时，它必须通过移动交换中 心（MSC），在相应的位置寄存器（HLR）中登记注 册，把其有关的参数（如移动用户识别码、移动台编 号及业务类型等）全部存放在这个位置寄存器中，这 个位置寄存器称为原籍位置寄存器。 n移动台的不断运动将导致其位置的不断变化。这种变 动的位置信息由另一种位置寄存器，即访问位置寄存 器（VLR）进行登记。移动台可能远离其原籍地区而 进入其他地区访问，该地区的VLR要对这种来访的移 动台进行位置登记，并向该移动台的HLR查询其有关 参数。此HLR要临时保存该VLR提供的位置信息，以 便为其他用户（包括固定的市话网用户或另一个移动 用户）呼叫此移动台提供所需的路由。 50 位置登记 n位置区的标志在广播控制信道（BCCH）中播送，移 动台开机后，就可以搜索此BCCH，从中提取所在位 置区的标志。如果移动台从BCCH中获取的位置区标 志就是它原来用的（上次通信所用）位置区标志，则 不需要进行位置更新。如果两者不同，则说明移动台 已经进入新的位置区，必须进行位置更新。于是移动 台将通过新位置区的基站发出位置更新的请求。 n移动台可能在不同情况下申请位置更新。比如，在任 一个地区中进行初始位置登记，或者在同一个VLR服 务区中进行过区位置登记，或者在不同的VLR服务区 中进行过区位置登记等。不同情况下进行位置登记的 具体过程会有所不同，但基本方法都是一样的。图给 出的是涉及两个VLR的位置更新过程，。 51 位置登记 n当移动台进入某个访问区需要进行位置登记时，它就 向该区的MSC发出“位置登记请求（LR）”。若LR中携 带的是“国际移动用户识别码（IMSI）”，新的访问位 置寄存器(VLR)n在收到MSC“更新位置登记”的指令后 ，可根据IMSI直接判断出该移动台（MS）的原籍位 置寄存器（HLR）。(VLR)n给该MS分配漫游号码（ MSRN），并向该HLR查询“MS的有关参数”，获得成 功后，再通过MSC和BS向MS发送“更新位置登记”的确 认信息。HLR要对该MS原来的移动参数进行修改，还 要向原来的访问位置寄存器(VRL)0发送“位置信息注 销”指令。 52 位置登记 53 位置登记 n如果MS是利用“临时用户识别码”（由(VRL)0分配的） 发起“位置登记请求”的，(VLR)n收到后，必须先向 (VRL)0询问该用户的IMSI，如询问成功，(VLR)n再给 该MS分配一个新的TMSI，接下去的过程与上面一样 。 n如果MS因故未收到“确认”信息，则此次申请失败，可 以重复发送三次申请，每次间隔至少是10 s。 n移动台可能处于激活（开机）状态，也可能处于非激 活（关机）状态。移动台转入非激活状态时，要在有 关的VLR和HLR中设置一个特定的标志，使网络拒绝 向该用户呼叫以免在无线链路上发送无效寻呼信号， 这种功能称为“IMSI分离”，当移动台由非激活状态转 为激活状态时，移动台取消上述分离标志，恢复正常 工作，这种功能称为“IMSI附着”。两者统称为“IMSI分 离/附着”。 54 位置登记 n若MS向网络发送“IMSI附着”消息时，因无线链路质量 很差，有可能造成错误，即网络认为MS仍然为分离状 态。反之，当MS发送“IMSI分离”消息时，因收不到信 号，网络也会错认为该MS处于“附着”状态。 n为了解决上述问题，系统还采取周期性登记方式，例 如要求MS每30分钟登记一次。这时，若系统没有接 收到某MS的周期性登记信息，VLR就以“分离”作标记 ，称为“隐分离”。 n网络通过BCCH通知MS其周期性登记的时间周期。周 期性登记程序中有证实消息，MS只有接收到此消息后 才停止发送登记消息。 55 鉴权与加密 n由于空中接口易受到侵犯，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，而加密是了为 防止第三者窃听。 n鉴权中心（AUC）为鉴权与加密提供了三参数 级线（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， 这样每一个用户均有惟一的Ki和IMSI，它们存 储于AUC数据库和SIM卡中。根据HLR的请求 ，AUC按下列步骤产生一个三参数组，如图所 示。 56 鉴权与加密 n首先，产生一个随机数（RAND）； n通过密钥算法（A8）鉴权算法（A3），用RAND和Ki 分别计算出密钥（Kc）和符号响应（SRES）； nRAND、SRES和Kc作为一个三参数组一起送给HLR。 57 鉴权与加密鉴权 n无论是移动台主呼或被呼，都有鉴权过程如图 所示。 n鉴权过程主要涉及AUC、HLR、MSC/VLR和MS ，它们均各自存储着用户有关的信息或参数。 n当MS发出入网请求时，MSC/VLR就向MS发送 RAND，MS使用该RAND及与AUC内相同的鉴 权键Ki和鉴权算法A3，计算出符号响应SRES ，然后把SRES回送给MSC/VLR，验证其合法 性。 58 鉴权与加密鉴权 59 鉴权与加密加密 nGSM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，如图所示。 n在鉴权程序中，当计算SRES时，同时用另一个算法（ A8）计算出密钥Kc，并在BTS和MSC中均暂存Kc。当 MSC/VLR把加密模式命令（M）通过BTS发往MS，MS 根据M、Kc及TDMA帧号通过加密算法A5，产生一个 加密消息，表明MS已完成加密，并将加密消息回送给 BTS。BTS采用相应的算法解密，恢复消息M，如果无 误则告知MSC/VLR，表明加密模式完成。 60 鉴权与加密加密 61 鉴权与加密设备识别 n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IMEI。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中使用三种设备清单，如下： n白名单：合法的移动设备识别号； n黑名单：禁止使用的移动设备识别号； n灰名单：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。 n设备识别程序如图所示。设备识别程序在呼叫建立尝 试阶段进行。当MS发起呼叫，MSC/VLR要求MS发送 其IMEI，MSC/VLR收到后，与EIR中存储的名单进行 检查核对，决定是继续还是停止呼叫建立程序。 62 鉴权与加密设备识别 63 鉴权与加密用户识别码（IMSI ）保密 n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。 nMS每次向系统请求一种程序，如位置更新、 呼叫尝试等，MSC/VLR将给MS分配一个新的 TMSI。图给出了位置更新时使用的新的TMSI 程序。 n由上述分析可知，IMSI是惟一且不变的，但 TMSI是不断更新的。在无线信道上传送的一 般是TMSI，因而确保了IMSI的安全性。 64 鉴权与加密用户识别码（IMSI ）保密 65 呼叫接续移动用户主呼 n移动台（MS）在“随机接入信道（RACH）”上，向基 站（BS）发出“信道请求”信息，若BS接收成功，就给 这个MS分配一个“专用控制信道”，即在“准许接入信 道（AGCH）”上，向MS发出“立即分配”指令。 nMS收到“立即分配”信令后，利用分配的专用控制信道 （DCCH）与BS建立起信令链路，经BS向MSC发送“业 务请求”信息。MSC向VLR发送“开始接入请求”应答信 令。VLR收到后，经MSC和BS向MS发出“鉴权请求”， 其中包含一个随机数（RAND），MS按鉴权算法A3进 行处理后，向MSC发回“鉴权”响应信息。 n若鉴权通过，承认此MS的合法性，VLR就给MSC发送“ 置密模式”信息，由MSC经BS向MS发送“置密模式”指 令。MS收到并完成置密后，要向MSC发送“置密模式 完成”的响应信息。经鉴权、置密完成后，VLR向MSC 发送“开始接入请求应答”。为了保护IMSI不被监听或 盗用，VLR将给MS分配一个新的TMSI。 66 呼叫接续移动用户主呼 n接着，MS向MSC发出“建立呼叫请求”，MSC收到后， 向VLR发出指令，要求它传送建立呼叫所需的信息。 如果成功，MSC即向MS发送“呼叫开始”指令，并向BS 发出分配无线业务信道的“信息指配”信令。 n如果BS有空闲的业务信道（TCH），即向MS发出“信 道指配”指令，当MS得到业务信道时，向BS和MSC发 送“信道指配完成”的信息。 nMSC在无线链路和地面有线链路建立后，把呼叫接续 到固定网络，并和被呼叫的固定用户建立连接，然后 给MS发送回铃音。被呼叫的用户摘机后，MSC向BS 和MS发送“连接”指令，待MS发回“连接”确认后，即转 入通信状态，从而完成了MS呼叫固定用户的整个接续 过程。 67 呼叫接续移动用户主呼 68 呼叫接续移动用户被呼 n当固定用户向移动用户拨出呼叫号码后，固定网络把 呼叫接续到就近的移动交换中心GMSC。GMSC即向相 应的HLR查询路由信息，HLR在其保存的用户位置数 据库中，查出被呼MS所在的地区，并向该区的VLR查 询该MS的漫游号码（MSRN），VLR把该MS的（ MSRN）送到HLR，并转发给查询路由信息的GMSC。 nGMSC即把呼叫接线到被呼MS所在地区的移动交换中 心，记为VMSC。由VMSC向该VLR查询有关的“呼叫参 数”，获得成功后，再向相关的基站（BS）发出“寻呼 请求”。基站控制器（BSC）根据MS所在的小区，确 定所用的收发台（BTS），在寻呼信道（PCH）上发 送此“寻呼请求”信息。 69 呼叫接续移动用户被呼 nMS收到寻呼请求信息后，在随机接入信道（RACH） 上向BS发送“信道请求”，由BS分配专用控制信道（ DCCH），即在公用控制信道（CCCH）上给MS发送“ 立即指配”信令，MS利用分配到的DCCH与BS建立起 信令链路，然后向VMSC发回“寻呼”响应。 nVMSC接到MS的“寻呼响应”后，向VLR发送“开始接入 请求”，接着启动常规的“鉴权”和“置密模式”的过程。 之后，VLR即向VMSC发回“开始接入应答”和“完成呼 叫”的请求。VMSC向BS及MS发送“呼叫建立”的信令。 被呼MS收到此信令后，向BS和VMSC发回“呼叫证实” 信息，表明MS可进入通信状态。 70 呼叫接续移动用户被呼 71 呼叫接续移动用户被呼 nVMSC收到MS的“呼叫证实”信息后，向BS发出 信道“指配请求”，要求BS给MS分配无线“业务 信道”（TCH）。 n接着，MS向BS及VMSC发回“指配完成”响应和 回铃音，于是VMSC向固定用户发送“连接完成 ”信息。被呼移动用户摘机时，向VMSC发送“ 连接”信息。VMSC向主呼用户发送“拨号应答” 信息，并向MS发送“连接”确认信息，完成了 固定用户呼叫移动用户的整个接续过程。 72 过区切换 n所谓过区切换是指在通话期间，当移动台从一个小区 进入另一个小区时，网络能进行实时控制，把移动台 从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道，并保 证通话不间断（用户无感觉）。如果小区采用扇区定 向天线，当移动台在小区内从一个扇区进入另一个扇 区时，也要进行类似的切换。 nGSM系统采用的过区切换办法称为移动台辅助切换（ MAHO）法。其主要指导思想是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，即由移动台来 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，从而进行有关过区切换的决策 。 73 过区切换 n时分多址（TDMA）技术给移动台辅助切换法提供了 条件。GSM系统在一帧8个时隙中，移动台最多占用 两个时隙分别进行发射和接收，在其余的时隙内，可 对周围基站的“广播控制信道”（BCCH）进行信号强度 的测量。当移动台发现它的接收信号变弱，达不到或 已接近于信干比的最低门限值而又发现周围某个基站 的信号很强时，它就可以发出过区切换的请求，由此 来启动过区切换过程。切换能否实现还应由MSC根据 网中很多测量报告进行决定。如果不能进行切换，BS 会向MS发出拒绝切换的信令。 74 过区切换 n同一个BSC控制区内不同小区之间的切换，也 包括不同扇区之间的切换 75 过区切换 n同一个MSC/VLR业务区，不同BSC间的切换 76 过区切换 n不同MSC/VLR的区间切换 77 3 窄带CDMA系统 3.1 概述 78 CDMA的发展背景 nCDMA技术早已在军用抗干扰通信研究中得到广泛应 用，1989年11月，Qualcomm在美国的现场试验证明 CDMA用于蜂窝移动通信的容量大，并经理论推导其 为AMPS容量的20倍。 n1995年中国香港和美国的CDMA公用网开始投入商用 。1996年韩国用自己的CDMA系统开展大规模商用， 头12个月发展了150万用户。1998年全球CDMA用户 已达500多万，CDMA的研究和商业进入高潮。 n无线通信在未来的通信中起越来越重要的作用， CDMA将成为下一世纪主要的无线接入技术。WCDMA 将成为目前各种第二代移动通信系统（GSM、IS95 、PDC等）的交汇点，成为第三代系统。 79 IS95 CDMA技术的发展趋势 nIS95还在不断完善和发展的过程中，Qualcomm将 致力继续发展IS95，以便使IS95保持竞争优势， 并过渡到第三代系统。同时推出以下新标准。 nIS99：IS99为IS95提供无线数据链接协议。 将把PPP、IP、TCP、AT等协议写入IS99，速率 为14.4 Kb/s，为IS95提供数据业务标准。 nIS657：IS657专门为IS95提供直接接入 Internet标准协议。支持所有的TCP/IP/PPP协议。 nIS95B：IS95B是为IS95成为宽带系统而写。 允许8个业务信道组合在一起，其数据传输速率将 取决于使用的信道数。支持高级的数据接入协议， 如TCP和ADSL等，为Internet的接入提供高速、灵 活、方便的服务。IS-95B的硬件网络将是全透明的 。 80 IS95 CDMA技术的发展趋势 nIS95C：IS95C完全兼容IS95A、B。IS95C 主要改进声码器、扇区设计、寻呼信道和省电时隙 ，以便于进一步提高容量、增加正向传输速率和降 低反向信道的EMI，使传输速率达到+64 Kb/s。 nCDMAOne nCDMAOne就是指基于IS95标准的数字蜂窝网络。目前 的标准是IS95A，下一步将推出允许更高数据传输速率 的IS95B。数据速率最高可达到116 Kb/s。 n基于IS95的CDMAOne技术自1995年10月商用实践以来 ，迅速覆盖韩国、日本、美国、欧洲和南美洲的一些主 要市场，取得了巨大的商业成功，并成为业界公认的3G 技术平台。 81 频率分配 n美国联邦通信委员会（FCC）分配给蜂窝通信系统使 用的频段如图所示。 n移动台向基站的传输频段占25 MHz，由824到849 MHz；基站向移动台的传输频段占25 MHz，由869到 894 MHz。频道间隔规定为30 kHz，对应的频道编号 如图下部所示。 82 频率分配 n移动台向基站的传输频段占25 MHz，由 824到849 MHz；基站向移动台的传输频 段占25 MHz，由869到894 MHz。频道 间隔规定为30 kHz，对应的频道编号如 图下部所示。 83 频率分配允许CDMA蜂窝系统使 用的频段 系 统CDMA可用 的频率 模拟信道总 数 CDMA频道编号 发射机频率（MHz） 移 动 台基 站 A“ （1 MHz） “ “22 991 1012 824.040 824.670 869.040 869.670 CDMA11 1013 1023 824.700 825.000 869.700 870.000 A （10 MHz） CDMA311 1 311 825.030 834.330 870.030 879.330 84 频率分配允许CDMA蜂窝系统使 用的频段 系 统CDMA可 用的频率 模拟信道 总数 CDMA频道 编号 发射机频率（MHz） 移 动 台基 站 A （10 MHz） “ “22 312 333 834.360 834.990 879.360 879.990 B （10 MHz） “ “22 334 355 835.020 835.650 880.020 880.650 CDMA289 356 644 835.680 844.320 880.680 889.320 “ “22 645 666 844.350 844.980 889.350 889.980 A （1.5 MHz） “ “22 667 688 845.010 845.640 890.010 890.640 CDMA6 689 694 845.670 845.820 890.670 890.820 “ “22 695 716 845.850 846.480 890.850 891.480 B （2.5 MHz） “ “22 717 738 846.510 847.140 891.510 892.140 CDMA39 739 777 847.170 848.310 892.170 893.310 “ “22 778 799 848.340 848.970 893.340 893.970 85 频率分配由频道编号计算CDMA 频率 发 射 机CDMA频道号 CDMA频率（ MHz） 移动台 1N7770.03N+825.000 1013N1023