GSM原理及网络优化

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xx 一、我国GSM网络的工作频段

我国陆地蜂窝数字移动通信 网GSM通信系统采用900MHz与1800MHz频段:

GSM900MHz频段为：890~915(移动台发,基站收),935~960(基站发,移动台收);

DCS1800MHz频段为：1710~1785(移动台发,基站收),1805~1880(基站发,移动

台收);

二、频道间隔

相邻两频点间隔为为200kHz，每个频点采用时分多址（TDMA）方式，分

为8个时隙，既8个信道（全速率），如GSM采用半速率话音编码后，每个

频点可容纳16个半速率信道，可使系统容量扩大一倍，但其代价必然是导致

语音质量的降低。

三、频道配置

绝对频点号和频道标称中心频率的关系为：

GSM900MHz频段为:

fl(n)=890.2MHz + (n-1)×0.2MHz (移动台发,基站收）；

fh(n)=fl(n)+45MHz (基站发,移动台收); n∈[1，124]

GSM1800MHz频段为：

fl(n)=1710.2MHz + (n-512) ×0.2MHz (移动台发,基站收）；

fh(n)=fl(n)+95MHz (基站发,移动台收）；n∈[512，885]

其中：fl(n)为上行信道频率、fh(n)为下行信道频率,n为绝对频点号

（ARFCN）。

第一节 时分多址技术（TDMA）

多址技术就是要使众多的客户公用公共信道所采用的一种技术，实现多址的方法基本有三种，频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）。我国模拟移动通信网TACS就是采取的FDMA技术。CDMA是以不同的代码序列实现通信的，它可重复使用所有小区的频谱，它是目前是最有效的频率复用技术。GSM的多址方式为时分多址TDMA和频分多址FDMA相结合并采用跳频的方式，载波间隔为200K，每个载波有8个基本的物理信道。一个物理信道可以由TDMA的帧号、时隙号和跳频序列号来定义。它的一个时隙的长度为0.577ms,每个时隙的间隔包含156.25比特GSM的调制方式为GMSK，调制速率为270.833kbit/s。

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一、TDMA信道的概念

在GSM中的信道可分为物理信道和逻辑信道。一个物理信道就是一个时

隙，通常被定义为给定TDMA帧上的固定位置上的时隙（TS）。而逻辑信道

是根据BTS与MS之间传递的消息种类不同而定义的不同逻辑信道。这些逻

辑信道是通过BTS来影射到不同的物理信道上来传送。

逻辑信道又可分为业务信道和控制信道.

（一） 业务信道：业务信道用于携载语音或用户数据，可分为话音业务

信道和数据业务信道。

1、 话音业务信道

TCH/FS：全速率语音信道 13Kbit/s

TCH/HS: 半速率语音信道 5.6Kbit/s

2、 数据业务信道

TCH/F9.6: 9.6kbit/s 全速率数据信道

TCH/F4.8: 4.8kbit/s 全速率数据信道

TCH/H4.8: 4.8kbit/s 半速率数据信道

TCH/H2.4: <=2.4kbit/s 半速率数据信道

TCH/F2.4: <=2.4kbit/s 全速率数据信道

（二）控制信道：控制信道用于携载信令或同步数据，可分为广播信道、

公共控制信道和专用控制信道 。

广播信道（BCH）：包括BCCH、FCCH和SCH信道，它们携带的信

息目标是小区内所有的手机，所以它们是单向的下行信道。

公共控制信道（CCCH）：包括RACH、PCH、AGCH和CBCH，前一

个是单向上行信道，后者是单向下行信道。

专用控制信道（DCCH）：包括SDCCH、SACCH、FACCH

1、广播信道：

广播信道仅用在下行链路上，由BTS至MS。它们用在每个小区的TS0

上作为标频，在一些特殊的情况下，也可用在TS2，4或6上，这些信道包括

BCCH、FCCH和SCH。为了通信，MS需要于BTS保持同步，而同步的完成

就要依赖FCCH和SCH逻辑信道，它们全部为下行信道，为点对多点的传播

方式。

频率校正信道（FCCH）：FCCH信道携带用于校正MS频率的消息，

它的作用是使 MS可以定位并解调出同一小区的其它信息。

同步信道（SCH）：在FCCH解码后，MS接着要解出SCH信道消息，

它给出了MS需要同步的所有消息及该小区的的标示信息如TDMA帧号（需

22比特）和基站识别码BSIC号（需6比特）。

广播控制信道（BCCH）：MS在空闲模式下为了有效的工作需要大量

的网络信息。而这些信息都将在BCCH信道上来广播。信息基本上包括小区

的所有频点、邻小区的BCCH频点、LAI（LAC+MNC+MCC）、CCCH和

CBCH信道的管理、控制和选择参数及小区的一些选项。所有这些消息被称为

系统消息（SI）在BCCH信道上广播，在BCCH上系统消息有八种类型TYPE

1、2、2bis 、2ter、3、4、7和8。

2、公共控制信道：

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公共控制信道包括AGCH、PCH、CBCH和RACH，这些信道不是供一

个MS专用的，而是面向这个小区内所有的移动台的。在下行方向上，由

PCH、AGCH和CBCH来广播寻呼请求、专用信道的指派和短消息。在上行

方向上由RACH信道来传送专用信道的请求消息。

寻呼信道（PCH）：当网络想与某一MS建立通信时，它就会在PCH

信道上根据MS所登记的LAC号向所有具有该LAC号的小区进行寻呼，寻呼

MS的标示为TMSI或IMSI，属下行信道，点对多点传播。

接入许可信道（AGCH）：当网络收到处于空闲模式下MS的信道请求

后，就将给之分配一专用信道，AGCH通过根据该指派的描述（所分信道的描

述，和接入的参数），向所有的移动台进行广播，看属于谁的，下行信道，点

对点传播。

小区广播控制信道（CBCH）：它用于广播短消息和该小区一些公共的

消息（如天气和交通情况），它通常占用SDCCH/8的第二个子信道，下行信

道，点对多点传播。

随机接入信道（RACH）：当MS想与网络建立连接时，它会通过

RACH信道来广播它所需的服务信道，请求消息包括3个比特的建立的原因

（如呼叫请求、响应寻呼、位置更新请求、及短消息请求等等）和5个比特的

用来区别不同MS请求的参考随机数，属上行信道，点对点传播方式。

3、专用控制信道包括SDCCH、SACCH、FACCH、TCH，这些信道被用于某一

个具体的MS上.

独立专用控制信道（SDCCH）：SDCCH是一种双向的专用信道，它主

要用于传送建立连接的信令消息、位置更新消息、短消息、用户鉴权消息、加

密命令及应答及各种附加业务。

慢速随路控制信道（SACCH）：SACCH是一种伴随着TCH和SDCCH的

专用信令信道。在上行链路上它主要传递无线测量报告和第一层报头消息（包

括TA值和功 率控制级别）；在下行链路上它主要传递系统消息type5、

5bis 、5ter、6及第一层报头消息。这些消息主要包括通信质量、LAI号、

CELLID、邻小区的标频信号强度等信息、NCC的限制、小区选项、TA值、

功率控制级别。

快速随路控制信道（FACCH）：FACCH信道与一个业务信道TCH相

关。FACCH在话音传输过程中如果突然需要以比慢速随路控制信道

（SACCH）所能处理的高的多的速 度传送信令消息，则需借用20ms的话音

突发脉冲序列来传送信令，这种情况被称为偷帧，如在系统执行越局切换时。

由于话音译码器会重复最后20ms的话音，所以这种中断不会被用户察觉的。

六、系统消息

MS为了能得到或提供各种各样的服务通常需要从网络来获得许多消息。这

些在无线接口广播的消息被称做系统消息，可共分为12种类型：type1、2、

2bis、2ter、3、4、5、5bis、5ter、6、7、8。

每个系统消息都由不同的元素组成，如以下阐述：

当前网络、位置区和小区的识别消息

小区供切换的测量报告消息和小区选择的进程消息

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当前控制信道结构的描述消息

该小区不同的可选项的消息

关于邻小区BCCH频点的分配

系统消息在两种逻辑信道中传送，BCCH或SACCH信道。手机在不同的

模式下通过不同的逻辑信道来收听系统消息

在空闲模式下，用BCCH信道（传送系统消息1 至4及7、8） 在通信模式下，用SACCH信道（传送系统消息5和6）

系统消息的主要内容如下：

SI type1 小区信道描述+RACH控制参数 (TC=0,若系统采用跳频，1.88

秒一次)

SI type2 邻小区BCCH频点描述+RACH控制消息+允许的PLMN（TC=1，1.88秒一次） SI type2bis 扩展邻小区BCCH频点描述+RACH控制消息（TC=5，1.88秒一次） SI type2ter 扩展邻小区BCCH频点描述2（TC=4或5，1.88秒一次） SI type3 小区识别（CELLID）+位置区识别（LAI）+控制信道描述+

小区选择+小区选择参数+RACH控制参数（TC=2且TC=6，1.88秒

两次）

SI type4 位置区识别（LAI）+小区选择参数+RACH控制参数+CBCH

信道描述+CBCH移动配置（TC=3且TC=7，1.88秒两次）

SI type5 邻近小区BCCH频点描述

SI type5bis 扩展邻近小区BCCH频点描述

SI type5ter 扩展邻近小区BCCH频点描述

SI type6 小区识别（CELLID）+位置区识别（LAI）+小区选择

SI type7 小区重选参数（TC=7，1.88秒一次）

SI type8 小区重选参数（TC=3，1.88秒一次）

其中TC为循环序号，这些或SACCH信道中向移动台广播。BCCH信道是

一个小容量的信道，每51复帧（235ms）仅有四帧（一个消息块）传送一个

23字长Lapdm的消息。

注：

1、小区信道描述中含有该小区所使用到的所有频点，包括BCCH频点

和跳频频点。

2、RACH控制消息中含有参数max retrans（最大重传数）、TX_integer

（传输的时隙数）、cell bar access（小区是否被禁止接入）、RE（呼

叫重建允许比特）、EC（紧急呼叫允许比特）、AC CN（被限制接

入的用户级别）

3、邻小区BCCH频点描述包括其邻小区所使用的BCCH频点

4、允许的PLMN用来提供小区内BCCH载波上移动台监测的所允许的

NCC。

5、控制信道描述中包括：ATT（移动台附着分离允许指示）、BS-AG-

BLKS-RES（留做接入允许AGCH的块数）、CCCH-CONF（公共控

制信道结构）、BA-PA-MFRMS（传输寻呼消息留给同一寻呼组的

51TDMA复帧数）、T3212（用做周期性位置更新的时间）。

6、小区选择中包括：PWRC（功率控制指示）、DTX（不连续发射指

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示）、RADIO-LINK-TIMEOUT（无线链路超时值）

7、小区选择参数包括：小区重选滞后值、MS-TXPWR-MAX-CCH（移

动台接入小区应使用的最大TX功率电平）、RXLEV-ACCESS-MIN

（允许接入系统的移动台的最小接入电平）。

8、CBCH信道描述中包括：信道类别和TDMA偏差（哪种专用信道的

组合）、TN（时隙号）、TSC（训练序列码）、H（跳频信道指

示）、MAIO（移动配置指数偏移量）、HSN（跳频序列号）、

ARFCN（绝对频点号）。

9、CBCH移动配置中包括参与跳频的频道顺序与小区信道描述的关系。

小区重选参数包括CELLRESELIND（小区重选指示）、CBQ（小区禁止

限制）、CRO（小区重选偏置量）、TO（临时偏置量）、PT（惩罚时间）

二、分集接收

多径衰落和阴影衰落产生的原因是不同的，随着移动台的移动，瑞利衰落

随着信号的瞬时值快速变动，而对数正态衰落随着信号平均值变动，这两者是

构成移动通信接收信号不稳定的主要因素，使接收信号被大大恶化，虽然通过

增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善，但采用这些方法在移动通

信中比较昂贵，有时也显得不切实际，而采用分集方法即在若干支路上接收相

互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路的信

号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。

由于衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术包括空间分集、

时间分集、频率分集和极化分集四种。

1. 空间分集：若在空间设立两副接收天线，独立接收同一信号，由于其传播

环境及衰落各不相同，具有不相干或相干性很小的特点，采用分集合并技

术并使输出较强的有用信号，降低了传播因素的影响。在移动通信中，空

间的间距越大，多径传播的差异就越大，所收场强的相关性就越小。天线

间隔可以是垂直间隔也可以是水平间隔。但是，垂直间隔的分集性能太

差，不主张用这种方式。为获得相同的相关系数，基站两分集天线之间的

垂直距离应大于水平距离。这种方式在移动通信中是最有效的，也是应用

最普遍的一种分集方式。

2. 时间分集：可采用通过一定的时延来发送同一消息，或在系统所能承受的

时延范围以内在不同时间内的各发送消息的一部分。在GSM中采用的是

后面会讲到的交织技术来实现时间分集的。

3. 频率分集：这种分集技术在GSM中是通过调频来实现的，

4. 极化分集：它x是通过采用垂直电子天线、垂直磁性天线和环状天线来实

现的。

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第四节 移动台和基站的时间调整

移动台收发信号要求有3个时隙的间隔,由于移动台是利用同一个频率合

成器来进行发射和接收的.因而在接收和发送信号之间应有一定的间隔。从基

站的角度上来看，上行链路的编排方式可由下行链路的编排方式延迟3个突发

脉冲获得。这3个突发脉冲的延时对于整个GSM网络是个常数。

典型的移动台在一个时隙间接收，在频率上平移45MHz，经过一段时间

（3个突发脉冲减去传播的校正时间后发送，然后可能再次平移监视其它信

道，并使接收频率移动到能重新开始整个周期。

在通信过程中，如移动台在呼叫期间向远离基站的方向上移动，因而从基

站发出的消息将越来越迟的到达移动台。与此同时，移动台的应答信息也会越

来越迟的到达基站.如不采取措施，该时延长至当基站收到该进动台在本时隙

上发送的消息会与基站在其下一个时隙收到的另一个呼叫信息重叠起来，而引

起干扰。因此，在呼叫进行期间由移动台向发送的基站SACCH上的测量报告

的报头上携带着由移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达的时间，并

BTS在下行的SACCH的系统报告上每次两秒的频次向移动台发出指令，随着

移动台离开基站的距离，逐步指示移动台提前发送的时间，这就是时间的调

整。在GSM中被称为时间提前量TA。

时间提前量值可以由0至233us，该值会影响到小区的无线覆盖，在给定

光速下，GSM小区的无线覆盖半径最大可达到35km，这个限制值是由于

GSM定时提前的编码是在0~63之间。基站最大覆盖半径算法如下：

3.7us×63×3×108m/s÷2=35km

其中，3.7us:每个比特的时长；63：时间调整的最大比特数；3×10m/s:

光速。

但在某些情况下，客观需要基站能覆盖更远的地方，比如在沿海地区，如

需用来覆盖较大范围的一些海域或岛屿。这种覆盖在GSM 中是能实现的，代

价是须减少每载频所容纳的信道数，办法是仅使用TN为偶数的信道（因为

TN0必须用做BCCH），空出奇数的TN，来获得较大的保持时间。这在北电中

被称为扩展小区技术,这一技术有专门的接收处理.这样定时提前的编码将会增

大一个突发脉冲的时长。即基站的最大覆盖半径为：

3.7us×(63+156.25)×3×108m/s÷2=120km

图示：扩展小区的TDMA帧

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第五节 跳频技术

跳频可分为快速跳频和慢速跳频,在GSM中采用的是慢速跳频,其特点是按

照固定的间隔改变一个信道使用的频率.

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根据GSM的建议，基站无线信道的跳频是以每一个物理信道为基础的，

因此对于移动台来说，只需要在每个帧的相应时隙跳变一次，其跳频速率为

217跳/秒，它在一个时隙内用固定的频率发送和接收，然后在该时隙后需跳到

下一个TDMA帧，由于监视其它基站需要时间，故允许跳频的时间约为

1ms，收发频率为双工频率。但对基站系统来说，每个基站中的TRX（收发信

机）要同时于多个移动台通信，因此，对于每个TRX来说，能根据通信使用

的物理信道，在其每个时隙上按照不同的跳频方案来进行跳变。

一、跳频的种类及各自实现的方法

GSM中的跳频可分为基带跳频和射频跳频两种。在北电系统中采用的

是射频跳频。

基带跳频是通过腔体合成器来实现的，而射频跳频是通过混合合成器来

实现的。

当采用基带跳频时，它的原理是在真单元和载频单元之间加入了一个以

时隙为基础的交换单元，通过把某个时隙的信号切换到相应地无线频率上来实

现跳频，这种做法的特点是比较简单，而且费用也底。但由于采用的腔体合成

器它要求其每个发信机的频率都是固定发射的，当发信机要改动其频率时，只

能人工调谐到新的频率上，其话音信号随着时间的变化使用不同频率发射机发

射，收发信机在跳频总线上不停的扫描观察，当总线发现有要求使用某一频率

时，总线就自动指向拥有该频率的发信机上来发送信号。采用基带跳频的小区

的载频数与该小区使用的频点数是一样的。

当采用射频跳频时，它是在通过对其每个TRX的频率合成器进行控制，

使其在每个时隙的基础上按照不同的方案进行跳频。它采用的混合合成器对频

带的要求十分宽松，每个发信机都可使用一组相同的频率，采用不同的MAIO

加以区分。但它必须有一个固定发射携带有BCCH的频率的发信机，其他的

发信机可随着跳频序列的序列值的改变而改变。

两者的区别是：

1、基带跳频采用的腔体合成器最多可配置8个发信机，而且衰耗小，此

时衰耗仅为3.5dB;而射频跳频采用的混合合成器的容量较小,最多可配置4个

发信机,而且衰耗大,当为H2D时,衰耗为4.5dB当为H4D时,衰耗为8dB.显然,当

基站配置较大时,采用混合合成器的基站的覆盖要小.

2、腔体合成器对频段的要求不如混合合成器灵活,混合合成器所带的发信

机可以使用一组频率,频点的间隔要求为200 K;腔体合成器的发信机仅能使

用固定的频率发射,而且所用频点的间隔要求大于600K.

3、基带跳频的每个发信机TX只能对应一个频点，而射频跳频的每个发

信机TX能够发送所有参与跳频的频点。当使用基带跳频时携带BCCH频点的

TX若出现故障，则易导致整个小区的瘫痪，而在射频跳频时则不会出现这类

情况，因为每个TX都能发送BCCH频点，携带BCCH信道的载频优先级最

高，当该载频出现问题时，携带BCCH信道的TDMA帧，能够自动通过另一

个载频发射出去。

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二、跳频的优点

GSM采用跳频有两个原因,是因为它可起到频率分集和干扰源分集的作用。

1、 跳频可起到频率分集的作用。

跳频是要保证同一个信息按几个频率发送，从而可提高了传输特性。不同

频率的信号所收到的衰落不同，而且随着频率差别增大时，衰落更加独立。对

于相距足够远的频率，它们可看做是完全独立的，通过跳频，包括信息一部分

的所有突发脉冲不会被瑞利衰落以同一方式破坏。

当移动台以高速移动时，在同一信道上接收两个相邻突发脉冲期间（相隔

8个时隙，即4.615ms）,移动台位置的差别对于驱除信号瑞利变化的相关性以

足够了,在这种情况下,跳频基本起不到什么作用.然而对于拥有大量手持机的用

户的系统是很重要的,因为手持机的用户通常运动速度较慢,或处于静止状态,在

此时跳频优越性就显示出来了,它所能提供的增益大概是在6.5dB左右.

2、 跳频可起到干扰源分集作用

在业务量密集的地方，网络的容量将受到由于频率复用产生的干扰限

制。相对干扰比C/I值（载波电平/干扰电平）可能在呼叫之间变化很大。载波

电平随着移动台相对于基站的位置及移动台与基站之间障碍的数量而变化，干

扰电平的变化依赖于此频率是否被附近蜂房的另一呼叫使用，它还随着干扰源

距离、电平的变化而变化。由于系统的目标是尽可能满足更多用户的需求，当

不选用跳频时，如一频点出现干扰时，当用户占用该频点时就会造成通话质量

使用户难以忍受，而当使用跳频时，该干扰情况就会被该小区的许多呼叫所共

享，整个网络的性能将得到提高。经分析使用跳频的网络可比不采用跳频的网

络高出3dB的增益。

三、跳频序列

在小区参数的定义中定义了两个频率组，一个称为小区分配表（CELL

ALLOCATION）用来定义该小区所用到的所有频点，另一个被称为移动分配

表（MOBILE ALLOCATION）用来定义参与跳频的所有频点。在此值得注意

的是，携带有BCCH的载频，不能用于跳频，因为它携带有FCCH、SCH及

BCCH信道，需要不停的向该小区的所有手机广播同步消息及系统消息。在

GSM规范中有两个参数用来定义跳频序列，分别是MAIO（移动分配指针偏

移）和HSN（跳频序列号）。

MAIO因需描述跳频重复功能的起点，所以偏移的可能值与参与跳频的

频率数一样多。MA的频点数应在1到64之间，产生跳频序列要经过一个十

分复杂的算法过程时，参与计算的参数有FN（当前的帧号及获得的描述帧号

的T1、T2、T3值）、MAIO、HSN。

HSN值有64个不同的值，通常一个小区的信道应有相同的HSN值，不

同的MAIO值，因为这是要避免同一小区信道之间的干扰，当同一小区出现相

同的MAIO后将导致严重的指派失败率。两个拥有相同HSN不同MAIO的信

道，不会在同一突发脉冲使用相同的频率。相反，当两个使用同一跳频组，

MAIO也相同的但HSN不同的信道，它只会对突发脉冲的1/n干扰。

MS可以由系统广播消息中提供的小区参数来根据算法导出跳频序列和小

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区的跳频序列号。

在使用同一跳频组的相邻小区中，应注意使用不同的HSN，该做法可

获得干扰源分集增益。但注意应尽量避开使用HSN=0的情况（它是循环跳

频），因为它会导致低质量的干扰源分集。

第四章 呼叫处理过程

在这一章中，我们重点来研究一下，当移动台处于空闲状态时的工作情况及

移动台与网络之间的信令处理过程。

第一节 小区的选择与重选

一、 小区选择过程

当移动台开机后，它会试图与SIM卡允许的GSM PLMN取得联系，因此

移动台将选择一个合适的小区，并从中提取控制信道的参数和其它系统信息，

这种选择过程被称为“小区选择”。

如果移动台并无存储的BCCH消息，它将首先搜索完所有的124个RF信

道（如果为双频手机还应搜索374个GSM1800的RF信道），并在每个RF信

道上读取接收的信号强度，计算出平均电平，整个测量过程将持续3~5s，在

这段时间内将至少分别从不同的RF信道上抽取5个测量样点。

MS将调谐到接收电平最大的载波上，判断该载波是否为BCCH载波（通

过搜寻FCCH突发脉冲），若是，移动台将尝试解码SCH信道来与该载波同

步并读取BCCH上的系统广 播消息。若MS可正确解码BCCH的数据，并当

数据表明该小区属于所选的PLMN、参数C1值大于0、该小区并未被禁止接

入、移动台的接入等级并未被该小区禁止时，移动台方可选择该小区。否则，

MS将调谐到次高的载波上直到找到可用的小区。

如MS在上次关机时，存储了BCCH载波的消息，它将首先搜索已存储的

BCCH载波，若未找到则执行以上过程。

参数C1为供小区选择的路径损耗准则，服务小区的C1必须大于0，其公

式如下：

C1=RXLEV-RXLEV_ACCESS_MIN - MAX ((MS_TXPWR_MAX_CCH - P),

0) 单位：dBm

其中RXLEV为移动台接收的平均电平; RXLEV_ACCESS_MIN 为允许移

动台接入的最小接收电平; MS_TXPWR_MAX_CCH为移动台接入系统时可使

用的最大发射功率电平;P为移动台的最大输出功率。

问题研究：允许接入的最小接入电平RXLEV_ACCESS_MIN

为了避免移动台在接收电平很低的情况下接入系统（此时接入后的通信质

量往往很差，以至于无法保证正常的通信过程），而无法提供用户满意的通信

质量而无谓的浪费无线资源，因而GSM规范规定移动台在接入网络时其接收

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电平必须大于参数RXLEV_ACCESS_MIN所定义的值。

当减小该值时，将扩大小区允许接入的范围（其下限是移动台接收灵敏

度），但在边缘地带的通话质量会很恶劣易引起掉话，而且此时由于上下行信

号很弱，会导致在功率控制下移动台以最大功率发射，从而增加上行信号干

扰。

但该值设置过大时会使小区的有效覆盖范围随之缩小，在小区交接处人为

的造成盲区。

二、小区重选过程

当移动台选择某小区为当前服务小区后，在各种条件变化不大的情况下，

移动台将驻留在所选的小区中，并根据服务小区的BCCH系统消息所指示的

小区重选邻小区频点配置表，开始监测该表中所有BCCH载波的接收电平和

同步消息，并记录下接收电平最高的6个邻小区，并从中提取每个邻小区的的

各类系统消息和控制消息，当满足一定条件时移动台将重新选择其中一个邻小

区作为服务小区，这个过程被称为小区重选。所谓一定的条件包含多方面的因

素，如小区的限制（由cell_bar和cell_bar_qualify来决定）、小区是否被禁止

接入等。

小区重选采用的算法为C2算法，计算公式如下：

当PENALTY_TIME不等于11111时：C2=C1+CELL_RESELECT_OFFSET–

TEMPORARY_OFFSET×H(PENALTY_TIME–T)；

当PENALTY_TIME等于11111时：C2=C1-CELL_RESELECT_OFFSET；

其中当X>0时,函数H(x)=0;当X≤O,函数H(x)=1；

T是一个定时器,它的初始值为0,当某小区被移动台记录在信号电平最大的

六个邻小区时,则对应该小区的计数器T开始计时,当该小区从移动台信号

电平最大的六个邻小区表中去除时,相应的定时器T被复位；

CELL_RESELECT_OFFSET为小区重选偏移量,可人为的来调整C2值的

大小;

TEMPORARY_OFFSET为临时偏移量；

PENALTY_TIME为惩罚时间, 从移动台发现某一小区的信号出现后，定

时器T开始置位到定时器T的值到达PENALTY_TIME规定的时间之前将

按照TEMPORARY_OFFSET所定义的值给该小区的C2算法一个负偏置

的修正，这种做法是用来防止当移动台在快速移动时来选择一个微蜂窝或

覆盖较小的小区作为服务小区的情况。如果在时间超过仍收到该小区的信

号，；反之，若时间超过了PENALTY_TIME所定义的时间后，将不考虑

临时偏移量。在高速公路等覆盖区可使用惩罚时间。

在这里值得注意的是,仅当小区重选指示

(CELL_RESELECTION_INDICATION)激活时C2算法这几个参数才起作用,否

则移动台将不考虑CELL_RESELECT_OFFSET、TEMPORARY_OFFSET和

PENALTY_TIME的设置情况，因而此时C2=C1。

当发生以下情况时，将触发小区重选

1、 移动台计算某小区（与当前小区属同一个位置区）的C2值超过移动

台当前服务小区的C2值连续5秒。

GSM原理及网络优化

2、 移动台计算某小区（与当前小区不属同一个位置区）的C2值超过移

动台当前服务小区的C2值与小区重选滞后值

（CELL_SELECTION_HYSTERESIS）之和连续5秒

3、 当前服务小区被禁止

4、 MS监测出下行链路故障

5、 服务小区的C1值连续5秒小于0

问题研究：

1、小区重选滞后值的设置原则：当移动台进行小区重选时，若原小区和

目标小区属不同的位置区，则移动台在小区重选之后必须启动一次位置更新过

程，由于无线信道的衰落特性，通常在相邻小区的交界测得的C2值会有较大

的波动，从而导致频繁的小区重选和位置更新，它不但使网络网络的信令流量

大大增加导致信令信道的拥塞，并且由于移动台在位置更新过程中无法响应网

络对它的寻呼，因而使网络接通率降低。为了减小这一问题的影响，GSM设

立了小区重选滞后这一参数，要求其邻小区（位置区与本区不同）信号电平必

须比服务小区的信号电平大出重选滞后所规定的值后，才允许触发小区重选。

建议当在话务统计报告中发现位置更新较频繁时，可将该小区的值设为6dB或

8 dB。但如果这两个小区的无线覆盖比较差时，应将该值适当的设小一些。

2、下行信令故障：下行信令故障准则基于下行信令故障计数器DSC，当

MS选择了某小区时，DSC置为[90/BS_PA_MFRMS]取整，BS_PA_MFRMS为

基站传输寻呼消息给同一寻呼组MS之间的51TDMA帧复帧数。因此当MS

要在其寻呼子信道上译码时，若成功则DSC加1，若失败，则DSC减4，当

DSC为0时，则断定出现了下行信令故障。

3、值得注意的时，每次由参数C2引起的小区重选至少间隔15秒，这是为了

避免移动台频繁的小区重选过程。当某小区的话务较闲时，可适当提高其

CELL_RESELECT_OFFSET，来增强该小区吸引话务量的能力。但作为两个相邻的

小区，它们的所定义的重选偏置的差值应尽量要小于20dB，否则将使该服务

区边界的信号很不稳定。

4、小区接入限制（CELL_BAR_ACCESS,CBA）和小区禁止限制

（CELL_BAR_QUALIFY,CBQ）

对于小区重叠的地区，根据每个小区容量的大小，业务量的大小及小区

功能的差异，网络运营商们都希望移动台在小区选择中优先选择某些小区，即

设定小区的优先级。这一功能可以通过设置参数小区接入限制和小区禁止限制

来实现，见下表：

优先进入某种类型的小区，如微蜂窝和双频网等，此时我们可将这些小区的优

先级设为正常，而将周围其它小区的优先级设为低。当移动台在小区选择过程

中，只有当没有优先级为正常的合适小区时，才去选择优先级为低的小区。通

过设置小区优先级我们可以对一些拥塞较严重的小区和其相邻的小区来进行话

务平衡，即将它们的优先级设为低使它的邻小区将其话务量吸收过去一部分，

GSM原理及网络优化

这也相当于将其实际的覆盖范围减小，但这种做法不同于将其功率降低，后者

可能会引起网络覆盖的盲点和通话质量的下降。

当小区接入禁止设为1且小区禁止限制设为0时，则该小区只允许切换

业务，而不允许移动台直接接入，这种做法常被用在微蜂窝和双频网的覆盖环

境下。如在双层覆盖的情况下，用底层网络来吸引话务量而用上层网络来保证

覆盖。当上层小区的覆盖区业务量较大时，为了防止拥塞可使用该做法来移动

台禁止接入该小区而迫使它去选择其底层的小区，仅支持移动台的切换业务以

防止掉话。

但用小区优先级为手段去做网络优化时，应注意，它只影响小区选择而

对小区重选不起作用，因而要真正达到网络优化的目的必须结合使用小区优先

级和C2算法。

三、不连续接收模式DRX和寻呼信道的定义

在空闲模式下，若移动台选择了某小区后作为服务小区后，它就可以开始

收听该小区的寻呼消息了。但为了降低功耗，在GSM规范中引入了不连续接

收的机制，每个移动用户（即对应每个IMSI）都属于一个专门的寻呼组，在

小区中每个寻呼组都分别与一个寻呼子信道相对应，移动台可根据自身IMSI

的最后3位及该位置区寻呼信道的配置情况来计算出它所属的寻呼组，进而计

算出该寻呼组的寻呼子信道位置。在实际情况下，移动台在空闲状态下仅守侯

在属于它的寻呼子信道上来收听系统播发的寻呼消息（在此期间它还可用来监

测非服务小区的BCCH载波的接收电平），而忽略其它寻呼子信道的内容，

甚至在其它寻呼子信道期间关闭移动台某些硬件设备的电源以节约移动台的功

率开销，但必须保证在一定的时间内完成必要的测量网络消息的任务。

我们可以根据CCCH信道的配置类型、BS_AG_BLKS_RES(在51复帧中

有几个块用于AGCH块)、BS_PA_MFRMS(以多少个51复帧作为寻呼子信道

的一个循环)来计算出每个小区寻呼子信道的个数。

当一个51复帧中CCCH为3时寻呼子信道数为：（3-

BS_AG_BLKS_RES）×BS_PA_MFRMS

当一个51复帧中CCCH为9时寻呼子信道数为：（9-

BS_AG_BLKS_RES）×BS_PA_MFRMS

问题研究：

1、当参数BS_PA_MFRMS越大，小区的寻呼子信道也就越多，相应的属于

每个寻呼子信道的用户数也就越小，但系统总体容量并未增加，因为它是以牺

牲寻呼消息在无线信道上的平均时延为代价的。当通过话务统计报告发现重发

等待的比率较大时，应适当提高BS_PA_MFRMS来划分更多的寻呼子信道。

如重发的比率较 低，则可将将该参数降低，以减少寻呼时延。

2、应注意同一位置区的所有小区的寻呼子信道容量应尽量一样，因为同一

位置区的任何一个寻呼消息必须同时在该位置区的所有小区发送。

3、当寻呼信道周期越长，在该服务区的手机就越省电，如市区可定义为2

即手机在102内帧收听一次寻呼消息，郊区可定义为4或6，当该参数为6时

将比2时省电18%。在手机完成对系统消息的测量后，就进入休息状态，仅在

GSM原理及网络优化

指定的寻呼块内受听寻呼消息并同时测量邻小区的BCCH的接收电平，在30

秒左右的时间内又将会去收听系统消息，来判断小区重选的进程。

4、在GSM系统中公共控制信道CCCH信道主要包括AGCH和PCH信道，

它的主要作用是用来发送立即指派消息和寻呼消息。CCCH可以由一个物理信

道承担，也可以有多个物理信道共同承担，且CCCH可以与SDCCH信道共用

一个物理信道。小区中的公共控制信道采用哪种组合方式，由参数

CCCH_CONF决定。应注意，小区中的CCCH_CONF的设置必须与小区公共

控制信道的实际配置情况一致。建议当小区的TRX数为一个时，CCCH的配

置可采用一个基本物理信道且与SDCCH共用（此时有3个CCCH消息块）。

在有时由于一个位置区的寻呼业务量特别大，为了防止仅用一个物理时

隙发送寻呼消息不够用，因而GSM规范允许在携带有BCCH信道的载频上，

可以多配置几个CCCH信道，但只要求在时隙0、2、4、6上使用。

5、当CCCH_CONF确定以后，参数BS_AG_BLKS_RES实际上就是分

配AGCH和PCH在CCCH上占用的比例。建议在保证AGCH信道上不过载

的情况下，应尽可能缩小该参数以缩短移动台响应寻呼的时间。

第二节 初始化过程

一、信道申请

初始化过程就是一个随机接入的过程。当移动台需要同网络建立通信时，

就需通过RACH信道来向网络发送一个报文以申请接入。这个在RACH上发

送的报文被称做信道申请（channel request）,它的有用信令消息只有8比特，

其中有3比特用来提供接入网络原因的最少指示，在网络拥塞的情况下，系统

可根据这这一粗略的指示来分别对待不同接入目的的信道申请（哪些类型的呼

叫可接入网络、哪些类型的呼叫将被拒绝）并为它们选择分配最佳类型的信

道，在这一指示中显然不足以传送移动台想传送的所有信息，如申请信道的具

体原因、用户身份及移动设备的特性，这些消息是在此后的SABM消息中发

送的。另外5比特是移动台随机选择的鉴别符，它并不用来向网络提供信息，

而是用来区分两个移动台在同一时隙内发送信息时被网络所识别，在网络此后

向移动台发送的立即指派命令（含有所分配信道的信息中），会再将该鉴别符

发给移动台，移动台通过此鉴别符和本身所发送的鉴别符相比较来判断是否是

网络发送给自己的消息。

问题研究：系统对RACH的控制功能

1、 值得注意的是网络无法知道移动台何时需要通信，移动台也很可能会同

时占用同一个RACH时隙来用于申请接入，这时不可避免的要发生碰撞现

象。后果有两个，一是网络收到在此时隙上的一个突发脉冲的电平，要明显的

比另一个高，这样网络就会处理电平较高的这个随机接入请求。另一后果是，

网络什么也不能正确的接收到。因而随着业务量的增长，报文因碰撞而丢失的

几率也就越大，这必将是对网络容量的一个重要的制约因素。

GSM原理及网络优化

在此GSM引入了两个机制用来控制这种报文丢失情况，一个是允许重发

的最大次数（maxretrans），另一个是重发之间的平均时间（TX-INTEGER）

这两个参数是在BCCH的系统报告上广播的。当在移动台发起申请后如在规

定的时间内（定时器T3120）收不到网络的立即指派命令，则需进行报文的重

发，但重发也要遵循一定的原则。因为如果两个移动台的发送碰撞，并在一段

给定的时间后重发，则它们的申请仍会碰撞。因而为了避免这种现象，RACH

上的重发必须在一段“随机”间隔后进行，这就需要由参数TX-INTEGER

（取值范围：3~12,14,16,20,25,32, 50。根据小区的RACH和AGCH负载来设

置）来决定在距上次发送之间的时隙间隔内随机选择发送信息的时隙（即在此

规定的时隙间隔内随机选择一时隙进行重发，该参数越大，可供选择的时隙就

越多，那么再次碰撞的几率就越小）。

在经过最大重发次数后，若仍得不到系统的立即指派命令，移动台则返回

到空闲状态下。

2． 在系统发生轻微拥塞的情况，我们就可以利用三种不同的方法来控制三种

不同的RACH的业务量负载。

第一种办法是通过减少RACH的重发次数和尽量使重发间隔较远，这种控制

模式只能处理短暂的业务高峰或超载的边缘。在存在系统干扰的地方进行

RACH重发很重要，即使在干扰不明显的地方，因为MS发出的RACH请求也

有可能由于无线信号的多径效应而丢失，建议在业务量很大的微蜂窝和出现明

显拥塞的小区，重发次数设为1，业务量一般的小区可设为2或4，若重发次

数设的过大，在一定程度上将浪费系统的资源。

二是当目前网络无可指派的信道时，就可以通过发送给移动台一条立即指

派拒绝（immediate assignment reject）的 报文来拒绝移动台的信道申请，从而

在系统规定的时间内（T3122）禁止移动台接入网络，通过这种机制可防止在

系统无资源的情况下用户频繁的发送信道请求的消息来无谓的增大网络RACH

和PAGCH信道的负荷（一般T3122设为10s，SDCCH信道的业务量很大时可

设为30s），当信道的业务量较轻松时该定时器应尽量的小一些，否则这会大

大增加系统的业务时间，这将在用户侧会感觉网络质量的下降。一种比较常见

的情况是，当用户发起呼叫后但有时却会很快的返回到空闲模式下，当用户重

新拨叫时会在一段时间内拨打不出去，这就是系统启用了立即指派拒绝限时所

产生的影响。

第三种办法是利用限制用户接入类别来控制网络的拥塞，这是最有效但也

是一种损害用户权益的办法，因而不建议使用。在GSM的机制中，它将其所

有的用户分为15个类别（该类别的定义被网络运营商直接写在了SIM卡

中），分别为C0~C9与C11~C15，其中前10个级别被随机的平均的分配给普

通用户，C10用于紧急呼叫允许。当必须要用此办法来降低业务量时，可随意

由BSC来决定任意一种被禁止的用户类别如类别1或2等，通过这种措施可

使业务量统计的降低10%、20%…等，除了特殊情况如需紧急呼叫等属于禁止

类别的移动台不能接入网络，但为公正起见如系统过载持续的时间较长，BSC

必须定期改变允许接入的类别集（这种处理必须要很小心，因为所有等待位置

更新的移动台都要将在它们的类别被允许时试图接入，系统必须要有处理这个

业务高峰期的能力）。但为了避免在拥塞情况下阻塞特殊类别的用户，因而为

非常重要的GSM用户定义了后5个级别，限制类别的消息可通过BCCH的系

统消息来向小区内的用户来广播，该参数为notallowedaccessclasses（在任何情

GSM原理及网络优化

况下都不允许接入的用户级别）及accessclasscongestion(发生拥塞时允许接入

的用户级别)。

二、初始信道的分配

当BTS对移动台的信道申请正确的解码后，它将通过一条信道需求

（channel required）的报文来发送给BSC，该报文包含重要的附加信息和由

BTS对传输延时（TA）的估计（这一指示对启动定时提前控制很重要）。如

BSC收到此消息时，将为该次请求选择一条相应的空闲信道，并通过向BTS

发送一条信道激活（channel active）的报文来将相应的地面资源（传输电路

等）激活，BTS侧在准备好后将返回一条信道激活响应（channel active ack）

的报文来答复BSC，如BSC收到BTS的激活响应后，将会在AGCH信道上发

送一条立即指派（immediate assignment command）的报文,在该指示中包含有

对已分配信道的描述、初始的时间提前量TA及初始的允许发射最大功率及移

动台在随机接入时信道请求消息的消息字段、及BTS收到信道请求时的

TDMA帧号和跳频表等消息。如BSC发现无可激活的信道时，就会发送以上

提到的一条立即分配拒绝消息来答复移动台 ，拒绝的原因有如MSC话务关

闭、无线资源缺乏、TA值超出界限、信道激活无应答、BSC话务超载等。为

了提高AGCH信道的效率，在GSM中引入了立即指派扩展（immediate

assignment extended）的报文格式，在这种报文中有两个分配命令来对应两个

移动台的信道请求，而在立即指派拒绝扩展的报文中，最多可携带有对四个移

动用户的拒绝消息。

当收到立即指派拒绝消息后，对应其最后三次信道请求之一（包括重发消

息），移动台将停止T3120的计时，并启动T3122（在它所指定的时间内，

MS不许接入网络），并返回空闲模式守侯在寻呼信道上，直到T3122逾时，

移动台方可进行新的连接尝试。反之当移动台收到立即指派消息后，MS将收

到的分配指令与自身发出的信道请求的所存储的消息字段及相比较看是否是分

配给自己的，对应其最后三次信道请求之一（包括重发消息），移动台将停止

T3120的计时，并切换到所分配的信道上，然后它使用包含信息字段的SABM

（设置异步平衡模式），来建立主信令链路。

问题研究：值得注意的是，立即指派命令可能出现在51复帧的任何

CCCH消息块内，这就需要MS在发送信道请求后监视全体CCCH块，即对整

个寻呼子信道的消息都要进行解码，来保证及时获得网络的应答（在处于空闲

模式下时MS仅收听属于它的寻呼子信道的消息，即处于不连续收听状态）。

还应注意的一种情况是，当系统对移动台的信道申请反应较慢时，以至于

不可避免的导致移动台的重发，由于系统无法知道一条信道申请的报文是否是

上一次的重发，所以可能再次甚至多次的发送给该移动台立即指派命令的报文

来给移动台指派信道。移动台将使用它所解码的第一条立即指派的报文中所指

派的信道，其它的将被当作无效，但规范规定移动台必须接收对最后三条信道

申请的报文的网络应答。这种情况被称为是重复分配，当网络的重复分配次数

较多时且产生了CCCH信道的拥塞，可通过减少移动台的重发次数，或降低

T3101的时间等办法来解决，该措施可以防止浪费系统资源。

GSM原理及网络优化

三、初始化报文

当MS收到立即指派命令后，就将它的收发配置调整到指定信道上来，

按照BSC指定的TA值和初始化最大发射功率（为BCCH系统广播消息中的

参数msTxPwrMaxCCH所定义的）开始传输信令。MS在所分配上的新的

SDCCH/TCH信道上所做的第一件事情是发送一个SABM帧建立异步平衡模式

（服务接入点类别SAPI=0），用于建立证实模式下的信令消息连路层连接。

在GSM规范中SABM带有一条信令报文即“初始化报文”，该消息中包含着

第三层业务请求消息。在标准HDLC协议中，SABM帧除了携带链路层所必

须的消息外并不含有其它消息，GSM与标准不一样的原因是因为这是为了对

MS接收正确性的确认，当两个MS同时发送报文内容完全一样的信道请求时

（这种概率在高负载时是存在的）此时BSS只会应答其中之一，而此时两个

MS却都可响应到同一专用信道上，BTS在收到SABM帧后就会不经过任何修

改向MS发一个内容与初始化报文完全一样的UA帧（无序号证实），如MS

收到的UA帧的信息与SABM帧发出的不一样，它就放弃这个信道，开始重

新接入过程，只有核对一致的MS留在这个信道上。

根据产生信道申请的原因不同，有四种不同的信令报文可用做初始化报

文分别是CM的业务请求（呼叫建立、短信息、附加业务管理等）、位置更新

请求（正常位置更新、周期性位置更新、IMSI附着）、IMSI分离及寻呼响

应。但所有这些报文都包括移动台的身份、更详细的说明接入的原因及移动台

类标classmark(用来指示移动台的一些关键特性如传输功率等级、加密算法、

短信息能力及频率容量)。

一旦BTS收到了一条初始化报文它会同时向BSC发出一条建立指示

（establish indication）的报文。BSC收到建立指示消息后,就会向MSC发出三

层业务请求消息（complete layer3 info.）的报文，用来申请与MSC建立SCCP

层连接,该消息中带有申请CM业务的原因如移动主叫、紧急呼叫、位置更新

及短消息业务等；并带有密钥序列号；带有该MS的一些物理消息如发射功率

等级、支持加密算法否、伪同步的能力及短消息的能力等，并有该MS的识别

号。在MSC收到此消息后，即向BSC发出connection confirmed消息，若无资

源则发出SCCP refused消息，至此接入过程结束，MS与MSC 之间的信令链

路已经建立，MSC已经能够控制RR管理的传输特性，BSS处于监视传输质量

和随时准备切换的运行状态。在下面的信令流程中网络就可以根据需要来判断

是否触发鉴权加密过程了。

问题研究：在立即指派的过程中，BSC还要触发一个T3101的定时器，

该定时器在BSC向BTS发送信道激活（channel active）的报文启动，在收到

BTS发出的建立指示（establish indication）时，将该定时器复位。该定时器逾

时一般是由于重复分配(double allocation)或上下行链路存在干扰的原因，通过

经验值，系统平均有30%左右的信令资源会被MS所发送的第二次RACH信

息所占用，因而该定时器越长，系统无效占用的时间也就越长。为了优化信令

资源的使用，当通过OMC-R原始报告发现重复分配较多时，应适当减小该定

时器，BSC发送信道激活和收到建立指示的最小时间间隔是600ms，最长的情

况为1.8s,建议在信令资源较紧张且重复分配现象较严重的地区将T3101设为

3s.

GSM原理及网络优化

图示 立即指派过程

第三节 鉴权加密过程

GSM系统一个显著的优点就是它在安全性方面比模拟系统有了显著的改

进，它主要是在以下部分加强了保护：在接入网络方面通过AUC鉴权中心采

取了对客户鉴权；在无线路径上采取了对通信信息的保密；对移动设备通过

EIR设备识别中心采用了设备识别；对客户身份识别码IMSI用临时识别码

TMSI保护；SIM卡用PIN码保护。

一、 鉴权加密过程的三参数组

客户的鉴权加密过程是通过系统提供的客户三参数组来完成的，客户三

参数组的产生是在GSM系统的AUC鉴权中心中完成。每个客户在GSM网中

注册登记时，就被分配一个客户电话号码（MSISDN）和客户身份识别码

（IMSI）。IMSI通过SIM写卡机来写入客户的SIM卡中，同时在写卡机中又

产生了一个对应此IMSI的唯一客户鉴权键Ki，它被分别存储在客户的SIM卡

和AUC中，这是永久性的信息。在AUC中还有个伪随机码发生器，用于产生

一个不可预测的伪随机数RAND。在GSM规范中还定义了A3、A8和A5算

法分别用于鉴权和加密过程。在AUC中RAND和Ki经过A3算法（鉴权算

法）产生了一个响应数SRES同时经过A8算法（加密算法）产生了一个Kc。

因而由该RAND、Kc、SERS一起组成了该客户的一个三参数组，传送给HLR

并存储在该客户的客户资料库中。一般情况下，AUC一次产生5组三参数传

送给HLR，HLR自动存储。HLR可存储10组三参数，当MSC/VLR向HLR

请求传送三参数组时，HLR又一次性的向MSC/VLR传送5组三参数组。

MSC/VLR一组一组的使用，当用到剩两组时，就回再向HLR请求传送三参数

组。

在下面的流程中我们会比较详细的看到参数的传递过程。

二、 鉴权过程

正如上一节所讲到的，当MSC与BSS的SCCP层建立起来之后，就可以

来决定是否触发鉴权加密过程。而判断是否进行鉴权过程的关键在于查看网络

一端所存储的上一次业务处理所使用的该移动台的Kc值是否与本次接入中移

动台所存储的Kc值是否一致，若一致则可越过鉴权过程直接利用该Kc值来

参与加密过程，若不一致，则需通过鉴权过程来算出新的Kc值。由于需要保

GSM原理及网络优化

密的缘故，因而移动台不直接通过无线路径来向网络发送Kc值进行验证。所

以在这里我们引入了一个Kc的序列号码的概念，在规范中被称为CKSN（密

钥序列号码），该号码是移动台在上一次接入网络时，由MSC/VLR提供的，

并通过鉴权请求报文发送给移动台的，并于计算出的Kc一同存储在SIM卡

中，同时也存于MSC/VLR中。当MS初始接入时，通过SABM帧的初始化报

文业务请求字段把CKSN的消息一起送到MSC/VLR中，MSC/VLR将它与上

一次使用的CKSN号进行校验，如xxxxxxx果不一致，则在加密之前要进行鉴

权过程，若CKSN=0则表示没有分配KC。

MSC/VLR会向移动台发送一条鉴权请求（Authentication request)的报文

来触发鉴权过程，这是一条DTAP信令消息。系统在鉴权请求消息中包含一个

随机数（RAND）和CKSN号码，RAND共128bit，SIM卡上的用户密钥Ki

与这个随机数经GSM规范的A3算法，产生一个32bit的应答数SRES （与此

同时MS还要将Ki和RAND再通过A8算法得出一64bit的Kc，并将它保存

在SIM卡内，以后按系统指令决定是否激活加密传输），MS再通过一条鉴权

响应（Authentication response）报文将SERS送回系统。因Ki值作为用户数据

存在VLR或HLR中，在系统一侧也会进行与MS相同的A3和A8算法，产

生一个SRES数和Kc存在VLR中，系统则会将这两个SRES值相比较，若相

同则鉴权成功允许接入网络，之后MSC将继续触发加密过程；若不同则鉴权

失败，系统会拒绝MS的继续接入。此时鉴权过程结束。

一般在MSC/VLR和HLR/AUC都可执行A3和A8算法，但MSC/VLR算

起来比较麻烦，而HLR/AUC存有Ki值算起来简单的多而且可以很好的解决

保密性和漫游的的问题，但却增加了HLR至MSC的信令量，因而每次计算，

HLR/AUC都会将这三个结果值送到MSC/VLR中，即RAND，SRES和KC，

以被选用。

三、加密过程

当鉴权过程结束后，此时MSC会向BSC发一条加密命令（BSSMAP

Ciphering Mode Command）的消息，在该消息中包含着密钥Kc，BSC接着会

向MS发出加密命令（RR Ciphering Mode Command）来通知MS进入加密模

式（这时基站也进入解密的模式下 ），MS收到该指令后就会转入加密模式的

发送与接收，并向系统发出发出加密完成（RR Ciphering Mode COMPLETE）

消息，此时该报文已经是加密的了。是否采用加密由系统决定，产生加密码的

算法称为A5算法，它是利用移动台和网络都同意的Kc（64比特）值和当前

脉冲串的帧号码（22比特）进行计算的，以产生一个114比特的加密序列来

和突发脉冲的114比特的信息位进行异或操作。网络在上行链路和下行链路使

用两个相同的加密序列，对于每一个突发，一个序列用于移动台内的加密并作

为BTS中的解密序列，一个序列用于BTS的加密并作为移动台的解密。

四、 TMSI重新分配过程

在鉴权加密过程完毕之后，系统要向MS发出CM SERVICE ACCEPT消息

GSM原理及网络优化

或TMSI 的重新分配命令（TMSI reallocation command）的报文.

当移动台在定位区内第一次注册时，就会将一个TMSI分配给移动台，当

移动台离开这个定位区时释放这个TMSI。当MS收到TMSI 的重新分配命令

时，它将在存储器内存储收到的TMSI和LAI，并向网络发送TMSI再分配完

成（TMSI reallocation complete）的报文。MSC对所收到的位置更新请求

（location update request）的答复即位置更新接受（location update accept）的

报文可以在TMSI再分配完成之后发送也可以同TMSI 的重新分配命令组合在

同一个报文中发送。

若在网络中由移动台提供的TMSI，无法被系统所识别（如此时数据库发

生故障），则移动台需提供其IMSI。此时在TMSI再分配程序启动之前应先

启动识别程序来向移动台请求提供其IMSI号。

识别程序是通过向移动台发起识别请求（identity request）消息，在收到

该消息后，移动台发起识别响应（identity response）消息来向网络提供其

IMSI号码。在此程序完成之后，系统再根据其需要来进行鉴权加密和TMSI

再分配过程。

问题研究：使用TMSI的目的是为了尽量减少在空中接口上使用IMSI，

TMSI是由LAI和临时分给指定用户的一组数字组成（TIC），大多数无线接

入是在MS已经注册的LAC中进行，因此TIC就足以对应一个MS，而LAI

是一个隐含值，只有MS在一个新的定位区的一个小区内必须完成位置更新尝

试时时才要使用完整的TMSI。TMSI是由MSC/VLR管理，当MS首次在一个

LAC中注册时才分配给它，并在离开该LAC时注销，TMSI的注销是自动

的，当MS收到新的TMSI时自动取代原TMSI 。

TIC长为4个字节，而IMSI由15个数字组成（可被编码为包括长度指示

的9个字节），在允许TIC单独使用时，TIC长度较短可以节约无线信道的频

谱。尤其对于寻呼消息，如果使用TIC，可以用一条消息最多寻呼4个移动

台。

第四节 位置更新

一、 位置区的概念

为了确认移动台的位置，每个GSM PLMN 的覆盖区都被分为许多个位置

区，一个位置区可以包含一个或多个小区。网络将存储每个移动台的位置区，

并作为将来寻呼该移动台的位置信息。对移动台的寻呼是通过对移动台所在位

置区的所有小区中寻呼来实现的，MSC不可能对它所控制区域内的所有小区

一起进行寻呼，因为MSC往往无法处理这样大的寻呼负荷。该位置区的标识

LAC码将在每个小区的广播信道上的系统消息中发送。

GSM原理及网络优化

图示 位置区的登记

位置区的大小在系统中是一个相当关键的因素。在做网络规划时，对位

置区的划分相当重要，如果位置区的覆盖过小，则移动台发生的位置更新过程

将增多，从而增加了系统中的信令流量。反之，若位置区的覆盖过大，在它其

中登记的用户越多，则网络寻呼其中任一个移动台时，同一寻呼消息将在该位

置区的所有小区中一起发送，这样将导致寻呼信道的负荷过重，同时也增加了

Abis接口上的信令流量。

由此可见，对位置区的优化相当的重要。在划分过程中，应在保证不会

产生寻呼负荷之下尽量保证位置更新次数最小，因为作为网络运营商，如果系

统出现频繁的位置更新只能导致白白的浪费掉我们可贵的网络资源，而不会增

加任何收入。

二、正常位置更新流程（越位置区的位置更新）

当移动台由一个位置区移动到另一个位置区时，必须进行登记，也就是说

一旦移动台发现其存储器中的LAI与接收到当前小区的LAI号发生了变化，

就必须通知网络来更改它所存储的移动台的位置信息。这个过程就被称为位置

更新。

我们首先考虑处于开机空闲状态下的移动台，当它在同一位置区内移动

时，若此时发生了小区重选，当移动台的服务小区发生改变时，移动台并不会

把该变化通知网络。也就是说在移动台仅发生了小区重选而没有进行位置更新

时，网络并没有参与此处理过程。而在重选前后的两个小区不属于同一个位置

区时，移动台一定要把该位置区的变化来通知网络，这在移动通信中，被称为

“强制登记”。

从网络对位置更新的标识不同来分，即广义的来分位置更新可分为正常位

置更新（即越位置区的位置更新）、周期性位置更新（对应T3212到时）和

IMSI附着（对应用户开机）。而具体的来分是根据看该位置更新程序是否属

于同一个VLR，是否需要IMSI号参与，可分为以下几种位置更新。

（一）、同一个VLR不同位置区的位置更新（INTRA VLR LOCATION

UPDATE）

这是最简单的一类位置更新过程，在该过程中不需要移动台提供IMSI号

码，只在当前所在的VLR中进行，而不需通知HLR。

在初始化过程中，移动台在向网络发送的SABM帧携带的初始化报文中

注明接入原因是位置更新请求（MM LOCATION UPDATING REQUEST），在

该报文中携带有该移动台TMSI和LAI号码且注明是正常位置更新，若MSC

收到此报文时，将此报文发给VLR，VLR将更新移动台的位置消息存储新的

LAI号码，并根据需要向移动台发一个新的TMSI号（也可在TMSI 重新分配

命令中不携带TMSI号，此时移动台还将使用以前的TMSI），在收到移动台

的TMSI重新分配完成后，则向移动台发位置更新接受的消息（LOCATION

UPDATE ACCEPT），此后释放信道位置更新结束。

（二）越VLR间的位置更新，且发送的是TMSI号码

若移动台进入一个小区后发现它所存储的LAI号与当前的LAI号不一

致，则将其旧的LAI号和存储的TMSI号在位置请新请求中通过MSC发送给

VLR。当VLR发现其LAI号不是自己的，则会根据旧的TMSI和LAI号码导

GSM原理及网络优化

出前一个VLR的地址，并向其旧的VLR启动一个请求IMSI和鉴权参数的发

参数操作（MAP_SEND_IDENTIFICATION），该旧的VLR就会向其新的

VLR回发有关该移动台的IMSI和鉴权参数。如果由于种种原因新的VLR无

法获得IMSI，该VLR就会向MS发出识别请求（identity request）的报文，请

求MS提供其IMSI号码。在VLR获得IMSI号码后，将向MS的HLR发出更

新位置的消息，在此位置消息中，提供有MS的标识和相关信息以便HLR查

询数据和建立路径，HLR收到此消息后，如果该新的MSC/VLR有正常的业务

权限，则HLR将存储当前的VLR号码，并向旧的VLR中发出删除位置消息

（MAP/D_CANCEL_LOCATION），在旧的VLR收到该消息后将删除该MS

的所有信息，并向HLR发回删除位置确认

(MAP/D_CANCEL_LOCATION_RESULT)的消息。在新VLR侧将继续完成鉴

权加密和TMSI重新分配的过程，当此过程完成后HLR通过发起插入用户数

据的消息（MAP_INSERT_SUBSCRIBER_DATA）的报文，将向该VLR提供

它所需的用户信息，其中包括鉴权参数等信息，当收到VLR的响应时则向该

VLR位置更新确认的消息。

（三）越VLR间的位置更新，且发送的是IMSI号码

该位置更新过程同上，而且要简单一些，因为它是直接通过IMSI号向

HLR申请鉴权参数的。

问题研究：越VLR位置更新的漫游问题

当HLR收到VLR向其发起更新位置消息时，如果允许MS漫游，HLR将

回发更新位置确认消息，其中含有HLR号码。若不许MS漫游，HLR则给出

此MS标明不许漫游，若给VLR发出不许漫游的消息，VLR则删除所有的

MS数据且向移动台发出位置更新拒绝的消息。若MS标志不允许漫游且该移

动台未激活呼叫前转，则HLR将闭锁MS的来话呼叫；若激活此业务，则

HLR将入局的呼叫接至所要求的地方。此时若是MS主叫，则按不认识的移动

用户处理。被漫游限制的移动台将在其漫游区域不停的去做位置更新，虽然网

络将一直的向该移动台发出位置更新拒绝的消息，但位置更新拒绝所限制的时

间（T3211，时间为15秒）逾时后，移动台会继续去做位置更新尝试，直到发

现一个允许漫游的位置区。

三、IMSI 附着和分离过程

IMSI的附着和分离过程就是在MSC/VLR中用户记录上附加一个二进制

标志，IMSI的附着过程就是置标志为允许接入，而IMSI的分离过程就是置标

志为不可接入。

当移动台开机时需将自己已开机的状态通知给网络，这个通知过程是通过

向网络发出一条“IMSI的附着（IMSI ATTATCH）”的报文来通知网络它目前

的状态已发生改变，当网络收到此指示时就会在系统数据中注明当前的用户状

态，以便当该移动台的寻呼消息到来时，网络可发起寻呼该移动台的程序。

若移动台开机后发现它所存储的LAI号与当前的LAI号一致，则进行

IMSI附着过程，它的程序过程同INTRA VLR LOCATION UPDATE基本一

样，唯一不同的是，在LOCATION UPDATING REQUEST的报文中注明位置

更新的种类是IMSI附着，它的初始化报文含有移动台的IMSI号码。

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