現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)與系統(tǒng)-第4章WCDMA系統(tǒng)主要工作過(guò)程第一頁(yè)，共72頁(yè)。主要內(nèi)容如下：小區(qū)的系統(tǒng)信息廣播網(wǎng)絡(luò)選擇及小區(qū)選擇和重選隨機(jī)接入過(guò)程尋呼過(guò)程第二頁(yè)，共72頁(yè)。無(wú)線(xiàn)資源控制（RRC）連接建立過(guò)程WCDMA系統(tǒng)中不同切換過(guò)程的分析WCDMA系統(tǒng)安全措施，主要介紹鑒權(quán)過(guò)程、信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的加密、數(shù)據(jù)完整性保護(hù)等WCDMA系統(tǒng)中電路域和分組域呼叫的建立過(guò)程第三頁(yè)，共72頁(yè)。4.1WCDMA系統(tǒng)的基本工作過(guò)程4.1.1小區(qū)的系統(tǒng)信息廣播

小區(qū)的系統(tǒng)信息廣播是UE獲得系統(tǒng)參數(shù)信息的方式。 UE通過(guò)對(duì)小區(qū)廣播信息的監(jiān)聽(tīng)，讀取該小區(qū)的系統(tǒng)廣播信息，得到需要的系統(tǒng)配置信息，據(jù)此UE可以執(zhí)行后續(xù)動(dòng)作。第四頁(yè)，共72頁(yè)。

系統(tǒng)信息由信息單元構(gòu)成，攜帶接入層和非接入層的信息。

系統(tǒng)信息單元以系統(tǒng)信息塊的方式傳達(dá)給UE，每個(gè)系統(tǒng)信息塊包含有一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)信息單元。第五頁(yè)，共72頁(yè)。

系統(tǒng)信息塊有主信息塊（MasterInformationBlock，MIB）、調(diào)度塊（SchedulingBlock，SB）和普通系統(tǒng)信息塊（RegularSystemInformationBlock，SIB）3種類(lèi)型。第六頁(yè)，共72頁(yè)。4.1.2網(wǎng)絡(luò)選擇及小區(qū)選擇和重選1．空閑模式下的UE UE在開(kāi)機(jī)之后為了獲得網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，空閑模式下的UE需要執(zhí)行PLMN選擇和重選、小區(qū)選擇及重選和位置登記過(guò)程，這3個(gè)過(guò)程之間的關(guān)系如圖4-4所示。第七頁(yè)，共72頁(yè)。圖4-4UE選擇網(wǎng)絡(luò)示意圖第八頁(yè)，共72頁(yè)。 UE在開(kāi)機(jī)后，首先要尋找和選擇PLMN網(wǎng)絡(luò)，接著選擇屬于此PLMN網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)，通過(guò)系統(tǒng)信息可以了解鄰近小區(qū)的信息，UE選擇一個(gè)信號(hào)最好的小區(qū)駐留，然后通過(guò)小區(qū)進(jìn)行注冊(cè)和位置更新。第九頁(yè)，共72頁(yè)。

通過(guò)注冊(cè)可以判斷用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)的合法性，位置更新可以保證網(wǎng)絡(luò)在某個(gè)范圍內(nèi)找到UE，從而能正確完成對(duì)UE的尋呼。第十頁(yè)，共72頁(yè)。 UE成功的駐留在小區(qū)后，將具有如下功能：（1）能接收所屬PLMN的系統(tǒng)信息；（2）小區(qū)內(nèi)可以發(fā)起隨機(jī)接入過(guò)程；（3）可以接收網(wǎng)絡(luò)的尋呼信息；（4）可以接收小區(qū)的廣播業(yè)務(wù)。第十一頁(yè)，共72頁(yè)。

隨著UE的移動(dòng)，當(dāng)前小區(qū)和鄰近小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度都在不斷變化，UE還要根據(jù)測(cè)量到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，進(jìn)行小區(qū)的重新選擇，UE需要選擇一個(gè)最合適的小區(qū)駐留，也即為小區(qū)重選過(guò)程。第十二頁(yè)，共72頁(yè)。

合適小區(qū)（SuitableCell）是指此小區(qū)滿(mǎn)足UE駐留的條件，UE可以在其中獲得正常的服務(wù)。當(dāng)UE重選小區(qū)后，如果小區(qū)的位置區(qū)（LA）或路由區(qū)（RA）發(fā)生改變，UE將發(fā)起位置更新過(guò)程。第十三頁(yè)，共72頁(yè)。2．PLMN網(wǎng)絡(luò)選擇 PLMN網(wǎng)絡(luò)選擇和重選的目的是選擇一個(gè)可用的PLMN（AvailablePLMN）網(wǎng)絡(luò)，可用網(wǎng)絡(luò)（AvailablePLMN）是指UE在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中至少存在一個(gè)可用小區(qū)

（AcceptableCell）。第十四頁(yè)，共72頁(yè)。

根據(jù)3GPP規(guī)范，UE在開(kāi)機(jī)之后，

會(huì)首先選擇注冊(cè)的PLMN（Registered PLMN，RPLMN），RPLMN是UE上

次注冊(cè)成功的網(wǎng)絡(luò)。第十五頁(yè)，共72頁(yè)。

如果在手機(jī)內(nèi)沒(méi)有RPLMN，或者RPLMN不可用，或者UE在RPLMN中登記失敗，UE將會(huì)按照優(yōu)先級(jí)生成一個(gè)PLMN列表，UE按照網(wǎng)絡(luò)選擇模式繼續(xù)執(zhí)行其他PLMN選擇過(guò)程。第十六頁(yè)，共72頁(yè)。

網(wǎng)絡(luò)選擇模式有兩種可以使用，自

動(dòng)選擇和手動(dòng)選擇（Automatic/Manualselection）。

自動(dòng)選擇模式通常為UE按照PLMN的優(yōu)先級(jí)順序自動(dòng)地選擇PLMN網(wǎng)絡(luò)，而手動(dòng)選擇模式將可用網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)給用戶(hù)，由用戶(hù)選擇PLMN網(wǎng)絡(luò)。第十七頁(yè)，共72頁(yè)。4.1.3隨機(jī)接入過(guò)程 UE沒(méi)有被分配專(zhuān)用信道資源之前，如果希望和網(wǎng)絡(luò)建立連接，UE只能利用上行隨機(jī)接入信道（RACH）發(fā)送接入請(qǐng)求。UE發(fā)起接入請(qǐng)求的原因可以為：移動(dòng)臺(tái)始呼、移動(dòng)臺(tái)發(fā)送尋呼響應(yīng)、用戶(hù)登記等。UE通過(guò)RACH向基站發(fā)送的第一條消息為一條RRC消息。第十八頁(yè)，共72頁(yè)。4.1.4尋呼過(guò)程

移動(dòng)通信系統(tǒng)中UE的位置不是固定的，

為了建立一次呼叫，核心網(wǎng)（CN）根據(jù)無(wú)

線(xiàn)接入網(wǎng)應(yīng)用部分（RANAP）協(xié)議，通過(guò) Iu接口向UTRAN發(fā)送尋呼消息，UTRAN則

將CN尋呼消息通過(guò)Uu接口上的尋呼過(guò)程發(fā)

送給UE，使得被尋呼的UE發(fā)起與CN的信令

連接建立過(guò)程，一個(gè)不處于通信狀態(tài)的用戶(hù)

需要被激活時(shí)，尋呼過(guò)程是必需的。第十九頁(yè)，共72頁(yè)。 3GPP定義了第一類(lèi)型尋呼和第二類(lèi)型尋呼兩種尋呼類(lèi)型，應(yīng)用中將根據(jù)UE的運(yùn)行模式和狀態(tài)來(lái)選擇尋呼類(lèi)型。1．第一類(lèi)型尋呼

當(dāng)UE處于空閑模式、CELL

PCH或者URA

PCH狀態(tài)時(shí)，使用第一類(lèi)型尋呼，如圖4-7所示。第二十頁(yè)，共72頁(yè)。圖4-7第一類(lèi)型尋呼第二十一頁(yè)，共72頁(yè)。（1）第一類(lèi)型尋呼主要作用

①當(dāng)UE處于空閑模式下，為了建立一次呼叫或信令連接，網(wǎng)絡(luò)側(cè)的高層發(fā)起第一類(lèi)型尋呼過(guò)程，用來(lái)建立RRC連接以實(shí)現(xiàn)呼叫。第二十二頁(yè)，共72頁(yè)。

②當(dāng)UE處于CELL

PCH或URA

PCH狀態(tài)時(shí)，UTRAN發(fā)起尋呼以觸發(fā)UE狀態(tài)遷移到CELL

FACH狀態(tài)，第一類(lèi)型尋呼用來(lái)在分組數(shù)據(jù)會(huì)話(huà)中恢復(fù)傳送用戶(hù)數(shù)據(jù)。第二十三頁(yè)，共72頁(yè)。

③當(dāng)系統(tǒng)信息發(fā)生改變時(shí)，UTRAN發(fā)起空閑模式、CELL

PCH或者URA

PCH狀態(tài)下的尋呼，觸發(fā)UE讀取更新后的系統(tǒng)信息。第二十四頁(yè)，共72頁(yè)。（2）第一類(lèi)型尋呼消息的內(nèi)容

第一類(lèi)型尋呼消息是由消息類(lèi)型、尋呼記錄列表（可選）、數(shù)個(gè)尋呼記錄和BCCH修改信息（可選）等信息所組成。第二十五頁(yè)，共72頁(yè)。（3）第一類(lèi)型尋呼過(guò)程中用到的主要參數(shù)①尋呼的非連續(xù)接收（DRX）周期。②尋呼時(shí)機(jī)。③尋呼指示符。第二十六頁(yè)，共72頁(yè)。2．第二類(lèi)型尋呼

當(dāng)UE處于連接模式CELL

DCH狀態(tài)或者CELL

FACH狀態(tài)時(shí)使用第二類(lèi)型尋呼，如圖4-8所示。第二十七頁(yè)，共72頁(yè)。圖4-8第二類(lèi)型尋呼第二十八頁(yè)，共72頁(yè)。

第二類(lèi)型尋呼消息包含消息類(lèi)型、RRC執(zhí)行標(biāo)識(shí)、尋呼原因、核心網(wǎng)域標(biāo)識(shí)和尋呼記錄類(lèi)型標(biāo)識(shí)。第二類(lèi)型尋呼消息在DCCH信道上發(fā)送，然后映射到DCH或FACH。在UE已經(jīng)和網(wǎng)絡(luò)建立鏈接的情況下，UTRAN發(fā)送第二類(lèi)型尋呼消息給UE以建立第二個(gè)鏈接，比如同時(shí)建立語(yǔ)音和數(shù)據(jù)呼叫。第二十九頁(yè)，共72頁(yè)。4.1.5RRC連接建立過(guò)程 RRC連接是UE和SRNC之間進(jìn)行信令交互的一條邏輯通路，每個(gè)UE最多只有一個(gè)RRC連接，沒(méi)有RRC連接的UE狀態(tài)稱(chēng)為空閑狀態(tài)（IDLE），有RRC連接的UE狀態(tài)稱(chēng)為RRC連接模式。第三十頁(yè)，共72頁(yè)。 RRC連接建立過(guò)程說(shuō)明了UE如何建立與UTRAN的信令通路，是UE與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信令交互的前提條件。第三十一頁(yè)，共72頁(yè)。1．RRC連接建立過(guò)程 RRC連接總是由UE發(fā)起請(qǐng)求而由UTRAN建立和釋放。

當(dāng)RRC連接建立以后，UE從空閑模式轉(zhuǎn)換到CELL

DCH或CELL

FACH狀態(tài)。在專(zhuān)用物理信道（DCH）上建立RRC的信令流程如圖4-9所示。第三十二頁(yè)，共72頁(yè)。圖4-9RRC連接建立的信令流程第三十三頁(yè)，共72頁(yè)。4.1.6RAB的建立1．無(wú)線(xiàn)接入承載的概念

按UMTSQoS體系結(jié)構(gòu)，UMTS應(yīng)用層端到端的業(yè)務(wù)使用底層網(wǎng)絡(luò)所提供的承載業(yè)務(wù)，它可以分為終端設(shè)備/移動(dòng)終端（TE/MT）本地承載業(yè)務(wù)、UMTS承載業(yè)務(wù)和外部承載業(yè)務(wù)。UMTS承載業(yè)務(wù)由無(wú)線(xiàn)接入承載（RAB）業(yè)務(wù)和核心網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)組成，如圖4-11所示。第三十四頁(yè)，共72頁(yè)。圖4-11UMTSQoS體系結(jié)構(gòu)第三十五頁(yè)，共72頁(yè)。4.2WCDMA系統(tǒng)中的切換4.2.1切換1．切換的概念

切換通常指越區(qū)切換，移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)基站覆蓋的小區(qū)進(jìn)入到另一個(gè)基站覆蓋的小區(qū)的情況下，為了保持通信的連續(xù)性，將移動(dòng)臺(tái)與當(dāng)前基站之間的通信鏈路轉(zhuǎn)移到移動(dòng)臺(tái)與新基站之間的通信鏈路的過(guò)程稱(chēng)為切換。第三十六頁(yè)，共72頁(yè)。

根據(jù)切換方式不同，通常分為硬切換和軟切換兩種情況。

硬切換過(guò)程中，移動(dòng)臺(tái)先中斷與舊基站的連接，然后再進(jìn)行與新基站的連接，通信鏈路有短暫的中斷時(shí)間。第三十七頁(yè)，共72頁(yè)。

硬切換在空中接口過(guò)程中是先斷后通，當(dāng)切換時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，將影響用戶(hù)通話(huà)；軟切換是指移動(dòng)臺(tái)在載波頻率相同的基站覆蓋小區(qū)之間的信道切換。第三十八頁(yè)，共72頁(yè)。

軟切換過(guò)程中，移動(dòng)臺(tái)既維持與舊基站的連接，同時(shí)又建立與新基站的連接，同時(shí)利用新、舊鏈路的分集合并技術(shù)來(lái)改善通信質(zhì)量，與新基站建立了可靠連接之后，再中斷舊的連接。軟切換在空中接口過(guò)程中是先通后斷，沒(méi)有通信暫時(shí)中斷的現(xiàn)象。第三十九頁(yè)，共72頁(yè)。

引起切換的原因很多，常見(jiàn)的原因有上下行鏈路質(zhì)量的變化、用戶(hù)位置或應(yīng)用業(yè)務(wù)的變化、出現(xiàn)更好的基站覆蓋小區(qū)、系統(tǒng)操作、運(yùn)營(yíng)商管理以及業(yè)務(wù)流量出現(xiàn)突變等。第四十頁(yè)，共72頁(yè)。2．WCDMA系統(tǒng)中的切換

根據(jù)切換發(fā)生時(shí)移動(dòng)臺(tái)與源基站和目標(biāo)基站連接方式的不同，WCDMA系統(tǒng)采用切換方式有：軟切換、更軟切換和硬切換，如圖4-13所示。第四十一頁(yè)，共72頁(yè)。圖4-13WCDMA系統(tǒng)中的切換第四十二頁(yè)，共72頁(yè)。4.2.2軟切換/更軟切換 1．呼叫建立時(shí)的軟切換/更軟切換 2．UE在CELL

DCH狀態(tài)下的軟切換/更軟切換 3．同載頻FDD測(cè)量報(bào)告事件 4．軟切換/更軟切換信令流程第四十三頁(yè)，共72頁(yè)。4.2.3壓縮模式

壓縮模式，也稱(chēng)為時(shí)隙化模式，是指一種傳輸模式，信息傳輸在時(shí)域上被壓縮而產(chǎn)生出一個(gè)傳輸間隔。

壓縮模式也可以認(rèn)為通過(guò)傳輸時(shí)間的壓縮或減少來(lái)產(chǎn)生一段傳輸間隔，UE的接收機(jī)可以利用這段間隔調(diào)諧到另外一個(gè)載頻上進(jìn)行測(cè)量。第四十四頁(yè)，共72頁(yè)。4.2.4載頻間切換1．載頻間切換2．載頻間報(bào)告事件第四十五頁(yè)，共72頁(yè)。4.2.5系統(tǒng)間切換1．系統(tǒng)間切換2．觸發(fā)事件3．系統(tǒng)間切換信令流程第四十六頁(yè)，共72頁(yè)。4.3WCDMA系統(tǒng)安全

移動(dòng)通信系統(tǒng)的安全除了與有線(xiàn)通信系統(tǒng)相同的部分外，重點(diǎn)需要考慮移動(dòng)通信系統(tǒng)特殊的部分—空中接口部分的安全問(wèn)題，即網(wǎng)絡(luò)接入的安全問(wèn)題。

WCDMA系統(tǒng)的安全機(jī)制繼承了GSM系統(tǒng)的安全架構(gòu)，同時(shí)對(duì)GSM的安全機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)。WCDMA系統(tǒng)的接入安全主要包含以下幾個(gè)方面：第四十七頁(yè)，共72頁(yè)。（1）臨時(shí)身份標(biāo)識(shí)（TMSI）的使用；（2）系統(tǒng)中用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)的相互鑒權(quán)；（3）空中接口信令數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)；（4）空中接口數(shù)據(jù)的加密。第四十八頁(yè)，共72頁(yè)。

臨時(shí)身份標(biāo)識(shí)（TMSI）的使用是為了滿(mǎn)足用戶(hù)標(biāo)識(shí)的保密性而引入的，即要求保證在空中接口鏈路上不暴露用戶(hù)的永久身份標(biāo)識(shí)（IMSI）。第四十九頁(yè)，共72頁(yè)。

為了達(dá)到此要求，用戶(hù)的身份標(biāo)識(shí)通常在訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)（VisitedNetwork）中使用一個(gè)臨時(shí)身份標(biāo)識(shí)（TMSI），盡可能少地使用用戶(hù)簽約身份標(biāo)識(shí)（IMSI）。

在CS域中，用戶(hù)的臨時(shí)身份標(biāo)識(shí)是TMSI。

在PS域中，用戶(hù)的臨時(shí)身份標(biāo)識(shí)是P-TMSI。第五十頁(yè)，共72頁(yè)。

如果在UE中TMSI和P-TMSI都不可用，則UE需要使用IMSI作為自己的身份標(biāo)識(shí)來(lái)進(jìn)行和網(wǎng)絡(luò)方的信令交互，一旦網(wǎng)絡(luò)給用戶(hù)分配了新的TMSI，則UE將使用TMSI。第五十一頁(yè)，共72頁(yè)。4.3.1鑒權(quán)過(guò)程1．鑒權(quán)過(guò)程功能

鑒權(quán)過(guò)程是幾乎所有移動(dòng)通信系統(tǒng)必須具備的功能，沒(méi)有鑒權(quán)也就沒(méi)有合法身份的驗(yàn)證。 WCDMA的鑒權(quán)過(guò)程具有如下功能。第五十二頁(yè)，共72頁(yè)。

（1）網(wǎng)絡(luò)方檢查移動(dòng)臺(tái)發(fā)送的身份標(biāo)識(shí)是否合法；

（2）提供鑒權(quán)參數(shù)五元組中的隨機(jī)數(shù)數(shù)組；

（3）向移動(dòng)臺(tái)提供新的加密鍵（CK）；第五十三頁(yè)，共72頁(yè)。（4）向移動(dòng)臺(tái)提供新的完整性保護(hù)鍵（IK）；（5）允許移動(dòng)臺(tái)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)方的合法性。第五十四頁(yè)，共72頁(yè)。2．鑒權(quán)中心鑒權(quán)參數(shù)的生成（1）五元組包括的鑒權(quán)參數(shù)

①RAND（RandomChallenge），隨機(jī)數(shù)；

②XRES（ExpectedUserResponse），網(wǎng)絡(luò)方希望移動(dòng)臺(tái)給出的響應(yīng)；第五十五頁(yè)，共72頁(yè)。

③AUTN（Authenticationtoken），鑒權(quán)參數(shù)；

④CK（Cipherkey），加密鍵；

⑤IK（Integritykey），完整性保護(hù)鍵。（2）鑒權(quán)參數(shù)的生成第五十六頁(yè)，共72頁(yè)。3．USIM中的鑒權(quán)及鑒權(quán)參數(shù)的生成 USIM中的鑒權(quán)過(guò)程如圖4-28所示。圖4-28USIM中的鑒權(quán)過(guò)程第五十七頁(yè)，共72頁(yè)。4．WCDMA中的鑒權(quán)與鍵值協(xié)商過(guò)程

鑒權(quán)的前提條件是用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)方都擁有一個(gè)鑒權(quán)參數(shù)K，K是一個(gè)128bit的二進(jìn)制數(shù)，每個(gè)用戶(hù)使用不同的K，K只在用戶(hù)的USIM中和用戶(hù)歸屬網(wǎng)絡(luò)中的鑒權(quán)中心（AuC）保存。 WCDMA中的鑒權(quán)與鍵值協(xié)商過(guò)程如圖4-29所示。第五十八頁(yè)，共72頁(yè)。圖4-29WCDMA中的鑒權(quán)與鍵值協(xié)商過(guò)程第五十九頁(yè)，共72頁(yè)。4.3.2信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的加密

無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中空中接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)放性使得網(wǎng)絡(luò)與終端的發(fā)射數(shù)據(jù)更容易被截獲、進(jìn)而被惡意攻擊，通過(guò)對(duì)空中接口數(shù)據(jù)的加密過(guò)程可以有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。第六十頁(yè)，共72頁(yè)。 WCDMA在空中接口無(wú)線(xiàn)鏈路的加密主要包括以下內(nèi)容：（1）加密鍵的生成；（2）加密算法的實(shí)現(xiàn)；（3）用戶(hù)數(shù)據(jù)的加密；（4）信令的加密。第六十一頁(yè)，共72頁(yè)。

圖4-30所示為使用加密算法f8得到加密用的鍵流數(shù)據(jù)塊，并通過(guò)這個(gè)加密用的鍵流數(shù)據(jù)塊與未加密的明文數(shù)據(jù)流進(jìn)行異或運(yùn)算，從而得到在空中接口傳送的密文。

非法用戶(hù)即使得到了空中接口傳送的密文，由于缺少恢復(fù)明文所需的加密用的鍵流數(shù)據(jù)塊，同樣不能正確讀出明文的內(nèi)容。第六十二頁(yè)，共72頁(yè)。

在接收端，通過(guò)一組同樣的參數(shù)可以得到加密時(shí)使用的加密用的鍵流數(shù)據(jù)塊，這樣通過(guò)加密用的鍵流數(shù)據(jù)塊與密文進(jìn)行異或操作，就可以將明文恢復(fù)出來(lái)，完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的解密。第六十三頁(yè)，共72頁(yè)。圖4-30WCDMA