第九章 第九章 GSM GSM 移动通信系统移动通信系统

内容 第一节 GSM 系统的业务及其特点 第二节 GSM 系统的结构 第三节 GSM 系统的信道 第四节 GSM 系统的无线数字传输 第五节 GSM 的信令协议 第六节接续和移动性管理 第七节通用分组无线业务（ GPR

S ）

GSM 业务就是 GSM 系统为了满足一个特殊用户的通信要求而向用户提供的服务分类

GSM 支持的基本业务 分别介绍电信业务承载业务附加业务

9.1GSM 系统的业务及其特征

业务业务基本业务基本业务 附加业务附加业务

电信业务电信业务 承载业务承载业务 图 9-1 GSM 系统业务分类

GSM 支持的基本业务基本业务分类 功能电信业务（ Teleservice

s ）又称用户终端业务

为用户通信提供包括终端设备功能在内的完整能力

承载业务（ Bearer Services ）

提供用户接入点（也称“用户 /

网络”接口 ）间信号传输的能力电信业务

终端设备终端设备 数字蜂窝数字蜂窝 PLMNPLMN 传输网传输网 终端网终端网 终端设备终端设备承载业务承载业务

图图 9-2 GSM9-2 GSM 支持的基本业务 支持的基本业务

电信业务

其中，短消息业务的传送过程见下页

电信业务类型 业务码 电信业务名称 功 能话音传输 11 电 话

为数字移动通信系统的用户和其它所有与其联网的用户之间提供双向电话通信

紧急呼叫 12通过一种简单而同一的手续将用户接到就近的紧急业务中心

短消息21 MS 终端的点对点短消息业务

由短消息业务中心完成存储和前转功能

22 MS 起始的点对点短消息业务23 小区广播短消息业务

传真61 交替语音和三类传真 语音与三类传真交替传送62

自动三类传真使用户以传真编码信息文件的形式自动交换各种函件

短消息业务的传送过程

BSSBSSMSCMSC

VLR

移动台始呼的短消息 移动台被呼的短消息

短消息

NSSNSS空中接口空中接口 AA 接口接口

图图 9-3 9-3 短消息服务（源端到终端）过程 短消息服务（源端到终端）过程

NSS

小区广播的短消息业务

BSS

BSS

NSS

操作维护接口

空中接口 A 接口

图图 9-4 9-4 短消息服务（小区广播）过程 短消息服务（小区广播）过程

承载业务

注 1. 承载业务 61和 81 中的数据为 3.1KHz 信息传送能力的承载业务 21-34

2. 表中“ T” 表示透明；“ NT” 表示不透明

业务码 承载业务名称 业务码 承载业务名称 透明属性21 异步 300bps 双工电路型 33 同步 4.8 kbps 双工电路型

T或 NT22 异步 1.2 kbps 双工电路型 34 同步 9.6 kbps 双工电路型24 异步 2.4 kbps 双工电路型 42 异步 PAD 接入 1.2 kbps 电路型25 异步 4.8 kbps 双工电路型 44 异步 PAD 接入 2.4 kbps 电路型26 异步 9.6 kbps 双工电路型 45 异步 PAD 接入 4.8 kbps 电路型32 同步 2.4 kbps 双工电路型 46 异步 PAD 接入 9.6 kbps 电路型61 交替话音 / 数据 81 话音后接数据 注 1

31 同步 1.2 kbps 双工电路型 T

41 异步 PAD 接入 1.2 kbps 电路型 NT

附加业务计 费 提 示 – AOC交 替 线 业 务 (ALS) - 个人 或 商 业 来 话 限 制 - BAIC当 漫 游 在 HPLMN 之 外 时 ， 限 制 所 有 来 话 在 国 外 时 限 制 来 话 呼 出 限 制 - BOC限 制 所 有 打 出 去 的 国 际 电 话 - BOIC限 制 所 有 打 出 去 的 国 际 电 话 ，除了打到 HPLMN 国家的电话 遇 忙 呼 叫 前 转 - CFB无 应 答 呼 叫 前 转 - CFNA无 条 件 呼 叫 前 转 - CFU呼 叫 保 持 呼 叫 等 待 - CW主 叫 线 识 别 显 示 - CLIP主 叫 线 识 别 限 制 - 永 久 或 预 呼 - CLIR中 央 交 换 业 务 会 议 呼 叫 - CONF运 营 者 确 定 的 呼 叫 限 制 (ODB)

附加业务附加业务是基 本 电 信 业 务增 强 或 补 充 。是基 本 电 信 业 务增 强 或 补 充 。

9.2 GSM 系统的结构

总体结构 总体结构 功能单元功能单元

GSM 系统的总体结构

图 9-5 GSM 系统的总体结构短消息业务中心（ SC ）功能实体可通过与 SSS 的连接实现点对点短消息业务，可通过与 BSS 的连接完成小区广播短消息业务。

BSSBSS

AA

GG

DD

MSCMSC

EIREIR

HLR/AUCHLR/AUC

VLRVLR VLRVLR

SMCSMC

MSMSUm

BB

CC

E

FF

PSTNPSTNISDNISDNPLMNPLMNPSPDNPSPDN

SSSSSSAbisAbisBTSBTS BSCBSC

OMCOMC

MSCMSC

注注

GSM 系统的功能单元子单元 功能MS （移动台） 包括 ME ( 移动设备 )和 SIM ( 用户识别模块 )

BTS （基站） 为一个小区服务的无线收发信设备BSC （基站控制器） 对一个或多个 BTS 进行控制以及相应呼叫控制MSC （移动业务交换中心） 对于位于它管辖区域中的移动台进行控制、交换VLR （拜访位置寄存器） 存储与呼叫处理有关的一些数据

HLR （归属位置寄存器）管理部门用于移动用户管理的数据库存储有关用户的参数和目前所处位置的信息

EIR （设备识别寄存器）对移动设备的识别、监视、闭锁存储有关移动台设备参数的数据库

AUC （鉴权中心） 认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数OMC （操作维护中心） 操作维护系统中的各功能实体

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

9.3 GSM 系统的信道物理信道与逻辑信道物理信道逻辑信道物理信道与逻辑信道的配置突发脉冲帧偏离、定时提前量与半速率信道

物理信道GSM 系统多址接入技术

采用频分多址接入（ FDMA ）和时分多址接入（ TDMA ）混合技术FDMA 是说在规定频率范围内分配 n 个载频TDMA 是说在每个载频上按时间分为 8 个时间段，每个时隙段称为一个时隙（ slot ），一个载频上连续的 8 个时隙组成一个帧 (Frame)物理信道是指 TDMA 中的时隙 即 GSM 的一个载频上可提供 8 个物理信道我国 GSM技术体制对频率配置的规定 工作频段频道间隔双工收发间隔频道配置频率复用方式干扰保护比保护频带

时隙 0时隙 1

时隙 2

时隙 3时隙 4

时隙 5时隙 6

时隙 7

图图 9-6 9-6 时分多址接入原理示意图时分多址接入原理示意图

工作频段

注：国家无委分配的 900MHz频段包括原来分配的 TACS频段和新分配的 ETACS频段GSM 网络总的可用频带为 100MHz中国电信扩展频段方式充分利用 900MHz 的频率资源，可视不同需要向下扩展 900MHz频段，相应地向 ETACS频段压缩模拟公用移动电话网的频段在 900MHz频率无法满足用户容量需求时，可启用 1800MHz频段考虑远期需要，向频率管理单位申请新的 1800MHz频率

分 类 频 段 移动台发、基站收

基站发、移动台收

GSM900/1800频段

900MHz频段 890-915MHz 935-960MHz

1800MHz频段 1710-1785MHz 1805-1880MHz

国家无委分配给 900MHz频段 889-909MHz 931-954MHz

中国电信的频段 1800MHz频段 1710-1720MHz 1805-1815MHz

频道间隔 & 双工收发间隔 & 频道配置900MHz频段 1800MHz频段

频道间隔 相邻频道间隔为 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 双工收发间隔 45MHz 95MHz

等间隔频道配置

频道序号 1 ～ 124 512 ～ 885

频道数 124 374

频道序号和频道标称中心频率的关系

上行 下行其中，

上行 下行其中，

1 890.200 1 0.200f n MHz n MHz 1 1710.200 512 0.200f n MHz n MHz

1 ~ 124n 1 45hf n f n MHz 1 95hf n f n MHz

512,513,...,885n

频率复用方式 在建网初期及邻省之间协调时应使用 4×3 的复用方式 即 N=4 ，采用定向天线，每基站用 3个120 °或 60°方向性天线构成 3 个扇形小区，如图

9-7 所示业务量较大的地区可采用其它的复用方式 如 3×3， 2×6， 1×3复用方式若采用全向天线应采用 N=7 的复用方式 其频率可从 4×3复用方式的 12组中任选 7组， 频道不够用的小区可从剩余频率组中借用频道，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用，如图 9-8 所示在话务密度高的地区，应适当采用新技术提高频谱利用率 如同心圆小区覆盖技术；智能双层网技术；微蜂窝技术等等在微蜂窝的频率配置时，可根据需要保留出一些专用频率

2266

1010

2266

1010 2266

1010

2266

1010

3377

1111

3377

1111

3377

1111

33 771111

115599

115599

115599

115599 44

881212

4488

1212

4488

1212

4488

1212

图图 9-7 4×39-7 4×3 复用模式 复用模式

图图 9-8 79-8 7 组复用模式 组复用模式

77 99

77

77

99

99 11 1111

1111

1111

55

55

55

33

33

33 88

88

88

干扰保护比与保护频带 干扰保护比

保护频带原则 确保数字蜂窝移动通信系统能满足干扰保护比要求。 当某地 GSM900 系统与模拟蜂窝移动电话系统共存时，两系统之间

(频道中心频率之间 ) 应有约 400KHz 的保护带宽。 当某地 GSM1800 系统与其它无线电系统的频率相邻时，应考虑系统间的相互干扰情况，留出足够的保护频带。

干扰 参考载干比同道干扰 C/Ic 9dB

200kHz邻道干扰 C/Ia1 － 9dB

400kHz邻道干扰 C/Ia2 － 41dB

逻辑信道 概念 逻辑信道是指在物理信道所传输的内容，即依据移动网通信的需要，为所传送的各种控制信令和语音或数据业务在 TDMA的 8 个时隙分配的控制逻辑信道或语音、数据逻辑信道形式

GSM 数字系统在物理信道上传输的信息是大约由 100 多个调制比特组成的脉冲串，称为突发脉冲序列 （ Burst ）以不同的“ Burst” 信息格式来携带不同的逻辑信道分类专用信道 用于传送用户语音或数据的业务信道，另外还包括一些用于控制 的专用控制信道公共信道 用于传送基站向移动台广播消息的广播控制信道和用于传送 MSC与 MS 间建立连接所需的双向信号的公共控制信道

GSM 的各种逻辑信道示意图

图 9-9 GSM 定义的各种逻辑信道示意图

逻辑信道逻辑信道公共信道公共信道 专用信道专用信道

广播信道广播信道 公共控制信道公共控制信道

频率校正频率校正信道信道 同步同步

信道信道

专业控制信道专业控制信道 业务信道业务信道

广播控制广播控制信道信道

寻呼寻呼信道信道 随机接入随机接入

信道信道 接入允许接入允许信道信道

独立专用独立专用控制信道控制信道 快速随路快速随路

信道信道慢速随路慢速随路信道信道

全速率全速率信道信道 增强型增强型

全速率信道全速率信道半速率半速率信道信道

广播信道（ BCH ）是从基站到移动台的单向信道

公共控制信道（ CCCH ）是基站与移动台间的一点对多点的双向信道

公共信道 组成 功能频率校正信道（ FCCH ） 传送频率校正信息同步信道（ SCH ） 传送帧同步（ TDMA帧号）信息和 BTS 识别码

（ BSIC ）信息广播控制信道（ BCCH ） 向每个 BTS 广播通用的信息

组成 功能 上 / 下行信道寻呼信道（ PCH ） 广播基站寻呼移动台的寻呼消息 下行信道随机接入信道（ RACH ） MS随机接入网络时用此信道向基站发送信息并申请指配一独立专用控制信道 SDCCH

上行信道允许接入信道（ AGCH ） 基站向随机接入成功的移动台发送指配了的独立专用控制信道 SDCCH

下行信道

专用信道专用控制信道（ DCCH ）是基站与移动台间的点对点的双向信道

业务信道（ TCH ）是用于传送用户的话音和数据业务的信道分类 根据交换方式的不同分为电路交换信道和数据交换信道 依据传输速率的不同分为全速率信道（ 13kbit/s ）和半速率信道（ 6.5kbit/s

） 注：增强全速率业务信道是指，它的速率与全速率信道的速率一样为

13kbit/s ，只是其压缩编码方案更为优越，所以有较好的话质

组成 功能独立专用控制信道（ SDCCH ） 传送基站和移动台间的指令与信道指配信息

随路信道（ ACCH ）

慢速随路信道（ SACCH ）

基站向移动台传送功率控制信息、帧调整信息基站接收移动台发来的移动台接收信号强度报告和链路质量报告

与独立专用控制信道（ SDCCH ）或者业务信道公用在一个物理信道上传送信令消息快速随路信道（ FACCH ） 传送基站与移动台间的越区切换的信令消息

逻辑信道应用实例 MS开机拨打电话为例说明逻辑信道的应用： FCCH—— 接收频率校正信息。 SCH—— 接收 BTS 同步信号。 BCCH—— 接收系统消息。 RACH—— 接入申请。 AGCH——允许接入并分配 SDCCH 。 SDCCH/SACCH—— 在 SDCCH 上进行鉴权和加密，在 SACCH上进行功率控制并传送 TA值。

TCH—— 进入 TCH 进行通话，通话期间短消息传送通过 SACCH 传送，切换信令通过 FACCH 传送。

BCCH—— 通话结束后，进入空闲状态，守候在 BCCH 信道上。

Mobile looks for BCCH after switching on

RACH send channel request

AGCH receive SDCCH

SDCCH authenticate

SDCCH switch to cipher mode

SDCCH request for location updating

SDCCH authenticate response

SDCCH cipher mode acknowledge

SDCCH allocate TMSI

SDCCH acknowledge new TMSI

SDCCH switch idle update mode

逻辑信道应用实例 --- 位置更新

物理信道与逻辑信道的配置

逻辑信道与物理信道的逻辑信道与物理信道的映射映射

GSMGSM 的的时隙帧结构时隙帧结构

逻辑信道与物理信道的映射 问题

GSM 系统的逻辑信道数超过了一个载频所提供的 8 个物理信道通信的根本任务是利用业务信道传送语音或数据，而按照一对一的信道配置方法，在一个载频上已经没有业务信道的时隙了解决方法 将逻辑控制信道复用，即在一个或两个物理信道上复用逻辑控制信道映射对应关系

映射对应关系一个基站有 N 个载频，每个载频有 8 个时隙，定义载频数为

f0、 f1、 f2 、…、 fn-1，时隙数为 TS0、 TS1、…、 TS7 。f0的 TS0 时隙f0的 TS1 时隙

f0的 TS2~TS7 时隙其它时隙映射关系小结

供逻辑控制信道使用供逻辑控制信道使用

供业务信道使用供业务信道使用

映射对应关系 (1)f0的 TS0 时隙 f0的 TS0 时隙用于映射广播信道（ BCH ）和公共控制信道（ CCCH ）下行链路（ BCCH、 FCCH、 SCH、 PCH、 AGCH ）上行链路（ RACH ）

(2)f0的 TS1 时隙下行链路 f0上的 TS1 时隙用来将专用控制信道 (SDCCH、 SACCH ）映射到物理信道上行链路 f0上的 TS1 与下行链路 f0上的 TS1 有相同的结构，只是它们在时间上有 3 个时隙的偏移。

映射关系小结在载频 f0上：

TS0：逻辑控制信道，重复周期为 51个 TS

TS1：逻辑控制信道，重复周期为 102个 TS

TS2~TS7：逻辑业务信道，重复周期为 26个 TS

其它 f1～ fN个载频的 TS0~TS7 时隙全部是 业务信道

GSM 的时隙帧结构 GSM的时隙帧结构有五个层次：时隙、 TDMA帧、复帧、超帧和超高帧 时隙是物理信道的基本单元TDMA帧由 8 个时隙组成，是占据载频带宽的基本单元，即每个载频有 8 个时隙。复帧有两种类型

由 26个 TDMA帧组成的复帧。用于 TCH、 SACCH和 FACCH 由 51个 TDMA帧组成的复帧。用于 BCCH和 CCCH超帧是由 51个由 26帧的复帧或 26个由 51帧的复帧构成超高帧等于 2048个超帧 超高帧的周期与加密和跳频有关。每经过一个超高帧周期，循环长度为2715648，相当于 3 小时 28分 53秒 760毫秒，系统将重新启动密码和跳频算法

GSM 系统分级帧结构的示意图 超高帧超高帧

超帧超帧

复帧复帧 复帧复帧

TDMATDMA 帧帧 时隙时隙图 9-16 分级的帧结构

突 发 脉 冲 突发脉冲是以不同的信息格式携带不同逻辑信道，在一个时隙内传输的，由 100多个调制比特组成的脉冲序列。可看成是逻辑信道在物理信道传输的载体。分类

结构

类型 逻辑信道 携带信息普通突发脉冲 TCH 及除 RACHA、 SCH、 FCCH 和空闲突发脉冲以外的控制信道 业务信息和

控制信息 频率校正突发脉冲 频率校正信道（ FCCH ） 频率校正信息同步突发脉冲 同步信道（ SYCH ） 系统同步信息接入突发脉冲 随机接入信道（ RACH ） 随机接入信息空闲突发脉冲 控制信道 无

突发脉冲的结构 1普通突发脉冲（ NB： Normal Burst ）

57 个加密比特：加密语音、数据或控制信息借用标志 F：表明借用一半业务信道资源给 FACCH 训练序列：一串已知比特，供信道均衡用尾位 TB：总是 000 ，是突发脉冲开始与结尾的标志保护时间 GP：防止由于定时误差而造成突发脉冲间的重叠

频率校正突发脉冲（ FB： Frequency Correction Burst ）

142 个固定比特：全 0 ，固定的的频率校正信息

TB

3

加密比特57

F

1

训练序列26

F

1

加密比特57

TB

3

GP

8.25

0.577ms0.577ms156.25bit156.25bit

图图 9-17 9-17 普通突发脉冲序列 普通突发脉冲序列

TB

3

固定比特142

TB

3

GP

8.25

0.577ms0.577ms156.25bit156.25bit

图 9-18 频率校正突发脉冲序列

突发脉冲的结构 2同步突发脉冲（ SB： Synchronization Burst ）

39 个加密比特： TDMA帧号（ TN ）以及基站识别码（ BSIC ）信息长同步序列：易被检测接入突发脉冲（ AB： Access Burst ）

长保护时间 GP：适应移动台首次接入或切换到新基站时不知时间的提前量空闲突发脉冲（ DB： Dummy Burst ）

将普通突发脉冲中的加密信息比特换成固定比特

当无用户信息传输时，用空闲突发脉冲替代普通突发脉冲在 TDMA 时隙中传送

TB3

加密比特39

同步序列64

加密比特39

TB3

GP8.25

0.577ms0.577ms156.25bit156.25bit

TB3

加密比特39

同步序列64

加密比特39

TB3

GP68.25

图 9-19 同步突发脉冲序列

图 9-20 接入突发脉冲序列

TB3

固定比特57

F1

训练序列26

F1

固定比特57

TB3

GP8.25

突发（突发（ 0.546ms0.546ms ））图 9-21 空闲突发脉冲

帧偏离与定时提前量帧偏离 定时提前量

概念 前向信道的TDMA帧定时与反向信道的TDMA帧定时的固定偏差

基站指示移动台以一定的提前量发送突发脉冲长度 3 个时隙 视具体情况而定目的 避免移动台同一时隙收发的必要性，从而保证收发的时隙号不变

克服由突发脉冲的传输延时所带来的定时的不确定图 9-22 帧偏离与定时提前量示意图

GSM 上行链路延迟 TDMA 帧

T1 T2 T3 T5 T6 T7T4 T8

R T

R T

R1 R2 R3 R5 R6 R7R4 R8

上行链路F1 - 45MHz

下行链路 F1MHz

上行链路延迟 3 个时隙 TDMA frame (4.615 ms)

延迟 3 个时隙

语音数据传输速率语音数据传输速率

优点优点 使系统容量增加一倍 使系统容量增加一倍

半速率信道业务信道种类 语音数据传输速率全速率信道 13kbit/s

半速率信道 6.5kbit/s

图 9-23 全速率信道和半速率信道

9.4 GSM 的无线数字传输 GSM 系统无线信道的衰落特性GSM 系统中的抗衰落技术GSM 系统中的语音编码技术GSM 系统中的语音处理的一般过程

GSM 系统无线信道的衰落特性

多径衰落通信系统的好坏由输出的误码率来判断，但多径效应却会引起很高的误码率，使通信无法正常进行多径传输带来了额外的路径损耗多径衰落会导致数字信号传输的突发性错误多径延时扩展将导致数字信号传输的码间干扰

图 9-24 多径传播环境 图 9-25 多径传播造成的符号间干扰及信号衰落

阴影衰落（慢衰落）概念

阴影衰落是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波遮蔽所引起的衰落表达式

电波传播距离的 m次幂和表示阴影损耗的正态对数分量的乘积

时延扩展研究无线电波的多径传播的角度研究接收信号的包洛变化反映的多径衰落特性研究数字脉冲信号经过多径传播的时延特性——时延扩展

影响 引起码间串扰

GSM 系统中的抗衰落技术 信道编码与交织编码 Viterbi均衡与天线分集 跳频技术 话音激活与功率控制

信道编码目的改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响用有效性换取可靠性

基本方法编码：发送端将原始数据和增加的数据比特（通过某种约定从原始数据中经计算产生）一起发送解码：接收端利用冗余信息检错并尽可能地纠错。如果收到的数据经过同样的计算得到的冗余与收到的不一致时，可确定传输有误

编码方式 大多数情况下，最终的冗余码是多种编码的混合结果

块卷积码：主要用于纠错。解码器宜采用最大似然估计方法纠错循环码：主要用于检测和纠正成组出现的误码。通常与块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。奇偶码：一种普遍使用的，最简单的检测误码的方法

交织编码目的 针对多径衰落导致的突发性错误把一个较长的突发误码离散成随机误码，再用纠正随机误码的编码技术消除随机误码。原理 按行输入，按列输出。把码字顺序相关的比特流非相化。方法 将 912bit 字符交织后分散到 8个 TDMA帧的时隙中来传输

交织编码方法输入码流是 20ms 的帧，每帧含 456bit 。每两帧（ 40ms ）共 912bit ，按每行 8 位写入，共写入 114 行输出按列输出，每次读出 114bit ，恰好对应 GSM 的一个 TDMA 时隙过程：在 40ms 共 912bit 间进行•将输入码流长为 20ms 帧中的 456bit 分成 8 段，每段含 57bit•当前帧的 456bit 分别与第 n-1 帧后半帧的 228bit 和第 n+1 帧前半帧的228bit 交织

图 9-26 交织编码矩阵 图 9-27 交织过程

Viterbi 均衡均衡的目的 解决符号间干扰问题，适合于信号不可分离多径的条件下，且时延扩展远大于符号宽度的情况。均衡的分类频域均衡：使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件时域均衡：使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件 （数字通信中常用）均衡算法的限制 所用算法必须能够处理在 16µs 之内收到的两个等功率的多经信号。因此在 GSM 系统中多采用 Viterbi均衡算法

天线分集 实现方法之一：使用两个接收信道，它们受到的衰落影响是不相关的（即两者在某一时刻同时经受某一深衰落点影响的可能性很小）。因此当合成来自两付天线的信号时，衰落程度能被减小。

图 9-28 天线分集接收示意图

跳频技术跳频就是有规则地改变一个信道的频隙（载频频带）分类快跳频慢跳频 GSM 的无线接口上采用

GSM引入跳频的主要原因频率分集干扰分集

频率分集目的

抗拒移动通信系统中瑞利衰落的影响原理

同一信号在不同频隙上有不同的瑞利衰落的影响频率相差越大这种干扰的相关性越小

因此由频率分集分散到不同频隙上的突发脉冲不会受到同一瑞利衰落的影响，从而改善了传输质量。适用条件当 MS高速移动时，其它衰落影响较大， GSM 所采用的慢跳频技术就无能为力了MS静止或慢速移动时，慢跳频技术可以使传输质量提高大约 6.5dB

干扰分集干扰分集源于码分多址（ CDMA ）的应用

在高业务量区域，系统所能提供的容量受载干比（ C/I ）限制。在允许干扰总合下，可存在的干扰源越多，系统容量越大，这就是干扰分集的目的。在 GSM 系统中，有时为了提高频谱的利用率，不同小区中可以包含相同频率。通常当干扰总合小于 C/I=7dB 时，呼叫将受严重干扰：

如果没有跳频，只有分配在 ƒ1或 ƒ2上的用户可以得到正确接收。 然而有了跳频，就可以在所有情况下保证质量。

A 小区受干扰情况 f1 f2 f3 f4

移动台→基站干扰电平 ( 无跳频 )0.1(C/I=10dB)

0.14(C/I=8.5dB)

0.25(C/I=6dB)

0.28(C/I=5.5dB)

移动台→基站平均干扰电平 ( 有跳频 )0.19(C/I=7.2dB)

移动台→移动台干扰电平 ( 无跳频 )0.10(C/I=10dB)

0.14(C/I=5.5dB)

移动台→基站平均干扰电平 ( 有跳频 )0.19(C/I=7.2dB) 图 9-29 GSM 蜂房结构与调频组网

跳频技术的相关规定跳频在时隙和频隙上进行

TDMA帧中的时隙 蜂窝结构的每个区群分配 n组频率，并分成若干个小区，每个小区分配一组频率（跳频频率集），其中每一个频率为一个频道（频隙）。跳频序列的描述参数 GSM 中规定最多可用的跳频序列个数为 64 个。对于 n 个指定的频率集合， 可以建立 64×n 个不同的跳频序列。跳频序列号（ HSN ），有 64 种不同值移动指配偏置度（ MAIO） , 可包括 全部 n 个频率

通常在一个小区内的所有信道采用相同通常在一个小区内的所有信道采用相同的的 HSNHSN 和不同的和不同的 MAIOMAIO 进行跳频，可避进行跳频，可避免区内信道间干扰；免区内信道间干扰；而在邻近小区之间由于使用不相关的频而在邻近小区之间由于使用不相关的频率集合，可认为彼此之间没有干扰。率集合，可认为彼此之间没有干扰。

图 9-30 GSM 慢跳频示意图

话音激活与功率控制 有效地减少同信道干扰

话音激活话音激活控制就是采用非连续发射。

元 件 功 能

发 端 话音激活检测器 检测是否有话音或仅仅是噪音发射机舒适噪音发生器 产生并发送与发射机背景噪音相似的信号参数

收

端接收机舒适噪音发生器

产生与发射机背景噪音相似的背景噪音信号，使收听者觉察不到话音激活控制开关的动作话音帧代换器

用前面未受干扰的话音帧取代受干扰的话音帧，从而保证接收的话音质量

图图 9-31 9-31 非连续发射（非连续发射（ DTXDTX ）框图 图）框图 图 9-32 9-32 话音激活监测器（话音激活监测器（ VADVAD ））框图框图

功率控制目的 在保证通信服务质量的条件下，使发射机的发射功率为最小，从而降低系统内的同信道干扰的平均电平。规定支持基站和移动台各自独立地进行发射功率控制规定总的控制范围是 30dB ，每步调节范围是 20dB ，从

20mW到 20W 之间的 1 6 个功率电平，每步精度为 ±3dB ，最大功率电平的精度为 ±1.5dB 。过程移动台测量信号强度和信号质量，并定期向基站报告，基站按预置的门限参数与之相比较，然后确定发射功率的增减量。同理，移动台按预置的门限参数与之相比较，然后确定发射功率的增减量。在实际应用中，主要是对移动台（而非基站）的发射功率进行控制：以满足覆盖区内移动用户能正常接收为准

GSM 系统中的语音编码技术 语音方案

13kbit/s RPE-LTP 码（规则脉冲激励长期预测）目的 在保证语音或数据传输质量的条件下，提高系统的无线 资源利用率，增加系统的容量 过程把语音分成 20ms 为单位的段，每个段编成 260bit 的数据块，然后对每个小段分别编码块与块之间依靠外同步，块内部不含同步信息收端将收到的信息块经 LPT和 LPC滤波重组经过一个预先设计好的去加重网络加以复原，恢复语音信号

GSM 系统中的语音处理的一般过程

图 9-33 GSM 中语音处理的一般过程

语音编码 编码方式：规则脉冲激励──长期预测编码 (RPE-LTP)

20ms 为一帧，纯比特率为 13kbit/s 。语音编码器以20ms 为单位，经压缩编码后输出 260bits ，因此码速率为 13kbps 。根据重要性不同，输出的比特分成182bits和 78bits两类。

未来的更加先进的话音编码器可以将速率进一步降低到 6.5kbps （半速率编码）。

信道编码

50bit 块编码器＋ 3

卷积编码器

＋ 4 ×2

132bit

456bit

78bit

交 织1917

449

210

450

311

451

412

452

513

453

614

454

715

455

816

456

57bi t

语 音 帧

突发脉冲的结构

三个语音帧

9.5 GSM 的信令协议构成七号信令的主体

GSM 的专用协议主要信令MAPBSSAP（ BSS 应用部分）数据通道链路接入协议 LAPDLAPDm协议（专用于空中接口）

GSM 的无线信令接口协议GSM 的地面信令接口协议

图 9-34 GSM 网络中各部分的信令

GSM 无线信令的接口协议结构OSI 模型建议的分层协议结构

三个层次 内 容 功 能

物 理 层 各类信道为高层信息传送提供基本的无线信道

数据链路层 各种数据传输结构 对数据传输进行控制第三层

无线资源管理（ RM ）各类消息和程序 对业务进行控制移动性管理（ MM ）

呼叫管理

低 高

低 高

GSM 无线信令接口的物理层为上层提供不同的逻辑信道每个逻辑信道都有自己的业务接入点 SAP各种逻辑信道是复用在 TDMA物理信道的 TS0或 TS1时隙上的移动台采用时分多址方式，可以在空闲时监测周围环境，把监测结果通过 SACCH定时地传送给基站，以确定是否进行切换

GSM 无线信令接口的数据链路层协议 移动 D 信道链路接入协议 LAPDm 作 用 为移动台和基站之间提供可靠的无线链路主 要

信令协议信令层两连接的建立和释放；根据不同的业务接入点 (SAP)说明连接的复用和去复用；业务数据单元到协议数据单元的映射。

用 途 在 L3 实体之间通过 Dm 通路经空中接口 Um 传递信息支 持

多个第三层实体；多个物理实体；BCCH 信令； PCH 信令； AGCH 信令； DCCH 信令。

各子层的功能和作用子 层 作 用 功 能

无线资源管理 RM呼叫期间移动台与 MSC 间连接的建立和释放；越区或漫游期间的信道切换；动态地共享有限的无线资源。

呼叫建立的信道配置；加密和非连续传输模式管理；信道切换操作；功率控制和定时提前等。

移动性管理 MM支持用户的移动性，如：跟踪漫游移动台的位置；登记位置信息；处理用户通信过程中连接的切换。

在 MS和 MSC 间建立、保持及释放一个 MM 连接；由移动台启动的位置更新；保密识别和用户鉴权。

连接管理CM

呼叫控制 CC支持以交换信息为目的的通信

移动台主呼（或被呼）的呼叫建立（或拆除）电路交换连接补充业务 SS 支持呼叫的管理功能

短消息业务 SMS 提供快速分组消息的传输

GSM 的地面信令接口协议 通信协议标准 应 用

NO.7 信令系统 网络接口X.25 OMC到 BSC间 2M链路的数据通信G732 2048Mb/s PCM 链路

PSTN到 MSC、 MSC到 MSC、 MSC到

BSC、 BSC到 BTS、 MSC到 ITW(Interworking

Function) 之间LAPD Abis 接口

网络单元间的接口协议

接口 协议MSC 与公共电话网（ PSTN ） TUP、 MTP

MSC 与分组交换公共数据网 ISUP、 MTP

MSC与 VLR、 HLR、 EIR MAP、 TCAP、 SCCP

MSC与 BSC BSSAP、 SCCP和 MTP

MSC与 MSC DTAP

BSC与 BTS LAPD

图图 9-38 GSM9-38 GSM 系统的总体结构系统的总体结构

BSSBSS

AA

GG

DD

MSCMSC

EIREIR

HLR/AUCHLR/AUC

VLRVLR VLRVLR

SMCSMC

MSMSUm

BB

CC

E

FF

PSTNPSTNISDNISDNPLMNPLMNPSPDNPSPDN

SSSSSSAbisAbisBTSBTS BSCBSC

OMCOMC

MSCMSC

注注

9.6 接续和移动性管理概述位置更新呼叫建立过程越区切换与漫游安全措施

概述接续和移动性管理出发点 为了建立一个呼叫连接需要解决的问题用户所在的位置用户识别用户所需提供的业务操作过程呼叫接续过程

移动性管理过程（越区漫游时）

建立或释放建立或释放控制信道和控制信道和

业务信道业务信道设备和用户设备和用户

的识别的识别无线链路、无线链路、地面链路的地面链路的交换和连接交换和连接

建立点到点的建立点到点的通信链路通信链路

各种位置寄存器中移动台位置信息的各种位置寄存器中移动台位置信息的登记、修改或删除登记、修改或删除 越区转接越区转接正在通话正在通话

位置更新目的

使移动台总与网络保持联系，以便移动台在网络覆盖范围内的任何地方都能接入到网络内内容移动用户的登记以及相关数据库移动用户位置更新移动用户的周期位置更新

移动用户的登记及相关数据库SIM（ Subscriber Identity Module ）卡功能

存有用于用户身份认证所需的信息 执行一些与安全保密有关的信息 存储与网络和用户有关的管理数据结构　由 CPU、 ROM、 RAM和 EEPROM 等部件组成完整的单片计算机内容　用户管理的有关信息：　国际移动用户识别号（ IMSI ）、鉴权密钥（ Ki ）、用户接入等级控制以及用户注册的业务种类和相关网络信息等

IMSIIMSI

鉴权登记

网络识别

移动用户的登记过程MSCMSC

用户的用户的临时位置信息 临时位置信息 用户基本信息用户基本信息当前位置信息当前位置信息

MSC/VLR MSC/VLR IMSIIMSI

VLRVLR HLRHLR

ONON

playplayOFFOFF

ONON

OFFOFF

playplay 入网入网

注： IMSI——国际移动用户识别码

playplay MSC/VLR MSC/VLR 离网离网

移动用户位置更新 移动用户从一个网络服务区到达另外一个网络服务区时，系统所进行的位置更新操作。

位置更新请求过程位置更新过程

BSSBSS

NMSNMS

NSNSSS

MSCMSCVLRVLR

O & MO & M

空中接口空中接口 Ａ接口Ａ接口

MSCMSCVLRVLR

涉及了两个涉及了两个 VLR VLR

图图 9-39 9-39 位置更新所涉及的网络单元 位置更新所涉及的网络单元

BCCHBCCH

位置更新请求过程通常移动用户处于开机空闲状态时，被锁定在所在小区的广播信道（ BCCH ）载频上

网络网络位置识别信息ＩＤ位置识别信息ＩＤ

两次ＩＤ两次ＩＤ是否相同是否相同

不不发发送送

ONON

ＹＹ ＮＮ

位置更新

LA1LA2

LA3

oldMSC/VLR

HLR

位置区识别码 LAI)

newMSC/VLR

1

23

4 5

6

位置更新过程 网络端接收到请求信息后便将移动台注册到一个新的 VLR 区域用户的归属寄存器 HLR 与新的 VLR 交换数据得到移动用户的新位置信息HLR 通知移动台所属的旧的 VLR删除用户有关信息

MS BSS MSC VLRnew VLRold HLR

2.2. 位置修改请求位置修改请求1.1. 分配信道分配信道

3.3.请求用户身份请求用户身份4.4.请求用户身份请求用户身份5.5.请求用户数据请求用户数据6.6.请求用户数据请求用户数据

7.7.鉴权进程鉴权进程8.8.修改位置修改位置

9.9.修改 修改 HLRHLR10.10.修改确认修改确认

11.11. 删除旧的位置登记删除旧的位置登记12.12. 接受位置删除接受位置删除

图 9-40 位置更新过程

移动用户的周期位置更新解决问题

网络在特定时间未能收到来自移动台的任何信息方法

系统采取强制登记措施，要求 MS每隔一定时间登记一次 定时器控制移动台每隔一定时间便向网络发送一次位置更新请求消息如果在特定时间内网络接收不到某用户的周期位置更新消息，则对该其做去“附着”处理

呼叫建立过程 移动台的移动台的被呼过程被呼过程

移动台的移动台的主呼过程主呼过程

移动台的被呼过程以固定网 PSTN 呼叫移动用户为例固定网的用户拨打移动用户的电话号码 MSISDNPSTN 交换机分析 MSISDN 号码GMSC 分析 MSISDN 号码HLR 分析由 GMSC 发来的信息HLR查询当前为被呼移动用户服务的 MSC/VLR由正在服务于被呼用户的 MSC/VLR得到呼叫的路由信息MSC/VLR 将呼叫的路由信息传送给 HLRGMSC 接收包含 MSRN 的路由信息

移动用户所用的号码国际移动用户识别码 (IMSI)移动用户 ISDN 号码 (MSISDN)移动用户漫游号码 (MSRN)临时移动用户识别码 (TMSI)

HLR

BSS

GMSC

MSC/VLR

MSISDN

MSISDN

MSRN

IMSIMSRN

MSRN IMSI

MSRN

(IMEI) (TMSI)

固网用户拨打MSISDN

MSISDN—— 移动用户的国际 ISDN 号码号码结构

CC 为国家代码，我国为 86

国内有效 ISDN 号码： 11 位NDC 数字蜂窝移动业务接入号

13S(S＝ 9、 8、 7、 6、 5 移动通信公司） 联通公司目前的接入网号为 130， 131) 。

HLR 识别号： H0 H1 H2 H3

我国的 H0 H1 H2 H3 分配分为 H0=0和 H0≠0两种情况 H0=0 时， H1、 H2 由全国统一分配， H3 由各省自行分配。一个 HLR 可以包含一个或多个

H3 数值 H0 ≠ 0 时， S、 H0、 H1、 H2 由全国统一分配。一个 HLR 可包含一个或若干个 SH0H1H2 数值

SN （移动用户号）： ABCD 。由各 HLR 自行分配

CCCC NDCNDC SNSN

国际移动用户国际移动用户 ISDNISDN 号码号码国内有效国内有效 ISDNISDN 号码号码

HLRHLR

NN11 NN22 NN33 HH00 HH11 HH2 2 HH33 ABCDABCD8686

图图 9-41 MSISDN9-41 MSISDN 的号码结构 的号码结构

MSISDN 号码的分析PSTN 交换机分析 MSISDN 号码

PSTN 分析 NDC ，将接续转接到相应移动网的关口移动交换中心（ GMSC ）GMSC 分析 MSISDN 号码

GMSC 分析 MSISDN 号码得到被呼用户所在的归属寄存器HLR 的地址HLR查询

GMSC 发送一个携带 MSISDN 的消息给 HLR ，以得到用户呼叫的路由信息

HLR根据 GMSC 发来的消息，在其数据库中找到用户的位置信息，即被呼用户是在哪一个 VLR 区登记的 HLR 的内容

MSISDN 国际移动用户识别 IMSI ：移动用户的唯一识别号码（ 15 位数字组成）

此处不使用 MSISDN 号码的原因 不同国家的 MSISDN 号码长度不同，不同部分易混淆 不同 MSISDN 号码可以识别不同业务

VLR 的地址用户的数据

HLR 分析由 GMSC 发来的信息

结构 识别对象 位数 中国MCC 移动国家号码 3 460MNC 移动网号 2 中国移动为 00

中国联通为 01MSIN 移动用户识别码 10 中国自行分配

国际用户用户识别国际用户用户识别

MCCMCC MNCMNC MSINMSIN

国内移动用户识别国内移动用户识别

图图 9-42 IMSI9-42 IMSI 的号码结构 的号码结构

路由信息的查找及传送HLR查询为正在服务于被呼用户的 MSC/VLR目的 在 VLR 中得到被呼用户的状态信息以及呼叫建立的路由信息由正在服务于被呼用户的 MSC/VLR得到呼叫的路由信息 正在服务于被呼用户的 MSC/VLR 产生一个移动台漫游号码 MSRN 。

MSRN 结构 结构 1： 13S 00 M1M2M3 ABC 。（ M1M2M3为 MSC/VLR 号码， S为 9、 7、 6、 5或 1和 0 ） 结构 2： 1354 S M0M1M2 ABC 。（ S M0M1M2为 MSC/VLR 号码）方式

MSRN 通过给出正在为被呼用户服务的 MSC/VLR 号码来应答 HLR 所请求的路由信息MSC/VLR 将呼叫的路由信息传送给 HLR

在此传送过程 HLR 对路由信息不做任何处理，而是直接将其传送给GMSC 。

连接被叫用户 GMSC和 MSC/VLR 的连接

GMSC 接收包含 MSRN 的路由信息，并分析 MSRN ，得到被叫的路由信息向服务于被呼用户的 MSC/VLR 发送携有 MSRN 的呼叫建立请求消息服务于被呼用户的 MSC/VLR 接到此消息，通过检查 VLR 识别出被叫号码，找到被叫用户 MSC/VLR 定位被叫用户寻呼过程

MSC/VLR 定位被叫用户划分位置区 LA (Location Area)

将 MSC/VLR 的业务区域划分成若干较小的区域，并由 MSC/VLR 管理，以减小搜索被叫用户的工作量VLR 的内容

IMSILAC （位置区代码）MSRN用户数据

图 9-43 LA划分示意图

LA1LA2

LA3

MSC/

VLR

HLR

MSC/

VLR位置区识别 (LAI)小区全球识别 CGI)基站识别 (BSIC)

区域识别码位置区识别码 Location Area Idetity)

MCC MNC LAC

网络色码 (NCC) : 3 bits基站色码 (BCC) : 3 bits

MCC MNC LAC CI

NCC BCC

基站识别码 Base Station Identity Code)

小区全球识别码 Cell Global Identity)

移动国家号码 (MCC): 中国为 460 。移动网络号码 (MNC): 为 00 、 01 。位置区号码 (LAC) : 二个字节长的 BCD 码

小区识别码 CI) : 二个字节长的 BCD 码

寻呼过程当网络知道了被叫用户所在的位置区后，便在此位置区内启动一个寻呼过程将寻呼消息经基站通过寻呼信道 PCH 发送出去位置区内某小区 PCH上空闲的移动用户接到寻呼信息，识别出 IMSI 码，便发出寻呼响应消息给网络。网络接到寻呼响应后，为用户分配一业务信道，建立始呼和被呼的连接，完成一次呼叫建立

呼叫建立过程图示

图 9-44 呼叫建立的简单步骤

AASubscriberSubscriber PSTNPSTN GMSCGMSC HLRHLR MSC/VLRMSC/VLR

呼叫建立呼叫建立 (MSISDN)(MSISDN)分析号码分析号码呼叫建立呼叫建立 (MSISDN)(MSISDN)

MSISDNMSISDN

IMSIIMSI

MSRNMSRNMSRNMSRN

呼叫建立呼叫建立 (MSRN)(MSRN) 寻呼寻呼

移动台的始呼过程 移动用户通过随机接入信道（ RACH ）向系统发送接入请求消息MSC/VLR 分配给用户一专用信道，查看主呼用户的类别并标记此主叫用户示忙若系统允许该主呼用户接入网络，则 MSC/VLR 发证实接入请求消息主叫用户发起呼叫如果被呼叫用户是固定用户，则系统直接将被呼用户号码经固定网（ PSTN ）路由至目的地如果被呼号是同网中的其他移动台，则 MSC 以类似从固定网发起呼叫处理方式，进行 HLR 的请求过程，转接被呼用户的移动交换机一旦接通被呼用户的链路准备好，网络便向主呼用户发出呼叫建立证实，并给它分配专用业务信道 TCH主呼用户等候被呼用户响应证实信号，这时完成移动用户主呼的过程

EXCEXC GMSCGMSC HLRHLR MSCMSC VLRVLR

1.1. 信道分配信道分配BSSBSS MSMS

2.2. 鉴权过程鉴权过程

4.4.检查服务检查服务5.5. 全部通过全部通过

6.6. 呼叫处理呼叫处理7.7.话务信道分配话务信道分配

8.8.建立呼叫建立呼叫9.9. 呼叫建立完成呼叫建立完成

10. 示警10.10.反向应答反向应答

3.3. 呼叫建立呼叫建立

始呼建立过程图示

图图 9-45 9-45 移动台发起呼叫过程 移动台发起呼叫过程

越区切换与漫游 越区切换的越区切换的定义定义 越区切换的越区切换的

策略策略越区切换的越区切换的

种类种类

越区切换的定义切换（ Handover ）：将正处于通话状态的 MS 转移到新的业务信道上（新的小区）的过程目的 保证通信的连续性操作识别新的小区分配给移动台在新小区的话音信道和控制信道原因信号强度或质量下降到门限以下，此时移动台被切换到信号强度较强的相邻小区 由移动台发起由于某小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区 由上级实体发起

越区切换的策略分散控制

移动台与基站均参与测量接受信号的强度（ RSSI ）和质量（ BER ）移动台对不同基站 RSSI 进行测量，将测量结果报告给基站（两次 /秒）基站对移动台所占用的业务信道 TCH 进行测量，并报告给基站控制器BSC ，最后由基站控制器决定是否需要切换。

反 映 信 道 链 路 的 指 标 意 义WEI （ word error indicator ） 表明在 MS侧当前的突发脉冲是否得到正确解调RSSI (received signal strength indicator) 反映信道间干扰和噪声QI （ quality indicator ） 在一个有效窗口内用载干比（ S/I ）加上信噪比来估计无线信号质量 缺 点 克服方法硬切换 GSM 系统固有乒乓效应 正确选择滞后门限掉话 滞后门限的设置不可过大

越区切换的种类 同一 BSC 内不同小区间的切换同一 MSC/VLR 内不同 BSC 控制的小区间的切换不同 MSC/VLR 控制的小区间的切换

同一 BSC 内不同小区间的切换 BSC需要建立与新基站之间的链路，并在新的小区基站分配一个业务信道 TCH 。

网络 MSC 对这种切换不做控制 。

图图 9-46 9-46 同同 BSCBSC 内的内的 BTSBTS 间的切换间的切换

同一 MSC/VLR 内不同 BSC 控制的小区间的切换网络参与切换过程原 BSC向 MSC请求切换建立 MSC 与新的 BSC 、新的 BTS 的链路选择并保留新小区空闲 TCH供 MS切换后使用命令 MS切换到新频率的新的 TCH上切换成功后 MS需要了解周围小区的信息，若位置区域发生了变化，呼叫完成后必须进行位置更新 图图 9-47 9-47 同同 MSC/VLRMSC/VLR 区不同区不同 BSCBSC切换 切换

不同 MSC/VLR 控制的小区间的切换路由信息

当 MS从正在为其服务的原 MSC 的区域移动到目标 MSC 的区域时，目标 MSC要向原 MSC 提供一路由信息以建立两个移动交换机的连接切换号码（ HON， Handover Number ） 路由信息由切换号码提供 HON=CC+NDC+SN CC 为国家码 NDC 为数字蜂窝移动业务接入号 SN 为移动用户号

图图 9-48 9-48 不同不同 MSC/VLRMSC/VLR 交换机之间的切换 交换机之间的切换

安全措施 对用户接入的网鉴

鉴权原理安全算法及鉴权三参数的产生

无线链路上对有权用户通信信息的加密移动设备的识别移动用户的安全保密

作用保护网络，防止非法盗用保护用户，拒绝假冒合法用户的“入侵”原理 基于 GSM 系统定义的鉴权键 Ki当客户在网络上注册登记时，会被分配一个 MSISDN 、一个 IMSI 及一个与 IMSI 对应的移动用户鉴权键 KiKi被分别存放在网络端的鉴权中心 AC 中和移动用户的 SIM卡中鉴权的过程就是在 VLR 中验证网络端和用户端的 Ki 是否相同问题 用户将鉴权键 Ki 传输给网络时可能被人截获解决方法 用鉴权算法 A3 产生加密的数据——符号响应（ SRES， Signed Response ）

鉴权原理

符号响应符号响应 SRES SRES A3A3 VLRVLR

鉴权键鉴权键 Ki+Ki+伪随机数伪随机数 RAND RAND

安全算法及鉴权三参数

安全算法安全算法鉴权三参数鉴权三参数鉴权过程鉴权过程

安全算法算法 目 的A3 鉴权

A8产生一个供用户数据加密使用的密钥 Kc

A5 用户数据的加密

图图 9-49 9-49 安全算法所在安全算法所在 GSMGSM 系统的位置 系统的位置

鉴权三参数的产生在进行鉴权和加密时， GSM 系统要在其鉴权中心 AC

产生鉴权三参数 随机数 RAND

符号响应 SRES

密钥 Kc

图图 9-50 9-50 鉴权三参数产生过程鉴权三参数产生过程

鉴权的过程AC 产生鉴权三参数后将其传送给VLR

鉴权开始时 VLR 通过 BSS将 RAND

送给移动台的 SIM卡。 SIM卡中具有与网络端相同的 Ki和 A3、 A8算法，可产生与网络端相同的 SRES和 Kc

MS将 SIM卡产生的 SRES 发给 VLR ，在 VLR 中进行鉴权验证因为 SRES 是随机的，所以在空中传输时是加密的

VLR

BSC

BTS

RANDRANDSRESSRES

KcKc

鉴权三参数鉴权三参数

比较比较

KcKc

RANDRAND

KiKiSIMSIM A3A3

A8A8SRESSRES

KcKc

图图 9-51 9-51 鉴权过程 鉴权过程

无线链路上有权用户通信信息的加密

目的 在空中对用户数据和信令的保密

过程加密开始时根据 MSC/VLR 发出的加密指令， BTS侧和 MS侧均开始使用 Kc 。MS侧，由 Kc、 TDMA帧号一起经 A5算法，对用户信息数据流加密，在无线路径上传输。BTS侧，把从无线信道上收到的加密信息流、 TDMA帧号和 Kc ，再经过 A5算法解密后，传送给 BSC和 MSC 。上述过程反之亦然

BTSBTS A5A5 KcKc

TDMATDMA A5A5

A5A5 KcKc

TDMATDMA A5A5

语音语音 //数据数据

语音语音 //数据数据

加密的语音加密的语音 //数据数据

图图 9-52 9-52 通信信息加密 通信信息加密

移动设备的识别 目的 确保系统中使用的移动设备不是盗用或非法的设备过程

MSC/VLR 向移动用户请求 IMEI （国际移动台设备识别码）并将 IMEI 发送给 EIR （设备识别寄存器）。收到 IMEI 后， IER 使用所定义的三个清单： 白名单：包括已分配给参加运营者的所有设备识别序列号码。 黑名单：包括所有被禁止使用的设备识别。 灰名单：由运营者决定，例如包括有故障的及未经型号认证的移动设备。将设备鉴定结果送给 MSC/VLR ，以决定是否允许入网

移动用户的安全保密

用户的用户的临时识别码临时识别码

TMSITMSI

用户的用户的个人身份号个人身份号

PINPIN

用户的临时识别码 TMSI目的 防止非法个人和团体通过监听无线路径上的信令交换而窃得移动用户的真实 IMSI 或跟踪移动用户的位置。分配者

MSC/VLR更换周期 由网络运营者决定使用过程每当 MS用 IMSI 向系统请求位置更新、呼叫建立或业务激活时， MSC/VLR 对它进行鉴权。允许入网后， MSC/VLR 产生一个新 TMSI ，通过给 IMSI 分配 TMSI 的信令将其传送给 MS ，写入用户的 SIM卡。此后， MSC/VLR和 MS 之间的信令交换就使用 TMSI ，而用户的 IMSI不在无线路径上传送。

用户的个人身份号 PIN位数

4～ 8 位目的 控制对 SIM卡的使用使用过程只有 PIN 码认证通过，移动设备才能对 SIM卡进行存取，读出相关数据，并可以入网。每次呼叫结束或移动设备正常关机时，所有的临时数据都会从移动设备传送到 SIM卡中，再打开移动设备时要重新进行 PIN 码校验。错误输入处理如果输入不正确的 PIN 码，用户可以再连续输入两次；超过三次不正确， SIM卡被阻塞，须到网络运营商处消阻；连续十次不正确输入时， SIM卡回被永久阻塞，即作废 。

9.7 通用分组无线业务 GPRS

概述GPRS 的业务GPRS 的网络结构及其功能描述GPRS 的移动性管理和会话管理GPRS 的空中接口

9.7.1 GPRS概述GSM低速： 9.6kbit/s或 14.4kbit/s只能为每个用户分配一个信道高速电路数据（ HSCSD ）提供与有线网 64kbit/s 相比的高速数据不适于突发性强的数据传输GPRS按需动态占用资源：只在有数据传输时才分配无线资源频谱利用率较高数据传输速率最高可达到 171.2kbit/s适合各种突发性强的数据传输按传输的数据量和计时两者结合的计费方式

9.7.2 GPRS 的业务

GPRSGPRS 网络业务网络业务

GPRSGPRS 的业务质量的业务质量用 户 终 端 业 务 用 户 终 端 业 务

GPRS 网络业务点对点业务

GPRS 网络在业务请求者和业务接收者之间提供的分组传送业务

点对多点业务 可根据某业务请求者请求，把信息传送给多个或一组用户PTM 业务请求者定义用户组成员国际移动组识别（ IMGI ）识别组成员业务请求者可定义所传信息的地理区域，地理区域可以是一个或几个，即所有成员可能分布在不同的地理区域内

点对点业务 类型 特点 业务对象面向无连接的网络业务 PTP-CLNS

数据报型业务 用户之间的信息传递没有端到端的呼叫建立过程；分组的传送没有逻辑连接和交付确认保证

突发非交互式应用业务，如基于 IP 的网络应用面向连接的网络业务PTP-CONS

虚电路型业务 为两用户间传送多路数据分组建立逻辑电路；要求有建立连接、数据传送和连接释放的过程。

面向连接的网络协议 CONP 支持的业务，即 X.25协议支持的业务

主要为移动用户 主要为移动用户

用户终端业务基于 PTP 的用户终端业务信息点播业务

E-mail 业务会话业务远程操作业务基于 PTM 的用户终端业务 点对多点应用业务点对多点单向广播业务集团内部点对多点双向数据量事务处理业务

9.7.3 GPRS 的网络结构及其功能描述GPRS 网络是在 GSM 网基础上发展的移动数据分组网

GPRS 的基本功能 在移动终端和标准数据通信网的路由器之间传递分组业务GPRS 的网络结构GPRS协议栈GPRS 信令平面

组 成 作 用无线接入 在移动台和基站子系统（ BSS ）之间传递数据核心网 在基站子系统和标准数据网边缘路由器之间中继传递数据

新增功能（相对于 GSM ）SGSN 及其对外接口GGSN 及其对外接口其它功能实体和网络接口

GPRS 网络结构及其接口

GPRS 新增功能 SGSN—GPRS 业务

支持节点GGSN—GPRS 网关

支持节点PTM SC— 点对多点

业务中心等基站软件更新新的 GPRS 移动台新的移动性管理（ MM ）

程序原有 GSM 网络子系统的软件更新和新的 MAP 信令及 GPRS 信令

MSC/VLRMSC/VLR

BSCBSC

RR

AbisAbis AA

PSTNPSTN

HLR/AUCHLR/AUC

SMS-GMSCSMS-GMSC

SS7SS7

SS7SS7

SS7SS7

GGSNGGSN

防火墙防火墙

防火墙防火墙GiGi

GiGi

数据网数据网X.25X.25

数据网数据网（（ Internet)Internet)

其它其它PLMNPLMN 网网

GrGr

GdGd

BTSBTS

Um

防火墙 防火墙

GcGc

GsGs EIREIRGfGf

SGSNSGSN

GbGb

PTM SCPTM SC

BGBG

GnGn

GpGp GnGnGPRSGPRSbackbonebackbone(IP based)(IP based)

图图 9-54 GPRS9-54 GPRS 网络结构及其接口 网络结构及其接口

SGSSGSNN

SGSNSGSN

GnGn

GnGn

GGSNGGSN

GnGnBSSBSS

BSSBSS

GbGb

GbGb

归属归属PLMNPLMN 其它其它 PLMNPLMN

IPIP 网络网络

外部外部 IPIP 网络网络（或（或 X.25X.25 网络）网络）GiGi

GpGp

BSSBSS

BSSBSS

GbGbGbGb

IPIP(Backbone)(Backbone)

SGSN 及其对外接口在一个归属 PLMN 内，可以有多个 SGSN

SGSN 功能 类似 GSM 中的 MSC/VLR对移动台进行鉴权、 移动性管理和路由选择建立移动台 GGSN 的 传输通道接收基站子系统 透明传来的数据进行协议转换后经过

GPRS的 IP骨干网传给 GGSN （或 SGSN ） 或反向进行计费和业务统计

SGSN 的对外接口图图 9-55 SGSN9-55 SGSN 及对外部的接口 及对外部的接口

SGSN 的对外接口接口 连接 SGSN 与 功 能Gb BSS

传输信令和话务信息。流量控制，支持移动性管理和会话功能，支持 MS经 BSS到 SGSN 间分组数据的传输Gn

同PLMN SGSN

或GGSN

支持用户数据和有关信令的传输，支持移动性管理Gp

异PLMN

与 Gn 接口功能相似，还提供边缘网关 BG 、防火墙及不同 PLMN 间互联功能

Gs MSC/VLR支持 SGSN和 MSC/VLR 之间的配合工作：SGSN向 MSC/VLR 发送 MS 的位置信息或接收来自MSC/VLR 的寻呼信息。

Gr HLR 支持 SGSN 接入 HLR并获得用户管理数据和位置信息Gf EIR 支持 SGSN与 EIR 交换数据，认证 MS的 IMEI 信息Gd SMS-GMSC 提高 SMS 的使用效率

GGSN 及其对外接口 GGSN 功能

GPRS 网对外部数据网络的网关或路由器，提供 GPRS 和外部分组数据网的互联。 接收移动台发送的数据，选择到相应的外部网络 或接收外部网络的数据，根据其地址选择 GPRS 网内的传输通道，传输给相应的 SGSN 。地址分配和计费等

GGSN 的对外接口接口 连接 GGSN 与 功 能Gn 见上页Gp

Gi 外部分组数据网 与外部分组数据网互联（ IP、 X.25 等）Gc GGSN与 HLR 获得 MS 的位置信息，从而实现网络发起的数据业务

其它功能实体和网络接口 为支持分组数据的新协议必须升级软件，增加新的协议功能以 Um 接口为例

逻辑信道增加了分组数据信道（ PDCH ） 采用 4 种新的信道编码方式 CS-1（ 9.05kbit/s ）、 CS-2（ 13.4kbit/s ）、 CS-3（ 15.6kbit/s ）、 CS-4（ 21.4kbit/s ）。 支持多时隙的传输方式（最多可达 8 个时隙）

GPRS骨干网（ IP Backbone ） 将（ S/G） GSNs 等互联起来的 IP专用网或分组数据网，也可做为专用线路。PLMN 内部骨干网专用 IP 网（只用于 GPRS 数据和 GPRS 信令）。通过 Gp 接口，采用边缘网关（ BG ）和多个 PLMN互连骨干网连接起来。多个 PLMN骨干网通过漫游协议进行选择，该协议包括 BG安全功能。多个 PLMN骨干网互连可以通过分组数据网，也可以用一条专用线路。GPRS 的移动台分类A类 GPRS 手机、 B类 GPRS 手机和 C类 GPRS 手机

GPRS 的移动台

移动台类型

同时连接 GSM和

GPRS 系统同时提供 GPRS和

GSM 业务自动进行业

务切换A 类 Y Y Y

B 类 Y N Y

C 类 Y N N

9.7.4 GPRS 的移动性管理和会话管理 GPRS 手机的注册 首次使用手机必须注册到 PLMN 网上，并将位置更新信息存储到 SGSN中分布在 GPRS不同网络单元的用户信息有四类（见下页表）注册过程连接到 GPRS 网络（ GPRS 附着） 手机开机后，向网络发送附着消息。 SGSN从 HLR 收集用户数据，对用户进行鉴权，然后与 GPRS 手机附着。连接到 IP 网络（ PDP 关联） 手机与网络附着后，向网络请求一个 IP地址，网络为移动台分配 IP地址，使其成为外部 IP 网络的一部分。

静态 IP地址：分配用户固定的 IP地址。 动态 IP地址：每次会话都分配用户一个新的 IP地址

管理过程 功能移动性管理（ GMM ） GPRS 用户的移动性，如将用户当前位置通知网络等会话管理（ SM ） 支持移动用户对 PDP 关联的处理，也就是说 GPRS 移动

台连接到外部数据网络的处理过程

GPRS不同网络单元的用户信息信息类型 信 息 元 素 存储位置

认证IMSI

TMSIIP address

SIM， HLR，VLR， SGSN，GGSN

VLR ， SGSNMS， SGSN，

GGSN

存储位置VLR-addressLocation AreaServing SGSNRouting Area

HLRSGSNHLR,VLRSGSN

业务Basic services， Supplementary services ，

Circuit switched bearer services， GPRS service informationBasic services， Supplementary services， CS bearer

servicesGPRS service information

HLR

VLRSGSN

鉴权数据Ki， algorithmsTriplets

SIM ， ACVLR， SGSN

路由区移动性管理状态GPRS 附着和去附着GPRS 的位置区域管理

GPRS 的移动性管理

路由区 RA

规定路由区由一个或多个小区组成，最大的路由区为一个位置区 LA 。一个路由区不能跨越多个位置区。一个路由区只能由一个 SGSN 提供服务。目的 更有效的寻呼 GPRS 用户标识 路由区识别 RAI 结构 RAI=MCC+LAC+RAC 确定者 运营商 作用 RAI作为系统信息进行广播，移动台监视 RAI ，以确定是否穿越了路由区边界。如果确实穿越了边界，移动台将启动路由区域更新过程。

MCCMCC 为移动国家号码为移动国家号码LACLAC 为位置区代码为位置区代码RACRAC 为路由区代码为路由区代码

移动性管理状态三种移动性管理状态在一定条件要进行状态转化

状 态

移动台功能SGSN 存储的位置信息

与移动性管理建立关联

收发数据

激活 /

清除PDP 移动关联

进行PTP

数据收发

空闲 N N N N 无守候 Y

仅收 Y N

路由区RA

就绪 Y Y Y Y

小区 cell

空闲状态空闲状态

守候状态守候状态

就绪状态就绪状态附着附着

去附着去附着守候状态守候状态定时器到时定时器到时

（（5858 分）分）

GPRSGPRS

就绪状态

定时器到时

（44秒）

数据包发送 /接收

图图 9-67 9-67 状态转换关系 状态转换关系

GPRS 附着和去附着GPRS 附着

GPRS 手机建立与 GPRS 网络的连接， MS请求接入，并发起与 SGSN 的连接，在移动台和 SGSN 间建立 MM 移动关联。GPRS 去附着

GPRS 手机结束与 GPRS 网络的连接， MS 将从就绪状态变为空闲状态，结束与 SGSN建立的 MM 移动关联的连接。

GPRS 的位置区域管理GPRS 的位置区域管理就是移动台位置移动的管理。

位置更新过程的分类 条 件小区位置更新（ Cell Update ）

就绪状态的 MS 在路由区内从一个小区移到另一个小区时

路由区位置更新（ Routing Area Update ）

SGSN 内 MS从一个路由区移到另一个路由区时SGSN 间

SGSN 间的 RA/LA 联合更新(Combined Inter SGSN RA/LA Update)

SGSN与 MSC/VLR建立关联之后

GPRS 的会话管理GPRS 的会话管理是指 GPRS 移动台连接到外部数据网络的处理过程功能 支持用户终端对 PDP 移动关联的处理

PDP 移动关联是指 GPRS 系统提供一组将移动台与一个 PDP地址（通常是IP地址）相关联和释放相关联的功能。

方式 移动台附着到网络后，应激活所有需要与外部网络进行数据传输的地址，当数据传输结束后，再解除这些地址。 移动台状态 守候或就绪

PDP地址分类 分配者 附加说明 静态 PDP地址 归属 PLMN 运营商

若 PDP 移动关联的激活是网络请求的，则只能使用静态PDP地址

动态 HPLMN PDP地址 HPLMN 激活 PDP 移动关联时激活 PDP 移动关联时，由GGSN 分配 /释放动态 PDP地址动态 VPLMN PDP地址 VPLMN

9.7.5 GPRS 的空中接口GPRS 的空中接口是整个 GPRS 系统的关键技术之一

GPRS 的逻辑信道——分组逻辑信道

GPRS 的物理信道——分组数据信道

PRACHPRACH PPCHPPCH PAGCHPAGCH PNCHPNCH

PBCCHPBCCH PTCCHPTCCH PDTCHPDTCH PACCHPACCH

PDCHPDCH 物理信道物理信道

逻辑信道逻辑信道

图图 9-68 GPRS9-68 GPRS 的逻辑信道 的逻辑信道

分组逻辑信道的类型分组逻辑信道分类 功能 上 / 下行

分组广播控制信道（ PBCCH ） 传播与分组数据相关的系统信息 下行分组公共控制信道

PCCCH

分组寻呼信道（ PPCH ） 寻呼分组或电路交换业务 下行分组随机接入信道（ PRACH ） MS 发送数据或信令信息 上行分组接入允许信道（ PAGCH ） 在分组建立阶段，向 MS 发送无线资源分配信息 下行

分组通知信道（ PNCH ） 在 PTM-M 分组传送前，向一组MS 发送 PTM-M 通知信息 下行

分组专用控制信道

PACCH

分组随路控制信道（ PACCH ） 传送某个已知移动台的信令信息 下行分组数据业务信道（ PDTCH ） 传送用户的分组数据 上 / 下行

分组定时提前量控制信道（ PTCCH ） 传送随机接入突发 上行

向 MS 传送定时提前量信息 下行