GSM接口和控制管理.ppt

移动通信原理 建工学院电子与信息工程学院 朱徐来 GSM移动通信网络接口 nGSM系统中的接口 GSM移动通信网络接口 nA接口 网络子系统NSS与基站子系统BSS间的通 信接口 MSC与BSC间的互连接口 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 标准的2.048Mbit/s的PCM数字传输链路 实现 GSM移动通信网络接口 nAbis接口 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间的通信接口 用于BTS（不与BSC并置）与BSC间的远 端互连 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 采用标准的2.048Mbit/s或64kbit/sPCM数 字传输链路实现 GSM移动通信网络接口 nUm接口(空中接口)： 移动台与基站收发信机BTS间的通信接口 用于移动台与GSM系统设备间的互通 通过无线链路实现 传递的信息包括无线资源管理、移动性管 理和接续管理等 n用户与网络间的接口(Sm接口) 用户与网络间的接口,用户识别卡SIM与移 动终端ME间接口 传递的信息包括用户对移动终端进行操作 ，移动终端向用户提供显示、信号音等 GSM移动通信网络接口 n网络子系统内部接口 D接口 HLR与VLR间的接口 用于交换有关移动台位置和用户管理的信息 ，保证移动台在整个服务区内建立和接收呼 叫 通过MSC与HLR间的标准2.048Mbit/s的PCM 数字传输链路实现 GSM移动通信网络接口 B接口 VLR与MSC间的内部接口 用于MSC向VLR询问有关移动台当前的位置信 息或者通知VLR有关移动台的位置更新信息 等 C接口 HLR与MSC间的接口 用于传递路由选择和管理信息 GSM移动通信网络接口 E接口 相邻区域的不同MSC间的接口 用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换 F接口 MSC与EIR间的接口 用于交换相关的IMEI管理信息 G接口 VLR间的接口 用于在采用TMSI的MS进入新的MSC/VLR服务区域时 向分配TMSI的VLR询问此移动用户的IMSI信息 GSM移动通信网络接口 nGSM系统与其他公用电信网的接口 n其它公用电信网：公用电话网PSTN、综合业务 数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN和电路 交换公用数据网CSPDN等 n接口必须满足ITU的有关接口和信令标准及各 个国家通信运营部门制定的与这些电信网有关的接 口和信令标准 GSM系统与PSTN和ISDN网的互连方式采 用7号信令系统接口 链接方式通过MSC与PSTN或ISDN交换机 间标准2.048Mbit/s的PCM数字传输链路实现 GSM系统的无线接口 欧洲 GSM 美D-AMPS日本JDC 多址方式 TDMA/FD MA TDMA/FDMATDMA/FDMA 频 率 上行(MHz) 890-915824849 940956/1429145 3 下行(MHz) 935-960869894 810826/1147715 01 载频间隔/kHz 2003025 时隙数/载频 8/163/63/6 调制方式 GMSK/4-QPSK/4-QPSK 差错保护后语音速 率 22.81311 信道速率 (kbps) 270.83348.642 TDMA帧长 (ms) 4.6154020 交织深度(ms) 402727 数字无线接口 n无线接口 n概念：移动台与基站收发信机间接口的 统称 n是移动通信实现的关键 n是不同系统的区别所在 无线接口中信道、数据格式等 n无线信道 nGSM系统使用了TDMA时分多址的概念 每帧包括8个时隙TS BTS到MS为下行信道，MS到BTS为上行 信道 GSM的帧结构 数字无线接口 n物理信道 n一个载频上的TDMA帧的一个时隙为一个物理 信道 nGSM中每个载频分为8个时隙，有8个物理信道 n信道07对应时隙TS0TS7，每个用户占用一 个时隙用于传递信息 n在一个TS中发送的信息称为一个突发脉冲序列 n逻辑信道 n根据传递于BTS与MS间信息的种类定义 n是一种人为的定义 n要被映射到某个物理信道上才能实现信息的传 输 数字无线接口 n逻辑信道 n业务信道TCH 用于传送编码后的话音或数据 n控制信道CCH 用于传递信令或同步数据 分为三类： 广播信道 公共控制信道 n专用控制信道 数字无线接口 n控制信道CCH 广播信道(BCH)：全为下行信道 频率校正信道(FCCH)：用于传送校正MS频率 的信息 同步信道(SCH)：用于传送给MS的帧同步（ TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息 广播控制信道(BCCH):广播每个BTS小区特定 的通用信息 数字无线接口 公共控制信道(CCCH)：基站与移动台 间的点到多点的双向信道 寻呼信道(PCH):用于寻呼（搜索）MS， 是下行信道 随机接入信道(RACH):用于MS在寻呼响应 或主叫接入时向系统申请分配SDCCH，是 上行信道 允许接入信道(AGCH):用于为MS分配一个 SDCCH，是下行信道 数字无线接口 专用控制信道(DCCH) ： 独立专用控制信道(SDCCH):用于在分配TCH 前的呼叫建立过程中传送系统信令 v如：登记和鉴权 慢速随路控制信道(SACCH):传送连接信息 v上、下行双向，点对点（移动对移动）信 道 v与一个TCH或一个SDCCH相关 v如传送移动台接收到的关于服务及邻近小 区的信号强度测试报告、MS的功率管理和 时间的调整等 数字无线接口 专用控制信道(DCCH) 快速随路控制信道(FACCH):传送比SACCH 所能处理的高得多的速率的信令信息 v与一个TCH相关 v在话音传输期间，借用20ms的话音（ 数据）突发脉冲序列来传送 v通常在切换时使用 利用“动态”性满足“移动服务”是实现移动性网络的 一项核心技术，它就是移动性管理。其内容大致包含 下列三个部分： 小区选择与位置登记。它是移动台开机后，首先需要 进行的建立过程。 越区切换。它是移动台在联机通信状态下，保持不间 断、无缝隙通信的一种有效手段。 小区重新选择与用户漫游。它是当移动台已选择本地 小区后，又离开该小区，进入某个服务区内另一个 较远的小区(处于不同的MSC之间)，但仍需要实现 移动通信的基本保证。 *19 移动性管理 位置登记(注册) n位置登记是指网络跟踪、保持移动台所处的位 置并存贮其位置信息，一般是存贮在两个寄存 器中。 n位置登记主要包含以下过程： n位置更新。 n位置删除。 n周期性位置更新。 n国际移动用户识别号码IMSI的位置更新。 位置登记的目的是允许移动台在网络中选择一个最适 合的小区，比如具有最强的信号或最大的信噪比等 。 n位置登记(注册) n小区选择是移动台刚开机时进行的过程，而 重新选择小区则是移动台已经选择了小区后 才进行的 。 在移动台开机后，要经历以下几个主要步骤 ： n(1) 搜索系统载波，移动台可以搜索系统全 部或有选择的(存贮器中或用户身份卡中)信道 进行搜索； n(2) 选择信号功率(或信噪比)最大的几个信 道； n(3) 从上述已选择的信道中收集相关数据 ； n(4) 若有需要，则在位置区进行登记； n 位置登记需要多项参数，最常用的有： n(1)在广播信道上的接收信号电平 ； n(2) 小区状态，是否由于资源拥塞、链路传输 失败、切换等因素而禁止接入； n(3) 网络身份，若几个网络使用同一个频段、 覆盖同一区域时； n(4) 地理区域，有些按地区分类的注册用户是 可用的； n(5) 定时器参数; n位置更新策略 n基于时间的周期性位置更新策略 n基于跨位置区的更新策略:使用位置 区的概念来进行自动位置管理。 n下图为位置区结构 : 位置区设置 n目前第一代、第二代蜂窝移动通信中广 泛应用的位置管理办法是使用位置区来进 行自动的位置管理。网络跟踪用户所在位 置区，就能大致确定用户所在的大致范围 。 n目前应用广泛的是一种基于跨位置区的 位置更新和周期性位置更新相结合的混合 方法。移动台每次跨越位置区都要进行一 次位置登记，另外还要加上定期的周期性 位置更新。 n例：GSM中的位置登记过程基本流程如下 ： 位置登记过程 越区切换（Handover） n基本概念： n 指正在进行的无线通信链路从当前基站转移到 另一个基站的过程。 n 通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入 另一个基站覆盖的小区情况下，为保持通信的连续 性，所进行的无线链路转移工作。 n 还包括网络管理和服务质量引起的资源调整 n从网络角度看切换可以按下列方式分类 ： n越区切换 n切换实现方案主要有下列三种类型： n网络控制切换。 n移动台控制切换 n由移动台和网络共同控制的切换 n切换要求： n 切换要求优先于呼叫开始要求 n 切换不要太频繁 n 切换不要被用户察觉 n使切换优先 n保护信道：小区中总可用信道的一部分预留专用于 切换请求。 n切换要求排队 n 切换的基本原理 n在一次呼叫的通信期内(传输用户的数据或信令) 进行的切换一般可以分为四个阶段：链路监视和测量 ，目标小区的确定和切换触发以及切换执行。四个阶 段依次执行，并且目标小区的确定一般在测量阶段就 开始了。 n每个阶段还必须满足一定的限制条件; n n 越区切换 n 链路监测和系统参数收集阶段 n在切换过程中需要一组测量数据和收集一些系统参数，将它进行 处理再用于切换触发和对目标小区的确定算法上。 n目标(候选)小区选择与确定(以IS-95为例) n移动台将小区名单进行处理、列表、分类。 n如果一个基站符合下列标准之一时，移动台将做出下列处理选 择：选中或撤销。 n导频信号的信号功率超过事先给定的门限值，则被选中；移动 台首先收到一条包含某个基站网络身份的消息，其次收到该基站发出的 信号功率超出了事先给定的门限值，则亦被选中； n n 越区切换 n如果与某基站相对应的经计算所得到时延超过事先给定的门限 ，则将从小区列表中撤销、删除该基站； n如果一个移动台将一个基站归入候选小区名单，而这时该候 选名单已满额，则应将小区中计算时延首先到期(超过门限)的基站从 表中删除。 n 触发切换 n 触发切换是建立在对当前运行基站和对邻近基站的一 次监测和参数收集、处理判决后才进行的。 n 监测参数数据与触发标准一般基于下列三个变量：测 量平均窗口的持续时间、信号功率或信号质量的门限电平以 及滞后余量 。 n n 切换执行 l当一次切换被触发以后，一个新的信道将被建立， 通信将被转移到新的链路，同时原来信道将被释放。 切换处理过程可以根据新链路的建立途径进行分类: ni) 硬切换。 nii) 无缝切换 niii) 软切换。 l硬切换基本原理图如下所示: 其特点为在A、B小区分界线上“先断后切”，两状态(A B)出现暂时中断，它出现在两个不同载波频率的小区间。 *36 硬切换 软切换基本原理图如下： 其特点为“先切后断”，三状态(A、AB、B)，无中断。 它一般出现在具有同一载波频率的CDMA(IS-95等)系 统中。 * 软切换 在CDMA(IS-95)软切换阈值的工作过程如下: * 越区切换 实际切换过程 例1：GSM中，单个MSC内的两个BSC之间的越区硬 切换，其原理性简化流程图如下。 *39 越区切换 例2：GSM中，两个MSC间的切换。 *40 越区切换 CDMA(IS-95)中两个BS间的软切换 *41 任何一个移动通信系统其网络运行的主要功能是要能 够支持该移动通信系统业务的正常运行 。 这包含支持呼叫建立和释放、寻呼、信道分配和释放 等呼叫处理过程，并能支持补充业务的激活、去激活 以及登记和删除等业务操作。 移动台呼叫处理的基本原理可以以下列状态图表示： * 呼叫建立与接续呼叫建立与接续 以下为一个GSM中由本地固定网用户呼叫移动用户的呼叫与接 续流程。 * 图中主要流程说明如下： (1) 通过7号信令接收来自本地固定网用户的呼叫； (2) GMSC向HLR询问被叫移动用户所在MSC地址； (3) HLR请求被访问的VLR分配MSRN，并通知GMSC ； (4) GMSC从HLR获得MSRN后，可重新寻找路由建立至被访 MSC通路 (5)(6) 被访的MSC从VLR中获取有关用户数据； (7)(8) MSC通过位置区内所有基站BS向移动台发送寻呼消息； (9)(10) 被叫移动用户发回寻呼响应消息； (11) 被叫移动用户通过MSC向本地固定网主叫发送应答与连接 消息，并建立通信链路； (12)正常通话； (13)挂机。 *44 下面进一步给出GSM中移动用户至本地网固定用户的呼 叫流程，在这一流程中，简化了呼叫与接续流程的具体 步骤而增加参与流程的网络实体功能部分。 *45 从移动台呼叫处理完成的功能上看,完整地应有下列五个部分：呼叫请 求与建立、鉴权与加密、分配并建立信道、进行正常通信和结束通信与 挂机。下面补充给出以移动用户为主叫方的基本流程。 *46 GSM中移动至移动且MS为主叫方的呼叫建立与接续的基本 流程。 * GSM系统的呼叫建立与接续 IS-95/CDMA2000 MS起呼的简单呼叫流程： *48 IS-95/CDMA2000系统的呼叫与 接续 GSM系统的安全措施 n用户识别模块SIM n功能 存储数据： 用户身份认证所需的信息，如IMSI、TMSI、用户鉴权 键Ki等 存储安全保密有关的信息，如加密密钥Kc、密钥序号n 、加密算法A3、A5、A8、个人识别码PIN、PIN码出 错计数、SIM卡状态、个人解锁码PUK等 存储与网络和用户有关的管理数据，如PLMN代码、 LAI、用户登记的通信业务等 存储用户的个人信息 GSM系统的安全措施 执行安全操作： 进行用户入网的鉴权 用户信息的加密 TMSI的更新 用户PIN码的操作和管理 GSM系统的安全措施 n组成：CPU、工作存储器RAM，程序存储器 ROM、数据存储器EEPROM和串行通信单元5个模 块组成 n结构： GSM系统的安全措施 n使用： SIM卡本身是通过PIN码来保护的 PIN码连续输错三次后SIM卡将闭锁 SIM卡解锁需输入正确的PUK码，PUK码连续输错10次 ，SIM将报废 SIM卡的使用有一定年限 物理寿命取决于用户的插拔次数，约在1万次左右 集成芯片的寿命取决于数据存储器的写入次数，约在5 万次左右。 不同厂家指标不同，SIM卡的寿命也略有不同 GSM系统的安全措施 注意事项： 不要人为浸水 不要弯折SIM卡 不要经常插拔SIM卡 拆卸SIM前先关手机电源 SIM卡表面氧化或弄脏后，不用硬物刮擦， 可用酒精清洗，也可用橡皮擦拭； 正确输入PIN码，当SIM卡闭锁后输入正确 PUK码解锁 GSM系统的安全措施 n安全措施 n安全措施： 鉴权 加密 用户识别码的保密 SIM卡的安全 移动设备的识别 n参数： RAND（RANDOM）128bit不可预测的随机数 对RAND和Ki用加密算法A3计算出符号响应SRES 用加密算法A8计算出加密密钥Kc GSM系统的安全措施 n鉴权 在MS登记入网和呼叫时判断是否是有权 用户 过程： AUC产生随机数RAND，并进行A3运算 RAND同时通过公共控制信道送给移动终端，在SIM卡 中进行A3运算 运算结果在VLR中进行比较，一致则为有权用户 GSM系统的