第7章　GSM移动通信系统

第7章GSM移动通信系统第一页，共59页。重点：GSM系统空中接口；GSM系统呼叫接续和越区切换、鉴权加密等控制机制；GPRS技术。

难点：GSM无线帧结构内容提示第二页，共59页。

GSM的无线帧结构GSM的空中接口第三页，共59页。

GSM的无线帧结构时隙：每个含156.25个码元，占15/26≈0.577ms；帧：每一个TDMA帧分0～7共8个时隙，帧长度为120/26≈4.615ms，不同帧用不同帧号标识；业务复帧：26帧组成的复帧，长120ms，用于业务信息的传输；控制复帧：51帧组成的复帧，长235.385ms，专用于传输控制信息

；超帧：由51个业务复帧或26个控制复帧组成，周期为1326个TDMA帧，长约6.12s

；超高帧：由2048个超帧组成，周期为个TDMA帧，即12533.76秒，相当于3小时28分53秒760毫秒；帧的编号（FN）：以超高帧为周期，从0到2715647。

GSM的空中接口第四页，共59页。

GSM的突发脉冲序列格式在GSM系统中，每帧含8个时隙，时隙的宽度为0.577ms，包含156.25bit。TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。常规突发（NB，NormalBurst）脉冲序列频率校正突发（FB，FrequencyCorrectionBurst）脉冲序列同步突发（SB，SynchronizationBurst）脉冲序列

接入突发（AB，AccessBurst）脉冲序列GSM的空中接口第五页，共59页。常规突发脉冲（NB）用于业务信道及专用控制信道；信息位占116bit，分成两段，各58bit。其中，57位为数据（加密比特），另1位表示此数据的性质是业务信号或控制信号；

26位训练序列：用作自适应均衡器的训练序列，以消除多径效应产生的码间干扰。将训练序列放在两段信息的中间位置，是考虑到信道会快速发生变化，使前后两部分信息比特和训练序列所受信道变化的影响不会有太大的差别；

GSM系统共有8种训练序列，可分别用于邻近的同频小区。

GSM的空中接口第六页，共59页。常规突发脉冲（NB）尾比特TB(0，0，0)：置于起始时间和结束时间，也称功率上升时间和拖尾时间，各占3bit（约11us）。因为在无线信道上进行突发传输时，起始时载波电平必须从最低值迅速上升到额定值；突发脉冲序列结束时，载波电平又必须从额定值迅速下降到最低值（例如-70dB）。有效的传输时间是载波电平维持在额定值的中间一段，在时隙的前后各设置3bit，允许载波功率在此时间内上升和下降到规定的数值。

保护时间GP：占用8.25bit（约30）。这是为了防止不同移动台按时隙突发的信号因传播时延不同而在基站发生前后交叠。GSM的空中接口第七页，共59页。频率校正突发（FB）频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率；起始和结束的尾比特各占3bit，保护时间8.25bit，它们均与普通突发脉冲序列相同；其余的142bit，均置成“0”，相应发送的射频是一个与载频有固定偏移（频偏）的纯正弦波，以便于调整移动台的载频；

同步突发（SB）用于移动台的时间同步；包括64bit的位同步信号，以及两段各39bit数据。用于传输TDMA帧号和基站识别码（BSIC)；TDMA帧号

用于数据加密；BSIC用于移动台进行信号强度测量时区分基站

。GSM的空中接口第八页，共59页。

接入突发（AB）

用于上行传输方向，在随机接入信道（RACH）上传送，用于移动用户向基站提出入网申请。同步突发；它包括41bit的训练序列，36bit的信息，起始比特为8位(0，0，1，1，1，0，1，0)，而结束的尾比特为3位(0，0，0)，保护期较长，为68.25bit。

GSM的空中接口除了上述四种格式之外，还有一种不发送实际信息的时隙格式，称为“虚设时隙”格式，用于填空，其结构和NB格式相同，但只发送固定的比特序列。

第九页，共59页。

GSM的上下行链路同步帧号分配：GSM系统上行传输所用的帧号和下行传输所用的帧号相同

；上行帧相对于下行帧推后3个时隙，以便移动台在这3个时隙内，进行帧调整以及对收发信机的调谐和转换。

GSM的空中接口第十页，共59页。

GSM的信道结构GSM的空中接口第十一页，共59页。

GSM的业务信道话音业务信道

全速率话音业务信道（TCH/FS），22.8kbps；和半速率话音业务信道（TCH/HS），11.4kbps；全速率话音编码，话音帧长20ms，每帧含260bit话音信息，提供的净速率为13kbps。

数据业务信道

9.6kbps，全速率数据业务信道（TCH/F9.6）4.8kbps，全速率数据业务信道（TCH/F4.8）4.8kbps，半速率数据业务信道（TCH/H4.8）≤2.4kbps，全速率数据业务信道（TCH/F2.4）≤2.4kbps，半速率数据业务信道（TCH/H2.4）GSM的空中接口第十二页，共59页。

GSM的控制信道广播信道（BCH）频率校正信道（FCCH）：传输供移动台校正其工作频率的信息；

同步信道（SCH）：传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息，因为基站识别码是在同步信道上传输的；

广播控制信道（BCCH）：传输系统公用控制信息，例如公共控制信道（CCCH）号码以及是否与独立专用控制信道（SDCCH）相组合等信息。

GSM的空中接口第十三页，共59页。

GSM的控制信道公用控制信道（CCCH）

寻呼信道（PCH）：传输基站寻呼移动台的信息；

随机接入信道（RACH）：这是一个上行信道，用于移动台随机提出的入网申请，即请求分配一个独立专用控制信道（SDCCH）；

准许接入信道（AGCH）：这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网申请作出应答，即分配一个独立专用控制信道。

GSM的空中接口第十四页，共59页。

GSM的控制信道专用控制信道（DCCH)

独立专用控制信道（SDCCH）：用于在分配业务信道之前传送有关信令。例如，登记、鉴权等信令均在此信道上传输，经鉴权确认后，再分配业务信道（TCH）；

慢速辅助控制信道（SACCH）：在移动台和基站之间，需要周期性地传输一些信息。例如，移动台要不断地报告正在服务的基站和邻近基站的信号强度，以实现“移动台辅助切换功能”。快速辅助控制信道（FACCH）：传送与SDCCH相同的信息，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制信道。使用时要中断业务信息，把FACCH插入业务信道，每次占用的时间很短，约18.5ms。

GSM的空中接口第十五页，共59页。

GSM信道的复用与映射（举例）BCH和CCCH在TS0上的复用GSM的空中接口第十六页，共59页。

GSM频率复用与区群结构GSM系统中，基站发射功率为每载波500W，每时隙平均为500/8=62.5W。移动台发射功率分为0.8W，2W，5W，8W和20W五种，可供用户选择。小区覆盖半径最大为35km，最小为500m，前者适用于农村地区，后者适用于市区。由于系统采取了多种抗干扰措施（如自适应均衡、跳频和纠错编码等），同频道射频防护比可降到C/I=9dB，因此在业务密集区，可采用3小区的区群结构GSM的数字调制高斯型最小移频键控（GMSK）方式。矩形脉冲在调制器之前先通过一个高斯滤波器。这一调制方案由于改善了频谱特性，从而能满足CCIR提出的邻道功率电平小于的要求。高斯滤波器的归一化带宽BT=0.3。基于200kHz的载频间隔及270.833kbps的信道传输速率，其频谱利用率为1.35bps/Hz。

GSM的空中接口第十七页，共59页。

GSM语音信号信道编码GSM的空中接口GSM业务及控制信息根据重要性进行差错控制，不是所有的数据加前向纠错或校验。第十八页，共59页。

GSM信道交织卷积编码后数据再进行交织编码，以对抗突发干扰；交织深度为8，流程见图；40ms中的话音比特（2×456=912bit）组成8×114矩阵，按水平写入、垂直读出的顺序进行交织；获得8个114bit的信息段，每个信息段要占用一个时隙且逐帧进行传输；40ms的话音需要用8帧才能传送完毕。

GSM的空中接口第十九页，共59页。

GSM的话音编码—RPE-LTEGSM的空中接口第二十页，共59页。语音编码 由规则脉冲激励长期预测编码（RPE-LTP编译码器）组成。过程：将语音分成20ms为单位的段，每个段编成260比特的数据块，产生的比特率为13kbps。

评价：以较低速率获得较高的话音质量。采用语音激活控制，以断续传输模式(DTX)发射。接收补偿：引入一个背景噪声来补偿由于DTX而产生的不舒适静音。GSM的空中接口第二十一页，共59页。

GSM的编码流程GSM的空中接口260bits260bits456(A)bits01234567456(C)bits01234567B0A4B1A5B2A6B3A7C0B4C1B5C2B6C3B7456(B)bits01234567260bits第二十二页，共59页。第二次把每个114bit块里来自两个20ms话音码段的57bit块进行交织，一个话音段中的57bit按顺序分别使用突发序列中的偶数比特位，另一个话音段中的57bit分别使用突发序列中的奇数比特位。B0A4B1A5B2A6B3A7C0B4C1B5C2B6C3B7TBB2(0)A6(0)B2(1)A6(1)…B2(28)SF训练序列SFA6(28)B2(29)…A6(56)TBGP357bit126157bit38.25第二十三页，共59页。

GSM的跳频与间断传输采用每帧改变频率的方法，以提高抗干扰能力，即每隔4.615ms改变载波频率，亦即跳频速率为1/4.615ms＝217跳/秒。采用话音激活技术实现间断传输，以减少干扰。GSM的空中接口第二十四页，共59页。GSM系统的控制与管理位置登记鉴权加密呼叫接续越区切换漫游核心问题：接续和移动性管理建立一个呼叫连接需要解决的三个问题：用户所在位置；用户识别；用户所要求提供的业务。接续和移动性管理就是以解决上述三个问题为出发点的，涉及网络的各个功能模块。第二十五页，共59页。用户位置登记（1）位置登记的含义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。也称“注册”。位置信息存储在原籍位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）中。网络的覆盖区域划分

GSM蜂窝通信系统把整个网络的覆盖区域划分为许多位置区，并以不同的位置区标志进行区别，如右中的LA1，LA2，LA3，…第二十六页，共59页。用户位置登记（2）位置登记过程首次入网时，用户通过MSC，把移动用户识别码、移动台编号及业务类型等参数存放在HLR中；HLR随用户位置变化（越区或越局）而更新，当用户离开原籍而进入其它地区访问，由访问地区的VLR调取该用户HLR中相关信息并负责更新登记，HLR记下该用户所在地区；位置区的标志在广播控制信道（BCCH）中播送，移动台开机后，就可以搜索此BCCH，从中提取所在位置区的标志；如果台从BCCH中获取的是它原来用的位置区标志，不需要进行位置更新；如果不同，则必须进行位置更新。开关机、信号中断处置关机：IMSI分离，网络阻止呼叫该用户（发“用户已关机”提示）开机：IMSI附着，网络允许呼叫该用户信号问题引起：IMSI分离/附着倒置，可要求用户周期性登记。第二十七页，共59页。位置更新登记过程举例用户位置登记（3）第二十八页，共59页。用户鉴权与信息加密（1）

GSM系统的安全措施用户入网的鉴权鉴权的作用是保护网络，防止非法盗用并拒绝假冒合法用户的“入侵”。鉴权的出发点是验证网络端和用户端的鉴权键Ki是否相同。

通信信息的加密

加密的目的是为空中接口的有权用户通信信息传输提供安全保障。

移动设备的识

每一个移动台设备均有一个唯一的移动台设备识别码（IMEI），用于鉴别该设备是否允许入网。

用户识别码（IMSI）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。

第二十九页，共59页。用户鉴权过程

AUC产生三参数组用户鉴权与信息加密（2）第三十页，共59页。用户鉴权过程（续）鉴权程序用户鉴权与信息加密（3）鉴权过程主要涉及到AUC、HLR、MSC/VLR和MS，它们均各自存储着用户有关的信息或参数。第三十一页，共59页。用户传输信息加密加密开始时根据MSC发出的加密指令，BTS侧和MS侧均开始使用密钥。

用户鉴权与信息加密（4）在MS侧，由Kc、TDMA帧号一起经过加密算法A5，对用户信息数据流加密，然后在无线信道上传输。在BTS侧，把从无线信道上收到的加密信息流、TDMA帧号和Kc，在经加密算法A5解密后，传给BSC和MSC。上述过程反之亦然。第三十二页，共59页。设备识别在EIR中存储了所有移动台的设备识别码，每一个移动台只存储本身的IMEI。设备识别在呼叫建立尝试阶段进行。

用户鉴权与信息加密（5）EIR中的用户识别清单：白名单：合法的移动设备识别号；黑名单：禁止使用的移动设备识别号；灰名单：是否允许使用由运营者决定，例如有故障的或未经型号认证的移动设备识别号。第三十三页，共59页。用户识别码保密用户鉴权与信息加密（6）IMSI的使用：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；仅在位置更新失败或MS得不到TMSI时，才使用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。IMSI是唯一且不变的，但TMSI是不断更新的。第三十四页，共59页。产生新的TMSI的过程第三十五页，共59页。呼叫接续（1）移动用户主呼基本流程①在服务小区内，一旦移动用户拨号后，移动台向基站请求接入信道。②在移动台MS与移动业务交换中心MSC之间建立信令连接的建立关系。③对移动台的识别码进行鉴权过程，如果需加密，则设置加密模式，进入呼叫建立起始阶段。④分配业务信道。⑤采用7号信令，用户IUSP/TUP部分通过与固定网（ISDN/PTSN）建立至被叫用户的通路，并向被叫用户振铃，向移动台回送呼叫接通证实信号。⑥被叫用户应答，向移动用户发送应答（连接）信息，最后进入通话阶段。第三十六页，共59页。呼叫接续（2）移动用户主呼基本流程第三十七页，共59页。呼叫接续（3）移动用户被叫基本流程①通过7号信令用户部分IUSP/TUP，网关MSC（GMSC）接收来自固定网（ISDN/PTSN）的呼叫。②GMSC向HLR询问有关被叫用户正在访问MSC的地址（即MSRN）。③HLR请求被访问VLR分配MSRN，MSRN是在每次呼叫的基础上由被访的VLR分配并通知HLR的。④HLR从VLR获得MSRN后，就可重新寻找路由建立至被访MSC的通路。⑤、⑥被访从MSC获取有关用户数据。⑦、⑧MSC通过位置区内的所有BS向移动台发送寻呼消息。⑨、⑩被叫移动用户发回寻呼响应消息，然后执行与①～④相同的过程，直到移动台振铃，向主叫用户回送接通证实信号。⑾移动用户应答，向固定网发送应答（连接）消息，最后进入通话阶段。第三十八页，共59页。呼叫接续（4）移动用户被叫基本流程第三十九页，共59页。呼叫接续（5）呼叫中的业务信道和控制信道以移动台主呼为例①基站、用户同步：用户在监测BCH时，必须与相近的基站取得同步。②用户呼叫：移动用户在随机接入信道(RACH)上，向基站发出“信道请求”信息。③基站响应：若BS接收成功，就通过接入认可信道AGCH给移动用户分配一个独立专用控制信道（SDCCH），并向移动用户发出“立即分配”指令。④等待调整：等待传给它的SACCH帧，该帧告知移动台要求的定时提前量和发射器功率。第四十页，共59页。呼叫接续（6）呼叫中的业务信道和控制信道以移动台主呼为例（续）⑤业务请求：向MSC发送业务请求信息。⑥检查用户的合法性及有效性：MSC收到移动用户业务请求信息后，通过SDCCH检查用户的合法性及有效性；MSC将话音通路接入服务基站。⑦

分配TCH：接着MS向MSC发出“建立呼叫请求”，MSC通过SDCCH分配给移动台一个TCH信道。⑧呼叫成功：语音信号在TCH信道上传送，SDCCH被清空。第四十一页，共59页。呼叫接续（7）越区切换

GSM切换的策略：移动台辅助切换法移动台和基站均参与测量接收信号强度（RSSI）和质量（BER）。对不同基站RSSI的测量在移动台处进行，并以每秒两次的速率将测量结果报告给基站。同时，基站对移动台所占用的业务信道也要进行测量，并报告基站控制器，最后由基站控制器决定是否需要切换。TDMA多址技术给移动台辅助切换法提供了条件，GSM系统在一帧的8个时隙中，移动台最多占用两个时隙分别进行发射和接收，在其余的时隙内，可以对周围基站的BCCH进行信号轻度的测量。第四十二页，共59页。呼叫接续（8）越区切换基本流程⊙稳定呼叫连接状态①移动台对邻近基站发出的信号进行无线测量，包括测量功率、距离和话音质量，这三个指标决定切换的门限。无线测量结果通过信令信道报告给基站收发信台BTS。②无线测量结果经过BTS预处理后传送给基站控制器BSC，BSC综合功率、距离和话音质量进行计算且与切换门限值进行比较，决定是否进行切换。若切换，则向MSCA发出切换请求。③MSCA决定进行MSC之间的切换。④MSCA请求在MSCB区域内建立无线信道，然后在MSCA与MSCB之间建立连接。⑤MSCA向移动台发出切换命令，移动台切换到已准备好连接通路的基站。⑥移动台发出切换成功的确认消息给MSCA

，以释放原来的信息等资源。第四十三页，共59页。呼叫接续（9）越区切换基本流程第四十四页，共59页。呼叫接续（10）漫游当移动台进入其它运营网络时需要漫游分国内漫游和国际漫游需要运营商间签订合约目前收费较高漫游需要验证移动台SIM信息并将验证请求发往归属运营商。漫游的其他技术过程类似切换第四十五页，共59页。GSM演进的含义与动机演进：英文Evolution，包含两层含义系统的完善与改进系统的更新换代

演进的原因系统自身完善需要新业务需求——数据类（尤其因特网）业务演进形式系统功能与性能完善——GSM系统称为全球开放系统系统功能增强——GPRS(2.5G)、EDGE(2.75G)革命性更新：3G（WCDMA、TD-SCDMA）第四十六页，共59页。通用分组无线业务(GPRS)

是GSM标准化组织为实现移动分组数据业务而制定的一套标准。（用于尤其是上网）最多可将8个时隙捆绑，实现理论最大速率171.2kbps分组数据GSM演进增强型数据（EDGE）采用8PSK，每时隙传48kbps，峰值384kbps分组数据GSM的演进第四十七页，共59页。GSM的增强系统—GPRS

GPRS

的意义技术意义将分组交换机制引入到空中连接上提供灵活的带宽功能可以直接支持IP业务商业意义

对现有的GSM网络进行软件升级在现有网络上叠加GPRS网向3G过渡时，可保护现有设备投资可提供部分3G业务第四十八页，共59页。GSM的增强系统—GPRS

GPRS

的网络结构第四十九页，共59页。GSM的增强系统—GPRS

GPRS

的接口第五十页，共59页。GSM的增强系统