第5章 無線通信系統(tǒng)-2

復(fù)習(xí)：GSM是GlobalSystemforMobilecommunications(全球移動通信系統(tǒng))，主要三種不同的版本GSM900、DCS1800和PCS1900，采用FDD雙工技術(shù)，采用TDMA/FDMA多址接入方式。GSM系統(tǒng)由三部分組成，即運營支持子系統(tǒng)(OSS)，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)和基站子系統(tǒng)(BSS)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)主要由移動業(yè)務(wù)交換中心(MSC)、訪問用戶位置寄存器(VLR)、歸屬用戶位置寄存器(HLR)、鑒權(quán)中心(AUC)、移動設(shè)備識別寄存器(EIR)幾部分構(gòu)成。GSM系統(tǒng)主要接口：

BTS與MS之間Um接口；BSC與BTS之間Abis接口；BSC與MSC之間A接口。GSM移動通信系統(tǒng)1復(fù)習(xí)：無線子系統(tǒng)包括基站子系統(tǒng)(BSS)和移動臺(MS)兩部分。基站子系統(tǒng)BSS包括基站控制器BSC和基站收發(fā)信機BTS兩部分。通常一個BSC可以控制多個BTS。BTS主要由公共子系統(tǒng)、載頻子系統(tǒng)、射頻前端子系統(tǒng)和天饋子系統(tǒng)四個功能子系統(tǒng)組成。BTS中有4類總線：數(shù)據(jù)總線(DBUS)、控制總線(CBUS)、時鐘總線(TBUS)和跳頻總線(FHBUS)。無線子系統(tǒng)的組網(wǎng)方式可分為：星型組網(wǎng)、鏈型組網(wǎng)、樹型組網(wǎng)和環(huán)型組網(wǎng)。25.1.4GSM邏輯信道

GSM邏輯信道分為業(yè)務(wù)信道(TCH)和控制信道(CCH)。

業(yè)務(wù)信道：傳輸用戶的數(shù)字化語音或數(shù)據(jù)。

無論是上行還是下行鏈路，業(yè)務(wù)信道都有同樣的功能和格式。

控制信道：用于在MS和BS之間傳輸控制信息(信令)。

在上下行鏈路之間，不同的控制信道格式可能是不同的。

GSM系統(tǒng)中，一個時隙構(gòu)成一個物理信道。不同的時隙可以映射為不同的邏輯信道。即物理信道在不同的時間可用來傳送不同功能的數(shù)據(jù)。Um接口的邏輯信道31.業(yè)務(wù)信道(TCH)

TCH可分為全速率信道和半速率信道兩大類。

全速率信道：一個時隙只傳輸一個用戶的數(shù)據(jù)。

半速率信道：傳輸信息時，兩個用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)映射到同一個時隙上，采用隔幀傳送的方式，即每個用戶的信息都是每隔一幀交替進行發(fā)送。因此，兩個半速率的用戶可以共享同一個時隙。

目前GSM系統(tǒng)還是采用全速率信道傳送，編碼速率降低后可能采用半速率信道傳送。

42.控制信道(CCH)

控制信道：用于傳送系統(tǒng)的信令和同步信號。

控制信道復(fù)幀包含51個TDMA幀。

GSM中主要有三類控制信道：

廣播信道(BCH)、公共控制信道(CCCH)和專用控制信道(DCCH)。5

1)廣播信道(BCH)

BCH：是一點對多點的單方向控制信道，用于傳送頻率校正、同步及系統(tǒng)消息，同時也被鄰接小區(qū)的用戶監(jiān)測。

BCH是在一個小區(qū)的指定ARFCN的特定幀TS0中發(fā)送，只用于前向鏈路（BS→MS）。

廣播信道分為三種類型：頻率校正信道、同步信道、廣播控制信道。

(1)頻率校正信道(FCCH)：傳送移動臺的頻率校正信息。在控制復(fù)幀的第0幀發(fā)送，每隔10幀重復(fù)一次。保證手機的頻率和BTS一致，即讓手機鎖定BTS頻率。

下行信道6

(2)同步信道(SCH)：傳送供MS對基站進行同步識別校準(zhǔn)的信息。SCH緊接在控制復(fù)幀的FCCH幀后發(fā)送，每隔10幀重復(fù)一次，攜帶有MS幀同步信息、基站識別碼等。

(3)廣播控制信道(BCCH)：傳送BTS相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息，當(dāng)移動臺開機但沒有通話時，會周期性的監(jiān)視BCCH中的信息（至少每30秒）。

其傳輸?shù)男畔ǎ何恢脜^(qū)識別碼、小區(qū)識別碼、本小區(qū)使用的頻率列表、鄰近小區(qū)描述、隨機接入控制信息、小區(qū)選擇參數(shù)、控制信道描述、小區(qū)選項等。

在控制復(fù)幀的第2幀到第5幀發(fā)送BCCH數(shù)據(jù)。

72)公共控制信道(CCCH)

CCCH用于BTS和MS之間傳遞控制信息，完成尋呼和呼叫建立功能。系統(tǒng)內(nèi)所有移動臺共用。

CCCH可分為以下三種類型：尋呼信道、隨機接入信道和接入認(rèn)可信道。

(1)尋呼信道(PCH)：是一個下行信道，當(dāng)基站尋呼MS時，用于通知MS有來自網(wǎng)絡(luò)的呼叫，并要求MS通過隨機接入信道(RACH)發(fā)出響應(yīng)信息和提供鑒權(quán)信息，傳送被呼用戶的IMSI，有時可能采用TMSI。

用戶被呼叫時使用8

(2)隨機接入信道(RACH)：是一個上行信道，用于MS對PCH的回應(yīng)，或隨機提出入網(wǎng)申請（MS主動發(fā)起呼叫），即請求分配獨立專用控制信道(SDCCH)。

(3)接入認(rèn)可信道(AGCH)：是一個下行信道，用于基站對移動臺的隨機接入請求作出應(yīng)答，即給移動臺分配一個SDCCH或直接分配一個TCH。

MSBSPCH尋呼MSBSRACH回應(yīng)尋呼或入網(wǎng)申請MSBSAGCH入網(wǎng)應(yīng)答下行下行上行93)專用控制信道(DCCH)

由基站分給某一特定的移動臺專用的。和業(yè)務(wù)信道TCH一樣，也是雙向傳送的，在上下行鏈路中有相同的功能和格式，可存在于除了廣播信道TS0幀之外的任何時隙中。

GSM中有三種類型的專用控制信道：

(1)獨立專用控制信道(SDCCH)。用于傳送鑒權(quán)、業(yè)務(wù)信道指配信息。在BTS認(rèn)可MS的接入請求之后，BTS和MSC需要一段時間來驗證移動臺身份并為它分配業(yè)務(wù)信道。例如登記、鑒權(quán)在此信道上進行。空閑狀態(tài)下短消息和小區(qū)廣播也在該信道上傳送。傳送內(nèi)容包括：位置更新、周期性位置更新、IMSI分離和附著、呼叫建立、點對點短消息。10(2)慢速輔助控制信道(SACCH)。是一個雙向的點對點控制信道，用于在MS和BTS之間周期性地傳送某些特定信息，例如無線傳輸?shù)臏y量報告（用于MS切換）、功率控制等。

(3)快速輔助控制信道(FACCH)。該信道傳送與SDCCH相同的信息。當(dāng)沒有為移動用戶分配SDCCH，但需要處理緊急事務(wù)(如切換請求等)時才分配。通過從業(yè)務(wù)信道借取幀來實現(xiàn)信令傳輸?shù)摹Ｈ鬞CH中的兩個“借取幀比特”被置位，則表明這個時隙中包含F(xiàn)ACCH，而不是TCH。

幾種不同的邏輯信道可以在同一物理時隙上傳輸，同一邏輯信道也可以在不同的物理時隙上傳輸.111213MS發(fā)起呼叫并建立通信的過程：

1、用戶開機后，MS監(jiān)測廣播信道BCH，通過接收FCCH、SCH、BCCH的信息，MS同步到就近的基站。

2、當(dāng)用戶通過撥號發(fā)出呼叫時，MS通過隨機接入信道(RACH)向BTS發(fā)送RACH數(shù)據(jù)突發(fā)序列，請求信道。

3、基站通過接入認(rèn)可信道AGCH發(fā)送信息對MS作出響應(yīng)，即給MS分配一個新的信道作為獨立專用控制信道SDCCH。隨后MS將轉(zhuǎn)接到該SDCCH上和BTS進行通信。邏輯信道應(yīng)用實例144、MS轉(zhuǎn)接到SDCCH后，MS首先等待通過慢速輔助控制信道傳給它的SACCH幀，該幀告知MS要求的時間提前量和發(fā)射機功率等。（與SDCCH聯(lián)用）

5、在SDCCH傳送MS與基站間交互信息期間，還同時配合MSC處理對該用戶進行的鑒權(quán)操作。若鑒權(quán)通過,MS通過SDCCH向MSC傳送業(yè)務(wù)信道請求。

6、MSC要求BS給MS分配一個無線業(yè)務(wù)信道(TCH)。

7、若BS找到一個空閑TCH,則向MS發(fā)分配命令。同時基站就命令MS從當(dāng)前SDCCH轉(zhuǎn)到指定的TCH上。

8、一旦轉(zhuǎn)接到TCH，就進入正常的通話狀態(tài)，語音在上下行鏈路上傳送，呼叫建立成功，SDCCH被清空。連接完成后,向MSC返回分配完成信息。15⑩①②③④⑤⑥⑦⑧⑨RACHAGCHSDCCH165.1.5GSM幀結(jié)構(gòu)

GSM系統(tǒng)中每8個時隙組成一個TDMA幀，多個TDMA幀構(gòu)成復(fù)幀。

GSM中復(fù)幀有兩種：

第一種是26幀的業(yè)務(wù)復(fù)幀，每個業(yè)務(wù)復(fù)幀包含26個TDMA幀。

第二種是51幀的控制復(fù)幀，每個控制復(fù)幀包含51個TDMA幀。

多個復(fù)幀構(gòu)成超幀，超幀由51個26幀的業(yè)務(wù)復(fù)幀或者由26個51幀的控制復(fù)幀組成，因此一個超幀包含51×26=1326個TDMA幀，共占6.12s的時間長度。

2048個超幀構(gòu)成超高幀。17幀結(jié)構(gòu)中涉及以下概念：時隙TDMA幀復(fù)幀超幀超高幀188時隙→TDMA幀26TDMA幀→1復(fù)幀51復(fù)幀→1超幀2048超幀→1超高幀業(yè)務(wù)信道幀結(jié)構(gòu)8時隙→TDMA幀51TDMA幀→1復(fù)幀26復(fù)幀→1超幀2048超幀→1超高幀控制信道幀結(jié)構(gòu)19圖5-17GSM系統(tǒng)的時幀結(jié)構(gòu)關(guān)系20GSM規(guī)定了五種數(shù)據(jù)突發(fā)序列格式。常規(guī)突發(fā)脈沖序列（NB）雙向信道上完成常規(guī)信息的傳送頻率校正突發(fā)脈沖序列（FB）下行信道上完成手機頻率校正功能同步突發(fā)脈沖序列（SB）下行信道上完成手機幀同步功能接入突發(fā)脈沖序列（AB）上行信道上完成手機接入網(wǎng)絡(luò)申請功能空閑突發(fā)脈沖序列填充前向鏈路上未使用的時隙215.1.6語音編碼和信道編碼

圖5-19給出了語音在GSM移動臺中處理后送至發(fā)送端的過程。1.語音編碼

GSM采用規(guī)則脈沖激勵-長期預(yù)測編碼(RPE-LTP)的編碼方式，其處理過程是先對語音信號進行抽樣(8kHz)，按每20ms為一幀進行處理，輸出RPE-LTP的純比特率為13kb/s。

2.信道編碼

信道編碼時，為了提高編碼效率，按數(shù)據(jù)的重要性分別使用塊編碼器和卷積編碼器進行不同程度的冗余處理。

223.交織

GSM系統(tǒng)采用交織技術(shù)來減小突發(fā)錯誤的影響。

交織技術(shù)的實質(zhì)是時間分集，就是將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼元重新排序，排序的結(jié)果使得突發(fā)差錯時產(chǎn)生的成串錯誤的比特位來自交織前信道編碼不同的位置。在接收端去交織后，數(shù)據(jù)編碼恢復(fù)了原來的順序，從而連續(xù)的突發(fā)差錯就變成了離散的隨機差錯，而隨機差錯可以用卷積編碼等信道編碼技術(shù)進行糾正。

GSM系統(tǒng)中采用了比特交織和塊交織兩種方法。23在信道編碼后，輸出為456個編碼比特按行的順序?qū)懭胍粋€矩陣，然后按列讀處。一個子塊57bit。1917∶∶∶449210∶∶∶∶450311∶∶∶∶451412∶∶∶∶452513∶∶∶∶453614∶∶∶∶454715∶∶∶∶455816∶∶∶∶45657bit比特交織塊交織是在不同的語音幀之間進行的。245.1.7GSM安全性管理

包括用戶鑒權(quán)、加密、移動設(shè)備識別等。

鑒權(quán)：是確認(rèn)移動用戶是否有權(quán)入網(wǎng)，即鑒別移動臺傳送的IMSI是否是在入網(wǎng)時登記或簽約的。該過程是在MSC和用戶SIM卡之間進行的。

加密：是為了防止移動用戶信息被人非法竊聽。

移動設(shè)備識別：防止用戶手機被盜用，這是通過IMEI檢查來實現(xiàn)的。

講述GSM系統(tǒng)采取的安全措施之前，有必要說明一下表明用戶身份的SIM卡的內(nèi)容和鑒權(quán)中心(AUC)的內(nèi)容。25SIM卡中包含：IMSI、用戶鑒權(quán)密鑰Ki、安全算法、TMSI、位置區(qū)識別碼LAI、被禁止的PLMN業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)。

AUC中包含：隨機數(shù)發(fā)生器、用戶鑒權(quán)密鑰Ki、IMSI和安全算法（鑒權(quán)算法和加密算法）。

網(wǎng)絡(luò)對用戶的鑒權(quán)與用戶信息加密是基于三個參數(shù)進行的，即隨機數(shù)RAND、響應(yīng)數(shù)SRES和加密密鑰Kc。

用戶鑒權(quán)密鑰Ki：每個用戶在購買MS(或只是SIM卡)并進行初始注冊時，都會獲得一個用戶電話號碼和國際移動用戶識別碼IMSI。IMSI會被寫卡機一次寫入到用戶的SIM卡中，同時還會產(chǎn)生一個和該IMSI唯一對應(yīng)的用戶鑒權(quán)密鑰Ki。26隨機數(shù)RAND：由AUC中的偽隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生。

響應(yīng)數(shù)(SRES)：RAND和Ki經(jīng)AUC中的A3算法產(chǎn)生。

加密密鑰(Ke)：RAND和Ki經(jīng)AUC中的A8算法產(chǎn)生。

1.鑒權(quán)過程

鑒權(quán)的過程簡述如下：

1、移動交換中心MSC向移動臺發(fā)出鑒權(quán)命令信息，其中包含鑒權(quán)算法所需的隨機數(shù)(RAND)。

2、移動臺的SIM卡在收到命令之后,先將RAND與自身存儲的密鑰Ki按照A3算法計算，得出一個響應(yīng)數(shù)(SRES),MS再通過鑒權(quán)響應(yīng)信息，將SRES值送給MSC。

273、MSC在給移動臺發(fā)出鑒權(quán)命令的同時,也采用同樣的算法得到自己的一個響應(yīng)數(shù)(SRES)。

圖5-25鑒權(quán)過程4、若這兩個SRES完全相同,則認(rèn)為該用戶是合法用戶,鑒權(quán)成功;否則,認(rèn)為是非法用戶,拒絕用戶的業(yè)務(wù)請求。282.GSM系統(tǒng)的加密過程

1、在鑒權(quán)通過后,移動臺利用隨機數(shù)(RAND)和A8算法計算出加密密鑰Kc。

2、當(dāng)MSC發(fā)送出加密命令(M)時,BTS先收到該命令,再傳送給MS。

3、MS將Kc和數(shù)據(jù)信息一起經(jīng)A5算法進行加密,經(jīng)加密的用戶信息傳送至網(wǎng)絡(luò)方。

4、同時，網(wǎng)絡(luò)方也采用A8算法得到自己的加密密鑰Kc。對接收到的已加密數(shù)據(jù)，用加密密鑰Kc和算法A5進行解密，若得到正確的用戶數(shù)據(jù)，則加密成功，否則，加密失敗。29圖5-26加密過程30

3.移動設(shè)備識別

移動設(shè)備識別過程如下：

(1)MSC要求MS發(fā)送IMEI。

(2)MS發(fā)送IMEI。

(3)MSC轉(zhuǎn)發(fā)IMEI給EIR。

(4)在EIR的三種清單中核查IMEI，返回信息至MSC。

這三個清單分別是:

白名單:已經(jīng)分配給參加運營者的所有序列號碼的識別。

黑名單:所有被禁止使用設(shè)備的識別。

灰名單:有故障及未經(jīng)型號認(rèn)證的設(shè)備，由運營者決定。

白名單允許入網(wǎng)31

4.TMSI的使用

當(dāng)MS發(fā)生位置更新，發(fā)起呼叫時，MSC將分配給IMSI一個新的TMSI，并由MS存儲于SIM卡上，此后，MSC與MS間的信令聯(lián)系只使用TMSI。使用TMSI主要是為了對用戶IMSI保密和避免被別人對用戶定位。

MSC根據(jù)IMSI變換出相應(yīng)的TMSI,分配給用戶使用,并且不斷地進行更換,更換周期由網(wǎng)絡(luò)運營者設(shè)置。更換的頻率越高,起到的保護作用越大,但由于對用戶的SIM卡壽命有影響,因而更換不能過于頻繁。

325.PIN碼

PIN碼：是SIM卡的個人識別密碼，是為防止別人盜用SIM卡而設(shè)置的。如果啟用了開機PIN碼，那么每次開機后就要輸入4位數(shù)PIN碼。在輸入三次PIN碼錯誤時，手機便會自動鎖卡，并提示輸入PUK碼解鎖。

PUK碼由8位數(shù)字組成，這是用戶無法更改的，只有補換SIM卡后PUK碼才會變更。當(dāng)手機PIN碼被鎖，并提示輸入PUK碼時，千萬不要輕舉妄動，因為PUK碼只有10次輸入機會，10次都輸錯的話，SIM卡將會被永久鎖死，也就是報廢。部分SIM卡的PUK碼是用戶在購卡時隨卡附帶的，如中國移動的神州行等，而另一部分則需要向網(wǎng)絡(luò)運營商索取。335.1.8GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)

1.GPRS概述

GPRS是GeneralPacketRadioService的縮寫，稱為通用分組無線業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM相同的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻帶、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則和幀結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有基站子系統(tǒng)(BSS)可提供全面的GPRS覆蓋。

GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的少量數(shù)據(jù)傳送，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，僅當(dāng)有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備要發(fā)送時才使用空閑的時隙，容量按需分配。34GPRS的技術(shù)優(yōu)勢如下：

(1)資源利用率高。GPRS使用了分組交換的傳輸模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，即多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。

(2)傳輸速率高。GPRS可提供高達115kb/s的傳輸速率。這意味著通過便攜式電腦，GPRS用戶能和ISDN用戶一樣快速地上網(wǎng)瀏覽，同時也使一些對傳輸速率敏感的移動多媒體應(yīng)用成為可能。

35(3)接入時間短。分組交換接入時間少于1秒，能提供快速即時的連接，可大幅度提高一些業(yè)務(wù)(如信用卡核對、遠程監(jiān)控等)的效率，并且可使已有的Internet應(yīng)用(如網(wǎng)頁瀏覽、E-mail等)操作更加便捷、流暢。

(4)支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議。GPRS支持應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議。另外，由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其他分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無線接入。36

2.GPRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GPRS支持節(jié)點(GSN，GPRSSupportingNode)是GPRS網(wǎng)絡(luò)中最重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

GSN具有移動路由管理功能，可以和各種類型的數(shù)據(jù)