第5章無線通信系統-2第一頁，共42頁。復習：無線子系統包括基站子系統(BSS)和移動臺(MS)兩部分。基站子系統BSS包括基站控制器BSC和基站收發信機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、載頻子系統、射頻前端子系統和天饋子系統四個功能子系統組成。BTS中有4類總線：數據總線(DBUS)、控制總線(CBUS)、時鐘總線(TBUS)和跳頻總線(FHBUS)。無線子系統的組網方式可分為：星型組網、鏈型組網、樹型組網和環型組網。2第二頁，共42頁。5.1.4GSM邏輯信道

GSM邏輯信道分為業務信道(TCH)和控制信道(CCH)。

業務信道：傳輸用戶的數字化語音或數據。

無論是上行還是下行鏈路，業務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系統中，一個時隙構成一個物理信道。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據。Um接口的邏輯信道3第三頁，共42頁。1.業務信道(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據。

半速率信道：傳輸信息時，兩個用戶的業務數據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。

4第四頁，共42頁。2.控制信道(CCH)

控制信道：用于傳送系統的信令和同步信號。

控制信道復幀包含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第五頁，共42頁。

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、同步及系統消息，同時也被鄰接小區的用戶監測。

BCH是在一個小區的指定ARFCN的特定幀TS0中發送，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。在控制復幀的第0幀發送，每隔10幀重復一次。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第六頁，共42頁。

(2)同步信道(SCH)：傳送供MS對基站進行同步識別校準的信息。SCH緊接在控制復幀的FCCH幀后發送，每隔10幀重復一次，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相關的網絡信息，當移動臺開機但沒有通話時，會周期性的監視BCCH中的信息（至少每30秒）。

其傳輸的信息包括：位置區識別碼、小區識別碼、本小區使用的頻率列表、鄰近小區描述、隨機接入控制信息、小區選擇參數、控制信道描述、小區選項等。

在控制復幀的第2幀到第5幀發送BCCH數據。

7第七頁，共42頁。2)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。系統內所有移動臺共用。

CCCH可分為以下三種類型：尋呼信道、隨機接入信道和接入認可信道。

(1)尋呼信道(PCH)：是一個下行信道，當基站尋呼MS時，用于通知MS有來自網絡的呼叫，并要求MS通過隨機接入信道(RACH)發出響應信息和提供鑒權信息，傳送被呼用戶的IMSI，有時可能采用TMSI。

用戶被呼叫時使用8第八頁，共42頁。

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

(3)接入認可信道(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回應尋呼或入網申請MSBSAGCH入網應答下行下行上行9第九頁，共42頁。3)專用控制信道(DCCH)

由基站分給某一特定的移動臺專用的。和業務信道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、業務信道指配信息。在BTS認可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務信道。例如登記、鑒權在此信道上進行。空閑狀態下短消息和小區廣播也在該信道上傳送。傳送內容包括：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第十頁，共42頁。(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，例如無線傳輸的測量報告（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。當沒有為移動用戶分配SDCCH，但需要處理緊急事務(如切換請求等)時才分配。通過從業務信道借取幀來實現信令傳輸的。若TCH中的兩個“借取幀比特”被置位，則表明這個時隙中包含FACCH，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.11第十一頁，共42頁。12第十二頁，共42頁。13第十三頁，共42頁。MS發起呼叫并建立通信的過程：

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

2、當用戶通過撥號發出呼叫時，MS通過隨機接入信道(RACH)向BTS發送RACH數據突發序列，請求信道。

3、基站通過接入認可信道AGCH發送信息對MS作出響應，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將轉接到該SDCCH上和BTS進行通信。邏輯信道應用實例14第十四頁，共42頁。4、MS轉接到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射機功率等。（與SDCCH聯用）

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操作。若鑒權通過,MS通過SDCCH向MSC傳送業務信道請求。

6、MSC要求BS給MS分配一個無線業務信道(TCH)。

7、若BS找到一個空閑TCH,則向MS發分配命令。同時基站就命令MS從當前SDCCH轉到指定的TCH上。

8、一旦轉接到TCH，就進入正常的通話狀態，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。15第十五頁，共42頁。⑩①②③④⑤⑥⑦⑧⑨RACHAGCHSDCCH16第十六頁，共42頁。5.1.5GSM幀結構

GSM系統中每8個時隙組成一個TDMA幀，多個TDMA幀構成復幀。

GSM中復幀有兩種：

第一種是26幀的業務復幀，每個業務復幀包含26個TDMA幀。

第二種是51幀的控制復幀，每個控制復幀包含51個TDMA幀。

多個復幀構成超幀，超幀由51個26幀的業務復幀或者由26個51幀的控制復幀組成，因此一個超幀包含51×26=1326個TDMA幀，共占6.12s的時間長度。

2048個超幀構成超高幀。17第十七頁，共42頁。幀結構中涉及以下概念：時隙TDMA幀復幀超幀超高幀18第十八頁，共42頁。8時隙→TDMA幀26TDMA幀→1復幀51復幀→1超幀2048超幀→1超高幀業務信道幀結構8時隙→TDMA幀51TDMA幀→1復幀26復幀→1超幀2048超幀→1超高幀控制信道幀結構19第十九頁，共42頁。圖5-17GSM系統的時幀結構關系20第二十頁，共42頁。GSM規定了五種數據突發序列格式。常規突發脈沖序列（NB）雙向信道上完成常規信息的傳送頻率校正突發脈沖序列（FB）下行信道上完成手機頻率校正功能同步突發脈沖序列（SB）下行信道上完成手機幀同步功能接入突發脈沖序列（AB）上行信道上完成手機接入網絡申請功能空閑突發脈沖序列填充前向鏈路上未使用的時隙21第二十一頁，共42頁。5.1.6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送端的過程。1.語音編碼

GSM采用規則脈沖激勵-長期預測編碼(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，按數據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。

22第二十二頁，共42頁。3.交織

GSM系統采用交織技術來減小突發錯誤的影響。

交織技術的實質是時間分集，就是將要傳輸的數據碼元重新排序，排序的結果使得突發差錯時產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，數據編碼恢復了原來的順序，從而連續的突發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進行糾正。

GSM系統中采用了比特交織和塊交織兩種方法。23第二十三頁，共42頁。在信道編碼后，輸出為456個編碼比特按行的順序寫入一個矩陣，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。24第二十四頁，共42頁。5.1.7GSM安全性管理

包括用戶鑒權、加密、移動設備識別等。

鑒權：是確認移動用戶是否有權入網，即鑒別移動臺傳送的IMSI是否是在入網時登記或簽約的。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。

移動設備識別：防止用戶手機被盜用，這是通過IMEI檢查來實現的。

講述GSM系統采取的安全措施之前，有必要說明一下表明用戶身份的SIM卡的內容和鑒權中心(AUC)的內容。25第二十五頁，共42頁。SIM卡中包含：IMSI、用戶鑒權密鑰Ki、安全算法、TMSI、位置區識別碼LAI、被禁止的PLMN業務等數據。

AUC中包含：隨機數發生器、用戶鑒權密鑰Ki、IMSI和安全算法（鑒權算法和加密算法）。

網絡對用戶的鑒權與用戶信息加密是基于三個參數進行的，即隨機數RAND、響應數SRES和加密密鑰Kc。

用戶鑒權密鑰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，同時還會產生一個和該IMSI唯一對應的用戶鑒權密鑰Ki。26第二十六頁，共42頁。隨機數RAND：由AUC中的偽隨機碼發生器產生。

響應數(SRES)：RAND和Ki經AUC中的A3算法產生。

加密密鑰(Ke)：RAND和Ki經AUC中的A8算法產生。

1.鑒權過程

鑒權的過程簡述如下：

1、移動交換中心MSC向移動臺發出鑒權命令信息，其中包含鑒權算法所需的隨機數(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，得出一個響應數(SRES),MS再通過鑒權響應信息，將SRES值送給MSC。

27第二十七頁，共42頁。3、MSC在給移動臺發出鑒權命令的同時,也采用同樣的算法得到自己的一個響應數(SRES)。

圖5-25鑒權過程4、若這兩個SRES完全相同,則認為該用戶是合法用戶,鑒權成功;否則,認為是非法用戶,拒絕用戶的業務請求。28第二十八頁，共42頁。2.GSM系統的加密過程

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

2、當MSC發送出加密命令(M)時,BTS先收到該命令,再傳送給MS。

3、MS將Kc和數據信息一起經A5算法進行加密,經加密的用戶信息傳送至網絡方。

4、同時，網絡方也采用A8算法得到自己的加密密鑰Kc。對接收到的已加密數據，用加密密鑰Kc和算法A5進行解密，若得到正確的用戶數據，則加密成功，否則，加密失敗。29第二十九頁，共42頁。圖5-26加密過程30第三十頁，共42頁。

3.移動設備識別

移動設備識別過程如下：

(1)MSC要求MS發送IMEI。

(2)MS發送IMEI。

(3)MSC轉發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:所有被禁止使用設備的識別。

灰名單:有故障及未經型號認證的設備，由運營者決定。

白名單允許入網31第三十一頁，共42頁。

4.TMSI的使用

當MS發生位置更新，發起呼叫時，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IMSI變換出相應的TMSI,分配給用戶使用,并且不斷地進行更換,更換周期由網絡運營者設置。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。

32第三十二頁，共42頁。5.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絡運營商索取。33第三十三頁，共42頁。5.1.8GPRS通用分組無線業務

1.GPRS概述

GPRS是GeneralPacketRadioService的縮寫，稱為通用分組無線業務，是在現有GSM系統上發展起來的一種分組形式的數據業務。GPRS采用與GSM相同的無線調制標準、頻帶、突發結構、跳頻規則和幀結構。現有基站子系統(BSS)可提供全面的GPRS覆蓋。

GPRS特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的少量數據傳送，也適用于偶爾的大數據量傳輸，僅當有數據準備要發送時才使用空閑的時隙，容量按需分配。34第三十四頁，共42頁。GPRS的技術優勢如下：

(1)資源利用率高。GPRS使用了分組交換的傳輸模式，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，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瀏覽，同時也使一些對傳輸速率敏感的移動多媒體應用成為可能。

35第三十五頁，共42頁。(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務(如信用卡核對、遠程監控等)的效率，并且可使已有的Internet應用(如網頁瀏覽、E-mail等)操作更加便捷、流暢。

(4)支持IP協議和X.25協議。GPRS支持應用最廣泛的IP協議和X.25協議。另外，由于GSM網絡覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其他分組網絡的全球性無線接入。36第三十六頁，共42頁。

2.GPRS系統結構

GPRS支持節點(GSN，GPRSSupportingNode)是GPRS網絡中最重要的網絡節點。

GSN具有移動路由管理功能，可以和各種類型的數據網絡相連接，從而實現MS和各種數據網絡之間的數據傳送及格式轉換。圖5-27GPRS系統結構37第三十七頁，共42頁。GSN有兩種類