电子it知识gsm数字移动通信原理

总纲第一章GSM简介第二章GSM的基本原理第三章GSM的关键技术和业务第一章GSM简介GSM网的发展GSM优于模拟网的四个优点GSM网的两个开放接口移动通信概念

移动通信就是通信双方至少有一方在运动状态中进行信息交换，它包括移动用户之间的通信、固定用户与移动用户的通信，概括来说就是“动中通”。按此定义，陆地移动通信、移动卫星通信、舰船通信，航空通信等都属于移动通信的范围蜂窝状移动电话发展的概况第一代模拟移动通信：以FDMA技术为基础

TACS英国（totalacesscommunicationsystem)

工作频段900M,FDD(频分双工）

AMPS美国(advancemobilephonesystem)1978800M,FDD

NMT北欧(nordicmobiletelephone)1981450MFDD第一代模拟网特点

FDD双工方式调制方式为调频频谱利用率低体制过多，不易于国际漫游话音不保密不安全，容易被盗号业务种类单一频谱利用率低无法漫游中国第一代使用的是TACS1987大规模使用在1989年新蜂窝标准的

要求

主要的要求：每个国家应该拥有若干网络运营者，这将在费用和提供的业务上引入竞争。系统必须是一个开放系统--在不同的系统部件之间包含良好定义的接口。GSM网的构建不会引起已经存在的公用交换电话网(PSTN)任何大的变动

其它要求：泛欧良好的语音质量无线频率的有效使用大容量与ISDN兼容与其它数据通信规范兼容对用户和传输的信息保持良好的安全性GSM优点GSM能有效地使用无线频率，并且由于采用数字无线通道，系统能容许更多的区间干扰。平均话音质量比现有的模拟系统更高。全网络支持数据传输。语音加密和用户信息安全性得到保证。由于与ISDN的兼容性，较之模拟系统可提供新的业务。在涉及到的所有国家范围内，国际漫游在技术上成为可能。巨大市场加剧了竞争，并且降低了投资和使用价格。GSM的发展1985年提出了移动通信的全数字化，并对泛欧数字蜂窝状移动通信提出了具体要求。根据目标提出了两项主要设计原则：一、话音和信令都采用数字信号传输，数字话音的传输速率降低到16kb/s或更低；二、不再采用现有模拟系统使用的12.5~25kHz标准宽带。采用时分多址接入方式。GSM的发展1986年欧洲国家的有关厂家向GSM提出了八个系统的建议，并在法国巴黎进行移动实验的基础上对系统进行了论证比较1987年就泛欧数字蜂窝状移动通信采用时分多址（TDMA）规则脉冲激励—长期线性预测编码（RPE-LTP）的高斯基带滤波最小移频键控调制方式(GMSK)取得一致意见，并提出了如下主要参数：

频段：935~960MHz基站发，890~915MHz移动台发；频带宽度：25MHz；通信方式：全双工；载频间隔：200kHz；信道分配：TDMA每载频8时隙，全速信道8个，半速信道16个；信道总速率：270.8kb/s；调制方式：GMSK，调制指数0.5；话音：RPE-LTP13kb/s；数据：9.6kb/s；分集接收：跳频217跳/秒，交织信道编码，自适应均衡，判决反馈自适应均衡器；每个时隙信道比特：33.8kb/s。

GSM的开放接口A

NMSNSSBSSO&MAirMSSIM卡和移动设备移动台MS(MobileStation)移动设备ME(MobileEquipment)用户识别模块SIM(SubscriberIdentityModule)SIM卡中包含的信息有：国际移动用户身份识别号IMSI(InternationalMobileSubscriberIdentity)临时移动用户身份识别号TMSI(TemporaryMobileSubscriberIdentity)

位置区识别号LAI(LocationAreaIdentity) 用户身份鉴权密键Ki(SubscriberAuthenticationKey) 移动设备ME(MobileEquipment)

移动设备是GSM网络中唯一用户实际看到和使用的部分。移动设备主要有以下三种：

车载台这种设备装在汽车上，天线装在车外。便携式这是一种便携式的移动设备，天线不是直接装在设备上的。手持式即日常所说的手机，天线直接装在手机上。

第二章GSM的基本原理单元目标：解释物理信道和逻辑信道的不同。描述空中接口的特性是如何影响移动台与网络之间的语音传输的，并简略地解释对这些问题的解决方法。描述GSM的基本网络拓扑GSM频率分配GSM-900上行链路下行链路915MHz890MHz935MHz960MHzGSM-1800上行链路下行链路1785MHz1710MHz1805MHz1880MHz载波频率范围GSM900上行链路: 890-915Mhz下行链路: 935-960Mhz载波对(inMhz)890.0 935.0890.2 935.2890.4 935.4.... .... .... ....914.8 959.8915.0 960.0双工频率=45MhzGSM1800上行链路: 1710-1785Mhz下行链路: 1805-1880Mhz载波对(inMhz)1710.0 1805.01710.2 1805.21710.4 1805.4.... ........ ....1784.8 1879.81785.0 1880.0双工频率=95Mhz124对载波374对载波频分多址--FDMAFDMA就是从若干信道频率中为一个用户指定一个信道时间功率频率25kHz时分多址(TDMA)

技术原理BTSTimeSLot0TSL1TSL2TSL3TSL4TSL5TSL6TSL7码分多址--CDMACDMA是很多用户使用相同的宽带无线信道，每个用户使用一个特殊的识别数据信号（正交扩展码）。所以，识别据决定着可收容的用户数。频率功率时间1.23MHz调制技术数字信号幅移键控频移键控010相位调制数字信号0101相移键控00009009003.69ms高斯最小频移键控

(GMSK)ttDigital

signal

results

in

usual

sinx/x

spectrumGaussian

filter

maintains

constant

envelopeDatabitsmustbefilteredGaussianFiltereddataGSM数字无线接口

无线接口是移动台和基站收发机之间接口的统称。使用了每个载频占用一个TDMA帧的时分多址的概念。每帧包括8个时隙，从BTS到MS为下行，相反为上行。4.615msTDMATDMA第n帧TDMA第n+1帧TDMA第n+2帧FDMA200kHz

1

2

312312425MHzChannel890上行915MHzMSTxMHzFDMA200kHz

1

2

312312425MHzChannel935下行960MHzBTSTxMHz时隙577μs124信道×8时隙=922双工信道军事后勤问题每辆车八个座位信道的定义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的一个接入系统,因此,GSM中每个载频有8个物理信道,信道0～7(时隙0～7)。在一个TS中发出的信息称为一个突发脉冲序列，见图。2、逻辑信道：公共信道，专用信道逻辑信道公共信道广播信道公共控制信道专用控制信道业务信道FCCHSCHBCCHSDCCHSACCHFACCHPCHRACHAGCHTCH/FTCH/HTCH/EFR专用信道逻辑信道TDMA帧中的逻辑信道专用信道26帧-复帧SACCH空闲TDMA帧01234567公共信道51帧-复帧01234950TDMA帧012345670123122524空中接口中的

突发脉冲序列和时隙

......来自移动台的突发脉冲序列BTS2Mbit/stoBSCTDMA时隙TDMA帧定义：FDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。普通突发脉冲序列和

访问突发脉冲序列148Bits148Bits保护时间(8.25Bits)148Bits88Bits88Bits88Bits保护时间(68.25Bits)576.9microsecs(156.25bittimes)普通突发脉冲序列接入突发脉冲序列普通突发脉冲序列NBTB3加密比特5711训练比特26加密比特57TB3GP8.250.577ms156.25bitsGP：保护间隔8.25bit大约30μs，是一个空白空间。由于每个信道最多有8个用户，我们必须保证它们使用各自时隙时不互相重叠。一个帧中的时隙布局为：有两个58比特的用户信息脉冲串，其中57比特传送用户信息，1比特是用来识别传输的话音，“0”比特状态表示话音信息，“1”表示被快速随路信令借用。在时隙的中间有26个比特的训练，在时隙的开始和结束均有3个比特的逻辑零的尾位。多路径传播符号间干扰RX灵敏度BTS多路径传播引起的衰落大约17cm衰落话音编码SpeechCoderBitsOrdered260bits260bits50Veryimportantbits132Importantbits78OtherbitsLPC_LTP_RPE线性预测编码－长期预测编码－规则脉冲激励

较PCM编码的码率为低20毫秒的语音编码为260比特

即13K比特/秒第一次交织第二次交织语音处理流程

语音数字化和信源编码信道编码交织和加密TDMA突发脉冲序列格式GMSK调制22.8kbit/s13kbit/s33.8kbit/s22.8kbit/sAir接口跳频F2F1F3F4时间

GSM系统采用跳频的目的无线传输受到瑞利衰落的影响，在信号的不同频率上有不同的衰落，频率相差愈大，其相关性越小，频率相差1MHz时，几乎是完全不相关。因此在跳频时分散到不同频率上的突发脉冲帧不会受到同一瑞利衰落的影响，从而改善了传输质量。当高速移动的移动终端，它受到同一频率的两个突发脉冲帧之间位置变化，也要承受衰落的影响，所以慢跳频系统对快速移动的终端系统增益的改善不大。天线接收机分集接收的信号RXRX信号处理无线Approx.6m(GSM-900)Approx.3m(GSM-1800)绕射衰落解决方法：自适应功率控制BTS传播延迟和AFA分配的时隙分配的时隙BTS传播延迟的影响使用自适应帧校准的解决方法BTS基站不断测量自己脉冲时隙与收到的MS时隙之间的时间偏量，基于这个测量，它可以向MS提供要求的时间提前量，并在SACCH上以每秒2次的频度通知MS。空中接口的问题及其解决方案BTS配置全向BTSf1,f2,f33定向BTS2定向BTSf2f1,f2f5,f6f1f3,f4BSC-BTS连接BSCBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTS点到点连接多点链接多点环路码型变换器和子复用器TC64kbps16(13+3)kbps13kbps16kbps(90信道)16kbpsTCSM(码型变换器/子复用器)MSCBTSBSCSMUXTCTC第三章GSM的关键技术和业务单元目标列出三个GSM子系统，解释移动性概念(切换、位置更新、寻呼)。解释GSM网中移动台始发和移动台终接呼叫是如何被处理的。解释安全的概念。列出和解释由GSM网提供的至少四种运行的业务。移动用户

用户位置用户识别用户需求

关于用户的信息一个“用户”的“登记”

“更新用户数据”大使馆“

业务”的提供移动电话开机BTSGSM数据库(1)SIM卡中的信息安全处理信息用户识别号码临时网络信息访问权(nat,intl)允许的网络禁止的网络用户识别模块(SIM)GSM数据库(2)归属位置寄存器(HLR)永久数据用户当前所在VLR的定期更新访问位置寄存器(VLR)临时数据当用户在读VLR的覆盖区内时，存储用户的相关数据，直到用户离开。从HLR中更新总是做在一起的与一个移动业务交换中心(MSC)VLRMSCHLRGSM网中的数据库VLRMSCGSM网SIMHLR

用户开机BSSMSCVLRHLR请求用户信息INFOHLR更新结束MS位置更新请求发送用户ID请求用户ID发送用户信息INFO鉴权鉴权应答位置更新

移动台监听网络广播的信息。移动台在SIM卡中存储当前位置区识别码。移动台继续监听广播信息。如果网络广播的位置区识别码与存储在SIM卡中的不同，移动台开始位置更新过程。VLRMSC(旧)位置更新所涉及的组件VLRMSC(新)HLRSIM位置更新移动台迁移位置更新类型开机也就是所谓的“IMSI的附着”和“位置登记”每次移动台开机时完成一般性的每次移动台改变位置区时完成周期性的自从网络的上一次事务处理以来，一个预设的计时器到期后执行计时器的值依赖于网络运营商VLRMSCLA2LA1PSTN始发的GSM网

呼叫建立(1)被拨打的号码是移动用户国际ISDN号码(MSISDN)MSISDN=CC+NDC+SNCC:国家代码NDC:国内目的地代码SN:用户号码358505527268358=国家代码(芬兰)50=国内目的地代码(Radiolinja)5527268=用户号码PSTNMSISDNGSM网的呼叫建立(2)PSTN将呼叫路由至GSM网MSC被连至PSTN，就是所谓的网关

MSC(GMSC).GMSC分析接收到的MSISDN任何时候唯一知道GSM用户处于何处的数据库是HLRGMSC向HLR请求路由信息以便知道将呼叫路由至何处这个过程就是所谓的HLR查询VLRGMSCGSM网络

MSISDNPSTNHLRGSM网的呼叫建立(3)

HLR查看它的数据库。HLR数据库的内容是:

MSISDN:358505527268 IMSI:244052200002345 VLR地址:xyz

用户数据:业务....

IMSI=MCC+MNC+MSIN IMSI:国际移动用户识别码

MCC:移动台国家代码(3位)

MNC:移动网代码(2位)

MSIN:移动用户识别号码(10位) 244052200002345 244:芬兰的MCC 05:Radiolinja的MNC 2200002345:MSINGSM网呼叫建立(4)HLR从它的数据库提取用户的VLR地址。HLR发送一个路由信息请求消息至目标MSC/VLR目标MSC/VLR为这个呼叫分配一个移动用户漫游号(MSRN) MSRN=CC+NDC+SN MSRN的格式与MSISDN一样。MSISDN中的SN项指向HLR中数据库某个位置，在MSRN中，它指向VLR中数据库某个位置。MSRN拥有足够的信息使得GMSC将呼叫路由至目标MSCVLRVLRMSCMSC路由信息请求消息HLRGSM网的呼叫建立(5)目标MSC前转MSRN至HLRHLR前转这个号码至始发MSC始发MSC分析MSRN.漫游号码的格式类型使得呼叫可被路由至目的地MSC,可能是世界上任一地方。VLRMSCMSCMSRNNo.toHLRVLRHLR35850456456GSM网的呼叫建立(6)GSM网内呼叫建立所涉及的组件VLRGMSCGSM网

MSISDNPSTNHLRVLR网络子系统总结(第一部分1)组件:MSC,VLR,HLR功能呼叫控制移动性管理信令(对BSS,其它网络,其它NSS组件)用户数据处理为移动终接呼叫定位用户计费AirAO

&

MVLRMSCVLRMSCHLRLocationAreasMSC/VLR区被分成称为位置区的小区域。用户可以在这个区域范围内移动，而不需要做出一般的位置更新。LA的最大尺寸可以是一个MSC区，最小尺寸也可以是一小区。寻呼是在用户当前所处的LA中的所有小区中进行的。LAI=MCC+MNC+LAC LAI=位置区识别码

MCC=移动台国家代码

MNC=移动网代码

LAC=位置区代码LAC四位十六机制接待台餐厅酒吧游泳池LA1

VLRMSCLA5LA4LA3LA2基站子系统组件:基站控制器(BSC),基站收发信台(BTS),码型变换器(TC)功能:无线通道控制,BTS和TC控制,用MSC同步Air和A接口信令，MS-NSS连接确立

移动性管理,语音代码速率转换统计数据收集BTSTCBSCBSCTCBTSBTS寻呼过程

BTSBTS寻呼BTS移动台应答寻呼位置区寻呼寻呼切换由于通信原因引起的切换当某小区的容量接近最大值时，小区边缘的移动台可能被切换至通信负载较低的相邻小区。由MSC启动这种切换过程由于信号质量和强度引起的切换当一个移动用户在通话期间移动时，他可能从一个小区迁移至另一个小区。先前小区的频率资源不再能被使用。移动台被切换至新的小区。控制当前小区的BSC作出决定，执行切换。有四种类型的切换。小区内--BSC内切换Air

ATCBTSBSC新信道旧信道

小区间--BSC内切换AirATCBTSBTSBSC旧小区

/

BTS新小区

/

BTS小区间--BSC间切换AirABTS旧小区

/

BTS新小区

/

BTSBTSBSCTCBSCTCVLRMSCMSC间切换(1)AirABTS旧小区

/

BTS新小区

/

BTSBTSBSCTCBSCTCVLRMSCVLRMSC〔锚地局〕安全措施鉴权用户的查证加密用户语音在Air接口中的加密IMEI检查通过检查国际移动设备识别码(IMEI)的合法性来证实用户设备用户保密在空中接口中，用户IMSI广播的避免鉴权每个用户有一个鉴权密钥,Ki,

存储在鉴别中心(AC)和SIM卡中Ki不在空中接口中广播它呼叫确立和位置更新之前，鉴权总是由VLR执行AVLRMSCAir*

IMSI*

Ki*

IMSI*

KiACSIM卡安全算法需要检查Ki，但不在空中发送用随机数(RAND)和Ki作为输入,使用单程算法A3,

产生一个相应数(SRES)在AC和SIM中分别计算SRES,并在VLR中比较进行鉴权需要一个加密密钥Kc以便对用户语音加密Kc

是用A8算法产生的实际的用户语音加密是将Kc和TDMA帧号及数字化语音作为输入使用加密算法A5完成的加、解密是在基站收发信台(BTS)和移动设备(ME)之间执行的安全算法的位置AAirVLRMSCBTSTCBSCME

+

SIMACA3A8A3A8A5A5鉴权三参数鉴权证实在服务用户的VLR中完成VLR能处于用户的归属网外面(在漫游的情况下)多次的信令传送产生每次鉴权需要的SRES至VLRAC产生一定的SRES,并随着相应的RAND和加密密钥Kc传送至服务的VLRVLR使用三参数证实用户当VLR中的三参数低到一定数量时，从AC新的三参数被请求鉴权三参数的产生VLR随机数发生器KiRAND鉴权三参数鉴权三参数ACA8A3SRESKcRANDSRESKc鉴权过程RANDSRESKc鉴权三参数BSCBTSA3A8KiKcRANDKcSRESMSSIMVLR比较语音加密语音/数据BTSA5A5TDMAKcA5A5TDMAKc加密的语音/数据语音/数据国际移动台识别码(IMEI)用于唯一地识别一个移动台设备,为一个15位的十进制数字,其构成为:

TAC(6个数字)+FAC(2个数字)+SNR(6个数字)+SP(1个数字)其中,型号批准码(TAC)由欧洲型号中心分配;工厂分配码(FAC)表示生产厂家及其装配地;序号码(SNR)由厂家分配;备用(SP)。IMEI检查可以检查移动设备的合法性以确保它的正常操作，同样也可防止盗用电话设备识别寄存器(EIR),它是作为HLR的一部分实现的,能够存储“blacklisted”IMEI号与网络的事务处理之前，移动设备传送它的IMEIMSC可请求EIR以便核查收到的IMEI是不是“blacklisted”如果是，MSC就能停止呼叫建立运营者能够设置MSC，以便在其它时间检查移动设备的IMEI，同样也可在呼叫建立期间用户保密每一次成功的鉴IMSI是用户的一个保密的识别码第一次成功地位置更新之后，移动用户被分配一个临时移动用户识别码

(TMSI)GSM网和MS之间的下一次事务处理被启动，用户使用TMSI权证实后，TMSI被重新分配TMSI的格式依赖于运营者，它是一个32位二进制数另外还在SIM卡中提供个人识别码(PIN)，一个移动台能够使用网络之前，必须正确地输入它业务什么是业务?一个用户使用GSM网设施的行为提供的业务分为基本业务和补充业务。

基本业务按功能又可分为电信业务（Teleservices）又称用户终端业务，和承载业务（BearerServices）。这两种业务是独立的通信业务。电信业务是指端到端的业务，它包括开放互联OSI1到7层的协议。承载业务是在两个终端/网络接口处提供的业务。它包括OSI1到3层的协议。业务电信业务承载业务基本业务补充业务

电信业务是指为用户通信提供的包括终端设备功能在内完整能力的通信业务，通常要依照网络运营部门批准的规程。承载业务提供用户接入点（也称“用户/网络接口”）间信号传输的能力。数字蜂窝PLMN支持的基本业务如图所示。终端设备数字蜂窝PLMN传输网终端网终端设备电信业务承载业务补充业务

补充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