移動通信技術(shù)課件

CDMA地址碼和擴(kuò)頻碼*

設(shè)計原則在CDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)中,擴(kuò)頻碼和地址碼的選擇至關(guān)重要。它關(guān)系到系統(tǒng)的抗多徑干擾、抗多址干擾的能力,關(guān)系到信息數(shù)據(jù)的保密和隱蔽,關(guān)系到捕獲和同步系統(tǒng)的實現(xiàn)。經(jīng)研究表明,理想的地址碼和擴(kuò)頻碼應(yīng)具有如下特性:

(1)有足夠多的地址碼碼組;

(2)有尖銳的自相關(guān)特性;

(3)有處處為零的互相關(guān)特性;

(4)不同碼元數(shù)平衡相等;

(5)盡可能大的復(fù)雜度。*

基本的PN碼序列互相關(guān)性都不夠好,因此,實際的CDMA系統(tǒng)中常選用自相關(guān)性好的PN碼作為擴(kuò)頻碼,而另外選擇互相關(guān)性好的編碼作為地址碼,最常用的就是Walsh碼。*

基本PN碼

1)m序列

m序列是目前CDMA系統(tǒng)中采用的最基本的PN序列。它是最長線性反饋移位寄存器序列的簡稱。顧名思義,m序列發(fā)生器是由移位寄存器、線性反饋抽頭和模2加法器組成的。而且,m序列是其相應(yīng)組成器件所能生成的最長的碼序列。若移位寄存器為n級,則其周期P=2n-1。*3級m序列發(fā)生器*

模2加運算規(guī)則*3級m序列發(fā)生器各輸出端的輸出序列*

這一例子說明,m序列的最大長度取決于移位寄存器的級數(shù),而碼的結(jié)構(gòu)取決于反饋抽頭的位置和數(shù)量。不同的抽頭組合可以產(chǎn)生不同長度和不同結(jié)構(gòu)的碼序列。有的抽頭組合并不能產(chǎn)生最長周期的序列。對于何種抽頭能產(chǎn)生m序列,前人已經(jīng)做了大量的研究工作,100級以內(nèi)的m序列發(fā)生器的連接圖和所產(chǎn)生的m序列結(jié)構(gòu)一般都能直接查到。下面給出m序列的一些基本性質(zhì):

(1)m序列的周期P取決于移位寄存器的級數(shù)n,P=2n-1;

(2)在m序列的一個周期內(nèi)“1”與“0”的數(shù)目大致相同,“1”比“0”多1個。例如,在上述7位碼中有4個“1”和3個“0”。*

(3)在一個序列中連續(xù)出現(xiàn)的相同碼稱為一個游程,連碼的個數(shù)稱為游程的長度。一個m序列中共有2n-1個游程:長度為R(1≤R≤n-2)的游程數(shù)占游程總數(shù)的1/2R;長度為n-1的游程只有1個,且是連0碼;長度為n的游程也只有1個,且是連1碼。表3-2中列出了周期為15的m序列的游程分布情況。*m序列111101011001000的游程分布情況*

(4)m序列和其移位后的序列逐位模2相加,所得的序列仍然是m序列,只是相移不同而已。例如m序列1110100與其向右移三位后的序列1001110逐位模2加后的序列為0111010,相當(dāng)于原序列向右移一位后的序列,仍是m序列。

(5)m序列發(fā)生器中移位寄存器的各種狀態(tài)除全0狀態(tài)外,其他狀態(tài)只在m序列中出現(xiàn)一次。如7位的m序列1110100中，順序出現(xiàn)的狀態(tài)為111,110,101,010,100,然后尾首接續(xù)為001和011,最后又回到初始狀態(tài)111。*m序列的優(yōu)點是容易產(chǎn)生、規(guī)律性強、自相關(guān)特性好,因而在直擴(kuò)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是它可提供的跳頻圖案少、互相關(guān)性不理想,又加之是線性反饋邏輯,容易被敵人破譯,即保密性、抗截獲性差,因此,在跳頻系統(tǒng)中并不采用。*

Walsh碼

如前所述,盡管偽隨機序列具有良好的自相關(guān)特性,但其互相關(guān)特性不是很理想(互相關(guān)值不是處處為零),如果把偽隨機序列同時用作擴(kuò)頻碼和地址碼,系統(tǒng)性能將受到一定影響。所以,通常將偽隨機序列用作擴(kuò)頻碼,而就地址碼而言,目前則采用Walsh(沃爾什)編碼。2N階Walsh碼可用遞推公式產(chǎn)生:

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Walsh碼是一種同步正交碼,即在同步傳輸情況下,利用Walsh碼作為地址碼具有良好的自相關(guān)特性和處處為零的互相關(guān)特性。此外,Walsh碼生成容易,應(yīng)用方便。但是,Walsh碼的各碼組由于所占頻譜帶寬不同等原因,因而不能作為擴(kuò)頻碼。*

Gold碼

m序列雖然性能優(yōu)良,但同樣長度的m序列個數(shù)不多,且序列之間的互相關(guān)性不夠好。R·Gold提出了一種基于m序列的PN碼序列,稱為Gold碼序列。在介紹Gold碼序列發(fā)生器之前,先給出優(yōu)選對的概念。如果有兩個m序列,它們的互相關(guān)函數(shù)的絕對值有界,且滿足以下條件:n為奇數(shù)n為偶數(shù)(不是4的倍數(shù))*

則我們稱這一對m序列為優(yōu)選對。如果把兩個m序列發(fā)生器產(chǎn)生的優(yōu)選對序列作模2加運算,生成的新的碼序列即為Gold序列。圖(a)中所示為Gold碼發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)圖。圖(b)中為兩個5級m序列優(yōu)選對構(gòu)成的Gold碼發(fā)生器。這兩個m序列雖然碼長相同,但模2加后生成的并不是m序列,也不具備m序列的性質(zhì)。*Gold碼發(fā)生器(a)Gold碼發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)圖；(b)5級m序列優(yōu)選對構(gòu)成的Gold碼發(fā)生器*

Gold碼序列的性質(zhì)主要有以下三點:

(1)Gold碼序列具有三值自相關(guān)特性,其旁瓣的極大值滿足上式所表示的優(yōu)選對的條件。

(2)兩個m序列優(yōu)選對不同移位相加產(chǎn)生的新序列都是Gold序列。因為總共有2n-1個不同的相對位移,加上原來的兩個m序列本身,所以,兩個n級移位寄存器可以產(chǎn)生2n＋1個Gold序列。因此,Gold序列的序列數(shù)比m序列數(shù)多得多。

(3)同類Gold序列互相關(guān)特性滿足優(yōu)選對條件,其旁瓣的最大值不超過上式的計算值。在表中列出了m序列和Gold序列互相關(guān)函數(shù)旁瓣的最大值。從表中可以明顯看出,Gold序列的互相關(guān)峰值和主瓣與旁瓣之比都比m序列小得多。這一特性在實現(xiàn)碼分多址時非常有用。*表m序列和Gold序列互相關(guān)性比較*

實際應(yīng)用1.短PN碼

周期為215,速率為1.2288Mchip/s,是用于QPSK的同相和正交支路的直接序列擴(kuò)頻碼。15級移位寄存器的m序列周期為215-1,當(dāng)插入一個全“0”狀態(tài)后,形成的序列周期為215=32768chips,在CDMA中,該序列稱為引導(dǎo)PN序列,其作用是給不同基站發(fā)出的信號賦予不同的特征。不同的基站使用相同的引導(dǎo)PN序列,但各自卻采用不同的時間(相位)偏置。不同的時間偏置用不同的偏置系數(shù)表示,偏置系數(shù)共512個(0～511)。一個引導(dǎo)PN序列偏離0偏移引導(dǎo)PN序列的偏移量為相應(yīng)的偏置系數(shù)乘以64碼片。*

2.Walsh碼

CDMA系統(tǒng)采用64階正交Walsh函數(shù)。對于正向鏈路,64種Walsh函數(shù)(W0～W63)被用來構(gòu)成64條碼分信道;對于反向鏈路,Walsh函數(shù)被用來調(diào)制信息符號,即每6位輸入的碼字符號調(diào)制后變成輸出一個64碼片的Walsh序列。*

3.長PN碼周期為242-1,速率為1.2288Mchip/s,CDMA系統(tǒng)利用該碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻和擾碼,為通信提供保密。長碼的各個PN子碼是用一個42位的掩碼和序列發(fā)生器的42位狀態(tài)矢量進(jìn)行模2加產(chǎn)生的。如圖3-27所示。只要改變掩碼,產(chǎn)生的PN子碼的相位將隨之改變。IS-95中,每個用戶特定的掩碼對應(yīng)一個特定的PN碼相位,每一個長碼和相位偏移量就是一個確認(rèn)的地址。掩碼的碼型隨信道類型的不同而異。

CDMA業(yè)務(wù)和特點*CDMA技術(shù)的優(yōu)點

通話質(zhì)量高2.掉話率低3.接通率高4.保密性好5.發(fā)射功耗小6.支持業(yè)務(wù)多7.頻率規(guī)劃簡單8.頻譜利用率高9.系統(tǒng)容量大10.建設(shè)成本低

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CDMA技術(shù)實施中出現(xiàn)的問題

(1)CDMA雖具有柔性容量,但同時工作的用戶越多,所形成的干擾噪聲就越大,當(dāng)用戶數(shù)超過網(wǎng)絡(luò)設(shè)計容量時,系統(tǒng)的信噪比會惡化,從而導(dǎo)致通信質(zhì)量的下降。

(2)CDMA技術(shù)采用RAKE接收機,有利于克服碼間干擾,但當(dāng)擴(kuò)頻處理增益不夠大時,克服的程度會受到限制,即仍會殘存碼間干擾。

(3)CDMA為克服遠(yuǎn)近效應(yīng)而采用功率控制技術(shù),從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。*

(4)CDMA的不同用戶是以PN(偽隨機碼)碼來區(qū)分的,要求各PN碼之間的互相關(guān)聯(lián)系數(shù)盡可能小,但很難找到數(shù)目較多的這種PN碼。另外用戶越多,PN碼的長度就會越長,則在接收端的同步時間也長,難以滿足高速移動中通信快速同步的要求。

(5)CDMA系統(tǒng)各地址碼間的互相關(guān)性越大,則多址干擾就越大,而在TDMA和FDMA中不存在多址干擾問題。

(6)CDMA蜂窩網(wǎng)的各蜂窩可能使用同一頻帶同一碼組,那么相鄰蜂窩的同一碼組之間會產(chǎn)生干擾。

(7)CDMA體制是一種噪聲受限系統(tǒng),同時通信的用戶數(shù)越多,通信質(zhì)量惡化的程度就越嚴(yán)重,以上各種因素的影響,最終導(dǎo)致CDMA系統(tǒng)的用戶容量遠(yuǎn)低于理論計算值。*

CDMA提供的業(yè)務(wù)

用戶終端業(yè)務(wù)電話業(yè)務(wù)2)緊急呼叫業(yè)務(wù)3)短信息業(yè)務(wù)4)語音郵箱業(yè)務(wù)

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2.承載業(yè)務(wù)承載業(yè)務(wù)提供了在兩個網(wǎng)絡(luò)終端接口間的信息傳遞能力。移動終端(MT)控制無線信道使信息流成為終端設(shè)備(TE)能接收的信息。移動終端(MT)作為PLMN的一部分通過無線接口與PLMN內(nèi)的其他實體互通。CDMA能陸續(xù)向用戶提供1200~14400bit/s異步數(shù)據(jù)、1200~14400bit/s分組數(shù)據(jù)及交替語音與1200~14400bit/s數(shù)據(jù)等承載業(yè)務(wù)。*

3.補充業(yè)務(wù)

CDMA規(guī)范定義了支持各承載業(yè)務(wù)和用戶終端業(yè)務(wù)的補充業(yè)務(wù)。補充業(yè)務(wù)向用戶提供包括補充業(yè)務(wù)授權(quán)、補充業(yè)務(wù)操作和補充業(yè)務(wù)應(yīng)用等功能。補充業(yè)務(wù)授權(quán)包括業(yè)務(wù)授權(quán)和業(yè)務(wù)去授權(quán);補充業(yè)務(wù)操作支持CDMA系統(tǒng)中所定義的七種業(yè)務(wù)操作即授權(quán)、去授權(quán)、登記、刪除、激活、去活及請求、臨時激活及臨時去激活操作。在上述操作中授權(quán)和去授權(quán)一般由網(wǎng)絡(luò)運營商進(jìn)行,其余操作可由用戶在移動臺上操作。補充業(yè)務(wù)應(yīng)用有網(wǎng)絡(luò)自動調(diào)用和用戶主動發(fā)起兩種方式,它改變并加強了用戶終端業(yè)務(wù)和承載業(yè)務(wù)的服務(wù)。

GSM的安全性管理*三參數(shù)組和鑒權(quán)、加密算法

用戶三參數(shù)組的產(chǎn)生過程如下:每個用戶在購買MS(或只是SIM卡)并進(jìn)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)。這兩個號碼往往具有可選性,但一旦選定,便不能修改,因為IMSI會被SIM卡寫卡機一次寫入到用戶的SIM卡中。在IMSI寫入的同時,寫卡機中還會產(chǎn)生一個對應(yīng)此IMSI的惟一的用戶鑒權(quán)鍵(128比特Ki)。IMSI和相應(yīng)的Ki在用戶SIM卡和鑒權(quán)中心(AUC)中都會分別存儲,而且它們還分別存儲著鑒權(quán)算法(A3)和加密算法(A5和A8)。AUC中還有一個偽隨機碼發(fā)生器,用于產(chǎn)生一個不可預(yù)測的偽隨機數(shù)(RAND)。RAND和Ki經(jīng)AUC中的A8算法產(chǎn)生一個密鑰(Kc),經(jīng)A3算法產(chǎn)生一個響應(yīng)數(shù)(SRES)。密鑰(Kc)、響應(yīng)數(shù)(SRES)和相應(yīng)的偽隨機數(shù)(RAND)一起構(gòu)成了用戶的一個三參數(shù)組。*三參數(shù)組的提供*

一般情況下,AUC一次能產(chǎn)生這樣的5個三參數(shù)組。AUC會把這些三參數(shù)組傳送給用戶的HLR,HLR自動存儲,以備后用。對一個用戶,HLR最多可存儲10組三參數(shù)。當(dāng)MSC／VLR向HLR請求傳送三參數(shù)組時,HLR會一次性地向MSC／VLR傳送5組三參數(shù)組。MSC／VLR一組一組地用,當(dāng)用到只剩2組時,就向HLR請求再次傳送。這樣做的一大好處是鑒權(quán)算法程序的執(zhí)行時間不占用移動用戶實時業(yè)務(wù)的處理時間,有利于提高呼叫接續(xù)速度。

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鑒權(quán)

1)鑒權(quán)的作用為檢測和防止移動通信中的盜用等非法使用移動通信資源和業(yè)務(wù)的現(xiàn)象,保證網(wǎng)絡(luò)安全和保障電信運營者及用戶的正當(dāng)權(quán)益,移動用戶鑒權(quán)是一種行之有效的方法,它的引入和使用也是GSM系統(tǒng)優(yōu)越于模擬移動通信的一個重要方面。*

2)鑒權(quán)場合鑒權(quán)是一個需要全網(wǎng)配合、共同支持的處理過程,幾乎涉及移動通信網(wǎng)絡(luò)中所有實體,包括移動交換中心(MSC)、訪問者位置寄存器(VLR)、歸屬位置寄存器(HLR)、鑒權(quán)中心(AUC)以至基站子系統(tǒng)(BSS)和移動臺。在哪些場合需要進(jìn)行鑒權(quán),不僅關(guān)系到技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜性和技術(shù)應(yīng)用的覆蓋范圍,并進(jìn)而影響到鑒權(quán)的作用效果,同時也關(guān)系到整個移動通信網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)荷和業(yè)務(wù)處理能力等諸多方面。*

GSM系統(tǒng)常用的鑒權(quán)場合包括:

(1)移動用戶發(fā)起呼叫(不含緊急呼叫);

(2)移動用戶接受呼叫;

(3)移動臺位置登記;

(4)移動用戶進(jìn)行補充業(yè)務(wù)操作;

(5)切換(包括在MSCA內(nèi)從一個BS切換到另一個BS、從MSCA切換到MSCB以及在MSCB中又發(fā)生了內(nèi)部BS之間的切換等情形)。*

3)鑒權(quán)方式和規(guī)程如前所述,GSM的鑒權(quán)算法是A3算法。A3算法有兩個輸入?yún)?shù):用戶IMSI對應(yīng)的固定密鑰Ki和AUC本地產(chǎn)生的隨機數(shù)(RAND),其運算結(jié)果是一個32bit長的用戶鑒權(quán)響應(yīng)值(SRES)。

鑒權(quán)的過程簡述如下：首先是網(wǎng)絡(luò)方的MSC/VLR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)。移動臺的SIM卡在收到命令之后,先將RAND與自身存儲的Ki,經(jīng)A3算法得出一個響應(yīng)數(shù)(SRES),再通過鑒權(quán)響應(yīng)信息,將SRES值傳回網(wǎng)絡(luò)方。網(wǎng)絡(luò)方在給移動臺發(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)。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)要求。網(wǎng)絡(luò)方A3算法的運行實體可以是移動臺訪問地的MSC/VLR,也可以是移動臺歸屬地的HLR/AUC。**鑒權(quán)過程示意圖*

加密

GSM系統(tǒng)中的加密是指為了在BTS和MS之間交換用戶信息和用戶參數(shù)時不被非法用戶截獲或監(jiān)聽而采取的措施。因此,所有的語音和數(shù)據(jù)均需加密,并且所有有關(guān)用戶參數(shù)也需要加密。顯然,這里的加密只是針對無線信道進(jìn)行加密。

GSM系統(tǒng)加密過程簡述如下:

在鑒權(quán)過程中,移動臺在計算SRES的同時,用另一算法(A8算法)計算出密鑰Kc,并在BTS和MSC中暫存Kc。當(dāng)MSC／VLR發(fā)送出加密命令(M)時,BTS先收到該命令,再傳送給MS。MS將Kc、TDAM幀號和加密命令M一起經(jīng)A5加密算法,對用戶信息數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密(也叫擾碼),然后發(fā)送到無線信道上。BTS收到用戶加密后的信息數(shù)據(jù)流后,把該數(shù)據(jù)流、TDMA幀號和Kc再經(jīng)過A5算法進(jìn)行解密,恢復(fù)信息M,如果無誤,則告知MSC/VLR。至此,加密模式完成。**加密過程示意圖*

設(shè)備識別設(shè)備識別過程為:首先是MS向MSC／VLR請求呼叫服務(wù),MSC／VLR反過來向MS請求IMEI。MSC／VLR在收到MS的IMEI后,將其發(fā)送給EIR。EIR將收到的IMEI與其內(nèi)部的三種清單進(jìn)行比較,并把比較結(jié)果發(fā)送給MSC／VLR。MSC／VLR根據(jù)此結(jié)果,決定是否接受該移動設(shè)備的服務(wù)請求。設(shè)備識別過程示意圖如圖所示。何時需要設(shè)備識別取決于網(wǎng)絡(luò)運營者。目前我國大部分省市的GSM網(wǎng)絡(luò)均未配置此設(shè)備(EIR),所以此保護(hù)措施也未起作用。*設(shè)備識別過程示意圖*臨時移動臺識別碼(TMSI)

臨時移動臺識別碼(TMSI)是為了防止非法用戶通過監(jiān)聽無線路徑上傳輸?shù)男帕疃`得合法用戶的用戶識別碼(IMSI)或跟蹤移動用戶的位置而采取的措施。如前所述,為了提高安全性,IMSI應(yīng)盡量不在無線路徑上傳輸。為此,MSC／VLR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(jìn)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(hù)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。*

利用TMSI進(jìn)行鑒權(quán)措施的過程如下:每當(dāng)MS用IMSI向系統(tǒng)請求位置更新、呼叫嘗試或業(yè)務(wù)激活時,MSC／VLR對它進(jìn)行鑒權(quán)。允許接入網(wǎng)絡(luò)后,MSC／VLR由IMSI產(chǎn)生出一個新的TMSI,并將TMSI傳送給移動臺。移動臺將該TMSI寫入用戶SIM卡。此后,MSC／VLR和MS之間的命令交換就使用TMIS,用戶實際的識別碼IMSI不再在無線路徑上傳輸。圖所示為移動臺位置更新時產(chǎn)生新的TMSI的過程。*

移動臺位置更新時產(chǎn)生TMSI的過程*

PIN碼

PIN碼存儲在用戶SIM卡中,其目的是為了防止用戶賬單上產(chǎn)生訛誤計費,保證入局呼叫被正確傳送。PIN碼由4～8位數(shù)字構(gòu)成,其具體位數(shù)由用戶自己決定。只有用戶輸入了正確的PIN碼,才能正常使用相應(yīng)的移動臺。如果用戶輸入了錯誤的PIN碼,移動臺會給用戶發(fā)出錯誤提示,要求重新輸入。如果用戶連續(xù)3次輸入錯誤,SIM卡就會被閉鎖,即使將SIM卡拔出后再裝上或關(guān)掉手機電源后再開機也不能使其解鎖。要想解鎖,用戶必須輸入正確的“個人解鎖碼”,它是由8位數(shù)字組成的。若“個人解鎖碼”又被連續(xù)10次輸入錯誤,SIM卡將進(jìn)入進(jìn)一步閉鎖。這種閉鎖就只能靠SIM卡管理中心的SIM卡業(yè)務(wù)激活器來解鎖了。

GSM的接續(xù)和移動性管理

呼叫處理固定用戶至移動用戶的入局呼叫

這種情況屬于移動用戶被呼的情況。其基本過程為:固定網(wǎng)絡(luò)用戶A撥打GSM網(wǎng)用戶B的MSISDN號碼(如139H1H2H3ABCD),A所處的本地交換機根據(jù)此號碼(139)與GSM網(wǎng)的相應(yīng)入口交換局(GMSC)建立鏈路,并將此號碼傳送給GMSC。GMSC據(jù)此號碼(H1H2H3ABCD)分析出B的HLR,即向該HLR發(fā)送此MSISDN號碼,并向其索要B的漫游號碼(MSRN)。*固定用戶至移動用戶的入局呼叫*HLR將此MSISDN號碼轉(zhuǎn)換為移動用戶識別碼(IMSI),查詢內(nèi)部數(shù)據(jù),獲知用戶B目前所處的MSC業(yè)務(wù)區(qū),并向該區(qū)的VLR發(fā)送此IMSI號碼,請求分配一個MSRN。VLR分配并發(fā)送一個MSRN給HLR,再由HLR傳送給GMSC。GMSC有了MSRN,就可以把入局呼叫接到B用戶所在的MSC處。GMSC與MSC的連接可以是直達(dá)鏈路,也可以是由匯接局轉(zhuǎn)接的間接鏈路。固定用戶至移動用戶的入局呼叫

MSC根據(jù)從VLR處查到的該用戶的位置區(qū)識別碼(LAI),將向該位置區(qū)內(nèi)的所有BTS發(fā)送尋呼信息(稱為一起呼叫),而這些BTS再通過無線尋呼信道(PCH)向該位置區(qū)內(nèi)的所有MS發(fā)送尋呼信息(也是一起呼叫)。B用戶的MS收到此信息并識別出其IMSI碼后(認(rèn)為是在呼叫自己),即發(fā)送應(yīng)答響應(yīng)。至此,就完成了固定用戶呼叫MS的進(jìn)程。*固定用戶至移動用戶的入局呼叫

*固定用戶至移動用戶的入局呼叫框圖固定用戶至移動用戶的入局呼叫

*固定用戶至移動用戶的入局呼叫流程圖移動用戶至固定用戶的出局呼叫

*這種情況屬于移動用戶被呼的情況。其基本過程為:GSM網(wǎng)用戶A撥打固定網(wǎng)用戶B的號碼,A的MS在隨機接入信道(RACH)上向BTS發(fā)送“信道請求”信息。BTS收到此信息后通知BSC,并附上BTS對該MS到BTS傳輸時延的估算及本次接入的原因。BSC根據(jù)接入原因及當(dāng)前資料情況,選擇一條空閑的獨立專用控制信道(SDCCH),并通知BTS激活它。BTS完成指定信道的激活后,BSC在允許接入信道(AGCH)上發(fā)送“立即分配”信息(ImmediateAssignment),其中包含BSC分配給MS的SDCCH描述,初始化時間提前量、初始化最大傳輸功率以及有關(guān)參考值。每個在AGCH信道上等待分配的MS都可以通過比較參考值來判斷這個分配信息的歸屬,以避免爭搶引起混亂。

*當(dāng)A的MS正確地收到自己的分配信息后,根據(jù)信道的描述,把自己調(diào)整到該DCCH上,從而和BS之間建立起一條信令傳輸鏈路。通過BS,MS向MSC發(fā)送“業(yè)務(wù)請求”信息。MSC啟動鑒權(quán)過程,網(wǎng)絡(luò)開始對MS進(jìn)行鑒權(quán)。若鑒權(quán)通過,MS向MSC傳送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(若需要進(jìn)行數(shù)據(jù)加密,此操作之前,還需經(jīng)歷加密過程),進(jìn)入呼叫建立的起始階段。MSC要求BS給MS分配一個無線業(yè)務(wù)信道(TCH)。若BS中沒有無線資源可用,則此次呼叫將進(jìn)入排隊狀態(tài)。若BS找到一個空閑TCH,則向MS發(fā)指配命令,以建立業(yè)務(wù)信道鏈接。連接完成后,向MSC返回分配完成信息。MSC收到此信息后,向固定網(wǎng)絡(luò)發(fā)送IAM信息,將呼叫接續(xù)到固定網(wǎng)絡(luò)。在用戶B端的設(shè)備接通后,固定網(wǎng)絡(luò)通知MSC,MSC給MS發(fā)回鈴信息。此時,MS進(jìn)入呼叫成功狀態(tài)并產(chǎn)生回鈴音。在用戶B摘機后,固定網(wǎng)通過MSC發(fā)給MS連接命令。MS作出應(yīng)答并轉(zhuǎn)入通話。至此,就完成了MS主呼固定用戶的進(jìn)程。移動用戶至固定用戶的出局呼叫移動用戶至固定用戶的出局呼叫

*移動用戶至固定用戶的出局呼叫框圖*

移動用戶至固定用戶的出局呼叫流程圖

移動用戶至固定用戶的出局呼叫釋放

*

GSM系統(tǒng)使用的呼叫釋放方法與其他通信網(wǎng)使用的呼叫釋放方法基本相同,通信的雙方都可以隨時終止通信。在GSM實施第一階段的規(guī)范中,釋放過程可以簡化成兩條信息:當(dāng)釋放由移動臺發(fā)起時,用戶按“結(jié)束(END)”鍵,發(fā)送“拆除”信息,MSC收到后就發(fā)送“釋放”信息;當(dāng)釋放由網(wǎng)絡(luò)端(如PSTN)發(fā)起時,MSC收到“釋放”信息就向移動臺發(fā)出“拆線”信息。在這一階段,用戶從拆線到釋放這段時間內(nèi)不再交換信令數(shù)據(jù)釋放在GSMⅡ階段,釋放過程要用三條信息:如釋放由網(wǎng)絡(luò)端(如PSTN)發(fā)起時,MSC在ISUP上送出“釋放”信息,通知PSTN用戶通信終止,端到端的連接到此結(jié)束。但至此呼叫并未完全釋放,因為MSC到移動臺的本地鏈路仍然保持,還需執(zhí)行一些輔助任務(wù),如向移動臺發(fā)送收費指示等。當(dāng)MSC認(rèn)為沒有必要再保持與移動臺之間的鏈路時,才向移動臺送“拆除”信息,移動臺返回“釋放完成”消息,這時所有底層鏈路才釋放,移動臺回到空閑狀態(tài)。*釋放*

由MS發(fā)起的釋放釋放

*由網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起的釋放位置登記和刪除進(jìn)行位置登記的原因

在GSM這樣的小區(qū)制蜂窩移動通信網(wǎng)中,為了便于管理,劃分了若干不同等級的區(qū)域,但無論移動臺處于何處,只要是在系統(tǒng)區(qū)域內(nèi),就應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)所有的功能,包括越區(qū)切換、自動漫游等。為此,網(wǎng)絡(luò)必須時刻跟蹤并掌握移動臺所處的位置,及時更新移動臺的相關(guān)信息。這就是要進(jìn)行位置登記和刪除的原因。移動臺位置登記和刪除是網(wǎng)絡(luò)移動管理功能的一個重要方面,其進(jìn)程涉及到MS、BS、MSC和位置寄存器HLR、VLR,以及相應(yīng)的接口。*位置登記概念*位置登記是指為了保證網(wǎng)絡(luò)能夠跟蹤移動臺的運動,掌握移動臺所處的位置,以便在需要時能夠迅速連接上移動臺、實現(xiàn)正常通信而必須將其位置信息保存起來,并及時地進(jìn)行信息更新。通常,移動臺的位置信息存儲在歸屬位置寄存器(HLR)和訪問位置寄存器(VLR)這兩個功能實體中。位置登記概念

1)首次登記當(dāng)一個移動用戶首次入網(wǎng)時,由于在其SIM卡中找不到原來的位置區(qū)識別碼(LAI),它會立即申請接入網(wǎng)絡(luò),向移動交換中心(MSC)發(fā)送“位置更新請求”信息,通知GSM系統(tǒng)這是一個該位置區(qū)內(nèi)的新用戶。MSC根據(jù)該移動臺發(fā)送的IMSI中的H1H2H3信息,向某個特定的位置寄存器發(fā)送“位置更新請求”信息,該位置寄存器就是該移動臺的歸屬位置寄存器(HLR)。HLR把發(fā)送請求的MSC的號碼(即M1M2M3)記錄下來,并向該MSC回送“位置更新接受”信息。至此,MSC認(rèn)為此移動臺已被激活,便要求訪問位置寄存器(VLR)對該移動臺作“附著”標(biāo)記,并向移動臺發(fā)送“位置更新證實”信息,移動臺會在其SIM卡中把信息中的位置區(qū)識別碼存儲起來,以備后用。*位置登記概念

*移動臺首次登記示意圖位置登記概念2)位置更新位置更新指的是移動臺向網(wǎng)絡(luò)登記其新的位置區(qū),以保證在有此移動臺的呼叫時網(wǎng)絡(luò)能夠正常接續(xù)到該移動臺處。移動臺的位置更新主要由另一種位置寄存器——訪問位置寄存器(VLR)進(jìn)行管理。移動臺每次一開機,就會收到來自于其所在位置區(qū)中的廣播控制信道(BCCH)發(fā)出的位置區(qū)識別碼(LAI),它自動將該識別碼與自身存儲器中的位置區(qū)識別碼(上次開機所處位置區(qū)的編碼)相比較,若相同,則說明該移動臺的位置未發(fā)生改變,無需位置更新;否則,認(rèn)為移動臺已由原來位置區(qū)移動到了一個新的位置區(qū)中,必須進(jìn)行位置更新。

*位置登記概念

*圖１位置更新示意圖

*位置登記概念(1)同MSC/VLR中不同位置區(qū)的位置更新。圖１中,移動臺由cell3移動到cell4中的情況,就屬于同MSC/VLR(MSC/VLRA)中不同位置區(qū)的位置更新。該位置更新的實質(zhì)是:cell4中的BTS通過BSCA把位置信息傳到MSC/VLRA中。其基本流程包括:

①移動臺從cell3移動到cell4中;②通過檢測由BTS4持續(xù)發(fā)送的廣播信息,移動臺發(fā)現(xiàn)新收到的LAI與目前存儲并使用的LAI不同;位置登記概念

③移動臺通過BTS4和BSCA向MSCA發(fā)送“我在這里”位置更新請求信息;

④MSCA分析出新的位置區(qū)也屬本業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)的位置區(qū),即通知VLRA修改移動臺位置信息;

⑤VLRA向MSCA發(fā)出反饋信息,通知位置信息已修改成功;⑥MSCA通過BTS4把有關(guān)位置更新響應(yīng)的信息傳送給移動臺,位置更新過程結(jié)束。**

位置登記概念

位置登記概念

*(2)不同MSC／VLR之間不同位置區(qū)的位置更新。圖１中,移動臺由cell3移動到cell5中的情況,就屬于不同MSC/VLR(MSC/VLRA和MSC/VLRB)之間不同位置區(qū)的位置更新。該位置更新的實質(zhì)是:cell5中的BTS通過BSCC把位置信息傳到MSC/VLRB中。其基本流程包括:

①移動臺從cell3(屬于MSCA的覆蓋區(qū))移動到cell5(屬于MSCB的覆蓋區(qū))中;

②通過檢測由BTS5持續(xù)發(fā)送的廣播信息,移動臺發(fā)現(xiàn)新收到的LAI與目前存儲并使用的LAI不同;位置登記概念

③移動臺通過BTS5和BSCB向MSCB發(fā)送“我在這里”的位置更新請求信息;

④MSCB把含有MSCB標(biāo)識和移動臺識別碼的位置更新信息傳送給HLR(鑒權(quán)或加密計算過程從此時開始);

⑤HLR返回響應(yīng)信息,其中包含全部相關(guān)的移動臺數(shù)據(jù)；

⑥在VLRB中進(jìn)行移動臺數(shù)據(jù)登記；

⑦通過BTS5把有關(guān)位置更新響應(yīng)的信息傳送給移動臺(如果重新分配TMSI,此時一起送給移動臺);

⑧通知MSC/VLRA刪除有關(guān)此移動臺的數(shù)據(jù)。*位置登記概念*位置登記概念

3)位置刪除如前所述,當(dāng)移動臺移動到一個新的位置區(qū)并且在該位置區(qū)的VLR中進(jìn)行登記后,還要由其HLR通知原位置區(qū)中的VLR刪除該移動臺的相關(guān)信息,這叫做位置刪除。

*位置登記概念

*4)IMSI分離/附著移動臺的國際移動臺識別碼(IMSI)在系統(tǒng)的某個HLR和VLR及該移動臺的SIM卡中都有存儲。移動臺可處于激活(開機)和非激活(關(guān)機)兩種狀態(tài)。當(dāng)移動臺由激活轉(zhuǎn)換為非激活狀態(tài)時,應(yīng)啟動IMSI分離進(jìn)程,在相關(guān)的HLR和VLR中設(shè)置標(biāo)志。這就使得網(wǎng)絡(luò)拒絕對該移動臺的呼叫,不再浪費無線信道發(fā)送呼叫信息。當(dāng)移動臺由非激活轉(zhuǎn)換為激活狀態(tài)時,應(yīng)啟動IMSI附著進(jìn)程,以取消相應(yīng)HLR和VLR中的標(biāo)志,恢復(fù)正常。*位置登記概念5)周期性位置登記周期性位置登記指的是為了防止某些意外情況的發(fā)生,進(jìn)一步保證網(wǎng)絡(luò)對移動臺所處位置及狀態(tài)的確知性,而強制移動臺以固定的時間間隔周期性地向網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的位置登記?？赡馨l(fā)生的意外情況如:當(dāng)移動臺向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送“IMSI分離”信息時,由于無線信道中的信號衰落或受噪聲干擾等原因,可能導(dǎo)致GSM系統(tǒng)不能正確譯碼,這就意味著系統(tǒng)仍認(rèn)為該移動臺處于附著狀態(tài)。再如,當(dāng)移動臺開著機移動到系統(tǒng)覆蓋區(qū)以外的地方,即盲區(qū)之內(nèi)時,GSM系統(tǒng)會認(rèn)為該移動臺仍處于附著狀態(tài)。位置登記概念

如果系統(tǒng)沒有采用周期性位置登記,在發(fā)生以上兩種情況之后,若該移動臺被尋呼,由于系統(tǒng)認(rèn)為它仍處于附著狀態(tài),因而會不斷地發(fā)出呼叫信息,無效占用無線資源。針對以上問題,GSM系統(tǒng)要求移動臺必需進(jìn)行周期性的登記,登記時間是通過BCCH通知所有移動臺的。若系統(tǒng)沒有接收到某移動臺的周期性登記信息,就會在移動臺所處的VLR處以“隱分離”狀態(tài)給它做標(biāo)記,再有對該移動臺的尋呼時,系統(tǒng)就不會再呼叫它。只有當(dāng)系統(tǒng)再次接收到正確的周期性登記信息后,才將移動臺狀態(tài)改為“附著”。*切換功能切換的基本概念

一個正在通信的移動臺因某種原因而被迫從當(dāng)前使用的無線信道上轉(zhuǎn)換到另一個無線信道上的過程,稱為切換(Handover或Handoff)。最常見的切換是越區(qū)切換,它指的是當(dāng)一個正在通信的移動臺由一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)時,為了保證通信上的連續(xù)性,而被系統(tǒng)要求從正在通信的小區(qū)的某一個信道上轉(zhuǎn)換到所進(jìn)入小區(qū)的另一個信道上的過程。在大、中容量的移動通信系統(tǒng)中,高頻率的越區(qū)切換已成為不可避免的事實。因而,必須采用好的切換技術(shù),以保證通信的連續(xù)性,否則,很容易產(chǎn)生“掉話”現(xiàn)象。*切換的基本概念*在GSM移動通信系統(tǒng)中,為了實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的切換,移動臺會主動參與切換過程。即在發(fā)生切換之前,MS會主動為MSC和BS提供大量的實時參考數(shù)據(jù),這就大大縮短了切換前期的準(zhǔn)備時間,能夠達(dá)到快速切換的目的。這是GSM與原有的模擬移動通信系統(tǒng)的一大區(qū)別,也是技術(shù)上的一大進(jìn)步。在通信過程中,MS不斷向MSC和BS周期性地提供大量的參考數(shù)據(jù)是系統(tǒng)判斷是否需要發(fā)起切換過程的重要依據(jù)。以這些參考數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),不同的系統(tǒng)可能會采取不同的判斷切換準(zhǔn)則,這些準(zhǔn)則包括:

(1)按接收信號載波電平的測量值進(jìn)行判斷;

(2)按MS的載干比(即載波功率與干擾噪聲的功率比,記為C/I)進(jìn)行判斷;

(3)按MS到BS的距離進(jìn)行判斷。

小區(qū)內(nèi)部的切換小區(qū)內(nèi)部切換指的是在同一小區(qū)(同一基站收發(fā)信臺BTS)內(nèi)部不同物理信道之間的切換,包括在同一載頻或不同載頻的時隙之間的切換。發(fā)生此類切換,可能有如下幾種情形:

·

當(dāng)移動臺處于小區(qū)邊緣而信號強度低于某一門限值(如-100dB)時;

·

當(dāng)正在通信的物理信道受到干擾(如陰影區(qū)的屏蔽作用),通話無法進(jìn)行下去時;

·

當(dāng)因需要維護(hù)等原因,正在通信的物理信道或載頻單元必須退出服務(wù)時。*小區(qū)之間的切換

小區(qū)之間的切換指的是在同一基站控制器(BSC)控制的不同小區(qū)之間的不同信道的切換。發(fā)生此類切換,可能有如下幾種情形:

·

當(dāng)正在通信的移動臺要由當(dāng)前所處的小區(qū)移動到相鄰的另一個小區(qū)時;

·

當(dāng)移動臺所處的小區(qū)內(nèi)部發(fā)生了大量的呼叫,需要均衡話務(wù)時。顯然,前一種情形有利于移動臺獲得更高的信號場強和更好的通信質(zhì)量;后一種情形有利于話務(wù)管理,能夠?qū)崿F(xiàn)密集區(qū)域中大多數(shù)移動臺的正常通信。*小區(qū)之間的切換

*BSC內(nèi)部的不同小區(qū)之間的切換小區(qū)之間的切換

*該類切換的過程如下:MS不斷將其所處小區(qū)周圍的小區(qū)的相關(guān)信息報告給歸屬BTS,歸屬BTS再把這些信息傳送給BSC,BSC以判斷切換準(zhǔn)則為基礎(chǔ),根據(jù)這些信息對周圍小區(qū)進(jìn)行比較排隊,然后由BSC做出決定，是否要進(jìn)行切換、在什么時候進(jìn)行切換和切換到哪個小區(qū)中(BTS上)。BSC先與該小區(qū)的BTS建立鏈路連接,在新小區(qū)內(nèi)選擇并保留出空閑的業(yè)務(wù)信道(TCH),最后,BSC命令MS切換到該小區(qū)內(nèi)保留的空閑業(yè)務(wù)信道上。BSC之間的切換(MSC內(nèi)部)

*MSC之間的切換(PLMN內(nèi)部)

MSC之間的切換指的是在同一個公用陸地移動網(wǎng)(PLMN)覆蓋的不同移動業(yè)務(wù)交換中心(MSC)之間的不同信道的切換。這是一種非常復(fù)雜的情況,切換前需要進(jìn)行大量的信息傳遞。為了區(qū)別兩個不同的MSC,我們稱切換前MS所處的MSC為服務(wù)交換中心(MSCA),切換后MS所處的MSC為目標(biāo)交換中心(MSCB)。MSC之間切換的示意圖如圖所示。此類切換可分為兩種:(1)基本切換過程。呼叫從起始建立的那個MSCA切換到另一個MSCB。

(2)后續(xù)切換過程。呼叫從起始建立的那個MSCA切換到另一個MSCB后,再從MSCB切換到第三個MSCC或切換回MSCA。*MSC之間的切換(PLMN內(nèi)部)MSC之間的切換流程要經(jīng)歷若干的步驟。簡單來說,這些步驟包括:

(1)穩(wěn)定的呼叫連接狀態(tài)。

(2)移動臺對鄰近基站發(fā)出的信號進(jìn)行無線測量。測量的內(nèi)容包括功率、距離和話音質(zhì)量,這三個指標(biāo)決定了切換的門限值。無線測量結(jié)果通過信令信道傳輸給基站子系統(tǒng)(BSS)中的基站收發(fā)信臺(BTS)。

(3)無線測量結(jié)果經(jīng)過BTS預(yù)處理后再傳輸給基站控制器(BSC),BSC根據(jù)功率、距離和話音質(zhì)量進(jìn)行計算,并與切換門限值進(jìn)行比較,決定是否要進(jìn)行切換,如果需要切換,再向MSCA發(fā)出切換請求。

*MSC之間的切換(PLMN內(nèi)部)(4)MSCA決定進(jìn)行MSCA與MSCB之間的切換。

(5)MSCA請求在MSCB區(qū)域內(nèi)建立無線信道,然后在MSCA與MSCB之間建立鏈路。

(6)MSCA向移動臺發(fā)出切換命令后,移動臺切換到已經(jīng)準(zhǔn)備好連接的新信道上。

(7)移動臺發(fā)出切換成功確認(rèn)消息,傳送給MSCA,以釋放原來占用的信息資源。

*MSC之間的切換(PLMN內(nèi)部)

*PLMN內(nèi)部不同MSC之間的切換MSC之間的切換(PLMN內(nèi)部)

*MSC間切換流程圖PLMN之間的切換

PLMN之間的切換指的是不同的公用陸地移動網(wǎng)(PLMN)之間的不同信道的切換。從技術(shù)角度考慮,這種切換雖然復(fù)雜度最高,卻是可行的;但從運營部門的管理角度考慮,當(dāng)這種切換涉及到在不同國家之間進(jìn)行時,就會不可避免地受到限制*漫游功能漫游功能

*

1.位置更新位置更新是漫游過程中一個很重要而且也很難實現(xiàn)的環(huán)節(jié)。有關(guān)位置更新,請參閱上一講的內(nèi)容。

2.呼叫轉(zhuǎn)移所謂呼叫轉(zhuǎn)移就是入口交換局(GMSC)根據(jù)主叫用戶的撥號,通過7號信令向HLR查詢漫游用戶的當(dāng)前位置信息以及獲得移動臺漫游號碼(MSRN),并利用MSRN重新選接續(xù)路由的過程。

3.呼叫建立呼叫建立指的是被訪MSC查出漫游用戶的IMSI,將其轉(zhuǎn)換成信令數(shù)據(jù),在該MSC控制的位置區(qū)中發(fā)出尋呼,查找移動臺的過程。

GSM體制的特點*

GSM體制的優(yōu)點

1.具有開放的接口和通用的接口標(biāo)準(zhǔn)在GSM體制的構(gòu)建過程中,成立了專門的工作組——WP3。該工作組的主要任務(wù)之一就是構(gòu)建開放的網(wǎng)絡(luò)接口、建立通用的接口標(biāo)準(zhǔn)。因此,GSM是一個不僅空中接口,而且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個接口都高度標(biāo)準(zhǔn)化、接口優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)。這就使它不僅能與目前的各種公用通信網(wǎng)(如PSTN、ISDN及B-ISDN)互連互通,而且能夠適應(yīng)未來數(shù)字化發(fā)展的需要,具有不斷自我發(fā)展的能力。*

2.能夠保護(hù)用戶權(quán)利和加密傳輸信息

GSM系統(tǒng)具有模擬移動電話系統(tǒng)無可比擬的保密性和安全性。GSM系統(tǒng)賦予每個用戶以各種用途的特征號碼(如IMSI、TMSI、IMEI、LAI等),這些號碼連同一些加密算法都存儲在系統(tǒng)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。另一方面,系統(tǒng)的合法用戶都會獲得一張SIM卡,卡中也存儲著該用戶的特征號碼、注冊參數(shù)等用戶的全部信息和相應(yīng)的加密算法。通過GSM系統(tǒng)特有的位置登記、鑒權(quán)等方式,能夠保證合法用戶的正常通信,禁止非法用戶侵入以及滿足個別用戶的特殊保密性要求等。

*

3.可以支持多種業(yè)務(wù)

GSM系統(tǒng)能夠支持電信業(yè)務(wù)、承載業(yè)務(wù)和補充業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)形式。其中,電信業(yè)務(wù)是GSM的主要業(yè)務(wù),包括電話、短信息、可視圖文、G3類傳真、緊急呼叫等;GSM的承接業(yè)務(wù)跟ISDN定義一樣,不需要Modem就能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),包括300~9600b/s的電路交換異步數(shù)據(jù)、1200~9600b/s的電路交換同步數(shù)據(jù)和300~9600b/s分組交換異步數(shù)據(jù)等。GSM的補充業(yè)務(wù)更是名目繁多,能夠不斷推陳出新。*

4.能夠?qū)崿F(xiàn)跨國漫游

GSM系統(tǒng)設(shè)置國際移動用戶識別碼(IMSI)正是為了實現(xiàn)國際漫游功能的。在擁有GSM系統(tǒng)的所有國家范圍內(nèi),無論用戶是在哪個國家進(jìn)行的注冊,只要攜帶著自己的SIM卡,進(jìn)入任何一個國家,即使使用的不是自己的手機,也能保證用戶號碼不變、計費賬號不變。而且,在所有這些GSM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)達(dá)成某些協(xié)議后,用戶的跨國漫游應(yīng)該是能夠自動實現(xiàn),而不需要用戶自己操心的。*

5.具有更大的系統(tǒng)容量

GSM系統(tǒng)比以往的模擬移動通信系統(tǒng)容量增大了3~5倍,其主要原因是系統(tǒng)對載噪比(載波功率與噪聲功率的比值)的要求大大降低了(為9dB),另一個原因是半速率語音編碼的實現(xiàn),使信息速率降低,從而占用帶寬減小。*

6.頻譜效率提高

由于窄帶調(diào)制、信道編碼、交織、均衡和語音編碼等技術(shù)的采用,使得頻率復(fù)用的復(fù)用程度大大提高,能更有效地利用無線頻率資源。

7.抗干擾能力強,覆蓋區(qū)內(nèi)通信質(zhì)量好

GSM系統(tǒng)具有模擬移動通信系統(tǒng)無可比擬的抗干擾能力,因而通信質(zhì)量高,話音效果好,狀態(tài)穩(wěn)定。**GSM體制的缺陷

1.系統(tǒng)容量有限

GSM系統(tǒng)的頻譜效率約是模擬系統(tǒng)的3倍,但不能從根本上解決目前用戶數(shù)量急增與頻率資源有限之間的矛盾。

2.編碼質(zhì)量不夠高

GSM系統(tǒng)的編碼速度為13kb/s(即使是實現(xiàn)了半速率6.5kb/s)，這種質(zhì)量很難達(dá)到有線電話的質(zhì)量水平。

*3.終端接入速率有限

GSM系統(tǒng)的業(yè)務(wù)綜合能力較高,能進(jìn)行數(shù)據(jù)和話音的綜合,但終端接入速率有限(最高僅為9.6kb/s)。4.切換功能較差GSM系統(tǒng)軟切換功能較差,因而容易掉話,影響服務(wù)質(zhì)量。5.漫游能力有限GSM系統(tǒng)還不能實現(xiàn)真正的國際漫游功能。*

GSM系統(tǒng)組成

GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

*GSM系統(tǒng)主體部分網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(NSS)

1)移動業(yè)務(wù)交換中心(MSC,MobileServicesSwitchingCenter)：MSC是GSM系統(tǒng)的核心,是對位于它所覆蓋區(qū)域中的移動臺進(jìn)行控制和完成話路交換的功能實體,也是移動通信系統(tǒng)與其他公用通信網(wǎng)之間的接口。它使用戶使用各種業(yè)務(wù)成為可能。*網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(NSS)

MSC的具體功能如下:

·MSC可從三種數(shù)據(jù)庫(HLR、VLR和AUC)中獲取處理用戶位置登記和呼叫請求所需的全部數(shù)據(jù)。反之,MSC也可根據(jù)其最新得到的用戶請求信息(如位置更新,越區(qū)切換等)更新數(shù)據(jù)庫的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

·MSC作為網(wǎng)絡(luò)的核心,應(yīng)能完成位置登記、越區(qū)切換和自動漫游等移動管理工作。同時具有電話號碼存儲編譯、呼叫處理、路由選擇、回波抵消、超負(fù)荷控制等功能。

·MSC還支持信道管理、數(shù)據(jù)傳輸以及包括鑒權(quán)、信息加密、移動臺設(shè)備識別等安全保密功能。

*網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(NSS)對于容量比較大的GSM系統(tǒng),一個網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)NSS可包括若干個MSC、VLR和HLR,當(dāng)固定網(wǎng)用戶呼叫GSM移動用戶時,無需知道移動用戶所處的位置,此呼叫首先被接入到入口移動業(yè)務(wù)交換中心(亦稱移動關(guān)口局,簡稱GMSC)中,入口交換機負(fù)責(zé)從HLR中獲取移動用戶位置信息,且把呼叫轉(zhuǎn)接到移動用戶所在的MSC那里。*網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(NSS)

2)來訪位置寄存器(VLR,VisitorLocationRegister)

VLR是一個數(shù)據(jù)庫,負(fù)責(zé)存儲MSC為了處理所管轄區(qū)域中MS(統(tǒng)稱來訪用戶)的來話接聽和去話呼叫所需檢索的信息,例如用戶的號碼,所處位置區(qū)域的識別,向用戶提供的服務(wù)等參數(shù)。具體來講,VLR是為其控制區(qū)域內(nèi)的移動用戶服務(wù)的,它存儲著進(jìn)入其控制區(qū)域內(nèi)的已登記的移動用戶的相關(guān)信息,從而為該用戶以后的呼叫連接創(chuàng)造了前提條件。VLR從該移動用戶所在的歸屬位置寄存器(HLR)處獲得并存儲該用戶的數(shù)據(jù)。一旦用戶離開該VLR的控制區(qū)域,則重新在他所進(jìn)入的另一個VLR登記,原VLR將取消臨時記錄的該移動用戶的數(shù)據(jù)。因此,VLR可看作是一個動態(tài)的用戶數(shù)據(jù)庫。*網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(NSS)

3)歸屬位置寄存器(HLR,HomeLocationRegister)

HLR是GSM系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫,主要存儲著管理部門用于移動用戶管理的相關(guān)數(shù)據(jù),具體包括兩類信息:一是有關(guān)用戶的參數(shù),即該用戶的相關(guān)靜態(tài)數(shù)據(jù),包括移動用戶識別號碼、訪問能力、用戶類別和補充業(yè)務(wù)等;二是有關(guān)用戶目前所處狀態(tài)的信息,即用戶的有關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù),如用戶位置更新信息或漫游用戶所在的MSC/VLR地址及分配給用戶的補充業(yè)務(wù)等。每個移動用戶都應(yīng)在其HLR處注冊登記。HLR可以與MSC/VLR一一對應(yīng),也可以一個HLR控制若干個MSC/VLR或整個區(qū)域的移動網(wǎng)。

*網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(NSS)

4)鑒權(quán)中心(AUC,AuthenticationCenter)

AＵC也是一個數(shù)據(jù)庫,保存著關(guān)于用戶的三個參數(shù)(隨機號碼RAND、響應(yīng)數(shù)SRES和密鑰Kc)。其作用是:通過鑒權(quán)能夠確定移動用戶的身份是否合法,還能夠進(jìn)一步滿足用戶的保密性通信等要求。鑒權(quán)是GSM系統(tǒng)采取的一種安全措施,用來防止無權(quán)用戶接入系統(tǒng)和保證通過無線接口的移動用戶通信的安全。任何手機在通話前都要先經(jīng)過鑒權(quán),待得到系統(tǒng)確認(rèn),承認(rèn)其為合法用戶后,方可進(jìn)入通話接續(xù)。在此過程中,AUC起到了關(guān)鍵的*網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(NSS)

*5)設(shè)備識別寄存器(EIR,EquipmentIdentityRegister)

對移動臺身份的核準(zhǔn)包括三個組成部分:入網(wǎng)許可證的核準(zhǔn)號碼、裝配工廠號和手機專用號。針對不同的核準(zhǔn)結(jié)果,移動臺的IMEI會分列于白色清單、黑色清單或灰色清單這三種表格之一。白色清單中收錄了所有的核準(zhǔn)號碼,擁有該清單中的號碼的移動臺可以正常使用網(wǎng)絡(luò);黑色清單中收錄了所有的掛失移動臺和禁止入網(wǎng)移動臺的號碼,擁有這些號碼的移動臺會被暫時禁用(閉鎖);灰色清單收錄了所有的出現(xiàn)異?；蚬δ懿蝗?但不足以禁用的移動臺的號碼,擁有這些號碼的移動臺會受到網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視,隨時可能被鑒別出其非法身份。這樣便可以確保入網(wǎng)移動設(shè)備不是被盜用的或是故障設(shè)備,確保注冊用戶的安全性。一旦手機丟失,只要向系統(tǒng)報告該手機的IMEI號碼,EIR就會將其列入黑色清單,使得盜用者空歡喜一場。基站子系統(tǒng)(BSS)

*1)基站收發(fā)信臺(BTS,BaseTransferandReceiveStation)

BTS屬于基站子系統(tǒng)的無線接口設(shè)備,完全由BSC控制,主要負(fù)責(zé)無線傳輸,完成無線與有線的轉(zhuǎn)換、無線分集、無線信道加密、無線調(diào)制、編碼等功能。具體來說,它可以接收來自移動臺的信號,也可以把BSC提供的信號發(fā)送給移動臺,從而完成BSC與無線信道之間的信號轉(zhuǎn)換。*基站子系統(tǒng)(BSS)

2)基站控制器(BSC,BaseStationControl)

BSC在BSS子系統(tǒng)內(nèi)充當(dāng)控制器和話務(wù)集中器,它主要負(fù)責(zé)管理BTS,而且當(dāng)BSC與MSC之間的信道阻塞時,由它進(jìn)行指示。BSC同時具有對各種信道的資源管理、小區(qū)配置的數(shù)據(jù)管理、操作維護(hù)、觀察測量和統(tǒng)計、功率控制、切換及定位等功能,是一個很強的功能實體。移動臺(MS)

1)移動終端(MT,MobileTerminal)

移動終端就是“機”,它是移動臺的主體,是完成語音編碼、信道編碼、信息加密、信息的調(diào)制和解調(diào)、信號的發(fā)射和接收的主要設(shè)備。它可以通過天線接收來自外界無線信道的信號,然后經(jīng)過一系列的變換和處理,還原成話音信號,供用戶接聽;相反的,它也可以將用戶的話音信號,經(jīng)過一系列相反的變換和處理,轉(zhuǎn)變成適合無線信道傳輸?shù)男盘栃问?通過天線發(fā)送出去。移動終端的組成原理框圖如圖所示。

*移動臺(MS)

*移動臺(MS)2)用戶識別卡(SIM)

用戶識別卡中存儲著有關(guān)用戶的個人信息和網(wǎng)絡(luò)管理的一些信息以及加密、解密算法等,通過這些信息可以驗證用戶身份、防止非法盜用、提供特殊服務(wù)等,因而又稱為智能卡。*GSM系統(tǒng)接口GSM系統(tǒng)接口

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GSM系統(tǒng)業(yè)務(wù)和編號GSM系統(tǒng)的業(yè)務(wù)主要承擔(dān)業(yè)務(wù)

1.電信業(yè)務(wù)

電信業(yè)務(wù)是指端到端業(yè)務(wù),它包括開放系統(tǒng)互連OSI的1~7層協(xié)議。GSM系統(tǒng)可以提供的電信業(yè)務(wù)大致可分為兩類:話音業(yè)務(wù)和非話業(yè)務(wù)。話音業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)提供的基本業(yè)務(wù),允許用戶在世界范圍內(nèi)任何地點與固定電話用戶、移動電話用戶以及專用網(wǎng)用戶進(jìn)行雙向通話聯(lián)系。非話業(yè)務(wù)又稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),是指話音業(yè)務(wù)之外的業(yè)務(wù)。它提供了固定用戶和ISDN用戶所能享用的業(yè)務(wù)中大部分的業(yè)務(wù),包括文字、圖像、傳真、計算機文件、Internet訪問等服務(wù)。*主要承擔(dān)業(yè)務(wù)*電信業(yè)務(wù)分類主要承擔(dān)業(yè)務(wù)

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2.承載業(yè)務(wù)承載業(yè)務(wù)主要是指GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸具有流量、誤碼率和傳輸模式等技術(shù)參數(shù)的數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù),它僅包括OSI的1~3層協(xié)議。與電信業(yè)務(wù)相似,GSM系統(tǒng)的承載業(yè)務(wù)不僅使移動用戶之間能夠完成數(shù)據(jù)通信,更重要的是能為移動用戶與PSTN或ISDN用戶之間提供數(shù)據(jù)通信服務(wù),還能使GSM移動通信網(wǎng)與其他公用數(shù)據(jù)網(wǎng)互通,例如公用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)和公用電路數(shù)據(jù)網(wǎng)。主要承擔(dān)業(yè)務(wù)按照數(shù)據(jù)傳輸方式不同,承載業(yè)務(wù)可分為兩大類:透明業(yè)務(wù)和不透明業(yè)務(wù)。透明業(yè)務(wù)是指數(shù)據(jù)按原始形式發(fā)送,到達(dá)接收端時有固定的時延,并在接收端盡可能忠實地再生出數(shù)據(jù)流;不透明業(yè)務(wù)采用了額外的協(xié)議——無線鏈接協(xié)議(RLP，RadioLinkProtocol),用來檢測傳輸中的差錯,當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯時,該系統(tǒng)將重發(fā)該數(shù)據(jù)。由于透明業(yè)務(wù)未采取針對差錯的任何措施,因而精確度較差,但傳輸速率快,適用于對速率要求高但對精確度要求較低的情況。不透明業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸由RLP控制,因而傳輸速率較慢,而且傳輸時延會隨著鏈路條件的不同而不同,但不透明業(yè)務(wù)的精確度較高,能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的傳輸。*主要承擔(dān)業(yè)務(wù)

按照數(shù)據(jù)傳輸模式的不同,承載業(yè)務(wù)也有同步傳輸和異步傳輸之分。異步傳輸一般以字符為單位,不論所采用的字符代碼長度為多少位,在發(fā)送每一字符代碼時,前面均加上一個“起”信號,其長度規(guī)定為1個碼元,極性為“0”,即空號的極性;字符代碼后面均加上一個“止”信號,其長度為1或2個碼元,極性皆為“1”,即與信號極性相同。加上起、止信號的作用就是為了能區(qū)分串行傳輸?shù)摹白址?也就是實現(xiàn)串行傳輸收/發(fā)雙方的碼組或字符的同步。這種傳輸方式的特點是同步實現(xiàn)簡單,收/發(fā)雙方的時鐘信號不需要嚴(yán)格同步。缺點是對每一字符都需加入“起、止”碼元,使傳輸效率降低,故適用于1200bit／s以下的低速數(shù)據(jù)傳輸。*主要承擔(dān)業(yè)務(wù)

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同步傳輸是按照同步的時鐘節(jié)拍來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號的,因此在一個串行的數(shù)據(jù)流中,各信號碼元之間的相對位置都是固定的(即同步的)。接收端為了從收到的數(shù)據(jù)流中正確地區(qū)分出一個個信號碼元,首先必須建立準(zhǔn)確的時鐘信號。數(shù)據(jù)的發(fā)送一般以組(或稱幀)為單位,一組數(shù)據(jù)包含多個字符收發(fā)之間的碼組或幀同步,是通過傳輸特定的傳輸控制字符或同步序列來完成的,傳輸效率較高。主要承擔(dān)業(yè)務(wù)

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3.補充業(yè)務(wù)補充業(yè)務(wù)又稱附加業(yè)務(wù),是對基本業(yè)務(wù)的擴(kuò)展。GSM系統(tǒng)不斷推出了許多補充業(yè)務(wù),它們大多數(shù)是用于話音通信的,有的也可以用于數(shù)據(jù)通信。GSM所能提供的補充業(yè)務(wù)與ISDN網(wǎng)業(yè)務(wù)分類也極其相似,在第一階段,GSM僅能提供呼叫前轉(zhuǎn)類和呼叫閉鎖類補充業(yè)務(wù)。

*主要承擔(dān)業(yè)務(wù)主要承擔(dān)業(yè)務(wù)

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業(yè)務(wù)接入方式一般來說,通信網(wǎng)的用戶業(yè)務(wù)是通過移動臺MS接入的,GSM系統(tǒng)也不例外。在GSM系統(tǒng)中,移動臺由兩個功能單元構(gòu)成:移動終端設(shè)備(MT,MobileTerminal)和用戶終端設(shè)備(TE,TerminalEquipment)。為了使多種業(yè)務(wù)類型的用戶(分為標(biāo)準(zhǔn)ISDN和非標(biāo)準(zhǔn)ISDN終端用戶)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方式接入到GSM系統(tǒng)中,在各類用戶數(shù)據(jù)進(jìn)入GSM無線信道之前,移動臺首先將用戶數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成與數(shù)字無線信道結(jié)構(gòu)特性相兼容的形式,然后再送入無線信道。為此,在移動臺內(nèi)部,設(shè)置了MT單元,它的作用是為不同業(yè)務(wù)類型的用戶提供一組標(biāo)準(zhǔn)的接口,并將接口上的數(shù)據(jù)流移植到無線接口Um。具體來講,MT的功能包括語音編譯碼、信息差錯控制、用戶數(shù)據(jù)流量控制、終端能力、無線傳輸終接、無線信道管理、移動管理(如越區(qū)切換控制)以及對多終端的支持等。

業(yè)務(wù)接入方式

*GSM業(yè)務(wù)接入方式GSM的編號國際移動用戶識別碼(IMSI)

*國際移動用戶識別碼,顧名思義就是指在世界上所有的GSM系統(tǒng)內(nèi)(尤其是在其無線信道上)都適用的一個國際認(rèn)可的移動用戶身份的標(biāo)志碼。每個GSM移動用戶都有一個IMSI,而且具有全球惟一性和永久不變性(更換身份證或丟失SIM卡的情況除外)。IMSI用于GSM通信網(wǎng)的所有信令中,在用戶的SIM卡、系統(tǒng)的HLR和VLR中都有存儲。就像一個人銀行存折上的密碼一樣,IMSI碼應(yīng)盡可能的保密,否則,通信很容易被竊聽，或者身份被非法用戶冒用。為了滿足各國的不同要求,IMSI的長度是可變的,最長為15位,使用數(shù)字0～9*國際移動用戶識別碼(IMSI)

(1)MCC(MobileCountryCode)是移動臺國家碼,由3位數(shù)字組成,用以識別移動用戶所屬的國家。我國的MCC為460。(2)MNC(MobileNetworkCode)是移動臺網(wǎng)絡(luò)號,由1位或2位數(shù)字組成,用以識別移動用戶所歸屬的移動網(wǎng)。中國移動的GSMPLMN(GSM公用陸地移動網(wǎng))的網(wǎng)號為00,中國聯(lián)通的GSMPLMN網(wǎng)號為01。(3)MSIN(MobileSubscriberIdentificationNumber)是移動用戶識別碼,由11位數(shù)字組成,用以識別國內(nèi)GSM移動網(wǎng)中的移動用戶。(4)MCC和MNC兩部分碼在世界上是惟一的,用來確定用戶的PLMN。當(dāng)MSC與VLR在一起時,MSIN應(yīng)為VLR地址+MSC區(qū)內(nèi)統(tǒng)一編號。另外,組成MSIN的前兩位數(shù)(H1和H2)用來表示用戶在其PLMN中的HLR地址。移動臺ISDN號碼(MSISDN)

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MSISDN也是移動用戶身份號碼,是GSMPLMN之外的用戶(如固定電話用戶或CDMA網(wǎng)用戶)要與GSM用戶通信時所使用的號碼。只有用戶所在的HLR中存儲著該號碼。

MSISDN號碼的結(jié)構(gòu)為:移動臺ISDN號碼(MSISDN)

(1)CC(CountryCode)是國家碼,表示用戶移動臺注冊的那個國家。我國為86。

(2)NDC(NationalDestinationCode)是國內(nèi)目的地址碼,即網(wǎng)絡(luò)的接入號。中國移動GSM網(wǎng)為139、138等;中國聯(lián)通GSM網(wǎng)為130、131等。

(3)SN(SubscriberNumber)是用戶號碼,由7位數(shù)字組成。中國電信SN號碼的結(jié)構(gòu)是H1H2H3ABCD,其中,H1H2H3為每個移動業(yè)務(wù)本地網(wǎng)的HLR號碼,ABCD為移動用戶碼;中國聯(lián)通SN號碼的結(jié)構(gòu)是H1H2ABCDE,其中,H1H2是移動業(yè)務(wù)本地網(wǎng)的HLR號碼,ABCDE是移動用戶碼。當(dāng)用戶數(shù)量過多,號碼不夠用時,可對SN加以擴(kuò)充。如中國移動GSM網(wǎng)的137,就是后來擴(kuò)充的。*移動臺漫游號(MSRN)

*移動臺漫游號碼是當(dāng)移動臺由所屬的MSC／VLR業(yè)務(wù)區(qū)漫游至另一個MSC／VLR業(yè)務(wù)區(qū)中時,為了將對它的呼叫順利發(fā)送給它而由其所屬MSC／VLR分配的一個臨時號碼。具體來講,為了將呼叫接至處于漫游狀態(tài)的移動臺處,必須要給入口MSC(即GMSC,GatewayMSC)一個用于選擇路由的臨時號碼。為此,移動臺所屬的HLR會請求該移動臺所屬的MSC／VLR給該移動臺分配一個號碼,并將此號碼發(fā)送給HLR,而HLR收到后再把此號碼轉(zhuǎn)送給GMSC。這樣,GMSC就可以根據(jù)此號碼選擇路由,將呼叫接至被叫用戶目前正在訪問的MSC／VLR交換局了。一旦移動臺離開該業(yè)務(wù)區(qū),此漫游號碼即被收回,并可分配給其他來訪用戶使用。移動臺漫游號(MSRN)

MSRN只是臨時性用戶數(shù)據(jù),但在HLR和VLR中都會有所保存。根據(jù)各國不同的要求,MSRN也具有可變的長度。

MSRN與MS