通信培训课件：项目二 探索GSM的关键内核

项目二探索GSM的关键内核兰州项目部刘建明

掌握GSM的编号和安全技术掌握GSM的编码技术Goal学习完此课，您将会：学习目标掌握GSM的其他重要技术content目录任务2

编号与安全实践2任务3GSM其他技术实践3任务1编码技术实践1

1.1语音信号处理流程任务1编码技术实践1语音编码信道编码交织加密形成burst调制发射语音解码信道译码去交织解密分解burst接收解调260bit/20ms456bit/20ms33.8Kbit/s270.8Kbit/s人说话的声音频率在200~3400hz之间

1.2语音编码目前，GSM系统采用的是13kb/s的话音编码方案，称为RPE-LTP（规则脉冲激励-长期预测）。首先将语音分成

20ms为单位的语音块，并用8Khz的频率进行采样,得到160个样值，然后对每个样本值进行量化（也就是每一个样值用16bit来表示，这样就得到了128kbit/s的数据流（A/D后）。如果采用全速率编码器，每个语音块将被压缩成260bit，最后形成13kbit/s的源编码速率。任务1编码技术实践120ms8000HZx=？样值总数16bitx=？260bit/20ms=？kbit/s

1.2语音编码任务1编码技术实践1信源编码完成的一个连续时间的语音信号，在离散域上的映射。不同的编码方式都是在阐述同一个量化电平，自然是对量化电平的阐述是越节约越好，这样就可以少占用一点电平。所以信源编码越简单，效率越高越好。1.2语音编码任务1编码技术实践11.3信道编码信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响，但它是以增加冗余比特降低信息量为代价的。编码的基本原理是在原始数据上附加一些冗余比特信息，增加的这些比特是通过某种约定从原始数据中经计算产生的，接收端的解码过程利用这些冗余的比特来检测误码并尽可能的纠正误码。

GSM中使用的编码方式主要有卷积码和分组码两种。将20ms内的260bit最终变成了成456bit。任务1编码技术实践1

1.3信道编码GSM系统把20ms语音编码后的数据作为一帧，共260bit，分成50个最重要比特、132个次重要比特和78个不重要比特。在GSM系统中，对话音编码后的数据既进行检错编码又进行纠错编码。首先对50个最重要比特进行循环冗余编码(CRC)，编码后为53bit；再将该53bit与次重要的132bit一起进行约束长度为K=5，编码效率为R=1/2的卷积编码，编码后为2*(53+132+4)=378bit；最后再加上最不重要的78bit，形成信道编码后的一帧共456bit。任务1编码技术实践1

1.3信道编码信道编码举例信道编码适合纠正非连续的少量错误编码解码床前明月光春眠不觉晓白发三千丈红豆生南国床床前前明明月月光光春春眠眠不不觉觉晓晓白白发发三三千千丈丈红红豆豆生生南南国国床？前前明明月月光光春春眠眠？不觉觉晓晓白白发发三三？千丈？红红豆豆生生南？国国任务1编码技术实践1

1.4交织床前明月光春眠不觉晓白发三千丈红豆生南国床床前前明明月月光光春春眠眠不不觉觉晓晓白白发发三三千千丈丈红红豆豆生生南南国国？？？？？？？？？？春春眠眠？不觉觉晓晓白白发发三三？千丈？红红豆豆生生南？国国？？？？编码信道编码对连续的码元出错不能纠错，通过交织后可以避免该问题的发生。译码任务1编码技术实践1

1.4交织

在移动通信中这种变参的信道上，比特差错经常是成串发生的。但是，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，把一条消息中的相继比特分开的办法，即一条消息的相继比特以非相继的方式被发送，使突发差错信道变为离散信道。这样，即使出现差错，也仅是单个或者很短的比特出现错误，也不会导致整个突发脉冲甚至消息块都无法被解码，这时可再用信道编码的纠错功能来纠正差错，恢复原来的消息。这种方法就是交织技术。任务1编码技术实践1

1.4交织任务1编码技术实践11.4交织任务实训？？？？？？？？？？春春眠眠？不觉觉晓晓白白发发三三？千丈？红红豆豆生生南？国国任务1编码技术实践1

1.5突发脉冲形成突发脉冲就是在一个时隙内（即一个物理信道）传输，由100多个调制比特组成的脉冲序列，可以将突发脉冲看成是信息在无线信道上传输的载体。根据传输信息种类的不同，突发脉冲也不尽相同。GSM中共有5种突发脉冲序列，它们分别是：常规突发脉冲序列、频率校正突发脉冲序列、同步突发脉冲序列、接入突发脉冲序列和空闲突发脉冲序列。携带话音信息的是常规突发脉冲。

在TDMA信道上的一个时隙中的信息格式称称为“突发脉冲序列”常规突发脉冲由156.25bit组成，它所占用的时间是0.577ms。456bit/8=?任务1编码技术实践1

1.5突发脉冲形成常规突发序列的振幅图普通突发脉冲是一个具有147个有用符号持续周期的全突发脉冲。任务1编码技术实践1

调制和解调

调制（modulation)就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程。

调制简单理解就是频谱搬移，为什么要频谱搬移？1.音频范围（300-3400HZ）的信号传输距离近，急剧衰减。

2.电磁波频率与天线尺寸匹配。

一般天线的尺寸为电磁信号的1/4波长为佳，以4Khz的话音为例，那么合适的天线尺寸是多少呢？Long=1/4（c/f）任务1编码技术实践1

调制和解调在大多数数字通信系统中，都选用正弦信号作为载波。这主要是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。GSM采用GMSK（高斯滤波最小频移键控）调制方式，通常采用Viterbi算法（带均衡的解调方法）进行解调。任务1编码技术实践1

一次正常通话过程的语音信号传输过程1、主叫用户的语音通过MS上的话筒转化为模拟信号并传输到MS中来；2、在MS中进行处理：语音编码-信道编码-交织-形成burst-加密-调制成可以发射的无线电信号，通过天线发射出去；3、信号被基站的天线接收，在BTS进行以下处理：解调-分解Busrst-解交织-信道译码-通过有线链路传输到BSC。任务1编码技术实践1

一次正常通话过程的语音信号传输过程4、BSC接收后，通过BSC的交换板卡发送到相应的码型转换单元。在码型转换单元中把GSM采用的RPE-LTE编码转换成称基本可以通用的A率PCM编码，然后通过有线链路传输到BSS系统中。5、如果打的是固定电话，直接传输到被叫座机，在通过听筒使用空气震动还原语音。6、如果是移动电话由NSS完成呼叫接续，找到目的手机的位置基站，再通过该基站的天线传送给被叫用户，实现通话。任务1编码技术实践1content目录任务2

编号与安全实践2任务3GSM其他技术实践3任务1编码技术实践1

2.1GSM位置区域编号任务2编号与安全实践2作为一个全球性的蜂窝移动通信系统，GSM对每个国家的每个GSM网络，乃至每个网络中的每一个位置区、每个基站和每个小区都进行了严格的编号，以保证全球范围内的每个小区都有唯一的号码与之对应。

采用这种编号方式可以达到下列目的：使MS可以正确地识别出当前网络的身份，以便MS在任何环境下都能正确地选择用户（和运营者）希望进入的网络。使网络能够实时地知道MS的确切地理位置，以便网络正常地接续以该MS为终点的各种业务请求。使MS在通话过程中向网络报告正确的相邻小区情况，以便网络在必要的时刻采用切换的方式保持移动用户的通话过程。PLMN区MSC区LAC区BTS区CELL区GSM业务区

2.1GSM位置区域任务2编号与安全实践2MSISDN：主叫用户呼叫GSM移动用户所拨打的号码。CC：国家码，中国为86；NDC：国内网络接入码（中移：135～139）；SN：用户号码，等长8位编码，由运营商分配。HLR识别号：城市的号段（H1

H2H3H4）CCNDCSN移动台国内有效ISDN号码移动台国际有效ISDN号码2.2MSISDN移动用户号码任务2编号与安全实践2每个移动用户都分配有一个唯一的IMSI，在整个GSM系统有效，用于PLMN网内用户身份唯一识别，不超过15位，同样使用0～9的数字。存储在sim卡，另外IMSI在HLR里必须有，也可以复制给MSC/VLR一份。MCC：移动国家码，唯一识别移动用户所属国家，中国为460MNC：移动网号，识别移动用户所归属的移动通信网PLMN（如，中移为00）MSIN：移动用户识别码，唯一识别某一移动通信网中的移动用户NMSI：国家移动用户识别码（MNC+MSIN）MCCMNCMSINNMSIIMSI<=15位2.3IMSI国际移动用户识别码任务2编号与安全实践21）在空中接口传递TMSI代替IMSI，加强了用户的安全性。如果IMSI在网络中传递时被不法分子获取，那是多么危险啊。所以需要采用另外一种号码临时代替IMSI在网络中进行传递，这就是TMSI。采用TMSI来临时代替IMSI的目的为了加强系统的保密性，防止非法个人或团体通过监听无线路径上的信令窃取IMSI或跟踪用户的位置。2.4TMSI临时移动用户识别码任务2编号与安全实践2

TMSI是由VLR为来访的移动用户在鉴权成功后分配，是由VLR自行分配的4字节BCD码，仅限在VLR管辖区内代替IMSI临时使用。2.4TMSI临时移动用户识别码任务2编号与安全实践21）MSRN是在呼叫接续时由VLR临时分配给移动台的号码。2）用于GSM网络在接续时的路由选择。3）MSRN组成与MSISDN相似，最大为15位。2.5MSRN移动用户漫游号码任务2编号与安全实践2IMEI唯一识别移动台，是一个15位的十进制编码。TAC：型号批准码FAC：工厂装配码，表示生产厂家及装配地SNR：生产顺序号码，用于识别每个设备SP：备用码。TACFACSNRSP国际移动设备识别码IMEI6位2位6位1位2.6IMEI国际移动设备识别码任务2编号与安全实践2位置区是指移动台可任意移动而不需要进行位置更新的区域，由一个或若干个小区组成。为了呼叫移动台，系统在一个位置区内所有小区同时发寻呼信号。MSC区>=LAI>=

一个小区MCCMNCLAC位置区识别LAI3位2位最大16bitLAC：位置区号码，用于识别GSM网络中的一个位置区，由运营商定义。用于检测位置更新和信道切换的请求。范围为1～65535。2.7LAI位置区识别码任务2编号与安全实践2用于识别相邻国家的相邻基站，是一个6bit码。NCC：PLMN色码，用于区分国界两侧的运营商，国内用于区分不同省份。BCC：基站色码，由运营商自行分配，用于区分采用相同基站的相邻BTS。NCCBCC基站识别码BSIC3bit3bit2.8BSIC基站识别色码任务2编号与安全实践2CGI是在所有GSMPLMN中用作小区识别的唯一标识。CI：小区识别码，由运营商自行定义，是一个2ByteBCD码。小区号，即CI（CellIdentity）：范围为0～65535。MCCMNCLAC位置区识别码LAICI全球小区识别码CGI2.9CGI全球小区识别码任务2编号与安全实践22.10位置编号计划任务2编号与安全实践22.10位置编号计划任务2编号与安全实践2在标识GPRS设备中，如手机MS的标识除了在GSM中使用的IMSI、MSISDN等号码外，还需要分配IP地址。

2.11位置更新一般位置更新

当MS从一个位置区移到另一个位置区时，必须进行登记。即一旦MS发现其SIM卡中的LAI与接收到的LAI发生了变化，便执行登记。位置更新总是由MS启动。周期性的位置更新

GSM采取强制登记的措施。要求MS每过一定的时间登记一次。若系统收不到周期登记消息，MSC/VLR就给移动台标以“IMSI分离”。如果用户长时间没有操作，超过管理员设定的时间，VLR将自动删除该用户的数据，并通知HLR。任务2编号与安全实践2LA1LA2①接收LAI2②位置更新请求②位置更新请求②位置更新请求③位置更新接受③记录MSC号码更新用户位置④“附着”标记IMSI④位置更新证实④位置更新证实④更新LAI⑤通知删除用户数据任务2编号与安全实践22.11位置更新

2.12加密和解密GSM系统主要采取以下安全措施：1）对用户接入网络的鉴权2）在无线链路上对用户信息和用户参数的加密3）移动设备的识别4）IMSI保护

GSM系统可以提供加密措施。这种加密可以用于语音、数据和信令，与数据类型无关，只限于用在常规突发脉冲上。鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，鉴权响应SRES，密匙KC）任务2编号与安全实践2

2.12鉴权和加密MS通过将随机数rand（来自核心网）和自己的ki进行A8算法得到KC，由KC、TDMA帧号和加密命令指示的加密模式一起经过A5算法产生一个加密序列，让后从无线信道发送给基站，基站接收后进行解密后传给BSC和MSC。任务2编号与安全实践2MS通过将随机数rand（来自核心网）和自己的ki进行A3算法得到SRES，并传送给核心网，核心网将收到的SRES同AUC中产生的SRES进行比较，相同就就鉴权通过，否则拒绝为MS服务。鉴权加密KiIMSI存储在AUC和MS中content任务1编码技术实践1目录任务2

编号与安全实践2任务3GSM其他技术实践3众多的用户共用公共通信线路而相互不干扰。多址技术GSM技术FDMATDMACDMA

复用技术任务3GSM其他技术实践3

频率复用技术任务3GSM其他技术实践3GSM最基本的频率复用模式：4×3“4”个站点“3”个小区12个小区群12个频率组成一组

频率复用技术任务3GSM其他技术实践3以不同的频率信道来实现通信。

FDMA任务3GSM其他技术实践3处在不同位置上的用户同时使用相同频率的信道。极大地提高频谱效率。系统设计不合理，容易导致网内同、邻频干扰。

频率复用技术任务3GSM其他技术实践3以不同的时隙来实现通信

TDMA任务3GSM其他技术实践3fTDMA任务3GSM其他技术实践3

非连续发送（DTX）

在一个通信过程中，其实移动用户仅有很少的时间用于通话，大部分时间都没有传送话音消息。如果将这些信息全部传送给网络的话，这不但会对系统资源造成浪费而且会使系统内的干扰加重。

所以利用语音编码器检测到话音间隙后，在间隙期“不发送”，这就是所谓的不连续发送。通话时进行13KB/s编码，停顿期用500b/s编码发送舒适的噪声。任务3GSM其他技术实践3

非连续发送（DTX）任务3GSM其他技术实践3

话音传输有两种方式：一种是无论用户是否讲话，话音总是连续编码（每20ms一个话音帧）。另一种是非连续发送方式DTX（DiscontinuousTransmission）：在话音激活期进行13kbps编码，在话音非激活期进行500bps编码。每480ms传输一个舒适噪声帧。功率控制任务3GSM其他技术实践3功控是什么？为什么要功控？功率控制：根据需要调整基站与手机的发射功率。依据：手机和基站上报的测量报告。目的：在保证通话质量的情况下，调整发射功率，从而降低整网干扰、减少功耗使MS获得稳定信号强度。功率控制的分类任务3GSM其他技术实践3功率控制分为上行功率控制和下行功率控制，上下行控制独立进行。上行功控：调整MS的输出功率，使BTS获得稳定接收信号强度，以减少对同邻频的干扰，降低移动台功耗。下行功控：调整BTS输出功率，使MS获得稳定接收信号强度，减少同邻频干扰，降低基站功耗。功率控制的目的任务3GSM其他技术实践3功率控制从网络指标来说：

功率控制可以减少网络的内部干扰。从下行来说：主要是频率资源不够引起的带内下行干扰。从上行来说：主要是由于高话务量引起的上行干扰，表现为上行通话质量差。

功率控制可以很大程度的影响网络的KPI（关键绩效指标）。由于频率资源有限，话务量的增高，功率控制运用不当会引起干扰，导致网络的KPI下降。时间提前量TA任务3GSM其他技术实践3TA就是TimingAdvance，时间提前量。在通信过程中，如移动台在呼叫期间向远离基站的方向上移动，因而从基站发出的消息将越来越迟的到达移动台。与此同时，移动台的应答信息也会越来越迟的到达基站。如不采取措施，该时延长至当基站收到该移动台在本时隙上发送的消息会与基站在其下一个时隙收到的另一个呼叫信息重叠起来，而引起干扰。时间提前量TA任务3GSM其他技术实践3在呼叫进行期间，移动台发给基站的测量报告头上携带有移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达的时间，并在下行信道上以480ms一次的频率向移动台发送指令，指示移动台提前发送的时间，这个时间就是TA（时间提前量）。TA的值域是0~63（0~233μs），由于被GSM定时提前的编码0~63bit所限，使GSM最大覆盖距离为35km，计算如下：1/2*3.7us/bit*63bit*c=35km

时间提前量TA任务3GSM其他技术实践3

其中，3.7μs/bit为每bit时长（577/156），63bit为时间调整最大比特数，c为光速（信号传播速度）。1/2考虑了信号的往返。GSM定时提前TA的编码是在0~63之间。根据上述，1bit对应的距离是554m，由于多径传播和MS同步精度的影响，TA误差可能会达3bit左右（1.6km)。GSM小区的无线覆盖半径最大可达到35km。超长覆盖技术任务3GSM其他技术实践3在某些情况下，需要基站能覆盖更远的地方，比如在沿海地区，覆盖较大范围的一些海域或岛屿。这种覆盖在GSM中是能实现的，代价是须减少每载频所容纳的信道数，办法是仅使用Ts为偶数的信道（因为Ts0必须用做BCCH），空出奇数的Ts，来获得较大的保持时间，TA最大可取219。即基站的最大覆盖半径为：

3.7us×(63+156.25)×3×10m/s÷2=120km8对于无线信道而言，最要命的莫过于衰落现象：1）多径效应引起的小尺度效应-----快衰落2）由于距离引起的路径损耗-------自由路径损耗3）由障碍物造成的阴影大尺度效应（阴影效应）-----慢衰落无线信道的衰落任务3GSM其他技术实践3快衰落任务3GSM其他技术实践3分集技术任务3GSM其他技术实践31、定义：

分集技术是用来补偿衰落信道损耗，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，抵抗衰落引起的不良影响。2、分类：分集技术包括:时间分集，空间分集，频率分集，极化分集等。

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，它们受到的衰落影响是不相关的，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。

典型应用：MIMO技术空间分集任务3GSM其他技术实践3空间分集任务3GSM其他技术实践3

频率分集是指用两个以上的频率同时传送一个信号，在接收端对不同频率的信号进行合成，利用不同频率的无线载波不同路径减少或消除衰落的影响。频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接受天线及相应设备的数量，缺点是要占用更多的频带资源，这种方法效率较好，且接收天线只需一副，在GSM系统中通过跳频的方法实现频率分集。当某个频点收到干扰时，我们希望换到另一个频点，以避开干扰。频率分集任务3GSM其他技术实践3时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够大，则各次发送出现的衰落将是相互独立统计的。时间分集正是利用这些衰落在统计上互不相关的特点，即时间上衰落统计特性上的差异来实现抗时间选择性衰落的功能。时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率。

在GSM系统中，通过交织技术实现时间分集。时间分集任务3GSM其他技术实践3在移动环境下,两副在同一地点,极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性。在收发端分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可以得到2路衰落特性不相关的信号。

所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。

优点是只需一根天线（1发两收变1），结构紧凑，节省空间，缺点是分集接收效果低于空间分集接收天线，并且由于发射功率要分配到两副天线上，将会造成信号功率损失。典型应用：双极化天线。极化分集任务3GSM其他技术实践3跳频技术任务3GSM其他技术实践3跳频技术，英文全称“Frequency-HoppingSpreadSpectrum”，缩写为FHSS。1、缘由

在GSM数字移动通信系统中，为了提高系统的抗干扰能力，引入了跳频技术。基于频率分集的原理，用于对抗瑞利衰落。通过跳频，突发脉冲不会被瑞利衰落以同一方式破坏。基于干扰源特性，引入跳频使得它可以在一个可能干扰的小区的许多呼叫之间分散干扰，而不是集中在一个呼叫。2、定义：跳频技术是通过收发双方设备无线传输信号的载波频率按照预定算法或者规律进行离散变化的通信方式。跳频技术任务3GSM其他技术实践3

特点：

与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获通信内容。跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，但其他未被干扰的频点上仍可进行正常的通信。

分类：

1）基带跳频

2）射频跳频基带跳频技术任务3GSM其他技术实践3基带跳频是每个载频单元的发射和接收频点不变，只是在不同的FN（帧号）时刻，帧单元发送数据送给不同的载频单元发射出去。射频跳频任务3GSM其他技术实践3射频跳频