蜂窝移动通信系统课件

TDMA蜂窝移动通信系统 l概述 l网络结构 l编号 l路由及接续 l数字无线接口 l交换系统 1 概述 一、数字蜂窝移动电话系统的概念 数字蜂窝移动电话系统是将话音信号 转换成数字码，并采用宽带时分多址 (TDMA)系统取代模拟蜂窝的频分调频系 统。在一个基地站区内，各信道是以帧结 构内的不同时隙来代表的，且每个小区配 有专门用来传输信令的时隙。故就话音信 号的传输而言，数字蜂窝移动电话系统是 在数字信道(TDMA时隙)上传输数字信号( 经话音编码后的数字话音信号)，并且信令 、信道也是数字方式的。 2 二、数字蜂窝移动电话系统的制式 数字蜂窝移动通信系统有代表性的是欧洲 的GSM系统(1992年开始服务)、北美的D- AMPS系统(1993年开始服务)和日本的PDC系 统(1993年开始服务)。 西欧邮电管理会议CEPT率先于1982年成 立了移动通信特别组GSM，着手制定泛欧数字 蜂窝系统标准。经过6年努力，于1988年公布 了GSM标准。GSM系统在900MHz的25MHz带 宽中安排宽度为200kHz的125个载波，每个载 波以 3 TDMA方式分成8个时隙。并用16kbits的码 率传送以RPE-LTP编码方式编码的话音。 美国电子工业协会EIA在美国电话电报公 司AT二是有关用户 当前位置的信息,以便建立至移动台的呼叫 路由。例如移动台的漫游号码、VLR地址 等。 20 6. 设备识别寄存器(EIR):存储有关移动台设 备参数的数据库。主要完成对移动设备的 识别、监视、闭锁等功能。 7. 鉴权中心(AUC):为认证移动用户的身份 和产生相应鉴权参数(随机号码RAND、 符号响应SRES、密钥KC)的功能实体。 通常HLR、AUC合设置于一个物理实 体中,VLR、MSC合设置于一个物理实体 中。MS C、VLR、HLR、AUC、EIR也 可都设置在一个物理实体中。 21 8. 操作维护中心(OMC):操作维护数字蜂窝 PLMN公用陆地移动网的功能实体。 22 编号 一、移动用户的ISDN号码(MSISDN) 此号码是指主叫用户为呼叫数字公用陆地蜂 窝移动通信网中用户所需拨的号码。号码 组成如下: 23 国内移动用户ISDN号码用11位数字的等长号码表示。 CC,我国的国家码为86。 NDC,包含数字蜂窝移动业务接入号N1、N2、N3 和HLR识别号H1、H2、H3 。 数字蜂窝移动业务接入号NDC:139X、138X 135139 中国移动，130 中国联通 H1、H2、H3为HLR识别号(位置寄存器)表示用户归属的HLR,也用来区别移动业务本地网。存储在HLR中。 24 的分配 25 二、国际移动用户识别码(IMSI) 移动用户的识别码为15位数号码,结构如下: 26 每个用户均分配一个唯一的国际移动用户识 别码，此码在所有位置（包括漫游区）都 是有效的。通常在呼叫建立和位置更新时 ，需要使用IMSI。 其中： MCC：移动用户所属国家代码，我国为460 。 MNC：移动网号码，最多由两位数字组成， 用于识别移动用户所归属的移动通信网。 中国移动为00，中国联通为01 MSIN：移动用户识别码，用于识别某一移动 通信网中的移动用户。 27 IMSI是保密的，用户不知道，存储在SIM卡和 HLR中。只在用户登记、鉴权时使用，鉴权 登记后，系统分配一个TIMSI。网中用户呼叫 寻址是根据IMSI，在漫游时，IMSI要登记到 漫游地的VLR中。 三、移动用户漫游号码(MSRN) 当移动用户漫游到一个新的服务区时， 由VLR给它分配一个临时性的漫游号码，并 通知该用户的HLR，用于建立通信路由。其 结构与移动台的国际（或国内）ISDN号码相 同。 28 四、临时移动用户识别码(TMSI) 为了对IMSI保密,VLR可给来访移动 用户分配一个唯一的TMSI号码,它与IMSI 一一对应，可按一定的算法互相转换，这 样就避免了窃听者通过无线信道检测到用 户的IMSI，IMSI只在起始入网登记时使用 。TMSI只在本地使用,为一个4字节的 BCD编码。由各MSC自行分配。 29 五、位置区识别与基站小区识别 1.位置区识别(LAl) 位置区识别由三个部分组成；如下所示： LAI=MCC+NMC+LAC 30 LAI在检测位置更新和信道切换时使 用。其中的MCC和MNC与IMSI中的MCC 和MNC相同，LAC用于识别GSM中的一 个位置区，最多不超过两个字节，采用十 六进制编码，由各运营部门自定。 2全球小区识别(GCI) 全球小区识别码是在LAC的基础上 再加小区识别(CI)构成的。其结构为 MCC十MNC十LAC十CI CI为一个2字节BCD编码，由各MSC自定 。 31 3基站识别码(BSIC) 基站识别码用于识别相同载频的不同 基站，特别用于识别边界上相邻国家采用 相同载频的相邻基站，为6比特编码，其 结构为 NCC(3bit)十BCC(3bit) 其中，网络色码(NCC)，用来识别相邻的 PLMN网，基站色码(BCC)用来识别相同 载频的不同基站，由运营部门定。 32 六、国际移动台识别码(IMEI) 用于唯一地识别一个移动台设备，为 一个15位的十进制数字，其构成为： TAC(6个数字)十FAC(2个数字)十SNR(6 个数字)十SPC(1个数字) 其中，型号批准码(TAC)由欧洲型号 中心分配；工厂分配码(由厂家编码)表示 生产厂家及其装配地；序号码(SNR)由厂 家分配；备用(SP)。 33 GSM位置区域的概念 1 服务区（Service Area） 服务区系指移动台可获得服务的区域。不同通信网的 用户无需知道移动台的具体位置即可与之通信的 区域。 2 公用陆地移动通信网区域(PLMN) PLMN区是指整个陆地移动通信网的地理区域，它是 独立于通信网中其它网络（如ISDN 、PSTN网） 的一个网络。 3 MSC区 指由一个移动业务交换中心所控制的所有小区，构成 PLMN网的一部分。一个MSC区可由若干位置区 构成。 34 4 位置区 指移动台可任意移动不需要进行位置更新的区域，一个位置 区可由若干个小区或基站区组成。为了呼叫一个移动台， 可在一个位置区内所有基站同时发起呼叫。 5 基站区 由置于同一区域的一个或数个基站收发信台(BTS)包括的所有 小区所覆盖的区域。 6 小区 采用基站识别码或全球小区识别码进行标识的无线覆盖区域 。在使用全向天线结构时，小区即为基站区。在设计时， 一个具体化的蜂房就是一个小区。 35 36 数字无线接口 数字无线接口是移动台(MS)与基站收发 信机(BTS)之间接口的统称。它使用了每个载 频一个TDMA帧的时分多址的概念,每帧包括 八个时隙(TS-Time Slot),从BTS到MS的方向 定为下行,相反的方向称为上行。 l一、信道的定义 l1.物理信道 l 一个载频上的TDMA帧的一个时隙称为 一个物理信道。它相当于FDMA系统中的一 个频道,每个用户通过一系列频率的一个信道 接入系统,因此,GSM中每个载频有8个物理信 道,即信道07(时隙07)。在一个TS中发出 的信息 37 称为一个突发脉冲序列。 2.逻辑信道 大量的信息传递于BTS与MS之间,根 据传递信道的种类,我们定义不同的逻辑 信道。逻辑信道在传输过程中要被放在某 个物理信道上。逻辑信道可分为两类,即 业务信道和控制信道。 3.业务信道 业务信道(TCH)用于传送编码后的话 音或用户数据。 38 4.控制信道 控制信道(CCH)用于传递信令或同步 数据。控制信道分三种:广播、公共及专 用控制信道。 (1)广播信道 频率校正信道(FCCH):此信道给用户传送 校正MS频率的信息。 同步信道(SCH):此信道传送给MS的帧同 步(TDMA帧号)和BTS的识别码(BSC)的 信息。 39 广播控制信道(BCCH):此信道广播每个 BTS的通用信息(小区特定信息)。 (2)公共控制信道(CCCH) 寻呼信道(PCH):此信道用于寻呼(搜索 )MS。是下行信道。 随机接入信道(RACH):MS通过此信道申 请分配一个SDCCH（独立专用控制信道）, 它可作为对寻呼的响应或MS主叫登记时的 接入。是上行信道。 允许接入信道(AGCH):此信道用于为MS 分配一个SDCCH。是下行信道。 40 (3)专用控制信道(DCCH) 独立专用控制信道(SDCCH)：用于在分 配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信息 。例如登记和鉴权在此信道上进行。 慢速随路控制信道(SACCH)：在MS和 基站之间，需要周期性地传输一些信息， 如MS要不断地报告正在服务的基站和邻近 基站的信号强度，用于实现MS辅助切换功 能。这些信息就在慢速控制信道上发送。 SACCH可与一个TCH或一个SDCCH联合 使用。是上下行、点对点(移动对移动)信 道。 41 快速随路控制信道(FACCH)：与一个业 务信道TCH相关。在话间传输过程中如果 突然需要以比慢速随路控制信道SACCH 所能处理的高得多的速度传送信令信息, 则借用20ms的话音(数据)突发脉冲序列 来传信令,这种情况通常在切换时使用。 由于话音译码器会重复最后20ms的话音, 所以这种中断是不被用户查觉的。 42 路由及接续 一、移动用户呼叫固定用户 1.移动用户(包括漫游用户)呼MSC所在地的 固定用户。始呼MSC分析(0)XYZ,若XYZ 与MSC所在地的XYZ相同,则经MSC至当 地的LS出中继电路,接至固定用户,如下图 所示。 43 2.移动用户(包括漫游用户)呼叫外地的固定 用户。始呼MSC分析(0)XYZ,若XYZ与所 在XYZ不同,则接至长途局,由PSTN网进 行接续,如下图所示。（TS-TOLL SWITCH） 44 其他呼叫过程，如固定用户呼叫移动用户等， 其接续过程与此类似。 二、移动用户的激活和分离 当移动用户开机后,在空中接口搜索,在接受 到频率校正和同步信息后,锁定到一个频率上,该 频率上有广播信息和可能的寻呼信息。由于移 动用户第一次被使用,所以对它进行业务处理的 MSC/VLR没有这个移动用户的任何信息。若移 动用户在它的数据存储器中找到原来的位置区 识别码(LAI),应立即要求接入网络,向MSC/VLR 发出位 45 置更新消息,通知系统在本位置区内的新 用户信息。LAI是在空中接口上连续发送 的广播信息的一部分。这里,MSC/VLR就 认为此移动用户被激活,对移动用户的国 际移动用户识别码(IMSI)的数据做“附着” 标记。一个数据激活状态的移动用户有“ 附着”IMSI的标记。 移动用户关机时,移动用户向网络发 送最后一次的消息,其中包括分离处理请 求,MSC/VIR接收到“分离”消息后,就在该 用户对应的I MSI上作“分离”标记。 46 当移动用户向网络发送“IMSI”分离 消息时,如果无线链路质量很差,系统不可 能正确译码。由于没有证实消息发送给移 动用户,则系统认为移动用户仍处在附着 状态。为了解决这个问题,系统采取了强 制登记措施。如要求移动用户每30分钟登 记一次,就叫周期性登记。若系统没有接 收到某移动用户的周期性登记信息,该用 户所处的VLR就以“分离”在移动用户上做 标记。周期性登记过程只有证实消息,移 动用户只有接收 47 到证实消息才停止向系统发登记消息,系 统通知移动用户并周期性登记时间周期。 三、呼叫过程 移动用户被呼:被呼的移动用户的路 由到达该移动用户所登记的MSC/VLR后, 由MSC/VLR向移动用户发寻呼消息,这个 消息在整个位置区内广播,也就是在位置 区内所有的基站都向移动用户发寻呼消息 ,在位置区内的被叫用户收到寻呼消息并 立即响应。 48 移动用户主呼:当移动用户处于激活 并在空闲状态,该移动用户若要建立一个 呼叫,只需拨被呼用户的号码,再按“发送” 键,移动用户则开始启动程序。首先,移动 用户通过随机接入信道(RACH)向系统发 接入请求信息。MSC/VLR便分配给它一 专用信道,查看主呼用户的类别并标记此 主叫用户示忙,若系统允许该主呼用户接 入网络,则MSC/VLR发证实接入请求消息, 主呼用户发起呼叫。 49 如果被呼叫用户是固定用户,则系统直 接将被呼用户号码送入固定网络(PSTN), 转接被呼用户的交换机,一旦接通被呼用 户的链路准备好,网络便向主呼用户发出 呼叫建立证实,并给它分配专用业务信道 TCH。主呼用户等候被呼用户响应证实信 号,这时完成移动用户主呼的过程。 举例说明: 市话网固定用户呼叫漫游移动用户: 拨移动用户号码,即移动用户国内目的地 代码, 50 连接链路由本地交换机与移动网络GMSC 入口局之间建立。在GMSC入口局分析被 叫用户号码,应用查询功能向HLR发 MSISDN询问移动台漫游号码(MSRN)。 HLR将所拨的移动用户号码转换为 GSM/PSTN用户识别码 (MSISDNIMSI),HLR查到被叫用户的业 务区后,向该区VLR发被叫的IMSI请求。 VLR临时分配给被叫用户一个漫游号码 MSRN,并把此号码回给HLR,再由HLR发送 给GMSC。GMSC有了MSRN, 51 就可以把入局呼叫接到被叫用户所在的 MSC/VRL业务区,GMSC与MSC/VLR的 连接可以是直接的,也可以是经过PSTN转 接,如下图所示。 52 53 54 被呼叫用户所在的VLR查出被叫用 户的位置区识别码(LAI由IMSI国际移动用 户识别码查出),MSC/VLR将寻呼消息发送 给位置区内所有的基站,这些基站在整个 位置区覆盖范围内进行广播寻呼,如下图 所示。 55 56 基站通过寻呼信道PCH发送寻呼消息。 在位置区内某小区PCH上的空闲移动用户 接到寻呼信息,识别出IMSI码后,发送响应信 息。呼叫建立完成分配业务信道,通过无线 通路接通移动用户。 57 （1）MS通过RACH(随机接入信道)要求分配信令信道SDCCH(独立 专用控制信道)； （2）BSC分配SDCCH后用AGCH(允许接入信道)通知MS； （3）MS通过SDCCH向MSC/VLR发送呼叫建立请求，其后所有建立 呼叫前所需信息均在其上传送，包括鉴权加密设备识别发送被叫 号码等等； （4）MSC/VLR要求BSC分配一TCH给MS并转至BTS，再由BTS告知MS ； （5）MSC/VLR传送被叫号到PSTN 根据被叫号建立连接。 1、移动用户呼叫固定用户 58 2 固定用户呼叫移动用户 59 （1）固定用户拨MSISDN号码，在本地交换机内分析后，转至 GMSC； （2）GMSC分析MSISDN以找出MS登记所在HLR； （3）HLR释放MSISDN为IMSI，找出当前服务于MS的MSC/VLR； （4）HLR从MSC/VLR中要求MSRN； （5）MSC/VLR发MSRN至HLR 由其转至GMSC； （6）GMSC路由呼叫至MSC/VLR； （7）MSC/VLR知道MS所在位置区要求BSC寻呼用户； （8）BSC分配寻呼信息到BTS 由BTS通过PCH(寻呼信道)发送 ； （9）MS收到信息后,通过RACH(随机接入信道)要求分配SDCCH ； （10）BSC用AGCH分配给MS一个SDCCH； (11)SDCCH用于建立呼叫分配MS一个TCH。 60 四、位置更新 在某一小区内移动的用户处于开机 空闲状态时，它被锁定在该小区的广播控 制信道(BCCH)载频上，该载频的零时隙 有广播控制信道(BCCH)和公共控制信道 (CCCH)。当移动用户向离开这个小区的 基站方向移动时，信号强度会减弱。当移 动到两个小区理论边界附近时，移动用户 台会因信号强度太弱而决定转到邻近小区 的无线频率上。为了正确选择无线小区， 61 移动台要对每一个邻近小区的BCCH 载频的信号强度进行连续测量。当发现新 的基站发出的BCCH载频信号强度优于原 小区时，移动台将锁定在这个新载频上， 并继续接收广播消息及可能发给它的寻呼 信息。而这时移动台所接收的BCCH载频 的信号并没有通知移动网络，如下图。 当移动用户由小区2向小区3移动时 ，如果这两个小区不属于同一位置区， 62 63 因为移动用户不知道它所在地区的网络 结构，为了告知新移动用户所在的实际位 置信息，系统要通过空中接口的BCCH连 续发送位置区识别码(LAI)。这样当移动 用户由小区2进入小区3后，移动台通过接 收BCCH可以知道已进入新位置区。由于 位置信息非常重要，因此位置区的变化一 定要通知网络，这个过程称为“强制登记” 。在接入移动通信网的移动业务交换中心 的外来用户位置寄存器内进行位置更新。 64 位置更新有两种情况： l移动用户由小区1向小区2，通过新的基站 控制器把位置消息传给原来的MSC VLR，移动用户没有改变MSCVLR业 务区，见下图。 65 同MSCVLR之间漫游时位置更新的过程 66 67 l移动用户由小区3向小区5，通过新的 BSC把位置消息传给新的MSCVLR， 这就是说移动用户已到达了一个新的 MSCVLR业务区。不同MSCVLR之 间漫游时位置更新的过程见下图。 68 不同MSCVLR之间漫游时位置更新的过程 69 70 五、越区切换 1.定位 当移动用户离开基站较远,无线传输 质量逐渐下降。这时,系统就需要将移动 用户转换到另一个基站,这种由原基站的 业务信道转换到新的基站的业务信道的过 程称为切换。 71 切换的过程由系统网络来决定,移动用户只向基 站系统BSS发送有关信号强度的信息,BSC根据 这些信息对周围小区进行比较,这就是定位。 在通话的过程中,移动用户必须能够进行信 令信息的传送,否则就无法进行切换。在专用业 务信道上进行通话期间,不可能使用另一个信道 专门用于信令传送。因此,话务和信令信息只能 在一个信道上传送，传送快速随路控制信道（ FACCH）。为了区别两种不同的信息,它们将按 顺序发送。 72 下面把“定位”的过程做一描述: 基站应知道移动用户所