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GSM与GPRS.ppt

GSM与GPRS

direfish
2011-12-02 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《GSM与GPRSppt》,可适用于IT/计算机领域

GSM与GPRSGSM与GPRS内容内容GSM系统概述GSM系统的无线接口◆无线接口◆语音与信道编码◆信道类型和组成GSM系统的控制和管理◆位置登记◆鉴权与加密◆越区切换GPRSGSM系统概述GSM系统概述GSM以前是GroupSpecialMobile(年设立)的缩写现在是(GlobalSystemforMobilecommunications)的缩写。由欧洲ETSI(EuropeanTelecommunicationsStandardizationInstitute)提出的第二代数字蜂窝移动通信系统标准。采用TDMAFDMA复用方式。采用数字化语音编码和数字调制技术。以语音业务为主也支持无线的数据业务。是世界上使用最广、用户数最多的移动通信系统。GSM历史GSM历史年北欧四国向欧洲邮电行政大会CEPT提交建议书要求制定MHz频段的欧洲公共电信业务规范。在ETSI技术委员会下成立“移动特别小组(GroupSpecialMobile)”简称“GSM”来制定有关的标准和建议书。年在巴黎对提出的个建议系统进行现场实验。GSM选定窄带TDMA、RPELTP话音编码和GMSK调制方式。年提出主要建议颁布GSM(泛欧数字蜂窝通信网)标准。年完成了GSM的规范不同建议书分组成为一套个系列。GSM历史(续)GSM历史(续)年在欧洲开通了第一个系统将GSM更名为“全球移动通信系统”(GlobalsystemforMobilecommunications)。同年移动特别小组还完成了MHz频段的移动电信业务规范名为DCS系统。年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。年欧洲第一个DCS系统投入运营。年完成了MHz频段的PCS移动电信业务规范。GSM的发展现状GSM的发展现状第二阶段标准到年底也基本完成了主要部分并于年底冻结。年月又开始考虑第+阶段的有关标准的定义后并入第二阶段标准。全世界已有欧洲、亚洲、非洲、美洲、大洋州的多个国家和地区建立了GSM网络实现全球漫游移动通信用户的%采用GSM仅中国的用户数就超过了亿。GSM的性能特征GSM的性能特征通信:无线移动通信支持话音和数据业务。移动性:国际接入采用chipcard可接入不同运营商的GSM网络。连通世界各地:一个号码网络处理本地化。GSM的性能特征(续)GSM的性能特征(续)容量大:频谱效率较高、小区覆盖较小、每小区用户数较多传输质量高:就无线通信而言话音质量高可靠性高高速运动场合(如汽车和火车上)也极少会发生电话呼叫中断。安全功能:接入控制、通过chipcard和PIN鉴权。GSM的缺点GSM的缺点没有完美的系统!!没有端到端的用户加密。没有给用户提供完全的kbs的ISDN带宽。产生电磁辐射较强。可能会出现滥用私人数据的现象。漫游的profiles易受影响。系统高度复杂。在GSM标准内有几处不相容。GSM的标准内容GSM的标准内容GSM系统构成GSM系统构成GSM是一种公共陆地移动网(PLMN)。◆一个国家内可以由数个运营商根据GSM标准建设蜂窝移动通信网络。◆组成:►MS(移动站)►BS(基站)►MSC(移动交换中心)►LR(位置寄存器)◆子系统:►RSS(无线子系统):涵盖所有无线方面。►NSS(网络和交换子系统):呼叫下传、越区切换、交换。►OSS(操作子系统):网络管理。GSM蜂窝网络GSM蜂窝网络把服务区分割成小区:使用数个载波频点。相邻小区使用的频率不同。小区覆盖半径从数百米到km取决于用户密度、地理条件和发射机功率等。六角形小区覆盖是理想化的(小区重叠和形状取决于地理条件)。若用户从一个小区运动到另一个小区将发生呼叫连接的越区切换。GSM系统构成图示GSM系统构成图示GSM系统构成图示GSM系统构成图示无线子系统(RSS)无线子系统(RSS)组成:◆MS(移动站)◆BSS(基站子系统)组成:►BTS(基站收发信机):发射机和接收机。►BSC(基站控制器):控制数个收发信机。接口:◆Um:无线空中接口。◆Abis:标准化的开放接口用户信道数据速率kbits◆A:标准化的开放接口用户信道数据速率kbits。基站收发信机和基站控制器基站收发信机和基站控制器BSS包括BSC和BTS。BTS包括了无线空中接口规定的功能。BSC是无线信道的交换中心。BSC:具有对一个或多个BTS进行控制的功能它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等是个很强的业务控制点。BTS:无线接口设备它完全由BSC控制主要负责无线传输完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。一个BTS由无线收发信机及多块用于无线电接口的信号处理模块组成。BTS位置通常在小区中心。BTS的发射功率决定小区的尺寸。一个典型的BTS通常具有到个收发信机(TRX)每个TRX代表一个单独的RF信道。BTS功能:在朝BSC侧BTS区分与移动台有关的话音和控制信令并通过各自信道传给BSC。在朝MS侧BTS将信令和语音合在一个载波上。基站的功率等级移动站移动站使用GSM业务的终端。移动站(MS)由以下几个功能组成:◆移动终端(MT)►提供MS所有业务时要应用的功能。►相当于ISDN接入网的网络终端。►无线空中接口(Um)的末端。◆终端适配器(TA)►终端自适应、隐藏无线空中接口规定的特性。◆终端设备(TE)►MS的外围设备向用户提供业务。►不包括GSM规定的功能。◆用户身份模块(SIM)►移动终端的个人化(personalization)存储用户参数。SIM卡支持个人移动性SIM包括有关移动用户指定的GSM业务和网络信息。它存储有用户识别号、位置信息和有关保密数据(如密钥)、禁止GSM网络和参考语言。QIM卡支持个人身份码(PIN)来鉴别卡的用户以防非法卡的使用。PIN由到位数字组成在SIM出售时写入。移动台如无SIM卡只能进行紧急呼叫。移动站示意图移动站示意图表GSM系统的移动台功率等级表DCS系统的移动台功率等级网络和交换子系统(NSS)网络和交换子系统(NSS)组成:►MSC(移动交换中心)►IWF(互通功能)►ISDN(综合业务数字网)►PSTN(公共交换电话网)►PSPDN(分组交换公共数据网)►CSPDN(电路交换公共数据网)►AUC(鉴权中心)数据库:►HLR(归属位置寄存器)►VLR(访问位置寄存器)►EIR(设备识别寄存器)移动业务交换中心(MSC)移动业务交换中心(MSC)移动交换中心(MSC)在GSM中是核心:►交换功能►支持移动性的附加功能►网络资源管理►通过网关MSC(GMSC)实现互通功能►数个数据库的综合。MSC的功能:►下传寻呼和呼叫所特定的功能►号信令系统(SS)的中止处►支持移动性的特定信令►位置登记和位置信息下传►新业务的提供(传真、数据呼叫)►支持短消息业务(SMS)►生成并下传计费和帐单信息。数据库()数据库()HLR:是一个存储管理部门用于移动客户管理的数据的数据库。每个移动客户都应在其归属位置寄存器(HLR)注册登记。HLR所存储的用户信息分为两类:一类是有关用户参数的信息例如用户类别业务限制,所提供的业务用户的各种号码、识别码以及用户的保密参数等。另一类是有关用户当前位置的信息例如移动台漫游号码、VLR地址等用于建立至移动台的呼叫路由。数据库()数据库()VLR:包含所有当前在服务MSC中的移动用户的有关数据是一个动态用户的数据库。VLR中永久性数据与HLR中的相同,临时性数据略有所不同。这些数据包括当前已激活的特性,临时用户识别号(TMSI)和移动台在网络中准确位置(位置区域识别号)。一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。数据库()数据库()EIR设备识别寄存器►存储GSM移动站和用户的权利►偷窃或伪造的移动站可被锁死而且有时甚至能被定位。鉴权中心(AUC)鉴权中心(AUC)►基于VLR的申请生成用户的特定鉴权参数►鉴权参数用于GSM系统内移动终端的鉴权和空中接口用户数据加密。操作子系统(OSS)操作子系统(OSS)操作子系统(OSS)使所有GSM子系统的操作、管理和维护能集中进行。组成:操作与维护中心(OMC)►对无线子系统和网络子系统的不同的控制能力。GSM网络接口GSM网络接口主要接口包括A接口、Abis接口和Um接口网络子系统内部接口:B、C、D、E、F、G接口GSM与其它公用电信网接口一般为号信令各接口协议分层模型各接口协议分层模型GSM的号码()GSM的号码()IMSI国际移动用户识别码GSM系统中每个用户均分配一个唯一的IMSI。这个码驻留在SIM卡中。它用于识别用户和用户与网络的予约关系。在呼叫建立和位置更新时都要使用IMSI其组成如下图所示:MCC:移动国家号码MNC:移动网号MSIN:移动用户识别码IMSI(续)IMSI(续)MCC由ITUT管理由位数字组成表示所属国家如我国MCC位。MNC位该国中的网络如中国移动GSM网为中国联通GSM网为。MSIN表示某一特殊网下的用户。GSM的号码()GSM的号码()TMSI临时移动用户识别码考虑到移动用户识别码的安全性GSM系统能提供安全保密措施即空中接口无线传输的识别码采用临时移动用户识别码(TMSI)代替IMSI。两者之间可按一定的算法互相转换。VLR可给来访的移动用户分配一个TMSI(只限于在该访问服务区使用)。IMSI只在起始入网登记时使用在后续的呼叫中使用TMSI以避免通过无线信道发送其IMSI从而防止窃听者检测用户的通信内容或者非法盗用合法用户的IMSI。TMSI总长不超过个字节其格式可由各运营部门决定。GSM的号码()GSM的号码()IMEI国际移动识别标识码IMEI是唯一的用于识别移动设备的号码用于监控被窃或无效的这一类移动设备IMEI=TACFACSNRSP(位数)。►TAC型号批准码位由欧洲型号批准中心分配前位为国家码。►FAC工厂装配码位表示生产厂或最后装配地由厂家编码。►SNR序列号码位独立地、唯一地识别每个TAC和FAC移动设备所以同一个牌子的、同一型号的SNR是不可能一样的。►SP备用码位通常是。GSM的号码()GSM的号码()MSISDN移动用户ISDN号码MSISDN是用户为找到GSM用户所拨的号码。用于PSTN或ISDN或其他移动用户拨向GSM系统的号码MSISDN=CCNDCSN总长不超过位数字CC=国家码(如中国)NDC=国内地区码SN=用户号码MSISDN(续)MSISDN(续)国家代码由ITUT管理。如中国为美国为。NDC和SN由国家指定的管理部门管理。其中NDC可以有两种使用方法可以识别目的网或识别用户所属的地理区域。在我国NDC用目的网进行识别。MSISDN(续)MSISDN(续)NDC=S。S=为中国移动的接入网号。另亦为移动的号码为中国卫星集团公司所有。S=为中国联通的接入网号当H=时HH由全国统一分配H由各省自行分配。一个HLR可包含一个或若干个H数值。当H≠时SHHH由全国统一分配一个HLR可包含一个或若干个SHHH的值。SN由各HLR自行分配。手机号码的分配使用问题联通:号段为GSM网为CDMA网。是年底放号的。目前联通网络共有亿多用户。主要业务范围为移动、固话及长途。移动:号段用于中国卫星集团公司。是年月日在北京天津放号的。目前移动网络共有亿多用户。主要业务范围为移动、固话及长途。GSM的号码()GSM的号码()MSRN移动用户漫游号码当移动台漫游到一个新的服务区时由VLR给它分配一个临时性的漫游号码并通知该移动台的HLR用于建立通信路由。一旦该移动台离开该服务区此漫游号码即被收回并可分配给其它来访的移动台使用。漫游号码的组成格式与移动国际(或国内)ISDN号码类似最大为bit。MSISDN与MSRN的区别MSISDN与MSRN的区别MSISDN只在网络中关联只在被呼时有效它只与用户发生作用,它提供用户可以接受呼叫的号码。本质上它是一个目录号码,它不用于空中接口。MSRN的使用是非常严格的它只用在网络实体之间没有用户可以访问它更进一步说与MSISDN不同它不是在性能上与一个用户有关,而只与特殊呼叫有明显相关。存储在移动台和SIM卡中的信息网络使用的路由信息GSM的号码()GSM的号码()LAI位置区识别码LAI用于移动用户的位置更新。将一些小区作为一个集成为一个位置区域每个小区发送位置区识别号给所属移动台。一旦移动台发现由于小区变化造成位置区变化它就发一个位置更新给网络这就是在GSM使用的方案。位置更新区的规划受二个矛盾的结果影响既要减少寻呼业务量又要减少位置更新业务量。如位置区很大那么寻呼业务量很重如果位置区很小位置更新业务量将很高。MCC=bitsMNC=bitsLAC<=bitsLAI=MCCMNCLACGSM的号码()GSM的号码()CGI小区全球识别码CGI用来识别一个位置区内的小区CGC=MCCMNCLACCI=LAICICI为小区识别号码。GSM的号码()GSM的号码()BSIC基站识别码BSIC用于移动台识别不同的相邻基站采用比特编码。NCC为网络色码用来识别相邻的移动通信网。BCC为BTS色码用来识别相同载波的不同基站。各种“号码”使用图示各种“号码”使用图示说明说明已拨号码(MSISDN)被中继给GMSC此号码用于接入数据库是和接入用户HLR相关的号码。GSMC向HLR发送一个包括被呼MSISDN的申请。HLR检验其记录找出被呼用户的当前位置然后向被呼用户所在的MSCVLR发出一个申请而此申请中采用IMSI。MSCVLR收到此申请后发回包含在MSRN内的选路指令。HLR下传此MSRN给GMSC。GMSC采用此选路信息把此呼叫沿指定的路由传给正为被呼用户服务的MSC。该MSC把此呼叫路由给适当的BSC。此呼叫被发送给被呼的用户。由于被呼用户已经在网络中登记过因此在空中接口传送时用的是TMSI。GSM:移动业务GSM:移动业务GSM提供:►几种连接类型:话音连接、数据连接、短消息业务。►多种业务选项(基本业务的联合应用)。►三个业务领域:承载业务:所有业务都能在空中接口与网络透明地传输数据。电信业务:由应用规定的端到端业务。补充业务。GSM中的业务可分成两组:基本业务(basicservices)和补充业务(supplementaryservices)。基本业务进一步又分为以下两个项目:电信业务(teleservices)和承载业务(bearerservices)。承载业务承载业务接入点之间的电信业务传送。业务到终端接口的规格(OSI层):与PSTN、ISDN和X互通。►透明业务:层♦正向纠错(FEC)►非透明业务:层和层♦无线链路协议(RLP)和高级数据链路控制(HDLC)♦对重传的选择性拒绝机制话音和数据的(初始标准)►电路交换的数据业务►分组交换的数据业务电信业务()电信业务()用移动电话进行话音通信的电信业务。所有这些基本业务必须服从蜂窝系统功能和安全性度量等。提供的业务:移动电话:GSM的主要目标是使移动带你还能提供传统带宽kHz的话音业务这需要采用特别的编解码器。紧急号码:强迫所有GSM网络运营商提供免费拨打如我国的(匪警)和(火警)等应急号码以最高优先权连接(可能让其它连接预先空置)。多(号码)拨号:每个用户可拥有多个ISDN电话号码。电信业务()电信业务()附加业务:►非话信息通讯业务:♦类传真:传真数据和传真信令用透明的承载业务发送。♦话音信箱(在固定网中实现支持移动终端)。♦电子邮件(消息处理系统MHS在固定网中实现)。♦短消息(SMS):移动终端使用信令信道进行的文字数字的数据收发传输因此允许同时使用基本业务和SMS。注:至多个字符不使用标准的GSM数据信道而是利用空余的信令信道容量。补充业务补充业务基本业务的增值业务不能单独提供。除了因无线链路使带宽更窄之外类似ISDN业务。不同的网络运营商、不同的国家和不同的协议版本都可能使提供的补充业务不同。重要业务:►识别:下传呼叫者电话号码。►缩位拨号。►自动回呼。►至多人参加的电话会议。►移动终端锁定(Locking)(呼进或呼出)。►内容内容GSM系统概述GSM系统的无线接口►无线接口►语音与信道编码►信道类型和组成GSM系统的控制和管理►位置登记►鉴权与加密►越区切换GPRSGSM系统的无线接口GSM系统的无线接口GSM的工作频段GSM的工作频段GSM频率划分GSM频率划分我国GSM使用的频段:上行~MHz下行~MHz。频道号为~共MHz。►中国移动公司:~MHz(上行)~MHz(下行)共MHz带宽个频道频道号为~。►中国联通公司:~MHz(上行)~MHz(下行)共MHz带宽个频道频道号为~。我国DCS频段的使用:仅中国移动有DCS网络MHz带宽频道号为~。问题问题双频系统的使用问题:双频系统即GSM双频段操作的系统能有效解决GSM系统频率较窄容量有限和话务负荷不足等问题。使用:单频GSM手机仍然在GSM网中应用而双频手机可以在双频系统中自动漫游、自动切换且始终保持在相对最佳信号状态下。双频系统的优点双频系统的优点除射频外GSM系统与GSM系统有基本相同的软硬件结构两个网络的拓扑结构相同可共用MSC、HLR、BSC及OMC两个网络可共站址可充分利用机房、传输、电源及其他配套设施大大节省建设投资与日常维护费用GSM和GSM的无线频率规划方法及工具基本相同GSM无线覆盖范围小小区半径小覆盖相同的区域需要较多基站因此提高了单位面积的网络容量。三频手机三频手机支持亚洲、欧洲与北美GSM网络(GSMMHz)目前中国移动已经与世界五大洲的多个国家和地区的个运营商开通了国际漫游业务开通范围还在不断扩大。除了日本、韩国和部分美洲国家外只要是开通了漫游的国家和地区客户都可以使用自己的手机。日本和韩国的网络制式与中国移动的网络不同到日本和韩国漫游需要更换手机。美洲部分国家运营商的网络是GSMM的在这些网络漫游需要使用三频手机目前市场上大部分手机都支持三频。在美国除了使用三频手机外还可以使用NEXTEL公司的IDEN手机。这种手机在中国和美国都可以使用只需将已开通国际漫游功能的SIM卡插入该手机中即可使用。GSM多址方式与频率复用GSM多址方式与频率复用多址方式和双工方式:TDMAFDMAFDD收发频率间隔:GSM:MHzDCS:MHz占有MHz带宽包含对频道频道间隔kHz。每个载频含个时隙时隙从编码。这相同频率的个时隙被称为一个TDMA帧。用户在某一时隙发送被称为突发时隙(burst)。一个突发时隙长度为S一帧为ms。共个物理信道。区群由个小区组成区群内不使用相同频道每个小区含多个载频。GSMTDMAFDMAGSMTDMAFDMATDMA系统的特性:TDMA系统的特性:每载频多路。如前所述TDMA系统形成频率时间矩阵在每一频率上产生多个时隙这个矩阵中的每一点都是一个信道在基站控制分配下可为任意一移动客户提供电话或非话业务。 突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的只是在规定的时隙内发射脉冲序列。 传输速率高、自适应均衡。每载频含有时隙多则频率间隔宽传输速率高但数字传输带来了时间色散使时延扩展量加大则务必采用自适应均衡技术。在GSM中均衡是在接收端通过每一时隙中间段所发送的训练序列来实现。 传输开销大。由于TDMA分成时隙传输使得收信机在每一突发脉冲序列上都得重新获得同步。为了把一个时隙和另一个时隙分开保护时间也是必须的。因此TDMA系统通常比FDMA系统需要更多的开销。 对于新技术是开放的。例如当话音编码算法的改进而降低比特速率时TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。共享设备的成本低。由于每一载频为许多客户提供业务所以TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了。移动台较复杂。它比FDMA系统移动台完成更多的功能需要复杂的数字信号处理。GSM上下行链路的时隙同步GSM上下行链路的时隙同步注:上行下行的时隙并不是出现在同一时刻。时隙的上行发射出现在接收下行时隙的三个时隙之后。这样的好处是移动台不需要双工器。但它需要同步发射和接收。GSM的帧结构GSM的帧结构时隙的格式时隙的格式其中:T代表起始或尾比特S指示是信令数据还是用户数据GP代表保护间隔。GSM的调制GSM的调制调制方式:GMSK高斯最小频移键控原因:邻信道干扰小于dB。BT=(由标准定义)=(BWFilter)(Bit周期)频谱利用率=bpsHz速率=bps=>Bit周期=us=>BWFilter=kHz语音编码和信道编码语音编码和信道编码GSM话音信号处理GSM话音信号处理话音编码的目的:•压缩(具有质量要求)以时隙方式发送•不连续发送(DTX)具有这种功能的器件被称为是语音编解码器。每一个移动台都有一个语音编解码器。在网络这一边语音编解码器形成TRAU。TRAU在BSS存在GSM支持各种语音编解码器。在GSM的第阶段定义支持全速语音编解码所谓全速编码是指该编译码器在语音传送时每帧均占有一个时隙。该编译器使用RPELTP长期预测的规律脉冲激励。GSM的第二阶段定义支持半速编解码。半速编解码器每隔二帧使用一个TDMA时隙。全速编码器输出是kbpsEFR输出也为kbps但具有更高的语音质量。半速编码输出kbps采用半速编码可以支持二倍的全速编码用户在另一方面半速的语音质量差一些。用户不同GSM接口的语音传输示意BTS增加速率为kbs的信令用于BTS控制远端码型变换器单元TCU的工作称为带内信息包括同步和控制比特(包括坏帧指示、编码器类型、DTX指示等)GSM信道编码GSM信道编码目标:在传输的数据中选择性地引入冗余保护数据传输不出差错(检错和纠错编码)。话音和数据的编码类型:►分组编码►卷积码从语音编解码器来的bit数据块按照重要性和作用被分成三类。重要的信息进行重点保护非重要的进行非重点保护。三类信息分别分为Ⅰa、Ⅰb和Ⅱ类。Ⅰa类是最重要的Ⅰb类第二重要II类不重要(bits)末受到任何保护。用户数据速率=bitsms=kbps(kbps原始数据kbps奇偶校验和信道编码)尾比特语音编解码的前向纠错(全速业务信道)GSM话音编码后的数据复接GSM话音编码后的数据复接bits=×bits在复接和交织之后安放在个时隙的数据域中。交织器原理交织器原理GSM系统中的交织GSM系统中的交织交织:在信道编码之前打乱源信息比特的时间顺序把一个较长的突发差错离散成随机差错再利用纠正随机差错的编码技术消除随机误差。交织的处理可以抗端利衰落。在空中接口中使用的交织深度有(多数据控制信道)、(全速语音)、(数字信道)。GSM所采用的交织是一种既有块交织又有比特交织的交织技术。全速语音的时块被交织成个突发时隙即从语音编码器来的bits输出被分裂成个时块每个子块个比特再将每个比特进行比特交织然后再根据奇偶原则分配到不同的突发块口交织造成个突发周期或ms滞后。交织深度越大离散度越大抗突发差错能力越强。交织深度越大交织编码处理时间越长抗差错能力是以时间为代价的。所有的交织器都有一个固定延时实际中所有的无线数据交织器的延时都不超过ms这种延时是人们可以忍受的。跳频跳频采用慢跳频技术每帧跳频一次每秒跳可确保通信的秘密性和抗干扰性。跳频作用:改善衰落。多径环境中的慢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。GSM系统中的跳频分为基带跳频和射频跳频两种。不连续发送和话音激活检测不连续发送和话音激活检测GSM的话音编解码器当它检测到话音的间隙后在间隙期不发送。这就是GSM所谓的不连续发送(DTX)。DTX能在通话期对话音进行kbps编码在停顿期用bps编码。在停顿期要用bps发送GSM称之为发送舒适的噪声。在讲话停顿时对讲话者的背景噪声进行编码。背景噪声往往不同由于同样的背景噪声在讲话者实际讲话中同样部分编码在停顿时编码对用户可提供连续感。为了实现DTX要使用话音激活检测(VAD)一旦讲话出现停顿能给出指示。DTX的作用:、使用DTX可以减小系统中的干扰等级并提高系统有效性。、由于使用了DTX发射机发射总时间下降了功率损耗降低的同时延长了MS的电池寿命。定时前置和功率控制定时前置和功率控制如果在任何距离上所有移动台同时发送信息这些信息到达的BTS时间由于距离上的变化而有轻微的变化。如果所有移动台均用同样的功率发射。接近BTS的MS要比在小区边缘的MS在BTS上的接收要强。定时前置和功率控制的目的:在GSM系统中通过这些参数的控制使所有的发送时隙在时间和功率上在BTS的接收端保持同步。定时前置(Timingadvance)定时前置(Timingadvance)如果考虑可能的最大传输时延。在每个时隙片的结尾要留有足够的保护时间作补偿。MS在保护期内不能发送用户数据即使两个时间出现重叠只能在保护时间内重叠。由于在该时间内无用户信息发送,就无数据丢失。这一方案虽然具有简单及信令要求最小的优点但降低了系统的频谱的利用率。GSM具有非常严格的时间同步系统GSM选择了小的保护周期和对各时隙的定时进行动态控制的方案。定时前置允许对每个时隙的上行发送时间独立控制远离BTS的MS要求比离BTS近的MS发射早。在GSM中最大的定时前置限制小区尺寸在Km左右。功率控制功率控制为了补偿小区的不同距离造成的衰落。BTS能够指导MS改变它的发射功率以使到达BTS接收机的功率在每个时隙相同。这样可以减少整个系统的干扰电平提高频谱效率。BTS能够独立控制每一条上行和下行链路时隙的功率电平即在GSM系统中上行和下行链路的功率控制是彼此独立的。功率电平控制方案由BSC完成。在GSM中功率电平每ms变化台阶为dB(步长)。上行功率控制范围是dB步长dB下行功率控制范围一般可达dB步长也是dB。BTS是功率控制的管理者通过指令规定BTS和MS的功率。GSM的信道类型和组成GSM的信道类型和组成业务信道业务信道业务信道TCH传输话音和数据话音业务信道按速率的不同可分为全速率话音业务信道TCHFS和半速率话音业务信道TCHHS。数据业务信道按速率的不同也分为全速率数据业务信道(TCHFTCHFTCHF)和半速率数据业务信道(如TCHH,TCHH)这里的数字、和表示数据速率单位为kbs。GSM的控制信道GSM的控制信道控制信道(CCH)传输各种信令信息广播信道(BCH)►频率校正信道(FCCH)►同步信道(SCH)►广播控制信道(BCCH)公共控制信道(CCCH)►呼叫信道(PCH)►随机接入信道(RACH)►接入许可信道(AGCH)专用控制信道(DCCH)►独立专用控制信道(SDCCH)►慢相关控制信道(SACCH)►快相关控制信道(FACCH)控制信道组合图示控制信道组合图示(a)前向控制信道(b)反向控制信道GSM控制信道组合说明GSM控制信道组合说明控制信道的映射:►某小区超过个载频时该小区C的TS就映射广播和公共控制信道。►FCCHMS依此同步频率它的突发脉冲序列为FB。►SCHMS依此读TDMA帧号和BSIC码突发脉冲序列为SB。►BCCHMS依此读有此小区的通用信息突发脉冲序列为NB。►IDEL空闲帧不包括任何信息突发脉冲序列为DB。►CCCH移动台依此接受寻呼和接入突发脉冲序列NB。即便没有寻呼或接入进行BTS也总在C上发射用空位突发脉冲序列代之。从帧的分级结构知帧的复帧用于携带BCH和CCCH共有个TS。此序列在第个TDMA帧上映射一个空隙帧之后开始重复下一个帧的复帧。话音专用控制信道帧和复帧结构广播控制信道(BCCH)广播控制信道(BCCH)单向下行信道传输系统公用控制信息。如网络同步信息建立在该信息上MS能够决定是否和如何通过现行小区接入系统该信道的信息还可以使MS识别网络接入网络等等。广播信息可分成下面几组:①给出网络和相邻小区的唯一识别信息小区识别移动网编码(形成IMSI的部分)位置地区识别(LAI)和相邻小区广播控制信道的频率信息等。②描述当前控制信道结构的信息用于小区的控制信道配置周期位置更新计时器和类似信息。③定义小区所支持选择信息是否允许不连续发送(DTX)小区重新选择的滞后MS在接入控制信道时可使用的最大发射功率级MS允许接入系统所需要的最小接收信号级别是否支持半速编解码或者支持扩展的GSM频率。④控制接入的信息最多的试呼次数试呼的平均间隔小区是否禁止接入小区是否允许重建是否允许紧急呼叫等。频率校正信道(FCCH)频率校正信道(FCCH)传输供MS校正其工作频率的信息。MS使用FCCH来纠正它内部的时钟基准使其容易定位并解调出同一小区的其他信息。该信道同时也给MS提供一个指示的同步信道(SCH)。因为一个SCH总跟着FCCH同样频率的个时隙。同步信道(SCH)同步信道(SCH)该信道提供MS有关MS接收另外信道突发时隙所必须的训练序列。因为MS和BTS预先都知道训练序列MS可以调整它的内部定时方案并正确进行解码。该信道提供有关BS使用训练序列的信息码国家彩色码和TDMA帧号。公共控制信道(CCCH)公共控制信道(CCCH)CCCH是一种双向控制信道用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。其中又分为:①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)。②寻呼信道(PCH):传输基站寻呼移动台的信息。寻呼标识为TMSI或IMSI。③接入许可信道(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。专用控制信道(DedicatedControlChannels)专用控制信道(DedicatedControlChannels)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以及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:①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。主要传送建立连接的信令信息、位置更新信息、短消息、鉴权消息、加密命令及处理各种附加业务。②慢相关控制信道(SACCH):SACCH结合TCH或SDCCH进行分配。它是双向的专用信道它携带控制和测量参数及用于保持MS和BTS之间无线链路必要的路由数据。现主要用于短信手机测量下行信道的测量参数功率控制等等。③快相关控制信道(FACCH):FACCH是一个需要时才出现的信道与业务信道TCH相关。在该信道所能携带的信息与SDCCH一样。与SDCCH不同的是被分配和固定了时间间隙直到网络或用户释放它。在另一方面一个FACCH通过从借用ms的TCH突发脉冲序列来传送信令。当MS和网络需要交换关键定时信息时才采用。主要用于切换、短信及通知手机测试哪些邻区等场合。表-逻辑信道的主要功能内容内容GSM系统概述GSM系统的无线接口◆无线接口◆信道类型和组成◆语音与信道编码GSM系统的控制和管理◆呼叫过程◆位置登记和位置更新◆鉴权与加密◆越区切换GPRSGSM的区域定义GSM的区域定义GSM服务区公用陆地移动通信网(PLMN)MSC区位置区基站区扇区移动台接入移动台接入MS接入系统的原因有以下几种:试图发起呼叫对网络请求的响应(如被呼)MS周期性位置更新。在GSM中有单独一个信道用于MS在该小区的接入。GSM的接入模型可用著名的ALOHA模型来代替。ALOHA系统是不相关用户同抢一个共享信道。ALOHA系统的基本概念:用户有接入请求时通知它们发送。如果二个用户同时发送将造成碰撞二个请求都失效。虽然二个请求同时发送有可能由于FM的捕捉效应接收机可以解出一个接入请求。如果发射方未收到接收方的确认信号它将等一个随机时间重新发送。等待时间必须是随机数否则将一直碰撞下去。进入死循环。由于GSM的时隙碰撞只在时隙期间发生这就是时隙ALOHA。时隙ALOHA的有效性接近于信道利用率的。该方案相对简单。提高信道通过率的方法:一是提高信道容量二是缩短信息长度。当碰撞出现之后GSM的补偿机制是在每个小区的基础上进行设计每次碰撞一旦出现MS试图重送接入信息。GSM支持频率和网络重试次数的控制。每个小区在BCCH上发送参数。BCCH在MS不得不停止任何进一步试呼前指示在试呼前要等待的时隙数和允许最大的试呼次数。接入信道的设计在系统性能中扮演一个重要的角色。整个系统的性能反应在MS如何接入和得到服务上需了解系统资源(如业务信道情况)综合考虑。►接入信道容量越大接入用户越多但系统由于缺少足够的业务信道不能够支持它们服务最终还是被拒绝。越早拒绝效率越高可避免不必要的系统资源浪费。►另外一方面接入信道太少就会拒绝本可以得到服务的用户。GSM为了在高峰业务量的条件下保持满意水平。系统能够明显地送一个信息给部分MS使其在某一特定的时间段不能接入系统工作。通过在BCCH送出一个信息指示允许入网的有权MS接入群(classes)GSM操作者的整个移动用户随机分成个群。用户的接入群存贮在SIM中。在正常的情况下所有接入群均允许接入系统。在过荷条件下系统对被选的用户群拒绝其入网这是一条解决业务过荷非常有效的方法。因为它需要最小的信令负荷。为了在过荷情况下保证紧急呼叫和其它一些政府机构入网工作增加了个附加的优先移动用户群。群对于保密人员群对于公共部门群对于紧急个人群对GSM维护管理人员群给一网络运营者作为特殊用处。移动台开机后的工作移动台开机后的工作在GSM网中对自己进行初始化:⑴MS首先必须确定BCCH频率以获得操作必需的系统参数。⑵确定FCCH找到FCCH之后MS通过解码使自身与系统的主频同步。这样就可以正确地确定时隙和帧的边界。⑶MS知道在相同的频率上FCCH的第个时隙后是SCH它只需简单等个时隙便可对SCH解码获得时间同步也可对BCCH上的其它数据进行解码了。小区选择小区选择在选择MS所在的小区之前它必须确定能否从网络中获得服务。MS可以手工或自动(存贮在SIM中的GSM表中)确定有效GSM网。如果当前小区不是有效GSM网络部分MS只能寻找其它BCCH。一旦选择了有效的GSM网。MS选择登陆的小区MS有一个小区选择算法用于确定最好的有效小区。这几种算法如下:⑴MS收到信号强度是MS从该区的BTS收到信号好坏的指示。由BCCH发射的参数之一是MS允许接入系统的最小接收信号电平。如果接收信号电平在该值之下MS将禁止在该小区登陆。⑵第二个标准是位置区域。每一次MS关机后服务登记区识别号存贮在SIM卡中一旦手机重新开机后进入小区选择存贮在SIM卡中的位置区识别号会被用来与广播位置区识别号进行比较如果它们不一致这个特别小区被某一因数权重下来这样如果在不同登记区有二个识别小区由MS视无线信号优劣等因素来决定它将尽量选择它不用进行位置更新小区。⑶第三个标准是移动台功率等级特别是MS的最大发射功率即使MS可能相当好地接收BTS信号而BTS能否接收MS信号并无担保。小区范围不是固定的而是随MS按它的功率级不同而变化的。位置更新位置更新包括三方面的内容:MS的位置登记MS从一个位置区域进入另一个位置区域进行通常意义下的位置更新周期性的位置更新。位置登记位置登记使用小区选择标准和算法MS扫描它附近小区的BCCH信道给出一张所有通过选择标准的小区表在表中最好的小区被MS选择为工作小区。如果所选小区是以前的位置区域则进行位置登记MS就进入空闲模式等待用户发起呼叫或接收来自网络的寻呼。如果是位置登记MS以它的IMSI等数据向GSM网络请求位置登记网络经过验证后会分派一个TMSI代码给MS。MS得到TMSI后会将TMSI代码存储在SIM卡中以后不论是手机关机还是重新开启TMSI都存储在手机的SIM卡中。位置登记过程位置登记过程位置登记过程位置登记过程位置登记过程位置登记过程位置更新位置更新MS从BCCH获得位置区信息并将它与存贮在SIM卡原先登记的位置区进行比较如果位置区不一致那么它将通知网络其数据库存放的该MS的位置信息不再正确需要更新。一旦确认需位置更新MS应立即进行位置更新。如果移动台当前所在的位置区域由收到这一信息的VLR(当前VLR)控制那么意味着VLR已经得到了该用户的所有信息。它能够顺利完成位置更新的过程。位置更新过程位置更新过程如果VLR没有该用户的以前记录就得求助于用户的HLR来提供用户的信息。VLR送一个MAPD位置更新信息给HLR。HLR在它的内部数据库记录记录中查找用户的描述。确认该用户是否在当前的VLR中具有该业务。如果用户在该VLR区具有该业务权限HLR就返回一个成功的信息给VLR如果无该用户权限。那么该业务就返回一个失败的结果。VLR对于MS的位置更新请求如果送一个成功的结果就要给移动台安排一个新的TMSI这个新的TMSI由VLR安排并反馈一个成功的位置更新指示给MSMS在收到TMSI以后改写以前的值并且将它存入SIM。该值将用于所有接着发生的位置更新。位置更新位置更新周期性位置更新周期性位置更新概念:网络在特定的时间内没有收到来自MS的任何消息系统就对MS采取强制登记措施这种位置登记过程叫做周期位置更新。周期位置更新由MS内的定时器来控制定时值由网络在BCCH上通知MS。定时值到时MS便向网络发送位置更新请求消息启动周期位置更新过程。如果网络在特定时间内没有收到MS的周期位置更新消息就认为用户不在服务区或者电池耗尽。周期位置更新过程只有证实消息MS接收不到证实消息就一直向网络发送周期位置更新请求消息。建立通信链路(Establishingcommunicationlink)建立通信链路(Establishingcommunicationlink)MS调谐到RACH上发出信道请求信息。然后转到AGCH等待来自网络的响应。MS送出信道请求信息有一个长的保护周期可以保证即使该信息与下一个时隙的信息重叠在BTS接收时信息内容也不会丢失。BTS收到信道请求后便增加有关传输时延的信息一起传输给BSC。BSC能够通过比较时延进行赋值。BSC选择一个有效信道(典型的SDCCH)计算赋值的定时延迟并通知BTS激活信道然后它送一个信道分配信息给BTS该信息携带一个参数使接收端MS能够相关地得到分配的信道、该信道的定时前置MS起初发射功率电平大小等等参数。初始化信息过程(Initialmessageprocedure)初始化信息过程(Initialmessageprocedure)MS在接收到信道分配信息后调谐到分配信道上发送一个业务请求信息(在SDCCH上送出)这信息指明MS从网络请求什么业务。在位置更新情况下请求是一个位置更新请求这个信息有有关MS识别码的详细信息。包括有关移动识别码(如TMSI)的信息功率级频率容量MS支持的保密算法(如A)等等。这些信息由BSC送给MSC通过A接口作进一步处理MSC然后通过MAPB将信息传给VLR。GSM系统的安全性GSM系统的安全性安全性服务►接入控制鉴权:对SIM卡的有效用户鉴权。♦用户SIM:隐密PIN(个人身份识别号码)♦SIM网络:询问响应方法(RAND–SRES)►机密性:♦在成功鉴权后话音和信令在无线网络上加密BTS和MS对话音、数据和信令加密。►匿名:♦临时身份识别TMSI♦在每次位置更新(LUP)时指派新的TMSI♦加密传输♦VLR可在任何时间改变TMSIGSM规定的种算法:►A用于鉴权(在开发的接口“隐密”)►A用于加密(已形成标准)►A用于生成密钥(在开发的接口“隐密”)鉴权(Authentication)鉴权(Authentication)一旦当前的VLR成功地接收到适当原因(位置更新呼叫建立等等)的起始信息它将启动鉴权和保密程序。鉴权过程总是由网络发起在VLR中进行。鉴权程序的目的:►容许网络检查MS提供的识别号是否可接收►提供参数让MS计算新加密钥。鉴权的基础:唯一询问响应。过程:鉴权算法驻留在网络侧的AUC和MS侧的SIM卡中。AUC对应各用户选择一个随机数并连同用户的鉴权键Ki将它输入A算法输出是SRES。一旦VLR不得不完成鉴权它通过SDCCH送一个鉴权请求给MS。这一信息包含随机询问(即RAND)。MS在SIM卡的帮助下产生一个响应SRES把它送给VLR。VLR收到SRES与内部存贮的值进行比较如果匹配用户被认为是合法的。GSM鉴权过程示意GSM鉴权过程示意Ki:用户鉴权密钥SRES:有符号的响应

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