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GSM与SIM卡 5. GSM概念 蜂窝通信 是一种使用频率复用的智能方法，以使有限的带宽可以 容纳巨大数量的用户。 其基本原理是把覆盖区域分为大量相连的小区域，每个 小区域都使用自己的、低功率的无线基站。由于同样的 频谱在分散的区域内可以被多次复用，这样，每次建立 一个新的基站（一个小区域）时，容量就会增加。 小区域被称为小区或单元（cell），一组小区组成区群（cluster ）。 一个区群中小区的数量称为区群大小或频率复用因子。 需要对这些小区域以智能的方式分配信道，以避免两种 干扰： 同频道干扰（cochannel interference） 邻道干扰（adjacent channel interference） 蜂窝拓扑结构 蜂窝拓扑结构图 使用蜂窝拓扑可以有效实现频率复用。 A B C D E G F A B C D E G F A B C D E G F 1GSM：是Global System for Mobile communication（ 全球移动通信系统）的简称。它是由欧洲的标准化委员会设 计的。 80年代到90年代初，TACS系统是欧洲最普遍的模拟蜂 窝系统。 一、 GSM系统的主要特征及组成 1988年CEPT（欧洲邮政与电信大会）颁布了GSM标准 ，也称为泛欧数字蜂窝移动通信标准。 (1) 频带在900MHz附近(GSM900)，或1800MHz附近 (DCS1800)，采用中等宽度的频带（200KHz载波间隔）； (2) 8路时分复用； (3) 全双工通信方式； (4) 调制方式：GMSK速率270.83kbit/s，调制指数0.3 ； (5) 分集接收：跳频217跳/秒，交错信道编码，自适应 均衡； (6) 每时隙信道比特率22.8kbit/s； (7) 数字话音传输速率不超过16kbit/s； 2GSM标准只对功能和接口制定了详细规定，其主要特 征如下： 数字蜂窝网络系统由三部分组成：移动台、基站系统、 交换系统，如图6.1所示。 1移动台（MS） 系统中移动台有车载台、便携台和手持台。 移动台设备本身由一个独特的国际移动设备身份号 (IMEI)来区别。当移动台被一个用户使用时，它还有一个 国际移动用户身份号(IMSI)。 图 6.1 GSM系统的组成 2基站系统（BSS） 基站系统包含两部分：基站控制器(BSC)和基站收发信 机(BTS)。通常交换系统中的一个MSC(移动交换中心)监控 一个或多个BSC，每个BSC控制多个BTS。 国际移动用户身份号可做在一个用户身份模块(SIM)中， 这样移动用户可以插入它的身份模块并使用符合系统规范的 卡(SIM卡)来驱动移动台。 基站控制器是一个高容量的交换机，负责系统与无线信 道的切换、无线网络资源管理等。 3交换系统 交换系统由移动业务交换中心(MSC)、原地位置寄存器 (HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)、设备身 份寄存器(EIR)及操作和维护中心(OMC)等组成。 基站收发机包括无线传输所需的各种硬件和软件，如发 射机、接收机、天线等。 (1)移动交换中心(MSC) 移动交换中心是蜂窝移动通信网络的核心，其主要功能 是对位于本MSC控制区域内的移动用户进行通信控制和管理 。 典型蜂窝网络GSM的组成 例如： (1) 系统中信道的管理和分配； (2) 呼叫的处理和控制； (3) 过区切换和漫游的控制； (4) 用户位置信息的登记和管理； (5) 用户号码和移动设备号码的登记和管理； (6) 服务类型的管理和控制； (7) 对用户实施鉴权； (8)为系统中连接别的移动交换中心及其它公用通 信网络，提供链路接口。 原地位置寄存器是用于管理移动用户的主要数据库。 (2)原地位置寄存器(HLR) 寄存器中存储两种类型的数据： (1) 用户信息用户信息中注册有关电信业务、传真业务和 补充业务等数据； (2) 位置信息利用位置信息系统能正确地选择路由，将呼 叫接通至移动台。 系统将用户数据都存放在原地位置寄存器中，对每一个 注册的移动用户分配两个号码，并存储在原地位置寄存器中 。分别是： 国际移动用户身份号(IMSI)：在某一个网络中每个用户 分配一个用户身份号。 移动台ISDN号(MSISDN)：在PSTN中的ISDN编号。 (3)访问位置寄存器(VLR) 访问位置寄存器是用来存储用户来访位置信息的数据库。 如果移动用户由一个访问位置寄存器服务区移动到另外 一个访问位置寄存器服务区时，原地位置寄存器在修改该用 户的位置信息后，还要通知原来的访问位置寄存器，删除该 移动用户的位置信息，以便释放访问位置寄存器。 当一个移动用户漫游到了一个新的移动交换中心区域时 ，该移动交换中心的访问位置寄存器将向原地位置寄存器查 询该用户有关的参数，并给该用户分配一个新的漫游号码 (MSRN)。原地位置寄存器也要修改该用户的位置信息，准备 为其它用户呼叫此移动用户提供路由信息。 (4)鉴权中心(AUC) 鉴权中心是与原地位置寄存器连接在一起的，它为原地 位置寄存器提供一个与用户有关的并用于安全方面的鉴别参 数和加密密钥。 操作和维护中心的任务是对整个网络进行监控和操作。 设备身份寄存器是存储移动台设备参数的数据库，移动 交换中心利用设备身份寄存器来检查用户所使用的移动设备 的有效性，防止非法使用未经许可的移动设备入网。 (5)设备身份寄存器(EIR) (6)操作和维护中心(OMC) 二、双频GSM工作频段 双频GSM使用GSM900与DCS1800两个频段。 GSM900频段包括两个25MHz带宽的子频带，即890 915MHz以及935960MHz，DCS1800频段包括两个75MHz 带宽的子频带，即17101785MHz以及18051880MHz。如 图6.2所示。 GSM900所使用的两个25MHz子频带中，890915MHz 频段用于用户到基站的上行传输（反向链路），935960 MHz频段用于基站到用户的下行传输（前向链路）。 DCS1800频段的两个子带也是一个用于上行，一个用于下行 。 图6.2 双频GSM频段分配 在数字蜂窝移动通信中，采用的多址技术有两种：频分 多址(FDMA)、时分多址(TDMA)。 三、GSM数字移动通信的主要技术 在工作频带内，它以载波间隔200KHz进行频分，这样在 收、发各为25MHz的频带内，可得到124对信道。然后在每个 信道（帧）中又进行时分，分成8个时隙，每个时隙对应的信 道称为物理信道。在每个时隙（物理信道）中传输不同的逻 辑信道。如图6.3所示。 1多址技术 13小区频率复用方式 采用全向天线，每个小区 两个频道，同一个小区内 相邻两个频道的间隔为 390KHz。 7基站/21小区频率复用模式 天线采用120或60的 定向天线，形成三叶草 小区，即把基站分成3个 扇形小区，每个小区一 个频道。 时分多址技术（TDMA） 多址技术就是要使众多的客户公用公共通信信道所采用 的一种技术。实现多址的方法基本上有三种，即采用 频率、时间或码元分割的多址方式，人们通常称它们 为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分 多址（CDMA）。在传统的无线电广播中，均采用频 分多址（FDMA ）方式，每个广播信道都有一个频点 ，如果你要收听某一广播信道，则必须把你的收音机 调谐到这一频点上。在GSM中，无线路径上是采用时 分多址（TDMA）方式。每一频点（频道或叫载频 TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道，因 此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用，如下 图所示。 图6.3 GSM系统的多址技术 在选择数字调制解调技术时，要考虑到两方面的因数： 功率的有效性和频谱的有效性。 对于功率有效的技术，它要求在相对低的载噪比(8.4dB 或12dB)的情况下具有低的差错概率（对应于10-4或10-8）。 对于频谱有效性，它应能在单位频带内具有高的比特率 (2bit/s.Hz)。 GSM数字移动通信系统采用了GMSK调制方式。 GMSK-高斯滤波最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying） 2调制技术 根据目的不同，编码可分为信源编码和信道编码两大类 。 信源编码是为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟 信号数字化而采取的编码。 信源编码的主要任务是改进话音采样和编码算法，以降 低信源的基本数码率。 话音编码技术有三类：波形编码、参数编码和混合编码 。 3编码技术 (1)信源编码 参数编码技术是以发声机制的模型为基础的，如线性预 测编码(LPC)、自适应编码(APC)等，它可在低于16kbit/s的 情况下，获得较好的话音质量。 波形编码技术是以再现原话音波形为目的的编码技术。 当速率在1664kbit/s范围内时，可获得较好的话音质量。 但在低于16kbit/s时，将使话音质量迅速降低。 混合编码技术兼有波形编码编码 和参数编码编码 的优优点，在 816kbit/s的范围围内，具有良好的话话音质质量。GSM数字蜂窝窝 系统统就是采用混合编码编码 器规则规则 脉冲激励-长长期预测编码预测编码 (RPE-LTP)。它的比特速率为为13kbit/s。 信道编码：是为了提高数字通信的可靠性而采取的编码 。它是在数字信号进行射频调制之前进行的。 信道编码的目的在于使信号在接收端能够检查甚至纠正 传输期间由各种干扰引起的差错。 信道编码与信源编码的区别：信源编码是为了提高传输 效率，减少带宽，所以尽量去减少信源的冗余度，而信道编 码是为了检测或纠正差错，采用了增加冗余度的办法，也就 是在原来信息码的基础上多加一些码元，按照一定的代数结 构或其他相关持性，利用码间的相互关系去判断和纠正差错 。 (2)信道编码 交织技术就是把信息码码在发发端加以排列组组合，使信息 码码相互穿插交织织后再发发送到信道中去。 常用的纠错编码有分组码和卷积码。信道编码的结果是 输出一个码字流。对于话音来说，这些码字流字长456比特 ，即比特率为22.8kbit/s。 交织技术的目的就是使成片或突发差错转换成随机差错 。 在接收端，进进行反交织，恢复成原始的码码序列后，就可 以按纠纠正随机错误错误 的编码编码 来进进行纠纠正。 4交织技术 跳频就是发射信号时载波频率不是固定的，而是不停 地跳变。在接收端，本地振荡的频率也必须同步地跳变才 能正确接收和解调出有用信号。 数字移动通信中采用跳频信号的目的在于抗多径干扰和 抗衰落。 跳频抗多径的原理是：假设到达接收机的信号有两条路 径，一条直射波和一条折射波，二者有一定的时延差，在 折射波到达接收机时，如果接收机频率已跳到别的频率上 了，则它就不会受到迟到的多径信号的干扰了。因此，可 以排除多径信号干扰的条件应该是频率跳变的时间间隔要 小于多径干扰的时延差。 5跳频技术 跳频抗衰落的原理是：如果相邻跳变的频差足够大，而产 生频率选择性衰落是一种窄带现象，频差大的频率在同一时 间产生衰落的概率是比较小的，频率跳变到其他频率上时， 则可继续保持通信。在TDMA系统中，跳频速率等于每秒传 输的帧数。GSM系统中每个时隙长576.9us，8个时隙为一帧 ，因此帧的长度为4.615ms，每秒跳频为217次。 自适应均衡技术也是一种有效的抗多径干扰的方法。 所谓均衡，指的是信道均衡，也就是在接收端的信道均衡 器中产生与信道特性相反的特性，抵消信道产生的干扰， 从而正确的判决和恢复有用信号。 均衡器基本原理是一旦能检测到信息符号，它可对未 来符号的码间干扰在符号检测前估计出和减去。 在GSM的建议中并未规定采用哪种均衡器，只提出均 衡的时延为16us，由各生产厂家自行决定均衡器的结构。 6均衡技术 5.3.3 GPRS GPRS架构在现有的GSM系统上，是GSM 网络提供的无线点对点分组交换服务。 GSRS使用的物理无线信道与GSM完全相 同，但是定义了新的逻辑GPRS无线信道。 GPRS可提供以下两类服务：点-点（PTP ）服务和点-多点（PTM）服务。 GPRS的标准化工作分3个阶段。目前的标 准是1999年底完成的GPRS Phase2。 5.3.3 GPRS 系统结构 5.3.3 GPRS GPRS支持节点GSN（GPRS Support ） GPRS服务支持节点SGSN（Serving GSN），SGSN 的主要作用就是记录移动台的当前位置信息，并且在 移动台和SGSN之间完成移动分组数据的发送和接收 GPRS网关支持节点GGSN（Gateway GSN）， GGSN主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网 络连接，如ISDN和LAN等。另外，GGSN也又被称作 GPRS路由器。 GGSN可以把GSM网中的GPRS分组 数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传 送到远端的TCP/IP或X.25网络。 GPRS寄存器 8个接口：Um 、Gb 、Gs 、Gr 、Gc 、Gn 、Gp 、 Gi 5.3.3 GPRS 工作过程 附着 MS在获得GPRS服务之前，需要完成网络登记， 并获得一个临时逻辑链路标示，创建PDP环境 ，分配IP地址等。 -数据传输和位置管理 5.3.3 GPRS 越区切换 5.3.3 GPRS GPRS特点 资源利用率高 传输速率高 接入时间短 支持IP协议和X.25协议 会发生包丢失现象 实际速率比理论值低 终端不支持无线终止功能 调制方式不是最优 5.4 SIM卡 SIM卡（Subscriber Identity Module，国际移动用 户识别模块），简称用户识别卡，它是一张符合 GSM规范的CPU卡。SIM卡用于GSM全球数字移 动电话通信系统，除主要用于移动电话外，还可 以用作其他数字通信。每一张SIM卡就代表一个 用户，它记录着制造商和用户有关信息，主要包 括国际移动识别码IMSI、鉴权密钥Ki、用户身份 识别及密钥信息、辅助业务信息、短信息、移动 性信息和无线电资源信息等，可供GSM系统对用 户的身份进行鉴别以及对用户信息进行加密。 SIM卡 SIM卡（Subscriber Identity Module，国际 移动用户识别模块） 由于GSM通信系统是由欧洲的主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委 员会设计出来的，因此它更贴近用户和 运营者的利益，在安全性、方便性 等方面下了较大的功夫。 无线传输比固定传输更易被窃听，如果不提供特别的保护措施，很容易被窃听或被假冒一个注册用户。八十年代 的模拟系统深受其害，令到用户利益受损，因此GSM首先引入了SIM卡技术，从而使GSM在安全方面得到了极大改 进。它通过鉴权来防止未授权的接入，这样保护了网络运营者和用户不被假冒的利益；通过对传输加密可以防止在 无线信道上被窃听，从而保护了用户的隐私；另外，它以一个临时代号替代用户标识，使第三方无法在无线信道上 跟踪GSM用户，而且这些保密机制全由运营者进行控制，用户不必加入更显安全。 由于在GSM通信中引入了SIM卡的技术，使无线电通信从不保密的禁区解放出来，只要客户手持一卡，可以实现 走遍世界的愿望。SIM卡有许多特点： 特点之一，客户与设备分离(人机分开)。在GSM通信中，SIM卡与移动设备之间已设置一个开放式的公共接口， 这样，使用者与自己的设备之间没有互相依存的关系。因在SIM卡中存储有持卡者的客户数据、保安数据、鉴权加 密算法等，只要客户手持此卡就可以借用、租用不同厂家的移动台，得到卡内存储的各种业务的服务，大大方便了 客户，大大增强了GSM通信的移动性，也大大地增强了各生产厂家的设备的共享性。 特点之二，通信安全可靠。因为在SIM卡中有一个永久性的存储器，既有存储能力，又有进行计算的能力，所以 它属于智能卡。当客户建立呼叫时，首先要客户输入个人身份号码(PIN)，此码由48位数字组成，由移动台的键盘 键入。若输入三次不正确的PIN码后，PIN码被锁，通信终止，这是防范那些伪客户盗用通信的方法之一。若有权客 户忘记了码或一时疏忽，输入三次错误，可利用SIM卡中存储的09位数字的个人解锁钥(PUK)来解锁PIN码，使之 恢复正常。但也要特别注意，若输入十次错误的PUK，整个SIM卡就报废了，只有重新购置一个SIM卡才能再进行 通信。在呼叫建立过程中PIN码正确时，网路开始对客户身份进行鉴权，利用存储在SIM卡中的A3、A8算法，移动 台与网路把计算结果进行比较，相同鉴权成功，这又是防范盗用通信的第二道防线。鉴权成功之后，为了对客户信 息保密，安全传送至被叫，则又采用了一套加解密的方法，即采用了A5的算法，防止了非法客户窃密。另外，在鉴 权和加解密过程中的密钥(KC)和鉴权钥(K1)参数在空中接口上是不传输的，只有国际移动客户识别码(IMSI)传输一 次，以后完全采用不断变化的临时移动客户识别码(TMSI)来代替，因此GSM通信比模拟移动通信安全可靠。 特点之三，成本低。它比电话磁卡的成本低，并且质地结实耐用，易于推广。 SIM卡的结构 SIM卡是带有微处理器的智能芯片卡，它的 构成是以下几个模块： - CPU - 程序存储器(ROM) - 工作存储器(RAM) - 数据存储器(EPROM或E2PROM) - 串行通信单元 SIM卡的软件特性 SIM卡采用新的单片机及存储器管理结构，因此 处理功能大大增强。SIM卡中存有三类数据信息 ： (1) 与持卡者相关的信息以及SIM卡将来准备提 供的所有业务信息，这种类型的数据存储在根目 录下。 (2) GSM应用中特有的信息，这种类型的数据存 储在GSM目录下。 (3) GSM应用所使用的信息，此信息可与其它电 信应用或业务共享，位于电信目录下。 SIM卡的作用 向移动通信设备（ME）提供SIM卡的容量 。 可以按预先设定的方式，由SIM卡主动向 ME发出一个呼叫。 向SIM卡写入信息。 可以由SIM卡向ME主动传送菜单。 可以实现SIM卡对ME的监控。 SIM卡的自动定时功能，并能自动向ME发 出定时时间到的信息。 SIM的数据文件 按照GSM的规定，文件的访问条件有如下五种： ALWAYS，无条件；即对数据文件的访问无任何约束条件 。安全状态为0。 CHV1，PIN1码（也即PIN码）条件；即须向SIM卡输入 了正确的PIN1码之后才能访问，除非解除PIN1码命令已 被SIM卡接收。安全状态为1。 CHV2，PIN2码（也称为PIN1码）条件；即须向SIM卡输 入了正确的PIN1码之后才能访问，除非解除PIN2码命令 已被SIM卡接收。安全状态为2。 ADM，通过管理权限认证后才能访问。安全状态为4E（ 414）。 NEVER，不能够由接口访问，而只在SIM卡内部使用的文 件。安全状态为F（15） 。 SIM卡中存有数据：ISDN、Ki、PIN、PUK 、TMSI、LAI和ICCID(SIM卡号码)。其中 ISDN、Ki、PIN、PUK上面已提到；TMSI 和LAI是随着客户移动，网路随时写入的； ICCID号码是SIM卡号，它的数据格式定义 如下： SIM卡卡面代号 SIM卡卡面上印有20位数码，其含义如下。 第16位：国际受话代码；中国移动为898600，中国联通为898601 。 第7位：业务接入号， 对应于135、136、137、138、139中的5、6、 7、8、9。 第8位：SIM卡的功能位：一般为0，现在的预付费SIM卡为1。 第910位：各省的编码；01：北京 02：天津 03：河北 04：山西 05 ：内蒙古 06：辽宁 07：吉林 08：黑龙江 09：上海 l0：江苏 11：浙 江 12：安徽 13：福建 14：江西 15：山东 16：河南 17：湖北 18： 湖南 l9：广东 20：广西 21：海南 22：四川 23：贵州 24：云南 25 ：西藏 26：陕西 27：甘肃 28：青海 29：宁夏 30：新疆 31：重庆。 第1112位：年号。 第13位：供应商代码。 第1419位：用户识别码。 第20位：校验位。 SIM卡功能 SIM卡的主要完成两种功能：存储数据(控 制存取各种数据)和在安全条件 下(个人身份 号码PIN、鉴权钥Ki正确)完成客户身份鉴权 和客户信息加密算法的 全过程。 ME Mobile equipment MS Mobile station. TE Terminal Equipment