GSM 应知应会.docx

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GSM应知应会

一、名称和缩略语

AC应用上下文

AUC鉴权中心

BS基站

CAMEL移动网增强逻辑的客户化应用程序

CCBS遇忙呼叫完成

DPC目的地信令点编码

EIR设备识别寄存器

GMSC入口移动业务交换中心/关口MSC

GPRS通用分组无线业务

GT全局名

HLR归属位置寄存器

IMEI国际移动设备识别

IMSI国际移动用户识别

LMSI本地移动用户识别

MAP移动应用部分

MO移动发起

MS移动台

MSC移动业务交换中心

MSISDN移动用户ISDN号码

MT移动终止

OMC操作维护中心

OPC起始地信令点编码

PLMN公用陆地移动网

SC短消息中心

SCF业务控制功能

SCCP信号连接控制部分

SM短消息

SMS短消息业务

SOR最佳路由

SS补充业务

SSN子系统号码

TC事务处理能力

TCAP事务处理能力应用部分

TMSI临时移动用户识别

VBS语音广播业务

VGCS语音组呼叫业务

VLR拜访位置寄存器

二、GSM网络的组成

2、系统的组成

1）归属位置寄存器（HLR）

管理部门用于移动用户管理的数据库。

每个移动用户都应在其归属位置寄存器注册登记。

HLR主要存储两类信息，有关用户的参数和有关用户目前所处位置的信息。

可为至某MS的呼叫提供路由信息。

所有管理方面的干预，是对HLR数据修改。

HLR不直接控制MSC。

HLR中存储两个与每个移动用户签约相依附的号码：

——IMSI；

——MSISDN。

数据库中还包括以下信息：

——位置信息（VLR、MSC号码）；

——基本电信业务签约信息；

——业务限制（例如限制漫游）；

——补充业务表，表中包含了业务所涉及的参数；

2）拜访位置寄存器（VLR）

MSC为所管辖区域中MS的呼叫接续，所需检索信息的数据库。

VLR存储与呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码，所处位置区的识别，向用户提供的服务等参数。

当某移动台出现在某一位置区内，它将启动位置更新程序。

负责该区的MSC注意到此次登记并将MS所在的位置区的标识转送至VLR。

VLR也包含它所管辖区域内出现的移动用户的数据，包含处理呼叫建立或接收呼叫所需的信息（在某些情况下，VLR也可能需要包含来自HLR的附加信息）。

VLR中主要包括下列信息单元：

——IMSI；

——MSISDN；

——TMSI；

——移动台登记所在的位置区；

——移动台的状态信息（开、关机、通话忙）；

——补充业务参数。

3）动业务交换中心（MSC）

MSC是一个程控交换机，对于位于它管辖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体。

GSM系统可通过MSC实现与多种网络的互通，包括PSTN、ISDN、PLMN和PSPDN。

它与固定电话交换机的主要区别在于它还要参与分配无线资源，进行用户移动性管理。

例如下列程序：

——位置登记的程序；

——切换的程序。

4）基站子系统（BSS）

基站子系统包括基站设备（收发信机，控制器等）。

基站子系统和MSC通过A接口连接。

5）关口MSC（GMSC）

若有一至PLMN的来话呼叫，固定网无法向HLR进行询问，而将呼叫接到MSC。

MSC去询问相关的HLR得到路由信息后将呼叫接到移动台所在的MSC。

这个进行寻路由功能的MSC称作关口MSC。

6）短消息业务入口MSC（SMSGMSC）

SMSGMSC是移动网与提供接入短消息业务中心网之间的接口，以便向移动台传递短消息。

7）短消息业务互通MSC（SMSIWMSC）

SMSIWMSC是移动网与提供接入短消息业务中心网之间的接口，以便移动台提交短消息。

5）设备识别寄存器（EIR）

此功能单元是一个数据库，负责管理移动台的设备识别。

图一GSM系统组成框图

三、GSM的关键技术 

3、工作频段的分配

1）工作频段

我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz和1800MHz频段：

上行：

905～915（移动台发、基站收）

下行：

950～960（基站发、移动台收）

上行：

1710～1785（移动台发、基站收）

 下行：

1805～1880（基站发、移动台收）

2）频道间隔与双工收发间隔

相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）。

双工收发间隔45MHZ。

若采用半速率话音编码，每个频道可容纳16个半速率信道。

3）干扰保护比

载波干扰保护比（C／I）就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。

这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同，以及其它一些因素如天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等所造成的。

GSM规范中规定：

同频道干扰保护比：

C/I 9dB

邻频道干扰保护比：

C/I-9dB

载波偏离400kHz时的干扰保护比：

C/I-41dB 

4）频率复用方式

频率复用是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。

这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。

 频率复用方式就是指将可用频道分成若干组，同一组内频率不能重复使用。

2、时分多址技术（TDMA）

1）概念

多址技术就是要使众多的客户公用公共通信信道所采用的一种技术。

实现多

址的方法基本上有三种，即采用频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常

称它们为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。

在传统的无线电广播中，均采用频分多址（FDMA）方式，每个广播信道都有一个频点，如果你要收听某一广播信道，则必须把你的收音机调谐到这一频点上。

模拟蜂窝移动系统也采用了此技术，某一小区中的某一客户呼叫占用了一个频点，即一个信道（实际上是占用两个，因为是双向连接，即双工通信），则其它呼叫就不能再占用。

在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。

每一频点（频道或叫载频TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道，因此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用，见图二所示。

图二频分多址和时分多址方式 

图中所示（a为FDMA，b为TDMA）是一个方向的情况，在相反方向上必定有一组对应的频率（FDMA）／时隙（TDMA）。

2）时分多址（TDMA）帧结构

（1）TDMA信道概念

GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道就为一个时隙（TS）既一个频点中八个时隙中的一个，而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。

这些逻辑信道映射到物理信道上传送。

从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。

1、业务信道（TCH）传输话音和数据　　

1）话音业务信道按速率的不同，可分为全速率话音业务信道（TCH/FS）和半速率话音业务信道（TCH/HS）。

2）同样，数据业务信道按速率的不同，也分为全速率数据业务信道（如TCH/F9.6，TCH/F4.8，TCH/F2.4）和半速率数据业务信道（如TCH/H4.8,TCH/H2.4）（这里的数字9.6,4.8和2.4表示数据速率，单位为kb/s）。

2、控制信道（CCH）传输各种信令信息　　

控制信道分为三类：

1）广播信息（BCH）是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向所有移动台广播公用信息。

传输的内容是移动台入网和呼叫建立所需要的各种信息。

其中又分为：

a、频率校正信道（FCCH）：

传输供移动台校正其工作频率的信息；　　

b、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；　　

c、广播控制信道（BCCH）：

传输通用信息，用于移动台测量信号强度和识别小区标志等。

2）公共控制信道（CCCH）是一种“一点对多点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段，传输链路连接所需要的控制信令与信息。

其中又分为：

a、寻呼信道（PCH）：

传输基站寻呼移动台的信息；　

b、随机接入信道（RACH）：

移动台申请入网时，向基站发送入网请求信息；　　

c、准许接入信道（AGCH）：

基站在呼叫接续开始时，向移动台发送分配专用控制信道的信令。

3）专用控制信道（DCCH）是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。

其中又分为：

a、独立专用控制信道（SDCCH）：

传输移动台和基站连接和信道分配的信令；　　

b、慢速辅助控制信道（SACCH）：

在移动台和基站之间，周期地传输一些特定的信息，如功率调整、帧调整和测量数据等信息；SACCH是安排在业务信道和有关的控制信道中，以复接方式传输信息。

安排在业务信道时，以SACCH/T表示，安排在控制信道时，以SACCH/C表示，SACCH/常与SDCCH联合使用。

c、快速辅助控制信道（FACCH）：

传送与SDCCH相同的信息。

使用时要中断业务信息（4帧），把FACCH插入，不过，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制信道。

这种控制信道的传输速率较快，每次占用4帧时间，约18.5ms。

（2）TDMA帧

在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，相当于FDMA系统中的一个频道，每帧包括8个时隙（TS0-7），要有TDMA帧号，这是因为GSM的特性之一是客户保密性好，是通过在发送信息前对信息进行加密实现的。

计算加密序列的算法是以TDMA帧号为一个输入参数，因此每一帧都必须有一个帧号。

有了TDMA帧号，移动台就可判断控制信道TS0上传送的是哪一类逻辑信道。

TDMA帧号是以3.5小时（2715648个TDMA帧）为周期循环编号的。

每2715648个TDMA帧为一个超高帧，每一个超高帧又可分为2048个超帧，一个超帧持续时间为6.12s，每个超帧又是由复帧组成。

复帧分为两种类型。

26帧的复帧---它包括26个TDMA帧，持续时长120ms,51个这样的复帧组成一个超帧。

这种复帧用于携带TCH（和SACCH加FACCH）。

51帧的复帧---它包括51个TDMA帧，持续时长3060／13ms。

26个这样的复帧组成一个超帧。

这种复帧用于携带BCH和CCCH。

（3）突发脉冲序列（Burst）

TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。

共有五种类型。

①普通突发脉冲序列（NB）：

用于携带TCH及除RACHA，SCH和FCCH以外的控制信道上的信息。

     ②频率校正突发脉冲序列（FB）：

用于移动台的频率同步，它相当于一个带频移的未调载波。

此突发脉冲序列的重复称FCCH。

③同步突发脉冲序列（SB）：

用于移动台的时间同步，它包括一个易被检测的长同步序列并携带有TDMA帧号和基站识别码（BSIC）信息。

④接入突发脉冲序列（AB）：

用于随机接入，它有一个较长的保护间隔，这是为了适应移动台首次接入（或切换到另一个BTS）后不知道时间提前量而设置的。

移动台可能远离BTS，这意味着初始突发脉冲序列会迟一些到达BTS，由于第一个突发脉冲序列中没有时间调整，为了不与下一时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲序列必须短一些，。

⑤空闲突发脉冲序列（DB）：

此突发脉冲序列在某些情况下由BTS发出，不携带任何信息。

它的格式与普通突发脉冲序列相同，其中加密比特改为具有一定比恃模型的混合比特。

3）空间分集

分集的方法有空间分集、频率分集、时间分集等多种。

在移动通信中，通常采用空间分集。

4）基站与移动台间的时间调整TA（Timingadvicing）

由于在空中接口采用了TDMA技术，那么某一移动台必须在指配给它的时隙内发送，而在其余时间又必须保持寂静，否则它会干扰使用同样载频上不同时隙的另一些移动客户。

如果移动台收发之间的间隔是固定时隙。

当它在呼叫期间向远离基站方向移动时，从基站发出的信息，就会越来越迟地到达移动台。

与此同时移动台的应答信息，也会越来越迟地到达基站。

如果不采取措施，该时延长至使该移动台在其时隙发送的信息与基站在其相邻时隙接受到的另一个呼叫信息重迭起来。

所以，在呼叫进行期间，必须监视呼叫到达基站的时间，并由系统向移动台发送指令，随着移动台离开基站的距离，逐步指示移动台提前发送的时间，这就是时间的调整。

时间调整的提前是0～63个比特之间的任意值。

如0个比特就表示不必调整，表明MS和BTS在一起。

63个比特是调整的最大量，也就是BTS与BS之间最长距离

当一个特定连接建立时，BTS不断测量自己脉冲时隙与收到的MS时隙之间的时间偏移量。

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。

5）话音编码

由于GSM系统是一种全数字系统，话音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把话音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。

我们对PCM编码比较熟悉，它是采用A律波形编码，分为3步：

---采样。

在某瞬间测量模拟信号的值。

采样速率8kHz/s。

---量化。

对每个样值用8个比特的量化值来表示对应的模拟信号瞬间值，即为样值指配256（28）个不同电平值中的一个。

---编码。

每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。

用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为64kbit／s（8kbit／s*8）。

如果GSM系统也采用此种方式进行话音编码，那么每个话音信道是64kbit／s，8个话音信道就是512kbit／s。

考虑实际可使用的带宽，GSM规范中规定载频间隔是200kHz。

因此要把它们保持在规定的频带内，必需大大地降低每个话音信道的编码的比特率，这就要靠改变话音编码的方式来实现。

声码器编码可以是很低的速率（可以低于5kbit／s），虽然不影响话音的可懂性，但话音的失真性很大，很难分辨是谁在讲话。

波形编码器话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。

因此GSM系统话音编码器2是采用声码器和波形编码器的混合物---混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器）。

每话音信道的编码速率为13kbit／s。

6）信道编码

采用数字传输时，所传信号的质量常常用接收比特中有多少是“正确的”来表示，并由此引出比特差错率（BER）概念。

BER表明总比特率中有多少比特被检测出错误，差错比特数目或所占的比特要尽可能小。

然而，要把它减小到0，那是不可能的，因为路径是在不断变化的。

这就是说必须允许存在一定数量的差错，但还必须能恢复出原信息，或至少能检测出差错，这对于数据传输来说特别重要，对话音来说只是质量降低。

7）交织技术

在陆地移动通信这种变参信道上，比特差错经常是成串发生的。

这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。

然而，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。

为了解决这一问题，希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相关比特以非相关方式被发送。

这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相关比特串的消息时，差错也就变成单个（或长度很短），这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。

这种方法就是交织技术。

在GSM系统中，信道编码后进行交织，交织分为两次，第一次交织为内部交织，第二次交织为块间交织。

话音编码器和信道编码器将每一20ms话音数字化并编码，提供456个比特。

首先对它进行内部交织，即将456个比特分成8帧，每帧57比特。

如果将同一20ms话音的2组57比特插入到同一普通突发脉冲序列中，那么该突发脉冲串丢失则会导致该20ms的话音损失25％的比特，显然信道编码难以恢复这么多丢失的比特。

因此必须在两个话音帧间再进行一次交织，即块间交织。

二次交织经得住丧失一整个突发脉冲串的打击，但增加了系统时延。

因此，在GSM系统中，移动台和中继电路上增加了回波抵消器，以改善由于时延而引起的通话回音。

5）跳频技术

   采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性，它首先被用于军事通信，

后来在GSM标准中也被采纳。

跳频功能主要是：

（1）改善衰落。

（2）处于多径环境中的漫速移动的移动台通过采用跳频技术，大大改善移动台的通信质量，相当于频率分集。

（3）跳频相当于频率分集

GSM系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种。

基带跳频的原理是将话音信号随着时间的变换使用不同频率发射机发射，。

射频跳频是将话音信号用固定的发射机，由跳频序列控制，采用不同频率发射。

需要说明的是，射频跳频必须有两个发射机，一个固定发射载频Fo，因它带有控制信道BCCH；另一发射机载波频率可随着跳频序列的序列值的改变而改变。

射频跳频比基带跳频具有更高的性能改善和抗同频干扰能力，但其缺点是：

（1）射频跳频目前还不成熟。

（2）射频跳频只有当每小区拥有4个频率以上时效果比较明显。

（3）射频跳频必须使用HIBRID合成器，每小区如使用4个载频就需要配置3个HIBRID，损耗约6dB，比空腔合成器的损耗大3dB左右。

对基站覆盖范围有一定影响。

（4）合成器要求网路中各基站必须同步，而目前很多供货商难满足。

综上原因，大多数厂家的BTS是采用基带跳频技术，而不采射频跳频技术。

9）保密措施

大家都知道，GSM系统在安全性方面有了显著的改进，其主要是在下列部分加强了保护：

接入网路方面采用了对客户鉴权；无线路径上采用对通信信息加密；对移动设备采用设备识别；对客户识别码用临时识别码保护；SMI卡用PIN码保护。

（1）提供三参数组

客户的鉴权与加密是通过系统提供的客户三参数组来完成的。

客户三参数组的产生是在GSM系统的AUC（鉴权中心）中完成。

每个客户在签约（注册登记）时，就被分配一个客户号码（客户电话号码MSISDN）和客户识别码（IMSI）。

IMSI通过SIM写卡机写入客户SIM卡中，同时在写卡机中又产生一个对应此IMSI的唯一的客户鉴权键Ki，它被分别存储在客户SIM卡和AUC中。

AUC中还有个伪随机码发生器，用于产生一个不可预测的伪随机数（RAND）。

RAND和Ki经AUC中的A8算法（也叫加密算法）产生一个Kc（密钥），经A3算法（鉴权算法）产生一个符号响应数（SRES）。

由产生Kc和SRES的RAND与Kc、SRES一起组成该客户的一个三参数组，传送给HLR，再由HLR传送给MSC/VLR，存储在该客户的客户资料库中。

一般情况下，AUC一次产生5组三参数。

当MSC／VLR向HLR请求传送三参数组时，HLR一次性地向MSC／VLR传5组三参数组。

MSC／VLR一组一组地用，用到剩2组时，再向HLR请求传送三参数组。

（2）鉴权

鉴权的作用是保护网路，防止非法盗用。

同时通过拒绝假冒合法客户的“入侵”而保护GSM移动网路的客户。

当移动客户开机请求接入网路时，MSC／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。

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。

（3）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。

在鉴权程序中，当客户侧计算SRES，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。

目前我国GSM系统无线路径上不采用加密技术。

（4）设备识别

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：

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。

黑名单---包括所有应被禁用的设备识别码。

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。

设备识别的程序见图3-42，MSC／VLR向MS请求IMEI，并将其发送给EIR，EIR将收到的IMEI与白、黑、灰三种表进行比较，把结果发送给MSC／VLR，以便MSC／VLR决定是否允许该移动台设备进入网路。

何时需要设备识别取决于网路运营者。

目前我国大部分省市的GSM网路均未配置此设备（EIR），所以此保护措施也末采用。

（5）临时识别码（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

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。

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TMIS的命令将其传送给移动台，写入客户SIM卡。

此后，MSC／VLR和MS之间的命令交换就使用TMIS，客户实际的识别码IMSI便不再在无线路径上传送。

四、编号计划

为了将一个呼叫接至某个移动客户，需要调用相应的实体。

因此要正确寻址，编号计划就非常重要。

1、用户/终端号码

（1）移动用户的ISDN号码（MSISDN）

此号码是指主叫用户为呼叫GSM用户所拨的号码，其号码结构遵循ITU-TE.164

编码格式，位长不超过15位。

具体格式如下：

其中：

CC为国家码，我国为86。

国内有效ISDN号码的位长最长可为13位，中国联通目前为一个11位数的等长号码，

具体格式如下: