《GSM系统概述》PPT课件.ppt

第五章 GSM与GPRS 内容 nGSM系统概述 nGSM系统的无线接口 无线接口 语音与信道编码 信道类型和组成 nGSM系统的控制和管理 位置登记 鉴权与加密 越区切换 nGPRS GSM系统概述 nGSM以前是Group Special Mobile (1982年设立) 的缩 写，现在是(Global System for Mobile communications) 的缩写。 n由欧洲ETSI (European Telecommunications Standardization Institute) 提出的第二代数字蜂窝移动通 信系统标准。 n采用TDMA/FDMA 复用方式。 n采用数字化语音编码和数字调制技术。 n以语音业务为主，也支持无线的数据业务。 n是世界上使用最广、用户数最多的移动通信系统。 GSM 历史 n1982年北欧四国向欧洲邮电行政大会CEPT提交建议 书，要求制定900MHz频段的欧洲公共电信业务规范。 在ETSI技术委员会下成立“移动特别小组(Group Special Mobile)”，简称“GSM”，来制定有关的标准 和建议书。 n1986年在巴黎对提出的8个建议系统进行现场实验。 n1987.5，GSM选定窄带TDMA、RPE-LTP话音编码和 GMSK调制方式。 n1988年提出主要建议，颁布GSM(泛欧数字蜂窝通信 网)标准。 n1990年完成了GSM900的规范，不同建议书分组成为 一套12个系列。 GSM 历史（续） n1991年在欧洲开通了第一个系统，将GSM更名为“全 球移动通信系统”(Global system for Mobile communications)。同年移动特别小组还完成了1800MHz 频段的移动电信业务规范，名为DCS 1800系统。 n1992年，大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。 n1993年，欧洲第一个DCS 1800系统投入运营。 n1995年，完成了1900MHz频段的PCS 1900移动电信业 务规范。 GSM 的发展现状 n第二阶段标准到1993年底也基本完成了主要 部分，并于1994年底冻结。 n1994年6月又开始考虑第2阶段的有关标准 的定义，后并入第二阶段标准。 n全世界已有欧洲、亚洲、非洲、美洲、大洋 州的130多个国家和地区建立了GSM网络，实 现全球漫游；移动通信用户的40采用GSM， 仅中国的用户数就超过了1亿。 GSM 的性能特征 n通信： 无线移动通信，支持话音和数据业务。 n移动性： 国际接入，采用chip-card 可接入不同运营商的 GSM网络。 n连通世界各地： 一个号码，网络处理本地化。 GSM 的性能特征（续） n容量大： 频谱效率较高、小区覆盖较小、每小区用户数较多 n传输质量高： 就无线通信而言，话音质量高，可靠性高，高速运 动场合（如汽车和火车上）也极少会发生电话呼叫中 断。 n安全功能： 接入控制、通过chip-card 和PIN 鉴权。 GSM 的缺点 n没有完美的系统! n没有端到端的用户加密。 n没有给用户提供完全的64 kb/s 的ISDN 带宽 。 n产生电磁辐射较强。 n可能会出现滥用私人数据的现象。 n漫游的profiles 易受影响。 n系统高度复杂。 n在GSM标准内有几处不相容。 GSM 的标准内容 GSM 系统构成 nGSM 是一种公共陆地移动网(PLMN)。 一个国家内可以由数个运营商根据GSM标准建设 蜂窝移动通信网络。 组成： MS (移动站) BS (基站) MSC (移动交换中心) LR (位置寄存器) 子系统： RSS (无线子系统)：涵盖所有无线方面。 NSS (网络和交换子系统)：呼叫下传、越区切 换、交换。 OSS (操作子系统)：网络管理。 GSM 蜂窝网络 n把服务区分割成小区： n使用数个载波频点。 n相邻小区使用的频率不同。 n小区覆盖半径从数百米到35km，取决于用户密度 、地理条件和发射机功率等。 n六角形小区覆盖是理想化的(小区重叠和形状取决 于地理条件)。 n若用户从一个小区运动到另一个小区将发生呼叫 连接的越区切换。 GSM 系统构成图示1 GSM 系统构成图示2 无线子系统（RSS) n组成： MS(移动站) BSS(基站子系统)，组成： BTS(基站收发信机)：发射 机和接收机。 BSC(基站控制器)：控制数 个收发信机。 n接口： Um：无线空中接口。 Abis：标准化的开放接口， 用户信道数据速率16 kbit/s A：标准化的开放接口，用户 信道数据速率64 kbit/s。 基站收发信机和基站控制器 nBSS 包括BSC 和BTS。 nBTS 包括了无线空中接口规定的功能。 nBSC 是无线信道的交换中心。 nBSC：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。 nBTS：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。 n一个BTS由无线收发信机及多块用于无线电接口的信 号处理模块组成。BTS位置通常在小区中心。BTS的发 射功率决定小区的尺寸。一个典型的BTS通常具有1到24 个收发信机（TRX），每个TRX代表一个单独的RF信道 。 nBTS功能：在朝BSC侧，BTS区分与移动台有关的话音 和控制信令，并通过各自信道传给BSC。在朝MS侧， BTS将信令和语音合在一个载波上。 功率级GSM900基站的最大功 率 DCS1800基站的最大功 率 1320W20W 2160W10W 380W5W 440W2.5W 520W 610W 75W 82.5W 基站的功率等级 移动站 n使用GSM 业务的终端。 n移动站(MS) 由以下几个功能组成： 移动终端(MT) 提供MS 所有业务时要应用的功能。 相当于ISDN 接入网的网络终端。 无线空中接口(Um) 的末端。 终端适配器(TA) 终端自适应、隐藏无线空中接口规定的特性。 终端设备(TE) MS 的外围设备，向用户提供业务。 不包括GSM 规定的功能。 用户身份模块(SIM) 移动终端的个人化（personalization），存储用户参数。 nSIM卡支持个人移动性； nSIM包括有关移动用户指定的GSM业务和网络信 息。它存储有用户识别号、位置信息和有关保密数 据（如密钥）、禁止GSM网络和参考语言。 nQIM卡支持个人身份码（PIN）来鉴别卡的用户， 以防非法卡的使用。PIN由4到8位数字组成，在SIM 出售时写入。移动台如无SIM卡只能进行紧急呼叫 。 移动站示意图 功率级 移动台最 大功率 120W 28W 35W 42W 50.8W 功率 级 移动台最 大功率 11W 20.25W 表5-5 GSM 900系统 的移动台功率等级 表5-6 DCS 1800系统的 移动台功率等级 网络和交换子系统(NSS) n组成： MSC(移动交换中心) IWF(互通功能) ISDN(综合业务数字网) PSTN(公共交换电话网) PSPDN(分组交换公共数 据网) CSPDN(电路交换公共数 据网) AUC（鉴权中心） n数据库： HLR(归属位置寄存器) VLR(访问位置寄存器) EIR(设备识别寄存器） 移动业务交换中心（MSC） n移动交换中心(MSC) 在GSM 中是核心： 交换功能； 支持移动性的附加功能； 网络资源管理； 通过网关MSC (GMSC) 实现互通功能； 数个数据库的综合。 nMSC 的功能： 下传寻呼和呼叫所特定的功能； 7 号信令系统(SS7) 的中止处； 支持移动性的特定信令； 位置登记和位置信息下传； 新业务的提供(传真、数据呼叫)； 支持短消息业务(SMS)； 生成并下传计费和帐单信息。 数据库（1） nHLR：是一个存储管理部门用于移动客户管理的 数据的数据库。每个移动客户都应在其归属位置寄 存器（HLR）注册登记。 nHLR所存储的用户信息分为两类：一类是有关用 户参数的信息，例如用户类别，业务限制,所提供的 业务，用户的各种号码、识别码，以及用户的保密 参数等。另一类是有关用户当前位置的信息，例如 移动台漫游号码、VLR地址等，用于建立至移动台 的呼叫路由。 数据库（2） nVLR：包含所有当前在服务MSC中的移动用户的 有关数据，是一个动态用户的数据库。 nVLR中永久性数据与HLR中的相同,临时性数据略 有所不同。这些数据包括当前已激活的特性,临时用 户识别号(TMSI)和移动台在网络中准确位置(位置区 域识别号)。 n一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。 数据库（3） EIR设备识别寄存器 存储GSM 移动站和用户的权利； 偷窃或伪造的移动站可被锁死，而且有时 甚至能被定位。 鉴权中心(AUC) 基于VLR 的申请生成用户的特定鉴权参 数； 鉴权参数用于GSM 系统内移动终端的鉴 权和空中接口用户数据加密。 操作子系统(OSS) n操作子系统(OSS) 使所有GSM子系统的操作、 管理和维护能集中进行。 n组成：操作与维护中心(OMC) 对无线子系统和网络子系统的不同的控 制能力。 GSM 网络接口 n主要接口包 括A接口、 Abis接口和 Um接口 n网络子系统 内部接口： B、C、D 、E、F、G 接口 nGSM与其 它公用电信 网接口一般 为7号信令 各接口协议分层模型 GSM 的号码(1) 1. IMSI-国际移动用户识别码 nGSM系统中每个用户均分配一个唯一的IMSI。这个 码驻留在SIM卡中。它用于识别用户和用户与网络的 予约关系。在呼叫建立和位置更新时都要使用IMSI， 其组成如下图所示： MCC：移动国家号码 MNC：移动网号 MSIN：移动用户识别码 IMSI（续） nMCC由ITU-T管理，由3位数字组成，表示 所属国家，如我国MCC位460。 nMNC位该国中的网络，如中国移动GSM网 为00，中国联通GSM网为01。 nMSIN表示某一特殊网下的用户。 GSM 的号码(2) 2. TMSI-临时移动用户识别码 n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。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)。 nIMSI只在起始入网登记时使用， 在后续的呼叫中， 使用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。 nTMSI总长不超过 4 个字节， 其格式可由各运营部门 决定。 GSM 的号码(3) 3. IMEI-国际移动识别标识码 nIMEI是唯一的用于识别移动设备的号码，用于监 控被窃或无效的这一类移动设备， IMEI=TAC+FAC+SNR+SP（15位数）。 TAC-型号批准码，6位，由欧洲型号批准中心 分配，前2位为国家码。 FAC-工厂装配码，2位，表示生产厂或最后装 配地，由厂家编码。 SNR-序列号码，6位，独立地、唯一地识别每 个TAC和FAC移动设备，所以同一个牌子的、同一 型号的SNR是不可能一样的。 SP-备用码，1位，通常是0。 GSM 的号码(4) 4. MSISDN-移动用户ISDN号码 nMSISDN是用户为找到GSM用户所拨的号码。用于 PSTN或ISDN或其他移动用户拨向GSM 系统的号码 nMSISDN=CC+NDC+SN，总长不超过15位数字 nCC=国家码(如中国86)，NDC=国内地区码，SN=用 户号码 MSISDN（续） n国家代码由ITU-T管理。如中国为86，美国 为1。 nNDC和SN由国家指定的管理部门管理。其 中，NDC可以有两种使用方法，可以识别目 的网或识别用户所属的地理区域。 n在我国，NDC用目的网进行识别。 MSISDN（续） N1 N2 N3H0 H1 H2 H3A B C D NDCHLR识别号SN 1 NDC=13S。S=5，6，7，8，9为中国移动的接入网号 。另13401348亦为移动的号码，1349为中国卫星集 团公司所有。S0，1，2为中国联通的接入网号 2 当H0=0时，H1H2由全国统一分配；H3由各省自行 分配。一个HLR可包含一个或若干个H3数值。 当H00时，SH0H1H2由全国统一分配，一个HLR 可包含一个或若干个SH0H1H2的值。 3 SN由各HLR自行分配。 手机号码的分配使用问题 n联通：130133号段，130132为GSM网，133为 CDMA网。132是2004年底放号的。目前联通网络共 有1亿多用户。主要业务范围为移动、固话及长途。 n移动：13401348，135139号段，1349用于中国 卫星集团公司。134是2004年10月1日在北京，天津 放号的。目前移动网络共有2亿多用户。主要业务范 围为移动、固话及长途。 GSM 的号码(5) 5. MSRN-移动用户漫游号码 n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。一旦该移动台离开该服 务区，此漫游号码即被收回，并可分配给其它来访 的移动台使用。 n漫游号码的组成格式与移动国际(或国内)ISDN号 码类似，最大为15bit。 MSISDN与MSRN的区别 nMSISDN只在网络中关联，只在被呼时有效，它 只与用户发生作用,它提供用户可以接受呼叫的号码 。本质上它是一个目录号码,它不用于空中接口。 nMSRN的使用是非常严格的，它只用在网络实体 之间，没有用户可以访问它，更进一步说，与 MSISDN不同，它不是在性能上与一个用户有关,而 只与特殊呼叫有明显相关。 缩写全名解释 IMSI国际移动用户 识别码 它是作为惟一的用户识别码， 但不是可拨的号码。 TMSI临时移动用户 识别号 被VLR分配使用在空中接口， 是出于安全意图。它确保用户 的机密性。 IMEI国际移动设备 识别号 用于空中接口来提供设备识别 号。手机的惟一识别号。 存储在移动台和SIM卡中的信息 缩写全名解释 MSISDN 移动用户ISDN号 可拨的移动用户电话号。 MSRN 移动台漫游号 被GSM网络内部使用，提 供被访的MSC路由。 网络使用的路由信息 GSM 的号码(6) nLAI-位置区识别码 nLAI用于移动用户的位置更新。将一些小区作为一 个集，成为一个位置区域，每个小区发送位置区识 别号给所属移动台。一旦移动台发现由于小区变化 造成位置区变化，它就发一个位置更新给网络，这 就是在GSM使用的方案。 n位置更新区的规划受二个矛盾的结果影响，既要 减少寻呼业务量又要减少位置更新业务量。如位置 区很大，那么寻呼业务量很重，如果位置区很小， 位置更新业务量将很高。 MCC=3bits MNC=2bits LAC Bit 周期= 3.692 us = BWFilter = 81.3 kHz 语音编码和信道编码 GSM 话音信号处理 n话音编码的目的： 压缩(具有质量要求)，以时隙方式发送 不连续发送(DTX) n具有这种功能的器件被称为是语音编解码器。 n每一个移动台都有一个语音编解码器。在网络这 一边，语音编解码器形成TRA。TRA在BSS存在 ， GSM支持各种语音编解码器。 n在GSM的第1阶段定义支持全速语音编解码 ，所谓全速编码是指该编译码器在语音传送 时每帧均占有一个时隙。该编译器使用 RPELTP长期预测的规律脉冲激励。 nGSM的第二阶段定义支持半速编解码。半 速编解码器每隔二帧使用一个TDMA时隙。 n全速编码器输出是13kbps，EFR输出也为 13kbps，但具有更高的语音质量。半速编码输 出6.5kbps，采用半速编码可以支持二倍的全 速编码用户，在另一方面，半速的语音质量 差一些。 用户 人的语音 语音的 13kbps 数据序列 语音的 16kbps 数据序列 语音的 64kbps 数据序列 语音的 64kbps 数据序列 人的 语音 用户 移动台 BTS TRAU MSC&PSTN ISDN电话 不同GSM接口的语音传输示意 BTS增加速率为3kbs的信令，用于BTS控制远端码型变换器 单元TCU的工作，称为带内信息，包括同步和控制比特（ 包括坏帧指示、编码器类型、DTX指示等） GSM 信道编码 n目标：在传输的数据中选择性地引入冗余，保护数 据传输不出差错(检错和纠错编码)。 n话音和数据的编码类型: 分组编码 卷积码 n从语音编解码器来的260bit数据块按照重要性和作 用被分成三类。重要的信息进行重点保护，非重要的 进行非重点保护。三类信息分别分为a、b和类 。 a类是最重要的， b类第二重要， II类不重要（ 78bits）末受到任何保护。 n用户数据速率= 456 bits/20 ms =22.8 kbps (13kbps 原 始数据+9.8 kbps 奇偶校验和信道编码) 语音编码器（260bits） 3bit奇偶校验 半速卷积编码器 8时隙交织 Ia类（50bit） Ib类（ 132bit） 类（ 78bit） 53bit 378编码比特 456bit（8个子块，57bit/子块） 4尾比特 语音编解码的前向纠错（全速业务信道） GSM 话音编码后的数据复接 n456bits 4 114bits 在复接和交织 之后安放在4 个时隙的数据 域中。 交织器原理 GSM 系统中的交织 n交织：在信道编码之前打乱源信息比特的时间顺序 ，把一个较长的突发差错离散成随机差错，再利用纠 正随机差错的编码技术消除随机误差。 n交织的处理可以抗端利衰落。 n在空中接口中使用的交织深度有4（多数据控制信 道）、8（全速语音）、19（数字信道）。 nGSM所采用的交织是一种既有块交织又有比特交织 的交织技术。全速语音的时块被交织成8个突发时隙 ，即，从语音编码器来的456bits输出被分裂成8个时块 ，每个子块57个比特，再将每57个比特进行比特交织 ，然后再根据奇偶原则分配到不同的突发块口，交织 造成65个突发周期或37.5ms滞后。 n交织深度越大，离散度越大，抗突发差错能 力越强。 n交织深度越大，交织编码处理时间越长，抗 差错能力是以时间为代价的。 n所有的交织器都有一个固定延时，实际中， 所有的无线数据交织器的延时都不超过40ms， 这种延时是人们可以忍受的。 跳频 n采用慢跳频技术，每帧跳频一次，每秒217跳，可 确保通信的秘密性和抗干扰性。 跳频作用：改善衰落。 多径环境中的慢速移动的移动台，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 。 nGSM系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种 。 不连续发送和话音激活检测 nGSM的话音编解码器，当它检测到话音的间隙后， 在间隙期不发送。这就是GSM所谓的不连续发送（ DTX）。 nDTX能在通话期对话音进行13kbps编码，在停顿期 用500bps编码。 n在停顿期要用500bps发送，GSM称之为发送舒适的 噪声。在讲话停顿时，对讲话者的背景噪声进行编码 。背景噪声往往不同，由于同样的背景噪声在讲话者 实际讲话中同样部分编码，在停顿时编码对用户可提 供连续感。 n为了实现DTX，要使用话音激活检测（VAD）， 一旦讲话出现停顿能给出指示。 nDTX的作用： 1、使用DTX可以减小系统中的干扰等级，并提高 系统有效性。 2、由于使用了DTX发射机，发射总时间下降了， 功率损耗降低的同时延长了MS的电池寿命。 定时前置和功率控制 n如果在任何距离上所有移动台同时发送信息，这 些信息到达的BTS时间由于距离上的变化而有轻微 的变化。 n如果所有移动台均用同样的功率发射。接近BTS 的MS要比在小区边缘的MS在BTS上的接收要强。 n定时前置和功率控制的目的：在GSM系统中，通 过这些参数的控制使所有的发送时隙在时间和功率 上在BTS的接收端保持同步。 定时前置（Timing advance） n如果考虑可能的最大传输时延。在每个时隙片的结 尾要留有足够的保护时间作补偿。MS在保护期内不能 发送用户数据，即使两个时间出现重叠只能在保护时 间内重叠。由于在该时间内无用户信息发送,就无数据 丢失。这一方案虽然具有简单及信令要求最小的优点 ，但降低了系统的频谱的利用率。 nGSM具有非常严格的时间同步系统， GSM选择了 小的保护周期和对各时隙的定时进行动态控制的方案 。定时前置允许对每个时隙的上行发送时间独立控制 ，远离BTS的MS要求比离BTS近的MS发射早。在GSM 中最大的定时前置限制小区尺寸在35Km左右。 功率控制 n为了补偿小区的不同距离造成的衰落。BTS能够指 导MS改变它的发射功率，以使到达BTS接收机的功率 在每个时隙相同。这样可以减少整个系统的干扰电平 ，提高频谱效率。 nBTS能够独立控制每一条上行和下行链路时隙的功 率电平，即在GSM系统中，上行和下行链路的功率控 制是彼此独立的。功率电平控制方案由BSC完成。 n在GSM中，功率电平每60ms变化台阶为2dB（步长 ）。上行功率控制范围是20-30dB，步长2 dB；下行功 率控制范围一般可达30 dB，步长也是2 dB。BTS是功 率控制的管理者，通过指令规定BTS和MS的功率。 GSM 的信道类型和组成 业务信道 n业务信道TCH传输话音和数据 n话音业务信道按速率的不同，可分为全速率话音业 务信道TCH/FS和半速率话音业务信道TCH/HS。 n数据业务信道按速率的不同，也分为全速率数据业 务信道(TCH/F9.6，TCH/F4.8，TCH/F2.4)和半速率数 据业务信道(如TCH/H4.8, TCH/H2.4)，这里的数字9.6 、4.8和2.4表示数据速率，单位为kb/s。 GSM 的控制信道 n控制信道（CCH）传输各种信令信息 n广播信道（BCH） 频率校正信道（FCCH） 同步信道（SCH） 广播控制信道（BCCH） n公共控制信道（CCCH ） 呼叫信道（PCH） 随机接入信道（RACH） 接入许可信道（AGCH） n专用控制信道（DCCH） 独立专用控制信道（SDCCH） 慢相关控制信道（SACCH） 快相关控制信道（FACCH） 控制信道组合图示 （a）前向控制信道（b）反向控制信道 GSM 控制信道组合说明 n控制信道的映射: 某小区超过1个载频时，该小区C0的TS0就映射广播和公共 控制信道。 FCCH-MS依此同步频率，它的突发脉冲序列为FB 。 SCH-MS依此读TDMA帧号和BSIC码，突发脉冲序列为SB 。 BCCH-MS依此读有此小区的通用信息，突发脉冲序列为 NB。 IDEL-空闲帧不包括任何信息，突发脉冲序列为DB。 CCCH-移动台依此接受寻呼和接入，突发脉冲序列NB。 n即便没有寻呼或接入进行，BTS也总在C0上发射，用空位突 发脉冲序列代之。 n从帧的分级结构知，51帧的复帧用于携带BCH和CCCH，共 有51个TS0。此序列在第51个TDMA帧上映射一个空隙帧之后开 始重复下一个51帧的复帧。 话音专用控制信道帧和复帧结构 广播控制信道（BCCH） n单向下行信道，传输系统公用控制信息。如网络 同步信息，建立在该信息上，MS能够决定是否和如 何通过现行小区接入系统，该信道的信息还可以使 MS识别网络，接入网络等等。 n广播信息可分成下面几组： 给出网络和相邻小区的唯一识别信息，小区识 别移动网编码（形成IMSI的部分），位置地区识别 （LAI）和相邻小区广播控制信道的频率信息等。 描述当前控制信道结构的信息，用于小区的控 制信道配置，周期位置更新计时器和类似信息。 定义小区所支持选择信息，是否允许不连续 发送（DTX）；小区重新选择的滞后，MS在 接入控制信道时可使用的最大发射功率级， MS允许接入系统所需要的最小接收信号级别 ，是否支持半速编解码或者支持扩展的GSM 频率。 控制接入的信息，最多的试呼次数，试呼的 平均间隔小区是否禁止接入，小区是否允许重 建，是否允许紧急呼叫等。 频率校正信道（FCCH） n传输供MS校正其工作频率的信息。 nMS使用FCCH来纠正它内部的时钟基准，使其容 易定位并解调出同一小区的其他信息。 n该信道同时也给MS提供一个指示的同步信道（ SCH）。因为一个SCH总跟着FCCH同样频率的8个 时隙。 同步信道（SCH） n该信道提供MS有关MS接收另外信道突发时隙所必 须的训练序列。 n因为MS和BTS预先都知道训练序列，MS可以调整 它的内部定时方案，并正确进行解码。 n该信道提供有关BS使用训练序列的信息码，国家 彩色码和TDMA帧号。 公共控制信道（CCCH） nCCCH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： 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)。 寻呼信道(PCH)： 传输基站寻呼移动台的信息。 寻呼标识为TMSI或IMSI。 接入许可信道(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。 专用控制信道（Dedicated Control Channels） nDCCH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信进行当中， 在移动台和 基站之间传输必需的控制信息。其中又分为： 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。主要传送建立连接的信令信息 、位置更新信息、短消息、鉴权消息、加密命令及处 理各种附加业务。 慢相关控制信道（SACCH）：SACCH结合TCH或 SDCCH进行分配。它是双向的专用信道，它携带控制 和测量参数及用于保持MS和BTS之间无线链路必要的 路由数据。现主要用于短信，手机测量下行信道的测 量参数，功率控制等等。 快相关控制信道（FACCH）： FACCH是一个需 要时才出现的信道，与业务信道TCH相关。在该信 道所能携带的信息与SDCCH一样。与SDCCH不同的 是被分配和固定了时间间隙直到网络或用户释放它 。在另一方面，一个FACCH通过从借用20ms的TCH 突发脉冲序列来传送信令。当MS和网络需要交换关 键定时信息时才采用。主要用于切换、短信及通知 手机测试哪些邻区等场合。 表51 逻辑信道的主要功能 内容 nGSM系统概述 nGSM系统的无线接口 无线接口 信道类型和组成 语音与信道编码 nGSM系统的控制和管理 呼叫过程 位置登记和位置更新 鉴权与加密 越区切换 nGPRS GSM 的区域定义 nGSM服务区 n公用陆地移动通信网(PLMN) nMSC区 n位置区 n基站区 n扇区 移动台接入 nMS接入系统的原因有以下几种：试图发起 呼叫；对网络请求的响应（如被呼）；MS周 期性位置更新。 n在GSM中有单独一个信道用于MS在该小区 的接入。GSM的接入模型可用著名的ALOHA 模型来代替。ALOHA系统是不相关用户同抢 一个共享信道。 nALOHA系统的基本概念：用户有接入请求时通知它 们发送。如果二个用户同时发送将造成碰撞，二个请 求都失效。虽然二个请求同时发送，有可能由于FM的 捕捉效应接收机可以解出一个接入请求。如果发射方 未收到接收方的确认信号它将等一个随机时间重新发 送。等待时间必须是随机数，否则将一直碰撞下去。 进入死循环。由于GSM的时隙碰撞只在时隙期间发生 ，这就是时隙ALOHA。 n时隙ALOHA的有效性，接近于信道利用率的37%。 该方案相对简单。 n提高信道通过率的方法：一是提高信道容量 ；二是 缩短信息长度。 n当碰撞出现之后，GSM的补偿机制是在每个 小区的基础上进行设计，每次碰撞一旦出现， MS试图重送接入信息。GSM支持频率和网络 重试次数的控制。 n每个小区在BCCH上发送参数。BCCH在MS 不得不停止任何进一步试呼前，指示在试呼前 要等待的时隙数和允许最大的试呼次数。 n接入信道的设计在系统性能中扮演一个重要的角 色。整个系统的性能反应在MS如何接入和得到服务 上，需了解系统资源（如业务信道情况），综合考 虑。 接入信道容量越大，接入用户越多，但系统由 于缺少足够的业务信道不能够支持它们服务，最终 还是被拒绝。越早拒绝效率越高，可避免不必要的 系统资源浪费。 另外一方面，接入信道太少，就会拒绝本可以 得到服务的用户。 nGSM为了在高峰业务量的条件下保持满意水平。系统能够明显 地送一个信息给部分MS使其在某一特定的时间段不能接入系统工 作。通过在BCCH送出一个信息，指示允许入网的有权MS接入群 （classes） nGSM操作者的整个移动用户随机分成10个群。用户的接入群存 贮在SIM中。 在正常的情况下，所有接入群均允许接入系统。 在过荷条件下，系统对被选的用户群拒绝其入网，这是一条 解决业务过荷非常有效的方法。因为它需要最小的信令负荷。 n为了在过荷情况下保证紧急呼叫和其它一些政府机构入网工作 ，增加了65个附加的优先移动用户群。12群对于保密人员，13群 对于公共部门，14群对于紧急个人，15群对GSM维护管理人员， 11群给一网络运营者作为特殊用处。 移动台开机后的工作 n在GSM网中对自己进行初始化： MS首先必须确定BCCH频率，以获得操作必需的 系统参数。 确定FCCH，找到FCCH之后，MS通过解码使自身 与系统的主频同步。这样就可以正确地确定时隙和 帧的边界。 MS知道在相同的频率上FCCH的第8个时隙后是 SCH，它只需简单等8个时隙，便可对SCH解码获得 时间同步，也可对BCCH上的其它数据进行解码了。 小区选择 n在选择MS所在的小区之前，它必须确定能否从网 络中获得服务。MS可以手工或自动（存贮在SIM中 的GSM表中）确定有效GSM网。如果当前小区不是 有效GSM网络部分，MS只能寻找其它BCCH。 n一旦选择了有效的GSM网。MS选择登陆的小区， MS有一个小区选择算法，用于确定最好的有效小区 。这几种算法如下： MS收到信号强度是MS从该区的BTS收到信号好坏 的指示。由BCCH发射的参数之一是MS允许接入系 统的最小接收信号电平。如果接收信号电平在该值 之下，MS将禁止在该小区登陆。 第二个标准是位置区域。每一次MS关机后，服务 登记区识别号存贮在SIM卡中，一旦手机重新开机后 进入小区选择，存贮在SIM卡中的位置区识别号会被 用来与广播位置区识别号进行比较，如果它们不一 致，这个特别小区被某一因数权重下来，这样，如 果在不同登记区有二个识别小区，由MS视无线信号 优劣等因素来决定，它将尽量选择它不用进行位置 更新小区。 第三个标准是移动台功率等级，特别是MS的最大 发射功率，即使MS可能相当好地接收BTS信号，而 BTS能否接收MS信号并无担保。小区范围不是固定 的，而是随MS按它的功率级不同而变化的。 位置更新 n包括三方面的内容： 1. MS的位置登记； 2. MS从一个位置区域进入另一个位置区域 ，进行通常意义下的位置更新； 3. 周期性的位置更新。 位置登记 n使用小区选择标准和算法，MS扫描它附近 小区的BCCH信道，给出一张所有通过选择标 准的小区表，在表中最好的小区，被MS选择 为工作小区。 n如果所选小区是以前的位置区域，则进行 位置登记，MS就进入空闲模式等待用户发起 呼叫或接收来自网络的寻呼。 n如果是位置登记，MS以它的IMSI等数据向 GSM网络请求位置登记，网络经过验证后会 分派一个TMSI代码给MS。MS得到TMSI后， 会将TMSI代码存储在SIM卡中，以后不论是 手机关机还是重新开启，TMSI都存储在手机 的SIM卡中。 位置登记过程1 位置登记过程2 位置登记过程3 位置更新 nMS从BCCH获得位置区信息并将它与存贮在 SIM卡原先登记的位置区进行比较，如果位置 区不一致，那么它将通知网络其数据库存放 的该MS的位置信息不再正确需要更新。一旦 确认需位置更新，MS应立即进行位置更新。 n如果移动台当前所在的位置区域由收到这一 信息的VLR（当前VLR）控制，那么意味着 VLR已经得到了该用户的所有信息。它能够顺 利完成位置更新的过程。 位置更新过程 n如果VLR没有该用户的以前记录，就得求助于用户 的HLR来提供用户的信息。VLR送一个MAP-D位置更 新信息给HLR。HLR在它的内部数据库记录记录中查 找用户的描述。确认该用户是否在当前的VLR中具有 该业务。如果用户在该VLR区具有该业务权限，HLR 就返回一个成功的信息给VLR，如果无该用户权限。 那么该业务就返回一个失败的结果。 nVLR对于MS的位置更新请求如果送一个成功的结果 ，就要给移动台安排一个新的TMSI，这个新的TMSI 由VLR安排并反馈一个成功的位置更新指示给MS， MS在收到TMSI以后，改写以前的值并且将它存入SIM 。该值将用于所有接着发生的位置更新。 位置更新 MSBSSMSCNew VLRHLR/AUCOld VLR 在新MSC位置更新（IMSI，LAI） 鉴权 鉴权响应 开始加密 提供新TMSI 位置更新接受 发送参数 （鉴权） 鉴权参数 更新位置 （IMSI，MSRN） 位置更新接受 取消位置 接受位置取消 周期性位置更新 n概念：网络在特定的时间内，没有收到来自MS的 任何消息，系统就对MS采取强制登记措施，这种位 置登记过程叫做周期位置更新。 n周期位置更新由MS内的定时器来控制，定时值由 网络在BCCH上通知MS。 n定时值到时，MS便向网络发送位置更新请求消息 启动周期位置更新过程。如果网络在特定时间内没 有收到MS的周期位置更新消息，就认为用户不在服 务区或者电池耗尽。 n周期位置更新过程只有证实消息，MS接收不到证 实消息就一直向网络发送周期位置更新请求消息。 建立通信链路 (Establishing communication link) nMS调谐到RACH上发出信道请求信息。然后转到 AGCH，等待来自网络的响应。MS送出信道请求信息 有一个长的保护周期，可以保证即使该信息与下一个 时隙的信息重叠，在BTS接收时，信息内容也不会丢 失。 nBTS收到信道请求后，便增加有关传输时延的信息 一起传输给BSC。BSC能够通过比较时延进行赋值。 BSC选择一个有效信道（典型的SDCCH），计算赋值 的定时延迟，并通知BTS激活信道，然后它送一个信 道分配信息给BTS，该信息携带一个参数，使接收端 MS能够相关地得到分配的信道、该信道的定时前置， MS起初发射功率电平大小等等参数。 初始化信息过程 (Initial message procedure) nMS在接收到信道分配信息后，调谐到分配信道上 发送一个业务请求信息（在SDCCH上送出）.这信息 指明MS从网络请求什么业务。 n在位置更新情况下，请求是一个位置更新请求， 这个信息有有关MS识别码的详细信息。包括有关移 动识别码（如TMSI）的信息，功率级，频率容量， MS支持的保密算法（如A5）等等。这些信息由BSC 送给MSC通过A接口作进一步处理，MSC然后通过 MAP-B将信息传给VLR。 GSM 系统的安全性 n安全性服务 接入控制/鉴权：对SIM卡的有效用户鉴权。 用户 SIM：隐密PIN (个人身份识别号码) SIM 网络：询问响应方法(RAND SRES) 机密性： 在成功鉴权后，话音和信令在无线网络上加密 ； BTS 和MS 对话音、数据和信令加密。 匿名： 临时身份识别TMSI 在每次位置更新(LUP) 时指派新的TMSI 加密传输 VLR 可在任何时间改变TMSI nGSM 规定的3 种算法： A3 用于鉴权(在开发的接口“隐密”) A5 用于加密(已形成标准) A8 用于生成密钥(在开发的接口“隐密 ”) 鉴权 (Authentication) n一旦当前的VLR成功地接收到适当原因（位置 更新，呼叫建立等等）的起始信息，它将启动 鉴权和保密程序。鉴权过程总是由网络发起， 在VLR中进行。 n鉴权程序的目的： 容许网络检查MS提供的识别号是否可接收 提供参数让MS计算新加密钥。 n鉴权的基础：唯一询问响应。 n过程：鉴权算法驻留在网络侧的AUC和MS侧的SIM 卡中。 nAUC对应各用户，选择一个随机数并连同用户的鉴 权键Ki将它输入A3算法，输出是SRES。 n一旦VLR不得不完成鉴权，它通过SDCCH送一个鉴 权请求给MS。这一信息包含随机询问（即RAND）。 MS在SIM卡的帮助下产生一个响应SRES，把它送给 VLR。 nVLR收到SRES与内部存贮的值进行比较，如果匹配 ，用户被认为是合法的。 GSM 鉴权过程示意 Ki：用户鉴权密钥 SRES：有符号的响应 加密 (Ciphering) n鉴权成功后，VLR开始加密过程，它通知MSC ，MSC接着按所使用的密钥送一个信息给BSC。 BSC通过BTS通知MS在以后的传输过程中开始加 密。在这之前，BTS同样被通知使用加密的信息 并得到密钥，这样它能对信息进行解密。