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1、,第5章 漫游、安全和呼叫管理,GSM系统不同于固定网络，它的移动特性决定了系统必须通过漫游管理的机制了解用户的位置，以便与移动台随时保持联系。,由于使用稳定性不高的无线信道，给GSM系统带来了安全性和保密性方面的问题，现有的系统是通过鉴权加密的机制使这一问题得以解决。,本章主要介绍以下几个方面的内容： GSM系统的用户鉴权和加密过程； 位置更新和漫游； 切换的管理； 呼叫管理； 移动台的状态管理。,5.1 概 述,GSM系统中的信令协议架构为如图5-1所示的三层结构，其中第三层是GSM信令协议，它包括三个子层：,无线资源管理（Radio Resources Management，RR），主要
2、负责控制无线和固定信道的配置、维护以及终止过程，包括切换（Handover）。,移动性管理（Mobility Management，MM），主要负责管理位置更新和注册，以及安全和认证过程；接续管理（Connection Management，CM），它又包括三个子层，即呼叫控制（CC）管理、补充业务（SS）管理和短消息业务（SMS）管理。,呼叫控制主要负责处理总呼叫控制、选择话路路由等，CC层中常常含有多个呼叫控制单元，提供并行呼叫处理；补充业务管理负责检查和修改补充业务的实际配置和状态；短信息业务管理负责点到点的短消息业务。,图5-1 GSM分层结构图,5.2 用户鉴权和加密,GSM系统是目
3、前全球最成熟的数字移动通信系统，具有很好的保密性和抗干扰性。,它通过采用用户鉴权机制，包括对移动终端采用设备识别，来防止未经授权的用户和假冒者接入网络，非法使用通信资源和业务，保护网络运营者和授权用户的利益。,通过在无线信道上对传输数据进行加密，防止通信信息被窃听；另外以TMSI代替IMSI，使第三方无法在无线信道上跟踪GSM用户；引入SIM卡PIN码加密技术，也使其在安全性方面得到了极大的提高。,5.2.1 鉴权 在数字移动通信系统中，防止未授权的终端接入网络是通过鉴权实现的，也就是检查插入的SIM卡与移动台提供的用户标识码是否一致来决定是否允许MS接入和使用网络。,用户在每次登记、呼叫建立
4、尝试、位置更新以及在补充业务的激活、去活、登记或删除之前都需要对用户进行鉴权，鉴权包括了对用户终端的鉴权和用户身份的鉴权。,1用户终端的鉴权 每个MS均有自己唯一的设备识别码（IMEI），设备识别是在设备识别寄存器（EIR）中完成的。EIR存储移动台设备参数，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。,（1）白名单 （2）黑名单 （3）灰名单,2用户身份的鉴权 用户身份的鉴权主要是由鉴权中心（AuC）经过A3、A8算法产生鉴权三参数组（RAND、SRES、Kc）来完成的。,（1）安全数据及其在网络实体中存储的位置 在GSM网络中与鉴权、加密相关的安全性数据有：, 移动用户
5、识别码 用户鉴权键 算法 鉴权三参数组,（2）鉴权中心（AuC）产生鉴权三参数组 鉴权中心（AuC）属于HLR的一个功能单元部分，专门用于GSM系统的安全性管理。鉴权中心的主要功能是产生鉴权三参数组（RAND、SRES、Kc），用来鉴别用户身份的合法性，防止无权用户接入和保证移动用户通信的安全。,图5-2 AuC产生三参数组的流程,（3）鉴权流程 用户在每次登记、呼叫建立尝试、位置更新以及在补充业务激活、去活、登记或删除之前均需要鉴权，鉴权的一般流程如图5-3所示。,图5-3 鉴权流程,（4）PIN码 PIN码也是一种简单的鉴权方法。,5.2.2 加密 GSM系统中的加密是指对无线路径上传送的
6、信息进行加密，以防止BTS和MS之间交换的用户信息和用户参数被非法个人和团体盗取和窃听，从而保护用户的隐私，提高通信的安全性。,在GSM中，加密和解密处理在传输链路中的位置，允许所有专用模式下的发送数据都用一种方法保护。,发送的数据可以是用户信息（话音、数据）、与用户相关的信令（例如携带被呼号码的消息）、甚至是与系统相关的信令（例如携带准备切换的无线测量结果的消息）。,加密和解密是通过对114个无线突发脉冲编码比特与一个由特殊算法产生的114bit加密序列进行异或运算（A5算法）完成的。,图5-4 密钥Kc的建立,图5-5 GSM系统的加密和解密过程,5.2.3 用户身份保护 在可能的情况下，
7、通过使用临时移动用户识别码（TMSI）替代IMSI，可以使用户身份得到保护。,一般来说，只有在MS开机、TMSI丢失或者VLR不认识用户的TMSI的情况下才使用IMSI，平时仅在无线信道上发送移动用户相应的TMSI。,TMSI由MSC/VLR分配，并不断地进行更换，更换周期由网络运营者设置。更换的频率越快，保密性就越好。,5.3 位置更新和漫游管理,为了使系统在所有时刻都知道移动用户的位置，漫游管理（定位管理）的功能是必不可少的，而位置更新过程是漫游管理中的主要过程。,当MS从一个位置区移动到另一个位置区时，发现其存储器中的位置区识别码（LAI）与接收到的位置区识别码（LAI）发生了变化，便向
8、网络进行重新登记，这个过程就叫做“位置更新”。,1同一MSC内不同BSC的位置更新 2越局位置更新,图5-6 同一MSC内的位置更新,图5-7 不同MSC之间的位置更新,3IMSI分离/附着 （1）分离流程 （2）附着流程,4周期性位置更新 当MS由于断电而关机，或者当MS向网络发送IMSI分离消息时，由于无线链路质量差，系统不能正确地译出信息，而手机的最后一条消息是不需要证实的，所以系统可能认为该MS还是处于“附着”状态。,此时，若有用户拨打该MS，则会造成系统不断的发寻呼消息而无响应，造成无效占用无线资源，降低寻呼成功率和来话接通率。,为解决此问题，GSM进行强制周期性位置更新。,5.4
9、切 换,切换（HandOver）是指将一个处于呼叫建立状态或忙状态的MS转换到新的业务信道上的过程，切换功能保持移动用户已经建立的链路不被中断。,切换是由网络决定的，是在MS占用SDCCH信道以后，也就是MS发起呼叫或通话过程中产生的。,一般导致小区切换的原因有： （1）邻小区提供更好的链路； （2）当前的链路质量非常差或时间提前量（TA）太大。,在下述三种情况下一般也要进行切换： （3）正在通话的用户从一个小区移动到另一个小区； （4）由于外界干扰造成通话质量下降，必须从原有的话音信道转接到另一条新的空闲话音信道上，以继续保持通话；,（5）MS在两个小区覆盖重叠区进行通话，可占用TCH的小区
10、特别忙，这时BSC通知MS测试它邻近小区的信号强度、信道质量，决定将它转到另外一个小区，为了保持业务平衡需要进行切换。,小区切换可分为BSS内部切换、同MSC内不同BSS的小区间切换、MSC间小区切换。其中BSS间的切换和MSC间的切换都需要由MSC控制完成，而BSS内部切换由BSC控制完成。,5.4.1 BSS内部切换,图5-8 BSC内的小区切换,图5-9 相同BSC内小区间的切换信令流程,5.4.2 外部切换 1相同MSC不同BSC间的切换,图5-10 相同MSC不同BSC小区间切换流程图,图5-11 相同MSC不同BSC小区间切换信令流程图,2不同MSC间切换,图5-12 不同MSC间
11、的切换流程图,图5-13 不同MSC间切换的信令流程,5.5 呼 叫 管 理,用户呼叫是GSM系统最基本和最重要的功能之一，移动用户做主叫（Mobile Originated，MO）时的信令过程是从MS向BTS请求信道开始，到主叫用户TCH指配完成为止。,一般主叫可分为几个大的阶段：接入阶段、鉴权加密阶段、TCH指配阶段、取被叫用户路由信息阶段。手机主叫建立流程如图5-14所示。,图5-14 手机主叫建立流程,5.5.1 主叫信令流程 主叫信令的流程如图5-15图5-17所示。,图5-15 移动用户呼叫移动用户的信令流程 （一）（主、被叫在同一MSC内）,图5-16 移动用户呼叫移动用户的信令
12、流程 （二）（主、被叫在不同MSC内）,1MS信道请求,图5-17 移动用户呼叫固定用户的信令流程,2MS响应 3确认请求 4鉴权 5加密模式,6MS呼叫类型消息 7分配请求 8MS分配信道完成 9振铃 10连接消息,5.5.2 寻呼流程 当MS完成小区重选，处于守候状态时，其频率调谐至小区BCCH频点上，并且不断收听系统广播消息，同时在属于自己的寻呼组中，监听发给自己的寻呼，以便随时接听电话。,MS的寻呼组是根据其IMSI和一定算法计算出来的。,5.5.3 被叫信令流程 移动用户做被叫（Mobile Teminated，MT）时因其位置的不固定性，所以最重要的步骤是位置查询和寻呼。,移动用户
13、做被叫主要包括两个流程：一是对被叫寻找的过程，二是找到被叫手机之后的接续流程。,1被叫寻找过程,图5-18 寻找被叫过程,2被叫接续过程,图5-19 移动用户被叫过程,（1）寻呼响应阶段 （2）后续流程,图5-20 手机作被叫的信令流程 （固定用户呼叫移动用户流程）,5.6 移动台的状态,当MS处于空闲状态时，它并不像固定电话那样几乎不工作，而是要不断地和网络交换信息，有规律的监听信标通道，收听系统广播和寻呼消息，MS这样的状态称之为移动台的守候状态。,移动台的守候状态包括了网络选择、小区选择、小区重选、位置更新和寻呼等事件。,5.6.1 网络选择 1网络选择的目的,当MS驻留在一个网络中时，
14、可实现下面的3个目的： （1）MS从网络收到系统信息； （2）当MS需要发起呼叫时，可以通过该小区接入网络；,（3）网络收到一个去往该MS的呼叫，系统知道该MS驻留在哪个位置区内，通过该位置区中所有基站向MS发寻呼信息，如果该MS驻留在该位置区中某个小区的BCCH上，就可以收到发给自己的寻呼信息，并通过控制信道进行回应。,2网络选择的方式 网络选择分自动选择和手动选择两种。手动选择时，将根据用户的选择到可用网络中进行随机登记；在自动选择模式下，如最后登记的网络没有存储或者不可用时，将按照下面的顺序进行网络选择。,（1）自身服务商网络； （2）SIM卡中存储的网络列表； （3）从接收到的强度85
15、dBm的网络列表中进行随机选择； （4）从其他的网络中按接收强度递减顺序进行选择。,5.6.2 小区选择 手机完成网络选择后就要寻找网络允许的所有BCCH频点，并选择一个最合适的频点进行驻留，该过程就叫做“小区选择”。,小区选择是为了让MS在网络中选择一个最合适的小区，并把该小区作为自己的主服务小区，通过该小区进行通信。,MS选择某个小区后，调谐到该小区的BCCH载频上，监听该小区的系统消息以及寻呼信息，从而得到该服务小区的LAI等信息，而且在CCCH上接收寻呼信息。,1小区选择的标准 （1）所选择的小区必须是属于所选择的网络； （2）该小区不是被禁止的； （3）该小区的C10；,（4）如果处
16、于漫游中，检查是否处于禁止列表中； （5）在没有一般小区选择的情况下，才选择优先级低的小区。,2小区选择的流程 （1）存储列表式 BA Idle列表 BA Active列表,（2）普通方式,图5-21 小区选择流程,3小区选择参数C1 参数C1是小区选择时的判断标准，,C1体现了系统对MS接入需要的最小下行信号强度要求，并对由于MS造成的上行信号不足进行了补偿，保证了在上下链路上有较高的通话成功率。,4小区接入控制 在实际操作中，由于某种需要而要求禁止MS接入某些小区，如某小区话务量过大时，通过禁止MS接入可以限制话务量。但当MS处于通话过程中时，可以切换至该小区，从而防止该小区话务量过多的拥塞。,5.6.3 小区重选 小区重选是MS在空闲模式下因位置变动、信号变化等因素引起的重新选择服务小区的过程。,小区重
