《现代移动通信》第5章：GSM数字蜂窝移动通信系统

第5章GSM数字蜂窝移动通信系统5.1概述5.2GSM系统的组成及相关的接口5.3GSM系统中的网络结构与编号计划5.4GSM系统的无线信道与信号传输5.5GSM系统的安全性管理5.6GSM系统的移动性管理5.7GPRS技术5.1概述1992年，随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM改名为“GlobalSystemforMobileCommunications”，即“全球移动通信系统”的简称。GSM的主要特点可以归纳为：频谱效率高。容量较大。话音质量好。开放的接口。与ISDN，PSTN等互联。在SIM卡基础上实现漫游。5.2GSM系统的组成及相关的接口图5.1GSM系统的网络结构5.2.1GSM系统的结构5.2.2GSM系统的接口5.2.3GSM系统的业务图5.1GSM系统的网络结构网络子系统基站子系统PSTNISDNPDNBTSBTSBSCMSCVLRHLRAUCEIROMCBSCTEMSIWF5.2.1GSM系统的结构1.网络子系统(NSS)NSS的主要作用是完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。NSS由如下一系列功能实体所构成。MSC(移动交换中心)：VLR(访问位置寄存器)：HLR(归属位置寄存器)：AUC(鉴权中心)：EIR(设备识别寄存器)：2.基站子系统图5.2典型的BSS组成方式3.移动台子系统图5.4移动台原理框图4.操作维护中心图5.2典型的BSS组成方式MSSMSMTCMSCBSCBIEBTSBIEBIEBIEBIEBTSBTSBTSBTSBIEOMCAUmAbisAbisTRAU图5.4移动台原理框图接收解调均衡信道分离发送调制TDMA帧形成加密信道编码解密信道解码D/AA/D天线转换VCO频率合成器跳频单元控制器话音解码话音编码终端适配数据终端键盘、显示5.2.2GSM系统的接口GSM系统的各个子系统之间以及子系统内部各功能实体之间存在大量的接口，GSM技术规范对这些接口作了详细的规定，使不同生产厂家的设备能够在同一个网内互联，如图5.5所示。(1)Um接口：(2)Abis接口：(3)A接口：(4)B接口：(5)C接口：(6)D接口：(7)E接口(8)F接口：(9)G接口：(10)GSM系统与其他公用电信网接口：图5.5GSM系统的接口MSBSCBTSMSCEIRMSCHLRVLRVLRAbisGUmFDBCAE5.2.3GSM系统的业务GSM中的电信业务可分为两类：基本业务和补充业务。基本业务又可分为两个项目：电信业务和承载业务，如图5.6所示。1.承载业务表5.12.电信业务表5.23.补充业务图5.6电信业务和承载业务用户终端用户终端GSM网端网传输网电信业务承载业务表5.1承载业务业务内容异步数据300bit/s～9600bit/s同步数据1200bit/s～9600bit/sPAD接入300bit/s～9600bit/s，分组打包和拆包，为GSM用户接入分组网提供一个异步连接，该业务只能由移动台主叫发起分组接入2400bit/s～9600bit/s，为GSM用户接入分组网提供一个同步连接，该业务只能由移动台主叫发起话音/数据交替在呼叫过程中，提供话音和数据的交替先话音后数据先话音连接，后进入数据连接表5.2电信业务业务内容话音服务全速(13Kbit/s)，半速(6.5Kbit/s)。提供语音信息和语音信号到网络的传输紧急呼叫在紧急情况下，通过简单拨号即可拨通紧急呼叫中心，具有优先权短消息服务1用于消息处理系统提供短消息给移动用户短消息服务2用于移动用户给消息处理中心提供短消息短消息传输用于传输给小区范围内的所有移动用户，是一点对多点的服务自动传真自动提供第3类呼叫和被呼模式传真5.3GSM系统中的网络结构与编号计划5.3.1无线覆盖的区域划分5.3.2GSM系统的网络结构5.3.3编号计划5.3.1无线覆盖的区域划分从无线覆盖区的划分来看，GSM的网络结构如图5.7所示。GSM网络的最小不可分割的区域是由一个基站(全向天线)或一个基站的一个扇形天线(BTS)所覆盖的区域，称为小区(Cell)。每个小区由全球小区识别码(GCI)来识别。GSM业务区是由全球各个国家的PLMN网络所构成。图5.7GSM各种区域之间的关系GSM业务区(全球成员国)PLMN业务区(每个国家一个或多个)MSC业务区(一个MSC控制的区域)位置区(定位和寻呼区)小区(特定BTS的覆盖的区)5.3.2GSM系统的网络结构1.全国GSM移动通信网的网络结构图5.8GSM网络与PSTN网连接示意图2.省内GSM移动通信网的网络结构图5.9省内GSM数字移动通信网结构示意图3.移动业务本地网的网络结构图5.10GSM移动业务本地网结构示意图图5.8GSM网络与PSTN网连接示意图一级移动业务中心二级移动业务中心移动端局基站C1C2C3C4PSTNPSTNPLMNC5国际局图5.9省内GSM数字移动通信网结构示意图TMSCTMSC/VLRTMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRHLRHLRHLR图5.10GSM移动业务本地网结构示意图CABMSC/VLRTSTSLSLSTSLSHLRMSC/VLRMSC/VLR5.3.3编号计划1.移动台ISDN号码(MSISDN)2.国际移动用户识别码(IMSI)3.临时移动用户识别码(TMSI)4.移动用户漫游号码(MSRN)5.国际移动设备识别码(IMEI)6.位置区和基站识别码(LAI和BSIC)5.4GSM系统的无线信道与信号传输5.4.1频率配置5.4.2GSM系统的无线信道5.4.3GSM系统中的信号传输5.4.1频率配置(1)使用频率(2)多址方式(3)干扰保护比(4)频率复用模式图5.13采用无方向性天线时的频率配置图5.13采用无方向性天线时的频率配置13793196375667511955.4.2GSM系统的无线信道1.信道的定义与分类2.时隙格式3.TDMA帧结构图5.17GSM系统帧结构示意图4.逻辑信道到物理信道的映射图5.18下行链路TS0上映射BCH和CCCH5.基站至移动台的时间调整图5.17GSM系统帧结构示意图02134567210214567021345670021345670213456702134567012242550……00112234504925……0123204520462047TDMA帧(4.615ms,共8个时隙，每时隙0.577ms,含156.25个码元)0121业务复帧＝26个TDMA帧，含120ms1控制复帧＝51个TDMA帧，含235.385ms1超帧＝1326个TDMA帧，含6.12s。26×51或51×261超高帧＝2048个超帧＝2715648个TDMA帧，含3小时28分53秒760毫秒243图5.18下行链路TS0上映射BCH和CCCHBCH+CCCH下行链路FSSBCCCCCCCCFFFFSSSCITDMA帧0123456701134567012…5.4.3GSM系统中的信号传输1.话音信号处理(话音编码、信道编码和交织)图5.23GSM系统中的话音处理过程2.调制与发射3.间断传输技术图5.23GSM系统中的话音处理过程话音编码信道编码Burst形成交织加密调制话音解码信道解码Burst分离去交织解密解调均衡13kbit/s22.8Kbit/s话音输入话音输出5.5GSM系统的安全性管理5.5.1GSM系统中用户三参数组的产生5.5.2安全管理措施5.5.1GSM系统中用户三参数组的产生用户的鉴权和加密是通过系统提供的用户三参数组来完成的，用户三参数组是在GSM系统的AUC中产生的，如图5.24所示。图5.24AUC中用户三参数组的提供RAND发生器KiA3A8SRESKCRAND鉴权键三参数组HLRMSC/VLR请求传送鉴权中心(AUC)5.5.2安全管理措施1.用户身份的鉴权2.通信信息的加密图5.25通信信息的加密过程3.用户识别码的保护4.移动设备的识别图5.25通信信息的加密过程MSC/VLR加密消息“加密模式完成”解密消息“解密模式完成”加密模式完成加密成功A5A5KCKCRAND帧号帧号A8Ki加密命令MBTS侧MS侧5.6GSM系统的移动性管理5.6.1位置管理5.6.2越区切换5.6.3呼叫处理5.6.1位置管理1.开机进入空闲模式2.位置登记3.位置更新图5.26不同MSC/VLR业务区之间的位置更新图5.26不同MSC/VLR业务区之间的位置更新图5－26不同MSC／VLR业务区之间的位置更新VLRMSCMSCVLRHLR①⑩③②⑥⑦⑧⑨④⑤BTSBTSBTS5.6.2越区切换1.同一个BSC控制区内不同小区之间的切换，也包括不同扇区之间的切换。图5.27同一BSC的两个BTS间的切换2.同一个MSC/VLR业务区，不同BSC间的切换。3.不同MSC/VLR的区间切换。图5.27同一BSC的两个BTS间的切换BSCMSC/VLR原链路新链路BTSBTSBTS图5-27同一BSC的两个BTS间的切换5.6.3呼叫处理1.移动台被呼图5.30移动用户被呼过程示意图2.移动台主呼图5.30移动用户被呼过程示意图PSTNGMSCVLRVMSCHLRBSBSBS位置区域①②③⑥④⑤⑦⑧⑨⑨⑨⑨⑩⑩⑩图5－30移动用户被呼过程示意图11115.7GPRS技术5.7.1GPRS概况5.7.2GPRS系统的结构与功能5.7.3GPRS系统的安全管理5.7.4GPRS系统的移动性管理5.7.5GPRS的局限性5.7.1GPRS概况GPRS(GeneralPacketRadioService)也叫通用分组无线业务，是GSMPhase2+阶段规定实现的内容之一，是GSM网络向第三代移动通信演进的第一步。GPRS作为第二代移动通信向第三代过渡的技术是由英国BTCellnet公司早在1993年提出的，GPRS是一种基于分组交换传输数据的高效率方式，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。5.7.2GPRS系统的结构与功能1.GPRS网络总体结构图5.31GPRS总体结构与接口表5.3GPRS体系结构中的接口及参考点2.GPRS的功能图5.31GPRS总体结构与接口Internet网MSCBSSPCUVLRHLREIRSGSNGGSNGpGbGcGrGfGnGiAX.25ATM其他GPRS网络或其他PLMNMTSC-SMGdTERUmSMS-GMSCSMS-IWMSCGs表5.3GPRS体系结构中的接口及参考点接口或参考点描述R非ISDN终端与移动终端之间的参考节点GbSGSN与BSS之间的接口GcGGSN与HLR之间的接口GdSMS-GMSC与SGSN之间的接口，SMS-IWMSC与SGSN之间的接口GiGPRS与外部分组数据网之间的参考点Gn同一PLMN中两个GSN之间的接口Gp不同PLMN中两个GSN之间的接口GrSGSN与HLR之间的接口GsSGSN与MSC/VLR之间的接口GfSGSN与EIR之间的接口UmMS与GPRS固定网之间的无线接口5.7.3GPRS系统的安全管理GPRS网络的鉴权程序和GSM网络中的鉴权完全相同，但对数据信息的加密则稍有不同。网络内的AUC仍然进行原有的操作，产生用户三参数组(KC，RAND，SRES)，并存储在HLR内。1.鉴权2.数据信息的加密5.7.4GPRS系统的移动性管理1.MS登录GPRS网络图5.32MS登录GPRS网络时的信令传输过程2.网络连接的建立3.注销GPRS网络图5.32MS登录GPRS网络时的信令传输过程MSBSSSGSNGGSNHLR①①②③④⑤登录请求登录接受MS鉴权和加密重新得到鉴权信息登录完成更新位置5.7.5GPRS的局限性小区总容量有限实际传输速率和理论值之间存在着较大的差距支持GPRSMT(GPRSMobileTerminate)的终端得不到保证GPRS使用的调制方式还有待改进存在传输时延