第5章 无线通信系统-2

复习：GSM是GlobalSystemforMobilecommunications(全球移动通信系统)，主要三种不同的版本GSM900、DCS1800和PCS1900，采用FDD双工技术，采用TDMA/FDMA多址接入方式。GSM系统由三部分组成，即运营支持子系统(OSS)，网络子系统(NSS)和基站子系统(BSS)网络子系统(NSS)主要由移动业务交换中心(MSC)、访问用户位置寄存器(VLR)、归属用户位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)、移动设备识别寄存器(EIR)几部分构成。GSM系统主要接口：

BTS与MS之间Um接口；BSC与BTS之间Abis接口；BSC与MSC之间A接口。GSM移动通信系统1复习：无线子系统包括基站子系统(BSS)和移动台(MS)两部分。基站子系统BSS包括基站控制器BSC和基站收发信机BTS两部分。通常一个BSC可以控制多个BTS。BTS主要由公共子系统、载频子系统、射频前端子系统和天馈子系统四个功能子系统组成。BTS中有4类总线：数据总线(DBUS)、控制总线(CBUS)、时钟总线(TBUS)和跳频总线(FHBUS)。无线子系统的组网方式可分为：星型组网、链型组网、树型组网和环型组网。25.1.4GSM逻辑信道

GSM逻辑信道分为业务信道(TCH)和控制信道(CCH)。

业务信道：传输用户的数字化语音或数据。

无论是上行还是下行链路，业务信道都有同样的功能和格式。

控制信道：用于在MS和BS之间传输控制信息(信令)。

在上下行链路之间，不同的控制信道格式可能是不同的。

GSM系统中，一个时隙构成一个物理信道。不同的时隙可以映射为不同的逻辑信道。即物理信道在不同的时间可用来传送不同功能的数据。Um接口的逻辑信道31.业务信道(TCH)

TCH可分为全速率信道和半速率信道两大类。

全速率信道：一个时隙只传输一个用户的数据。

半速率信道：传输信息时，两个用户的业务数据映射到同一个时隙上，采用隔帧传送的方式，即每个用户的信息都是每隔一帧交替进行发送。因此，两个半速率的用户可以共享同一个时隙。

目前GSM系统还是采用全速率信道传送，编码速率降低后可能采用半速率信道传送。

42.控制信道(CCH)

控制信道：用于传送系统的信令和同步信号。

控制信道复帧包含51个TDMA帧。

GSM中主要有三类控制信道：

广播信道(BCH)、公共控制信道(CCCH)和专用控制信道(DCCH)。5

1)广播信道(BCH)

BCH：是一点对多点的单方向控制信道，用于传送频率校正、同步及系统消息，同时也被邻接小区的用户监测。

BCH是在一个小区的指定ARFCN的特定帧TS0中发送，只用于前向链路（BS→MS）。

广播信道分为三种类型：频率校正信道、同步信道、广播控制信道。

(1)频率校正信道(FCCH)：传送移动台的频率校正信息。在控制复帧的第0帧发送，每隔10帧重复一次。保证手机的频率和BTS一致，即让手机锁定BTS频率。

下行信道6

(2)同步信道(SCH)：传送供MS对基站进行同步识别校准的信息。SCH紧接在控制复帧的FCCH帧后发送，每隔10帧重复一次，携带有MS帧同步信息、基站识别码等。

(3)广播控制信道(BCCH)：传送BTS相关的网络信息，当移动台开机但没有通话时，会周期性的监视BCCH中的信息（至少每30秒）。

其传输的信息包括：位置区识别码、小区识别码、本小区使用的频率列表、邻近小区描述、随机接入控制信息、小区选择参数、控制信道描述、小区选项等。

在控制复帧的第2帧到第5帧发送BCCH数据。

72)公共控制信道(CCCH)

CCCH用于BTS和MS之间传递控制信息，完成寻呼和呼叫建立功能。系统内所有移动台共用。

CCCH可分为以下三种类型：寻呼信道、随机接入信道和接入认可信道。

(1)寻呼信道(PCH)：是一个下行信道，当基站寻呼MS时，用于通知MS有来自网络的呼叫，并要求MS通过随机接入信道(RACH)发出响应信息和提供鉴权信息，传送被呼用户的IMSI，有时可能采用TMSI。

用户被呼叫时使用8

(2)随机接入信道(RACH)：是一个上行信道，用于MS对PCH的回应，或随机提出入网申请（MS主动发起呼叫），即请求分配独立专用控制信道(SDCCH)。

(3)接入认可信道(AGCH)：是一个下行信道，用于基站对移动台的随机接入请求作出应答，即给移动台分配一个SDCCH或直接分配一个TCH。

MSBSPCH寻呼MSBSRACH回应寻呼或入网申请MSBSAGCH入网应答下行下行上行93)专用控制信道(DCCH)

由基站分给某一特定的移动台专用的。和业务信道TCH一样，也是双向传送的，在上下行链路中有相同的功能和格式，可存在于除了广播信道TS0帧之外的任何时隙中。

GSM中有三种类型的专用控制信道：

(1)独立专用控制信道(SDCCH)。用于传送鉴权、业务信道指配信息。在BTS认可MS的接入请求之后，BTS和MSC需要一段时间来验证移动台身份并为它分配业务信道。例如登记、鉴权在此信道上进行。空闲状态下短消息和小区广播也在该信道上传送。传送内容包括：位置更新、周期性位置更新、IMSI分离和附着、呼叫建立、点对点短消息。10(2)慢速辅助控制信道(SACCH)。是一个双向的点对点控制信道，用于在MS和BTS之间周期性地传送某些特定信息，例如无线传输的测量报告（用于MS切换）、功率控制等。

(3)快速辅助控制信道(FACCH)。该信道传送与SDCCH相同的信息。当没有为移动用户分配SDCCH，但需要处理紧急事务(如切换请求等)时才分配。通过从业务信道借取帧来实现信令传输的。若TCH中的两个“借取帧比特”被置位，则表明这个时隙中包含FACCH，而不是TCH。

几种不同的逻辑信道可以在同一物理时隙上传输，同一逻辑信道也可以在不同的物理时隙上传输.111213MS发起呼叫并建立通信的过程：

1、用户开机后，MS监测广播信道BCH，通过接收FCCH、SCH、BCCH的信息，MS同步到就近的基站。

2、当用户通过拨号发出呼叫时，MS通过随机接入信道(RACH)向BTS发送RACH数据突发序列，请求信道。

3、基站通过接入认可信道AGCH发送信息对MS作出响应，即给MS分配一个新的信道作为独立专用控制信道SDCCH。随后MS将转接到该SDCCH上和BTS进行通信。逻辑信道应用实例144、MS转接到SDCCH后，MS首先等待通过慢速辅助控制信道传给它的SACCH帧，该帧告知MS要求的时间提前量和发射机功率等。（与SDCCH联用）

5、在SDCCH传送MS与基站间交互信息期间，还同时配合MSC处理对该用户进行的鉴权操作。若鉴权通过,MS通过SDCCH向MSC传送业务信道请求。

6、MSC要求BS给MS分配一个无线业务信道(TCH)。

7、若BS找到一个空闲TCH,则向MS发分配命令。同时基站就命令MS从当前SDCCH转到指定的TCH上。

8、一旦转接到TCH，就进入正常的通话状态，语音在上下行链路上传送，呼叫建立成功，SDCCH被清空。连接完成后,向MSC返回分配完成信息。15⑩①②③④⑤⑥⑦⑧⑨RACHAGCHSDCCH165.1.5GSM帧结构

GSM系统中每8个时隙组成一个TDMA帧，多个TDMA帧构成复帧。

GSM中复帧有两种：

第一种是26帧的业务复帧，每个业务复帧包含26个TDMA帧。

第二种是51帧的控制复帧，每个控制复帧包含51个TDMA帧。

多个复帧构成超帧，超帧由51个26帧的业务复帧或者由26个51帧的控制复帧组成，因此一个超帧包含51×26=1326个TDMA帧，共占6.12s的时间长度。

2048个超帧构成超高帧。17帧结构中涉及以下概念：时隙TDMA帧复帧超帧超高帧188时隙→TDMA帧26TDMA帧→1复帧51复帧→1超帧2048超帧→1超高帧业务信道帧结构8时隙→TDMA帧51TDMA帧→1复帧26复帧→1超帧2048超帧→1超高帧控制信道帧结构19图5-17GSM系统的时帧结构关系20GSM规定了五种数据突发序列格式。常规突发脉冲序列（NB）双向信道上完成常规信息的传送频率校正突发脉冲序列（FB）下行信道上完成手机频率校正功能同步突发脉冲序列（SB）下行信道上完成手机帧同步功能接入突发脉冲序列（AB）上行信道上完成手机接入网络申请功能空闲突发脉冲序列填充前向链路上未使用的时隙215.1.6语音编码和信道编码

图5-19给出了语音在GSM移动台中处理后送至发送端的过程。1.语音编码

GSM采用规则脉冲激励-长期预测编码(RPE-LTP)的编码方式，其处理过程是先对语音信号进行抽样(8kHz)，按每20ms为一帧进行处理，输出RPE-LTP的纯比特率为13kb/s。

2.信道编码

信道编码时，为了提高编码效率，按数据的重要性分别使用块编码器和卷积编码器进行不同程度的冗余处理。

223.交织

GSM系统采用交织技术来减小突发错误的影响。

交织技术的实质是时间分集，就是将要传输的数据码元重新排序，排序的结果使得突发差错时产生的成串错误的比特位来自交织前信道编码不同的位置。在接收端去交织后，数据编码恢复了原来的顺序，从而连续的突发差错就变成了离散的随机差错，而随机差错可以用卷积编码等信道编码技术进行纠正。

GSM系统中采用了比特交织和块交织两种方法。23在信道编码后，输出为456个编码比特按行的顺序写入一个矩阵，然后按列读处。一个子块57bit。1917∶∶∶449210∶∶∶∶450311∶∶∶∶451412∶∶∶∶452513∶∶∶∶453614∶∶∶∶454715∶∶∶∶455816∶∶∶∶45657bit比特交织块交织是在不同的语音帧之间进行的。245.1.7GSM安全性管理

包括用户鉴权、加密、移动设备识别等。

鉴权：是确认移动用户是否有权入网，即鉴别移动台传送的IMSI是否是在入网时登记或签约的。该过程是在MSC和用户SIM卡之间进行的。

加密：是为了防止移动用户信息被人非法窃听。

移动设备识别：防止用户手机被盗用，这是通过IMEI检查来实现的。

讲述GSM系统采取的安全措施之前，有必要说明一下表明用户身份的SIM卡的内容和鉴权中心(AUC)的内容。25SIM卡中包含：IMSI、用户鉴权密钥Ki、安全算法、TMSI、位置区识别码LAI、被禁止的PLMN业务等数据。

AUC中包含：随机数发生器、用户鉴权密钥Ki、IMSI和安全算法（鉴权算法和加密算法）。

网络对用户的鉴权与用户信息加密是基于三个参数进行的，即随机数RAND、响应数SRES和加密密钥Kc。

用户鉴权密钥Ki：每个用户在购买MS(或只是SIM卡)并进行初始注册时，都会获得一个用户电话号码和国际移动用户识别码IMSI。IMSI会被写卡机一次写入到用户的SIM卡中，同时还会产生一个和该IMSI唯一对应的用户鉴权密钥Ki。26随机数RAND：由AUC中的伪随机码发生器产生。

响应数(SRES)：RAND和Ki经AUC中的A3算法产生。

加密密钥(Ke)：RAND和Ki经AUC中的A8算法产生。

1.鉴权过程

鉴权的过程简述如下：

1、移动交换中心MSC向移动台发出鉴权命令信息，其中包含鉴权算法所需的随机数(RAND)。

2、移动台的SIM卡在收到命令之后,先将RAND与自身存储的密钥Ki按照A3算法计算，得出一个响应数(SRES),MS再通过鉴权响应信息，将SRES值送给MSC。

273、MSC在给移动台发出鉴权命令的同时,也采用同样的算法得到自己的一个响应数(SRES)。

图5-25鉴权过程4、若这两个SRES完全相同,则认为该用户是合法用户,鉴权成功;否则,认为是非法用户,拒绝用户的业务请求。282.GSM系统的加密过程

1、在鉴权通过后,移动台利用随机数(RAND)和A8算法计算出加密密钥Kc。

2、当MSC发送出加密命令(M)时,BTS先收到该命令,再传送给MS。

3、MS将Kc和数据信息一起经A5算法进行加密,经加密的用户信息传送至网络方。

4、同时，网络方也采用A8算法得到自己的加密密钥Kc。对接收到的已加密数据，用加密密钥Kc和算法A5进行解密，若得到正确的用户数据，则加密成功，否则，加密失败。29图5-26加密过程30

3.移动设备识别

移动设备识别过程如下：

(1)MSC要求MS发送IMEI。

(2)MS发送IMEI。

(3)MSC转发IMEI给EIR。

(4)在EIR的三种清单中核查IMEI，返回信息至MSC。

这三个清单分别是:

白名单:已经分配给参加运营者的所有序列号码的识别。

黑名单:所有被禁止使用设备的识别。

灰名单:有故障及未经型号认证的设备，由运营者决定。

白名单允许入网31

4.TMSI的使用

当MS发生位置更新，发起呼叫时，MSC将分配给IMSI一个新的TMSI，并由MS存储于SIM卡上，此后，MSC与MS间的信令联系只使用TMSI。使用TMSI主要是为了对用户IMSI保密和避免被别人对用户定位。

MSC根据IMSI变换出相应的TMSI,分配给用户使用,并且不断地进行更换,更换周期由网络运营者设置。更换的频率越高,起到的保护作用越大,但由于对用户的SIM卡寿命有影响,因而更换不能过于频繁。

325.PIN码

PIN码：是SIM卡的个人识别密码，是为防止别人盗用SIM卡而设置的。如果启用了开机PIN码，那么每次开机后就要输入4位数PIN码。在输入三次PIN码错误时，手机便会自动锁卡，并提示输入PUK码解锁。

PUK码由8位数字组成，这是用户无法更改的，只有补换SIM卡后PUK码才会变更。当手机PIN码被锁，并提示输入PUK码时，千万不要轻举妄动，因为PUK码只有10次输入机会，10次都输错的话，SIM卡将会被永久锁死，也就是报废。部分SIM卡的PUK码是用户在购卡时随卡附带的，如中国移动的神州行等，而另一部分则需要向网络运营商索取。335.1.8GPRS通用分组无线业务

1.GPRS概述

GPRS是GeneralPacketRadioService的缩写，称为通用分组无线业务，是在现有GSM系统上发展起来的一种分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM相同的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则和帧结构。现有基站子系统(BSS)可提供全面的GPRS覆盖。

GPRS特别适用于间断的、突发性的和频繁的少量数据传送，也适用于偶尔的大数据量传输，仅当有数据准备要发送时才使用空闲的时隙，容量按需分配。34GPRS的技术优势如下：

(1)资源利用率高。GPRS使用了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，即多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。

(2)传输速率高。GPRS可提供高达115kb/s的传输速率。这意味着通过便携式电脑，GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。

35(3)接入时间短。分组交换接入时间少于1秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些业务(如信用卡核对、远程监控等)的效率，并且可使已有的Internet应用(如网页浏览、E-mail等)操作更加便捷、流畅。

(4)支持IP协议和X.25协议。GPRS支持应用最广泛的IP协议和X.25协议。另外，由于GSM网络覆盖面广，使得GPRS能提供Internet和其他分组网络的全球性无线接入。36

2.GPRS系统结构

GPRS支持节点(GSN，GPRSSupportingNode)是GPRS网络中最重要的网络节点。

GSN具有移动路由管理功能，可以和各种类型的数据