WCDMA和GSM之间的国际漫游分析 3 WCDMA和GSM的空中接口 WCDMA是从GSM系统演进而来,它们使用相同的核心网,但是其空中接口部分却有巨大差别,图2是WCDMA R4网络结构图,从图中可以看出GERAN和UTRAN公用同样的核心网。 表1列举了WCDMA和GSM在空中接口上一些最主要的差别: 表1 WCDMA和GSM空中接口关键参数对比 WCDMA GSM 多址方式 CDMA TDMA 载波带宽 5MHz 200kHz 调制方式 QPSK(前向)、BPSK(反向) GMSK 分集方式 多径分集(RAKE接收机) 慢跳频 频率复用因子 1 1~18 语音编码 AMR RPE-LTP-LPC 信道编码 卷积码、Turbo码 卷积码 3.1 多址方式 从表中可以看出WCDMA采用码分多址方式,用户和信道都是通过不同的码子来区分,也就是说不同的用户可以在相同的频率、相同的时隙中同时进行通信。GSM系统采用时分多址方式,用户和信道是通过不同的时隙来区分,也就是说在某一时刻,一个时隙只能分配给一个用户使用。 在WCDMA中分别用到了信道化码和扰码,其信道化码采用正交可变扩频因子(OVSF,Orthogonal Variable Spreading Factor)来实现,OVSF具有很好的互相关性,即不同码子之间是完全正交的。而其扰码则通过伪随机序列来实现,伪随机序列具有良好的自相关性,即同步时会有很大的峰值。 3.2 载波带宽 在WCDMA中其扩频码片速率是3.84Mbps,所以经过调制后其信号带宽为5MHz。WCDMA是码分多址(CDMA,Code Division Multiple Access)频分双工(FDD,Frequency Division Duplex)系统,所以上下行总共占用10MHz带宽。这也是WCDMA称为宽带CDMA的原因。对GSM来说,信息经过信道编码后的最终速率为270.8Kbps,经过高斯最小移频键控(GMSK,Gaussian Minimum Shift Keying)后其信号带宽为200KHz,GSM是时分多址(TDMA,Time Division Multiple Access)频分双工系统,所以上下行总共占用400KHz的带宽。 3.3 调制方式 WCDMA系统采用了二进制移相键控(BPSK,Binary Phase Shift Keying)和四进制移相键控(QPSK,Quadrature Phase Shift Keying),对于BPSK来说就是将每个比特(0或者1)映射成相位0或者π,而QPSK则将两个比特分别映射成相位0、π/4、π/2、3π/4。此时调制信号的频率保持不变。 GSM系统采用的是GMSK调制方式,GMSK属于连续相位调制,是在MSK调制之前加入高斯滤波器,其目的是使调制信号的主瓣滚降的更快。该调制信号的频率是变化的。 3.4 分集方式 分集(Diversity)是为了提高通信系统的可靠性。在WCDMA系统中,利用CDMA固有的抗多径衰落能力,将从不同方向反射过来的多径信号通过RAKE接收机进行最大比合并(MRC,Maximal Ratio Combining),从而将本来对通信可靠性有害(多径信号会造成多径衰落,即频率选择性衰落)的多径信号变成对通信有益的信号。 在GSM系统中采用了慢跳频技术,通俗点说就是将信息分别在不同的频率上进行传输,这样便可以克服由于某一频率一直处于深衰落对信号的影响。 3.5 语音编码和信道编码 语音编码和信道编码一直是信息论中研究的重点,语音编码就是在可以听懂的基础上编出尽可能低的比特速率。而信道编码是通过增加冗余比特从而保证信息传输的可靠性。 WCDMA系统中的语音编码器采用的是自适应多速率(AMR,Adaptive Multi-Rate)编码技术。WCDMA系统中的信道编码包括卷积码和Turbo(1993年提出)码,Turbo码由于具有较大的交织深度(导致传输延时增加)和超强纠错能力,所以通常用在数据通信环境下。 GSM的语音编码器采用的是规则脉冲激励长期预测线性预测编码(RPE-LTP-LPC,Regular Pulse Excited-Long Term Prediction-Linear Predictive Coding)技术。GSM中的信道编码采用的是卷积码。 3.6 小结 通过上面的叙述,可以得出很简单的结论,即当终端处于某种蜂窝网络的覆盖范围内时,终端要想正常工作,其前提条件就是终端必须跟基站必须是同一制式。也就是说当终端处于WCDMA基站覆盖时,该终端必须是WCDMA终端(WCDMA/GSM双模终端当然没有问题);当处于GSM基站覆盖时,该终端必须是GSM终端(WCDMA/GSM双模终端显然没有问题)。 4 WCDMA和GSM实现国际漫游的两种方式 目前WCDMA和GSM之间实现国际漫游的方式主要有两种:一是在国内办理租机租卡呼转漫游业务;二是自备双模终端到国外实现GSM和WCDAM之间的自动漫游。下面我们将分别以中国和日本之间的GSM、WCDMA国际漫游为例进行分析。 4.1 租机租卡呼转漫游 当中国GSM用户要漫游到日本时,由于日本是WCDMA网络,所以用户在国内开通了租机租卡呼转漫游业务,在营业厅租用的手机是日本的WCDMA手机,同时将用户的GSM手机号呼转到租用的手机上,这种呼转属于无条件呼转。 假设用户A要去日本,办理了租机租卡呼转漫游业务,其号码呼转到了终端B上,当国内用户C呼叫用户A。 (1) MSC接收到被叫用户号码A后,通过7号信令网向A的HLR发送send_routing_info消息。 (2) 在HLR中可以看到用户A已经呼转到了终端B上,此时HLR通过send_routing_info消息将B号码返回给MSC。 (3) MSC分析得知该号码是国际号码后通过向TSMC发送IAM消息,并通过ISC、国际话务中转商送达日本TMSC。 (4) 日本TMSC收到IAM消息后,通过7号信令向终端B的HLR发送send_routing_info消息。 (5) 终端B的HLR已知目前为终端B提供服务的MSC,随后向该MSC发送provide_roaming_num消息获取终端B的MSRN。 (6) MSC将终端B的MSRN通过provide_roaming_num_ack消息返回给HLR。 (7) 随后终端B的HLR通过send_routing_num_ack消息将B的MSRN发送给TMSC。 (8) 获知了终端B的MSRN后,TMSC便通过IAM消息进行随后的话务接续。 同理可得当日本WCDMA用户漫游到中国GSM网络时,也可以在其国内办理该业务。 4.2 自备WCDMA终端实现GSM到WCDMA的国际漫游 GSM用户通过WCDMA终端访问日本WCDMA网络的简单鉴权、加密过程: 中国用户到达日本开机后,首先发起位置更新过程,日本WCDMA MSC收到中国用户的位置更新请求后,便通过国际7号信令网和中国7号信令网向用户的HLR发起位置更新请求。随后HLR通过鉴权请求消息向日本WCDMA MSC发送Triplets(Kc,RAND,SRES)。此时的鉴权过程跟GSM系统的鉴权一样,即MSC将Kc和RAND下发给终端后,终端利用RAND、Ki通过A3算法得到SERS,并将该SERS返回给MSC,MSC将比较HLR送来的SERS跟终端送来的是否一致。若一致则鉴权通过,HLR会向日本WCDMA MSC/VLR插入中国用户的相关数据,同时将这些信息从旧MSC/VLR中删除。若不一致,则用户被拒绝。 其实在鉴权完毕后紧接着应该进行空中接口加密过程,不过我们国内没有采用。在GSM系统中空中接口的加密是通过Kc和A5算法来完成的,然而当用户漫游到日本后,如上图,对于WCDMA终端和WCDMA MSC都会按照相应的转换函数将收到的Kc转换成CK、IK,从而实现加密和完整性保护,可以看出其传输的安全性提高了。 4.3 自备GSM终端实现WCDMA到GSM的国际漫游 日本的WCDMA用户漫游到中国后只需更换一部GSM终端就可以了,无需换USIM复合卡。如果用户使用的是WCDMA/GSM双模终端则可以实现自动漫游。我们简单的看看该场景中的鉴权和加密过程。 当日本用户漫游到中国开机后,首先进行位置更新过程,中国GSM MSC收到日本用户的位置更新请求后,便通过7号信令网向用户的HLR发起位置更新请求。注意此时日本的HLR是WCDMA HLR,其存储的是鉴权五元组(Quintets)(RAND,CK,IK,XRES,AUTN),它必须将其转换为三元组(Triplets),即通过CK、IK计算出Kc,通过XRES计算出SERS。随后HLR通过鉴权请求消息向中国MSC发送Triplets(Kc,RAND,SRES)。MSC收到Triplets后通过GSM BSS将RAND发送给GSM终端,终端利用该RAND可以计算出CK、IK和RES,随后终端利用不同的转换函数分别将CK、IK转换成KC,将RES转换成SRES。然后终端将SERS返回给MSC,MSC将从HLR中收到的SRES和从终端收到的SRES进行比较,若一致,则鉴权通过,HLR将用户相关信息插入到GSM MSC/VLR中,并从旧的VLR中删除用户相关信息。完成位置更新过程。若比较结果不一致,则拒绝用户。虽然我国GSM系统空中接口没有进行加密,其实在规范中鉴权完毕后由加密过程,即终端和GSM BSS之间通过Kc进行加密操作。 5 结束语 通过上面的分析我们可以看出由于WCDMA和GSM有着相同的核心网,所以只要运营商相互开通WCDMA和GSM之间的业务,用户只需要更换原来的终端就可以实现自动漫游,不同的是在空中接口加密过程中需要对鉴权组中的参数进行相应的转换以适合空中接口的需要。 参考文献 【1】3GPP TS 22.100.Technical Specification Group Services and System Aspects [S]. 【2】3GPP TS 31.101.Technical Specification Group Terminals; UICC-Terminal Interface; Physical and Logical Characteristics [S]. 【3】3GPP TS 31.102.Characteristics of the Universal Subscriber Identity Module (USIM) application [S]. 【4】3GPP TS 25.211.Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD) (Release 1999) [S]. ★ |
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