GSM接口和控制管理.ppt

移动通信原理建工学院电子与信息工程学院朱徐来zhuxulai@GSM移动通信网络接口nGSM系统中的接口GSM移动通信网络接口nA接口Ø网络子系统NSS与基站子系统BSS间的通信接口ØMSC与BSC间的互连接口 Ø传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等Ø标准的2.048Mbit/s的PCM数字传输链路实现 GSM移动通信网络接口nAbis接口Ø基站子系统的两个功能实体基站控制器BSC和基站收发信台BTS间的通信接口 Ø用于BTS（不与BSC并置）与BSC间的远端互连 Ø支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配 Ø采用标准的2.048Mbit/s或64kbit/sPCM数字传输链路实现GSM移动通信网络接口nUm接口(空中接口)：Ø移动台与基站收发信机BTS间的通信接口Ø用于移动台与GSM系统设备间的互通 Ø通过无线链路实现 Ø传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等 n用户与网络间的接口(Sm接口)Ø用户与网络间的接口,用户识别卡SIM与移动终端ME间接口 Ø传递的信息包括用户对移动终端进行操作，移动终端向用户提供显示、信号音等 GSM移动通信网络接口n网络子系统内部接口ØD接口üHLR与VLR间的接口 ü用于交换有关移动台位置和用户管理的信息，保证移动台在整个服务区内建立和接收呼叫 ü通过MSC与HLR间的标准2.048Mbit/s的PCM数字传输链路实现 GSM移动通信网络接口ØB接口üVLR与MSC间的内部接口 ü用于MSC向VLR询问有关移动台当前的位置信息或者通知VLR有关移动台的位置更新信息等Ø C接口üHLR与MSC间的接口 ü用于传递路由选择和管理信息GSM移动通信网络接口ØE接口ü相邻区域的不同MSC间的接口 ü用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换ØF接口üMSC与EIR间的接口ü用于交换相关的IMEI管理信息ØG接口üVLR间的接口 ü用于在采用TMSI的MS进入新的MSC/VLR服务区域时向分配TMSI的VLR询问此移动用户的IMSI信息 GSM移动通信网络接口nGSM系统与其他公用电信网的接口n其它公用电信网：公用网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN和电路交换公用数据网CSPDN等 n接口必须满足ITU的有关接口和信令标准及各个国家通信运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准Ø GSM系统与PSTN和ISDN网的互连方式采用7号信令系统接口Ø链接方式通过MSC与PSTN或ISDN交换机间标准2.048Mbit/s的PCM数字传输链路实现 GSM系统的无线接口欧洲GSM美D-AMPS日本JDC多址方式TDMA/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMA频率上行(MHz)890-915824~849940~956/1429~1453下行(MHz)935-960869~894810~826/11477~1501载频间隔/kHz2003025时隙数/载频8/163/63/6调制方式GMSK /4-QPSK /4-QPSK差错保护后语音速率22.81311信道速率(kbps)270.83348.642TDMA帧长(ms)4.6154020交织深度(ms)402727数字无线接口n无线接口n概念：移动台与基站收发信机间接口的统称 n是移动通信实现的关键n是不同系统的区别所在Ø无线接口中信道、数据格式等n无线信道nGSM系统使用了TDMA时分多址的概念Ø每帧包括8个时隙TSØBTS到MS为下行信道，MS到BTS为上行信道 GSM的帧结构数字无线接口n物理信道n一个载频上的TDMA帧的一个时隙为一个物理信道 nGSM中每个载频分为8个时隙，有8个物理信道 n信道0～7对应时隙TS0～TS7，每个用户占用一个时隙用于传递信息n在一个TS中发送的信息称为一个突发脉冲序列 n逻辑信道 n根据传递于BTS与MS间信息的种类定义n是一种人为的定义 n要被映射到某个物理信道上才能实现信息的传输 数字无线接口n逻辑信道n业务信道TCHØ用于传送编码后的话音或数据 n控制信道CCHØ用于传递信令或同步数据Ø分为三类：ü广播信道ü公共控制信道n专用控制信道 数字无线接口n控制信道CCHØ广播信道(BCH)：全为下行信道ü频率校正信道(FCCH)：用于传送校正MS频率的信息 ü同步信道(SCH)：用于传送给MS的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息 ü广播控制信道(BCCH):广播每个BTS小区特定的通用信息 数字无线接口Ø公共控制信道(CCCH)：基站与移动台间的点到多点的双向信道ü寻呼信道(PCH):用于寻呼（搜索）MS，是下行信道 ü随机接入信道(RACH):用于MS在寻呼响应或主叫接入时向系统申请分配SDCCH，是上行信道 ü允许接入信道(AGCH):用于为MS分配一个SDCCH，是下行信道 数字无线接口Ø专用控制信道(DCCH) ：ü独立专用控制信道(SDCCH):用于在分配TCH前的呼叫建立过程中传送系统信令v如：登记和鉴权 ü慢速随路控制信道(SACCH):传送连接信息v上、下行双向，点对点（移动对移动）信道v与一个TCH或一个SDCCH相关v如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度测试报告、MS的功率管理和时间的调整等数字无线接口Ø专用控制信道(DCCH)ü快速随路控制信道(FACCH):传送比SACCH所能处理的高得多的速率的信令信息v与一个TCH相关 v在话音传输期间，借用20ms的话音（数据）突发脉冲序列来传送v通常在切换时使用 利用“动态”性满足“移动服务”是实现移动性网络的一项核心技术，它就是移动性管理。

其内容大致包含下列三个部分： ■小区选择与位置登记它是移动台开机后，首先需要进行的建立过程■越区切换它是移动台在联机通信状态下，保持不间断、无缝隙通信的一种有效手段■小区重新选择与用户漫游它是当移动台已选择本地小区后，又离开该小区，进入某个服务区内另一个较远的小区(处于不同的MSC之间)，但仍需要实现移动通信的基本保证 9/5/202419移动性管理移动性管理 位置登记位置登记(注册注册)n位置登记是指网络跟踪、保持移动台所处的位置并存贮其位置信息，一般是存贮在两个寄存器中 n◆位置登记主要包含以下过程：n■位置更新n■位置删除n■周期性位置更新n■国际移动用户识别号码IMSI的位置更新 位置登记的目的是允许移动台在网络中选择一个最适合的小区，比如具有最强的信号或最大的信噪比等n位置登记位置登记(注册注册)n小区选择是移动台刚开机时进行的过程，而重新选择小区则是移动台已经选择了小区后才进行的 ■在移动台开机后，要经历以下几个主要步骤：n(1) 搜索系统载波，移动台可以搜索系统全部或有选择的(存贮器中或用户身份卡中)信道进行搜索；n(2) 选择信号功率(或信噪比)最大的几个信道；n(3) 从上述已选择的信道中收集相关数据 ；n(4) 若有需要，则在位置区进行登记； n■ 位置登记需要多项参数，最常用的有：n(1)在广播信道上的接收信号电平 ；n(2) 小区状态，是否由于资源拥塞、链路传输失败、切换等因素而禁止接入；n(3) 网络身份，若几个网络使用同一个频段、覆盖同一区域时；n(4) 地理区域，有些按地区分类的注册用户是可用的；n(5) 定时器参数;n★位置更新策略n◆基于时间的周期性位置更新策略n◆基于跨位置区的更新策略:使用位置区的概念来进行自动位置管理。

n下图为位置区结构 :位置区设置位置区设置n■目前第一代、第二代蜂窝移动通信中广泛应用的位置管理办法是使用位置区来进行自动的位置管理网络跟踪用户所在位置区，就能大致确定用户所在的大致范围 n■目前应用广泛的是一种基于跨位置区的位置更新和周期性位置更新相结合的混合方法移动台每次跨越位置区都要进行一次位置登记，另外还要加上定期的周期性位置更新n例：GSM中的位置登记过程基本流程如下 ： 位置登记位置登记过程过程越区切换（越区切换（Handover）n◆基本概念：n　■指正在进行的无线通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程n　■通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入另一个基站覆盖的小区情况下，为保持通信的连续性，所进行的无线链路转移工作n　■还包括网络管理和服务质量引起的资源调整n从网络角度看切换可以按下列方式分类：n◆越区切换n切换实现方案主要有下列三种类型：n■网络控制切换n■移动台控制切换n■由移动台和网络共同控制的切换n◆切换要求：n　　■切换要求优先于呼叫开始要求n　　■切换不要太频繁n　　■切换不要被用户察觉n◆使切换优先n■保护信道：小区中总可用信道的一部分预留专用于切换请求。

n■切换要求排队n 切换的基本原理切换的基本原理n◆在一次呼叫的通信期内(传输用户的数据或信令)进行的切换一般可以分为四个阶段：链路监视和测量，目标小区的确定和切换触发以及切换执行四个阶段依次执行，并且目标小区的确定一般在测量阶段就开始了n◆每个阶段还必须满足一定的限制条件; n◆n 越区切换n 链路监测和系统参数收集阶段n在切换过程中需要一组测量数据和收集一些系统参数，将它进行处理再用于切换触发和对目标小区的确定算法上n◆目标(候选)小区选择与确定(以IS-95为例)n■移动台将小区名单进行处理、列表、分类n■如果一个基站符合下列标准之一时，移动台将做出下列处理选择：选中或撤销n■导频信号的信号功率超过事先给定的门限值，则被选中；移动台首先收到一条包含某个基站网络身份的消息，其次收到该基站发出的信号功率超出了事先给定的门限值，则亦被选中；n n ■越区切换n如果与某基站相对应的经计算所得到时延超过事先给定的门限，则将从小区列表中撤销、删除该基站；n■如果一个移动台将一个基站归入候选小区名单，而这时该候选名单已满额，则应将小区中计算时延首先到期(超过门限)的基站从表中删除。

n ◆ 触发切换n ■触发切换是建立在对当前运行基站和对邻近基站的一次监测和参数收集、处理判决后才进行的n ■监测参数数据与触发标准一般基于下列三个变量：测量平均窗口的持续时间、信号功率或信号质量的门限电平以及滞后余量 n n ◆切换执行　　l当一次切换被触发以后，一个新的信道将被建立，通信将被转移到新的链路，同时原来信道将被释放切换处理过程可以根据新链路的建立途径进行分类:ni) 硬切换nii) 无缝切换 niii) 软切换l硬切换基本原理图如下所示:其特点为在A、B小区分界线上“先断后切”，两状态(A B)出现暂时中断，它出现在两个不同载波频率的小区间9/5/202436硬切换硬切换•软切换基本原理图如下：•其特点为“先切后断”，三状态(A、AB、B)，无中断它一般出现在具有同一载波频率的CDMA(IS-95等)系统中9/5/2024软切换软切换–在CDMA(IS-95)软切换阈值的工作过程如下:9/5/2024越区切换越区切换实际切换过程实际切换过程–例1：GSM中，单个MSC内的两个BSC之间的越区硬切换，其原理性简化流程图如下9/5/202439越区切换越区切换•例2：GSM中，两个MSC间的切换。

9/5/202440越区切换越区切换•CDMA(IS-95)中两个BS间的软切换9/5/202441•任何一个移动通信系统其网络运行的主要功能是要能够支持该移动通信系统业务的正常运行 •这包含支持呼叫建立和释放、寻呼、信道分配和释放等呼叫处理过程，并能支持补充业务的激活、去激活以及登记和删除等业务操作•移动台呼叫处理的基本原理可以以下列状态图表示： 9/5/2024呼叫建立与接续呼叫建立与接续•以下为一个GSM中由本地固定网用户呼叫移动用户的呼叫与接续流程9/5/2024•图中主要流程说明如下：(1) 通过7号信令接收来自本地固定网用户的呼叫；(2) GMSC向HLR询问被叫移动用户所在MSC地址；(3) HLR请求被访问的VLR分配MSRN，并通知GMSC ；(4) GMSC从HLR获得MSRN后，可重新寻找路由建立至被访MSC通路 (5)(6) 被访的MSC从VLR中获取有关用户数据；(7)(8) MSC通过位置区内所有基站BS向移动台发送寻呼消息；(9)(10) 被叫移动用户发回寻呼响应消息；(11) 被叫移动用户通过MSC向本地固定网主叫发送应答与连接消息，并建立通信链路； (12)正常通话；(13)挂机。

9/5/202444•下面进一步给出GSM中移动用户至本地网固定用户的呼叫流程，在这一流程中，简化了呼叫与接续流程的具体步骤而增加参与流程的网络实体功能部分9/5/202445•从移动台呼叫处理完成的功能上看,完整地应有下列五个部分：呼叫请求与建立、鉴权与加密、分配并建立信道、进行正常通信和结束通信与挂机下面补充给出以移动用户为主叫方的基本流程9/5/202446•GSM中移动至移动且MS为主叫方的呼叫建立与接续的基本流程 GSM系统的呼叫建立与接续系统的呼叫建立与接续•IS-95/CDMA2000 MS起呼的简单呼叫流程：9/5/202448IS-95/CDMA2000系统的呼叫与系统的呼叫与接续接续GSM系统的安全措施n用户识别模块SIMn功能Ø存储数据：ü用户身份认证所需的信息，如IMSI、TMSI、用户鉴权键Ki等 ü存储安全保密有关的信息，如加密密钥Kc、密钥序号n、加密算法A3、A5、A8、个人识别码PIN、PIN码出错计数、SIM卡状态、个人解锁码PUK等 ü存储与网络和用户有关的管理数据，如PLMN代码、LAI、用户登记的通信业务等 ü存储用户的个人信息 GSM系统的安全措施Ø执行安全操作：ü进行用户入网的鉴权ü用户信息的加密üTMSI的更新ü用户PIN码的操作和管理 GSM系统的安全措施n组成：CPU、工作存储器RAM，程序存储器ROM、数据存储器EEPROM和串行通信单元5个模块组成 n结构：GSM系统的安全措施n使用：ØSIM卡本身是通过PIN码来保护的 üPIN码连续输错三次后SIM卡将闭锁üSIM卡解锁需输入正确的PUK码，PUK码连续输错10次，SIM将报废ØSIM卡的使用有一定年限ü物理寿命取决于用户的插拔次数，约在1万次左右ü集成芯片的寿命取决于数据存储器的写入次数，约在5万次左右。

ü不同厂家指标不同，SIM卡的寿命也略有不同 GSM系统的安全措施Ø注意事项：ü不要人为浸水ü不要弯折SIM卡ü不要经常插拔SIM卡ü拆卸SIM前先关电源üSIM卡表面氧化或弄脏后，不用硬物刮擦，可用酒精清洗，也可用橡皮擦拭；ü正确输入PIN码，当SIM卡闭锁后输入正确PUK码解锁 GSM系统的安全措施n安全措施n安全措施：Ø鉴权 Ø加密 Ø用户识别码的保密 ØSIM卡的安全 Ø移动设备的识别 n参数：üRAND（RANDOM）128bit不可预测的随机数 ü对RAND和Ki用加密算法A3计算出符号响应SRES ü用加密算法A8计算出加密密钥Kc GSM系统的安全措施n鉴权Ø在MS登记入网和呼叫时判断是否是有权用户Ø 过程：üAUC产生随机数RAND，并进行A3运算üRAND同时通过公共控制信道送给移动终端，在SIM卡中进行A3运算ü运算结果在VLR中进行比较，一致则为有权用户 GSM系统的安全措施鉴权原理框图GSM系统的安全措施n加密Ø在空中接口中对用户数据和信令保密Ø过程：ü对Ki和RAND进行A8运算产生密钥Kcv其中Ki和RAND参数和鉴权过程中使用的参数相同，产生密钥分别存储在网络侧和用户侧。

ü根据加密启动指令，移动用户和基站便开始用Kc和TDMA帧号产生加密序列ü用模二加对无线路径上传送的比特流进行加密或解密 GSM系统的安全措施加密原理框图GSM系统的安全措施n用户识别码的保密Ø为防止IMSI被窃取，由VLR分配TMSI代替IMSI在空中传输，并不断更新 ØTMSI的更新GSM系统的安全措施nSIM卡的安全ØSIM卡的安全用PIN码和PUK码保证üPIN码连续输错三次后SIM卡将闭锁üSIM卡解锁需输入正确的PUK码，PUK码连续输错10次，SIM将报废Ø用户的入网信息存在SIM卡中，而SIM卡很难仿造，可确保用户侧的信息安全 GSM系统的安全措施n移动设备的识别Ø确保系统中使用的移动设备都是合法的设备 ØMS申请接入时向系统发送IMEI üMSC/VLR将IMEI发送给EIR üEIR的三个清单（白名单、黑名单、灰名单）中比对，以决定是否允许入网  鉴权n　　n无线信号通过空中传播  开放式环境，信号可以被n截获，窃听，修改或伪造．n★移动通信系统的安全措施：n ◆鉴权(Authentication)：确认用户具有的各种权利n ●用户对基站鉴权　　●基站对鉴权n ●基站对用户鉴权　　●基站用户相互鉴权 n◆加密(Encryption)：对信息进行加扰，防止第三者窃听。

n ●原始信息加密 ●空中传输信息加密n◆使用TMSI代替IMSI鉴权过程。