GSM基本原理介绍.doc

gsm基本原理介绍一. 概述1.1 gsm系统的发展和主要参数1.2 频带的划分及使用二. 系统简介2.1系统构成2.2各子系统介绍2.3接口及协议2.4 tc及sm的使用三. 服务区域的划分四. gsm系统编号方案五. 语音信号的处理六. 空中接口部分6.1 逻辑信道6.2 突发脉冲6.3 逻辑信道与物理信道的映射七. 系统管理功能介绍7.1 安全性管理(鉴权,加密)7.2 移动性管理八. 呼叫流程举例九. 业务介绍第一章 概述1.1 gsm系统的发展和主要参数移动通信系指通信双方或至少一方是处于移动中进行信息交流的通信。20年代开始在军事及某些特殊领域使用，40年代才逐步向民用扩展；最近十年间才是移动通信真正迅猛发展的时期，而且由于其许多的优点，前景十分广阔。移动通信经历了由模拟通信向数字化通信的发展过程。目前，比较成熟的数字移动通信制式主要有泛欧的gsm，美国的adc和日本的jdc（现改称pdc）。其中gsm的发展最引人注目，其发展历程如下：1982年，欧洲邮电行政大会cept设立了“移动通信特别小组”即gsm，以开发第二代移动通信系统为目标。1986年，在巴黎，对欧洲各国经大量研究和实验后所提出的八个建议系统进行现场试验。1987年，gsm成员国经现场测试和论证比较，就数字系统采用窄带时分多址tdma规则脉冲激励长期预测(rpe-ltp)话音编码和高斯滤波最小频移键控(gmsk)调制方式达成一致意见。1988年，十八个欧洲国家达成gsm谅解备忘录(mou)。1989年，gsm标准生效。1991年，gsm系统正式在欧洲问世，网路开通运行。移动通信跨入第二代。1.2 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9359608909151805188017101785双工间隔(mhz)4595射频载频间隔(khz)200200小区半径(km)最 小最 大0.5350.535接续方式tdmatdma调制gmskgmsk传输速率(kbps)270.833270.833全速率话音编译码比特率(kbitls)误差保护139.8139.8编码算法rpeltprpeltp信道编码具有交织脉冲检错和1/2编码率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(215)2020国际漫游能力有有第二章 系统简介2.1 系统构成 gsm的典型结构如图1-1：图2-1 gsm系统结构oss：操作支持子系统bss：基站子系统nss：网路子系统nmc：网路管理中心dpps：数据后处理系统semc：安全性管理中心pcs：用户识别卡个人化中心omc：操作维护中心msc：移动业务交换中心vlr：来访用户位置寄存器hlr：归属用户位置寄存器auc：鉴权中心eir：移动设备识别寄存器bsc：基站控制器bts：基站收发信台pdn：公用数据网pstn：公用电话网isdn：综合业务数字网ms：移动台由上图可见，一个gsm系统可由三个子系统组成，即操作支持子系统(oss)，基站子系统(bss)和网路子系统(nss)三部分组成。其中，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连，负责无线发送接收和无线资源的管理。网路子系统是整个系统的核心，它对gsm移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换、连接与管理的功能。主要负责完成呼叫处理、通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安全性管理、用户数据和设备管理、计费记录处理、公共信道、信令处理和本地运行维护等。基站子系统bss主要负责无线信息的发送与接收及无线资源管理；同时，它与nss相连，实现移动用户间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信息和用户信息等；当然，也要与操作支持子系统oss之间实现互通。2.2 各子系统介绍2.2.1 移动台(ms)移动台是用户直接使用，完成移动通信的设备。对于数字移动通信来讲，已经从一定程度上具备了个人化的特点即具有用户私人信息的sim卡和通信的物理实现设备的分离。sim卡上包含所有与用户有关的无线接口一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息；而物理设备可以是手持机，车载机或是由移动终端直接与终端设备相连而构成。2.2.2 基站子系统(bss)1、 基站控制器(bsc)bsc是基站子系统(bss)的控制部分，主要有如下功能。a. 接口管理：支持与msc间a接口，与bts间的abis接口及与omc间的x.25 接口。b. btsbsc之间的地面信道管理bsc对bts间的无线信令链路，操作维护链路进行监测、对无线业务信道进行分配管理。c. 无线参数及无线资源管理无线参数包括：bts载频频率、空中接口是否应用了非连续接收、发射、 移动台接入网最小电平设置、逻辑信道与物理信道的映射关系。无线资源包括：小区内信道配置、专用信道与业务信道的分配管理、切换资源管理等。d. 测量和统计对无线链路的测量：处理移动台和bts送上的测量报告，决定是否需调整bts和移动台功率，决定是否切换。话务量统计：对业务信道的阻塞率，呼叫成功率，越区切换频度等作出统计，为系统扩容和小区分裂等提供凭据。e. 切换根据小区功率电平，话音质量及干扰情况，选择切换的目的对象，对于小区内切换，同一bsc控制的小区间切换，bsc完全控制，而不同bsc控制的小区间切换则由msc完成。f. 支持呼叫控制通过交换电路实现话路连接，还可提供主、被叫排队机机制。g. 操作与维护收集bsc及bts告警，并传至dmc，同时更新自身内部资源表；配合omc实现对bss的软件升级。2、 基站发信台(bts)受控于基站控制器(bsc)，属于基站子系统(bss)的无线部分，服务于某小区的无线收发信设备，实现bts与移动台(ms)空中接口的功能。bts主要分为基带单元、载频单元和控制单元三部分。基带单元主要用于话音和数据速率适配以及信道编码等；载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机间的耦合；控制单元则用于bts的操作与维护。2.2.3 网络子系统(nss)1、 移动业务交换中心(msc)msc是整个网路的核心，完成或参与网络子系统(nss)的全部功能，协调与控制整个gsm网络中bss.oss的各个功能实体。首先，msc提供与bsc的接口，a接口提供gsm90011800的tdma方式，at接口提供cdma的接入，提供内部各功能实体的接口，实现各种相应的管理功能，提供与pstn、isdn、pspdn、plmn的接口；其次，支持一系列业务电信业务，承载业务和补充业务；最后，支持位置登记、越区切换和自动漫游等其它网路功能。2、 访问用户位置寄存器(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。当某用户进入vlr控制区后，此vlr将由该移动用户的归属用户位置寄存器(hlr)获取并存储必要数据。而一旦此用户离开后，将取消vlr中此用户的数据。vlr通常在每个msc中实现。3、 归属用户位置寄存器(hlr)相对于vlr，归属用户位置寄存器(hlr)是一个静态数据库（当然，也存储部分漫游移动用户所在msc区域的有关动态数据，包括用户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数据，由它控制整个移动交换区域乃至整个plmn）。4、 鉴权中心(auc)鉴权中心(auc)存储着鉴权信息和加密密钥，防止无权用户接入系统和防止无线接口中数据被窃。5、 移动设备识别寄存器(eir)移动设备识别寄存器(eir)存储着移动设备的国际移动设备识别码(imei)，通过核查三种表格（白名单、灰名单、黑名单）使用得网络具有防止无权用户接入、监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能。2.2.4 操作支持子系统(oss)主要包括网路管理中心(nmc)，安全性管理中心(semc)，集中计费管理的数据后处理系统(dpps)、用户识别卡个人化管理中心(pcs)等，由于其在管理上的独立性，不再专门介绍其细节。2.3 接口与协议由于通信市场的竞争，移动通信市场中各个厂家可以生产自己的产品，为了保证电信营运部门能够选择使用不同厂家的各部分设备组网，因此需要制定技术规范以保证不同设备间接口的标准性。同时，为使gsm系统实现国际漫游功能和在业务上迈入面向isdn的数据通信业务，gsm系统引入7号信令系统和信令网络。一、gsm系统的主要接口图2-2 gsm系统的主要接口gsm系统的主要接口系指a接口、abis接口和um接口。这三个接口标准使得电信运营部门能够把不同设备纳入同一个gsm数字通信网中。1、 a接口a接口定义为网路子系统(nss)与基站子系统(bss)间的通信接口。从系统上来讲，就是移动业务交换中心(msc)与基站控制器(bsc)之间的接口，物理链路采用标准的2.048mb/s的数字传输链路实现。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。2、 abis接口abis接口定义了基站子系统(bss)中基站控制器(bsc)和基站收发信台(bts)之间的通信标准，用于远端互连方式。而图中示中的bs接口是abis接口的特例，用于定义基站控制器(bsc)与基站收发信台(bts)间距离小于10米时的标准。它们之间采用标准的2.048mb/spcm数字链路来实现。此接口支持所有向用户提供的服务，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，物理链路是无线链路。此接口传递的信息主要包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。二、网络子系统(nss)的内部接口如图1-5定义了网络子系统内部接口图2-3 网络子系统内部接口1、 b接口b接口定义为访问用户寄存器(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)向访问用户寄存器(vlr)询问有关移动台(ms)当前位置信息或通知访问用户寄存器(vlr)有关移动台(ms)的位置更新信息等。2、 c接口c接口定义为归属用户寄存器(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。如果采用归属用户位置寄存器(hlr)作为计费中心，则呼叫结束后建立或接收此呼叫的移动台(ms)所在的移动业务交换中心(msc)应把计费信息传送给该移动用户当前归属的归属用户位置寄存器(hlr)中。一旦要建立一个至移动用户的呼叫时，关口移动业务交换中心(gmsc)应向被叫移动用户所属的归属用户位置寄存器(hlr)询问被叫移动台的漫游号码。其物理链路采用标准2.048mb/s的pcm数字传输线。3、 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。用于交换有关移动台位置和用户管理的信息。为移动用户提供的主要服务是保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼叫。实用化的gsm系统结构一般把vlr综合于移动业务交换中心(msc)中，而把归属用户位置寄存器(hlr)相连的标准2.048mb/s的数字链路。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。当移动台(ms)在一个呼叫进行过程中，从一个移动业务交换中心(msc)控制的区域移动到相邻的另一个移动业务交换中心(msc)的控制区时，为不中断通信需完成越区信道切换过程，此接口用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换。e接口的物理链路是通过移动业务交换中心(msc)间的标准2.048mb/s数字链路来实现的。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。f接口的物理链接方式是通过移动业务交换中心(msc)与移动设备识别寄存器(eir)之间的标准2.048mb/s的pcm数字链路实现的。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。当采用临时移动用户识别码(tmsi)时，此接口用于向分配此tmsi的访问用户位置寄存器(vlr)询问有关此移动用户的国际移动用户识别码(imsi)的信息。g接口的物理链路采用标准2.048mb/s数字链路。三、gsm与其它公用电信网的接口其它公用电信网泛指公用电信网(pstn)，综合业务数字网(isdn)，公用分组交换数据网(pspdn)和电路交换公用数据网(cspdn)。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的互连方式采用7号信令系统接口。其物理链路是由msc引出的标准2.048mb/s数字链路实现。如果具备isdn交换机，hlr可建立与sdni网间的直接信令接口，使isdn可通过移动用户的isdn号码直接向hlr询问移动台的位置信息，以建立至移动台当前所在msc之间的呼叫路由。四、各接口协议协议是各功能实体间的共同“语言”，通过各个接口相互传递有关的消息，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输通道。不同的接口可能采用不同的物理链路，完成各自独特的功能。gsm系统各接口采用的分层协议结构同时考虑到了与isdn的互通，符合开放系统互连(osi)参考模型。分层的目的是允许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议，每层协议在明确的服务接入点对上层协议提供它自己特定的服务。如图1-6给出了gsm系统的分层协议基本结构示意图。图2-4 系统主要接口的协议分层结构cm：接续管理 bts：bts的管理部分 mtp：信息传递部分mm：移动性管理 um：ms与bts间接口 msc：移动业务交换中心rr：无线资源管理 abis：bts与bsc间接口 bsc：基站控制器ms：移动台 sccp：信令连结控制部分 bts：基站收发信台l1-l3：信号层1-3 a：bsc与msc间接口 bssmap：基站子系统移lapdm：isdn的dm数据链路协议 动应用部分1、 各协议分层结构描述(1) 信号层1（也称为物理层）这是无线接口的最低部分，提供传送比特流所需的物理链路，为高层提供各种不同功能的逻辑信道，包括业务信道和逻辑信道，每个逻辑信道有它自己的逻辑接入点。(2) 信号层2主要目的为建立移动台和基站间可靠的专用数据链路，l2协议基于isdn的d信道接入协议(lap-d)，但作了改动，因而在um接口中的l2协议称为lapdm。(2) 信号层3 主要传送控制和管理信息。l3包括三个基本子层：无线资源管理(rr)，移动性管理(mm)和接续管理(cm)。其中接续管理(cm)层中含有多个呼叫控制(cc)单元，提供并行呼叫处理；在cm子层中还有补充业务(ss)单元和短消息业务管理(sms)单元，用于支持补充业务和短消息业务。2、 信号3的互通在a接口，信令协议的参考模型如图1-7所示。 bssap：bss应用部分 sccp：信令连接控制部分 dtap：直接转移应用部分 mtp：消息传递部分 bssmap：bss移动应用部分图2-5 a接口信令协议参考模型基站要自行控制或在msc的控制下实现对蜂窝的管理这一无线功能，无线资源管理子层(rr)即是定义此功能的，无线资源管理子层(rr)消息在bss中进行处理和转评，映射成bss移动应用部分(bssmap)的消息在a接口中传递。子层移动性管理和接续管理都至msc终止，mm和cm消息在a接口中是采用直接转移应用部分(dtap)传递，基站子系统(bss)则透明传递mm和cm消息。3、 nss内部及gsm系统与pstn之间的协议如图1-8。 tup：电话用户部分 bssap：bss应用部分 isup：isdn用户部分 sccp：信令连接控制部分 map：移动应用部分 mtp：消息传递部分 tcap：事务处理应用部分图2-6 应用于gsm系统的7号信令协议层在网路子系统(nss)内部各功能实体间接口通信均由7号信令系统支持。gsm系统与pstn系统间通信优先采用7号信令。支持gsm系统的7号信令协议层简单用图1-8所示。与非呼叫相关的信令是采用移动应用部分(map)，用于nss内部各接口间的通信；与呼叫相关的信令则采用电话用户部分(tup)和isdn用户部分(isup)，分别用于msc间和msc与pstn及isdn间的通信。其中tup和isup协议应符合各国家制订的相应技术规范，map信令则必须符合gsm规范。2.4 码变换器(tc)和子复用设备(sm/bie)由于语音信号在空中接口中是采用rpe-lpt编码方式，以13kbit/s的速率传送的，而在pstn网络中是采用a律编码，传输速率为64kbit/s。为了实现信号的处理，必须使用码变换器tc。在采用16kbit/s速率传输时，pcm线上每信道中只占用了2bit，因此考虑采用特殊的方法把这些信号复接起来，节省传输线，这种实现其设想的设备称为子复用设备(sm)；而在abis接口上实现复用的设备称为bie。下图将给出它们在网络中的位置示意图。图2-7 码变换和子复用设备的位置一、tc单元tc位于bsc和msc之间，在a接口上信道话音信号传输速率为64kbit/s，在bsc方向，a接口上每话音信道传输速率16kbit/s，a接口也符合2m的g.703规范，只是各信道的其余6bit不用。-110列出了a接口和a接口的信道结构。由图可知，ts信息符合ccitt规定，当bss的操作维护是通过无线部分操作维护中心由远端来控制时，a接口上时隙1被用于操作维护中心与bss间的x.25通信链路。如果bss的操作维护中心是直接通过x.25连到bsc，则时隙1可被用作业务信道。时隙16为bsc和msc间为实现呼叫处理功能所用的7号信令链路。a接口的第31时隙有可能被用于码变换复用器控制器tsc到bsc间的操作维护信令链路lapd。图2-8 a和a接口时隙图二、sm子复用单元sm可提供多种多路复用方案，但最多把90个话音业务信道复用到一个pcm2m传输线上。如图1-11所示。图中时隙4、8、12用于各支路同步；时隙20、24、28为复用前各支路的7号信令链路。图2-9 sm复用前后时隙分配三、基站设备接口单元(bie)一个bss系统是否采用bie传输设备，取决于bts和bsc间的距离，如果两者间距离超过15米，必须使用bie；如果不超过15米，则可将bts的载频单元fu及操作维护单元通过bs接口连接电缆直接连接bsc内的终端控制单元tcu。bs接口所传输的信号速率实际为16kbit/s在标准的pcm线上传输，每个时隙传2比特有用信号。gsm规范规定，bsc和每个帧单元间必须至少有一个64kbit/s无线信令链路(rsl)，bsc和bts间必须至少有一个64kbit/s操作维护链路(oml)。如图1-12所示，其中时隙28为bsc对tsc的操作链路。图2-10 bs接口时隙结构bie的多路复用方式非常灵活，图1-13示出了一种常用的复用方式。对于rsl和oml来说，bie只是提供或重新分析一个时隙的功能。图2-11 全速率复用第三章 gsm的组网及位置区域概念3.1 gsm的组网对于电信运营者来说，系统所能提供的服务容量是他们最关心的问题。同时，在无线频率资源一定的情况下，如何增加用户服务也是设计时需考虑的。由于gsm系统采用数字处理方法，使得频率可在很小范围内复用。用这些复用区域覆盖整个物理地域，同时考虑合理性，则是组网时必须考虑的。但从整个通信网的观点看，则要简单得多，图2-1表示出了gsm整个组网的概括。图3-1 gsm网络由图可见，由一个gmsc控制若干个msc，一个msc控制若干个bsc，而一个bsc又可控制若干个bts，bts提供gsm网中最小单位小区的服务，在整个移动服务网中，自然分出了区域级别，以下将要说明。3.2 gsm位置区域的概念1、 服务区服务区系指移动台可获得服务的区域。不同通信网的用户无需知道移动台的具体位置即可与之通信的区域。2、 公用陆地移动通信网区域(plmn)plmn区是指整个陆地移动通信网的地理区域。它是独立于通信网中其它网路（如isdn、pstn网）的一个网路。3、 msc区指由一个移动业务交换中心所控制的所有小区共覆盖的区域构成的plmn网的一部分。一个msc区可由若干位置区构成。4、 位置区指移动台可任意移动不需要进行位置更新的区域，一个位置区可由若干个小区（或基站区）组成。为了呼叫一个移动台，可在一个位置区内所有基站同时发起呼叫。5、 基站区由置于同一区域的一个或数个基站收发信台(bts)包括的所有小区所覆盖的区域。6、 小区采用基站识别码或全球小区识别码进行标识的无线覆盖区域。在使用全向天线结构时，小区即为基站区。在设计时，一个具体化的蜂房就是一个小区。如图2-2，示出了区域级别的概念。图3-2第四章 gsm系统的编号方案1、 移动用户和移动台的识别码a. 国际移动用户识别码(imsi)给每个用户分配一个唯一的国际移动用户识别码，此码在gsm系统所有服务区中都是有效的。在呼叫建立与位置更新时，需要用到imsi，并同时存贮在hlr和vlr中。imsi组成如图3-1所示。它的总长不超过15位数字，采用十进制编码。图4-1 imsi组成mcc移动国家码，由3位数组成，唯一地识别移动用户所属的国家。中国的mcc规定为460。mnc移动网号，最多由2位数组成，识别移动用户所归属的移动通信网msin移动用户识别码，唯一地识别某一移动通信网中的移动用户nmsi国家移动用户识别码，由mnc和msin组成b. 临时移动用户识别码(tmsi) 考虑到移动用户的安全性，空中接口传递的imsi用tmsi代替。vlr可给来访的每一用户分配一个唯一的tmsi，在每次鉴权后分配。只在某一vlr管辖区内有效，当用户离开此vlr服务区后，即释放此号码。在呼叫建立和位置更新时可使用tmsi。其总长不超过4个字节。结构由当地电信部门自定。c. 本地移动用户识别码(lmsi)为了加速vlr对用户数据的查询，还可使用辅助性的本地移动用户识别码lmsi，它是在位置更新时，vlr暂分配给来访用户的一个唯一识别码。lmsi虽属可选，但如果在每次呼叫基础上分配移动用户漫游号msrn时，则需使用lmsi。lmsi由4字节组成，结构由运营部门自定。d. 国际移动设备识别码(imei)唯一地识别一个移动台设备。组成如图3-2。图4-2 imei的组成tac型号批准码，由欧洲型号批准中心分配fac最后装配码，表示生产厂或最后装配所在地。由厂家自行编码snr序号码，这个数字的独立序号唯地识别每个tac和fac的每个设备sp备用2、 移动台的号码gsm系统的号码计划应能满足下面几点要求：任何isdn/pstn用户能够与gsm plmn的移动用户互相进行呼叫，这意味着移动isdn号码应与每个国家使用的isdn号码计划相适应。能够使每个运营部门开发自己独立的移动台号码计划。号码计划不应限制移动台在不同gsm plmn之间漫游的可能性。能够在不改变分配给移动台的imsi条件下改变移动台的isdn号，反之也可即要求有独立性。a. 移动台国际isdn号码(msisdn) 此号码是指主叫用户为呼叫移动用户而拨叫的号码。组成如图3-3。图4-3 msisdn的组成cc国家码，即移动台登记注册的国家码，中国为86ndc国内地区码，每个plmn有一个ndcsn移动用户号码由ndc和sn确定的国内有效isdn号码由各个国家运营部门自己决定。b. 移动台漫游号码(msrn)msrn是指当移动台漫游后，为使gsm移动通信网能再进行路由选择，把来话呼叫转移到移动台当前所登记的msc而由vlr临时分配给移动台的一个号码。msrn的分配有两种方法：在起始登记或位置更新时，由vlr分配msrn后传送给hlr，当移动台离开该地后，在vlr和hlr中都要删除msrn，使此号码能再分配给其它漫游用户使用。在每次移动台有来话呼叫时，根据hlr的请求，临时由vlr分配一个msrn，此号码只在某一范围(比如90秒)内有效。msrn的组成与msisdn相同，最大为15位数。msrn号码同时也可作为sccp的全局码(gt)地址来寻找漫游用户当前所访问的msc。对于在某一特定区域漫游的移动台，msrn号码在被访vlr区域内是唯一有效的。c. 信道切换号码 此号码用于两个移动交换区(msc区)间进行切换时，为建立scm间通话链路而临时使用的号码，它类似于msrn的组成。3、 位置区和基站的识别a. 位置区识别(lai)在检测位置更新和切换的需求时，要使用位置区识别lai，如图34所示。图4-4 lai的组成mcc移动国家码，与imsi中的mcc相同。mnc移动网号，与imsi中的mnc相同。lac位置区码，用于识别移动通信网中的一个位置区，最多为2个字节长 度的16进制编码，全部为0的编码不用于表示某个位置区。lac可 由各运营部门自定。b. 全球小区识别(cgi) cgi是在所有gsmplmn中作为小区的唯一标识，是在lai的基础上再加上小区识别(ci)组成，ci为两字节长度的16进制编码。由各运营部门自定。c. 基站识别色码(bsic)用于采用相同载频的相邻不同基站发信台(bts)的识别。特别用于识别在不同国家的边界地区采用相同载频的不同相邻bts，bsic为一个6比特编码，组成如图3-5所示。图4-5 bsic的组成nccplmn色码，用来唯一识别相邻国家不同的plmnbcctbs色码，用来唯一识别采用相同载频的相邻btsbsic主要用于工程设计中第五章 gsm系统中语音信号的传输 如图5-1，给出了语音在sm中处理后送至发送端的全过程，以下将由此出发，说明gsm系统中对话音信号的处理过程。图5-1 语音在ms中的处理过程 首先，语音通过一个模/数转换器，实际上是经过8khz抽样、量化后变为每125us含有13bit的码流；每20ms为一段，再经语音编码后降低传码率为13bit/s；经信道编码变为22.8kbit/s；再经码字交织、加密和突发脉冲格式化后变为33.8kbit/s的码流，经调制后发送出去。接收端的处理过程相反。1、 话音编码此编码方式称为规则脉冲激励长期预测编码(rpe-ltp)，其处理过程是先进行8khz抽样，调整每20ms为一帧，每帧长为4个子帧，每个子帧长5ms，纯比特率为13kbit/s。2、 信道编码为了检测和纠正传输期间引入的差错，在数据流中引入冗余通过加入从信源数据计算得到的信息来提高其速率，信道编码的结果一个码字流；对话音来说，这些码字长456比特。由语音编码器中输出的码流为13kbit/s，被分为20ms的连续段，每段中含有260比特，其中特细分为：50个非常重要的比特132个重要比特78个一般比特对它们分别进行不同的冗余处理，如图4-2所示。图5-2 信道编码过程 其中，块编码器引入3位冗余码，激变编码器引入2倍冗余后再加4位尾比特。3、 交织在编码后，语音组成的是一系列有序的帧。而在传输时的比特错误通常是突发性的，这将影响连续入帧的正确性。因此，交织技术实际上就是打乱各个码字的顺序。在gsm系统中，采用二次交织方法。由信道编码后提取出的456比特被分为8组，进行第一次交织，如图4-3。图5-3 456比特交织由它们组成语音帧的一帧，现假设有三帧语音帧如图4-4图5-4 三个语音帧而在一个突发脉冲中包括一个语音帧中的两组，如图4-5所示。图5-5 突发脉冲的结构其中，前后3个尾比特用途消息定界，26个训练比特，训练比特的左右各1个比特作为“挪用标志”。而一个突发脉冲携带有两段57比特的声音信息。（突发脉冲将在后一章介绍）如图4-6，在发送时，进行第二次交织。aaaababababacbcbcbcbcccc图5-6 语音码的二次交织4、 跳频在语音信号经处理，调制后发射时，还会采用跳频技术即在不同时隙发射载频在不断地改变（当然，同时要符合频率规划原则）。引入跳频技术，主要是出于以下两点考虑。a. 舆过程中的衰落具有一定的频带性，引入跳频可减少瑞利衰落的相关性。b. 由于干扰源分集特性：在业务密集区，蜂窝的容量受频率复用产生的干扰限制，因为系统的目标是满足尽可能多买主的需要，系统的最大容量是在一给定部分呼叫由于干扰使质量受到明显降低的基础上计算的，当在给定的c/i值附近统计分散尽可能小时，系统容量较好。我们考虑一个系统，其中一个呼叫感觉到的干扰是由许多其它呼叫引起的干扰电平的平均值。那么，对于一给定总和，干扰源的数量越多，系统性能越好。5、 输出端比特率分配输出端的码速率为33.8kbit/s，其分配如下话音编码 13kbit/s话音的误差保护 9.8kbit/s慢速随路控制信道(sacch) 0.95kbit/s保护时间、同步等 10.1kbit/s第六章 gsm系统的无线接口 gsm系统的无线接口是指由bts至ms间连结的一般概念。由于移动通信中，空中信道部分是其通信所特有的，有必要详细地进行说明。6.1 gsm的空中信道 1、 物理信道gsm在无线路径上传输的一个基本概念是：传输的单位是约一百个调制比特的序列，它称为一个突发脉冲。要把这个脉冲在一个载频上传播，它占有一段频率，也占有一段时间。由gsm规范，每个载频的带宽是200khz，在每载频上采用tdma方式，又分8个时隙，因此，gsm的空中物理信道是一个频宽200khz，时长为0.577ms的物理实体，如图6-1所示。图6-1 物理信道的区域 为什么时间间隔为0.577ms，在稍后的学习中将会了解。2、 逻辑信道在bts和ms间必须传送许多信息，包括语音和控制信息等，先把这些信息分类，再按不同方法对应至物理信道上传播，这些划分就称为“逻辑信道”。而逻辑信道按其中承载信息不同，可分为控制信道和业务信道。以下分别介绍(h)控制信道。 1)广播信道(bch)均为下行信道，用于向ms发送广播消息a) 频率校正信道(fcch)使ms明确bcch的载频及使ms保持频率同步。b) 同步信道(sch)使ms接收tdma保持与系统的同步，同时接收tdma帧号，bts色码(bsic)。c) 广播控制信道当ms要进行漫游、等待呼叫或发起呼叫时，要知道一些关于小区的信息，这些信息通过bcch传送。包括位置区识别(lai)，小区允许最大输出功率和相邻小区bcch载频等。由于每个基站之间不同步，所以ms必须根据广播信道(bch)来获取应进入其它小区的信息。2) 公共控制信道a) 寻呼信道(pch)ms每隔一定时间守听pch，以判断是否有来自它的呼叫，其中包括ms的imsi或tmsi，是下行信道。b) 随机接入信道(rach)当ms在pch听到有人发起对自己的呼叫，即通过rach要求接入网络，是上行信道。c) 接入许可信道(agch)网络通过agch分配一个信令信道（独立专用控制信道sdcch），是下行信道。3) 随路控制信道(dcch)a) 独立专用控制信道(sdcch)ms和bts均转至此信道，ms通过sdcch通知网络占用了哪个物理信道用于业务传输。在呼叫建立功能之外，sdcch用于传送短消息。是双向信道。b) 慢速随路控制信道(sacch)ms向网络发送控制消息和相邻基站信号强度，同时接收系统信息，包括发射功率和时间提前量，双向信道。c) 快速随路控制(facch)facch用“挪用”模式工作，占用业务信道(tch)的一段传输，主要用于向ms传送切换命令是下行信道。c. 快速随路控制(facch)facch用“挪用”模式工作，占用业务信道(tch)的一段传输，主要用于向ms传送切换命令是下行信道。4) 业务信道(tch)tch用于话音业务的承载，有两种类型全速tch(tch/f)和半速tch(tch/#)，合速tch允许使用13kbit/s传送语音和12.6或3kbit/s数据传输，半速tch允许以7kbit/s传送语音及6或3.6kbit/s传送数据，是双向信道。6.2 突发脉冲由于语音信号要经过突发脉冲格式化，下面对突发脉冲作一简要介绍。共有五种不同的突发脉冲：常规突发脉冲频率纠正突发脉冲同步突发脉冲接入突发脉冲伪突发脉冲主要介绍其中三种。1、 常用突发脉冲这种脉冲用于在tch承载信息及用于控制停产bcch、pch、agch、sdcch、sacch和facch，结构如图5-2。图6-2 常规突发脉冲前后三个bit均为000，用于消息定界，两段57bit为加密的语音或数据，26bit的训练比特作为一种信道模式的创立，用于在接收方抑制时间分集的影响，其左右各1bit作为此脉冲是否为facch借用时的标识。为满足话音传输的速率(13bit/s)要求，必须在tdma时隙和突发脉冲两者间找到一种折衰方法，选择26tch突发脉冲作为一个周期，共120ms，则一个tdma时隙为120/268=0.577ms。而在实际舆中，为满足码速率，0.577ms应传156.25比特，多余的8.25比特用于消息间的保护。这是因为移动用户在通话中不断移动而导致相邻消息会有一段偏移，8.25比特对应30us，便于保持接收信息与发送同步的正确性。2、 接入脉冲如图6-3所示。图6-3 接入脉冲如图示，它有8位尾比特，并有很大一段保护期，这是由于在第一次接入和切换至新bts时还不知道时间提前量（由距离引起）的信息，保护期可保证传送信息准确进入规定的接收时隙内而不溢出至下一时隙。3、 伪突发脉冲在没有信息承载时，发送伪突发脉冲。6.3 逻辑信道与物理信道的对应1、 bch和ccch的对应方式要求在bts的第0载频第0时隙上传送，周期为51个tdma帧，下行信道结构如图5-4。图6-4 bch和ccch的周期结构f：fcch s：sch c：ccch（pch或agch）b：bcch i：idle其中f、s占一个时隙，b、c占4个时隙，i占一个时隙，总共占51时隙。2、 rach的对应方式如图5-5，为rach的周期结构图6-5，rach的周期结构rach周期为51个tdma帧，占用第0载频的第0时隙，上行信道。3、 sdcch和sacch的对应方式如图5-6图6-6 sdcch和sacch的周期结构 dx：sdcch号x ax：sacch号x i：idledx和ax占用4个时隙，由于用于呼叫建立和登记的比特率非常低，故每周期可为八个用户服务，共占用6个时隙。sdcch和sacch周期为012tdma帧，在0载频1时隙上传送，双向信道。4、 tch的对应方式如图5-7图6-7 tch的周期结构t：tch a：sacch i：idle共占用26个tdma帧，在其在载频各时隙及o频27时隙传送，双向信道。第七章 系统管理功能介绍7.1 gsm系统的安全性管理gsm系统主要有如下安全性措施访问auc，进行用户鉴权无线通道加密移动设备确认imsi临时身份tmsi的使用在明确这些措施之前，有必要回顾一下表明用户身份的sim卡的内容和鉴权中心(auc)的内容：sim卡中有如下内容：固化数据，imsi，k：安全算法临时的网络数据tmsi，lai，kc，被禁止的plmn业务相关数据auc有如下内容：用于生成随机数(rand)的随机数发生器鉴权键k；各种安全算法以下对gsm安全措施详细说明1、 访问auc，进用用户鉴权auc的基本功能是产生三参数(rand、sres、kc)，其中rand由随机数发生器产生，sres由rand和k；由a3算法得出；kc由rand和ki用a8算出。三参数组存于hlr中。对于某一已登记的ms，由其服务区的msc/vlr从hlr中装载至少一套三参数组为此ms服务。当用户要建立呼叫，进行位置更新等操作时，先需对其鉴权，其过程如下：msc、vlr传送rand至msms用rand和ki算出sres并返至msc/vlr。msl/vlr把收到的sres与存贮其中的sres比较，决定其真实性。2、 无线通道加密其过程如下：结合图6-1；msc/vlr把“加密模式命令m”和kc一起送给bts“加密模式命令”传至ms“加密模式完成”消息m和kc用a5算法加密，同时tdma帧号也用a5算法加密，合成mcmc送至btsmc和kc用a5算法解密，tdma帧号也由a5算法解密。若mc能被解密成m(加密模式成功)并送至msc，则所有信息从此时开始加密。图7-1 加密过程3、 移动设备识别过程如下msc/vlr从ms要求发送imeims发送mieimsc/vlr转发imei在eir中核查imei，返回信息至msc/vlr4、 tmsi的使用当ms进行位置更新，发起呼叫或激活业务时，msc/vlr将分配给imsi一个新的tmsi，并由ms存贮于sim卡上，此后msc/vlr与ms间信令联系只使用tmsi，使用tmsi主要是用户号码保密和避免被别人对用户定位。7.2 gsm系统移动性管理由于ms的移动性，要求网路对此特性邓以支持及管理。其最终目的就是确定ms当前位置及使ms与网络的联系达到最佳状态。根据ms当前状态的不同，可分为漫游管理及切换管理。7.2.1 漫游管理当ms处于空闲模式时，怎样确定其位置是很重要的。只有明确知道ms当前位置，才能在有对ms的呼叫时迅速建立其与被叫ms的连接。移动用户在移动性的情况下要求改变与小区和网络联系的特点称为漫游。而在漫游其间改变位置区及位置区的确认过程则称为位置更新。在相同位置区中的移动不需通知msc，而在不同位置区间的小区间移动则需通知msc，位置更新主要由以下几种组成。1、 常规位置更新ms由bcch传送的lai确定要更新后，通过sdcch与msc/vlr建立联结，然后发送请求，更新vlr中数据，若此时lai属于不同的msc/vlr，则hlr也要更新，当系统确认更新后，ms和bts释放信道。2、 imsi分离当ms关机后，发送最后一次消息要求进行分离操作，msc/vlr接到后在vlr中的imsi上作分离标记。3、 imsi附着当ms开机后，若此时ms处于分离前相同的位置区，则将msc/vlr中vlr的imsi作附送标记；若位置区已变，则要进行新的常规位置更新。4、 强迫登记在imsi要求分离时(ms关机)，若此时信令链路质量不好，则系统会认为ms仍在原来位置