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1、培 训 教 材移动通信基本知识深圳市中兴通讯股份有限公司培训教材移动通信基本知识2第一章 引言1.1移动通信概述随着社会的进步、经济和科技的发展，特别是计算机、程控交换、数字通信的发展，近些年来，移动通信系统以其显著的特点和优越性能得以迅猛发展，应用在社会的各个方面，到目前为止，全球移动用户超过 1 亿 ，预计到本世纪末用户数将达到 2 亿。无线通信的发展潜力大于有线通信的发展，它不仅仅提供普通的电话业务功能，并能提供或即将提供丰富的多种业务，满足用户的需求。移动通信的主要目的是实现任何时间、任何地点和任何通信对象之间的通信。从通信网的角度看，移动网可以看成是有线通信网的延伸，它由无线和有线两

2、部分组成。无线部分提供用户终端的接入，利用有限的频率资源在空中可靠地传送话音和数据；有线部分完成网络功能，包括交换、用户管理、漫游、鉴权等，构成公众陆地移动通信网PLMN。从陆地移动通信的具体实现形式来分主要有模拟移动通信和数字移动通信这两部种。移动通信系统从 40 年代发展至今，根据其发展历程和发展方向，可以划分为三个阶段：1.1.1 第一代模拟蜂窝通信系统第一代移动电话系统采用了蜂窝组网技术，蜂窝概念由贝尔实验室提出，70 年代在世界许多地方得到研究， 。当第一个试运行网络在芝加哥开通时，美国第一个蜂窝系统AMPS（高级移动电话业务）在 1979 年成为现实。现在存在于世界各地比较实用的、

3、容量较大的系统主要有：（1）北美的 AMPS；（2）北欧的 NMT-450/900；（3）英国的 TACS；其工作频带都在450MHz 和 900MHz 附近，载频间隔在 30kHz 以下。鉴于移动通信用户的特点：一个移动通信系统不仅要满足区内，越区及越局自动转接信道的功能，还应具有处理漫游用户呼叫（包括主被叫）的功能。因此移动通信系统不仅希望有一个与公众网之间开放的标准接口，还需要一个开放的开发接口。由于移动通信是基于固定电话网的，因此由于各个模拟通信移动网的构成方式有很大差异，所以总的容量受着很大的限制。鉴于模拟移动通信的局限性，因此尽管模拟蜂窝移动通信系统还会以一定的增长率在培训教材移动

4、通信基本知识3近几年内继续发展，但是它有着下列致命的弱点：A) 各系统间没有公共接口。B) 无法与固定网迅速向数字化推进相适应，数字承载业务很难开展。C) 频率利用率低，无法适应大容量的要求。D) 安全利用率低，易于被窃听，易做“ 假机“。这些致命的弱点将妨碍其进一步发展，因此模拟蜂窝移动通信将逐步被数字蜂窝移动通信所替代。然而，在模拟系统中的组网技术仍将在数字系统中应用。1.1.2 第二代数字蜂窝移动通信系统由于 TACS 等模拟制式存在的各种缺点，90 年代开发出了以数字传输、时分多址和窄带码分多址为主体的移动电话系统，称之为第二代移动电话系统。代表产品分为两类：1.1.2.1 TDMA

5、系统TDMA 系列中比较成熟和最有代表性的制式有：泛欧 GSM、美国 D-AMPS 和日本PDC。（1）D-AMPS 是在 1989 年由美国电子工业协会 EIA 完成技术标准制定工作， 1993 年正式投入商用。它是在 AMPS 的基础商改造成的，数模兼容，基站和移动台比较复杂。（2）日本的 JDC（现已更名为 PDC）技术标准在 1990 年制定， 93 年使用，只限于本国使用。（3）欧洲邮电联合会 CEPT 的移动通信特别小组（SMG）在 88 年制定了 GSM 第一阶段标准 phase1，工作频带为 900MHz 左右，90 年投入商用；同年，应英国要求，工作频带为1800MHz 的

6、GSM 规范产生。上述三种产品的共同点是数字化，时分多址、话音质量比第一代好，保密性好、可传送数据、能自动漫游等。三种不同制式各有其优点，PDC 系统频谱利用率很高，而 D-AMPS 系统容量最大，但GSM 技术最成熟，而且它以 OSI 为基础，技术标准公开，发展规模最大。1.1.2.2 N-CDMA 系统N-CDMA（码分多址）系列主要是以高通公司为首研制的基于 IS-95 的 N-CDMA（窄培训教材移动通信基本知识4带 CDMA） 。北美数字蜂窝系统的规范是由美国电信工业协会制定的，1987 年开始系统研究，1990 年被美国电子工业协会接受，由于北美地区已经有统一的 AMPS 模拟系统

7、，该系统按双模式设计。随后频带扩展到 1900MHz，即基于 N-CDMA 的 PCS1900。1.1.3 第三代IMT-2000随着用户的不断增长和数字通信的发展，第二代移动电话系统逐渐显示出它的不足之处。首先是频带太窄，不能提供如高速数据、慢速图像与电视图像等的各种宽带信息业务；其次是 GSM 虽然号称“全球通” ，实际未能实现真正的全球漫游，尤其是在移动电话用户较多的国家如美国，日本均未得到大规模的应用。而随着科学技术和通信业务的发展，需要的将是一个综合现有移动电话系统功能和提供多种服务的综合业务系统，所以国际电联要求在 2000 年实现商用化的第三代移动通信系统，即 IMT-2000，

8、它的关键特性有：（1）包含多种系统；（2）世界范围设计的高度一致性；（3）IMT-2000 内业务与固定网络的兼容；（4）高质量；（5）世界范围内使用小型便携式终端。具有代表性的第三代移动通信系统技术：主要存在两个标准：（1）以 Qualcomm 公司为代表提出的与 IS-95 系统反向兼容的宽带 cdmaOne 建议。建议采用多级 DS-CDMA，射频信道带宽 1.25/10/20MHz，PN 码片率为1.288/3.6864/7.3728/14.7456Mbps。采用多级的目的在于将 5MHz 分为 3 个 1.25MHz 带宽的信道，以便于 IS-95 后向兼容，可以共享或重叠。美国考虑

9、在 IMT-2000 网络发展目标上，支持宽带分组交换网为核心，将当前的从功能上分层的网络模式演变成端到端的客户-服务器模式。（2）专门开发与 GSM 系统反向兼容的 UMTS 标准，包括两个子方案： 日本的 W-CDMA日本最大的移动电话运营商 NTT DoCoMo 提出的建议为相干多码率宽带 CDMA（W-培训教材移动通信基本知识5CDMA） 。由于日本的第二代移动电话系统并没有成为全球化标准，而在第三代 IMT-2000网络技术方案上，日本决心走全球化合作的道路。在支持 ITU 的 IMT-2000 家族及接口概念基础上，有意参照无线传输技术的合作方式，支持欧洲的 GSM UMTS 的网

10、络概念。现在爱立信等公司以与 NTT DoCoMo 公司合作，共同提出无线传输技术采用 W-CDMA，而核心网路则沿用 GSM 网络平台，其目的在于能从 GSM 演进到第三代 IMT-2000。 欧洲的 TD-CDMA欧洲西门子和阿尔卡特等公司提出了一种 TD-CDMA。该方案将 FDMA/TDMA/CDMA组合在一起。其特点是信道间隔扩展为 1.6MHz，但它的帧结构和时隙结构与 GSM 相同，扩展因子为 16，可支持每时隙 8 个用户。由于每时隙仅 8 个用户（码分） ，故可采用联合检测（Joint Detection）从而不需快速功率控制和减少码间干扰，另外还可采用时分双工（TDD ）

11、。移动台将采用双模手机，以便在网络、信令层与 GSM 兼容。此方案便于由 GSM 平滑过渡到第三代，故受到很多 GSM 供应商支持。IMT-2000 的频谱分配：1992 年世界无线电管制大会的规定：IMT-2000 频谱分配如下：上行频段：18852025MHz；下行频段： 21102200MHz；移动卫星业务频段：19802010MHz ；21702200MHz ；从上面的分配可以看出，其上、下行频段是不对称的，因此有的系统提出利用不对称的频段以 TDD 方式提供业务。但是在 IMT-2000 频谱分配上，各国家和地区的考虑并不相同，不可能完全遵照这样的频谱安排。1.2移动通信的特点移动通

12、信：对于通话的双方，只要有一方处于移动状态，即构成移动通信方式。移动通信是有线通信的延伸，与有线通信相比具有以下特点：1. 终端用户的移动性：移动通信的主要特点在于用户的移动性，需要随时知道用户当前位置，以完成呼叫、接续等功能；用户在通话时的移动性，还涉及到频道的切换问题等。2. 无线接入方式：培训教材移动通信基本知识6移动用户与基站系统之间采用无线接入方式，频率资源的有限性、用户与基站系统之间信号的干扰（频率利用、建筑物的影响、信号的衰减等） 、信息（信令、数据、话路等）的安全保护（鉴权、加密）等。3 漫游功能：移动通信网之间的自动漫游，移动通信网与其他网络的互通（公用电话网、综合业务数字网

13、、数据网、专网、现有移动通信网等） ，各种业务功能的实现等（电话业务、数据业务、短消息业务、智能业务等） 。培训教材移动通信基本知识7第二章 GSM 通信系统2.1GSM 的发展GSM 数字移动通信系统源于欧洲。早在 80 年代初，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧的 NMT（北欧移动电话）和英国的 TACS（全接入通信系统） ，西欧其他各国也提供移动业务。但是模拟系统有一些限制：第一，尽管在 80 年代初的过低估计下，移动业务的潜在需求也远远超过当时模拟蜂窝网的预计容量；第二，运营中的不同系统不能向用户提供兼容性：一个 TACS 终端不能进入 NMT 网，一个 NMT 终端也不能进

14、入TACS 网。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统。1982 年在欧洲邮电行政大会（CEPT）上成立“移动特别小组 ”（Group Special Mobile）简称“GSM ”，开始制定使用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。1990 年完成了 GSM900 的规范，产生一套 12 章规范系列。随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM 逐渐演变为“全球移动通信系统” （Global System for Mobile Communication）的简称。2.2GSM 系统的技术规范及其主要性能GSM 标准共有 12 章规范系列，即：01 系列：概述02 系列：

15、业务方面03 系列：网络方面04 系列：MS BS 接口和规约（空中接口第 2、3 层）05 系列：无线路径上的物理层（空中接口第 1 层）06 系列：话音编码规范07 系列：对移动台的终端适配08 系列：BS 到 MSC 接口（A 和 Abis 接口）09 系列：网络互连10 系列：暂缺培训教材移动通信基本知识811 系列：设备和型号批准规范12 系列：操作和维护GSM 的主要特点可以归结为：1. 频谱效率。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。2. 容量。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用栽干比要求降低至 9dB，故 GSM系统的同频复用模式可以

16、缩小到 4/12 或 3/9 甚至更小（模拟系统为 7/21） ；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使 GSM 系统的容量效率（每兆赫每小区的信道数）比 TACS 系统高 35 倍。3. 话音质量。鉴于数字传输技术的特点以及 GSM 规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。4. 开放的接口。GSM 标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且报刊网络直接以及网络中个设备实体之间，例如 A 接口和 Abis 接口。5. 安全性。通过鉴权、加密和 TMSI 号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利

17、。加密用于空中接口，由 SIM 卡和网络 AUC 的密钥决定。TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。6. 与 ISDN、PSTN 等的互连。与其他网络的互连通常利用现有的接口，如 ISUP 或TUP 等。7. 在 SIM 卡基础上实现漫游。漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。GSM 系统可以提供全球漫游，当然也需要网络运营者之间的某些协议，例如计费。在 GSM 系统中，漫游是在 SIM 卡识别号以及被称为 IMSI 的国际移动用户识别号的基础上实现的。这意味着用户不必带着终端设备而只需带其 SIM 卡进入其他国家即可

18、。终端设备可以租借，仍可达到用户号码不变，计费帐号不变的目的。培训教材移动通信基本知识92.3GSM 系统关键技术2.3.1 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 频段：890915（移动台发、基站收）935960（基站发、移动台收）双工间隔为 45MHz，工作带宽为 25 MHz，载频间隔为 200 kHz。随着业务的发展，可视需要向下扩展，或向 1.8GHz 频段的 GSM1800 过渡，即1800MHz 频段：17101785（移动台发、基站收）18051880（基站发、移动台收）双工间隔为 95MHz，工作带宽为 75 MHz，载

19、频间隔为 200 kHz。2.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）方式，分为 8 个时隙，即 8 个信道（全速率） 。每信道占用带宽 200 kHz/825 kHz。将来 GSM 采用半速率话音编码后，每个频道可容纳 16 个半速率信道。2.3.2 多址方案GSM 通信系统采用的多址技术：频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）结合，还加上跳频技术。GSM 在无线路径上传输的一个基本概念是：传输的单位是约一百个调制比特的序列，它称为一个“突发脉冲” 。脉冲持续时间优先，在无线频谱中也占一有限部分。它们在时间窗和频率窗内发送，我们称之为间隙。精确地讲，

20、间隙的中心频率在系统频带内间隔 200 kHz 安排（FDMA 情况） ，它们每隔 0.577ms（更精确地是 15/26ms）出现一次（TDMA 情况） 。对应于相同间隙的时间间隔称为一个时隙，它的持续时间将作为一种时间单位，称为培训教材移动通信基本知识10BP（突发脉冲周期） 。这样一个间隙可以在时间/频率图中用一个长 15/26ms，宽 200KHz 的小矩形表示（见图） 。统一地，我们将 GSM 中规定的 200KHz 带宽称为一个频隙。BP15/26ms20KHz图 在时域和频域中的间隙在 GSM 系统中，每个载频被定义为一个 TDMA 帧，相当于 FDMA 系统的一个频道。每帧包括

21、 8 个时隙（TS07） 。每个 TDMA 帧有一个 TDMA 帧号。TDMA 帧号是以 3 小时 28 分 53 秒 760 毫秒（20485126 8BP 或者说 20485126个 TDMA 帧）为周期循环编号的。每 20485126 个 TDMA 帧为一个超高帧，每一个超高帧又可分为 2048 个超帧，一个超帧是 5126 个 TDMA 帧的序列（ 6.12 秒） ，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（268BP） ，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） 。

22、51 帧的复帧：它包括 51 个 TDMA 帧（518BP） ，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。2.3.3 无线接口管理在 GSM 通信系统中，可用无线信道数远小于潜在用户数，双向通信的信道只能在需要时才分配。这与标准电话网有很大的区别，在电话网中无论有无呼叫，每个终端都与一个交换机相连。在移动网中，需要根据用户的呼叫动态地分配和释放无线信道。不论是移动台发出的呼叫，还是发往移动台的呼叫，其建立过程都要求用专门方法使移动台接入系统，从而获得一条信道。在 GSM 中，这个接入过程是在一条专用的移动台基站信道上实现的。培训教材移

23、动通信基本知识11这个信道与用于传送寻呼信息的基站移动台信道一起称为 GSM 的公用信道，因为它同时携带发自/发往许多移动台的信息。相反地，在一定时间内分配给一单独移动台的信道称作专用信道。由于这种区别，可以定义移动台的两种宏状态： 空闲模式：移动台在侦听广播信道，此时它不占用任一信道。 专用模式：一条双向信道分配给需要通信的移动台，使它可以利用基础设施进行双向点对点通信。接入过程使移动台从空闲模式转到专用模式。2.3.4GSM 信道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） ，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

24、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。逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。1.业务信道（TCH）：用于传送编码后的话音或客户数据，在上行和下行信道上，点对点（BTS 对一个 MS，或反之）方式传播。2.控制信道：用于传送信令或同步数据。根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道，它们又可细分为：培训教材移动通信基本知识12广 播 信 道（ BCH） 频 率 校 正 信 道 （ FCH） ： 携 带 用 于 校 正 MS频 率 的 消 息 ， 下 行 信 道 ， 点 对 多点 （ BTS对 多 个 MS） 方

25、式 传 播 。同 步 信 道 （ C） ： 携 带 MS的 帧 同 步 （ TDA帧 号 ） 和 BTS的 识 别 码 （ BSIC） 的 信息 ， 下 行 信 道 ， 点 对 多 点 （ BT对 多 个 MS） 方 式 传 播 。广 播 控 制 信 道 （ BCH） ： 广 播 每 个 BT的 通 用 信 息 （ 小 区 特 定 信 息 ） ， 下 行 信 道 ，点 对 多 点 （ TS对 多 个 MS） 方 式 传 播 。公 共 控 制 信 道（ CH） 寻 呼 信 道 （ PCH） ： 用 于 寻 呼 （ 搜 索 ） MS， 下 行 信 道 ， 点 对 多 点 （ BTS对 多 个 MS

26、）方 式 传 播 。随 机 接 入 信 道 （ RAC） ： MS通 过 此 信 道 申 请 分 配 一 个 独 立 专 用 控 制 信 道（ SDCH） ， 可 作 为 对 寻 呼 的 响 应 或 MS主 叫 /登 记 时 的 接 入 。 上 行 信 道 ， 点 对 点 方式 传 播 。允 许 接 入 信 道 （ AGCH） ： 用 于 为 S分 配 一 个 独 立 专 用 控 制 信 道 （ SDCH） ， 下 行信 道 ， 点 对 点 方 式 传 播 。专 用 控 制 信 道（ DCH） 独 立 专 用 控 制 信 道 （ SDCH） ： 用 在 分 配 TCH之 前 呼 叫 建 立 过

27、 程 中 传 送 系 统 信 令 。例 如 登 记 和 鉴 权 在 此 信 道 上 进 行 。 上 行 和 下 行 信 道 ， 点 对 点 方 式 传 播 。慢 速 随 路 控 制 信 道 （ SACH） ： 它 与 一 个 TCH或 一 个 SDCH相 关 ， 是 一 个 传 送 连 续信 息 的 连 续 数 据 信 息 ， 如 传 送 移 动 台 接 收 到 的 关 于 服 务 及 邻 近 小 区 的 信 号 强 大 的 测试 报 告 。 这 对 实 现 移 动 台 残 余 切 换 功 能 是 必 要 的 。 它 还 用 于 MS的 功 率 管 理 和 时 间 调整 。 上 行 和 下 行

28、 信 道 ， 点 对 点 方 式 传 播 。快 速 随 路 控 制 信 道 （ FACH） ： 它 与 一 个 TCH相 关 ， 工 作 于 借 用 模 式 ， 即 在 话 音 传输 过 程 中 如 果 突 然 需 要 以 比 SC所 能 处 理 的 高 得 多 的 速 度 传 送 信 令 信 息 ， 则 借 用20ms的 话 音 （ 数 据 ） 来 传 送 。 这 一 般 在 切 换 时 发 生 。 由 于 语 音 译 码 器 会 重 复 最 后的 话 音 ， 因 此 这 种 终 端 不 被 用 户 察 觉 。2.3.5 保密措施GSM 系统在安全性方面有了显著的改进，GSM 与保密相关的功

29、能有两个目标：第一，包含网络以防止未授权的接入， （同时保护用户不受欺骗性的假冒） ；第二，保护用户的隐私权。防止未授权的接入是通过鉴权（即插入的 SIM 卡与移动台提供的用户标识码是否一致的安全性检查）实现的。从运营者方面看，该功能是头等重要的，尤其在国际漫游情况下，被访问网络并不能控制用户的记录，也不能控制它的付费能力。保护用户的隐私是通过不同手段实现时，对传输加密可以防止在无线信道上窃听通信。大多数的信令也可以用同样方法保护，以防止第三方了解被叫方是谁。另外，以一个临时代号替代用户标识是使第三方无法在无线信道上跟踪 GSM 用户的又一机制。2.3.5.1PIN 码这是一种简单的鉴权方法。

30、在 GSM 系统中，客户签约等信息均被记录在 SIM 卡中。SIM 卡插到某个 GSM 终端培训教材移动通信基本知识13设备中，便视作自己的电话机，通话的计费帐单便记录在此 SIM 卡名下。为防止盗打，帐单上产生讹误计费，在 SIM 卡上设置了 PIN 码操作（类似计算机上的 Password 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，必须向运营商申请，由运营商为用户解锁。2.3.5.2 鉴权鉴权的计算如下图所示。

31、其中 RAND 是网络侧对用户的提问，只有合法的用户才能够给出正确的回答 SRES。RAND 是由网络侧 AUC 的随机数发生器产生的，长度为 128 比特，它的值随机地在02 1281（成千上万亿）范围内抽取。SRES 称为符号响应，通过用户唯一的密码参数（ Ki）的计算获取，长度为 32 比特。Ki 以相当保密的方式存储于 SIM 卡和 AUC 中，用户也不了解自己的 Ki，Ki 可以是任意格式和长度的。A3 算法为鉴权算法，由运营者决定，该算法是保密的。A3 算法的唯一限制是输入参数的长度（RAND 是 128 比特）和输出参数尺寸（SRES 必须是 32 比特） 。 一一 一 一一 A

32、3 一一一 一 A3Ki RANDSRESSRESKi2.3.5.3 加密在 GSM 中，传输链路中加密和解密处理的位置允许所有专用模式下的发送数据都用一种方法保护。发送数据可以是用户信息（语音、数据） ，与用户相关的信令（例如携培训教材移动通信基本知识14带被呼号码的消息） ，甚至是与系统相关信令（例如携带着准备切换的无线测量结果的消息）。加密和解密是对 114 个无线突发脉冲编码比特与一个由特殊算法产生的 114 比特加密序列进行异或运算（A5 算法）完成的。为获得每个突发加密序列，A5 对两个输入进行计算：一个是帧号码，另一个是移动台与网络之间同意的密钥（称为 Kc） ，见图。上行链路和

33、下行链路上使用两个不同的序列：对每一个突发，一个序列用于移动台内的加密，并作为 BTS 中的解密序列；而另一个序列用于 BTS 的加密，并作为移动台的解密序列。A5帧 号（ 2比 特 ） Kc（ 64比 特 ） A5帧 号（ 2比 特 ） Kc（ 64比 特 ）S1（ 14比 特 ） S2 （ 14比 特 ） S1（ 14比 特 ） S2 （ 14比 特 ）MS BTS1. 帧号：帧号编码成一连串的三个值，总共加起来 22 比特。对于各种无线信道，每个突发的帧号都不同，所有同一方向上给定通信的每个突发使用不同的加密序列。2. A5 算法A5 算法必须在国际范围内规定，该算法可以描述成由 22

34、比特长的参数（帧号码）和64 比特长参数（Kc）生成两个 114 比特长的序列的黑盒子。3. 密钥 Kc开始加密之前，密钥 Kc 必须是移动台和网络同意的。GSM 中选择在鉴权期间计算密钥 Kc；然后把密钥存贮于 SIM 卡的永久内存中。在网络一侧，这个 “潜在”的密钥也存贮于拜访 MSC/VLR 中，以备加密开始时使用。由 RAND（与用于鉴权的相同）和 Ki 计算 Kc 的算法为 A8 算法。与 A3 算法（由RAND 和 Ki 计算 SRES 的鉴权算法）类似，可由运营者选择决定。Kc 的计算如下图所示。培训教材移动通信基本知识15一一 一 一一 A8 一一一 一 A8Ki RANDKc

35、KiKc2.3.5.4 用户身份保护加密对于机密信息十分有效，但不能用来在无线路径上保护每一次信息交换。首先，加密不能应用于公共信道；其次，当移动台转到专用信道，网络还不知道用户身份时，也不能加密。第三方就有可能在这两种情况下帧听到用户身份，从而得知该用户此时漫游到的地点。这对于用户的隐私性来说是有害的，GSM 中为确保这种机密性引入了一个特殊的功能。在可能的情况下通过使用临时移动用户身份号 TMSI 替代用户身份 IMSI，可以得到保护。TMSI 由 MSC/VLR 分配，并不断地进行更换，更换周期由网络运营者设置。2.3.6GSM 通信系统的组成GSM 系统（ Global System

36、for Mobile Communication）又称全球移动通信系统（全球通） 。GSM 通信系统主要由移动交换子系统（MSS） 、基站子系统（BSS）和移动台（MS）三大部分组成，如图 11 所示。其中 MSS 与 BSS 之间的接口为 A 接口，BSS 与 MS 之间的接口为 Um 接口。GSM 规范对系统的 A 接口和 Um 接口都有明确的规定，也就是说，A 接口和 Um 接口是开放的接口。培训教材移动通信基本知识16图 11 GSM 系统的组成1. 移动交换子系统 MSS完成信息交换、用户信息管理、呼叫接续、号码管理等功能。2. 基站子系统 BSSBSS 系统是在一定的无线覆盖区中由

37、 MSC 控制，与 MS 进行通信的系统设备，完成信道的分配、用户的接入和寻呼、信息的传送等功能。3. 移动台 MSMS 是 GSM 系统的移动用户设备，它由两部分组成，移动终端和客户识别卡（SIM 卡）。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。SIM 卡就是“人” ，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 卡后移动终端才能接入进网。4. 操作维护子系统GSM 子系统还包括操

38、作维护子系统（OMC） ，对整个 GSM 网络进行管理和监控。通过它实现对 GSM 网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。BSS MSSMS培训教材移动通信基本知识17第三章 数字公用陆地移动通信网 PLMN数字公用陆地移动通信网 PLMN 的网络结构见下图 31，如图所示从物理实体来看，数字 PLMN 网包括：移动终端、BSS 子系统和 MSS 子系统等部分。移动终端与 BSS 子系统通过标准的 Um 无线接口通信，BSS 子系统与 MSS 子系统通过标准的 A 接口通信。BSCMSC/VLRHLR/AUCEIRMSC/VLROMC SCPLMNSTIDNPSBTSUmAbis

39、ABTS No.7 BSPNo.7 MAPNo.7 MAP TUPNo.7 TUPX.25/ No.7X.25信 令 话 路图 31 PLMN 网络结构其中：BSC Base Station Controller 基站控制器BTS Base Transceiver Station 基站收发信机MSC Mobile services Switching Center 移动交换中心OMC Operation and Maintenance Center 操作维护中心AUC Authentication Centre 鉴权中心EIR Equipment Identification Register

40、 设备识别登记器HLR Home Location Register 归属位置登记器VLR Vistor Location Register 拜访位置登记器MS Mobile Station 移动台ISDN Intergrated Service Digital Network 综合业务数字网PSTN Public Switching Telephone Network 公用电话交换网PSPDN Public Switched Data Network 公用数据交换网PLMN PublicL and Mobile Network 公用陆地移动网3.1BSS 子系统基站子系统 BSS 为 PLM

41、N 网络的固定部分和无线部分提供中继，一方面 BSS 通过无线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面 BSS 又连接到移动交换子系统 MSS 的移动交换中心 MSC。培训教材移动通信基本知识18基站子系统 BSS 可分为两部分。通过无线接口与移动台相连的基站收发信台（ BTS）以及与移动交换中心相连的基站控制器（BSC ） ，BTS 负责无线传输、BSC 负责控制与管理。一个 BSS 系统由一个 BSC 与一个或多个 BTS 组成，BSS 子系统可由多个 BSC 和 BTS组成。一个基站控制器 BSC 根据话务量需要可以控制数十个 BTS。BTS 可以直接与 BSC相连，也可以通过基站接口设备

42、 BIE 与远端的 BSC 相连。基站子系统还应包括码变换器（TC）和子复用设备（SM） 。图 32 为典型的 BSS 子系统结构图。MSAter接 口BS接 口Um接 口 BSCBIEBTSBTSBIEAbis接 口SM SMTCA接 口 MSCOMCQ3接 口图 32 BSS 子系统结构图其中：TC TransCoder 码型变换器SM SubMultiplexing 子复用BIE Base station Interface Equipment 基站接口设备如上图，BSS 的组成：（1）基站收发信台（BTS）：基站收发信台（BTS）包括基带单元、载频单元和控制单元三部分，属于基站系统的无

43、线部分，是由基站控制器控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成 BSC 与无线信道之间的转换，实现 BTS 与 MS 之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。当 BTS 与 BSC 为远端配置方式时，则需采用 Abis 接口，这时，BTS 与 BSC 两侧都需配置 BIE 设备；而当 BSC 与 BTS 之间的间隔不超过 10 米时，可将 BSC 与 BTS 直接相连，采用内部 BS 接口，不需要接口设备 BIE。培训教材移动通信基本知识19（2）基站控制器（BSC）：BSC 是基站系统（BSS）的控制部分，在 BSS 中起交换作用。BSC 一端可与多个 BTS 相连，另一端与 MSC

44、和操作维护中心 OMC 相连，BSC 面向无线网络，主要负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理，控制移动台和 BTS 无线连接的建立、接续和拆除等管理，控制完成移动台的定位、切换和寻呼，提供语音编码、码型变换和速率适配等功能，并能完成对基站子系统的操作维护功能。BSS 中的 BSC 所控制的 BTS 的数量随业务量的大小而改变。（3）码型变换器（TC）：码型变换器 TC 主要完成 16kbit/sRPE-LTP(规则脉冲激励长期预测)编码和 64kbit/s A律 PCM 之间的语音变换。在典型的实施方案中，ZXG10-TC 位于 MSC 与 BSC 之间。当 TC 位于 MS

45、C 侧时，通过 MSC 和 BSC 之间以及 BSC 和 BTS 之间的传输线路子复用器 SM、BIE，可以充分利用在空中接口使用的低语音编码传输速率，降低传输线路的成本。BSC 与 TC 之间的接口称为 Ater 接口；在 TC 与 MSC 之间的接口称为 A 接口。3.2MSS 子系统移动交换子系统 MSS 完成 GSM 的主要交换功能，同时管理用户数据和移动性所需的数据库。MSS 子系统的主要作用是管理 GSM 移动用户之间的通信和 GSM 移动用户与其它通信网用户之间的通信。如上图 31 所示，移动交换子系统 MSS 包括七个功能单元。 移动交换中心（MSC） 拜访位置寄存器（VLR）

46、 归属位置寄存器（HLR） 鉴权中心（AUC） 设备识别寄存器（EIR） 短消息中心（SC）1. 移动交换中心（MSC）MSC 是 PLMN 的核心。MSC 对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路接续的功能，也是 PLMN 和其他网络之间的接口。它完成通话接续，计费，BSS 和 MSC 之培训教材移动通信基本知识20间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等功能。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个 MSC 还完成 GMSC 的功能，即查询移动台位置信息的功能。MSC 从三种数据库，拜访位置寄存器（VLR） 、归属位置寄存器（ HLR）和鉴权中心（AUC）中取得处理用户呼叫请求所需

47、的全部数据。反之，MSC 根据其最新数据更新数据库。2. 拜访位置寄存器（VLR）VLR 通常与 MSC 合设，其中存储 MSC 所管辖区域中的移动台（称拜访客户）的相关用户数据，包括：用户号码、移动台的位置区信息、用户状态和用户可获得的服务等参数。VLR 是一个动态用户数据库。VLR 从移动用户的归属位置寄存器（HLR）处获取并存贮必要的数据，一旦移动用户离开该 VLR 的控制区域，则重新在另一个 VLR 登记，原VLR 将取消该移动用户的数据记录。3. 归属位置寄存器（HLR）HLR 存储管理部门用于移动用户管理的数据。每个移动用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

48、息：一是有关移动用户的参数，包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据；一是有关移动用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。4. 鉴权中心（AUC）AUC 属于 HLR 的一个功能单元部分，专门用于 GSM 系统的安全性管理。鉴权中心产生鉴权三参数组（随机数 RAND、符号响应 SRES、加密键 Kc） ，用来鉴权用户身份的合法性以及对无线接口上的话音、数据、信令信号进行加密，防止无权用户接入和保证移动用户通信的安全。5. 设备识别寄存器（EIR）EIR 存储有关移动台设备参数。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

49、用。EIR 中存有三种名单：（1）白名单存贮已分配给可参与运营的 GSM 各国的所有设备识别标识 IMEI。（2）黑名单存贮所有应被禁用的设备识别标识 IMEI。（3）灰名单存贮有故障的以及未经型号认证的设备识别标识 IMEI，由网路运营者决定。培训教材移动通信基本知识216. 短消息中心（SC）短消息中心提供短消息业务功能。短消息业务（SHORT MESSAGE SERVICE：SMS）提供在 GSM 网络中移动用户和固定用户之间或移动用户和移动用户之间发送讯息长度较短的信息。短消息业务功能是一种类似于传呼机的业务功能，但是它具有寻呼网络无法具备的优点：即保证到达和双向寻呼功能。点对点短消息业务包括移动台 MS 发起的短消息业务 MO/PP 及移动台终止的短消息业务 MT/PP。点对点短消息的传递与发送由短消息中心 SC 进行中继。短消息中心的作用像邮局一样，接收来自各方面的邮件，然后把它们进行分拣，再发给各个用户。短消息中心的主要功能是接收、存储和转发用户的短消息。通过短消息中心能够更可靠地将信息传送到目的地。如果传送失败，短消息中心保存失败消息直至发送