Transcript 第6章GSM及其增强移动通信系统

GSM及其增强移动通信系统
第6章 GSM及其增强移动通信系统
1
概述
2
GSM系统的组成及相关的接口
3
GSM系统的网络结构与编号计划
4
GSM系统的无线信道与信号传输
5
GSM系统的安全性管理
6
GSM系统的移动性管理
7
GPRS技术
8
EDGE技术
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1
概
述
GSM的主要特点可以归纳为：
（1）频谱效率高。由于采用了高效调制器、信道编码、
交织、均衡和语音编码技术，因此系统具有较高的频谱利
用率。
（2）容量较大。使GSM系统的容量效率（每兆赫每小区
的信道数）比模拟移动系统TACS提高3～5倍。
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（3）语音质量好。鉴于数字传输技术的特点以及GSM
规范中有关空中接口和语音编码的定义，在门限值以上时，
语音质量总是达到相同的水平，而与无线传输质量无关。
（4）开放的接口。GSM所提供的开放性接口不仅包括
空中接口，而且包括网络之间以及网络中各设备实体之间
的接口，例如，A接口和Abis接口等。
（5）安全性好。通过鉴权、加密和使用临时移动用户
识别号（TMSI），达到安全目的。
（6）与ISDN、PSTN等互联。与其他网络的互联通常
利用现有的标准接口。
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（7）在SIM卡基础上实现漫游。漫游是移动通信的重
要特征，它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网
络。对于GSM标准，它可以提供全球漫游，当然网络经营
商之间的某些协议还是必需的。例如为了计费，可以通过
MOU协调。
在GSM系统中，漫游是在SIM卡识别号以及被称为
IMSI的国际移动用户识别号的基础上实现的。这意味着用
户不必带着终端设备而只需带其SIM卡即可进入其他国家或
地区。
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6.2
6.2.1
GSM系统的组成及相关的接口
GSM系统的结构
1.交换网络子系统
1）移动交换中心（MSC）
MSC是GSM系统的核心，其主要作用有：
(1)对位于它所覆盖的区域内的移动台进行控制和完成话路交
换；
(2)对所有呼叫查询位置信息并建立路由；
(3)是GSM系统和其他公网之间的接口；
(4)完成公共信道信令系统功能以及计费功能；
(5)完成BSS、MSC之间的切换以及辅助性资源管理、移动性
管理，等等。
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作为一个设备，移动交换中心控制若干个基站控制器，它通
常是一台相当大的交换机。按中等人口密度百分比，一个典型的
MSC可覆盖一个地区首府及其周围地区，共一百万居民，这样一
个MSC大约包括6个设备机柜。
为了与GSM网络外部的用户通信，MSC与外部网络的接口
可能需要一个网间互联设备即适配网关（交互工作功能
（IWF））。IWF的作用是使GSM网络的传输特性与通信对方
的网络特性相适配，它使得GSM可与PSPDN、CSPDN等网络交
互工作，但当通信双方是简单的PSTN或ISDN时，IWF也存在。
对于语音通信的简单情况，IWF一般是放在MSC设备端，交互工
作功能与MSC一起实现；在复杂情况下，IWF可以是一个独立的
设备，与多个MSC相连，但在规范中未规定MSC与IWF之间的
接口。
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拜访位置寄存器（VLR）
图6-1 GSM系统的网络结构
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2）拜访位置寄存器（VLR）
VLR是一个数据库，它与一个或多个MSC相连，是存
储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访用户）的来话、
去话呼叫所需检索的信息，例如用户的号码、所需位置区
域的识别、向用户提供的服务等参数。它存储的位置数据
比HLR中的要精确一些。在多数情况下，VLR总是与各个
MSC集成在一起的。
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归属位置寄存器（HLR）
图6-1 GSM系统的网络结构
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3）归属位置寄存器（HLR）
HLR也是一个数据库，是存储管理部门用于移动用户管理的
数据。每个移动用户都应在其归属位置寄存器（HLR）中注册登
记。HLR主要存储两类信息：一类是有关用户的参数；另一类是
有关用户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，
例如MSC、VLR地址等。作为一个物理设备，典型的HLR是一
台独立的计算机，它没有交换能力，能管理成千上万的用户。
4）鉴权中心（AUC）
AUC用于产生为确定移动用户身份和对呼叫保密所需鉴权、
加密的三个参数（随机数RAND、响应数SRES、密钥KC）的功
能实体。
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设备识别寄存器（EIR）
图6-1 GSM系统的网络结构
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5)设备识别寄存器（EIR）
EIR是存储有关移动台设备参数的数据库，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。
在实际的GSM通信网络中，由于网络规模、运营环境
和设备生产厂家的不同，上述各个部分可以有不同的配置
方法。比如，把MSC和VLR合并在一起，或者把HLR、
AUC和EIR合并为一个实体。
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基站子系统（BSS）
图6-1 GSM系统的网络结构
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2.基站子系统
基站子系统（BSS）是GSM系统的基本组成部分。它
通过无线接口与移动台相接，进行无线发送、接收及无线
资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中
的移动交换中心（MSC）相连，实现移动用户与固定网络
用户之间或移动用户之间的通信连接。基站子系统主要由
基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC）构成。基站收
发信机、天线共用器和天线是基站子系统的无线部分，它
由基站控制器实施控制。
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基站控制器（BSC）
图6-1 GSM系统的网络结构
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1）基站控制器（BSC）
BSC具有对一个甚至数十个BTS进行控制的功能，它主
要负责无线网络资源的管理、小区配置数据管理、功率控
制、定位和切换等，是一个很强的业务控制点。
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基站收发信台（BTS）
图6-1 GSM系统的网络结构
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2）基站收发信台（BTS）
BTS是无线接口设备，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。
BTS可以直接与BSC相连接，也可以通过基站接口设备
（BIE）采用远端控制的连接方式与BSC相连接。此外，基站子
系统为了适应无线与有线系统使用不同传输速率进行传输，在
BSC与MSC之间增加了码变换器（TC）（语音速率转换设备）
及相应的子复用设备（SM），两者合称为码型转换和速率适配
器（TRAU）。一种具有本地和远端配置BTS的典型BSS组成方
式如图6-2所示。BIE、TC和SM称为GSM系统的传输附属设备。
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3.移动台子系统
移动台是GSM移动通信网中用户使用的设备。移动台
类型可分为车载台、便携台和手机。移动台由发信、收信
回路及控制接口部分组成，通过无线接口接入GSM系统。
移动台的原理如图6-4所示。
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图6-4 移动台原理框图
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4.操作维护中心
GSM系统中的操作维护中心（OMC）主要是对整个
GSM网络进行管理和监控，通过它实现对GSM网内各种部
件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。OMC对基站
子系统和交换子系统分别进行操作和维护。
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6.2.2
GSM系统的接口
GSM系统的各个子系统之间以及子系统内部各功能实
体之间存在大量的接口，GSM技术规范对这些接口做了详
细的规定，使不同生产厂家的设备能够在同一个网内互联，
如图6-5所示。
（1）Um接口。移动台（MS）和基站收发信台（BTS）
之间的接口，即空中无线电接口，用于移动台和GSM系统
的固定部分之间的互通，其物理连接通过无线链路实现。
Um接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续
管理等。
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图6-5 GSM系统的接口
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（2）Abis接口。基站子系统中的BSC和BTS之间的通
信接口，其物理连接通过采用2Mb/s或64kb/s的PCM数字传
输链路来实现。Abis接口支持向用户提供的所有服务，并
支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。Abis接口是
一个未开放的接口。
（3）A接口。BSS和MSC之间的接口。A接口基于
2Mb/s数字接口，采用14位7号信令方式，主要传递呼叫处
理、移动性管理、基站管理、移动台管理等信息。
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（4）B接口。MSC与VLR之间的接口，用于MSC向
VLR询问有关移动台当前位置信息，或通知VLR有关移动
台的位置更新信息等。该接口是一个内部接口，一般不做
规定。
（5）C接口。MSC与HLR之间的接口，用于被叫移动
用户信息的传递以及获取被叫移动用户的漫游号码。两者
之间是采用标准的2.048Mb／s或64kb/sPCM数字传输链路
实现的。
（6）D接口。HLR与VLR之间的接口，用于交换移动
台的位置信息和用户管理的信息，保证移动台在整个服务
区内能建立和接受呼叫。由于VLR综合于MSC中，因此D
接口的物理链路与C接口相同。
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（7）E接口。相邻区域的不同MSC之间的接口，用于移动
台从一个MSC控制区到另一个MS控制区时为保持通话连续而进
行局间切换，以及两个MSC之间建立用户呼叫接续时传递有关的
消息。此接口的物理链接方式是采用标准的2.048Mb／sPCM数
字传输链路实现的。
（8）F接口。MSC与EIR之间的接口，用于MSC检验移动
台IMEI时使用，也是一个2.048Mb/s或64kb/sPCM数字接口。
（9）G接口。两个VLR之间的接口。当采用临时移动用户
识别码(TMSI)时，此接口用于向分配TMSI的VLR询问此移动用
户的国际移动用户识别码(IMSI)的信息。G接口的物理链路与E
接口相同。
（10）GSM系统与其他公用电信网接口。GSM系统通过MSC与公
用电信网互连，一般采用7号信令系统接口。其物理链接方式是MSC与
PSTN或ISDN交换机之间采用2.048Mb/s的PCM数字传输链路实现的。
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6.2.3
GSM系统的业务
1.承载业务
承载业务主要保证用户在两个接入点之间传输有关信
号所需的带宽容量，使用户之间实时可靠的信息（语音、
数据等）传递。这类业务与OSI模型的低三层有关。承载业
务定义了对网络功能的要求。为了提供各种承载业务，
GSM用户应能够发送和接收速率高达9600b/s的数据。表6-1
列出了GSM系统的承载业务。
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图6-6
电信业务和承载业务
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表6-1
异步数据
300～9600b/s
同步数据
1200～9600b/s
分组接入
话音／数据交替
先话音后数据
容
内
业务
PAD 接入
承载业务
300～9600b/s，分组打包和拆包，为 GSM 用户接入分组网提供一个异步连接，该
业务只能由移动台主叫发起
2400～9600b/s，为 GSM 用户接入分组网提供一个同步连接，该业务只能由移动台
主叫发起
在呼叫过程中，提供话音和数据的交替
先话音连接，后进入数据连接
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2.电信业务
电信业务主要是为用户提供足够的容量，包括终端设
备功能及与其他用户的通信。该业务结合了与信息处理功
能相关的传输功能，使用承载业务来传送数据及提供更高
层的功能。这些更高层的功能与OSI模型中的4～7层相对应，
包括电话业务、紧急呼叫业务、短消息业务及传真业务等。
表6-2给出了GSM支持的电信业务类型。
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表6-2
业务
电信业务
内
容
话音服务
全速（13kb/s）
，半速（6.5kb/s）
。提供语音信息和语音信号到网络的传输
紧急呼叫
在紧急情况下，通过简单拨号即可拨通紧急呼叫中心，具有优先权，
短消息服务
用于消息处理系统提供短消息给移动用户
短消息服务
用于移动用户给消息处理中心提供短消息
短消息传输
用于传输对小区范围内的所有移动用户，是一点对多点的服务
自动传真
自动提供第 3 类呼叫和被呼模式传真
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补充业务是在承载业务和电信业务的基础上获得的。
一项补充业务是在一项或多项承载业务中联合使用，它不
能单独使用，必须和基本业务一起提供给用户。大部分补
充业务是从固定网所能提供的补充业务中继承过来的，因
此这里不做详细讨论。
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6.3 GSM系统的网络结构与编号计划
6.3.1 无线覆盖的区域划分
从无线覆盖区域的划分来看，GSM系统各种区域之间
的关系如图6-7所示。
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图6-7 GSM系统各种区域之间的关系
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GSM网络的最小不可分割区域是由一个基站（全向天线）
或一个基站的一个扇形天线（BTS）所覆盖的区域，称为小区
（cell）。每个小区由全球小区识别码（GCI）来识别。
若干个小区构成一个位置区（LAI），位置区的划分是由网
络运营者设置的。一个位置区可能和一个或多个BSC有关，但它
只属于一个MSC。位置区是系统用于搜索激活状态下的移动台的
区域范围，因此在一个位置区内，移动台可以自由地移动，而不
用更新控制该位置区的MSC/VLR中的位置信息。系统利用位置
区识别码识别该位置区。
一个MSC业务区是其所管辖的所有小区共同覆盖的区域，可
PLMN业务区是由一个或几个MSC业务区组成的（每个国家
有一个或多个）。
GSM业务区是由全球各个国家的PLMN网络所构成的。
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6.3.3
编号计划
1.移动台ISDN号码（MSISDN）
MSISDN是指呼叫GSM系统中的某个移动用户时所需
拨的号码，号码的结构如图所示。
CC为国家码，我国为86。NDC为国内目的地址码，即
网络接入号，中国电信GSM网为139、138等,中国联通GSM
网为130、131等。SN为用户号码，采用等长7位编号
H1H2H3ABCD，其中H1H2H3为每个移动业务本地网的
HLR号码，ABCD为移动用户码。
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2.国际移动用户识别码（IMSI）
为了在无线路径和整个GSM移动通信网上正确识别某
个移动用户，必须给移动用户分配一个特定的识别码，存
储于客户识别模块SIM、HLR、VLR中。此码在所有位置
区（包括漫游区）都有效。通常在呼叫建立和位置更新时，
需要使用IMSI号码。IMSI号码结构如图6-12所示。
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图6-12
IMSI号码结构
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MCC为移动国家号码，我国为460。MNC为移动网号，
用于识别移动用户所归属的移动网，中国电信GSM网为00，
中国联通GSM网为01。MSIN为移动用户识别码，用以唯一
地识别国内某一网内的移动用户。IMSI的总长不超过15位
数字，每位数字仅使用0～9的数字。
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3.临时移动用户识别码（TMSI）
为了对IMSI保密，IMSI只在起始入网登记时使用，在
后续的呼叫中，使用经一定算法转换而来的TMSI，以避免
通过无线信道发送其IMSI，从而防止窃听者检测用户的通
信内容，或者非法盗用合法用户的IMSI。TMSI总长不超过
4个字节，其格式由运营部门决定。
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4.移动用户漫游号码（MSRN）
当移动用户漫游到一个新的MSC/VLR业务区时，由
VLR给它分配一个临时性的漫游号码，并通知该移动台的
HLR，用于建立通信路由。一旦该移动台离开该业务区，
此漫游号码即被收回，并可分配给其他来访用户使用。漫
游号码的结构与移动用户国际（或国内）ISDN号码相同。
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5.国际移动设备识别码（IMEI）
IMEI是区别移动台设备的标志，可用于监控被窃或无
效的移动台设备，其结构如图所示。
IMEI号码结构
6 位数字
2 位数字
6 位数字
1 位数字
TAC
FAC
SNR
SP
TAC为型号批准码，由欧洲型号认证中心分配。FAC
为工厂装配码，由厂家编码，表示生产厂家及其装配地。
SNR为序列号码，由厂家分配，用于区别同一个TAC和
FAC中的每台移动设备。SP为备用。
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6.位置区和基站识别码（LAI和BSIC）
（1）位置区识别码（LAI）。系统在检测位置更新和
信道切换时，要使用位置区识别标志，号码结构如图所示。
3 位数 字
2 位数字
最大 16 bit
MCC
MNC
LAC
MCC和MNC与IMSI码中的MCC和MNC相同。LAC为
位置区码，用于识别GSM移动网中的某个位置区，最多不
超过两个字节，采用十六进制编码，由各运营部门自定。
在LAI后面加上小区的标志号CI（最大16bit），可构成小
区识别码。
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6.4 GSM系统的无线信道与信号传输
6.4.1 频率配置
1.使用频率
GSM数字蜂窝移动通信系统采用900MHz频段:
890～915MHz(移动台发、基站收);
935～960MHz(基站发、
移动台收)。
可用频段为25MHz，收发频率间隔为45MHz。随着业
1.8GHz
频段的DCS1800过渡。
DCS1800使用的频段为：1710～1785MHz(移动台发、基站
收)；1805～1880MHz(基站发、移动台收)。
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2.多址方式
GSM系统相邻频道间隔为200kHz，每个频道采用时分
多址接入（TDMA）方式，每载频分为8个时隙（即8个信
道或8路为一帧），每帧时长4.62ms，每时隙0.577ms。将
来采用半速率语音编码后，每个频道可容纳16个半速率信
道。
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4.频率复用模式
GSM系统的频道配置采用等频距配置法,
n=1～124。频道序号和频道标称中心频率的关系为：
f l (n)  890.200MHz  (n  1)  0.200MHz
(移动台发，基站收)
f h (n)  f l (n)  45MHz
（基站发，移动台收）
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图6-16 4×3方式频率配置
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图6-17
3×3方式频率配置
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对于无方向性天线，建议采用7组频率复用方式，其7
组频率可从12组中任选，但相邻频率组尽量不在相邻小区
使用，业务量较大的地区可借用剩余的频率组，如图6-18所
示。
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图6-18 采用无方向性天线时的频率配置
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6.4.2
GSM系统的无线信道
1.信道的定义与分类
1)物理信道
一个载频上的TDMA帧的一个时隙称为一个物理信道，
它相当于FDMA系统的一个频道，每个用户通过一系列频
率的一个信道接入系统。因此，GSM中每个载频有8个物理
信道，即信道0～7（时隙0～7）。
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3.TDMA帧结构
在TDMA中，每个载频被定义为一个TDMA帧，相当
于FDMA系统中的频道。每帧包括8个时隙（TS0～7），有
TDMA帧号（GSM系统中对用户信息加密时，计算加密序
列的算法就是以TDMA帧号为一个输入参数）。有了
TDMA帧号，移动台就可以判断控制信道TS0上发送的是哪
一类逻辑信道。
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TDMA帧号是以每2,715,648个TDMA帧为一个超高帧，
每一个超高帧又可分为2038个超帧，一个超帧持续时间为
6.12s，[JP]
种：26个帧构成的用于传输业务信息的业务复帧和51个帧
构成的用于传输控制信息的控制复帧。两种长度不同的复
帧是为了满足不同速率的信息传输而设立的。
GSM系统的TDMA帧无限重复构成数字基带信号（帧
的编号FN以超高帧为周期，从0到2715647），经GMSK调
制后占频道宽度为200kHz。帧结构如图6-22所示。
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图6-22 GSM系统帧结构示意图
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6.5 GSM系统的安全性管理
GSM系统在网络安全管理方面较模拟系统有了显著的
改进，主要是在下列部分加强了保护：
（1）接入网络时采用了对用户身份鉴权；
（2）无限路径上采用了对通信信息加密；
（3）用户识别码采用了临时用户识别码；
（4）对移动设备采用了设备识别码识别。
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6.5.1
GSM系统中用户三参数组的产生
用户的鉴权和加密是通过系统提供的用户三参数组来
完成的，用户三参数组是在GSM系统的AUC中产生的，如
图所示。
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每个用户在入网签约时，用户鉴权键Ki连同IMSI一起分配给
用户（Ki与用户的IMSI及用户身份号码ISDN是一一对应的），
这样每一个用户均有唯一的Ki和IMSI，它们被分别存储于AUC
数据库和SIM卡中。另外，在AUC和SIM卡中还存有各种保密算
法。
AUC中有一个随机码发生器，用于产生一个不可预测的伪随
机数（RAND）。RAND和K
i经AUC中的A3算法（鉴权算法）
产生一个响应数（SRES），经A8算法（加密算法）产生一个密
钥Kc。我们称SRES、Kc以及产生它们的RAND三个参数为用户
三参数组。用户三参数组传送给HLR，存储在用户的资料库中。
当MSC/VLR需要使用时，向HLR请求传送三参数组。
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6.5.2
安全管理措施
1.用户身份的鉴权
MSC/VLR确认移动台通过无线空间传送的IMSI是否是
与运营商签约的IMSI的过程称为鉴权,其作用是鉴别用户
SIM卡的真实性，防止无权用户接入网络。移动台在每次登
记接入、呼叫（主呼或被呼）建立，或执行某些补充业务
的登记和删除前均需鉴权。
鉴权过程主要涉及到AUC、HLR、MSC／VLR和MS，
它们均各自存储着有关用户的信息或参数。具体过程如下：
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当MS发出入网请求时，MSC／VLR通过控制信道将三
参数组中的一个参数伪随机数RAND发送给移动台，SIM卡
收到后，用此RAND与SIM卡中存储的用户鉴权键Ki，经同
样的A3算法得出一个鉴权响应数SRES，并传回到
MSC/VLR。MSC/VLR
SRES
SRES进行比较。比较的结果相同就允许接入，否则视为非
法用户。
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2.通信信息的加密
GSM系统中的信息加密是指无线路径上的加密，即是
指BTS与MS之间交换的通信信息和用户参数不被截获或监
听，如图6-30所示。加密是受鉴权过程中产生的密钥控制的，
密钥Kc不在无线接口上传送，而是分别存储于AUC和SIM
卡中。
我们一般用的手机sim卡里面有三组数值是关键的：
IMSI、ICCID和ki，有了这三组数值，你的sim卡就能被复
制。市面上卖的一卡多号其实就是通过读取sim卡这三组数
值，将他们写到一张特殊的卡上，从而达到复制的目的。
IMSI和ICCID可以直接读取，ki却是加密的。
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通信信息的加密过程
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在鉴权程序中，当计算SRES时，同时用另一个算法
（A8）计算出了密钥Kc，并在BTS和MSC中均暂存Kc。当
MSC／VLR把加密模式命令（M）通过BTS发往MS时，
MS根据M、Kc及TDMA帧号,通过加密算法A5产生一个加
密消息，表明MS已完成加密，并将加密消息回送给BTS。
BTS采用相应的算法解密，恢复消息M，如果无误则告知
MSC／VLR，表明加密模式完成。
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破解sim卡ki
在通信过程中的加密就是用Kc了，这个算法叫做A5，
因为A5的加密量很巨大，而且SIM卡的速度很慢，因此所
有通信过程中的加密都是在手机上面完成的，这样一来，
除非天下所有GSM手机都至少支持一种相同的A5算法，否
则就没法漫游了，这时候运营商和设备商的懒惰又体现出
来了，全世界目前只有一种通用的A5算法，没有其他的，
这个算法就是和Kc 的8字节序列进行简单的循环XOR，再
和报文序号做个减法。
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实际设备中使用的A3算法被作为高级商业机密保护起来。
但是世界上没有不透风的墙，在1998还是1999年的时候，
有人从哪里偷到了几页纸的相关文档，然后把这文档输入
了电脑。后来这个文档落到了加州伯克力几个教授手里面。
于是这个算法就成为了世人皆知的秘密。这个算法又被叫
做Comp128，他同时生成SRES和Kc。
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光有了算法还是不能够得到在SIM卡里面保存的Ki，理论
上面是可以把SIM卡拆了，然后把芯片接到特殊设备上面来
读出Ki，但是这个听起来就像用小刀在硬盘上面刻操作系
统一样不靠谱。于是很多有志之士就开始了对Comp128 算
法的攻击，在一开始大家想到的肯定是穷举，不过这个
GSM的设计者也想到了，SIM 卡里面有个逻辑是一共只能
查询2^16次左右，之后卡会自杀，让破解者啥都得不到。
因此研究者们试图在可以接受的次数之内通过构造特定明
文和分析输出秘文来分析出Ki的值，结果还真被大家发现
出来了一些。IBM的一个小组甚至用6次查询就可以彻底解
出Ki。
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随着时间的推移，针对Comp128的破解算法越来越成熟，
SIM复制设备也越来越多，运营商们终于坐不住了。很多运
营商都开始发行Comp128 v2加密算法的卡了。Comp128 v2
算法是GSM协会在v1被攻破以后，迅速在v1上面修改得来
的结果，据说比较好的解决了v1算法中的弱点，当然，这
个算法像v1一样，还是不公布于众的，而且到现在也没有
人公布出来。这样一来，基本就没法解了。
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3.用户识别码的保护
IMSI是移动用户的特征号码，为了防止IMSI在无线路
径上被截获，提供用户识别号码的保密，VLR为在位置登
记后的用户分配一个临时移动用户识别码（TMSI）。在无
线传输路径中，用TMSI代替IMSI，通过对IMSI的保护达
到保护用户安全的目的。
需要注意的是，TMSI仅在一个位置区内有效。MS每
一次进入新的位置区，进行位置更新时，无线路径上传送
IMSI，此后在该位置区内，均用临时移动用户识别码
（TMSI）代替IMSI。TMSI是由VLR产生的，它与IMSI的
对应关系是变动的，从而确保了IMSI的安全性。
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4.移动设备的识别
每一个移动台设备均有一个唯一的移动台设备识别码
（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。设备识别在呼叫建立尝试
阶段进行，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中使用以下三种设备清单：
（1）白名单：合法的移动设备识别号；
（2）黑名单：禁止使用的移动设备识别号；
（3）灰名单：由运营商决定，例如有故障的或未经型
号认证的移动设备识别号。
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6.6
6.6.1
GSM系统的移动性管理
位置管理
1.开机进入空闲模式
（1）移动台开机后搜索最强的BCCH载频，读取FCCH信道
信息，使移动台的频率与之同步。在GSM900中有124个无线频
率，在DCS1800中有近375个无线频率。移动台要确定BCCH需
要搜索所有这些频率，这样会花费很多时间。所以GSM允许在
SIM卡中存储一张频率表，这些频率是前一次小区登录上的
BCCH频率，以及在该BCCH广播的邻近小区的频点，MS开机
后搜索这些频率，就可找到最强的一个BCCH。找到无线频点后，
MS就可读取FCCH上的信息，从而正确地确定时隙和帧的边界。
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（2）移动台读取同步信道SCH上的信息，找出基站识
别码（BSIC）和帧同步信息，并且同步到超高帧TDMA帧
号上。
（3）移动台读取系统信息，如邻近小区情况，现在所
处小区使用频率及小区是否可用，移动系统的国家号码和
网络号码等，这些信息都在BCCH上得到。
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2.位置登记
所谓位置登记(或称注册)，就是通信网为了跟踪移动台的位
置变化，由移动台向网络报告自己的位置信息，网络对其位置信
息进行登记的过程。
位置信息存储在原籍位置寄存器(HLR)和访问位置寄存器
(VLR)中。
移动台向网络登记的方式有以下两种：
（1）开机登记。移动台开机后，接收广播信息LAI（位置
区域识别码），更新位置存储器的内容；接着向MSC/VLR发送
位置登记报文，MSC/VLR接收并存储该移动台的位置信息。这
时MSC/VLR认为此MS被激活，在其IMSI号码上做“附着”标
记。
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（2）周期性登记。当MS关机时，即向网络发送最后
一条消息，其中包含“使IMSI（国际移动用户标识符）分
离”的处理请求，MSC收到后，即通知VLR在该MS对应的
IMSI上做“分离”标记。但是如果此时无线链路质量不好，
MSC/VLR有可能收不到分离处理请求而仍认为MS处于
“IMSI附着”状态。另外，MS进入盲区时，MSC/VLR不
知道，也会认为MS处于“附着”状态。此时，该用户被寻
呼时，系统就会不断发出寻呼消息，无效占用无线资源。
鉴于上述原因，系统采用强迫登记的措施，例如要求移动
台每30秒周期性登记一次，当系统收不到周期性登记消息
时，就给此移动台标以“IMSI分离”标记。
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移动用户登记过程如下：
①移动台在RACH（随机存取信道）上发出接入请求。
②网络通过AGCH分配给移动用户一个SDCCH（独立
专用控制信道）信道。
③移动台在SDCCH上与系统交换信息（如鉴权），完
成登记。
④移动台返回空闲状态，并监听BCCH（广播控制信道）
和CCCH（公共控制信道）信道。
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3.位置更新
位置更新是指MS从一个小区移动到另一个小区时，即
移动台发现存储其中的位置区识别码LAI与接收到的LAI发
生了变化时，移动台重新向网络登记，更新网络数据库的
如果MS在新的VLR覆盖区中登记，一般由VLR分配一
个TMSI并送给HLR，HLR给VLR提供鉴权三参数组，并
把全部用户参数发给VLR，且通知原来的VLR删除此MS的
有关用户数据。若位置更新发生在VLR中的不同位置区之
间，则不需分配新的TMSI，也不需要HLR更新。
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1）不同MSC／VLR业务区之间的位置更新
图6-31给出了MSC之间的位置更新过程，图中注明了位置更
新的步骤。MS从一个BTS小区移向不同MSC的另一个小区BTS
时（①），发现自己所定的BCCH载频信号强度在减弱，而另一
BTS小区的BCCH在增强（②），MS就通过新的BTS小区向
MSC发送一个“我在这里”的位置更新请求信息（③、④）。
MSC把位置更新请求信息送给该用户的HLR，同时给出新的
MSC和MS的地址识别码（⑤），HLR修改该用户的数据，并回
给MSC一个确认响应（⑥）。VLR对该用户进行数据注册（⑦、
⑧），最后由新的MSC发送给MS一个位置更新确认（⑨），同
时由HLR通知原来的VLR删除该用户的有关数据(B10)。当然在
这一过程发生前，要进行MS的鉴权。
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图6-31 不同MSC/VLR业务区之间的位置更新
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2）同一MSC／VLR不同位置区的位置更新
当MS从某一小区移向同一MSC的另一小区时，MS通
过新的BSC将位置更新消息传给原来的MSC，MSC分析出
新的位置区也属于本业务区内的位置区，即通知VLR修改
用户数据，并向MS发送位置更新证实。
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6.6.2
越区切换
移动台在通话期间跨越小区或扇区时，网络进行实时
控制，把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一
信道，使其维持通信连续性的系统功能称为越区切换。越
区切换（也称过境切换）无论在模拟蜂窝通信系统中，还
是在数字蜂窝通信系统中，都是重要的网络控制功能。
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在模拟蜂窝系统中，移动台在通信时的信号强度是由
周围的BS进行测量的，测量结果送给MSC，由MSC根据这
些测量数据来判断该MS是否需要越区切换和应该切换到哪
一个小区。一旦MSC认为此MS需要切换到一个新小区去，
即由它启动此次越区切换，一方面通知新的BS启动指配的
空闲频道，另一方面通过原来的BS通知MS将其工作频率切
换到新的频道。这种做法需要在BS和MSC之间频繁地传输
测量信息和控制信令，它不仅会增大链路负荷，而且要求
MSC具有很强的处理能力。随着通信业务量的增大和小区
半径的减小，越区切换必然会越来越频繁，这种方法已不
能满足数字蜂窝网的要求。
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GSM系统采用的越区切换法称为移动台辅助切换（MAHO）
法，其主要指导思想是把越区切换的检测和处理等功能部分地分
散到各个移动台，即由移动台来测量本基站和周围基站的信号强
度，把测得的结果送给MSC进行分析和处理，从而做出有关越区
时分多址（TDMA）技术给移动台辅助切换法提供了条件。
GSM系统在一帧的8个时隙中，移动台最多占用两个时隙分别进
行发射和接收，在其余的时隙内，可以对周围基站的“广播控制
信道”（BCCH）进行信号强度的测量。当移动台发现它的接收
信号变弱，达不到或已接近于信干比的最低门限值而又发现周围
某个基站的信号很强时，它就可以发出越区切换的请求，由此来
启动越区切换过程。切换能否实现，还应由MSC根据网中很多测
量报告做出决定。如果不能进行切换，BS会向MS发出拒绝切换
的信令。
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越区切换主要有三种不同的情况，下面分别予以介绍。
（1）同一个BSC控制区内不同小区之间的切换，也包
括不同扇区之间的切换。同一个BSC区、不同BTS之间的切
换如图6-32所示。这种切换是最简单的情况。首先由MS向
BSC报告原基站和周围基站的信号强度，由BSC发出切换命
令，MS切换到新TCH信道后告知BSC，由BSC通知MSC／
VLR，移动台已完成此次切换。若MS所在的位置区也变了，
那么在呼叫完成后还需要进行位置更新。
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图6-32 同一BSC的两个BTS间的切换
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（2）同一个MSC／VLR业务区、不同BSC间的切换。
这种越区切换如图6-33所示。在同一个MSC／VLR区不同
BSC间切换时，由MSC负责切换过程。首先由MS向原基站
控制器（BSC1）报告测试数据，BSC1向MSC发送切换请
求，再由MSC向BSC2（新基站控制器）发送切换指令，
BSC2向MSC发送切换证实消息。然后MSC向BSC1、MS发
送切换命令，待切换完成后，MSC向BSC1发送清除命令，
释放原占用的信道。
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图6-33 同一MSC/VLR不同BSC间的切换
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（3）不同MSC／VLR的区间切换。这是一种最复杂的
切换，切换中需进行很多次信息传递。图6-34给出了不同
MSC／VLR的小区切换，即移动台由MSC1的小区向MSC2
的小区跨越时进行切换的过程。
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图6-34 不同MSC/VLR间的切换
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切换的实现过程如下：当移动台在通话中发现信号强度过弱，
而邻近的小区信号较强时，即可通过正在服务的基站BS1向正在
服务的MSC1发出越区切换请求（①）。MSC1向另一个新的
MSC2转发此切换请求（②），请求信息中包含该移动台的标志
和所要切换到的新基站BS2的标志。MSC2收到后，通知其相关
的VLR2给该MS分配一个切换号码，并通知新的基站BS2分配无
线信道（③），然后向MSC1传送切换号码（④）。MSC1收到
切换号码（⑤）后，MSC1请求与MSC2之间建立起有线链路
（⑥），完成后，MSC2向MSC1发送链路证实消息，并向BS2发
送切换指令（⑦），而MSC1向MS发送切换指令（⑧），MS收
到后，将其业务信道切换到新分配的业务信道中去。BS2向
MSC2发送切换证实信息⑨，MSC2收到后向MSC1发送结束信息
B10，MSC1收到后，即可释放原占用的信道，整个切换过程结
束。
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6.6.3
呼叫处理
1.移动台被呼
以固定用户呼叫漫游中的移动台为例，图6-35表示入局
呼叫建立的方案，过程如下：
（1）从ISDN/PSTN来的呼叫通过固定途径送到最近的
入口局MSC（GMSC
（2）GMSC询问该用户的HLR，以求获得呼叫建立路
由（③）。
（3）HLR询问当前为该用户服务的VLR（④、⑤），
请求VLR为该用户分配一个漫游号码（MSRN），HLR将
漫游号码及拜访MSC（VMSC）地址发给GMSC（⑥）。
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图6-35
移动用户被呼过程示意图
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（3）HLR询问当前为该用户服务的VLR（④、⑤），
请求VLR为该用户分配一个漫游号码（MSRN），HLR将
漫游号码及拜访MSC（VMSC）地址发给GMSC（⑥）。
（4）GMSC根据从HLR获得的信息建立起到VMSC的
呼叫（⑦）。
（5）VMSC咨询VLR，以便与被呼用户建立联系（⑧、
⑨）。
（6）VMSC/VLR通过PCH呼叫被呼移动用户（⑨、
⑩），移动用户在RACH上通过发寻呼响应来应答(B11)，
在SACCH上发测试报告和功率控制。
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（7）系统通过AGCH为移动台分配一个SDCCH。
（8）系统与移动台在SDCCH上交换必要的信息，如
鉴权、加密模式等。
（9）系统通过SDCCH为移动台分配一个TCH，在
TCH上开始通话。
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2.移动台主呼
以MS呼叫固定用户为例。
（1）MS在RACH上发送呼叫请求。
（2）系统通过AGCH为MS分配一个SDCCH信道。
（3）MSC/VLR与MS经SDCCH交换必需的信息，如
鉴权、加密模式、TMSI
（4）系统通过SDCCH为移动台分配一个TCH，并建
立与PSTN/ISDN的连接信道。
（5）被叫用户摘机，进入通话状态。
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6.7 GPRS技术
6.7.1 GPRS概况
GPRS(GeneralPacketRadioService)也叫通用分组无线
业务，是GSMPhase2+阶段规定实现的内容之一，是GSM
网络向第三代移动通信演进的第一步。GPRS作为第二代移
动通信向第三代过渡的技术，是由英国BTCellnet公司早在
1993年提出的。GPRS是一种基于分组交换传输数据的高效
率方式，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。
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与GSM系统相比，GPRS网络的能力有了很大的提高，
主要表现在以下几个方面：
（1）在GSM网络中引入分组交换能力，能够提供比
GSM系统的9.6kb/s更高的数据传输速率，最高可达170kb/s。
巨大的吞吐量改变了单一的面向文本的无线应用，使得包
括图片、语音和视频的多媒业务成为现实。GPRS手机用户
未来可随时收发电子邮件、发送彩色数码相片及大容量档
案，以及玩网上游戏。
需要注意的是，170kb／s只是GPRS的理论速率，
GPRS的实际速率典型值比理论速率慢得多，介于14.4～
43.2kb/s（上下行非对称速率）之间。
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（2）GPRS的骨干网是基于分组交换的IP网，有“永
远在线”的特点，即用户可随时与网络保持联系。例如，
用户访问互联网时，点击一个超级链接，手机就在无线信
道上发送和接收数据。主页下载到本机后，没有数据传送，
手机就进入一种“准休眠”状态，手机释放所有的无线信
道给其他用户使用。这时网络与用户之间还保持一种逻辑
上的连接，当用户再次点击时，手机立即向网络请求无线
信道用来传送数据，而不是像普通拨号上网那样断线后还
得重新拨号才能上网。
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（3）使用GPRS，在一个小区内，多个用户可以共享
一条无线信道同时进行通信，大大提高了信道利用率。
（4）用WAP手机上网浏览网页，只能看专为WAP设
计的网页（这类网站现在还比较少）。而GPRS手机则可以
浏览普通的Internet网页，这给用户上网带来了极大的方便。
（5）GPRS手机的计费是根据用户传输的数据量而不
是上网时间来计算的。
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（6）GPRS需要在GSM系统中引入两种网络支持节点
（SGSN和GGSN），分别负责GPRS网络的移动性管理和
路由管理。GPRS基站系统只需对现有的GSM基站进行软
件升级即可。基站系统中需加入PCU（分组控制单元），
用户需要更新GPRS终端。
GPRS是对目前GSM网络的补充和升级，它不会取代
目前GSM网络支持的CSD（电路交换数据）和SMS（短消
息）等数据业务。GPRS是GSM向3G系统演进的重要一环，
它既考虑了向第三代系统的过渡，同时又兼顾了现有的第
二代系统，是第二代GSM系统过渡到第三代WCDMA系统
的必经之路，所以GPRS也被称为“2.5代技术”。目前几
大通信公司如Nokia、Motorola、Siemens等都在积极参与
GPRS的提供。
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6.7.2
GPRS系统的结构与功能
1.GPRS网络总体结构
GPRS网络是基于现有的GSM网络实现的。为了实现
GPRS，需要在现有的GSM网络中增加两种支持节点
（GSN）：GPRS服务支持节点
（ServingGPRSSupportNode，SGSN
）和GPRS网关支持
节点（GatewayGPRSSupportingNode，GGSN）。此外，
还需要在基站子系统（BSS）中增加分组控制单元
（PacketControlUnit，PCU），并对原有的BSC、BTS软
件进行升级以及新增一些接口，如图6-36所示。各接口及参
考点见表6-3。下面对各功能实体分别加以说明。
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图6-36 GPRS总体结构与接口
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表6-3
GPRS体系结构中的接口及参考点
接口或参考点
描
述
R
非 ISDN 终端与移动终端之间的参考节点
Gb
SGSN 与 BSS 之间的接口
Gc
GGSN 与 HLR 之间的接口
Gd
SMS-GMSC 之间的接口，SMS-IWMSC 与 SGSN 之间的接口
Gi
GPRS 与外部分组数据网之间的参考点
Gn
同一 FLMN 中两个 GSN 之间的接口
Gp
不同 PLMN 中两个 GSN 之间的接口
Gr
SGSN 与 HLR 之间的接口
Gs
SGSN 与 MSC/VLR 之间的接口
Gf
SGSN 与 EIR 之间的接口
Um
MS 与 GPRS 固定网之间的无线接口
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1）GPRS的支持节点GSN
GPRS的支持节点GSN是GPRS网络中最重要的网络节
点，包含了支持GPRS所需的功能。GSN具有移动路由管理
功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到GPRS
寄存器。GSN可以完成移动台和各种数据网络之间的数据
传送和格式转换。GSN可以是一种类似于路由器的独立设
备，也可以与GSM中的MSC集成在一起。在一个PLMN中
允许存在多个GSN。GSN有SGSN和GGSN两种类型。
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SGSN是为移动终端（MS）提供业务的节点（即Gb接口由
SGSN支持），其主要作用是记录移动台的当前位置信息，完成
对数据传输的鉴权、加密功能，并且在移动台和SGSN之间完成
移动分组数据的发送和接收。此外，SGSN还负责与数据传输有
关的会话管理、手机上的逻辑信道管理，以及统计数据传输量用
于收费等功能。
GGSN是分组数据网（PDN）与支持GPRS的GSMPLMN互
联的第一个节点（即Gi参考点由GGSN支持），主要起网关作用，
它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN、PSPDN和LAN等。
有些文献中称GGSN为GPRS路由器，它可以把GSM网络中的
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TCP/IP或X.25网络。因此，可以把GPRS网络看成是一
个IP子网。
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SGSN与GGSN的功能既可以由一个物理节点全部实现，
也可以在不同的物理节点上分别实现。它们都具有IP路由
功能，并能与IP路由器相连。当SGSN与GGSN位于不同的
PLMN时，通过Gp接口互联，Gp接口有Gn接口的功能。
此外它还有用于外部PLMN通信的加密功能。这种加密功
能以运营商之间相互达成的协定为基础。
SGSN可以通过任意Gs接口向MSC／VLR发送定位信
息，并可以经Gs接口接收来自MSC/VLR的寻呼请求。
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2）分组控制单元PCU
PCU的功能主要是使BSS具备提供分组数据的功能，并
控制无线接口，使多个用户可以使用相同的无线资源。
3）HLR
HLR中存有GPRS用户数据和路由信息。SGSN经Gn接
口或从GGSN经Gc接口均可访问HLR，对于漫游的MS来说，
HLR可能位于另一个不同的PLMN中，而不是当前的
PLMN中。
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4）SMS-GMSC和SMS-IWMSC
SMS-GMSC和SMS-IWMSC分别指短消息业务网关移
动交换中心和短消息业务互通移动交换中心，它们经Gd接
口连接到SGSN上，这样就能让GPRSMS通过GPRS无线信
道收发短消息。
5）GPRS移动台
GPRSMS能以三个运行模式中的一个进行操作，其操
作模式的选定由MS所申请的服务所决定，即仅有GPRS服
务，同时具有GPRS和其他GSM服务，或依据MS的实际性
能同时运行GPRS和其他GSM服务。
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（1）A类（class-A）操作模式：MS申请GPRS和其他
GSM服务，而且MS能同时运行GPRS和其他GSM服务。
（2）B类（class-B）操作模式：一个MS可同时监测
GPRS和其他GSM业务的控制信道，但同一时刻只能运行
一种业务。
（3）C类（class-C）操作模式：MS只能应用于GPRS
服务。
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6）MSC／VLR
在需要GPRS网络与其他GSM业务进行配合时选用Gs
接口，如利用GPRS网络实现电路交换业务的寻呼，GPRS
网络与GSM网络联合进行位置（RA和LA）更新，以及
GPRS网络的SGSN节点接收MSC／VLR发来的寻呼请求，
等等。这时，MSC／VLR除了存储MS的IMSI外，还需存
储与这个MS（此MS同时接入GPRS分组数据业务和GSM
电路交换业务）相连接的SGSN号码。
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7）PDN
PDN指分组数据网络，是提供分组数据业务的外部网
络，如IP、X.25/X.75、ATM网等。移动终端通过GPRS接
入不同的PDN时，采用不同的分组数据协议（PDP）地址，
如：接入IP网时采用IP地址，接入X.25/X.75网时采用X.121
地址。每个PDP地址对应一个PDP环境。
GPRS在GSM网络中引入了两个GPRS支持节点和新的
接口及单元，这些都会对现有GSM网络网元设备产生一定
的影响，总结如下：
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（1）HLR现有软件需更新，以支持Gc、Gr接口；
（2）MSC现有软件需更新，以支持Gs接口；
（3）在BSC中引入PCU，并且软件需要升级；
（4）BTS也要进行相应的软件升级。
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2.GPRS的功能
从网络角度看，GPRS网络是在GSM网络的基础上增加
SGSN和GGSN这两种网络实体以及Gb、Gn／Gp、Gi、Gr、Gf、
Gd、Gs、Gc等接口而实现各种信息传输交换功能的。SGSN和
GGSN是实现GPRS业务的核心实体。SGSN是为MS提供移动性
管理、路由选择等服务的节点，GGSN是用于接入外部数据网络
和业务的节点。在上述接口中，Gs和Gc接口是可选接口，在要
求网络能够为一个MS同时提供电路和分组两种类型的服务时，
需要SGSN与MSC／VLR配合工作，这时就应选用Gs接口；如果
选用Gc接口，则GGSN可直接从HLR获取位置信息，如果未选用
Gc接口，则GGSN需通过其他SGSN或GGSN从HLR获取位置信
息。
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在空中接口上，无线资源被动态或静态地在GSM电路
型业务和GPRS分组业务之间进行分配。GPRS终端应具备
相应的无线资源管理、网络接入控制、移动性管理、路由
选择等功能。BSS主要负责对无线资源的管理。
来自MS的用户信令与数据在BSS之后分流，电路业务
经A接口去往MSC／VLR进入GPRS核心网，分组数据业务
则经Gb接口去往SGSN进入GPRS骨干网。而来自Internet
标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，
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GPRS骨干网中的SGSN和GGSN通过Gr／Gc、Gs、Gf、
Gd等接口分别与HLR、MSC／VLR、EIR、SMS-GMSC
等GSM网络实体相连，与这些实体之间的通信只涉及信令，
它们之间的通信利用SS7网络进行。
GPRS骨干网通过GGSN经Gi接口与外部数据网（PDN）
互联，PDN可以是Internet、X.25／X.75等网络，Gi接口是
与PDN连接的接口，即当与不同的PDN互联时，Gi接口也
不同。
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6.7.3
GPRS系统的安全管理
1.鉴权
当MS向GPRS网络登录时，网络必须对MS的身份进行
鉴权。这时GPRS网络内的SGSN替代了GSM网络中的VLR
的角色。当SGSN需要对MS进行鉴权时，它就向HLR送出
MS的IMSI并提出鉴权的请求，HLR命令AUC提供验证所
需要的数据，AUC受命后产生随机数RAND，并与Ki经A3
算法计算出响应数SRES。RAND和SRES传回并存储在
HLR内，由HLR将RAND送至MS，MS经同样的算法计算
出SRES，并送回网络。若MS产生的SRES和系统的SRES
相同，则鉴权成功。
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2.数据信息的加密
GPRS网络为了保证数据传输上的安全性，对数据信息进行
加密，定义出另一种特殊的加密算法GEA
（GPRSEncryptionAlgrithm），SGSN与MS都必须同时支持这
种算法。在GSM网络内，BSC与手机之间的语音信号都是经过加
密处理的；在GPRS网络内，SGSN与MS之间的数据信息也要经
过加密处理。
MS侧与网络侧皆用Ki与RAND以A8算法算出Kc，MS将Kc与
逻辑链路帧内的参数相结合，经过GEA算法产生一连串的加密位，
这些加密位对数据信息进行异或运算的加密处理。SGSN同样也
是以Kc与逻辑链路帧内的参数计算出一连串的加密位，当SGSN
收到MS送出加密过的数据信息后，用加密位与数据信息进行异
或运算，将加密过的数据信息译码成原来的数据信息。
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6.7.4
GPRS系统的移动性管理
1.MS登录GPRS网络
GPRS网络内的MS开机后处于闲置状态，为了告知
GPRS网络有关MS的IMSI标识码、目前位置等信息，MS
必须向GPRS网络进行登录的操作，这种程序称为GPRS登
录。登录后的MS从闲置状态转换到准备状态或等待状态。
经过登录程序后，GPRS网络建立了有关MS的移动性管理
（MM），SGSN得知MS目前的位置，能向手机发出寻呼
信号或传送短消息SMS，但是在登录阶段，除了只能接收
短消息业务SMS外，不能传送和接收分组数据。
MS进行登录GPRS网络的信令传输过程如图6-37所示。
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图6-37 MS登录GPRS网络时的信令传输过程
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（1）首先MS传送登录请求指令到SGSN，这个指令包括
MS的IMSI、分组TMSI标识码以及何种登录方式等。
（2）进行MS的鉴权程序，并决定是否进行数据加密。
（3）若MS是第一次登录GPRS网络，或是从另一个
SGSN移动到新的SGSN，则需要进行位置更新，SGSN记录
MS目前的位置，并送出更新位置信号告知HLR有关MS目前
的位置。
（4）当SGSN通知MS有关SGSN已经接收登录的登录接
收指令时，若此时SGSN分配MS一个分组TMSI标识码，则在
登录接收指令内也将包括该分组TMSI标识码。
（5）MS收到登录接收指令并接收到新的分组TMSI标识
码后，将送一个登录完成的指令给SGSN。
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2.网络连接的建立
当MS登录到GPRS网络后，在传输数据信息前，必须
先建立一传输信道，这一过程称为会话管理。会话管理过
程就是网络经历MS的分组数据协议描述图（PacketData
Protocol
Context）的启动过程，即MS与SGSN协商出一
个服务品质（QoS），MS向GGSN登录，MS从网络上得到
一个IP地址等的过程。经过这些过程后，MS即可经过
GGSN传送与接收外部网络的数据信息。
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PDPContext基本上可视为MS在GPRS网络上的地址，
每个MS在GPRS网络上都维持一个专门的PDPContext。
PDPContext内最主要的内容包括IP地址与服务品质QoS参
数，GPRS网络即依据PDPContext上的内容将MS的数据分
组传送到正确的目的地。GPRS网络将随时掌握MS的移动
位置参数并记录在PDPContext内。PDPContext开启后，
GPRS网络为MS保留固定的资源。当MS短时间没有动作时，
在一般正常的情况下，PDPContext仍然维持开启的状态，
MS希望传送数据信息时可直接利用PDPContext进行传送，
这就是为什么称GPRS网络具备随时连接特性的原因。
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在GPRS网络或是因特网上，有许多不同类型的网络用
户与各种不同的应用业务。网络的服务品质QoS是依据用户
的需求与应用业务的种类，对网络资源进行最有效的分配。
不同的应用业务要求的QoS不同，例如，对于VoiceoverIP、
视频会议（VideoConferencing
务，要求维持一致的延迟时间与高速的传输速率，差错控
制反而不是那么重要，因为当错误发生后再重传分组往往
已经超时了。但是有些应用业务如股票交易等，则必须完
全正确地收到所有的分组。
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服务品质QoS在GPRS网络内尤其重要，因为无线频道资源
有限，在蜂窝小区（Cell）内的所有用户彼此都经过相同的
无线频道传输数据，各手机用户所分配到的传输速率变化
相当大，有时可能因为蜂窝小区内用户人数的突然增加，
使传输速率急速降低，造成应用上的困难，若能根据不同
的传输速率与不同类型的手机用户签订不同传输服务的约
定，不仅能为电信运营商带来可观的收益，还能避免因某
些用户对GPRS网络过度使用（如下载大量电子文件）而造
成的网络拥塞。
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图6-38 建立网络连接的信号传输过程
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（1）MS传送开启PDPContext请求指令到SGSN，这
个指令包括请求IP地址的分配及所要求的服务品质QoS等。
（2）执行MS的鉴权程序，并选择是否进行数据加密。
（3）SGSN收到该指令后，向GGSN发出生成
PDPContext的请求，GGSN内部的接入控制功能将检验该
MS所要求的服务品质QoS以及连接因特网的权限。
（4）当这些设置与请求都经过GGSN处理后，GGSN
向计费服务器发出计费请求通知，计费服务器位于电信运
营商的Intranet内，负责动态分配MS的IP地址与计费功能，
计费服务器完成对MS的鉴权后，提供MS一个IP地址。
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（5）计费服务器传回计费响应指令给GGSN，同时告
知GGSN有关MS应该分配的IP地址。
（6）GGSN传回生成PDPContext响应指令给SGSN，
这个指令中包含MS分配到的IP地址。
（7）SGSN发出接受开启PDPContext的指令，告知
MS已经开启PDPContext，这个指令中包含MS分配到的IP
地址。
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3.注销GPRS网络
相对于MS登录到GPRS网络，MS注销GPRS网络时也
将执行GPRS注销（GPRSDetach）的程序。GPRS网络在
某些状况下，允许一些设备发出GPRS注销的指令。例如，
电信营运商的网络管理者若限制某个MS连接上GPRS网络，
可由HLR命令SGSN进行GPRS注销的程序，或是MS在一
定的期间内都一直没有收到GPRS网络的响应，则MS将主
动执行GPRS注销的程序。还有当MS从准备状态转换到闲
置状态时，必须执行GPRS注销程序。
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与三种GPRS登录程序相对应，GPRS注销程序也分为
IMSI注销、GPRS注销以及GPRS/IMSI联合注销三种方式。
当C类的MS设置为语音通话时，代表MS进行IMSI登录程
序，此时若要将C类的MS类的MS设置成数据传输，则MS
必须执行IMSI注销程序，才能执行GPRS登录程序。
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6.7.5
GPRS的局限性
GPRS是对目前GSM网络的补充，与其他的非语音移
动数据业务相比，GPRS可以在频谱效率、容量和功能等方
面提供较大的改善，但是GPRS尚有不少局限性。
（1）小区总容量有限。GPRS并不能增加网络现存小
区的总容量，也就是说，GPRS不能创造资源，它只能更有
效地使用现有的资源。因此，无线频率资源仍然是有限的，
它可以分配给不同的业务使用，但用于一种用途后就不能
用于另一种用途。
语音和GPRS业务都使用相同类型的网络资源。GPRS
对容量的影响程度取决于预留给GPRS使用的时隙个数。
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（2）实际传输速率和理论值之间存在着较大的差距。
要获得GPRS理论上172.2kb／s的最大传输速率，必须要求
单一用户同时占用所有的8个时隙，而且不能采取任何纠错
措施。显然，网络运营商不可能允许一个GPRS用户占用所
有的时隙，而且现有网络条件下完全不采取纠错措施也很
难达到令人满意的传输质量。此外，最初的GPRS终端只能
支持一个、两个或三个时隙，不可能支持全部8个时隙的绑
定使用。因此，GPRS用户的实际可用带宽是非常受限的。
这样，GPRS的最大理论速度受网络和终端内的各种制约因
素的限制，是不可能实现的。
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（3）支持GPRSMT(GPRSMobileTerminate)的终端得不
到保证。目前，还没有任何手机设备制造商声称他们的第一代
GPRS终端可以支持GPRSMT（MobileTerminate）呼叫（即
在手机上接收由网络发起的呼叫）。这将是GPRS是否可以成
功地从其他非语音服务中吸引用户的核心问题。
通常用户启用GPRS服务时，就同意为其收到的业务内容
付费。然而，GPRSMT呼叫可能会允许任意信息到达终端。
在互联网世界里这种任意的信息是不收取费用的，但移动用户
将不得不为所接收到的所有信息（包括垃圾信息甚至恶意信息）
付费，用户显然不愿意看到这样的情况。然而，如果GPRS终
端不能够支持GPRSMT，GPRS的可用性及其商业价值将会受
到质疑。
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（4）GPRS使用的调制方式还有待改进。
GPRS的调制方式是基于GMSK的，这并不是最好的调
制方式。若采用增强型数据速率改进技术EDGE，在GSM、
GPRS基础上将信道调制方式由GMSK改为8PSK，则可以
将单时隙传输速率提高到48kb/s，所以如果上行或下行信道
集中8时隙传送，则数据率可达到每方向384kb/s的最高传输
速率，从而可以基本满足多媒体服务的需求。由于8PSK还
可以被用于UMTS，因此网络运营商需要在某一阶段内采用
该技术，可以更方便地实现向第三代移动通信系统的过渡。
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（5）存在传输时延。
GPRS分组通过不同的路径被送到同一目的地。在通过
无线链接的传输过程中有可能会丢失或损坏一个或部分分
组。GPRS标准虽然可以识别出无线分组技术的内在特点，
并且集成了数据的完整性与重传策略，但是会存在传输的
时延。
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6.8 EDGE技术
6.8.1 EDGE技术简介
EDGE是英文EnhancedDataRateforGSMEvolution的缩
写，即增强型数据速率GSM演进技术。为了克服GPRS速
率低等缺点，人们开发了介于GPRS和3G之间的技术，即
GSM演进的增强数据速率（EDGE），EDGE被称为2.75G
技术。EDGE也是一种基于GSM/GPRS的数据增强型业务，
它可以有效提高网络的数据传输速率及吞吐量，增强数据
业务的支撑能力。
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之所以称EDGE为GPRS到第三代移动通信的过渡性技
术方案，主要原因是这种技术能够充分利用现有的GSM资
源。因为它除了采用现有的GSM频率外，同时还利用了大
部分现有的GSM设备，而只需对网络软件及硬件做一些较
小的改动，就能够使运营商向移动用户提供诸如互联网浏
览、视频电话会议和高速电子邮件传输等无线多媒体服务，
即在第三代移动网络商业化之前提前为用户提供个人多媒
体通信业务。EDGE还能够与以后的WCDMA制式共存，
这也正是其所具有的弹性优势。
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EDGE技术主要影响现有GSM网络的无线访问部分，即收发
基站（BTS）和GSM中的基站控制器（BSC），而对基于电路交
换和分组交换的应用和接口并没有太大的影响。因此，网络运营
商可最大限度地利用现有的无线网络设备，只需少量的投资就可
以部署EDGE，并且通过移动交换中心（MSC）和服务GPRS支
持节点（SGSN），还可以保留使用现有的网络接口。事实上，
EDGE改进了现有GSM应用的性能和效率，并且为将来的宽带服
务提供了可能。EDGE技术有效地提高了GPRS信道编码效率及
其高速移动数据标准，它的最高速率可达384kb/s，在一定程度
上节约了网络投资，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需
求。从长远观点看，它将逐步取代GPRS，成为与第三代移动通
信系统最接近的一项技术。
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图6-39 EDGE网络系统示意图
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EDGE使用与3G建议相同的空中接口调制技术，即8相
移相键控(OctagonalShiftKeying，8PSK)，在一个空中接口
信号中装载3bit的合并信息。8PSK可将现有GSM网络采用
的GMSK调制技术的信号空间从2扩展到8，从而使每个符
号所包含的信息是原来的4倍，使空中接口比特传输速率显
著提高。当这项技术和成熟的信道编码技术结合在一起时，
每信道的理论数据速率最高可达69.2kb/s，远远高于基本
GSM每信道9.6kb/s的速率。
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EDGE的发展可分为EDGEPhase1和EDGEPhase2两个阶段。
EDGEPhase1又称为增强型GPRS（EnhancedGPRS，E-GPRS）；
EDGEPhase2又称为增强型HSCSD（Enhanced HSCSD，EHSCSD），E-HSCSD是考虑在CS业务中如何达到与E-GPRS同样
的速度。
在EDGE中，BSS也更名为EDGE无线接入网
（EDGERadioAccessNetwork，E-RAN
E-GPRS定义了信道编码和调制方式，GPRS移动终端在一次连
接中采用8个空中接口时隙（多时隙操作），理论上每信道采用
69.2kb/s、59.2kb／s和48kb/s的数据速率，则可分别获得553.6kb/s、
473.6kb/s和384kb/s的最高数据速率。EDGE定义了新的QoS参数空
间，例如，对于移动速度为250km/h的移动台，最大数据速率为
144kb/s，对移动速度为100km/h的移动台，其最大数据速率为
384kb/s；静止状态时的最大数据速率为2Mb/s，平均比特率和延迟
等级也与GPRS的不同。
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在网络演进中，EDGE有利有弊。从技术和业务上来看，
EDGE的数据速率几乎等同于UMTS对城市覆盖的要求，而
EDGE却仍使用GSM的载波带宽和时隙。从经济方面来看，
EDGE主要对无线接口进行更换和改进；从硬件方面来看，
包括BSC、BTS和MS，BTS需更换调制解调单元，需增加
或升级PCU、TRAU、IWF；从软件方面来看，GPRS协议
需转换为EDGE协议，GPRS网元和传输设备需软件升级。
MS必须支持EDGE，这意味着从GPRS到EDGE的升级需要
相当大的投资。
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对于不能获得3G运营牌照和频谱的运营商来说，从
GPRS演进到EDGE是一种选择，鉴于EDGE已在世界很多
地方商用，EDGE向3G的UMTS或直接向后3G的发展会有
相应的演进方案和措施。
对于以后能获得3G运营牌照和频谱的运营商来说，
EDGE是一个和3G竞争的方案。是否选择EDGE过渡到3G，
取决于从2.5G的GPRS到3G的UMTS启动的过渡期长短、
GSM/GPRS运营商和CDMA20001x运营商竞争的策略，最
关键的是在对EDGE的投资和业务推广期间，是否有吸引人
的投资回报率。是否选择EDGE过渡是一个因地而宜、多解
的题目。
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6.8.2 EDGE承载的业务和EDGE的特点
1.EDGE承载的业务
1）分组交换业务承载者
GPRS网络能够提供从移动台到固定IP网的IP连接，对每个IP连接
承载者都定义了一个QoS参数空间，如优先权、可靠性、延时、最大和
平均比特率等。通过对这些参数进行不同的组合，可定义不同的承载者，
以满足不同应用的需要。
而对EDGE需要定义新的QoS参数空间。例如，对于移动速度为
250km/h的移动台，最大码率为144kb/s，对移动速度为100km/h的移动
台，其最大码率为384kb/s。此外,EDGE的平均比特率和延迟等级也与
GPRS的不同。
由于不同应用、不同用户的要求不同，因此EDGE必须能够支持更
多的QoS。
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2）电路交换业务承载者
现有的GSM系统能够支持透明和非透明业务。它定义了8
种透明业务承载者，所提供的比特率范围为9.6～64kb/s。
非透明业务承载者用无线链路协议来保证无差错数据传输。
对于这种情况，有8种承载者，所提供的比特率为4.8～
57.6kb/s。实际的用户数据比特率随信道质量的变化而变化。
电路交换业务承载者的定义并不因EDGE的引入而改变,
其比特率不变，不同的只是编码方式有所不同。例如，
57.6kb/s的非透明业务在EDGE中可以用编码方式TCS-1通过
占用两个时隙来实现。而同样的业务，标准GSM系统用
TCH/F14.4需要占用4个时隙。
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2.EDGE的特点
EDGE是一种能够进一步提高移动数据业务传输速率和
从GSM向3G过渡中的重要技术。它在接入业务和网络建设
方面具有以下特性。
1）接入业务方面的特性
(1)带宽得到明显提高,单点接入速率峰值为2Mb/s，单
时隙信道的速率可达到48kb/s，从而使移动数据业务的传输
速率在峰值可以达到384kb/s，这为移动多媒体业务的实现
提供了基础。
（2）为精准的网络层提供位置服务。
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2）网络建设方面的特性
（1）EDGE是一种调制编码技术，它改变了空中接口的
速率。
（2）EDGE的空中信道分配方式、TDMA的帧结构等空
中接口特性与GSM相同。
（3）EDGE不改变GSM或GPRS网的结构，也不引入新
的网络单元，只是对BTS进行升级。
（4）核心网络采用3层模型：业务应用层、通信控制层和
通信连接层。各层之间的接口是标准化的。采用层次化结构可
以使呼叫控制与通信连接相对独立，这可充分发挥分组交换网
络的优势，使业务量与带宽分配更紧密，尤其适应VoIP业务。
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（5）引入了媒体网关(MGW)。MGW具有STP功能，
可以在IP网中实现信令网的组建(需VPN支持)。此外，
MGW既是GSM的电路交换业务与PSTN的接口，也是无线
接入网(RAN)与3G核心网的接口。
（6）EDGE的速率高,现有的GSM网络主要采用高斯最
小频移键控(GMSK)调制技术，而EDGE采用了八进制相移
键控(8PSK)调制，在移动环境中可以稳定达到384kb/s，在
静止环境中甚至可以达到2Mb/s,基本上能够满足各种无线
应用的需求。
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（7）EDGE同时支持分组交换和电路交换两种数据传
输方式。它支持的分组数据服务可以实现每时隙高达
11.2~69.2kb/s的速率。EDGE可以用28.8kb/s的速率支持电
路交换服务，它支持对称和非对称两种数据传输，这对于
移动设备上网是非常重要的。比如在EDGE系统中，用户可
以在下行链路中采用比上行链路更高的速率。
可见，EDGE的电路交换方式可以利用较少的时隙占用
来实现较高速的数据业务，这可降低移动终端实现的复杂
度。同时，由于各个用户占用的时隙数比标准GSM系统的
少，因此可以增加系统的容量。
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