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GSM基本原理,李蔷薇,GSM系统及网络结构GSM信号处理相关技术无线接入原理GSM信道类型GSM安全性相关流程：鉴权、加密、三参数组GSM系统消息GSM编号系统MS的工作模式及信令流程小区规划过程,目录,GIWU,GIWU,GSM系统结构,GSM系统结构,GSM系统分为两部分：交换系统（SS）基站系统（BSS）交换系统（SS）移动业务交换中心（MSC）拜访位置寄存器（VLR）归属位置寄存器（HLR）鉴权中心（AUC）设备识别寄存器（EIR）GSM互通工作单元（GIWU),GSM系统结构,MSC：一个MSC控制多个基站控制器，它的功能为：交换。包括呼叫的建立、路由选择、呼叫监视、呼叫释放计费。CDR位置更新、鉴权、加密、补充业务、切换与VLR、HLR、GMSC、DT（GIWU）、SMS-GMSC、SMS-IWMSC、SGSN（GS）通信HLRHLR和VLR是与呼叫建立密切相关的两个数据库。HLR是管理部门用于管理移动用户呼叫资料的数据库。当一个人购买电信网的移动台时，他将被登记在该网络的HLR中，HLR与各营业点的终端相连。它储存两类数据：一是用户的参数，包括:MSISDN、IMSI、用户类别、Ki，补充业务及用户的三参数组等参数。二是用户的位置信息，该MS目前于哪个MSC/VLR中，即MSC/VLR地址。HLR可与MSC合设，也可单独设置(用户永久数据库）,GSM系统结构,VLR：VLR用于寄存所有进入本交换机服务区域用户的信息。VLR看成是分布的HLR，VLR与MSC配对合置于一个物理实体中。（因为每次呼叫，它们之间有大量的信令传递，若分开，信令链路负荷大，所以将MSC与VLR接口做成AXE的内部接口。）VLR中也寄存两类信息：一是本交换区用户参数，该参数是从HLR中获得的。二是本交换区MS的LAI（用户临时数据库）,MSC/VLR,MSC/VLR,MSC/VLR,MSC/VLR,HLR,HLR与VLR的区别,GSM系统结构,AUC：也是数据库。AUC是向HLR提供出于安全原因而使用的鉴权参数和密钥。即三参数组。RAND（随机数）SRES（符号响应）Kc（密钥）用户在签约入网时，被唯一分配一个鉴权码Ki和IMSI，存储于ACU和SIM卡中,GSM系统结构,EIR：用来检验设备的合法性，可以禁止末经批准的话机设备使用。它内存三种名单：白名单-合法设备黑名单-非法设备灰名单-故障设备,为什么大多数运营商不采用EIR功能？,GSM系统结构,GMSC：称为入口移动交换局或称门道局。互联互通的接口（InterworkingInterface(CalltoMS)）询问功能（Interrogation）路由选择功能（Routing）呼叫转移功能（CallforwardtoC-No）GMSC可以是任意的MSC，也可以单独设置。单独设置时，不处理MS的呼叫，因此不需设VLR，不与BSC相连。GIWU：是传真及数据通信的格式转换与速率适配。爱立信产品中该单元集成在MSC内，称DTI。,GSM系统结构,基站系统（BSS）基站控制器（BSC/TRC）无线基站（RBS）基站控制器（BSC/TRC）功能处理与MS的连接。通过分配逻辑信道来实现。小区数据的管理，无线信道的管理、分配、监视、释放。传输网络的管理。只管理到RBS的传输网络。基站的操作与维护定位与切换定位与切换话音编码与速率适配话务的集中与扩散,GSM系统结构,无线基站（RBS）功能：RBS用来提供移动台与系统的无线接口，主要由无线收发信机构成。无线信号处理、发射和接收测量服务小区的信号强度（SS）和误比特率（BER），时间提前量（TA）。,GSM系统结构,网络监控中心：OMC一个网络可由多个OMC，主要侧重于短期的本地告警。网元管理。NMC一个网络一个，它控制多个OMC，侧重长期系统范围的告警。网络管理。,功能：配置管理故障管理性能管理,GSM系统结构,GSM系统结构,MSMS=SIM+ME。SIM中存有：固定信息（用户的签约信息，A3、A8），临时信息（LAI，BA表，网络标识）没有SIM卡，MS不能接入GSM网络，但是当用于紧急业务时除外ME用于无线信号处理、发射和接收ME还测量服务小区的SS和BER，测量相邻小区BCCH载波的SS。,GSM系统结构,主要接口的协议MSC与BSC之间的接口是标准的NO.7信令的接口，不同厂家的设备可以互连。BSC与RBS之间的接口是Abis接口，没有开放标准，因此不同厂家的BSC和RBS不能互连，只能使用同一厂家的BSC和RBS。CME20在该接口的协议称为链路接入协议（LAPD）。RBS与MS的接口称为空中接口，其协议称LAPDm。,GSM的网络结构,GSM的网络结构,GSM系统中：一个小区等于一个扇区CDMA系统中：一个小区等于三个扇区位置区（LA）位置区由若干个小区构成位置区就是寻呼区在同一个位置区内不同小区移动，不用做位置更新一个位置区只能属于某一个MSC/VLR位置区的边界一般不能通过高话务地区，而应推到诸如山脉、湖泊和铁路边等话务稀少的地方,GSM系统及网络结构GSM信号处理相关技术无线接入原理GSM信道类型GSM安全性相关流程：鉴权、加密、三参数组GSM系统消息GSM编号系统MS的工作模式及信令流程小区规划过程,目录,GSM信号处理相关技术,信源编码技术信道编码技术交织技术加密技术调制技术,GSM中采用混合编码，称规则脉冲激励长期预测线性编码（RPE-LTP）,编出的语音全速率为13Kbit/s,信源编码技术,目的：纠正无线传输中随机性的差错。编出速率为22.8kbit/s采用了分组编码和卷积编码技术,信道编码技术,交织技术,目的：纠正无线传输中突发性（连续性）差错,普通突发脉冲串,形成突发脉冲串的速率为33.8kbit/S,二次交织,加密技术和调制技术,加密技术加密算法是A5算法不增加比特数防止非法窃听调制技术GMSK=高斯滤波器（低通）+最小频移键控优点：占用空中带宽窄缺点：抗干扰能力减弱,GSM系统及网络结构GSM信号处理相关技术无线接入原理GSM信道类型GSM安全性相关流程：鉴权、加密、三参数组GSM系统消息GSM编号系统MS的工作模式及信令流程小区规划过程,目录,FDD/TDMA技术,FDD/TDMA,GSM中使用的频率,频率与信道号的关系,载频间隔为200kHZ，900MHZ频段上有124个载频，标称中心频率与频道号的关系由以下公式确定：上行频率f（n）8900.2n（MHZ）下行频率f（n）9350.2n（MHZ）1800MHZ上有374个载频，DCS1800频率编号：上行频率f（n）17100.2（n511）（MHZ）下行频率f（n）18050.2（n511）（MHZ）其中n为绝对频率号，从512885。,目前我国使用P-GSM900、E-GSM900、DCS1800频段。在每端留有200kHZ的保护带。中国移动公司占有E-GSM900的上行885890MHZ，下行930935MHZ，对应的频道号为10001024；占有P-GSM900的上行890909MHZ，下行935954MHZ，对应的频道号为194；占有DCS1800的上行17101720MHZ，下行18051815MHZ，对应的频道号为512562。中国联通占有P-GSM900的上行909915，下行954960MHZ,对应的频道号是95124。,无线电波传播基础,无线电波频段的划分无线电波传播方式无线电波传播特性克服衰落的方法,无线电波频段的划分,移动通信使用的是哪个频段？,UHF段,无线电波的传播方式,地波（地表面波）传播：长波、中波天波传播：中波直线波（空间波）传播：短波、超短波散射传播穿过电离层在外层空间传播,无线电波的传播特性,多径效应与快衰落阴影效应与慢衰落路径损耗多普勒频移数字无线传输特有的问题时间色散时间提前,克服的方法是什么？,多径效应,多径衰落由多径传播导致接收到的信号幅度出现随机起伏变化；衰落深度可达3040dB；又称瑞利衰落或快衰落,阴影效应,阴影衰落由阻挡或地面的起伏不平造成信号的缓慢变化又称正态衰落或慢衰落,如何克服衰落？,1、增加发射功率？2、采用功率控制？3、采用分集技术,衰落储备,路径损耗,自由空间的路径损耗L（dB）=32.45+20lgf（MHZ）20lgd（km）,多普勒频移,当运动的物体达到一定的速度时，固定点接收到的从运动体发来的载波频率将随运动物体速度的不同，产生不同的频移，通常将这种现象称为多普勒频移在移动通信中，MS移向BS时，频率变高MS远离BS时，频率变低,克服衰落的方法分集技术,发射分集正交发射分集（OTD）时空扩展分集（STS）接收分集空间、频率、时间、极化、路径、场分量、角度分集,分集接收技术,指接收端对收到的多个衰落特性相互独立（携带同一个信息数据流）的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法；它是利用信号的基本参量在时域、频域和空域中如何分散开又如何收集起来的技术，其含义有两个：一是分散传输，使收端获得多个统计独立的携带同一数据信息流的衰落信号；二是集中合并处理把收到的独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。,常用的分集接收技术,空间分集多于两副天线接收频率分集宽带通信技术天生特点时间分集交织、检错、纠错编码极化分集采用极化天线，是空间分集的一种特殊情况路径分集RAKE接收，软切换,分集合并技术,合并信号的表达式分类选择性合并(SelectiveCombining)等增益合并(Equal-GainCombining)最大比合并(maximalRatioCombining),010101,010101010101,时间色散,接收机里采用均衡器技术可以克服4个bit的时间色散,在GSM系统中，比特速率为270Kbit/s，则每一比特时间为3.7us，也即是一比特对应1.1Km。假若反射信号经过的路程比直射信号经过的路程长1.1公里，则移动台就会在接收到的有用信号中混有比它迟到一个比特时间的一个信号，即移动台同时会收到一个为“1”的信号和一个为“0”信号，这种现象会使移动台接收时的误码率升高。出现时间色散的典型环境为山区、丘陵城市、高层金属建筑。出现时间色散的条件：反射路径直射路径1.1公里避免有害的时间色散的方法：1）将BTS尽可能建在离建筑物近的地方。2）将BTS背对反射物，天线有高的前背比。3）MS离反射物太远。4）MS离BTS或反射物近。,时间色散,时间提前,1TA=550米，工程上近似为500米。只有通话过程中才能测到TA值，它反应了手机离基站的距离。,GSM系统及网络结构GSM信号处理相关技术无线接入原理GSM信道类型GSM安全性相关流程：鉴权、加密、三参数组GSM系统消息GSM编号系统MS的工作模式及信令流程小区规划过程,目录,物理信道,逻辑信道,信令信道,业务信道,TDMA单帧、复帧、超帧,思考：图中是采用SDCCH/8还是SDCCH/4的映射，为什么？定义了几个物理时隙作为SDCCH？可给多少个用户分配SDCCH？最多有多少个用户可以同时通话？若开小区广播信道，则可给多少个用户分配SDCCH？,逻辑信道到物理信道的映射,MS被叫的信道使用,GSM中减少干扰的几种技术,动态功率控制技术跳频技术非连续发射技术,动态功率控制技术,动态功率控制发生在MS通话期间，包括基站的功控和移动台的功控。功率控制功能是由BSC实现的，因为在BSC中有功率控制软件算法。其目的克服远近效应电池功率损耗降低避免接收机处于饱和状态干扰降低改善话音质量,跳频技术,在呼叫期间，载波频率在几个频率上变化，以克服瑞利衰落。因瑞利衰落谷点只是对某一个频点有效，对另一个频点无效。跳频时采用的频率越多，跳频效果越好。,跳频的优点,从运营商角度看，跳频提供了以下好处：提供一个可靠的可预测的无线环境。向用户提供更稳定的话音质量。减少小区范围，采用更紧凑的频率复用方案，增加系统容量。跳频的分类慢跳频：跳频速率低于信息比特率。GSM系统的跳频属于慢跳频，为217次/S。快跳频：跳频速率高于或等于信息比特率。跳频速率越高，跳频时采用的频率越多，跳频系统的抗干扰性就越好，但最大跳频增益不超过6dB。,跳频的实现方式,基带跳频射频跳频,跳频的实现方式,手机和基站分别是基带跳频还是射频跳频？因为手机只有一套收发信机，所以是射频跳频。基站可以是基带跳频，也可以是射频跳频。BCCH是否跳频？BCCH载波的TS0不跳频SDCCH和TCH是否可以跳频？都可以跳频,非连续发射（DTX）技术,非连续发射（DTX）技术仅在有话音帧需发送时，才使发射机工作的一种工作模式。是否采用该种模式在系统信息中播送。发话时，话音和背景噪声一起发送，将发端背景噪声的参数传给收端，收端利用这些参数合成与发端相似的噪声。不发话时，仅发背景噪声以满足听觉和测量的需要。发射机需要有语音活动检测器（VAD）以检测是否有话音。接收机需有静寂检测器（SID），检测不到话音时送舒适音发生器。只有段2手机支持非连续发射功能。,非连续发射（DTX）技术,DTX的作用：减少空中干扰电平和降低移动台电池消耗。是否启动上下行DTX功能由BSC中参数决定。DTXD=ON/OFF,基站使用DTXD,可以降低干扰，减轻基站处理负荷。该功能要有transcoder的支持。DTXU=0-2,由网络操作员决定是否使用该功能。若使用，不仅降低干扰，而且手机电池耐用。0：MS可以使用上行不连续发射。1：MS应该使用上行不连续发射。段2手机一般设为该值。2：MS不能使用上行不连续发射。段1手机取该值。,GSM系统及网络结构GSM信号处理相关技术无线接入原理GSM信道类型GSM安全性相关流程：鉴权、加密、三参数组GSM系统消息GSM编号系统MS的工作模式及信令流程小区规划过程,目录,GSM提供的安全保密措施,对接入网络的呼叫请求进行鉴权对无线信道上的消息进行加密对移动台的IMSI进行保护对移动设备合法性进行识别下列情况需先经过鉴权移动台呼出及呼入。移动台位置登记、位置更新。移动台补充业务的登记、使用、删除,1、用户购机入网时，电信部门将IMSI号和用户鉴权键Ki一起分配给用户。同时，该用户的IMSI和Ki存入AUC。2、在AUC鉴权中心按下步骤产生一个用于鉴权和加密的三参数组。1）产生一个不可预测的随机数RAND。2）以IMSI、Ki和RAND为输入参数由两个不同的算法电路（A8和A3）计算出密钥Kc和符号响应SRES。3）将RAND、SRES、Kc组成一个三参数组送往HLR作为今后为该用户鉴权时使用。3、HLR自动存储110组每个用户的三参数组，并在MSC/VLR需要时传给它。而在MSC/VLR中也为每个用户存储17组这样的三参数组。这样做的目的是减少MSC/VLR与HLR、AUC之间信号传送的频次。4、在呼叫处理过程中，MSC向需被鉴权的移动台发送一组参数中的RAND号码，移动台据此再加上要身SIM卡内存储的IMSI和Ki作为A3鉴权运算电路的输入信号，算出鉴权的符号响应SRES并将其送回MSC/VLR。5、MSC将原参数组中由AUC算出的SRES与移动台返回的SRES比较，若相同，则认为合法，允许接入，否则为不合法，拒绝为其服务。,鉴权过程：,Kc,SRES,RAND,Kc,SRES,RAND,密钥算法8,鉴权算法3,结果,结果,数据库IMSI和鉴权,产生随机数,HLR,AUC,HLR,MSC/VLR,MS,算法A3,RAND,Ki,SERS,RAND,接入请求,SRESAUCSRESMS,?=,存储HLR中所有用户的鉴权键Ki对所有用户产生一参数RAND/KC/SRES,临时存储所有用户的三参数组(每用户1至10个)依请求发给VLR,存储所有拜访用户的三数组(每用户1至7个三参数组),存储所有有关的用户信息,NO,YES,对IMSI保护,TMSI用于保护IMSI码，防止在无线路径上交换信令而跟踪用户。该号码只在本MSC区域有效，本次呼叫有效。每次当MS向系统发出请求（如位置更新、呼叫尝试、业务激活）时，MSC给IMSI分配一个新的TMSI，MSC发送TMSI给MS存于SIM中。这样MSC和MS之间的信令传递只用TMSI，真正的用户识别IMSI不在无线路径上传送。TMSI的结构可由各电信部门选择，一般TMSI的长度只有IMSI的一半，因此同一地区的寻呼容量增加一倍。IMSI只用于位置更新失败或没有分配TMSI的情况下。,GSM系统及网络结构GSM信号处理相关技术无线接入原理GSM信道类型GSM安全性相关流程：鉴权、加密、三参数组GSM系统消息GSM编号系统MS的工作模式及信令流程小区规划过程,目录,GSM的系统消息,在GSM中，共定义了七种类型的系统信息：SystemInformationType1（开跳频时发送）CellChannelDescriptionRACHControlParameters（CB、MAXRET、EC、TX、RE）SystemInformationType2（MS空闲时发送）NeighbourCellsDescription（空闲BA表）PLMNPermitted（NCCPERM）RACHControlParametersSystemInformationType3（MS空闲时发送）CellIntentity（CGI）LocationAreaIntentification（LAI）ControlChannelDescription（AGBLK、MFRMS）CellOptions（DTX、RLINKT）CellSelectionParameters（ACCMIN、CCHPOWER）RACHControlParameters,GSM的系统消息,SystemInformationType4（MS空闲时发送）LocationAreaIntentificationCellSelectionParametersRACHControlParametersCBCHChannelDescription(optional)SystemInformationType5（MS忙时发送）NeighbourCellsDescription（激活BA表）SystemInformationType6（MS忙时发送）CellIntentityLocationAreaIntentificationCellOptionsPLMNPermittedSystemInformationType7（广播短消息）SystemInformationType8（广播短消息）,MS空闲模式的系统信息,GSM系统及网络结构GSM信号处理相关技术无线接入原理GSM信道类型GSM安全性相关流程：鉴权、加密、三参数组GSM系统消息GSM编号系统MS的工作模式及信令流程小区规划过程,目录,是供用户拨打的公开号码，具有全球唯一性。CCITT建议结构为：MSISDNCCNDCSNCC国家码即在国际长途电话通信网中的号码（中国+86）NDC国内目的地码SN用户号码如139022234561390222便是NDC，139用于识别网号，0222用于识别归属区（HLR）,CC,NDC,SN,3digits,6digits,NationalMSNO,InternationalMSISDN,MAX15digits,4digits,移动台的国际身份号码ISDN（MSISDN）,是指在无线路径和GSMPLMN网络上唯一识别移动用户的号码。用于PLMN所有信令中，存于HLR、VLR、SIM、AUC中,IMSIMCCMNCMSINMCC移动网的国家号码（与CC不同，中国为460）MNC移动网号。中移通为“00,02”，中联通为“01”MSIN移动台识别号。使用十进制，最长为15位,MCC,MNC,MSIN,3digits,1-2digits,NationalMSI,InternationalMSI即IMSI,MAX15digits,国际移动用户识别码（IMSI）,移动台漫游号码（MSRN），用于一次呼叫的路由选择。MSRNCCNSCSNCC国家号NDC国内目的地号码(用于识别PLMN）SN用户号，用于识别MSC/VLR的地址。临时移动用户识别码（TMSI）用于保护IMSI码，该号只在本MSC区域有效，本次呼叫有效，其结构可由各电信部门选择，长度不超过4个字节。一个CCCC的寻呼容量为2个IMSI或4个TMSI,MSRN，TMSI,国际移动台设备识别码（IMEI）是唯一用来识别移动台终端设备的号码，称作系列号。IMEITACFACSNRSPTAC型号论证码FAC最终装配码，用于识别制造厂家。SNR序号SP备用位置区识别码（LA）LAI代表MSC业务区的不同位置区，用于移动用户的位置更新。LAIMCCMNCLACMCC移动国家号，识别一个国家MNC移动网号，识别国内的GSM网LAC位置区号码，识别一个GSM网中的位置,IMEI，LA,小区全球识别码（CGI）用于识别一个位置区内的小区。CGIMCCMNCLACCI,MCC,MNC,LAC,LocationAreaIdentity（LAI）,CI,CellGlobalIdentity（CI）,3digits,1-2digits,Max16bits,Max16bits,小区全球识别码（CGI）,用于识别同频基站，BSICNCCBCCNCC国家色码，用于识别边界上不同国家GSM网的同频基站目前广东使用4、5、6BCC基站色码，用于识别同一个GSM网的同频基站，目前广东使用07。规划时，同一地区不能出现同BCCH、同BSIC的情况，否则造成大量的掉话,NCC,BCC,0-7中取一位0-7中取一位,2digits,基站识别码（BSIC）,一个簇分配一个BCC，若手机解码出的NCC值属于小区数据NCCPERM中的一个，则移动台允许接入此网络。,在呼叫过程中各种号码的应用如下图所示：,PSTN,MSISDN,GMSC,MSISDN,MSRN,MSRN,IMSI,VLR,MSC,IMSI,MSRN,MSISDN,IMSI,MSC地址,MSRN,HLR,VLR,呼叫过程中各种号码的作用,GSM系统及网络结构GSM信号处理相关技术无线接入原理GSM信道类型GSM安全性相关流程：鉴权、加密、三参数组GSM系统消息GSM编号系统MS的工作模式及信令流程小区规划过程,目录,MS的工作模式,MS的空闲模式PLMN的选择小区选择小区重选位置更新MS的激活模式MS主叫MS被叫切换,MS空闲模式下的PLMN选择方式,自动模式：以安排好的顺序选择网络。如果SIM中没有储存上次登记的网络或网络不可用，则按下列顺序选择网络1）归属的PLMN2）SIM卡中储存的网络列表3）从接收到的信号强度大于85dBm的网络列表中进行随机选择4）其他的PLMN以SS递减的顺序进行选择人工模式：用户启动网络选择MS首先试图选择已登记的PLMN或归属的PLMN，若登记失败，用户启动一个PLMN重选。MS通知用户所有有效的PLMN，用户选择所要的PLMN，MS就登记到此PLMN上，如果所选择的PLMN不允许接入，用户被告知选择另一个PLMN。用户任何时候都可以要求MS启动网络重选和登记到另一个PLMN上,小区选择,手机通过小区选择算法，选择最合适小区驻留。MS选择了某个小区后，调谐到该小区的BCCH载频上，监听BCCH上的系统信息，在CCCH上接收寻呼消息。如果MS找不到合适的小区驻留，MS进入业务受限状态。只允许紧急呼叫。什么样的小区可以被选择？该小区必须属于所选择的PLMN该小区不被禁止（CB=NO）该小区满足C10该小区不处于禁止漫游的位置区列表中（对PHASE2手机而言）在没有常规小区选择的情况下，才选择优先级低的小区（对PHASE2手机