第3章 GSM系统组网技术B

3.3GSM系统的无线接口3.3.1GSM系统无线传输特征3.3.2帧结构、信道分类和时隙格式3.3.3GSM系统中语音处理流程3.3.4跳频技术所谓跳频，是指载波频率在很宽的频率范围内按某种图案（序列）进行跳变；图GSM系统的跳频示意图3.3.4跳频技术跳频速率：1/4.615ms=217跳/s；处理增益：Gp=10lg(Bw/Bc)；Bw：跳频系统的跳变频率范围

Bc：跳频系统最小跳变的频率间隔优点：降低了同频道干扰和频率选择性衰落；3.3.4跳频技术注意事项：（1）为防止出现频率击中现象，同一小区或邻近小区不同载频采用相互正交的伪随机序列；（2）跳频设置需根据统一的超帧序列号，以提供频率跳变的顺序和起始时间；BCCH和CCCH信道没采用跳频；3.3.4跳频技术第3章GSM系统组网技术3.1概述3.2GSM系统网络组成与接口协议3.3GSM系统的无线接口 3.4GSM系统的接续和管理

3.5通用分组无线业务（GPRS） 现代移动通信网络技术53.4GSM系统的接续和管理3.4.1SIM卡结构和特点3.4.2位置管理

3.4.3安全性管理3.4.4呼叫接续3.4.5越区切换3.4.1SIM卡结构和特点1、SIM卡的结构SIM卡是带有微处理器的智能芯片卡，它的构成包括CPU、程序存储器（ROM）、工作存储器（RAM）、数据存储器（EPROM或E2PROM）、串行通信单元模块，这五个模块集成在一块集成电路中保证其安全性，防止通过攻击芯片间的连线来非法存取和盗用SIM卡。3.4.1SIM卡结构和特点2、SIM卡的特点人机分离；通信安全可靠；成本低；3.4GSM系统的接续和管理3.4.1SIM卡结构和特点3.4.2位置管理

3.4.3安全性管理3.4.4呼叫接续3.4.5越区切换3.4.2位置管理定义：移动通信网为了跟踪移动台的位置变化，而对其位置信息进行登记、删除和更新的过程；位置信息存储在HLR和VLR中；1、位置区

GSM蜂窝系统把整个网络的覆盖区划分为许多位置区，并以不同的LAI码进行标识，此标识在BCCH信道中传送，如下图所示。图位置区划分的示意图

3.4.2位置管理3.4.2位置管理2、当一个移动台进入一个新的位置区时，位置登记过程分为三个步骤：在管理新位置区（LA）的新的VLR中登记MT（实施Addnew操作）；修改HLR中记录服务该MT的新VLR的ID（实施Edit操作）；将旧的VLR和MSC中该MT数据注销（实施Delete操作）。3.4.2位置管理3、寻呼当移动用户被呼时，首先根据HLR和VLR中可用的位置信息来定位移动台在哪个位置区，然后通过“寻呼”过程，即所在位置区的所有小区的寻呼来确定移动台处于哪个小区。3.4.2位置管理4、位置更新过程（1）正常位置更新（2）IMSI码附着和分离过程（3）周期性位置更新（1）正常位置更新过程图位置登记过程举例

3.4.2位置管理（2）IMSI码分离/附着过程在GSM系统中，通过在MSC/VLR中的用户记录上附加一个二进制标志来识别移动台的两种状态（开机或关机），称为“IMSI码附着或分离”；IMSI码附着：当移动台开机时，需将自己已开机的状态通知系统，即通过向网络发送一条“IMSI附着”消息来通知网络它目前的状态；IMSI码分离：在此过程中，仅有一条非证实指令从移动台发送到MSC/VLR，MSC收到后，通知VLR对该IMSI做“分离”标志；3.4.2位置管理（3）周期性位置更新使移动台在经过一定时间后，自动向网络报告其目前位置；GSM系统通过此机制可以及时了解移动台当前的状态是否发生了变化；通过BCCH信道通知周期性登记的时间周期；周期性位置更新过程与正常位置更新过程是相同；3.4.2位置管理3.4GSM系统的接续和管理3.4.1SIM卡结构和特点3.4.2位置管理

3.4.3安全性管理3.4.4呼叫接续3.4.5越区切换GSM系统为了保证通信安全，在空中接口采取了如下措施保证通信的安全：鉴权加密设备识别用户识别码保密3.4.3安全性管理1、三参数组用户鉴权键Ki和国际移动用户识别码（IMSI），存储于AUC和SIM卡中；产生一随机数，计算出三参数组(RAND,SRES、Kc)，送给HLR；AUC按下列步骤产生三参数组，参见下图所示；3.4.3安全性管理3.4.3安全性管理IMSI：国际移动用户识别码Ki：用户鉴权键Kc：加密密钥SRES：符号响应RAND：随机数图AUC产生的某用户三参数组3.4.3安全性管理2、鉴权GSM网络确定移动台在身份验证过程中在无线接口传输的IMSI码或TMSI码的合法性的过程；其目的是防止无权用户接入GSM系统，同时也防止合法用户的私人信息被非法用户窃取；一般在每次呼叫建立尝试、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；鉴权程序见下图所示。3.4.3安全性管理图

鉴权程序3.4.3安全性管理3、加密GSM系统为确保用户信息和信令信息的私密性，在BTS和MS之间交换信息是专门采用了一个加密程序，防止第三方窃听；加密流程一般出现在位置更新、业务接入、局间切换等服务请求中；加密程序如下图所示。图

加密流程3.4.3安全性管理4、用户识别码的保密

为了防止非法监听进而盗用IMSI，在无线链路上需要传送IMSI时，均用临时移动用户识别码（TMSI）代替IMSI；MS每次向系统请求一种程序，如位置更新、呼叫尝试等，MSC/VLR将给MS分配一个新的TMSI；在无线信道上传送不断更新的TMSI代替唯一不变的IMSI，因而确保了IMSI的安全性；

3.4.3安全性管理5、设备识别目的：确保系统中使用的设备不是盗用的或非法的；EIR中存储了所有移动台的惟一的IMEI码；EIR中使用三种设备清单（1）白名单：合法的移动设备识别号；（2）黑名单：禁止使用的移动设备识别号；（3）灰名单：由运营者决定是否使用；设备识别在呼叫建立尝试阶段进行。3.4.3安全性管理3.4GSM系统的接续和管理3.4.1SIM卡结构和特点3.4.2位置管理

3.4.3安全性管理3.4.4呼叫接续3.4.5越区切换1、移动用户主呼移动用户向固定用户发起呼叫的接续过程如下图1所示。2、移动用户被呼固定用户向移动用户发起呼叫的接续过程如下图2所示。3.4.4呼叫接续图1移动用户主呼过程3.4.4呼叫接续MS进入“初始化”过程；在移动台MS和移动业务交换中心MSC之间建立信令链接；进入呼叫建立起始阶段；分配业务信道；建立至被叫用户的呼叫；被叫摘机，进入通话阶段；3.4.4呼叫接续图2移动用户被呼3.4.4呼叫接续通过7号信令，GMSC（入口MSC）接受来自固定网（PSTN）的呼叫；GMSC向HLR询问被叫移动用户正在访问的VMSC的地址；GMSC从HLR获得MSRN后，重新寻找路由建立至被访VMSC的通路；被访VMSC从VLR获取被呼MS的相关“呼叫参数”；3.4.4呼叫接续MSC通过位置区内所有基站向MS发送寻呼信息；被叫MS收到寻呼消息后，执行初始化过程，在SDCCH信道上向VMSC发回“寻呼响应”消息；通过执行与前述的出局呼叫流程中相同的过程，直至MS振铃，向主叫用户回送呼叫接通证实信号；移动用户摘机应答，向固定网发送应答连接消息，最后进入通话阶段。

3.4.4呼叫接续3.4GSM系统的接续和管理3.4.1SIM卡结构和特点3.4.2位置管理

3.4.3安全性管理3.4.4呼叫接续3.4.5越区切换1、越区切换（handover）（1）概念指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移动另一个基站的过程，该过程也称为自动链路转移ALT（AutomaticLinkTransfer）。3.4.5越区切换1、越区切换（handover）（2）切换方式硬切换：在新的连接建立以前，先中断旧的连接；例，GSM系统；软切换：当与新基站建立可靠连接之后再中断旧的连接；例，IS-95系统；3.4.5越区切换软切换较硬切换的优点和缺点：可利用新、旧链路的分集合并来改善通信质量；有效提高切换的可靠性，大大减少由于切换造成的掉话；软切换导致硬件设备增加，前向容量有所降低；软切换的实现条件：同一频率；3.4.5越区切换1、越区切换的概念（3）GSM系统越区切换控制策略GSM系统中，采用“移动台辅助越区切换（MAHO）”控制方法，即系统要求移动台测量其周围基站的信号质量并把结果报告给旧基站，系统根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。在现有系统中，GSM和IS-95系统均采用了移动台辅助越区切换。3.4.5越区切换（4）越区切换时的信道分配问题解决当呼叫转移到新小区时，新校区如何分配信道，使得越区失败概率尽可能小。常用的做法是：在每个小区预留部分信道专门处理越区切换。这种做法的特点是：新呼叫时可用信道数的减少，导致呼损率的增加；但好处是减少了由于越区所带来的通话被中断的概率。3.4.5越区切换（1）切换种类同一个BSC，不同小区同一个MSC/VLR，不同BSC不同MSC/VLR的区间切换2、GSM系统中的越区切换3.4.5越区切换3.4.5越区切换图

同BSC的两个BTS间切换图

同MSC/VLR不同BSC间的切换图

不同MSC间的切换图不同MSC的切换流程

（2）不同MSC之间的切换流程

3.4.5越区切换第3章GSM系统组网技术3.1概述3.2GSM系统网络组成与接口协议3.3GSM系统的无线接口 3.4GSM系统的接续和管理3.5通用分组无线业务（GPRS）

现代移动通信网络技术443.5通用分组无线业务（GPRS）3.5.1概述

3.5.2GPRS网络结构、接口及协议3.5.3GPRS移动性管理和会话管理

3.5.4GPRS空中接口

1、GPRS简介

GSM系统中每个TDMA时隙只能提供9.6kb/s的传输速率，为了承载中高速无线数据业务，GSM推出了GPRS（通用分组无线业务）中速移动数据业务。

GPRS:GeneralPacketRadioService,通用分组无线业务。3.5.1概述GPRS对传统GSM的改进：GSMPhase2.1规范实现的内容之一，目标是提供高达百kb/s速率的分组数据业务；每用户在一帧中可使用多个时隙；多个用户也可共享同一条无线信道；在GSM中提供了一个“分组交换”承载网络；3.5.1概述2、GPRS的特点采用分组交换方式，仅在实际传送和接收数据时才占用无线资源；使用GPRS，在一个小区内，多个用户可以共享一条无线信道同时进行通信，大大提高信道利用率；GPRS能够提供更高的数据传输速率，可提供包括图片、语音和视频在内的多媒体业务；GPRS接入网络速度快，用户只需经历一次“附着”过程（3~5s），便成为网络的服务对象，以后每次使用时只需一个“激活”过程（1~3s），就能马上登录网络。3.5.1概述2、GPRS的特点具有“永远在线”的特点，即用户可随时与网络保持联系；GPRS手机计费是根据用户传输的数据量而不是根据上网时间来计费，且费用比按时计费的WAP更合理；GPRS手机可以浏览普通的Internet网页；3.5.1概述3、GPRS提供的业务（1）承载业务点对点（PTP）业务；点对多点（Point-To-Multipoint）业务；PTM-M（Point-To-MultipointMulticast）：向同一给定地区用户群发送；PTM-G（Point-To-MultipointGroup）：向用户组发送；3.5.1概述3、GPRS提供的业务（2）用户终端业务基于点对点（PTP）的用户终端业务：信息点播业务会话业务远程操作业务E-mail业务基于点对多点（Point-To-Multipoint）的用户终端业务：包括实现分配、调度、会议、预定发送及地区选路等业务。3.5.1概述3.5通用分组无线业务（GPRS）3.5.1概述

3.5.2GPRS网络结构、接口及协议3.5.3GPRS移动性管理和会话管理

3.5.4GPRS空中接口

3.5.2GPRS网络结构、接口及协议1、GPRS网络结构及实体功能将现有GSM网络改造为能提供GPRS业务的网络需要增加两个主要单元：SGSN（GPRS服务支持节点）和GGSN（GPRS网关支持节点）。GPRS网络结构如下图所示。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议图GPRS系统结构（1）GPRS移动台用户通过GPRS移动台利用空中接口同BTS通信，并可以建立到SGSN的逻辑链路。有三种类型：A类操作模式：MS能同时工作于GPRS（分组交换业务）和GSM（电路交换业务）；B类操作模式：MS可同时附着在GPRS和GSM网络上，但同一时刻只能运行一种业务；C类操作模式：MS不能同时附着在GPRS网和GSM网上；3.5.2GPRS网络结构、接口及协议（2）分组控制单元（PCU）

PCU是基站子系统（BSS）为支持GPRS而引入的设备，它的主要功能包括：使BSS提供数据功能，支持分组呼叫控制和分组数据传输；大部分分组无线资源管理功能；

3.5.2GPRS网络结构、接口及协议（3）服务GPRS支持节点（SGSN）

SGSN是为移动终端（MS）提供GPRS业务的节点。其主要作用是记录移动台的当前位置信息，为本SGSN服务区域的MS转发分组数据，其地位类似于GSM电路网中的VMSC。SGSN提供如下功能：3.5.2GPRS网络结构、接口及协议（3）服务GPRS支持节点（SGSN）SGSN作为GPRS网的主要成分，负责分组的路由选择和传输；SGSN还有很多功能，例如处理移动管理和进行鉴权操作，并且具有注册功能；SGSN之间采用IP协议作为骨干传输协议，整个分组的传输过程采用“GPRS隧道协议”。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议（4）网关GPRS支持节点（GGSN）外部分组数据网与GPRS核心网之间的网关节点。作为网关，完成协议转换，从而将GPRS分组数据传送到远端网络或反之。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议从外部网络角度看，GGSN是到子网的路由器，GGSN对外部网络“隐藏”了GPRS的结构。当GGSN接收到寻址特定移动用户的数据时，GGSN检查这个地址是否处于激活状态。如果处于激活状态，就转发数据到相应的SSGN；如果不是激活的，则数据将丢弃。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议2、接口和协议（1）主要接口GPRS系统中的主要接口均用字冠G来表示，采用GSM中的相关词汇表示，例如，GGSN-HLR间接口用Gc表示，参照接口GMSC-HLR就用C表示。GPRS网络的主要接口如下图所示。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议3.5.2GPRS网络结构、接口及协议图GPRS系统主要接口2、接口和协议（2）相关协议

GPRS的协议体系如下图所示。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议图GPRS数据传输协议平台3.5.2GPRS网络结构、接口及协议（2）相关协议1）在Um接口包含的协议栈子网依赖汇聚协议（SNDCP）：其主要作用是压缩和解压缩用户数据或协议控制信息，提高信道利用率；完成网络协议单元（N-PDU）分解成逻辑链路控制协议数据单元（LLC-PDU）；或反之，将LLC-PDU组装成N-PDU；本层还用于不同分组数据协议的合路、确定TCP/IP地址和加密方式。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议（2）相关协议1）在Um接口包含的协议栈逻辑链路控制协议（LLC）：是一种基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议，可以在MS和SGSN之间提供安全可靠的逻辑链路，并独立于底层无线接口协议。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议（2）相关协议2）在Gb接口包含的协议栈GPRS基站系统协议（BSSGP）：这个层用来传输在BSS和SGSN之间与选路和服务质量（QoS）有关的信息，BSSGP没有纠错功能。网络服务（NS）：这个层基于帧中继连接的基础上传输BSSGPPDU。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议（2）相关协议3）在Gn接口包含的协议栈GPRS隧道协议（GTP）：GPRS骨干网中GSN间的用户数据和信令利用GTP进行隧道传输。所有的点对点协议数据单元（PDU）都通过GTP协议进行封装打包，封装方式为在用户的PDU上封装GTP字头，其为20字节的固定格式，其中后8个字节标识特定用户的隧道标识（TID）。GTP的下层是基于TCP/IP协议簇的标准IP骨干网。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议3、数据发送的一般原理（1）移动台发送数据到外部分组数据网的固定终端移动台发送的数据经由BSS送到SGSN，然后通过“GTP隧道传输机制”发往GGSN，最后送至固定终端；

3.5.2GPRS网络结构、接口及协议3.5.2GPRS网络结构、接口及协议图

移动用户向外网目的主机发送数据包3、数据发送的一般原理（2）外部分组数据网的固定终端向移动台发送数据由外部网络设备发送的所有数据都要传向GGSN，GGSN利用“GTP隧道”将数据传至SGSN。3.5.2GPRS网络结构、接口及协议3.5.2GPRS网络结构、接口及协议图

移动用户向外网目的主机发送数据包

3.5通用分组无线业务（GPRS）3.5.1概述

3.5.2GPRS网络结构、接口及协议3.5.3GPRS移动性管理和会话管理

3.5.4GPRS空中接口

1、GPRS移动性管理移动性管理功能用于在PLMN中保持对MS当前位置的跟踪。在GPRS网络中的移动性管理功能与GSM系统类似，一个或多个小区构成一个路由区（RA），一个SGSN对几个路由区提供服务。RA由一个或多个小区组成，可等同于一个位置区或一个位置区的子集。路由区由路由区标示（RAI）来标识，RAI作为一种系统信息在公共控制信道广播。3.5.3GPRS移动性管理和会话管理1、GPRS移动性管理用户的移动性管理用3个不同的移动性管理（MM）状态：空闲（Idle）状态、待命（Standby）状态、就绪（Ready）状态来描述，每个状态描述了一定的功能性级别和分配的信息。这些由MS和SGSN所拥有的信息集合称为移动性上下文（MMContext）。3.5.3GPRS移动性管理和会话管理2、GPRS会话管理GPRS用户与网络附着后，网络为MS分配一个IP地址，使其成为外部IP网络的一部分，这一过程称为PDP上下文激活，属于GPRS会话管理（SM：sessionmanagement）过程。3.5.3GPRS移动性管理和会话管理

PDP上下文描述了PDP状态及当前业务的相关信息，主要包含以下内容：所采用的PDP网络的类型（IP、X.25等）；终端的PDP地址（IP地址、X.121地址）；PDP状态（激活或去激活）；接入点名称APN；网络服务接入点标识NSAPI；协定的服务质量QoS；3.5.3GPRS移动性管理和会话管理3.5通用分组无线业务（GPRS）3.5.1概述

3.5.2GPRS网络结构、接口及协议3.5.3GPRS移动性管理和会话管理

3.5.4GPRS空中接口

1、无线分组逻辑信道类型

GPRS空中接口的逻辑信道如下表所示。它分为四个信道组：分组数据业务信道分组广