GSM系统结构与接口安全

1、GSM系统结构GSM系统主要接口GSM系统Um接口详述MSBTSBTSBSCBSSOMCMSC/VLRNMCEIRHLR/AUCDPPSPCSSEMCOSSPSTNISDNPDNNSS操作支持子系统基站子系统网络子系统NMC：网络管理中心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PDN：公用数据网PSTN：公用电话网ISDN：综合业务数字网BSC：基站控制器BTS：基站收发信台 移动台GSM系统可由三个子系统组成，即操作支持子系统系

2、统可由三个子系统组成，即操作支持子系统 (OSS)，基站子系统基站子系统(BSS)和网路子系统和网路子系统(NSS)三部分：三部分：基站子系统基站子系统BSS是是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，本组成部分，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；理；它与它与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；信连接，传送系统信息和用户信息等；与操作支持子系统与操作支持

3、子系统OSS之间实现互通。之间实现互通。网路子系统网路子系统NSS是整个系统的核心，是整个系统的核心，它对它对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。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、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。处理和本地运行维护等。操作支持子系统操作支持子系统OSS完成移动用户管理、

4、移动设备管理、系统完成移动用户管理、移动设备管理、系统的操作与维护。的操作与维护。移动台由移动台由SIM卡与物理设备组成，二者是分离的卡与物理设备组成，二者是分离的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相连而构成.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。权和加密实现的信息。固化数据：固化数据：IMSI、Ki、安全算法（、安全算法（A3、A8)临时网络数据：临时网络数据：TMSI、LAI、KC、被禁止的、被禁止的PLMN、P

5、LMN选择预编程选择预编程业务相关数据：业务相关数据：PIN(个人识别号个人识别号) 接口管理接口管理BTS的管理的管理操作与维护操作与维护支持呼叫控制支持呼叫控制切换切换话务量统计话务量统计无线链路的测量无线链路的测量无线参数及无线资源管理无线参数及无线资源管理BTS受控于受控于BSC实现实现BTS与移动台与移动台(MS)空空中接口的功能中接口的功能接口管理接口管理支持电信业务，承载支持电信业务，承载业务和补充业务业务和补充业务支持位置登记、越区支持位置登记、越区切换和自动漫游等其切换和自动漫游等其它网络功能它网络功能服务于其控制区域内服务于其控制区域内移动用户移动用户存储进入其控制区域内存

6、储进入其控制区域内已登记的移动用户相关已登记的移动用户相关信息信息GSM系统的中央数据库系统的中央数据库所有移动用户的重要数据所有移动用户的重要数据都存储在都存储在HLR中。包括用中。包括用户识别号码，访问能力、户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数用户类别和补充业务等数据，以及漫游移动用户所据，以及漫游移动用户所在在MSC区域的有关动态数区域的有关动态数据据属于属于HLR的一个功能单的一个功能单元部分，专用于元部分，专用于GSM系统的安全性管理系统的安全性管理存储鉴权信息和加密密存储鉴权信息和加密密钥，防止无权用户接入钥，防止无权用户接入系统和防止无线接口中系统和防止无线接口中数据被窃

7、数据被窃存储移动设备的国际移动设备识存储移动设备的国际移动设备识别码别码(IMEI)，通过核查三种表格，通过核查三种表格（白名单、灰名单、黑名单）使（白名单、灰名单、黑名单）使得网络具有防止无权用户接入、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监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能运行安全的功能A接口、Um接口为开放式接口Abis接口为内部接口OMCHLR/AUC/EIRSMCMSC/VLRBSC其他MSCBTSMSMSBTSBTSMAP接口A-bis接口A接口PSTNISDNUm接口A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口.其物理链接通过采用标

8、准的2.048Mb/s PCM数字传输链路来实现.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.Abis 接口定义为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）之间的通信接口.物理链接通过采用标准的2.048Mb/s 或64kbit/s PCM 数字传输链路来实现.BS接口作为Abis 接口的一种特例，用于BTS（与BSC并置）与BSC之间的直接互连方式，此时BSC与BTS之间的距离小于10米.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.其物理链接通过无线链路实现.传递的信息包

9、括无线资源管理，移动性管理和接续管理等. MSCF接口接口EIRHLR/AUCC接口接口B接口接口VLRD接口接口G接口接口VLRB接口接口MSCE接接口口MAP接口接口B接口定义为访问用户位置寄存器（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）向访问用户位置寄存器（VLR）询问有关移动台（MS）当前位置信息或者通知访问用户位置寄存器（VLR）有关移动台（MS）的位置更新信息.C接口定义为归属用户位置寄存器（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.在建立一个至移动用户的呼叫时，入口移动业务交换中心（GMSC）应向被叫用户

10、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.C接口的物理链接方式是标准的2.048MB/S的PCM数字传输链路.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）与鉴权中心（AUC）综合在同一个物理实体内.D接口的物理链接是通过移动业务交换中心（MSC）与归属用户位置寄存器（HLR）之间的标准2.048Mb/s 的PCM 数字传输链路实现的

11、.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.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接口的物理链接方式是通过移动业务交换中心（MSC）之间的标准2.048Mbit/s PCM 数字传输链路实现的.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2.048Mbit/s 的PCM 数字传输链路实现的.G接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口.此接口用于向分配临时移动用户识别码（TMS

12、I）的访问用户位置寄存器（VLR）询问此移动用户的国际移动用户识别码（IMSI）的信息.G接口的物理链接方式是标准2.048Mbit/s 的PCM 数字传输链路公众电信网主要是指公众电话网（PSTN），综合业务数字网（ISDN），分组交换公众数据网（PSPDN）和电路交换公众数据网（CSPDN）.GSM系统通过MSC与这些公众电信网互连.GSM系统与PSTN和ISDN网的互连方式采用7号信令系统接口.其物理链接方式是通过MSC与PSTN或ISDN交换机之间标准2.048Mbit/s 的PCM 数字传输实现的. CM：通信管理BTSM：BTS的管理部分MTP：信息传递部分MM：移动性管理Um：M

13、S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1-3A：BSC与MSC间接口BSSMAP：基站子系统LAPDm：ISDN的Dm数据链路协议移动应用部分CMMMRRLAPD mSigL 1L3L2L1MSRRBTS MLAPD mSigL 1LAP DSigL 1LAP DSigL 1BT SMRRSCC PMT PBSS MA PCMMMBSSM APSC CPMTPMS CBSCBT SU m 接 口A bis接 口A 接 口信号层1（物理层） 这是无线接口

14、的最低层、提供传送比特流所需的物理链路（例如 无线链路）、为高层提供各种不同功能的逻辑信道.信号层2（L2） 主要目的是在移动台和基站之间建立可靠的专用数据链路， L2协议基于ISDN的D信道链路接入协议（LAP-D），但作了更 动，因而在Um接口的L2协议称之为LAP-Dm.信号层3（L3） 这是实际负责控制和管理的协议层.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）. 其中一个CM子层中含有多个呼叫控制（CC）单元，提供并行呼 叫处理.为支持补充业务和短消息业务，CM子层中还包括补充业 务管理（SS）单元和短消息业务管理（SMS）单元.RR在基站子系统

15、中终止，RR消息在BSS中进行处理和转译，映射成BSS移动应用部分（BSSMAP）的消息在A接口中传递移动性管理（MM）和接续管理（CM）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DTAPBSSAPSCCPMTPDTAPBSSAPSCCPMTPBSSMAP分配功能BSSMAP分配功能A接口与非呼叫相关的信令采用移动应用部分（MAP），用于NSS内部接口（B、C、D、E、F、G）之间的通

16、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之间和MSC与PSIN、ISDN之间的通信.Um接口频率规划接口频率规划GSM无线信道特点无线信道特点GSM系统频点分配系统频点分配Um接口物理信道接口物理信道物理信道帧结构物理信道帧结构突发脉冲种类与功能突发脉冲种类与功能突发脉冲应用实例突发脉冲应用实例Um接口逻辑信道接口逻辑信道逻辑信道的作用逻辑信道的作用逻辑信道的分类逻辑信道的分类逻辑信道的功能逻辑信道的功能逻辑信道的组合逻辑信道的组合逻辑信道应用实例逻辑信道应用实例几个基本概念：突发脉冲序列：占有一个限定的持续时间和占有限定的无线频谱，它们在

17、时间和频率窗上输出时隙（Time Slot）是隙缝的时间间隔，它的持续时间被用于作为时间单元BP，意为突发脉冲序列周期（Burst Period）.使用一个给定的信道就意味着在特定的时刻和特定的频率中传送突发脉冲序列200KHz带宽称为频隙（Frequency Slot），相当于GSM规范书中的无线频道（Radio Frequency Channel），也称射频信道TDMA帧（Frame）通常被表示为接连发生的 i 个时隙.GSM系统目前采用全速率业务信道，i 取为8频率200kHzBP15/26ms隙缝时间GSM900无线频道特点：上行（MSBTS）：890-915MHZ下行（BTSMS）：

18、935-960MHZ双工间隔：45MHz载频间隔：200KHz我国目前实际占用高端10M频段从上往下6M，电信4MDCS1800：上行（MSBTS）：1710-1785MHZ下行（BTSMS）：1805-1880MHZ我国目前实际使用低45MHz双工间隔：95MHz载频间隔：200KHz 频点使用情况见示意图.GSM频道编号方法 GSM900频道编号：上行频率F l(n)=(890+0.2n)MHz 下行频率Fu(n)=(935+0.2n)MHz 其中：n 为绝对射频号，从1到124DCS1800频道编号：上行频率F l(n)=1710+0.2(n-511)MHz 下行频率Fu(n)=1805

19、+0.2(n-511)MHz其中：n为绝对射频号，从512-885，实际上，我国从512-（512+224）频率复用技术：4*3频率复用同心圆技术（MRP）Intelligent Underlay Overlay(IUO)Hopping什么是突发脉冲？GSM的每个载频是时分复用的每个载频分给八个全速率用户使用；每个用户在一个限定的、不连续的时间段内占用载频发送信号；突发脉冲一个突发脉冲占用的时间缝隙时隙；帧结构中涉及以下概念：时隙TDMA帧复帧超帧超高帧业务信道与信令信道的帧结构组成不同，请看下页图示：0123204420452046204701234849504701242501242514

20、950001457623TB3TB3GP8.25TB：尾比特TB3TB3GP8.25GP：保护期TB3TB3GP8.25TBTB3GP 68.2558信息比特26训练序列58信息比特固定比特142信息比特39扩展的训练序列64信息比特39同步序列41信息比特36常规突发序列（NB）频率校正突发序列（FB）同步突发序列（SB）接入突发序列（AB）1超高帧=2048超帧=2715648TDMA帧（3小时28分53秒760毫秒）1超帧=1326TDMA帧（6.12秒）1复帧=26TDMA帧（120ms）1复帧=51TDMA帧（3060/13ms）1TDMA帧=8时隙（120/26=4.615ms）1

21、时隙=156.25比特持续期（15/26=0.557ms）（1比特持续期：48/13=3.68us）BCCHCCCHSDCCHTCHSACCH/TFACCH常规突发脉冲序列（NB）频率校正突发脉冲序列（FB）同步突发脉冲序列（SB）接入突发脉冲序列（AB）常规突发双向信道上完成常规信息的传送频率校正突发下行信道上完成手机频率校正功能同步突发下行信道上完成手机帧同步功能接入突发上行信道上完成手机接入申请功能以手机开机为例，说明突发脉冲的应用：开机频率校正突发 接收下行信道信息，完成手机频率校正功能同步突发 接收下行信道信息，完成手机帧同步功能常规突发 接收下行信道上的系统消息接入突发 在上行信道

22、上完成手机接入申请功能常规突发 在双向信道上完成鉴权，加密后，进入空闲状态Um接口物理信道上传送的信息种类繁多；每一类信息均有一定的要求和规律；由一定的物理信道支撑；为了表述每一类信息的方便，定义了多种逻辑信道.逻辑信道分为两类：业务信道（Traffic Channel）：传业务信息，包括：话音和数据；控制信道（Control Channel），或称为信令信道（Signalling Channel）：传各种控制信息；逻辑信道控制信道CCH公共控制信道CCCH专用控制信道DCCH业务信道TCH独立专用控制信道SDCCH随路控制信道ACCH广播信道BCH下行线上行线FCCH(BCCH1)SCH(B

23、CCH2)BCCH(BCCH3)PCHAGCHRACHSACCHFACCH下行线下行/上行线话音业务信道全速率话音业务信道（TCH/F)半速率话音业务信道（TCH/H)增强型全速率话音业务信道（Enhanced TCH/F）Speech Traffic Type话音编码速率话音编码速率（Kbit/s）信道编码速率（信道编码速率（Kbit/s）Full-rate Speech1322.8Enhanced Full-rate Speech12.2Half-rate Speech6.511.4数据业务信道9.6kbit/s，全速率数据业务信道（TCH/F9.6）4.8kbit/s，全速率数据业务信道

24、（TCH/F4.8）4.8kbit/s，半速率数据业务信道（TCH/H4.8）2.4kbit/s，全速率数据业务信道（TCH/F2.4）2.4kbit/s，半速率数据业务信道（TCH/H2.4）作用： 控制信道（CCH）用于传送信令或同步数据.分类（三大类）广播信道（BCH）公共控制信道（CCCH）专用控制信道（DCCH）特点：下行信道，传频率校正、同步及系统消息分类（三种）：频率校正信道（FCCH）同步信道（SCH）广播控制信道（BCCH）频率校正信道（FCCH），传送：移动台的频率校正信息同步信道（SCH），传送同步信息：基站识别码BSIC简化TDMA帧号广播控制信道（BCCH），传送：手

25、机由此获得各种系统参数特点：系统内移动台共用分类：寻呼信道（PCH）随即接入信道（RACH）接入允许信道（AGCH）寻呼信道（PCH），下行，用于：寻呼移动台随即接入信道（RACH），上行，用于：移动台提出入网申请，请求分配一条SDCCH；接入允许信道（AGCH），下行，用于：入网应答，分配一条SDCCH或TCH特点：由基站分给某一特定的移动台专用分类：独立专用控制信道（SDCCH）非组合的SDCCH/8；与CCCH组合的SDCCH/4慢速随路控制信道（SACCH）TCH/F随路控制信道（SACCH/TF）TCH/H随路控制信道（SACCH/TH）SDCCH/4 随路控制信道（SACCH/C4

26、）SDCCH/8 随路控制信道（SACCH/C8）快速随路控制信道（FACCH）TCH/F随路控制信道（FACCH/F）TCH/H随路控制信道（FACCH/H）独立专用控制信道（SDCCH），双向，用于：传送鉴权、业务信道指配信息；慢速随路控制信道（SACCH），双向，与一条业务信道或一条SDCCH联用；在传送用户信息期间代传某些特定信息，例如无线传输的测量报告、功率控制.快速随路控制信道（FACCH）与一条业务信道联用，携带与SDCCH同样的信号；只在未分配SDCCH时才分配FACCH；通过从业务信道借取的帧来实现信令传输；传送诸如“越区切换”等指令信息.小区广播控制信道CBCH，用于下行短

27、消息业务的小区广播信息！YES！几种不同的逻辑信道可以在同一物理时隙上传输，同一逻辑信道也可以在不同的物理时隙上传输.逻辑信道的组合逻辑信道的组合多种组合方法：多种组合方法：TCH/F+FACCH/F+SACCH/TFTCH/H+FACCH/H+SACCH/TH26复帧FCCH+SCH+BCCH+CCCHFCCH+SCH+BCCH+CCCH+SDCCH/4+SACCH/C4BCCH+CCCHSDCCH/8+SACCH/C851复帧广播和公共控制信道的复帧组合示意图RFSBCFSCCFSCCFSCCFSCCIBCCH/CCCH复帧（下行线）：51帧BCCH/CCCH复帧（上行线）：51帧F=FC

28、CH S=SCH B=BCCHC=CCCH（PCH，AGCH） R=RACH I=空闲帧业务信道的复帧组合示意图TTATTTITTCH/SACCH复帧：26帧T=TCH或T=FACH（借取模式）A=SACCHI=空闲帧以MS开机为例，说明逻辑信道的应用：开机FCCH：接收频率校正信息SCH：接收BS同步信号BCCH：接收系统消息 RACH：接入申请 AGCH：允许接入，并分配SDCCHSDCCH /SACCH： 在SDCCH上进行鉴权； 在SACCH上进行功率控制空闲状态接收BCCH 以以GSM系统的语音发送为例，语音信号的无线传输流程及相系统的语音发送为例，语音信号的无线传输流程及相关技术如

29、下：关技术如下：话音的接收仅仅是发送的反过程。话音的接收仅仅是发送的反过程。语音A/D转换话音编码分段信道编码突发脉冲格式化 加密 交织调制8KHz, 13 bits20ms13 Kbit/s22Kbit/s33.8Kbit/s发送首先，语音通过一个模首先，语音通过一个模/数数(A/D)转换器，实际上是经过转换器，实际上是经过8KHZ抽样，每个脉冲均匀量化为抽样，每个脉冲均匀量化为13bit；每每20ms为一段，再经语音编码后降低传码率为为一段，再经语音编码后降低传码率为13Kbit/s；经信道编码后变为经信道编码后变为22.8Kbit/s；再经码字交织、加密和突发脉冲格式化后变为再经码字交织

30、、加密和突发脉冲格式化后变为33.8kbit/s的的码流；码流；经调制后发送出去。经调制后发送出去。接收端的处理过程相反。接收端的处理过程相反。GSM系统的语音编码方式被称为系统的语音编码方式被称为“规则脉冲激励规则脉冲激励长期长期预测编码预测编码 (RPE-LTP)”。其处理过程是先进行其处理过程是先进行8KHZ抽样，调整每抽样，调整每20ms为一帧，每帧长为为一帧，每帧长为4个个子帧，每个子帧长子帧，每个子帧长5ms，纯比特率为，纯比特率为13kbit/s。语音编码器建立在残余激励线性预测编码器（语音编码器建立在残余激励线性预测编码器（REIP）的基础）的基础上，并通过长期预测器（上，并通

31、过长期预测器（LTP）增强压缩效果。）增强压缩效果。语音编码器以语音编码器以20ms为单位，经压缩编码后输出为单位，经压缩编码后输出260bits，因此码速率，因此码速率为为13kbps。GSM的的13kbps的话音速率比传统的的话音速率比传统的PCM线路上的直接语音线路上的直接语音编码速率要低得多；如果采用半速率话音编码器可以将速率编码速率要低得多；如果采用半速率话音编码器可以将速率进一步降低到进一步降低到6.5kbps。为了检测和纠正传输期间引入的误码，在数据流中引入冗余为了检测和纠正传输期间引入的误码，在数据流中引入冗余BIT用于纠错；用于纠错；信道编码器把话音分成信道编码器把话音分成“

32、很重要（很重要（50bit）、较重要（）、较重要（132bit）和不重要（）和不重要（78bit）三部分。）三部分。对前两部分分别加入对前两部分分别加入3、4位奇偶校正码位奇偶校正码(50 + 3) + (132 + 4) = 189 bits然后做然后做1:2的卷积，的卷积，189 * 2 = 378 bits再加上不重要的再加上不重要的78bit，形成了，形成了456 bits / 20 ms=22.8 kbit/s的信道编码组的信道编码组最终结果使最终结果使20ms段段bit数从数从260 bits增加到增加到456 bits，相应的话音速率从，相应的话音速率从13Kbps增加到增加到2

33、2.8Kbps。为什么引入话音交织？为什么引入话音交织？无线传输干扰和误码通常在某个较小时间段内发生，影响连续的几个无线传输干扰和误码通常在某个较小时间段内发生，影响连续的几个突发脉冲；突发脉冲；如果把话音帧内的如果把话音帧内的bit顺序按一定的规则错开，使原来连续的顺序按一定的规则错开，使原来连续的bit分散到分散到若干个突发脉冲中传输，则可分散误码，使连续的长误码变为若干分若干个突发脉冲中传输，则可分散误码，使连续的长误码变为若干分散的短误码，以便于纠错，提高话音质量。散的短误码，以便于纠错，提高话音质量。交织处理的优交织处理的优/缺点：缺点：优点优点缺点缺点减少一个话音帧内的误码数量减少

34、一个话音帧内的误码数量话音处理时延变长话音处理时延变长实现部分误码的纠正实现部分误码的纠正信号处理复杂程度提高信号处理复杂程度提高第一次交织把第一次交织把456bit/20ms的话音码分成的话音码分成8块，每块块，每块57bits。前后两个。前后两个20ms段的块交织，组成段的块交织，组成8个个 114bit的块的块191744921045031145141245251345361445471545581645657bit第二次交织把每个第二次交织把每个114bits块里来自两个块里来自两个20ms话音码段的话音码段的57bit块进行比较交织块进行比较交织，形成第二次交织后的，形成第二次交织后的114