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gsm移动系统的组成
GSM移动系统的组成
深圳万网元通信技术有限公司
2000年12
GSM系统组成
蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统(NSS)、无线基站子系统(BSS)和移动台(MS)三大部分组成,其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口,BSS与MS之间的接口为“Um”接口。
在模拟移动通信系统中,TACS规范只对Um接口进行了规定,而未对A接口做任何的限制。
因此,各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议,对Um接口遵循TACS规范。
也就是说,NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备,而MS可用不同厂家的设备。
蜂窝移动通信系统的组成
由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范,运营公司当然喜欢花最少的投资,用最好的设备来建最优良的通信网,因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。
也就是说,各接口都是开放式接口。
GSM系统框图A接口往右是NSS系统,它包括有移动业务交换中心(MSC)、拜访位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)和移动设备识别寄存器(EIR),A接口往左Um接口是BSS系统,它包括有基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)。
Um接口往左是移动台部分(MS),其中包括移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)。
GSM系统框图
在GSM网上还配有短信息业务中心(SC),即可开放点对点的短信息业务,类似数字寻呼业务,实现全国联网,又可开放广播式公共信息业务。
另外配有语音信箱,可开放语音留言业务,当移动被叫客户暂不能接通时,可接到语音信箱留言,提高网路接通率,给运营部门增加收入。
GSM交换网路子系统
交换网路子系统(NSS)主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。
NSS由一系列功能实体所构成,各功能实体介绍如下:
MSC:
是GSM系统的核心,是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体,也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。
它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能,还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。
另外,为了建立至移动台的呼叫路由,每个MS、还应能完成入口MSC(GMSC)的功能,即查询位置信息的功能。
VLR:
是一个数据库,是存储MSC为了处理所管辖区域中MS(统称拜访客户)的来话、去话呼叫所需检索的信息,例如客户的号码,所处位置区域的识别,向客户提供的服务等参数。
HLR:
也是一个数据库,是存储管理部门用于移动客户管理的数据。
每个移动客户都应在其归属位置寄存器(HLR)注册登记,它主要存储两类信息:
一是有关客户的参数;二是有关客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。
AUC:
用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数(随机号码RAND,符合响应SRES,密钥Kc)的功能实体。
EIR:
也是一个数据库,存储有关移动台设备参数。
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。
GSM无线基站子系统
BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制,与MS进行通信的系统设备,它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。
功能实体可分为基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)。
BSC:
具有对一个或多个BTS进行控制的功能,它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等,是个很强的业务控制点。
BTS:
无线接口设备,它完全由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。
移动台
移动台就是移动客户设备部分,它由两部分组成,移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)。
移动终端就是“机”,它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。
SIM卡就是“身份卡”,它类似于我们现在所用的IC卡,因此也称作智能卡,存有认证客户身份所需的所有信息,并能执行一些与安全保密有关的重要信息,以防止非法客户进入网路。
SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据,只有插入SIM后移动终端才能接入进网,但SIM卡本身不是代金卡。
GSM操作维护子系统
GSM系统还有个操作维护子系统(OMC),它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。
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与MSC之间的接口目前还未开放,因为CCITT对电信网路管理的Q3接口标准化工作尚未完成。
GSM保密措施
大家都知道,GSM系统在安全性方面有了显著的改进,其主要是在下列部分加强了保护:
接入网路方面采用了对客户鉴权;无线路径上采用对通信信息加密;对移动设备采用设备识别;对客户识别码用临时识别码保护;SMI卡用PIN码保护。
(1)提供三参数组
客户的鉴权与加密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,每个客户在签约(注册登记)时,就被分配一个客户号码(客户电话号码)和客户识别码(IMSI)。
IMSI通过SIM写卡机写入客户SIM卡中,同时在写卡机中又产生一个对应此IMSI的唯一的客户鉴权键Ki,它被分别存储在客户SIM卡和AUC中。
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)。
RAND和Ki经AUC中的A8算法(也叫加密算法)产生一个Kc(密钥),经A3算法(鉴权算法)产生一个响应数(SRES)。
由产生Kc和SRES的RAND与Kc、SRES一起组成该客户的一个三参数组,传送给HLR,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又一次性地向MSC/VLR传5组三参数组。
MSC/VLR一组一组地用,用到剩2组时,再向HLR请求传送三参数组。
(2)鉴权
鉴权的作用是保护网路,防止非法盗用。
同时通过拒绝假冒合法客户的“入侵”而保护GSM移动网路的客户。
当移动客户开机请求接入网路时,MSC/VLR通过控制信道将三参数组的一个参数伪随机数RAND传送给客户,SIM卡收到RAND后,用此RAND与SIM卡存储的客户鉴权键Ki,经同样的A3算法得出一个响应数SRES,传送给MSC/VLR。
MSC/VLR将收到的SRES与三参数组中的SRES进行比较。
由于是同一RAND,同样的Ki和A3算法,因此结果SRES应相同。
MSC/VLR比较的结果相同就允许接入,否则为非法客户,网路拒绝为此客户服务。
在每次登记、呼叫建立尝试、位置更新以及在补充业务的激活、去活、登记或删除之前均需要鉴权。
(3)加密
GSM系统中的加密也只是指无线路径上的加密,是指BTS和MS之间交换客户信息和客户参数时不被非法个人或团体所得或监听,在鉴权程序中,当客户侧计算SRES,同时用另一算法(A8算法)也计算出密钥Kc。
根据MSC/VLR发送出的加密命令,BTS侧和MS侧均开始使用Kc。
在MS侧,由Kc、TDAM帧号和加密命令M一起经A5算法,对客户信息数据流进行加密(也叫扰码),在无线路径上传送。
在BTS侧,把从无线信道上收到加密信息数据流、TDMA帧号和Kc,再经过A5算法解密后,传送BSC和MSC。
所有的语音和数据均需加密,并且所有有关客户参数也均需加密。
(4)设备识别
每个移动台设备均有设备识别码(IMEI),移动台设备如允许进入运营网,必需经过欧洲型号认证中心认可,并分配一个十进制6位数字,占用IMEI15位十进制数字的前6位设备识别的作用就是确保系统中使用的移动台设备不是盗用的或非法的。
设备的识别是在设备识别寄存器EIR中完成。
EIR中存有三种名单:
白名单---包括已分配给可参与运营的GSM各国的所有设备识别序列号码。
黑名单---包括所有应被禁用的设备识别码。
灰名单---包括有故障的及未经型号认证的移动台设备,由网路运营者决定。
设备识别:
MSC/VLR向MS请求IMEI,并将其发送给EIR,EIR将收到的IMEI与白、黑、灰三种表进行比较,把结果发送给MSC/VLR,以便MSC/VLR决定是否允许该移动台设备进入网路。
何时需要设备识别取决于网路运营者。
目前我国大部分省市的GSM网路均未配置此设备(EIR),所以此保护措施也末采用。
(5)临时识别码(TMSI)
临时识别码的设置是为了防止非法个人或团体通过监听无线路径上的信令交换而窃得移动客户真实的客户识别码(IMSI)或跟踪移动客户的位置。
客户临时识别码(TMSI)是由MSC/VLR分配,并不断地进行更换,更换周期由网路运营者设置。
更换的频次越快,起到的保密性越好,但对客户的SIM卡寿命有影响。
每当MS用IMSI向系统请求位置更新、呼叫尝试或业务激活时,MSC/VLR对它进行鉴权。
允许接入网路后,MSC/VLR产生一个新的TMSI,通过给IMSI分配位置更新TMIS的命令将其传送给移动台,写入客户SIM卡。
此后,MSC/VLR和MS之间的命令交换就使用TMIS,客户实际的识别码IMSI便不再在无线路径上传送。
(6)PIN码
在GSM系统中,客户签约等信息均被记录在一个客户识别模块(SIM)中,此模块称作客户卡。
客户卡插到某个GSM终端设备中,便视作自己的电话机,通话的计费账单便记录在此客户卡户名下。
为防止账单上产生讹误计费,保证入局呼叫被正确传送,在SIM卡上设置了PIN码操作(类似计算机上的Password功能)。
PIN码是由4~8位数字组成,其位数由客户自己决定。
如客户输入了一个错误的PIN码,它会给客户一个提示,重新输入,若连续3次输入错误,SIM卡就被闭锁,即使将SIM卡拔出或关掉手机电源也无济于事。
闭锁后,还有个“个人解锁码”,是由8位数字组成的,若连续l0次输入错误,SIM卡将再一次闭锁,这时只有到SIM卡管理中心,由SIM卡业务激活器予以解决。
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