GSM蜂窝移动通信系统.ppt

1、GSM蜂窝移动通信系统 简介,2010年5月,第一讲 GSM的发展历史,1.1 GSM系统历史背景 1.2 GSM系统技术规范目录,1.1 GSM系统历史背景,GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电 信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设 计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而 成。,1.1 GSM系统历史背景,1979年美国在芝加哥开通了第一个 AMPS(先进的移动电话业务)模拟蜂窝系 统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通 了NMT(Nordic 移动电话)系统，接着欧 洲先后在英国开通TACS系统，德国开 通C450系统等。,模拟系统的缺点,1. 各系统间没有公共接口； 2. 很难开展数据

2、承载业务； 3. 频谱利用率低无法适应大容量的需求； 4. 安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。,1982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行 政大）提交了一份建议书，要求制定900MHz 频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会 上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI） 技术委员会下的“移动特别小组（Group SpecialMobile）简称“GSM”，来制定有关的 标准和建议书。,1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大 量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实 验。 1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多 址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编 码

3、和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致 意见。同年，欧洲17个国家的运营者和管理者签署了 谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。与 此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。 1990年完成了GSM900的规范，共产生大约130 项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套12系 列。,1991年在欧洲开通了第一个系统，同时 MoU组织为该系统设计和注册了市场商标， 将GSM更名为“全球移动通信系统（Globa1 system for Mobile communications）。 从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系 统。,1.2 GSM系统技术规范目录,GSM系统技

4、术规范共分12章： 01 概述 02 业务方面 03 网路方面 04 MS-BS接口与协议 05 无线路径上的物理层 06 话音编码规范,1.2 GSM系统技术规范目录,07 MS的终端适配器 08 BS-MSC接口 09 网路互通 10 业务互通 11 设备和型号认可规范 12 操作和维护,第二讲 GSM通信系统,2.1 系统的组成 2.2 交换网路子系统（NSS） 2.3 无线基站子系统（BBS） 2.4 移动台,2.1 系统的组成,蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子 系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移 动台（MS）三大部分组成。,GSM系统框图,2.2 交换网路子系统（NSS）

5、,交换网路子系统（NSS）主要完成交换 功能和客户数据与移动性管理、安全性管理 所需的数据库功能。 NSS 由一系列功能实 体所构成。,MSC移动交换中心,MSC是对位于它所覆盖区域中的移动台 进行控制和完成话路交换的功能实体，也是 移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。,MSC移动交换中心,MSC可以完成网路接口、公共信道信令 系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之 间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性 管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路 由，每个MS、还应能完成入口MSC的功能， 即查询位置信息的功能。,VLR 访问位置寄存器,VLR是一个数据库，是存储MSC为了处 理所管辖区

6、域中MS（统称拜访客户）的来 话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的 号码，所处位置区域的识别，向客户提供的 服务等参数。,HLR 归属位置寄存器,HLR也是一个数据库，是存储管理部门 用于移动客户管理的数据。每个移动客户都 应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记， 它主要存储两类信息：一是有关客户的参 数；二是有关客户目前所处位置的信息，以 便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、 VLR地址等。,AUC 鉴权中心,AUC用于产生为确定移动客户的身份和 对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机 号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的 功能实体。,EIR 设备识别寄存器,EIR也是一个数据库

7、，存储有关移动台 设备参数。 主要完成对移动设备的识别、 监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使 用。,2.3 无线基站子系统（BSS）,BSS系统是在一定的无线覆盖区中由 MSC控制，与MS进行通信的系统设备， 它主要负责完成无线发送接收和无线资源 管理等功能。功能实体可分为基站控制器 （BSC）和基站收发信台（BTS）。,基站控制器（BSC）,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。,基站收发信台（BTS）,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

8、 转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功 能。,2.4 移动台,移动台就是移动客户设备部分，它由两 部分组成，移动终端（MS）和客户识别卡 （SIM）。,移动终端（MS）,移动终端就是“机”，它可完成话音编 码、信道编码、信息加密、信息的调制和解 调、信息发射和接收。,客户识别卡（SIM）。,SIM卡就是“身份卡”，它类似于我们 现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有 认证客户身份所需的所有信息，并能执行一 些与安全保密有关的重要信息，以防止非法 客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户 有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端 才能接入进网，但SIM卡本身不是代金卡。,第三讲 GSM关键技

9、术,3.1 工作频段的分配 3.2 时分多址技术（TDMA） 3.3 时分多址(TDMA) 帧结构 3.4 空间分集 3.5 时间色散和均衡,3.6 基站与移动台 间的时间调整 3.7 话音编码 3.8 信道编码 3.9 交织技术 3.10 跳频技术 3.11 保密措施,3.1 工作频段的分配,我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM 通信系统采用900MHz频段： 905915（移动台发、基站收） 950960（基站发、移动台收）GSM另一个频段17101785（移动台发、基站收） 18051880（基站发、移动台收）,频道间隔,相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采 用时分多址接入（TDMA

10、）方式，分为8个时 隙，即8个信道（全速率）。每信道占用带宽 200kHz8=25kHz，同模拟网TACS制式每 个信道占用的频率带宽。从这点看二者具有 同样的频谱利用率。,采用等间隔频道配置方法，频道序号为 76124，共49个频点（见图3-2）。频道序 号和频点标称中心频率的关系为：,900MHz频段数字蜂窝移动通信网的频道配置 移动台发，基站收 fl(n)= 890.200MHz （n-1） 0.200MHz 基站发，移动台收fh(n)= fl(n) 45MHzn = 76124频道 双工收发间隔：45MHz,干扰保护比,GSM规范中规定： 同频道干扰保护比： C/I 9dB 邻频道干扰

11、保护比： C/I - 9dB 载波偏离400kHz时的干扰保护比： C/I - 41dB,3.2 时分多址技术（TDMA）,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。,TDMA 系统的特性,每载频多路。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

12、。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。 (4) 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。 (6) 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。 (7) 移动台较复

13、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。,3.3 时分多址(TDMA) 帧结构,蜂窝通信系统要传输不同类型的信 息，按逻辑功能而言，可分为业务信息 和控制信息。因而在时分、频分复用的 物理信道主要安排相应的逻辑信道。在 时分多址的物理信道中，帧的结构或组 成是基础。,信道分类,时隙的格式常规突发脉冲序列,常规突发（ NB，Normal Burst ）脉冲序 列亦称普通突发脉冲序列，用于业务信道及 专用控制信道，其组成格式如图8-8所示。信 息位占116 bit，分成两段，各58 bit。其中 57位为数据（加密比特），另用1位表示此数 据的性质是业务信号或控制信号。

14、这两段信 息之间插入26位训练序列，以消除多径效应 产生的码间干扰。,GSM系统共有8种训练序列，可分别用 于邻近的同频小区。由于选择了互相关系数 很小的训练序列，因此接收端很容易辨别各 自所需的训练序列，产生信道模型，作为时 延补偿的参照。,3.4 空间分集,我们知道在移动通信中，空间略有变动 就可能出现较大的场强变化。当使用两个接 收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的， 且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可 能性也很小，因此这一设想引出了利用两副 接收天线的方案，独立地接收同一信号，再 合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这 就是空间分集。,空间分集是利用场强随空间的随机变化 实现的，

15、空间距离越大，多径传播的差异就 越大，所接收场强的相关性就越小。这里所 提相关性是个统计术语，表明信号间相似的 程度，因此必须确定必要的空间距离。经过 测试和统计，CCIR建议为了获得满意的分集 效果，移动单元两天线间距大于0.6个波长， 即d06，并且最好选在 /4的奇数倍附近。 若减小天线间距，即使小到 /4，也能起到相 当好的分集效果。,3.5 时间色散和均衡,在GSM系统中采用自适应均衡技术 解决时间色散问题。,3.6 基站与移动台间的时间调整,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

16、的调整。,3.6 基站与移动台间的时间调整,3.7 话音编码,GSM系统话音编码器是采用声码器和波 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）。,3.8 信道编码,移动通信的传输信道属变参信道，它不 仅会引起随机错误，而更主要的是造成突发 错误。,随机错误的特点是码元间的错误互相独 立，即每个码元的错误概率与它前后码元的 错误与否是无关的。突发错误则不然，一个 码元的错误往往影响前后码元的错误概率。 或者说，一个码元产生错误，则后面几个码 元都可能发生错误。因此，在数字通信中， 要利用信道编码对整个通信系统进行差错控

17、 制。差错控制编码可以分为分组编码和卷积 编码两类。,在GSM系统中，上述两种编码方法均在 使用。首先对一些信息比特进行分组编码， 构成一个“信息分组十奇偶(检验)比特”的形 式，然后对全部比特做卷积编码，从而形成 编码比特。这两次编码适用于话音和数据二 者，但它们的编码方案略有差异。采用“两 次”编码的好处是：在有差错时，能校正的 校正(利用卷积编码特性)，能检测的检测(利 用分组编码特性)。,GSM系统首先是把话音分成20ms的音段，这 20ms的音段通过话音编码器被数字化和话音编码， 产生260个比特流，并被分成： 50个最重要比特 132个重要比特 78个不重要比特 对上述50个比特添

18、加上3个奇偶检验比特（分组编 码），这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一 起卷积编码，比率1：2，因而得378个比特，另外 78个比特不予保护。,3.9 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 息中的相继比特以非相继方式被发送。这 样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢 复成一条相继比特串的消息时，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

19、错，恢复原消息。这种方法就是 交织技术。,3.10 跳频技术,在GSM中采用跳频技术的主要目的：改 善衰落， 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。,GSM系统中的跳频分为基带跳频和射频 跳频两种。,基带跳频,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。,基带跳频原理图,基带跳频实施框图,射频跳频,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,3.11 保密措施,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

20、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；SIM卡用 PIN码保护。,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）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

21、生 一个Kc(密钥)，经A3算法(鉴权算法)产生一 个响应数(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，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， 传送给HLR、HLR自动存储。HLR可存储10 组三参数，当MSCVLR向HLR请求传送三 参数组时，HLR又一次性地向MSCVLR传 5组三参数组。MSCVLR一组一组地用，用 到剩2组时，再向HLR请求传送三参数组。,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。,鉴权程序,当移动客户开机

22、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MSCVLR。,鉴权程序,MSCVLR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。 MSCVLR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。,加密,GSM系统中的加密也只是指无线路径上 的加密，是指

23、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。,加密程序,在鉴权程序中，当系统提供三参数组的 时，同时用另一算法(A8算法)也计算出密钥 Kc。根据MSCVLR发送出的加密命令， BTS侧和MS侧均开始使用Kc。,加密程序,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。,设备识别,每个移动台设备均有设备识别码(1MEl)， 移

24、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IMEI 15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。,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。,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。,客户临时识别码(TMSI)是由MSCVLR 分配，并不断地进行更换，更换周期由

25、网路 运营者设置。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。,PIN码,在GSM系统中，客户签约等信息均被记 录在一个客户识别模块(SIM)中，此模块称作 客户卡。客户卡插到某个GSM终端设备中， 便视作自己的电话机，通话的计费帐单便记 录在此客户卡户名下。为防止帐单上产生讹 误计费，保证入局呼叫被正确传送，在SIM 卡上设置了PIN码操作(类似计算机上的Pass- word功能)。,PIN码是由48位数字组成，其位数由 客户自己决定。如客户输入了一个错误的PIN 码，它会给客户一个提示，重新输入，若连 续3次输入错误，SIM 卡就被闭锁，即使将 SIM卡拔出或关掉手机电源也无济于事。闭 锁后，还有个“个人解锁码”，是由8位数字 组成的，若连续l0次输入错 误，SIM卡将再 一次闭锁，这时只有到SIM卡管理中心，由 SIM卡业务激活器予以解决。,