移动通信技术与设备 教学课件 ppt 作者 解相吾2 第 5 章 GSM移动通信系统.ppt

第 5 章 GSM移动通信系统,,【本章内容简介】 GSM移动通信系统当前应用最为广泛本章对GSM系统的特点、系统的结构组成、GSM移动通信网的网络结构和网络接口进行了全面介绍，同时介绍了GSM网络的编号和业务应用，对GSM网络的信道配置、接续流程和移动性管理作了详细说明 【学习重点与要求】 本章重点掌握GSM系统的总体结构和各个子系统的基本功能，熟悉GSM的帧结构、物理信道、逻辑信道和突发脉冲等内容，了解业务应用和接续流,5.1 GSM移动通信系统综述,GSM蜂窝移动通信网是世界上最早推出的数字蜂窝通信系统，GSM标准对该系统的结构、信令和接口等进行了详细描述，而且符合公用陆地移动通信网（PLMN）的一般要求，能适应与其他发展中的数字通信网的互连 GSM具有以下5大特点1．GSM的移动台具有漫游功能,（1）移动台识别码 （2）位置登记 （3）呼叫接续,2．GSM提供多种业务 3．GSM具有较好的保密功能 （1）通过“用户鉴别”实现保密 （2）对移动台识别码加密，使窃听者无法确定用户的移动台号码，起到对用户位置保密的作用 （3）将用户的话音、信令数据和识别码加密，使非法窃听者无法收到通信的具体内容。

4．越区切换功能 5．容量大、音质好,5.2 GSM的系统结构,移动通信网主要由交换传输部分和无线部分组成，交换传输部分与PSTN很类似，而无线网络是特有的 完整的蜂窝移动通信系统主要由交换网络子系统（SS）、无线基站子系统（BSS）、移动台（MS）及操作维护子系统（OMC）4大子系统设备组成图5-l GSM系统结构,5.2.1 交换网络子系统,交换网络子系统（SS）主要完成交换功能和用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能 SS由下列功能实体构成1．移动业务交换中心（MSC）,MSC是GSM网络系统的核心部分，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他公用通信网之间的接口2．访问位置寄存器（VLR）,VLR是用于存储所有来访用户位置信息的数据库，为已经登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件3．归属位置寄存器（HLR）,HLR是系统的一个中央数据库，用来存储本地用户的数据信息4．鉴权中心（AUC）,AUC存储用户的加密信息，属于HLR的一个功能单元部分，是一个受到严密保护的数据库，专用于GSM系统的安全性管理5．设备识别寄存器（EIR）,EIR也是一个数据库，存储与移动台有关的设备参数。

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5.2.2 无线基站子系统,无线基站子系统（BSS）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） BSS在GSM网络的固定部分和无线部分之间提供中继，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又连接到网络端的移动交换机1．基站控制器,基站控制器（BSC）是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台和操作维护中心之间交换信息提供接口2．基站收发信台,基站收发信台（BTS）包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线，连接基站控制器的接口电路以及收发信台本身所需要的检测和控制装置等 BTS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5.2.3 移动台,移动台（MS）就是常说的“”，可分为车载型、便携型和手持型3种 它是GSM系统中直接由移动用户使用的终端设备，由移动设备（ME）和用户识别卡（SIM卡）两部分组成。

5.3 GSM的网络结构,,图5-2 移动通信网的网络结构,5.3.1 移动业务本地网的网络结构,,图5-3 移动业务本地网由几个长途编号组成的示意图,5.3.2 省内移动通信网的网络结构,省内GSM移动通信网由省内的各移动业务本地网构成图5-4 省内数字公用蜂窝移动通信的网络结构,5.3.3 全国移动通信网的网络结构,,图5-5 全国GSM移动通信网的网络结构,5.3.4 GSM的网络接口,为了保证不同厂商生产的GSM系统基础设备互通、组网，GSM系统技术规范对其分系统之间及各功能实体之间的接口和协议作了较具体的定义 GSM系统遵循ITU-T建议的公共陆地移动网（PLMN）接口标准，采用7号信令支持PLMN接口进行所需的数据传输1．移动通信网接口,,图5-6 移动通信网接口,（1）Sm接口 （2）Um接口 （3）Abit接口 （4）A接口 （5）B接口 （6）C接口 （7）D接口 （8）E接口 （9）F接口 （10）G接口,2．GSM系统与其他公用电信网的接口,GSM系统通过MSC与ISDN、PSTN、PDN互连，物理链接方式为2 Mbit/s PCM数字传输，实现其接口必须满足ITU-T的有关接口和信令标准及各国邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。

我国GSM系统与PSTN和ISDN网的互连方式采用No.7信令系统接口5.4 GSM网络的编号与业务,GSM系统是一个十分复杂的通信系统，它包括众多的功能实体和繁杂的实体间、子系统间及网络间的接口 GSM网络是十分复杂的，它包括交换系统、基站子系统和移动台5.4.1 编号,1．移动台的国际身份号码（MSISDN） MSISDN是在公用交换网编号计划中唯一地识别移动的鉴约号码，ITU-T建议结构为 MSISDN=CC+NDC+SN,2．国际移动用户识别码（IMSI）,IMSI唯一地标识了一个GSM移动网的用户，并且能指出用户所属的国家号、PLMN网号和HLR号码IMSI也是15位长，它的组成如下： IMSI=MCC+MNC+MSIN,3．移动台漫游号码（MSRN）,移动用户的特性决定它的位置是不断变动的，仅靠MSISDN还不足以在PLMN内把一个呼叫送达目标用户，它只指出了用户所属的HLR4．切换号码（HONR）,HONR是用来建立切换所涉及的两MSC之间的话路连接的，它是由切换目的MSC收到切换源MSC的切换请求后分配给这次切换的，它可看为MSRN的一部分，组成和MSRN相同5．临时移动用户识别码（TMSI）,TMSI是为了对用户的身份保密，而在无线通道上替代IMSI使用的临时移动用户标识，这样可以保护用户在空中的话务及信令通道的隐私，它的IMSI不会暴露给无权者。

6．国际移动台设备识别码（IMEI）,GSM的每个用户终端都有一个唯一的标识码IMEI，IMEI是和移动台设备相对应的号码，与哪个用户在使用该设备无关IMEI为15位长，它的组成如下： IMEI=TAC+FAC+SNR+SP,7．位置区识别码（LAI）,LAI代表MSC业务区的不同位置区，用于移动用户的位置更新LAI的组成形式为 LAI=MCC+MNC+LAC,8．小区全球识别码（CGI）,CGI用于识别一个位置区内的小区CGI的组成形式为 CGI=MCC+MNC+LAC+CI,9．基站识别码（BSIC）,BSIC用于移动台识别相邻的、采用相同载频的、不同的BTS，特别用于区别在不同国家的边界地区采用相同载频的相邻BTSBSIC为一个6 bit编码BSIC的组成形式为 BSIC=NCC+BCC,5.4.2 主要业务,GSM是一种多业务系统，可以根据用户的需要为用户提供各种形式的通信 为用户提供的服务取决于下列3个因素 （1）用户注册的业务 （2）用户终端性能 （3）网络能力 GSM系统提供的业务分为基本业务和补充业务 GSM所提供的基本业务进一步可分为承载业务和电信业务1．承载业务 2．话音业务 3．数据业务 4．短消息业务,5．补充业务,（1）号码识别类补充业务 （2）呼叫提供类补充业务 （3）呼叫完成类补充业务 （4）多方通信类补充业务 （5）集团类补充业务 （6）计费类补充业务 （7）附加信息传送类补充业务 （8）呼叫限制类补充业务,5.5 GSM信道配置,GSM系统采用的是频分多址接入（FDMA）和时分多址接入（TDMA）混合技术，具有较高的频率利用率。

GSM数字系统在物理信道上传输的信息是由大约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图5-7 TDMA原理示意图,,逻辑信道分为公共信道和专用信道两大类5.5.1 帧结构,,图5-8 GSM系统各种帧及时隙的格式,,图5-9 上行帧号和下行帧号所对应的时间关系,5.5.2 GSM的时隙结构,GSM系统中有不同的逻辑信道，它们以不同的方式映射到物理信道 TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列 因此可以将突发脉冲看成是逻辑信道在物理信道传输的载体 根据所传信息的不同，时隙所含的具体内容及其组成的格式也不相同1．常规突发（NB）脉冲序列,常规突发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5-10所示图5-10 常规突发脉冲等序列的格式,2．频率校正突发（FB）脉冲序列,频率校正突发脉冲序列用于校正移动台的载波频率，其格式比较简单，如图5-10所示3．同步突发（SB）脉冲序列,同步突发脉冲序列用于移动台的时间同步其格式参见图5-10，主要组成包括64 bit的同步信号（扩展的训练序列），以及两段各39 bit数据，用于传输TDMA帧号和基站识别码（BSIC）。

4．接入突发（AB）脉冲序列,接入突发脉冲序列用于上行传输方向，在随机接入信道（RACH）上传送，用于移动用户向基站提出入网申请图5-11 接入突发脉冲序列的格式,5.5.3 信道及其组合,信道组合是以复帧为基础的，所谓“组合”，实际上是将各种逻辑信道装载到物理信道上去 也就是说，逻辑信道与物理信道之间存在着映射关系1．业务信道的组合方式,,图5-12 业务信道的组合方式,2．控制信道的组合方式,控制信道的复帧含51帧，其组合方式类型较多，而且上行传输和下行传输的组合方式也是不相同的1）BCH和CCCH在TS0上的复用,,图5-13 BCH和CCCH在TS0上的复用,,图5-14 TS0上RACH的复用,（2）SDCCH和SACCH在TS1上的复用,,图5-15 SDCCH和SACCH（下行）在TS1上的复用,（3）公用控制信道和专用控制信道均在TS0上的复用,,图5-16 TS0上控制信道综合复用,5.6 接续流程与管理,GSM系统是一个先进的、复杂的新一代数字蜂窝移动通信系统 无论是移动用户与市话用户还是移动用户之间建立通信，都会涉及系统中的各种设备5.6.1 位置更新流程,,图5-17 位置更新基本流程,5.6.2 移动用户至固定用户出局呼叫流程,,图5-18 移动用户出局呼叫流程,5.6.3 固定用户至移动用户入局呼叫流程,,图5-19 移动用户入局呼叫基本流程,5.6.4 切换流程,,图5-20 MSC之间切换的基本流程,5.6.5 鉴权与加密,为了保证通信安全，GSM系统采取了特别的鉴权与加密措施。

鉴权是为了确认移动台的合法性，而加密是了为防止第三者窃听1．鉴权,鉴权的作用是保护网络，防止非法盗用；同时通过拒绝假冒合法用户的入侵，从而保护GSM网络用户图5-21 鉴权过程,,图5-22 Kc的产生,2．加密,GSM系统为确保用户信息（话音或非话音业务）以及与用户有关的信令信息的私密性，在BTS与MS之间交换信息时专门采用了一个加密程序3．设备识别,每一个移动台设备均有一个唯一的IMEI在EIR中存储了所有移动台的设备识别码，每一个移动台只存储本身的IMEI 设备识别的目的是确保系统中使用的设备不是盗用的或非法的设备为此，EIR中使用3种设备清单 （1）白。