《GSM基础知识》学生手册

PAGEPAGE43GSM基础知识

目录TOC\o"1-3"\h\z第一章GSM系统概况 4第一节GSM系统简介 4一GSM系统组成 4二GSM的基本特点 5三GSM系统发展概况 7第二节GSM网络结构概述 7一GSM网络结构介绍 7二网元功能介绍 7三常用接口简介 11第二章GSM网络基本概念 12第一节编号计划 12一国际移动客户识别码（IMSI） 12二移动台ISDN号码（MSISDN） 12三移动客户漫游号码（MSRN） 13四临时移动客户识别码（TMSI） 13五位置区识别码（LAI） 13六全球小区识别码（CGI） 13七基站识别码（BSIC） 14八国际移动台设备识别码（IMEI） 14第二节移动性管理 14一位置区 14二位置更新 16三切换 18四漫游 21第三节安全性管理 22一鉴权 22二加密 23三IMEICHECK 24四TMSI 25五PIN和PUK 25第三章GSM业务介绍 26第一节GSM系统的业务分类和特征 26一业务分类 26二业务特征 26第二节基本业务呼叫流程 28一MOC和MTC 28二SMS_MO和SMS_MT 28第四章GSM无线网络概述 31第一节频率/时间分隔蜂窝系统 31一小区结构和载频复用 31二工作频带和载频间隔 32第二节多址连接技术和帧结构 33一频分多址（FDMA） 35二时分多址（TDMA） 35三帧的结构 36第三节数字信号与信号的调制 37一数字信号 37二信号的调制 37第四节信道和突发脉冲序列 38一信道 38二突发脉冲序列 40第一章GSM系统概况第一节GSM系统简介一GSM系统组成GSM网络是由三个子系统组成的，它们是：网络交换子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、网络管理子系统（NMS）。1．网络交换子系统（NSS）包括移动业务交换中心（MSC），本地位置寄存器（HLR），拜访位置寄存器（VLR），鉴权中心（AC），设备识别寄存器（EIR）。主要功能：呼叫控制，移动性管理，安全性管理，计费。2．基站子系统（BSS）基站控制器（BSC），基站收发器（BTS），传输码变换器（TC）。主要功能：无线网控制和管理，话音代码转换，AIR空中接口信令和数据处理，支持A接口和空中接口3．网络管理子系统（NMS）功能：NMS是网络中与运行维护相关部分，用于对整个网络的管理。通常包括：故障管理：从网络组件收集告警报告，所有故障情况管理的一个点。配置管理：无线网配置管理，保持忙于网络组件状态的数据信息。性能管理：从网络组件中收集测量数据，从原始数据中产生性能结果。图1-1NOKIAMSC机架示意图图1-2机房示意图二GSM的基本特点1．具有开放的接口和通用的接口标准这一特点是GSM生命得以延续的保证。1985年，GSM划分成多个独立工作组（WP），处理各专项工作，WP3专门完成诸如网络结构、信令协议以及开放的网络接口等，不仅限于空中接口，并且还包括系统内部、网络之间的各个接口，提供了高度标准化、接口优化的网络。GSM标准以ITU的规定为基础，与PSTN、ISDN等公众电信网有完备的互通能力。适应数字化发展的需要。使其具有自我发展的能力。2．用户权利的保护和传输信息的加密。GSM系统使用若干注册用户的特征号码，例如IMSI、TMSI、IMEI、LAI等，用于鉴权，证实用户是否有权入网，以及位置登记，用户信息保密等。每个GSM系统的注册用户获得一张SIM（SubscriberIdentityModule）卡，存储标志用户特征的号码（特征号码）、注册参数和与鉴权和加密有关的用户的全部信息3．支持电信业务、承载业务和补充业务。电信业务包括电话、短信息、可视图文、G3类传真、紧急呼叫等，是GSM的主要业务。跟ISDN定义一样，GSM承接业务不需要Modem就能提供数据业务，包括300~9600bits/s的电路交换异步数据、1200~9600bits/s的电路交换同步数据和300~9600bits/s分组交换异步数据。GSM的补充业务名目繁多，多达数十种，我们在下面的章节会有详细的介绍。

4.具有跨国漫游能力。GSM系统漫游是在SIM卡及国际移动用户识别码（IMSI）的基础上实现的。实际上，用户不必携带终端设备（如手机）而只需带着SIM卡进入其它国家，租借终端设备，仍可实现用户号码不变、计费帐号不变。漫游是移动通信的一个特征，当各运营商网络之间达成某些协议后，用户可以从一个网络进入另一个网络且网络自动地提供服务。

5.容量增大为模拟系统的（3~5）倍。容量增大的关键因素是对系统载噪比的要求降低为9dB，之所以同频复用模式典型地为4/12或3/9，甚至可以更小；半速率话音编码的实现，使GSM系统容量增大。6.频谱效率提高。由于采用了窄带调制、信道编码、交织、均衡和话音编码技术等，频率重复利用率高，组网灵活方便7抗干扰能力强，覆盖区内通信质量好。

三GSM系统发展概况1．1982年：欧洲邮电行政大会设立“移动通信特别小组”，即GSM。2．1986年：进行现场试验3．1987年：作出技术选择4．1988年：十八个欧洲国家达成GSM谅解备忘录5．1989年：GSM标准生效6．1991年：GSM系统正式在欧洲问世，网路开通运行。从此，移动通信跨入了第二代。第二节GSM网络结构概述一GSM网络结构介绍DX200DX200MSC/VLRTCHLR/ACU/EIRBSCDX200BTSBTSBTSMSBSSNSSCOMPUTERNETWORKPSTNPSTNNMS 图1-3GSM网络结构图二网元功能介绍1．MobileStation（MS）移动台(MS)是GSM移动通信网中用户所使用的设备，也是用户能够接触到整个GSM系统中的唯一设备,它由两部分组成:（1）智能部件用户识别模块(SubscriberIdentityModule,SIM卡)（2）移动台物理设备(MobileEquipment,ME)2．SubscriberIdentityModule（SIM卡）SIM卡是提供加密算法和制订用户资料的智能卡(smartcard),存储用户所有信息.主要功能是识别MS的当前用户.参与鉴权和加密过程.此外也存储用户的个人信息、如电话本等.具体功能如下:（1）固化数据存储:InternationalMobileSubscriberIdentity(IMSI)、Authenticationkey(Ki)、A3和A8算法。（2）临时的网络数据存储:当前LocationAreaIdentity(LAI)、encryptionkey(Kc)、TMSI(TemporaryMobileSubscriberIdentity)等。（3）用户个人信息存储:电话本、短信息、图片、音乐等。（4）参与实现安全性和移动性处理的过程。如鉴权、位置登记、Kc的产生等。3．MobileEquipment（ME）通过使用PIN(PersonalIdentityNumber)认证后，才能对SIM卡进行操作。移动台物理设备(ME)提供无线接入，是一个网络与用户之间的人机接口，使用户能够使用网络所提供的各种业务。具体功能如下：（1）无线信号的发送、接收和信号处理。（2）完成与无线信号相关的操作：功率控制(powercontrol,PC)、不连续传输(discontinuoustransmission,DTX)、跳频（slowfrequencyhopping，SFH).（3）呼叫处理（4）提供外部接口．4．BaseTransceiverStation（BTS）基站收发信台(BTS)提供GSM网络无线信号的覆盖。其组成包括：天线、无线信号发送和接收设备、信号处理设备等。它由基站控制器（BSC）控制，它是工作在某个小区的无线收发信设备，用于接收来自移动台的信号，并通过它发送信号给移动台,从而完成BSC与无线信道之间的信号转换。具体功能如下：（1）天线接收和发送。（2）无线信号收发和信号处理。（3）完成与无线信号相关的操作：功率控制(powercontrol,PC)、不连续传输(discontinuoustransmission,DTX)、跳频（slowfrequencyhopping，SFH)、语音加密(ciphering)。5．BaseStationController（BSC）基站控制器(BSC)在BSS子系统内充当控制器和话务集中器，它主要负责管理BTS，而且当BSC与MSC之间的信道阻塞时，由它进行指示。它同时具有对各种信道的资源管理、操作维护、观察测量和统计、功率控制、切换等功能。6．TranscoderSubmultiplexer(TC)编解码/复用器主要功能是实现码型变换和速率适配。例如，将13kbit/s语音信号转换成64kbit/s语音信号，反之依然。提供各种类型语音编码方案。如全速率FullRate(FR),半速率HalfRate(HR)和增强型全速率EnhancedFullRate(EFR)。7．MobileSwitchingCentre（MSC）移动业务交换中心(MSC)是网络的核心，完成位置登记、越区切换和自动漫游等移动管理工作。具有呼叫处理、路由选择、计费、回声抑制、超符合控制等功能；支持信道管理、数据传输以及包括鉴权、信息加密、移动台设备识别等安全保密功能。MSC可支持移动用户各种电信业务和承载业务，以及补充业务。与固定网连接的MSC称为移动关口局(GMSC)。当固定网用户呼叫GSM移动用户时，此呼叫首先被接入到GMSC，由其进行呼叫处理、路由选择等工作完成此次呼叫。它是移动网络与固定网络的接口。8．VisitorLocationRegister（VLR）访问用户位置寄存器(VLR)是为其控制区域内的移动用户服务，存储进入其控制区域内已登记的移动用户相关数据。如：用户的IMSI,当前LAI,用户定制的各种基本业务和补充业务等。这些数据是从该移动用户所在的归属位置寄存器（HLR）处获得，一旦用户离开该VLR的控制区域，则删除其存储在VLR中该移动用户的数据。VLR可看作一个动态的用户数据库。主要功能如下:移动性管理：位置登记IMSIattach和IMSIdetach.（2）参与呼叫处理①MOC和MTC②去话呼出限制服务③有条件呼叫转移服务,呼叫等待服务等④短信息SMS-MO,SMS-MT.（3）参与安全性处理①向AUC请求鉴权三参数组(triplets)②TMSI的使用③执行鉴权过程④TMSI的使用⑤启动加密⑥启动IMEIchecking和跟踪MSC会经常从VLR提取大量的用户数据，为了提高各项管理和呼叫建立的速度，目前两者是集成一体的(MSC/VLR)。9．HomeLocationRegister（HLR）归属用户位置寄存器（HLR）是GSM系统的中央数据库，存储移动用户的静态数据。包括移动用户识别号码、访问能力、用户基本和补充业务等数据，同时还存储着与归属用户有关的动态数据，如用户目前所在的MSC/VLR地址等。HLR为每个归属用户至少存储五组可用的鉴权三参数组（RAND/SRES/KC），任何时间都能根据MSC/VLR的请求而提供使用，进行鉴权。HLR也参与呼叫处理，例如：MTC，SMS-MT路由查询来话呼叫限制服务无条件呼叫转移服务附加业务的激活附加业务信息的修改10．AuthenticationCentre（AC）鉴权中心(AC)也是一个用户静态数据库，存储着用户鉴权使用的算法和加密密钥（Ki)，通过A3和A8算法为数据库中的用户产生鉴权三参数组（triplets），用来防止无权用户接入系统和保证通过无线接口的移动用户通信的安全。三参数组产生后存于HLR中。当需要鉴权时，由MS所在服务区的MSC/VLR从HLR中装载至少一套三参数组为此MS服务。具体到某次鉴权时，如果此时VLR中还有该MS的三参数组，则HLR不参与鉴权过程，VLR直接向MS下发鉴权命令；如果VLR中已经没有该MS的三参数组，则需首先向HLR取三参数组。11．EquipmentIdentityRegister(EIR)移动设备识别寄存器（EIR）是一种静态数据库，按照白色列表、黑色列表和灰色列表存储着用户的移动设备的国际移动设备识别码（IMEI）。它将用户提供的移动设备IMEI号码与它所存储在列表中的IMEI进行对照，根据用户所属列表得出以下结果：（1）白色列表准许使用（2）黑色列表不准使用（3）灰色列表异常需要监视目前AUC和EIR集成在HLR中。三常用接口简介图1-4GSM网络接口图1．A接口NSS与BSS之间的接口，物理链接通过标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现。2．Abis接口BSC与BTS之间的接口，物理链接通过标准的2.048Mb/s或64kb/sPCM数字传输链路来实现。3．Um接口（空中接口）BTS与MS之间的接口，物理链接通过无线链路来实现。GSM规定了两个真正开发的接口：空中接口和A接口第二章GSM网络基本概念第一节编号计划一国际移动客户识别码（IMSI）1．特定的客户识别码，在GSM网络中对应唯一用户2．IMSI号码结构：MCC+MNC+MSIN（1）MCC=移动国家号码（2）MNC=移动网号（3）MSIN=移动客户识别码3．作用：在gsm网络中唯一识别用户，用于GSM网所有信令中，存储在SIM卡、HLR和VLR中。二移动台ISDN号码（MSISDN）1．MSISDN是指主叫客户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动通信网中的客户所需拨的号码。2．号码的结构：CC+NDC+SN（1）CC=国家码（2）NDC=国内目的地码（3）SN=客户号码3．作用：识别用户、代表用户使用何种业务，存储在HLRVLR中。三移动客户漫游号码（MSRN）1．作用：用于选择路由的临时号码，路由一旦建立，此号码就可立即释放。2．区别：MSISDN与MSRN结构相同，但用于不同目的。MSISDN用于查询HLR而MSRN是服务的MSC/VLR所给予的响应，用于呼叫路由。MSRN中的SN是一个临时与IMSI相关的内部号，它不仅识别用户也指向它本身的交换机。MSRN是临时的。MSISDN中的SN是指向HLR中的数据库，MSRN的SN是指向VLR中的数据库。四临时移动客户识别码（TMSI）为了对IMSI保密，MSC/VLR可给来访移动客户分配一个唯一的TMSI号码。它由MSC自行分配，仅限在本MSC业务区内使用。存储在VLR、SIM中。五位置区识别码（LAI）1．用于移动客户的位置更新2．号码结构：MCC+MNC+LAC（1）MCC=移动客户国家码（2）MNC=移动网号（3）LAC=位置区号码作用：识别一个用户当前登记的位置、寻呼用户，它可能有一个或多个CELL组成。存储在VLR、SIM中。六全球小区识别码（CGI）1．CGI用来识别一个位置区内的小区2．结构：MCC+MNC+LAC+CI（1）CI=小区号，最大16bit。七基站识别码（BSIC）1．作用：BSIC是用于识别相邻网络的相邻基站的，为6bit编码。2．结构为：NCC+BCC（1）NCC=网络色码（2）BCC=基站色码八国际移动台设备识别码（IMEI）1．作用：唯一地识别一个移动台设备的编码，为一个15位的十进制数字。第二节移动性管理一位置区在了解位置登记之前，我们首先要清楚位置区这一概念，这就要牵涉到区域的划分问题。在小区制移动通信网中，基站设置了很多，移动台又没有固定的位置，移动用户只要在服务区域内，无论移动到何处，移动通信网必须能跟踪到移动台所在的位置以进行交换控制，从而实现位置更新、越区切换和自动漫游等网络功能。CellCellLocationAreaMSC/VLRAreaPublicLandMobileNetwork(PLMN)图2-1位置区示意图

由GSM系统组成的移动通信网络区域有以下的组成部分:1．服务区

服务区是指移动台可获得服务的区域，即不同的通信网（如PLMN、PSTN或ISDN）用户无需知道移动台的实际位置而可与之通信的区域。一个服务区可由一个或若干个公用陆地移动通信网（PLMN）组成，可以是一个国家或是一个国家的一部分，也可以是若干个国家。2．公用陆地移动通信网（PLMN）

PLMN是一个提供通信业务的地理区域，它可以认为与ISDN网或PSTN公共电话网并列，也可以说是它们的扩展。一个PLMN区可由一个或若干个移动业务交换中心（MSC）组成，在该区内具有共同的编号制度和共同的路由计划。3．MSC区

MSC是由一个移动业务交换中心控制的所有小区共同覆盖的区域，它构成PLMN网的一部分。一个MSC区可以由一个或若干个位置区组成。4．位置区

位置区是指移动台可以任意移动，不需要进行位置更新的区域。位置区可由一个或若干个小区（或基站区）组成。为了呼叫移动台，可在一个位置区内向所有基站同时发出寻呼信号。5．基站区

由置于同一个基站点的一个或若干个基站收发信台（BTS）包括的所有小区所覆盖的区域叫一个基站区。也就是说，每一个正六边形的小区称为一个基站区。6．小区

小区是采用基站识别码或全球小区识别码进行标识的无线覆盖区域。在采用全向天线结构的模拟网中，小区即为基站区，在采用120度角天线结构的GSM数字移动网中，小区是每个120度角的天线所覆盖的正六边形区域的三分之一。而基站区正是由三个小区组成的正六边形区域。二位置更新1．定义：当移动台出于某种需要或发现其存储的LAI与接收当前小区的LAI号发生变化时,就必须通知网络来更改所存储的移动台的位置信息,这个过程就是位置更新。2．位置更新类型：（1）根据网络标识分为：①一般位置更新②周期性位置更新③位置登记（2）根据位置变化分为：①同一个VLR②不同VLR3．基本概念：（1）一般位置更新：在空闲模式下，手机总是在听最近的基站发出的广播消息，这些消息中有位置区的信息，手机比较SIM卡中存储的LAI和接收到的LAI，如果不一样，手机开始做位置更新，成功后SIM卡中存储新的LAI。这种情况发生在手机从一个位置区移动到另外一个位置区。（2）周期性位置更新：周期性位置更新的时间记录在手机的SIM卡中，使用这个值使手机周期性的进行位置更新，周期性位置更新时间由运营商自己决定。当网络在一个特定时间内没有收到任何来自移动台的位置更新请求，就执行周期位置更新。（3）位置登记：当手机开机，手机开始IMSIattach过程。换句话说，手机通知网络它已经进入激活状态。VLR将移去IMSIdetach标志。4．流程举例：MSVLRMSVLRnewVLRoldHLRBSSnewMSCnew1.Loc.Upd.request(TMSI-old+LAI-old)3.Auth.Data+IMSIReqest(TMSI)4.Response(IMSI,auth.triplets)5.Auth.Request(RAND)6.Auth.Response(SRES)7.Locationupdate(IMSI,newMSC/VLRaddr.)8.SubscriberData(T11,T21,T22,Bxx,allSSs)9a.Cancellocation10.Locationupdateacknowledge2.Analysedata(LAI-old)9b.CancellocationAck.图2-2interVLRlocationupdate过程（1）MS向新的VLR发LU请求（TMSI+LAI）（2）VLR(新)从最后一次接收到的LAI中找到VLR（旧）地址（3）VLR(新)通过TMSI向VLR（旧）要用户数据（4）VLR（旧）传送用户数据（IMSI和鉴权三参数）（5）开始鉴权（6）鉴权通过，VLR(新)通过IMSI向HLR要完整的用户数据（7）HLR送用户数据至VLR(新)（8）HLR纪录VLR(新)地址，同时通知VLR（旧）删除用户数据（9）VLR(新)向MS送认知信号，将TMSI和LAI存入SIM5．问题讨论：手机何时发送IMSI进行位置更新？手机发送IMSI进行位置更新的几种情况：（1）一个新用户第一次开机。（2）手机从一个PLMN到另外一个PLMN。（3）手机从一个VLR到另外一个VLR，旧VLR发生了重启。（4）手机从VLR中删除。

三切换1．定义切换（Handover)是指将一个正在进行中的呼叫从一个无线信道切换到另一个无线信道，以保证呼叫不中断。切换允许在不同的小区之间进行，也就是通常所说的越区切换；也允许在同一个小区的不同无线信道之间进行。触发切换的原因：（1）预防性功率预算切换（2）救援性电平切换（3）救援性质量切换（4）距离切换（5）话务切换2．分类根据切换在时隙、载频、小区、BSC或MSC等不同实体之间发生，可把切换分为下面5种情况：（1）小区内部切换：指同一小区内（同一基站收发信台）的物理信道之间的切换，包括在同一载频或不同载频的时隙之间切换。在下列两种条件下可采用此类切换：①正在通信的物理信道受到干扰，通话无法进行下去。②由于维护等原因，正在通信的物理信道或载频单元必须退出服务。（2）小区之间切换（BSC内部切换）：指同一基站控制器BSC控制的不同小区之间的信道切换。（3）BSC之间切换（MSC内部切换）：指同一移动业务交换中心MSC所控制的不同基站子系统之间的信道切换。（4）MSC之间切换（PLMN内部切换）：指同一公用陆地移动通信网PLMN覆盖的不同移动业务交换中心MSC之间的信道切换。此类切换可分为两种：①基本切换过程：呼叫从起始建立的那个MSC-A切换到另一个MSC-B。②后续切换过程：呼叫从起始建立的那个MSC-A切换到另一个MSC-B后，再从MSC-B切换到第三个MSC-C或切换回MSC-A。（5）PLMN之间切换：指不同公用陆地移动通信网PLMN之间的信道切换。从技术角度考虑，这种切换是可行的，但从运营部门的管理角度考虑，这种切换涉及到在不同国家之间进行的话，也许会受到限制。3．切换举例（1）同一BSC内不同小区间的切换：在BSC控制范围内切换要求BSC建立与新的基站之间的链路，并在新的小区基站分配一个业务信道。网络MSC对这种切换不作控制。图2-3同一BSC内不同小区间的切换（2）同一MSC/VLR内不同BSC控制的小区间的切换：当原BSC决定切换时，需要向MSC请求切换，然后再建立MSC与新的BSC、新的BTS的链路，选择并保留新小区空闲业务信道供移动台切换后使用；最后命令移动台切换到新频率的新的业务信道上。切换成功后移动台同样需要了解周围小区的信息，若位置区发生了变化，呼叫完成后必须进行位置更新。图2-4同一MSC/VLR内不同BSC控制的小区间的切换（3）不同MSC/VLR控制的小区间的切换：当移动台从正在为其服务的原MSC的区域移动到另一个MSC管辖的区域时，（称此时的MSC为目标MSC），目标MSC要向原MSC提供一路由信息以建立两个移动交换机的连接，这个路由信息由切换号码HON（HandoverNumber）提供。图2-5不同MSC/VLR控制的小区间的切换4．流程举例：BSSBSSoldMSColdMSCnewBSSnew1.handoverrequest(CGI)2.PerformhandoverRequest3.handoverrequest4.ho-requestacknowledge5.Response6.Callsetup(HandoverNumber)7.handovercommand(newChannel)9.handoveriso.k10.Clearconnection8.MobileaccessAnalyseCGI图2-6InterVLRhandover过程（1）BSC向自己的MSC（旧）发起handover请求（送过来我想去的小区的CGI）（2）MSC分析CGI，找到想要去的交换机（新）（3）向新交换机发起handover请求（4）新交换机将handover请求发给新的BSC（5）新的BSC检查自己是否有空闲信道可以分配给它（6）若可以则告知MSC（7）MSC产生HON(handovernumber)，将其送给旧MSC（8）旧MSC通过HON在两MSC之间建立连接（9）将handover命令发给旧的BSC（包括新的信道）（10）进行切换，成功后切断MS与旧BSC的连接四漫游移动台从一个PLMN覆盖区移动到另一个PLMN覆盖区叫做漫游(Roaming)。实际上，漫游是指移动台无论是在归属GSMPLMN覆盖区内移动，还是移动到其它GSMPLMN覆盖区内，都可以进行去话呼叫或来话呼叫。由GSM系统构成的移动通信网络能自动跟踪正在漫游的移动台的位置，位置寄存器之间可以通过7号信令链路互相询问和交换移动台的漫游信息，从技术上保证了GSM系统能有效地提供自动漫游功能。只要在国内或国际的不同运营部门之间，能够就有关漫游费率结算办法和网路管理等方面达成协议，保证漫游计费和位置登记等信息在不同PLMN网路之间正常传递，那么就能实现自动漫游功能。第三节安全性管理一鉴权当移动客户开机请求接入网路时，即用户发起鉴权的请求时，AC将产生随机数RAND，RAND与Ki（在创建用户时同时生成的，同时也存放在SIM卡中）通过A3算法得到SRES，与Ki通过A8算法得到Kc，系统将这三个要素发送至VLR，VLR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MSC／VLR。MSC／VLR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。MSC／VLR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。注意Ki在加入AC的数据库之后就不能显示了。RAND、SRES和Kc是鉴权三参数，将其送到VLR，如果需要的话，一次可以传递几组鉴权参数。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。A3A3RANDKi128bit128bitSRES*32bitA3RANDKi128bit128bitSRES32bitSRES*=?SRESSRESRANDSRES32bitmobilenetworkSIMHLR/AUC/EIRMSCSIM图2-7GSM鉴权图示二加密GSM系统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。当客户侧计算SRES三参数组的提供时，同时用另一算法(A8算法)也计算出密钥Kc。根据MSC／VLR发送出的加密命令，BTS侧和MS侧均开始使用Kc。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。A8RANDA8RANDKi128bit128bitKc64bitA8RANDKi128bit128bitRANDencrypted

datamobilenetwork(BTS)MSwithSIMACBSSSIMA5Kc64bitA5MSdatadatacipherkey三IMEICHECK每个移动台设备均有设备识别码(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IMEI15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。EIR中存有三种名单：（1）白名单包括已分配给可参与运营的GSM各国的所有设备识别序列号码。（2）黑名单包括所有应被禁用的设备识别码。（3）灰名单包括有故障的及未经型号认证的移动台设备，由网路运营者决定。四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MSC／VLR分配，并不断地进行更换，更换周期由网路运营者设置。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。每当MS用IMSI向系统请求位置更新、呼叫尝试或业务激活时，MSC／VLR对它进行鉴权。允许接入网路后，MSC／VLR产生一个新的TMSI，通过给IMSI分配、位置更新TMSI的命令将其传送给移动台，写入客户SIM卡。MSC／VLR和MS之间的命令交换就使用TMSI，客户实际的识别码IMSI便不再在无线路径上传送。五PIN和PUK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Password功能)。PIN码是由4～8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”PUK，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。第三章GSM业务介绍第一节GSM系统的业务分类和特征一业务分类GSM业务就是GSM系统为满足用户的通信要求而向用户提供的服务。二业务特征电信业务是指为用户通信提供的包括终端设备功能在内的完整能力的通信业务。承载业务提供用户接入点即用户与网络接口间的信号传输能力。GSM支持的基本业务如下：附加业务是对基本业务的改进和补充，它不能单独向用户提供，而必须与基本业务一起提供。同一附加业务可应用到若干个基本业务中。主要电信业务有：电话业务、紧急呼叫业务、短消息业务、传真业务。主要承载业务有：同步9600bits/s数据传输。附加业务是基本电信业务的增强或补充，其包括：计费提示、来话限制、呼出限制、呼叫保持、呼叫等待、遇忙呼叫前转、无答应呼叫前转、无条件呼叫前转、主叫线识别显示、会议呼叫等。第二节基本业务呼叫流程一MOC和MTC1主叫和被叫都是移动用户,当主叫发起呼叫时拨打被叫用户的移动号码（被叫MSISDN）,并将被叫MSISDN送至主叫MSC.2主叫MSC分析被叫MSISDN号,向被叫用户的HLR做HLRENQ.3根据HLR中的信息得到被叫用户所在的VLR地址.4VLR通过HLR向主叫MSC回送用于本次呼叫建立的MSRN.5主叫MSC用MSRN与被叫MSC建立话路.6被叫MSC检查被叫用户的信息后,发起寻呼,被叫用户收到寻呼信号后开始振铃,用户应答后双方开始通话.二SMS_MO和SMS_MTMO信令流程点对点短信业务分成MO和MT两个部分，MO过程中手机将短信成功发送到短信中心，短信中心对收到的短信进行调度处理，然后下发(即MT过程)。以下给出了MO短消息处理流程。具体说明如下：移动台MS向VLR提交访问请求和可选的鉴权请求（Accessrequestandpossibleauthentication）；移动台MS向MSC提交短消息（Messagetransfer）；MSC向网关SMS-IWMSC上传短消息（forwardShortMessage）网关SMS-IWMSC向SMC提交短消息（Messagetransfer）；SMC向网关SMS-IWMSC应答传送报告（Deliveryreport）；SMS-IWMSC向MSC回送传送报告（Deliveryreport）；MSC向MS回送传送报告（Deliveryreport）。然后手机才会显示短信发送成功。2．MT信令流程点对点短信的MT过程比较复杂，与MO相比，多了去HLR查询路由的过程。以下给出了MT短消息处理流程。具体说明如下：短消息中心SMC向网关SMS-GMSC提交消息传送请求Messagetransfer；网关SMS-GMSC向HLR查询发送路由sendRoutingInfoForShortMsg；网关SMS-GMSC向MSC前传短消息forwardShortMessage；MSC向VLR查询发送路由sendInfoForMT-SMS；MSC向移动台MS发送短消息Messagetransfer，在给手机转发短前，MSC要经过寻呼和鉴权。MS向MSC回送转发报告Messagetransfer。MSC向SMS-GMSC回送转发报告Deliveryreport；SMS-GMSC向HLR和SC回送转发报告Deliveryreport。第四章GSM无线网络概述第一节频率/时间分隔蜂窝系统一小区结构和载频复用蜂窝移动电话的服务区域（例如一个城市）被划分成若干个相临的小区，每个小区在理论上是一个正六边形的区域，由于看上去象是一个个的蜂窝，所以称作蜂窝移动通信系统。在每个小区的大约中央位置的一定楼层高度上建有无线基站。基站负责将本小区内移动电话的呼叫传送到移动业务交换中心，并在移动电话局的控制下实现移动用户间通话的转接，以及移动用户与市话用户通话的转接。

蜂窝移动通信的另一个主要特点表现在频率可以重复使用上。由于GSM数字蜂窝小区半径范围一般是0.5公里至35公里，基站功率相对减小，无线电波在空间传播一定距离后强度又会变弱，因此如果相隔一定距离的小区使用相同的频率工作,这两个同频小区之间的干扰由于很小而可以忽略,从而使得频率复用在GSM系统中得以实现；合理配置频道，就是保证相临小区群使用相同的频道组，又使干扰控制在允许的范围内。目前分配给GSM系统使用的频段是：935-960MHz（信号从基站传给手机）；890-915（信号从手机传给基站）。这个频段又按一定的频道间隔（200kHz，即每200kHz取一个频率值，每个频率值属于一个频道）分成若干个频道。那么总共有125（用频道宽度25MHz除以频道间隔200kHz）个频道可以使用。以下是一个以每四个小区为一个小区群重复使用频率的例子.

图4-14*3频率复用方式

在这里每一个小区采用三个定向天线将整个小区划分成三个更小的小区,我们称为小小区.以每四个相临小区为一个小区群,每个小区群包含12个小小区,假设我们使用120个频道，可将120个频道分成12个频率组（每组10个频道）。第一个小区群中的1号小小区使用第一组频率，2号小小区使用第二组频率……第12号小小区使用第12组频率；而第二个小区群中的1号小小区又可重复使用第一个小区群中1号小小区使用的第一组频率……以次类推。如果将一个城市分成72个小区，建72个基站，则频率可重复使用18次，这样就可有120×18×8（每个频道可同时供8个用户使用）=17280个用户同时通话了。由此可见，蜂窝移动电话系统大大提高了用户容量。二工作频带和载频间隔GSM系统使用如下射频频带，上行（移动台发——基站收）890～915MHz（下频段）下行（基站发——移动台收）935～960MHz（上频段）这种上行、下行使用不同频段同时工作的方式叫双工双频制。双工频率间隔为45MHz（935-890=45）载频间隔（也叫频道间隔）为200kH。此外ETSI还指定了GSM1800和1900两个工作频段用于GSM系统。对于GSM900频段又分为G1(E-GSM)频段和P频段。表4-1GSM频段分配表900MHz频段G1频段上行频率(原E－GSM)880890MHzP频段上行频率890915MHzG1频段下行频率(原E－GSM)925935MHzP频段下行频率935960MHz双工间隔45MHz载频间隔200kHz1800MHz频段上行频率17101785MHz下行频率18051880MHz双工间隔95MHz载频间隔200kHz1900MHz频段上行频率18501910MHz下行频率19301990MHz双工间隔80MHz载频间隔200kHz应用蜂窝结构的GSM系统采用时分多址的接入技术，因此GSM系统是一个频率——时间分隔的蜂窝系统，载频间隔为200kHz，而每个载频按时间分隔为8个时隙的一个TDMA帧，即每个载频含8个信道。每一个小区基站含有若干个预先分配的频道/时间信道。有关这方面的概念，在以后的章节中将会有进一步的了解。第二节多址连接技术和帧结构多址连接技术是研究如何使众多的用户共用公共的通信线路的一门技术。从移动通信系统的构成来看，大部分移动通信系统都有若干个基站和更多的移动台。基站要和许多移动台同时通信，因而基站通常是多路的，有多个信道，而每个移动台只供一个用户使用，是单路的。许多用户同时要求通话，以不同的移动信道分隔，防止相互干扰。在移动通信系统中，各用户信号通过在频道上的复用，从而建立各自信道，以实现双方通信的连接称为多址连接。

信道是一种信息传输通道，在这个通道中，信号可以以一定的形式稳定的传输。在频分多址（FDMA）中，一个信道就是指一个频道；在时分多址（TDMA）中一个信道指一个时隙，下面章节会详细介绍。

GSM系统在空中接口采用多址接入技术，多址技术使众多的用户共用公共的通信线路。为使信号多路化而实现多址的方法基本上有三种，它们分别采用频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。频分多址：频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一路话音或控制信息。在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。模拟蜂窝系统是采用FDMA接入技术的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM系统就采用了FDMA。时分多址：时分多址是在一个宽带的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。GSM数字蜂窝系统就采用了此种方式。码分多址：它是一种对不同用户分配一组不同的码序列实现的多址方式，码分多址方式往往与扩频技术相结合。它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息。图4-2三种多址方式示意图GSM采用的是既频分又时分的多址方式。载频的划分是按照频分复用方式，信道（时隙）的划分是按照时分复用方式。一频分多址（FDMA）频分多址以频率来区分信道。在一个基站控制的小区内，每个频率在同一时间只能供一个用户进行通话。FDMA应用在模拟移动通信系统中。以模拟TACS系统为例，其频段宽度为45MHz，频道间隔为25kHz，那么在935～960的上行频带内，每25kHz取一个频率，可以得到935，935.025，935.05……959.05，959.075和960MHz一共1000个互不交叠的载波频率（简称载频）。频分多址方式将手机发出的信号调制到移动通信频带内的不同载频位置上，这些载频在频率轴上分别排开、互不重叠。基站可以根据载波频率的不同来识别发射地址（即是哪只手机），从而完成多址连接。所以，FDMA中，每个载频对应一个信道，而且由于信道在时间轴和空间轴上没有被分割，所以信号可以在每一个载频信道上连续传输。

二时分多址（TDMA）在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙，每个业务信道占有一个时隙，在规定的时隙内收发信号，这种多址方式称为时分多址。频分多址与时分多址的比较我们可以用一座楼房来形容。假设有一座楼，共有4个楼栋，那么每一栋就相当于一个频道。这座楼的高度是无限高的，就相当于时间轴。该楼被分为无数个高度相同的楼层。在频分多址中，每一个用户独自占有一个频道，即占有一个楼栋。他的话音信息及其它信息就象在房间里放砖一样按照从低到高的顺序一个一个，一层一层地往上堆。待到通话结束后，该频道（即该楼栋）再分配给其他用户使用。但是在每个用户使用期间，信息是连续传输的，也即砖是一层连一层的码放的。

在时分多址中，每8个用户共同使用一个频道，即占有一个楼栋。每个用户的信息被平均分成大小相同的若干个段，第一个用户的第一段信息就放在第一层，第二个用户的第一段信息放在第二层……第八个用户的第一段信息放在第八层，到了第九层，再放第一个用户的第二段信息，第十层放第二个用户的第二段信息……，就这样放下去。那么第1，1+8n（n=1，2，3，4……）层就被第一个用户占用，第2，2+8n（n=1，2，3，4……）层则属于第二个用户，依次类推。当第一个用户通话结束后，属于他的那些层被释放，分配给其他要求通话的用户使用。由此可见，在时分多址中用户的信息是不连续传输的，也即砖是隔开周期性码放的。三帧的结构TDMA的帧有帧、复帧、超帧结构。一个载波的8个时隙构成一个帧,帧长为4.615ms。TDMA帧无限重复构成数字基带信号，经GMSK调制后所占频道宽度为200kHz。26个TDMA帧和51个TDMA帧组成的两个复帧是为满足业务信道和控制信道的信息传输而设立的。超高帧可以用作加密和跳频的最小周期。图4-3帧结构图第三节数字信号与信号的调制一数字信号GSM系统是数字通信系统，其数字化体现在它所传输的信号是数字信号。我们知道人的话音信号是模拟信号，经抽样、量化及编码后，模拟信号就被转换成数字信号。由于取样值间隔的时间很短，所以不会影响对原来声音的判别，在接收端将数字信号还原成模拟信号后，通话的另一方并不会感觉到话音是断断续续的。二信号的调制当话音信号在手机中被转换成数字信号后，需经过多次处理，如话音编码，信道编码，加密，TDMA帧形成等，再经过调制才被发送到无线信道上，传送给基站。在手机与基站之间走的是无线线路，是通过无线电波的发射来传送信号的。这与电台的原理是一样的。信号被放到一定的载波频率上才能发送出去，这时载波就好象汽车，信号就好象货物。没有汽车，货物是无法到达目的地的。而信号如何放到载波上就是调制要解决的问题。

通常我们采用的是相位调制。相位调制是指幅度A与频率ω不变，只有相位φ表示数字信息，所以叫相位调制。在空中传输的时候，数字信息就加载在相位上，接收端通过将相位值还原成数字信息就可以得到用户的原信息，这就是调制。GSM采用GMSK调制方式，叫做高斯滤波型最小移频键控。第四节信道和突发脉冲序列

一信道移动电话和固定有线电话的通话方式是有区别的。固定有线电话是由市话局直接通过实线与用户连接的，当电话因故障不通时，只需沿线查清即可。而无线移动电话的通话则有所区别，在手机与基站之间都是靠无线信令信道随机的分配给每个用户一个无线语音信道来实现的，这种靠空间传播的方式是看不见、摸不着的无线传播通道.用户的移动电话实际上是一个收信机和发信机的结合体。而在基站子系统与交换子系统之间有两种连接方式,一种是以上所讲的无线传播方式,通常是采用小微波传输方式。另一种则是通过光缆这种有线线路传输，其特点是信号稳定，且不受外界环境影响，但成本过高。当您打开手机电源，手机会自动寻找就近的基站，基站将信号传到交换机进行确认您的手机是否是本网有权户。空中接口（Um）就是移动台（MS）与基站收发信台（BTS）之间接口的统称。它使用了每个载频TDMA时分多址的概念，每个TDMA帧包括八个时隙（TS），从BTS到MS的方向定为下行传输，相反的方向称为上行传输。1．物理信道一个载频上的TDMA帧的一个时隙称为一个物理信道，它相当于FDMA系统中的一个频道，每个用户通过一系列频率中的一个信道接入系统，因此，GSM中每个载频有8个物理信道，即信道0～7（时隙0～7）。在一个时隙中发出的信息称为一个突发脉冲序列。2．逻辑信道通常在BTS与移动台（手机）之间要传递大量的信息，根据传递信息的种类，我们定义不同的逻辑信道。逻辑信道在传输过程中要被放在某个物理信道上，但周期因功能而定。逻辑信道可分为两类，即业务信道和控制信道