《现代移动通信》第5章：GSM数字蜂窝移动通信系统

1、第第5 5章章 GSMGSM数字蜂窝移数字蜂窝移动通信系统动通信系统5.1 概 述 5.2 GSM系统的组成及相关的接口5.3 GSM系统中的网络结构与编号计划5.4 GSM系统的无线信道与信号传输5.5 GSM系统的安全性管理5.6 GSM系统的移动性管理 5.7 GPRS技术5.1 概概 述述 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“Global System for Mobile Communications”，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

2、实现漫游。5.2 GSM系统的组成及相关的接口系统的组成及相关的接口图5.1 GSM系统的网络结构5.2.1 GSM系统的结构5.2.2 GSM系统的接口5.2.3 GSM系统的业务图图5.1 GSM系统的网络结构系统的网络结构网络子系统基站子系统PSTNISDNPDNBTSBTSBSCMSCVLRHLRAUCEIROMCBSCTEMSIWF5.2.1 GSM系统的结构系统的结构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

3、)：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. 操作维护中心图图5.2 典型的典型的BSS组成方式组成方式MSSMSMTCMSCBSCBIEBTSBIEBIEBIEBIEBTSBTSBTSBTSBIEOMCAUmAbisAbisTRAU图图5.4 移动台原理框图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5.2.2 GSM系统的接口系统的接口 GSM系统的各个子系

4、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：图图5.5 GSM系统的接口系统的接口MSBSCBTSMSCEIRMSCHLRVLRVLRAbisGUmFDBCAE5.2.3 GSM系统的业务系统的业务 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、5.6所示。1. 承载业务 表5.1 2. 电信业务 表5.2 3. 补充业务图图5.6 电信业务和承载业务电信业务和承载业务用户终端用户终端GSM端网传输网电信业务承载业务表表5.1 承载业务承载业务业 务内 容异步数据300bit/s9600bit/s同步数据1200bit/s9600bit/sPAD 接入300bit/s9600bit/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/s9600bit/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

6、话音后数据先话音连接，后进入数据连接表表5.2 电信业务电信业务业 务内 容话 音 服 务全 速 (13K bit/s)， 半 速 (6.5K bit/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

7、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5.3 GSM系统中的网络结构与编号计划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5.3.2 GSM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

8、成。图图5.7 GSM各种区域之间的关系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)5.3.2 GSM系统的网络结构系统的网络结构1. 全国GSM移动通信网的网络结构图5.8 GSM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5.10 GSM移动业务本地网结构示意图图图5.8 GSM网络与网络与PSTN网连接示意图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

9、C1C2C3C4PSTNPSTNPLMNC5国际局图图5.9 省内省内GSM数字移动通信网结构数字移动通信网结构示意图示意图TMSCTMSC/VLRTMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRHLRHLRHLR图图5.10 GSM移动业务本地网结构示意图移动业务本地网结构示意图CABMSC/VLRTSTSLSLSTSLSHLRMSC/VLRMSC/VLR5.3.3 编号计划编号计划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.

10、位置区和基站识别码(LAI和BSIC)5.4 GSM系统的无线信道与信号传输系统的无线信道与信号传输5.4.1 频率配置5.4.2 GSM系统的无线信道5.4.3 GSM系统中的信号传输5.4.1 频率配置频率配置(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图5.13 采用无方向性天线时的频率配置采用无方向性天线时的频率配置13793196375667511955.4.2 GSM系统的无线信道系统的无线信道1. 信道的定义与分类2. 时隙格式3. TDMA帧结构图5.17 GSM系统帧结构示意图4. 逻辑信道到物理信道的映射图5.18

11、 下行链路TS0上映射BCH和CCCH5. 基站至移动台的时间调整图图5.17 GSM系统帧结构示意图系统帧结构示意图0213 45 6 72102145 6 7 0213 4 5 67002134 5 67 02134 5 67 0213 4 5 6 7012242550001122345049250123204520462047TDMA 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。2

12、651 或 51261 超高帧2048 个超帧2715648 个 TDMA 帧，含 3 小时 28 分 53 秒 760 毫秒243图图5.18 下行链路下行链路TS0上映射上映射BCH和和CCCHBCH+CCCH 下行链路F SSBCCCCCCCCFFFFSSSCITDMA 帧0 1 2 3 4 5 67 011 34 5 67 01 25.4.3 GSM系统中的信号传输系统中的信号传输1. 话音信号处理(话音编码、信道编码和交织)图5.23 GSM系统中的话音处理过程2. 调制与发射3. 间断传输技术图图5.23 GSM系统中的话音处理过程系统中的话音处理过程话音编码信道编码Burst形成

13、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5.5 GSM系统的安全性管理系统的安全性管理5.5.1 GSM系统中用户三参数组的产生5.5.2 安全管理措施5.5.1 GSM系统中用户三参数组的产生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。图图5.24 AUC中用户三参数组的提供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 安全管理措施安

14、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. 移动设备的识别图图5.25 通信信息的加密过程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5.6 GSM系统的移动性管理系统的移动性管理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图5.26 不同不同MSC/VLR业务区之间的

15、位业务区之间的位置更新置更新图526不同MSCVLR业务区之间的位置更新VLRMSCMSCVLRHLRBTSBTSBTS5.6.2 越区切换越区切换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。图图5.27 同一同一BSC的两个的两个BTS间的切换间的切换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. 移动台主呼图图5

16、.30 移动用户被呼过程示意图移动用户被呼过程示意图PSTNGMSCVLRVMSCHLRBSBSBS位置区域图 530移动用户被呼过程示意图11115.7 GPRS技术技术5.7.1 GPRS概况5.7.2 GPRS系统的结构与功能5.7.3 GPRS 系统的安全管理5.7.4 GPRS 系统的移动性管理5.7.5 GPRS的局限性5.7.1 GPRS概况概况 GPRS(General Packet Radio Service)也叫通用分组无线业务，是GSM Phase2+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BT

17、 Cellnet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。5.7.2 GPRS系统的结构与功能系统的结构与功能1. GPRS网络总体结构图5.31 GPRS总体结构与接口表5.3 GPRS体系结构中的接口及参考点2. GPRS的功能图图5.31 GPRS总体结构与接口总体结构与接口InternetMSCBSSPCUVLRHLREIRSGSNGGSNGpGbGcGrGfGnGiAX.25ATM其他 GPRS网络或其他PLMNMTSC-SMGdTERUmSMS-GMSCSMS-IWMSCGs表表5.3 GPRS体系结构中的

18、接口及参考点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5.7.3 GPRS 系统的安全管理系统的安全管理 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。