《現(xiàn)代移動(dòng)通信》第5章：GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

第5章 GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)5.1 概 述 5.2 GSM系統(tǒng)的組成及相關(guān)的接口5.3 GSM系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與編號計(jì)劃5.4 GSM系統(tǒng)的無線信道與信號傳輸5.5 GSM系統(tǒng)的安全性管理5.6 GSM系統(tǒng)的移動(dòng)性管理 5.7 GPRS技術(shù)5.1 概概 述述 1992年，隨著設(shè)備的開發(fā)和數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的建立，GSM改名為“Global System for Mobile Communications”，即“全球移動(dòng)通信系統(tǒng)”的簡稱。GSM的主要特點(diǎn)可以歸納為：頻譜效率高。容量較大。話音質(zhì)量好。開放的接口。與ISDN，PSTN等互聯(lián)。在SIM卡基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)漫游。5.2 GSM系統(tǒng)的組成及相關(guān)的接口系統(tǒng)的組成及相關(guān)的接口圖5.1 GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)5.2.1 GSM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5.2.2 GSM系統(tǒng)的接口5.2.3 GSM系統(tǒng)的業(yè)務(wù)圖圖5.1 GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)基站子系統(tǒng)PSTNISDNPDNBTSBTSBSCMSCVLRHLRAUCEIROMCBSCTEMSIWF5.2.1 GSM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)NSS的主要作用是完成交換功能和用戶數(shù)據(jù)與移動(dòng)性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能。NSS由如下一系列功能實(shí)體所構(gòu)成。MSC(移動(dòng)交換中心)：VLR(訪問位置寄存器)：HLR(歸屬位置寄存器)：AUC(鑒權(quán)中心)：EIR(設(shè)備識別寄存器)：2.基站子系統(tǒng) 圖5.2 典型的BSS組成方式3.移動(dòng)臺(tái)子系統(tǒng) 圖5.4 移動(dòng)臺(tái)原理框圖4.操作維護(hù)中心圖圖5.2 典型的典型的BSS組成方式組成方式MSSMSMTCMSCBSCBIEBTSBIEBIEBIEBIEBTSBTSBTSBTSBIEOMCAUmAbisAbisTRAU圖圖5.4 移動(dòng)臺(tái)原理框圖移動(dòng)臺(tái)原理框圖接收解調(diào)均衡信道分離發(fā)送調(diào)制TDMA幀形成加密信道編碼解密信道解碼D/AA/D天線轉(zhuǎn)換VCO頻率合成器跳頻單元控制器控制器話音解碼話音編碼終端適配數(shù)據(jù)終端鍵盤、顯示5.2.2 GSM系統(tǒng)的接口系統(tǒng)的接口 GSM系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)內(nèi)部各功能實(shí)體之間存在大量的接口，GSM技術(shù)規(guī)范對這些接口作了詳細(xì)的規(guī)定，使不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備能夠在同一個(gè)網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)，如 圖5.5所示。(1)Um接口：(2)Abis接口：(3)A接口：(4)B接口：(5)C接口：(6)D接口：(7)E接口 (8)F接口：(9)G接口：(10)GSM系統(tǒng)與其他公用電信網(wǎng)接口：圖圖5.5 GSM系統(tǒng)的接口系統(tǒng)的接口MSBSCBTSMSCEIRMSCHLRVLRVLRAbisGUmFDBCAE5.2.3 GSM系統(tǒng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù) GSM中的電信業(yè)務(wù)可分為兩類：基本業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)?；緲I(yè)務(wù)又可分為兩個(gè)項(xiàng)目：電信業(yè)務(wù)和承載業(yè)務(wù)，如圖5.6所示。1.承載業(yè)務(wù) 表5.1 2.電信業(yè)務(wù) 表5.2 3.補(bǔ)充業(yè)務(wù)圖圖5.6 電信業(yè)務(wù)和承載業(yè)務(wù)電信業(yè)務(wù)和承載業(yè)務(wù)用戶終端用戶終端GSM端網(wǎng)傳輸網(wǎng)電信業(yè)務(wù)承載業(yè)務(wù)表表5.1 承載業(yè)務(wù)承載業(yè)務(wù)業(yè) 務(wù)內(nèi) 容異步數(shù)據(jù)300bit/s9600bit/s同步數(shù)據(jù)1200bit/s9600bit/sPAD 接入300bit/s9600bit/s，分組打包和拆包，為 GSM 用戶接入分組網(wǎng)提供一個(gè)異步連接，該業(yè)務(wù)只能由移動(dòng)臺(tái)主叫發(fā)起分組接入2400bit/s9600bit/s，為 GSM 用戶接入分組網(wǎng)提供一個(gè)同步連接，該業(yè)務(wù)只能由移動(dòng)臺(tái)主叫發(fā)起話音/數(shù)據(jù)交替在呼叫過程中，提供話音和數(shù)據(jù)的交替先話音后數(shù)據(jù)先話音連接，后進(jìn)入數(shù)據(jù)連接表表5.2 電信業(yè)務(wù)電信業(yè)務(wù)業(yè) 務(wù)內(nèi) 容話 音 服 務(wù)全 速(13K bit/s)，半 速(6.5K bit/s)。提 供 語 音 信 息和 語 音 信 號 到 網(wǎng) 絡(luò) 的 傳 輸緊 急 呼 叫在 緊 急 情 況 下，通 過 簡 單 撥 號 即 可 撥 通 緊 急 呼叫 中 心，具 有 優(yōu) 先 權(quán)短 消 息 服 務(wù) 1用 于 消 息 處 理 系 統(tǒng) 提 供 短 消 息 給 移 動(dòng) 用 戶短 消 息 服 務(wù) 2用 于 移 動(dòng) 用 戶 給 消 息 處 理 中 心 提 供 短 消 息短 消 息 傳 輸用 于 傳 輸 給 小 區(qū) 范 圍 內(nèi) 的 所 有 移 動(dòng) 用 戶，是 一點(diǎn) 對 多 點(diǎn) 的 服 務(wù)自 動(dòng) 傳 真自 動(dòng) 提 供 第 3 類 呼 叫 和 被 呼 模 式 傳 真5.3 GSM系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與編號計(jì)劃系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與編號計(jì)劃5.3.1 無線覆蓋的區(qū)域劃分5.3.2 GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)5.3.3 編號計(jì)劃5.3.1 無線覆蓋的區(qū)域劃分無線覆蓋的區(qū)域劃分 從無線覆蓋區(qū)的劃分來看，GSM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5.7所示。GSM網(wǎng)絡(luò)的最小不可分割的區(qū)域是由一個(gè)基站(全向天線)或一個(gè)基站的一個(gè)扇形天線(BTS)所覆蓋的區(qū)域，稱為小區(qū)(Cell)。每個(gè)小區(qū)由全球小區(qū)識別碼(GCI)來識別。GSM業(yè)務(wù)區(qū)是由全球各個(gè)國家的PLMN網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。圖圖5.7 GSM各種區(qū)域之間的關(guān)系各種區(qū)域之間的關(guān)系GSM 業(yè)務(wù)區(qū)(全球成員國)PLMN 業(yè)務(wù)區(qū)(每個(gè)國家一個(gè)或多個(gè))MSC 業(yè)務(wù)區(qū)(一個(gè)MSC 控制的區(qū)域)位置區(qū)(定位和尋呼區(qū))小 區(qū)(特定 BTS的覆蓋的區(qū))5.3.2 GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.全國GSM移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖5.8 GSM網(wǎng)絡(luò)與PSTN網(wǎng)連接示意圖2.省內(nèi)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖5.9 省內(nèi)GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖3.移動(dòng)業(yè)務(wù)本地網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖5.10 GSM移動(dòng)業(yè)務(wù)本地網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖圖圖5.8 GSM網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)與PSTN網(wǎng)連接示意圖網(wǎng)連接示意圖一級移動(dòng)業(yè)務(wù)中心二級移動(dòng)業(yè)務(wù)中心移動(dòng)端局基站C1C2C3C4PSTNPSTNPLMNC5國際局圖圖5.9 省內(nèi)省內(nèi)GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖示意圖TMSCTMSC/VLRTMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRMSC/VLRHLRHLRHLR圖圖5.10 GSM移動(dòng)業(yè)務(wù)本地網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖移動(dòng)業(yè)務(wù)本地網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖CABMSC/VLRTSTSLSLSTSLSHLRMSC/VLRMSC/VLR5.3.3 編號計(jì)劃編號計(jì)劃1.移動(dòng)臺(tái)ISDN號碼(MSISDN)2.國際移動(dòng)用戶識別碼(IMSI)3.臨時(shí)移動(dòng)用戶識別碼(TMSI)4.移動(dòng)用戶漫游號碼(MSRN)5.國際移動(dòng)設(shè)備識別碼(IMEI)6.位置區(qū)和基站識別碼(LAI和BSIC)5.4 GSM系統(tǒng)的無線信道與信號傳輸系統(tǒng)的無線信道與信號傳輸5.4.1 頻率配置5.4.2 GSM系統(tǒng)的無線信道5.4.3 GSM系統(tǒng)中的信號傳輸5.4.1 頻率配置頻率配置(1)使用頻率(2)多址方式(3)干擾保護(hù)比(4)頻率復(fù)用模式圖5.13 采用無方向性天線時(shí)的頻率配置圖圖5.13 采用無方向性天線時(shí)的頻率配置采用無方向性天線時(shí)的頻率配置13793196375667511955.4.2 GSM系統(tǒng)的無線信道系統(tǒng)的無線信道1.信道的定義與分類2.時(shí)隙格式3.TDMA幀結(jié)構(gòu)圖5.17 GSM系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意圖4.邏輯信道到物理信道的映射圖5.18 下行鏈路TS0上映射BCH和CCCH5.基站至移動(dòng)臺(tái)的時(shí)間調(diào)整圖圖5.17 GSM系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意圖0213 45 6 72102145 6 7 0213 4 5 67002134 5 67 02134 5 67 0213 4 5 6 7012242550001122345049250123204520462047TDMA 幀(4.615ms,共 8 個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙 0.577ms,含 156.25 個(gè)碼元)0121 業(yè)務(wù)復(fù)幀26 個(gè) TDMA 幀，含 120ms1 控制復(fù)幀51 個(gè) TDMA 幀，含 235.385ms1 超幀1326 個(gè) TDMA 幀，含 6.12s。2651 或 51261 超高幀2048 個(gè)超幀2715648 個(gè) TDMA 幀，含 3 小時(shí) 28 分 53 秒 760 毫秒243圖圖5.18 下行鏈路下行鏈路TS0上映射上映射BCH和和CCCHBCH+CCCH 下行鏈路F SSBCCCCCCCCFFFFSSSCITDMA 幀0 1 2 3 4 5 67 011 34 5 67 01 25.4.3 GSM系統(tǒng)中的信號傳輸系統(tǒng)中的信號傳輸1.話音信號處理(話音編碼、信道編碼和交織)圖5.23 GSM系統(tǒng)中的話音處理過程2.調(diào)制與發(fā)射3.間斷傳輸技術(shù)圖圖5.23 GSM系統(tǒng)中的話音處理過程系統(tǒng)中的話音處理過程話音編碼信道編碼Burst形成交織加密調(diào)制話音解碼信道解碼Burst分離去交織解密解調(diào)均衡13kbit/s22.8Kbit/s話音輸入話音輸出5.5 GSM系統(tǒng)的安全性管理系統(tǒng)的安全性管理5.5.1 GSM系統(tǒng)中用戶三參數(shù)組的產(chǎn)生5.5.2 安全管理措施5.5.1 GSM系統(tǒng)中用戶三參數(shù)組的產(chǎn)生系統(tǒng)中用戶三參數(shù)組的產(chǎn)生 用戶的鑒權(quán)和加密是通過系統(tǒng)提供的用戶三參數(shù)組來完成的，用戶三參數(shù)組是在GSM系統(tǒng)的AUC中產(chǎn)生的，如圖5.24所示。圖圖5.24 AUC中用戶三參數(shù)組的提供中用戶三參數(shù)組的提供RAND發(fā)生器KiA3A8SRESKCRAND鑒權(quán)鍵三參數(shù)組HLRMSC/VLR請求傳送鑒權(quán)中心(AUC)5.5.2 安全管理措施安全管理措施1.用戶身份的鑒權(quán)2.通信信息的加密圖5.25 通信信息的加密過程3.用戶識別碼的保護(hù)4.移動(dòng)設(shè)備的識別圖圖5.25 通信信息的加密過程通信信息的加密過程MSC/VLR加密消息“加密模式完成”解密消息“解密模式完成”加密模式完成加密成功A5A5KCKCRAND幀號幀號A8Ki加密命令MBTS側(cè)MS側(cè)5.6 GSM系統(tǒng)的移動(dòng)性管理系統(tǒng)的移動(dòng)性管理5.6.1 位置管理5.6.2 越區(qū)切換5.6.3 呼叫處理5.6.1 位置管理位置管理1.開機(jī)進(jìn)入空閑模式2.位置登記3.位置更新圖5.26 不同MSC/VLR業(yè)務(wù)區(qū)之間的位置更新圖圖5.26 不同不同MSC/VLR業(yè)務(wù)區(qū)之間的位業(yè)務(wù)區(qū)之間的位置更新置更新圖526不同MSCVLR業(yè)務(wù)區(qū)之間的位置更新VLRMSCMSCVLRHLRBTSBTSBTS5.6.2 越區(qū)切換越區(qū)切換1.同一個(gè)BSC控制區(qū)內(nèi)不同小區(qū)之間的切換，也包括不同扇區(qū)之間的切換。圖5.27 同一BSC的兩個(gè)BTS間的切換2.同一個(gè)MSC/VLR業(yè)務(wù)區(qū)，不同BSC間的切換。3.不同MSC/VLR的區(qū)間切換。圖圖5.27 同一同一BSC的兩個(gè)的兩個(gè)BTS間的切換間的切換BSCMSC/VLR原鏈路新鏈路BTSBTSBTS圖5-27 同一BSC的兩個(gè)BTS間的切換5.6.3 呼叫處理呼叫處理1.移動(dòng)臺(tái)被呼圖5.30 移動(dòng)用戶被呼過程示意圖2.移動(dòng)臺(tái)主呼圖圖5.30 移動(dòng)用戶被呼過程示意圖移動(dòng)用戶被呼過程示意圖PSTNGMSCVLRVMSCHLRBSBSBS位置區(qū)域圖 530移動(dòng)用戶被呼過程示意圖11115.7 GPRS技術(shù)技術(shù)5.7.1 GPRS概況5.7.2 GPRS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能5.7.3 GPRS 系統(tǒng)的安全管理5.7.4 GPRS 系統(tǒng)的移動(dòng)性管理5.7.5 GPRS的局限性5.7.1 GPRS概況概況 GPRS(General Packet Radio Service)也叫通用分組無線業(yè)務(wù)，是GSM Phase2+階段規(guī)定實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一，是GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演進(jìn)的第一步。GPRS作為第二代移動(dòng)通信向第三代過渡的技術(shù)是由英國BT Cellnet公司早在1993年提出的，GPRS是一種基于分組交換傳輸數(shù)據(jù)的高效率方式，面向用戶提供移動(dòng)分組的IP或者X.25連接。5.7.2 GPRS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能1.GPRS網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖5.31 GPRS總體結(jié)構(gòu)與接口表5.3 GPRS體系結(jié)構(gòu)中的接口及參考點(diǎn)2.GPRS的功能圖圖5.31 GPRS總體結(jié)構(gòu)與接口總體結(jié)構(gòu)與接口InternetMSCBSSPCUVLRHLREIRSGSNGGSNGpGbGcGrGfGnGiAX.25ATM其他 GPRS網(wǎng)絡(luò)或其他PLMNMTSC-SMGdTERUmSMS-GMSCSMS-IWMSCGs表表5.3 GPRS體系結(jié)構(gòu)中的接口及參考點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)中的接口及參考點(diǎn)接口或參考點(diǎn)描 述R非 ISDN 終端與移動(dòng)終端之間的參考節(jié)點(diǎn)GbSGSN 與 BSS 之間的接口GcGGSN 與 HLR 之間的接口GdSMS-GMSC 與 SGSN 之間的接口，SMS-IWMSC 與 SGSN 之間的接口GiGPRS 與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的參考點(diǎn)Gn同一 PLMN 中兩個(gè) GSN 之間的接口Gp不同 PLMN 中兩個(gè) GSN 之間的接口GrSGSN 與 HLR 之間的接口GsSGSN 與 MSC/VLR 之間的接口GfSGSN 與 EIR 之間的接口UmMS 與 GPRS 固定網(wǎng)之間的無線接口5.7.3 GPRS 系統(tǒng)的安全管理系統(tǒng)的安全管理 GPRS網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)程序和GSM網(wǎng)絡(luò)中的鑒權(quán)完全相同，但對數(shù)據(jù)信息的加密則稍有不同。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的AUC仍然進(jìn)行原有的操作，產(chǎn)生用戶三參數(shù)組(KC，RAND，SRES)，并存儲(chǔ)在HLR內(nèi)。1.鑒權(quán)2.數(shù)據(jù)信息的加密5.7.4 GPRS 系統(tǒng)的移動(dòng)性管理系統(tǒng)的移動(dòng)性管理1.MS登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)圖5.32 MS登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)時(shí)的信令傳輸過程2.網(wǎng)絡(luò)連接的建立3.注銷GPRS網(wǎng)絡(luò)圖圖5.32 MS登錄登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)時(shí)的信令傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)的信令傳輸過程輸過程MSBSSSGSNGGSNHLR登錄請求登錄接受MS鑒權(quán)和加密重新得到鑒權(quán)信息登錄完成更新位置5.7.5 GPRS的局限性的局限性小區(qū)總?cè)萘坑邢迣?shí)際傳輸速率和理論值之間存在著較大的差距支持GPRS MT(GPRS Mobile Terminate)的終端得不到保證GPRS使用的調(diào)制方式還有待改進(jìn)存在傳輸時(shí)延謝謝觀看/歡迎下載BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH