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1、GSM蜂窝移动通信系统简介,第一讲 GSM的发展历史,1.1 GSM系统历史背景1.2 GSM系统技术规范目录,1.1 GSM系统历史背景,GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。,1.1 GSM系统历史背景,1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS(先进的移动电话业务)模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT(Nordic 移动电话)系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C450系统等。,模拟系统的缺点,1.各系统间没有公共接口；2.很难开展数据承载业务；3.频谱利用率低无法适应大容量的
2、需求；4.安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。,1982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组（Group SpecialMobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。,1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见。同年，欧洲17个国
3、家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。与此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。1990年完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套12系列。,1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统（Globa1 system for Mobile communications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。,1.2 GSM系统技术规范目录,GSM系统技术规范共分12章：01 概述 02 业务方面 03 网路方面 04 MS-BS接口与协议
4、05 无线路径上的物理层 06 话音编码规范,1.2 GSM系统技术规范目录,07 MS的终端适配器 08 BS-MSC接口 09 网路互通 10 业务互通 11 设备和型号认可规范 12 操作和维护,第二讲 GSM通信系统,2.1 系统的组成2.2 交换网路子系统（NSS）2.3 无线基站子系统（BBS）2.4 移动台,2.1 系统的组成,蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成。,GSM系统框图,2.2 交换网路子系统（NSS）,交换网路子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。NSS
5、由一系列功能实体所构成。,MSC移动交换中心,MSC是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。,MSC移动交换中心,MSC可以完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个MS、还应能完成入口MSC的功能，即查询位置信息的功能。,VLR 访问位置寄存器,VLR是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。,HLR
6、归属位置寄存器,HLR也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。,AUC 鉴权中心,AUC用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。,EIR 设备识别寄存器,EIR也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。,2.3 无线基站子系统（BSS）,BSS系统是在一定的
7、无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。,基站控制器（BSC）,BSC：具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。,基站收发信台（BTS）,BTS：无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。,2.4 移动台,移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。,移动终端（MS）,移动终端就
8、是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。,客户识别卡（SIM）。,SIM卡就是“身份卡”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入进网，但SIM卡本身不是代金卡。,第三讲 GSM关键技术,3.1 工作频段的分配3.2 时分多址技术（TDMA）3.3 时分多址(TDMA)帧结构 3.4 空间分集 3.5 时间色散和均衡,3.6 基站与移动台 间的时间调整3.7 话音编码3.8 信道
9、编码3.9 交织技术3.10 跳频技术 3.11 保密措施,3.1 工作频段的分配,我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段：905915（移动台发、基站收）950960（基站发、移动台收）GSM另一个频段 17101785（移动台发、基站收）18051880（基站发、移动台收）,频道间隔,相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）。每信道占用带宽200kHz8=25kHz，同模拟网TACS制式每个信道占用的频率带宽。从这点看二者具有同样的频谱利用率。,频道配置,采用等间隔频道配置方法，频道序号为76124
10、，共49个频点（见图3-2）。频道序号和频点标称中心频率的关系为：,900MHz频段数字蜂窝移动通信网的频道配置 移动台发，基站收 fl(n)=890.200MHz（n-1）0.200MHz基站发，移动台收 fh(n)=fl(n)45MHz n=76124频道 双工收发间隔：45MHz,干扰保护比,GSM规范中规定：同频道干扰保护比：C/I 9dB 邻频道干扰保护比：C/I-9dB 载波偏离400kHz时的干扰保护比：C/I-41dB,3.2 时分多址技术（TDMA）,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，因此
11、，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用。,TDMA 系统的特性,每载频多路。TDMA系统形成频率时间矩阵，在每一频率上产生多个时隙，这个矩阵中的每一点都是一个信道，在基站控制分配下，可为任意一移动客户提供电话或非话业务。突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的，只是在规定的时隙内发射脉冲序列。,传输速率高，自适应均衡。每载频含有时隙多，则频率间隔宽，传输速率高，但数字传输带来了时间色散，使时延扩展量加大，则务必采用自适应均衡技术。(4)传输开销大。由于TDMA分成时隙传输，使得收信机在每一突发脉冲序列上都得重新获得同步。为了把一个时隙和另一个时隙分开，保护时间也是必须的。因此，TDM
12、A系统通常比FDMA系统需要更多的开销。,对于新技术是开放的。例如当话音编码算法的改进而降低比特速率时，TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。(6)共享设备的成本低。由于每一载频为许多客户提供业务，所以TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了。(7)移动台较复杂。它比FDMA系统移动台完成更多的功能，需要复杂的数字信号处理。,3.3 时分多址(TDMA)帧结构,蜂窝通信系统要传输不同类型的信息，按逻辑功能而言，可分为业务信息和控制信息。因而在时分、频分复用的物理信道主要安排相应的逻辑信道。在时分多址的物理信道中，帧的结构或组成是基础。,信道分类,时隙的格式常规
13、突发脉冲序列,常规突发（NB，Normal Burst）脉冲序列亦称普通突发脉冲序列，用于业务信道及专用控制信道，其组成格式如图8-8所示。信息位占116 bit，分成两段，各58 bit。其中57位为数据（加密比特），另用1位表示此数据的性质是业务信号或控制信号。这两段信息之间插入26位训练序列，以消除多径效应产生的码间干扰。,GSM系统共有8种训练序列，可分别用于邻近的同频小区。由于选择了互相关系数很小的训练序列，因此接收端很容易辨别各自所需的训练序列，产生信道模型，作为时延补偿的参照。,3.4 空间分集,我们知道在移动通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它
14、们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出了利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。,空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。这里所提相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。经过测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长，即d06，并且最好选在/4的奇数倍附近。若减小天线间距，即使小到/4，也能起到相当好的分集效果。,3.5 时间色散和均衡,在GSM系统
15、中采用自适应均衡技术解决时间色散问题。,3.6 基站与移动台间的时间调整,在呼叫进行期间，必须监视呼叫到达基站的时间，并由系统向移动台发送指令，随着移动台离开基站的距离，逐步指示移动台提前发送的时间，这就是时间的调整。,3.6 基站与移动台间的时间调整,3.7 话音编码,GSM系统话音编码器是采用声码器和波形编码器的混合物-混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器）。,3.8 信道编码,移动通信的传输信道属变参信道，它不仅会引起随机错误，而更主要的是造成突发错误。,随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率与它前后码元的错误
16、与否是无关的。突发错误则不然，一个码元的错误往往影响前后码元的错误概率。或者说，一个码元产生错误，则后面几个码元都可能发生错误。因此，在数字通信中，要利用信道编码对整个通信系统进行差错控制。差错控制编码可以分为分组编码和卷积编码两类。,在GSM系统中，上述两种编码方法均在使用。首先对一些信息比特进行分组编码，构成一个“信息分组十奇偶(检验)比特”的形式，然后对全部比特做卷积编码，从而形成编码比特。这两次编码适用于话音和数据二者，但它们的编码方案略有差异。采用“两次”编码的好处是：在有差错时，能校正的校正(利用卷积编码特性)，能检测的检测(利用分组编码特性)。,GSM系统首先是把话音分成20ms
17、的音段，这20ms的音段通过话音编码器被数字化和话音编码，产生260个比特流，并被分成：50个最重要比特 132个重要比特 78个不重要比特 对上述50个比特添加上3个奇偶检验比特（分组编码），这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一起卷积编码，比率1：2，因而得378个比特，另外78个比特不予保护。,3.9 交织技术,在陆地移动通信这种变参信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。然而，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。,为了解决这一问题，希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发
18、送。这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。这种方法就是交织技术。,3.10 跳频技术,在GSM中采用跳频技术的主要目的：改善衰落，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，相当于频率分集。,GSM系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种。,基带跳频,基带跳频的原理是将话音信号随着时间的变换使用不同频率发射机发射。,基带跳频原理图,基带跳频实施框图,射频跳频,射频跳频是将话音信号用固定的发射机，由跳频序列控制，采用不同频率发射,3.11 保密措施,GSM系
19、统在安全性方面有了显著的改进，其主要是在下列部分加强了保护：接入网路方面采用了对客户鉴权；无线路径上采用对通信信息加密；对移动设备采用设备识别；对客户识别码用临时识别码保护；SIM卡用PIN码保护。,三参数组,客户的鉴权与加密是通过系统提供的客户三参数组来完成的。客户三参数组的产生是在GSM系统的AUC（鉴权中心）中完成。,每个客户在签约(注册登记)时，就被分配一个客户号码（客户电话号码）和客户识别码（IMSI）。IMSI通过SIM写卡机写入客户SIM卡中，同时在写卡机中又产生一个对应此IMSI的唯一的客户鉴权键Ki，它被分别存储在客户SIM卡和AUC中。,AUC中还有个伪随机码发生器，用于产
20、生一个不可预测的伪随机数(RAND)。RAND和Ki经AUC中的A8算法(也叫加密算法)产生一个Kc(密钥)，经A3算法(鉴权算法)产生一个响应数(SRES)。由产生Kc和SRES的RAND与Kc、SRES一起组成该客户的一个三参数组，传送给HLR，存储在该客户的客户资料库中。,一般情况下，AUC一次产生5组三参数，传送给HLR、HLR自动存储。HLR可存储10组三参数，当MSCVLR向HLR请求传送三参数组时，HLR又一次性地向MSCVLR传5组三参数组。MSCVLR一组一组地用，用到剩2组时，再向HLR请求传送三参数组。,鉴权,鉴权的作用是保护网路，防止非法盗用。同时通过拒绝假冒合法客户的
21、“入侵”而保护GSM移动网路的客户。,鉴权程序,当移动客户开机请求接入网路时，MSCVLR通过控制信道将三参数组的一个参数伪随机数RAND传送给客户，SIM卡收到RAND后，用此RAND与SIM卡存储的客户鉴权键Ki，经同样的A3算法得出一个响应数SRES，传送给MSCVLR。,鉴权程序,MSCVLR将收到的SRES与三参数组中的SRES进行比较。由于是同一RAND，同样的Ki和A3算法，因此结果SRES应相同。MSCVLR比较的结果相同就允许接入，否则为非法客户，网路拒绝为此客户服务。,在每次登记、呼叫建立尝试、位置更新以及在补充业务的激活、去活、登记或删除之前均需要鉴权。,加密,GSM系统
22、中的加密也只是指无线路径上的加密，是指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。,加密程序,在鉴权程序中，当系统提供三参数组的时，同时用另一算法(A8算法)也计算出密钥Kc。根据MSCVLR发送出的加密命令，BTS侧和MS侧均开始使用Kc。,加密程序,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。所有的语音和数据均需加密，并且所有有关客户参数也均需加密。,设备识别,每个移动台设备均有设备识别码
23、(1MEl)，移动台设备如允许进入运营网，必需经过欧洲型号认证中心认可，并分配一个十进制6位数字，占用IMEI 15位十进制数字的前6位设备识别的作用就是确保系统中使用的移动台设备不是盗用的或非法的。设备的识别是在设备识别寄存器EIR中完成。,何时需要设备识别取决于网路运营者。目前我国大部分省市的GSM网路均未配置此设备(EIR)，所以此保护措施也末采用。,临时识别码(TMSI),临时识别码的设置是为了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。,客户临时识别码(TMSI)是由MSCVLR分配，并不断地进行更换，更换周期由网路运
24、营者设置。更换的频次越快，起到的保密性越好，但对客户的SIM卡寿命有影响。,PIN码,在GSM系统中，客户签约等信息均被记录在一个客户识别模块(SIM)中，此模块称作客户卡。客户卡插到某个GSM终端设备中，便视作自己的电话机，通话的计费帐单便记录在此客户卡户名下。为防止帐单上产生讹误计费，保证入局呼叫被正确传送，在SIM卡上设置了PIN码操作(类似计算机上的Pass-word功能)。,PIN码是由48位数字组成，其位数由客户自己决定。如客户输入了一个错误的PIN码，它会给客户一个提示，重新输入，若连续3次输入错误，SIM 卡就被闭锁，即使将SIM卡拔出或关掉手机电源也无济于事。闭锁后，还有个“个人解锁码”，是由8位数字组成的，若连续l0次输入错 误，SIM卡将再一次闭锁，这时只有到SIM卡管理中心，由SIM卡业务激活器予以解决。,
