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1、GSM移动通信基础理论,介绍提纲,GSM移动通信概述GSM系统工作频段划分GSM移动通信系统关键技术GSM系统结构与相关接口GSM系统相关识别号码GSM系统话音处理流程简介GSM系统安全性管理功能GSM系统移动性管理功能GSM移动通信网网络介绍,1.GSM移动通信概述,1.1 移动通信概念1.2 移动通信发展简史1.3 GSM移动通信系统发展历程,1.1 移动通信的概念,为什么需要移动通信 随时随地、不受时空限制地进行信息交流移动通信的概念 通信双方或至少其中一方在运动状态中进行信息传递的通信方式,第一个蜂窝移动通信系统第一个蜂窝系统（AMPS）是在1983年10月在芝加哥地区开始使用，由美国
2、电话电报公司（AT&T）经营管理,1.2移动通信发展简史,第一代蜂窝移动通信系统采用模拟技术频率：800MHz、900MHz主要的制式美国：AMPS（先进的移动电话系统）欧洲：TACS（总接入通信系统）英国：ETACS日本：NTACS西德、葡萄牙：C-450意大利：RTMS,1.2移动通信发展简史,第二代蜂窝移动通信系统采用数字技术频率：800MHz、900MHz、1800MHz主要的系统美国：DAMPS、CDMA欧洲：GSM日本：PDC2.5代移动通信系统GPRSIS-95B,1.2移动通信发展简史,1.2移动通信发展简史,第三代蜂窝移动通信系统采用数字技术频率：800MHz主要的系统(十种
3、提案)日本：W-CDMA欧洲：ETSI-UTRA-UMTS、EP-DECT美国：WIMS W-CDMA、CDMA2000、UWC-136、WCDMA/NA韩国：Global CDMA、Global CDMA 中国：TD-SCDMA,1982年，欧洲邮电大会（CEPT）成立了一个新的标准化实体GSM，其目的是制定欧洲900MHz数字TDMA蜂窝移动通信系统技术规范。1989年，PHASE I标准，主要定义了900M频段的技术标准。1991年，第一个GSM系统正式商用，重新命名为全球移动通信系统（Global System For Mobile Communication）。1993年，PHASE
4、 II 标准，对PHASE I 进行必要的修正和业务补充外，增加1800M频段技术标准；1994年，PHASE II 标准，增加GPRS的内容。,1.3 GSM移动通信系统发展历程,2.GSM系统工作频段划分,2.1 公用移动通信网频段划分(900M)2.2 公用移动通信网频段划分(1800M)2.3 GSM系统的频率结构,2.1公用移动通信网频段划分(900M),900MHz公用陆地蜂窝移动通信的频段:890915/935960 MHz(基站收/基站发)我国主要运营商的频率使用划分 890909MHz/935954MHz 94个频点(移动)909915MHz/954960MHz 28个频点(
5、联通),2.2 公用移动通信网频段划分(1800M),1800MHz公用陆地蜂窝移动通信的频段：17101785/18051880 MHz(基站收/基站发)我国主要运营商的频率使用划分 17101720MHz/18051815MHz(移动)17451755MHz/18401850MHz(联通),2.3 GSM系统的频率结构,GSM数字移动通信频率结构采用FDMA-TDMA技术。手机上行频率890915MHZ；基站下行频率935960MHZ。在25MHZ频段内分配125个载频（一般96号载频作为保护频道），频率间隔200KHZ。每个载频又 被8个信道时分复用，实际最大可用信道数为：8*（125-
6、1）=992个。DCS1800上/下行频率为：17101785/18051880 MHz.分配374个载频.,3.GSM移动通信系统关键技术,3.1多址技术3.2功率控制3.3频率复用技术3.4跳频技术,3.1GSM移动通信技术多址技术,多址方式有三种：FDMA、TDMA和CDMA,在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。每一频点（频道或叫载频TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道。一个TRX最多可有8个移动客户同时使用。,3.1GSM移动通信技术多址技术,TDMA方式,频分多址和时分多址方式,3.1GSM移动通信技术多址技术,TDMA物理信道-帧结构,3.1GSM移动通信
7、技术多址技术,TDMA逻辑信道,3.2GSM移动通信技术功率控制,当手机在小区内移动时，它的发射功率需要进行变化。当它离基站较近时，需要降低发射功率，减少对其它用户的干扰，当它离基站较远时，就应该增加功率，克服增加了的路径衰耗。所有的GSM手机都可以以2DB 为一等级来调整它们的发送功率，GSM900 移动台的最大输出功率是8W（规范中最大允许功率是20W，但现在还没有20W的移动台存在）。DCS1800移动台的最大输出功率是1W。相应地，它的小区也要小一些。,3.3GSM移动通信技术频率复用技术,几个基本概念,基站 移动通信系统采用基站设备来提供无线服务范围的。蜂窝 基站的覆盖范围有大有小，
8、我们把基站的覆盖范围称为蜂窝大区制 采用大功率的基站，提供比较大的服务范围，但它的频率利用率较低，也就是说基站提供给用户的通信通道比较少，这种方式称为大区制。小区制 采用小功率的基站，提供大容量的服务范围，同时它采用频率复用技术来提高频率利用率，有限的频率得到多次使用，所以系统的容量比较大，这种方式称为小区制或微小区制。,频率复用的概念和相关影响,频率复用:指处在不同地理位置（不同的小区）上的用户可以同时使用相同频率的信道。频率复用系统可以极大地提高频谱效率。但如果系统设计得不好，将产生严重的干扰。同频干扰（C/I）：因频率复用造成的相邻小区相同频率对信道的干扰。GSM要求C/I9DB。邻频干
9、扰（C/A）：小区内外相邻频率产生的干扰。GSM要求C/A-9DB。,3.3GSM移动通信技术频率复用技术,频率复用方案,频率复用方案：在系统的作用区域内重复使用相同的频率这种频率复用方案使整个频谱分配被划分为K个频率复用的模式。公式：D：频率复用距离 R：小区半径 K：频率复用模式(K=3、4、7),3.3GSM移动通信技术频率复用技术,GSM频率复用方式,3.3GSM移动通信技术频率复用技术,7小区复用模式4基站3小区复用模式：4X33基站3小区复用模式：3X31基站3小区复用模式：1X31基站1小区复用模式：1X1,GSM频率复用方式-7小区复用模式,3.3GSM移动通信技术频率复用技术
10、,GSM频率复用方式-4基站3小区复用模式,3.3GSM移动通信技术频率复用技术,GSM频率复用方式-4基站3小区复用模式,3.3GSM移动通信技术频率复用技术,假设：可用的频段为4895，载频数为48个。规划站型为：3小区每小区4个载频的基站，即 4/4/4 站型,GSM频率复用方式-3基站3小区复用模式,3.3GSM移动通信技术频率复用技术,GSM频率复用方式-3基站3小区复用模式,3.3GSM移动通信技术频率复用技术,假设：可用的频段为96131，载频数为36个。规划站型为：3小区每小区4个载频的基站，即 4/4/4 站型,GSM频率复用方式-1基站3小区复用模式,3.3GSM移动通信技
11、术频率复用技术,GSM频率复用方式-1基站1小区复用模式,3.3GSM移动通信技术频率复用技术,什么是跳频,3.4GSM移动通信技术跳频技术,跳频的种类,3.4GSM移动通信技术跳频技术,基带跳频 信道在不同时隙中使用不同频率的收发机传输信息合成器跳频 信道使用固定的具有频率可调功能的收发机在不同时隙通过不同频率传输信息,跳频的种类基带跳频,3.4GSM移动通信技术跳频技术,跳频的种类合成器跳频,3.4GSM移动通信技术跳频技术,跳频的作用,3.4GSM移动通信技术跳频技术,改善传输质量，相当于频率分集 频率分集处于多径环境中的漫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 提高网
12、络容量，相当于干扰分集,跳频的作用-网络容量的提升,3.4GSM移动通信技术跳频技术,频率复用方式 非跳频:所有信道4x3 基带跳频:控制信道4x3；话音信道 3x3 合成器跳频:控制信道4x3；话音信道 1x3或1X1,4.GSM系统结构与接口,4.1 GSM系统结构4.2 GSM系统的相关接口4.3 GSM系统功能4.4 GSM系统各接口协议,4.1 GSM系统结构,BSC 基站控制中心BTS 基站收发信台MSC 移动交换中心VLR 拜访位置寄存器HLR 归属位置寄存器AUC 鉴权中心EIR 设备识别寄存器OMC 操作维护中心NMC 网络管理中心PSTN 公用电话网PDN 公用数据网ISD
13、N 综合业务数字网,GSM系统结构图,4.2GSM系统的相关接口,系统的主要接口,4.2GSM系统的相关接口,系统内部接口,4.3GSM系统功能,NSS各部分的功能,1）信道的管理和分配；2）呼叫的处理和控制；3）过区切换和漫游的控制；4）用户位置信息的登记与管理；5）用户号码和移动设备号码的登记和管理;6）服务类型的控制；7）对用户实施鉴权;8）与其它公用通信网络互连.,4.3GSM系统功能,MSC、VLR功能,MSC,VLR,存储漫游用户位置信息的数据库,HLR,登记内容：永久性的参数 暂时性的需要随时更新的参数,4.3GSM系统功能,HLR、AUC功能,AUC,存储内容：鉴权信息 加密密
14、钥,EIR,存储移动台设备参数的数据库，对移动设备进行鉴别监视，拒绝非移动台入网。,4.3GSM系统功能,EIR的功能,4.3GSM系统功能,BSS设备的组成,4.3GSM系统功能,BTS的结构,4.3GSM系统功能,BTS的主要功能,信道管理 建立与释放无线资源，执行逻辑信道的组合、物理信道的映射 响应MS和MSC的呼叫请求,协议转换 实现MSC-BSC侧七号信令和BSC-BTS侧LAPD信令的转换,4.3GSM系统功能,BTS的主要功能,4.3GSM系统功能,TC的主要功能,TC可以放在传输链中BTS与MSC之间的 不同地方 TC在功能上属于BTS，但通常放在MSC 机房以节省长途传输链路
15、,4.3GSM系统功能,BSS内部语音信号传输速率,4.3GSM系统功能,MS的主要功能,4.3GSM系统功能,OMC的主要功能,4.3GSM系统功能,OMC的组成,4.4 GSM系统各接口协议,系统信令结构,4.4 GSM系统各接口协议,协议L1-L3分层结构,CM：通信管理 MM：移动性管理RR：无线资源管理 LAPDm：ISDN的Dm数据链路协议移动应用部分,BSSMAP：基站子系统 移动应用部分SCCP：信令连结控制部分 MTP：信息传递部分,ISUP：ISDN用户部分TACP：事务处理应用部分 MTP：信息传递部分L1-L3：信号层1-3,信令层3的互通,4.4 GSM系统各接口协议
16、,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,RR在基站子系统中终止，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,5.GSM系统相关号码,5.1 MSISDN5.2 IMSI5.3 TMSI5.4 MSRN/HON5.5 MSC号与HLR号5.6 LAI/CGI/BSIC,在GSM系统中，出于
17、识别的目的，定义了如下的一些编号:为了确定GSM移动用户：永久性编码:IMSI MSISDN 临时性编码:TMSI MSRN HON为了识别NSS网络组件:MSC Number、VLR Number、HLR Number为了识别位置区:LAI为了识别BSS网络组件:CGI BSIC,5.GSM系统相关号码,CC,NDC,SN,National(significant),Mobile station international,ISDN number,Mobile number,MSISDN 号码结构图,CC：Country Code，国家码，如中国为86。NDC：National Destin
18、ation Code，国内接入号，如中国移动的NDC目前有139、138、137、136、135；中国联通的NDC 目前有130、131、133。SN：Subscriber Number，SN的一般格式H0 H1 H2 H3 ABCD,一、MSISDN是指主叫用户为呼叫GSM PLMN中的一个移动用户所需拨的号码，作用同于固定网PSTN号码。二、MSISDN 采取E.164编码方式。三、存储在HLR和VLR中，在MAP接口上传送。,5.1 GSM系统相关号码,MSISDN,5.2GSM系统相关号码,IMSI,TMSI是为了加强系统的保密性而在VLR内分配的临时用户识别，在某一VLR区域内与IM
19、SI唯一对应。TMSI分配原则：一、TMSI 包含四个字节，可以由八个十六进制数组成，其结构可由各运营部门根据当地情况而定。二、TMSI的32比特不能全部为1，因为在SIM卡中比特全为1的TMSI表示无效的TMSI。三、要避免在VLR重新启动后TMSI重复分配，可以采取TMSI的某一部分表示时间或在VLR重起后某一特定位改变的方法。,5.3 GSM系统相关号码,TMSI,MSRN（移动台漫游号码）是在移动台有来话呼叫时，根据HLR的请求，临时由VLR分配的号码，用于发端MSC 寻址被叫拜访的MSC，接续完成后立即释放，此号码只在某一时间范围（比如90秒）内有效。采取E.164编码方式，编码格式
20、为：在MSC号码/VLR号码 的后面增加3 个数字。,HON（切换号码）是用于用户在两个移动交换区间进行切换时，为建立MSC间通话链路而临时使用的号码，其编码方式和格式类似MSRN。,5.4 GSM系统相关号码,MSRN/HON,一、编码格式为 CC+NDC+LSP二、CC、NDC含义同MSISDN的规定，LSP(locally significant part)由运营者自己决定三、E.164编码方式四、目前在网上MSC与VLR都是合一的，所以MSC号码 与VLR号码基本上都是一样的。,一、采取E.164编码方式 二、编码格式为：CC+NDC+H0 H1 H2 H3 0000，即为用户号为全零
21、的MSISDN，CC，NDC含义同MSISDN的规定。,5.5 GSM系统相关号码,MSC号与HLR号,5.6 GSM系统相关号码,LAI/CGI/BSIC,6.GSM话音处理流程简介,GSM中话音处理的一般过程：,7.1 鉴权7.2 无线加密7.3 设备识别7.4 临时识别码(TMSI),7.GSM系统安全性管理功能,7.1鉴权,鉴权原理,AUC产生三参数(RAND、SRES、Kc)，存于HLR中。RAND由随机数发生器产生，SRES由RAND和Ki,由A3算法得出；Kc由RAND和Ki用A8算出。当用户要进行呼叫等操作时，先需对其鉴权，过程如下：MSC、VLR传送RAND至MS MS用RA
22、ND和KI算出SRES并返回MSC/VLR MSC/VLR把收到的SRES与存储在其中的SRES比较，决定其真实性,7.1鉴权,鉴权执行控制过程,7.2加密,加密原理,加密的定义：为了防止BTS和MS之间交换客户信息和客户参数时不被非法个人或团体所得或监听，在GSM无线路径上的加密。加密的过程在MS侧，由Kc、TDAM帧号和加密命令M一起经A5算法，对客户信息数据流进行加密(也叫扰码)，在无线路径上传送。在BTS侧，把从无线信道上收到加密信息数据流、TDMA帧号和Kc，再经过A5算法解密后，传送BSC和MSC。,7.2加密,加密执行过程,7.3设备识别,设备识别码 占用IMEI 15位十进制数
23、字的前6位，确保系统中使用的移动台设备不是盗用的或非法的。设备识别寄存器EIR完成设备的识别，EIR中存有三种名单 白名单：包括已分配给可参与运营的所有设备识别序列号码。黑名单：包括所有应被禁用的设备识别码。灰名单：包括有故障的及未经型号认证的移动台设备。目前我国大部分省市的GSM网路均未配置此设备(EIR)。,7.4临时用户号码(TMSI),作用 防止非法个人或团体通过监听无线路径上的信令交换而窃得移动客户真实的客户识别码(IMSI)或跟踪移动客户的位置。产生过程 MSCVLR产生一个新的TMSI，通过给IMSI分配位置更新TMIS的命令将其传送给移动台，写入客户SIM卡。此后，MSCVLR
24、和MS之间的命令交换就使用TMIS，客户实际的识别码IMSI便不再在无线路径上传送。,8.1 MS接续流程8.2 位置更新8.3 切换8.4 呼叫处理流程简介,8.GSM系统移动性管理功能,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作附着标记；若位置区已变，则要进行新的常规位置更新,8.1MS接续流程,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。,定义：,8.1MS接续流程,8.2位置更新,相关概念,位置更新的定义：MS从一个位置区移到另一位置区时，一旦MS发现其存
25、储器中的LAI与接收到的LAI发生了变化，便执行改变位置区及位置区的确认过程。位置更新的分类(按照更新的频率)常规位置更新周期性位置更新位置更新的分类(按照MS的位置分类)：相同MSC之间的位置更新相同MSC、不同BSC之间的位置更新不同MSC之间的位置更新,定义 GSM系统采取了强制登记的措施。例如要求MS每30分钟登记一次(时间的长短由运营者设定)，若GSM系统没有接收到某MS的周期性登记信息，它所处的VLR就以“隐分离”状态在该MS上做记录，这就是周期性登记。实现手段 网络通过BCCH向全体MS提供更新的周期。,8.2位置更新,周期性位置更新,8.2位置更新,相同MSC之间的位置更新,8
26、.2位置更新,不同MSC之间的位置更新,8.3切换过程简介,切换的定义 将一个正处于呼叫建立状态或忙状态的MS转换到新的业务信道上的过程。切换的发起由BSS作出(同MSC同BSC、同MSC不同BSC)由NSS发起(不同MSC),相关概念,1.小区内切换 同一个无线频道的话务信道之间 不同的无线频道之间 2.同基站内小区间切换 3.同MSC内基站间切换 4.同PLMN不同MSC之间切换 5.不同PLMN的基站间切换，GSM不定义,8.3切换过程简介,切换类型,同BSC控制的小区间切换,8.3切换过程简介,同MSC、不同BSC控制的小区间切换,8.3切换过程简介,不同MSC控制的小区间切换,8.3
27、切换过程简介,8.4呼叫流程举例分析,移动呼移动(主,被叫在同一MSC),移动呼移动(主,被叫不在同一MSC),8.4呼叫流程举例分析,移动呼固定,8.4呼叫流程举例分析,固定呼移动,8.4呼叫流程举例分析,9.GSM移动通信网网络介绍,9.1 GSM移动通信网络结构9.2 GSM省内移动通信网9.3 GSM移动业务本地网9.4 本地网BSS组网方式9.5 GSM信令网结构9.6 移动通信网络举例,9.1 GSM移动通信网络结构,地域大国家可分为三级 大区汇接局 省级汇接局 基本业务区中小国家可分为两级 合设的一二级汇接网 基本业务区无分级,9.1 GSM移动通信网络结构,9.2 GSM省内移
28、动通信网,省内GSM通信网网络结构,9.3 GSM移动业务本地网,9.3 GSM移动业务本地网,9.4本地网BSS组网方式,BSS系统组网方式灵活，网络配置方便。根据实际需要支持BTS星型、链型、树型组网。,9.4本地网BSS组网方式,链型组网：,树型组网：,9.5 GSM信令网结构,9.5 GSM信令网结构,信令网路由类别,信令路由的分类 正常路由可采用直连方式的直达信令路由和准直连方式的信令路由。迂回路由是因正常路由故障而不能传送信令业务时经过信令转接点转接的准直连方式路由。,9.5 GSM信令网结构,信令网路由选择,9.5 GSM信令网结构,信令点编码,我国信令网的信令点编码方式采用24位编码。但MSCBSC之间是点对点传递，采用14位编码。,9.5 GSM信令网结构,信令点编码,24位信令点编码格式：主信令区为各省、自治区、直辖市公用网分配的编码，容量为28=256；分信令区是从公网NO.7网中启用的编码FF(255)、FE(256)，FF为主用，FE为备用；信令点是电信网中的交换局,
