（通信与信息系统专业论文）2g3g无线通信系统间切换技术的研究及功能实现.pdf

2 g 3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 摘要 在网络运营商刚开始提供u m t s 服务时，u m t s 系统将只是在 g s m 系统大范围覆盖下的一小部分。如何实现与g s m 系统间的切换漫 游是现有g s m 运营商建设3 g 网络面i 临的核心问题之一。 笔者在摩托罗拉公司做毕业设计期间，参与摩托罗拉公司关于2 g 和3 g 网络之间小区重选及切换功能实现的测试工作。不同接入网间的 切换功能允许多接入制式移动台在空闲状态下进行2 g ，3 g 间的小区选 择和重选，在专用模式下进行2 g ，3 g 小区的切换。 本文描述了2 g 和3 g 网络之间切换功能及增强切换功能的实现过 程和结果。通过对基站子系统b s s ，无线网络控制器r n c 和移动交换中 心m s c 的配置以及相关参数的设置，完成2g ，3 g 网络间基于服务的切 换功能。并且在此基础上，实现了增强切换功能，如盲搜索功能，早期 级别发送功能，测量报告消息的发送功能等。盲搜索功能将发送至移动 台的消息最小化从而相应地缩短了3 g 邻小区消息的广播时间，早期级 别发送功能使b s s 早期确定移动台的u t r a n 接入能力。这些增强功能 的实现使2 g ，3 g 之间的切换能够更加快速和有效地进行，提高了切换功 能的有效性和可靠性。 关键词：移动通信；2 g ； 3 g ；切换；u m t s 系统 北京交通大学电子信息工程硕士论文 第1 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统间切换技术的硼f 究发功能实现 a b s t r a c t 嘶t i a l l y ，w h e nn e t w o r k0 p e r a t o r sp r o v i d eau m t ss e r v i c e ，t h e r em a y o n l yb es m a l lp o c k e t so fu m t sc o v e r a g ei nap r e d o m i n a n t l yg s mc o v e r a g e n e 雠o r k t oe n a b i er o 狮i n ga i l dh a i l d o v e rw i t hg s mn e 觚o r ki so n eo ft h e c o r et a s k si n3 gn e t w o r ke s t a b l i s h m e n tf o rt h en e t w o r ko d e r a t o r s d u r i n gt h ei n t e m s h i pi nm o t o r o l a ，a u t h o rt o o kp a n i nt l l et e s t i n gt a s ko f c e l lr e s e l e c t i o n 卸dh a i l d o v e rf e a t u r eb e m e e n2 ga n d3 gn e t w o r k s t h e l n 把r r a th a n d o v e rf b a t l l r ea 1 1 0 w sam u l t i r a tm o b i l es t a t i o n ( m s ) t o p e r f o m lc e l is e l e c t i o r e s e l e c t i o nb e t w e e n2 ga n d3 gi ni d 】em o d e ，a n d h a n d o v e f 弓b e t w e e n2 ga n d3 gi nc i r c u i t s w i t c h e dd e d i c a t e dm o d e n i sa n i c l ed e s c r i b e st h ep r o c e s sa n dr e s u l to ft h eh a n d o v e ra n d e i l l l a n c e dh a l l d o v e r 劬c t i o nb e l w e e n2 ga 1 1 d3 gn e t 、v o r k s b yc o n f i g u r a t i o n a tb s s ，r n ca n dm s ca n ds e l t i n go fr e l a t e dp a r a m e t e r s ，i r n p l e m e n tt h e s e i c e - b a s e dh a n d o v c rf h n c t i o nb e 研e 2 ga n d3 gn e f o r k s a 胡触h e r t i r i l p l c m e n te n h a n c e dc e l lr e s e l e c t i o na n dh a n d o v e r 如n c t i o n ，s u c ha sb l i n d s e a r c h ，e a r l y c l a s s m a r ks c n d i n ga n dm e a s u r e m e n tr c p o r tm e s s a g e e n h a 工l c e d h a n d 0 v e r 血n c t i o nm a k e st h eh 肌d o v e r b e t w e e n2 ga 1 1 d3 gm o r eq u i c ka n d e m c i e n t ；i m p r o v e s 廿1 ev a l i d i t ya 1 1 dr c l i a b i l i t yo f t h eh a i l d o v c r 缸l c t i o n k e yw o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ；2 g ；3 g ；h a n d o v e r u m t ss y s t e m 北京交通大学电子信息工程硕士论文第1 i 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 第1 章绪论 1 1 移动通信网的发展过程 现代科学技术和经济的飞速发展，健全球社会日益成为一个相互影 响、紧密相依的有机整体。人类对于通信技术研究和开发也提出了更高 的要求一任何时间、任何地点、任何人之间能够以任何方式进行信息 交流。现代通信技术，尤其是移动无线通信技术以其灵活、便捷的特点 符合了现代社会人们对通信技术的要求。 移动通信技术从二十世纪八十年代开始，经历了第一代模拟通信技 术、第二代数字通信技术以及2 5 代的g p r s 系统，至今已经发展到第三 代。 2 g2 5 g3 g3 g + 空中接 1 d m a ，c d mt d m c d mw c d m ac d m a 口 aa 典型系 g s m 先d m a o ng p r s c m n a 2w c d m c d m aw c d m a c d m a 统 eo o o 2 0 0 0 2 0 0 0 交换模电路交换分组交换分组交换分组交换 工l 电路交换 应用业语音+ 低速数话音+ 数据 多媒体多媒体+ 虚拟现 务据 实 数据速 9 6 k 一 6 4 k 一1 4 4 k b p s3 8 4 k - 2 m b p s1 0 m 一1 0 0 m b p s 盔1 4 4 k b p s 北京交通大学电子信息工程硕士论文第1 页共7 7 页 2 g 3 g 无线嬉信系统问切换控术的研究及功能实现 1 g 系统( 1 9 8 5 年) 主要以模拟技术为基础，采用频分多址( f d m a ) 接 八方式，其中具有代表性的系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、北欧 的n m t 等。蜂窝化的系统设计方案解决了公用移动通信系统的大容量 要求和频谱资源受限的矛盾。虽然模拟蜂窝系统取得了巨大的成功，但 也存在一些问题：频谱效率较低：业务种类单一；模拟系统干扰严重； 模拟系统保密性较差。因此各国很快着手第二代数字蜂窝移动通信系统 的开发。 9 0 年代初，以t d m a 为基础的数字蜂窝移动通信系统 ( g s m ，d 舢p s ，j d c ) 相继投入使用，基于数字调制方式的2 g 网络系统采 用了时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 的接入方式，并采用独立信 道传送信令，使系统性能大为改善。基于t d m a 的两个典型移动通信系 统是北美的i s 5 4 系统和欧洲的g s m ( g 1 0 b a ls y s t e m f o rm o b i l e c o i 砌u n i c a t i o n s ) 系统。t d m a 数字蜂窝移动通信系统比f d m a 蜂窝移动 通信系统有许多优势：频谱效率高、系统容量大、保密性能好、话音质 量好等等，但t d m a 方式仍存在系统容量不理想及越区切换性能不完善 的缺点。为克服t d m a 和f d m a 两种多址方式的缺点，北美推出了l s 9 5 c d m a 数字移动通信系统。i s 一9 5 c d m a 系统以其频率规划简单、系 统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量等特 点显示出巨大的发展潜力。 我国目前的蜂窝系统有两种，一种采用欧洲的g s m 系统，另一种采 用北美的窄带c d m a 系统。g s m 系统( g 1 0 b a ls ”t e mf o rm o b i 】e c o 咖u l l i c a t i o n ) 发展较早，最初为欧洲标准，随着该系统在全球的广泛 应用，其含义已成为全球移动通信系统。g s m 系统具有标准化程度 高、接口开放等特点，强大的联网能力推动了国际漫游业务，用户识别 卡的应用真正实现了个人移动性和终端移动性。2 5 代是在第二代数字 北京交通大学电子信息工程硕士论文第z 页共7 7 页 2 g 如g 无线通信系统问切换技术的研究及功能实现 系统上发展而来的，2 5 代有三种技术，一般使用的是通用分组无线业 务f g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e l 技术，速率为5 6 k b s 到1 7 l k b s ； 另外还有g s m 增强数据速率( e d g e ，e 1 1 1 1 a 1 1 c e dd a t ar a t e s f o rg s m e v o i “0 n ) 技术，速率为3 8 4 k b s ；还有高速电路交换数据( h s c s d ，h i 曲 s p e e dc i r c u i ts 、v i t c h e dd 出0 技术。g p r s 是g s mp h a s e 2 + 技术。它首次 在g s m 网络中引人分组交换模式，将无线数据通信与数据网络的融合推 进了一大步，这在无线资源希缺的情况下显得尤为重要。在电路交换方 式下，在整个通信连接期间，用户无论是否传递数据都将占用无线信 道。在分组交换方式下，只有当用户收发数据时才占用信道，这使得用 户可以高效率地共享同一无线信道。由于共享信道，分组方式的计费是 以数据量为主要依据的。 从1 9 9 7 年开始，由于第二代移动通信系统的巨大成功，用户的高速 增长与有限的系统容量和有限的业务之间的矛盾逐渐明显，第三代移动 通信的标准化工作逐渐进人实质阶段。在网络用户数量急剧增长，频率 资源日益紧张，用户要求提供更多类型和更高数据速率业务( 如移动视 频、数据等多媒体业务) 的情况下，m i t 一2 0 0 0 要求第三代移动通信网络 能提供更大的容量、更高的通信质量，并支持大于2 m b p 的数据业务， 以满足人们对多媒体通信的要求，并适应通信个人化的发展趋势。正在 深入研究和逐渐部署的第三代移动通信网，区别于现有的第一代和第二 代移动通信网的主要特点包括：( 1 ) 支持全球无缝漫游，2 g 网络一般是 区域性或国家性的，而3 g 网络在全球范围内覆盖和使用，i t u 将完成扩 展频谱的规划，全球统一标准；( 2 ) 支持多媒体业务，特别是支持 h c e m e t 接入服务，现有的移动通信网络主要承载话音业务，随着技术的 发展，也仅能提供速率受限的数据业务，g s m 演进到最高阶段的速率 可支持3 8 4 k b p s ，而3 g 网络的业务能力将比第二代有明显的增强，能够 北京交通大学电子信息工程硕士论文第3 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 支持宽速率变化范围的、话音到分组数据的多媒体业务；( 3 ) i m t 一2 0 0 0 要求3 g 网络的无线传输技术最低必须满足快速移动环境下最高速率达 1 4 4 k b p s 、室内环境下最高速率达3 8 4 k b p s 及室外到室内或步行环境下 最高速率达2 m b p s ；( 3 ) 便于过渡和演进，3 g 网络的引入一定要能在己 具有相当规模的2 g 网络的基础上灵活演进，并能很好地兼容和互通固 定网；( 4 ) 高频谱效率和服务质量、低成本、高保密性。 在经过几年的技术评估、研究分析及大量的协调和融合工作之后， 在1 9 9 9 年底i t ut g 8 1 l 最后依次会议上，通过了日讧t 一2 0 0 0 的无线接口技 术规范，这标志着第三代技术的格局己最终确定，它分为c d m a 和 t d m a 两大类公五种技术，其中主流技术为以下三种c d m a 技术： w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和n ) 一s c d m a ： 讧t 2 0 0 0c d m a d sf l m t 2 0 0 0 直接扩频c d m a ) ，即w c d m a 此技 术在一个宽达5 m 的频带内直接对信号进行扩频； m t 之0 0 0c d m a m c 但a t 2 0 0 0 多载波c d m a1 ，即c d m a 2 0 0 0 。这 是美国提出的技术，由多个1 2 5 m 的窄带直接扩频系统组成的一个宽带 系统； i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( 时分双工c d m a ) ，目前包括 一s c d m a 和 u t r at d d ，其中t d s c d m a 是我国提出的技术 1 2u m t s 系统发展进程 随着手机用户数量的急剧增长，以及人们对数据业务需求的不断提 高，第二代移动通信系统已经难以满足市场的需求，于是人们期望第三 代移动通信系统能够把无线通信与i n t e m e t 等多媒体通信结合起来，成 为能够实现处理图像、音乐、视频流等多种媒体信息的载体，提供包括 网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务， 北京交通大学电子信息工程硕士论文第4 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 目前研制的第三代移动通信系统的数据能力大大提高，分组数据速率在 静止时可达2 m b p s ，步行时为3 8 4 k b p s ，车载时为1 4 4 k b p s 。在q o s 方 面也有很大改进，它可以支持多媒体等新业务。3 g 的资源利用率很 高，能以较低的成本提供高质量的业务，这些因素决定了3 g 将最终成 为移动通信的主流。 u m t s 蜂窝通信技术在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给 移动用户提供高速无线数据接入服务，其中u m t s 是英文u n i v e r s a l m o b i l et e l e c o m m u n i ca t i o ns ”t e n l 的缩写，中文含义为通用移动通信系 统。其标准的制订标志着无线数据传输成为现实，它是以蜂窝移动通信 为组网方式的移动无线数据通信技术。欧洲电信标准协会( e t s i ) 负责 u m t s 的标准化工作，并与国际电联负责的第三代移动通信系统以t 2 0 0 0 标准化工作协调一致。 u m t s 核心网技术标准是在现有g s m g p r s 基础上发展起来的， 对g s m 具有良好的继承性。1 i m t s 不但能够将g s m 的功能发挥到极 限，还可以通过目前的无线网络提供宽频多媒体的服务。u m t s 的传输 速度可以达到2 m b p s ，可以应用在无线多媒体、电子邮件、网络信息娱 乐以及电视会议上。除支持上述一些固定和移动业务外，u m t s 还提供 全新的交互式多媒体业务。 1 3 本文的研究内容和意义、论文结构安排 尽管u m t s 技术在功能业务等方面大大优于第二代系统，但是也 面临着严峻的挑战。第二代系统( 尤其是g s m ) 仍将处于牢不可破的 地位，具有相当高的普及率，提供更廉价的终端、更先进的业务和更广 泛的用途，任何与g s m 相媲美，或功能比g s m 略强一点的系统都很 难取代g s m 。因此u m t s 要有商业机会和生存能力，必须要向用户显 北京交通大学电子信息工程硕士论文第5 页共7 7 页 2 g 3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 示其突出的优势，必须能提供第二代系统所无法提供的特性和业务。 u m t s 突出的优势之一就是支持高速数据传输，支持多媒体应用。作为 一种新技术，u m t s 至少在初期不能与较成熟的g s m 技术竞争，而只 能通过发展高端移动业务来占据市场的一席之地。在引入u m t s 之 际，多数移动用户都是g s m 用户，许多先进业务又是基于g s m ( 如 s m s 或数据业务) ，因此u m t s 必须提供主要的g s m 业务，提供与 g s m 用户的互连，只有实现这一点，g s m 用户才能平稳过渡到 u 】t s ，即既维持当前业务，同时又开始获得u m t s 提供的优势。 在网络运营商剐开始提供u m t s 服务时，u m t s 将只是在g s m 大 范围覆盖下的一小部分。实现与g s m 的系统间切换漫游是现有g s m 运营商建设3 g 网络面i 临的核心问题之一。 本文的结构如下：第一章、绪论，介绍了通信网发展进程和本文的 研究内容和主要意义。第二章进行对切换技术的分析。第三章简单介绍 g s m 系统，u m t s 系统的网络构成，主要接口及协议。第四章分析了 2 g ，3 g 网络切换过程和相关接口的信令流程。第五章详细描述了 2 g 3 g 网络间切换及增强切换功能的实现。第六章给出结论。 北京交通大学电子信息工程硕士论文第6 页 共7 7 页 2 g 3 g 光线通信系统间切换技术的研究及功能实现 第2 章切换技术分析 在移动通信系统中，无线资源管理起着非常重要的作用，它主要负 责对系统可以使用的所有无线资源进行分配和管理，其核心问题是在保 证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率。无线资源管理主要包括切 换、功率控制、接纳控制、负载均衡以及数据包调度等内容。 在移动通信系统中，当处于连接状态的移动台从一个小区移动到另 一个小区时，为了使通信不中断，通信网控制系统通常会启动切换过程 f 将与原服务小区的连接释放，并与新的服务小区产生连接) 来保证移动 台的业务传输。切换过程是蜂窝移动通信系统最重要的过程之一，它不 仅影响着小区边界处的呼叫服务质量，还与网络的负载情况有着紧密的 联系。当m s ( 移动台) 在通话过程中从一个小区移到另一个小区；或因外 界干扰造成通话质量下降；或因一个小区内用户太多，无法保证所有用 户正常使用时，m s 必然将通信业务切换转接到新的信道上，继续保持 通信。 2 1 切换的起因 无线标准 信号质量 场强m s 和b t s 接收电平 m s b t s 距离 改善干扰与功率控制( 选择在确保正常通信质量的情况下切换的小 区以尽量减少m s 传输功率从而改善干扰) 北京交通大学电子信息t 程硕士论文第7 页共7 7 页 2 g 3 g 无线通信系统问切换技术的研究及功能实现 网络标准 话务负荷( 防止小区捌塞，均化话务：但扰乱了小区规划并增加了 对周围区域的干扰强度) ，只在出现特殊事件，局部地区产生峰值 时暂时使用，如举行运动会，交易会，发生了自然灾害时等。 o m 原因，应操作维护方面的需要 2 2 切换判决条件 在移动通信系统中，我们一般可根据射频信号强度，载干比、移动 台到基站的相对位置来判断切换与否。 1 依射频信号强度判决 射频信号强度( 基站接收到的手机信号强度) 直接反映了话音传输 质量的好坏，基站话音信道接收机连续对其进行测量，控制单元将测量 值与门限值比较，根据比较结果向交换机发出切换请求。 2 依接收信号载干比判决 载干比是接收机接收到的载波信号与干扰信号的比值，反映了移动 通信的通话质量，如在t a c s 系统中，通话时基站会产生连续的监测音 s a t ，和话音一起传送，用于臆测无线信道质量。一般来说，_ i a c s 要 求载干比为1 7 d b ，而g s m 、c d m a 载干比分别为9 d b 和7 d b 。当接收 机接收到的载干比小于规定的门限值时，系统就启动切换过程。 3 依移动台到基站的距离判决 一般而言，切换是由于移动台移动到相邻小区的覆盖范围内，因此 可根据其与基站及小区的距离作出是否要进行切换的判决。当距离大于 规定值时，则发出切换请求。 上述3 种判决条件中，满足其中任一条件都将启动切换过程。但在 北京交通大学电子信息工程硕士论文第8 页共7 7 页 2 g 3 a 无线通信系统问切换技术的研究及功能实现 实际应用中，由于在通话过程中测量接收信号载干比有一定困难，而用 距离判决时，测量精度有时很难保证。因此，大多数的移动通信系统均 使用射频信号强度作为判决切换与否的基准。基于信号强度的切换过程 如下：移动台从当前小区运动到相邻小区时，从两小区接收到的信号强 度不断发生变化，随移动台逐渐接近当前小区边界，信号强度和质量逐 渐恶化，从某一点开始从相邻小区来的信号强度开始高于当前小区：另 一方面，相邻小区收到该移动台的信息强度也高于当前小区收到的信号 强度，在移动台与当前小区间的通信链路恶化到无法使用之前，通话被 切换到相邻小区。 2 3 切换控制方式 移动通信系统共有三种切换控制方式，即：移动台控制切换 ( m c h o ) 、网络控制切换( n c h o ) 和移动台辅助切换( m a h o ) 。 1 移动台控制切换( m c h o ) 移动台控制切换是通过移动台持续监视通信端口的信号强度和质 量，当满足切换条件时，移动台选择一个最好的切换侯选项并发起切换 请求。 2 网络控制切换( n c h o ) 网络控制切换是通过通信端口监视信号强度和质量，当信号恶化到 低于某阈值时，网络就安排切换到新的通信端口，在此过程中，网络要 求所有端口监视由移动台来的信号，并将结果报告给网络，当网络选择 新端口后，它同时通知旧端口和新端口完成切换，移动台在切换过程中 是被动的。这种切换控制由基站检测，由交换中心控制完成，当前基站 监视并测量所有通信链路，移动交换中心( m s c ) 命令周围基站不时地 测量各自的通信链路，基于这些测量，m s c 决定何时何地发生切换。 北京交通大学电子信息工程硕士论文第9 页共7 7 页 2 g 3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 3 移动台辅助切换( m a h o ) 移动台辅助切换( m a h o ) 可以说是网络控制切换( n c h o ) 的一种演 化，网络要求移动台测量周围端口的信号强度并报告给旧端口，然后由 网络来判断是否切换和切换到哪个端口。因此m a h 0 是通过移动台测量 通信链路，而由网络控制切换，在切换过程中移动台和网络同时参与切 换，移动台负责测量，网络负责判决。目前的g s m 及c d m a 系统均采用 这种切换控制，即由移动台监测判决，由交换中心控制完成。 在g s m 和c d l a 系统中，由于采用移动台辅助切换方式，切换是由 移动台负责测量，网络负责判决的，故需要切换时，目前小区可立即确 定，因此g s m 、c d m a 切换速度较t a c s 要快。另外，由于网络控制切换 需要传递大量信令用以搜集信息，然而基站可用的无线资源是有限的， 切换又经常要花费数秒钟，为减少网络的信令负担，周围基站并非持续 的m s c 传递测量报告，即测量次数由于资源的限制而降低，因此m s c 用 作切换判决的依据并非精确可靠。 2 4 软切换与硬切换 切换从方式上一般可分为硬切换和软切换两种。 1 硬切换 硬切换是不同频率的基站或扇区之间的切换，在切换过程中，移动 台必须在一指定时间内，先中断与原基站的联系，调谐到新的频率上， 再与新基站取得联系。因此，硬切换是“先断开，后切换”，切换时， 要在原话音信道上送切换指令，移动台需要暂时停止通话，然后调谐到 新的信道频率上。 现有g s m 系统使用硬切换方式，当切换发生时，因为原基站与新基 站的载波频率不同，移动台必须在接收新基站的信号之前，中断与原基 北京交通大学电子信息工程硕士论文第1 0 页共7 7 页 2 g 3 g 无线通信系统问切换技术的研究及功能实现 站的通信，而当移动台与原基站链路切断后，却往往不能立即得到与新 基站之间的链路( g s m 有2 0 0 m s 左右的中断时间) ，因此硬切换在一定 程度上会影响通话质量。另外，由于硬切换是“先断开，后切换”，如 在中断时间内受到干扰或切换参数设置不合理等因素的影响，会导致切 换失败，引起掉话：当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站 之间来回切换的“乒乓效应”，影响业务信道的传输。 2 软切换 软切换是同一频率不同基站之间的切换，在切换过程中，移动台同 时与原基站和新基站都保持着通信链路，一直到进入新基站并测量到新 基站的传输质量满足指标要求后，才断开与原基站的连接。因此，软切 换是“先切换，后断开”，在切换过程中，移动台并不中断与原基站的 联系，真正实现了“无缝”切换。现有c d m a 系统使用软切换方式。软 切换由于“先切换，后断开”，移动台只有在取得了与新基站的链接之 后，才会中断与原基站的联系，因此在切换过程中没有中断，不会影响 通话质量；软切换由于是在频率相同的基站间进行，在两基站( 或多基 站) 覆盖区的交界处，移动台同时与多个基站通信，起业务信道分集的 作用，因而可大大减少切换造成的掉话( 可视为无掉话) 。另外，由于 软切换中移动台和基站均采用了分集接收技术，有低抗衰落的能力，同 时通过反向功率控制，我们可以使移动台的发射功率降至最小，从而降 低了移动台对系统的干扰；进入软切换区域的移动台即使不能立即得到 与新基站的链路，也可以进入切换等待的排列，从而减少了系统的阻塞 率。 2 53 g 切换技术 在3 g 系统中，引入了微小区结构来增加系统容量，这时，小区覆 北京交通大学电子信息工程硕士论文 第l l 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 盖面积小，从而切换的发生率比较高，这就更加需要有一个好的切换技 术来保证系统的性能。由于切换是属于无线资源管理范畴，所以，衡量 一个切换技术是否好，不仅要看它对小区边界处的通信质量提高了多 少，还要看它对系统容量的影响和对系统资源的利用率。 在目前的3 g 系统中，采用的切换技术主要有以下几种： 1 ) 频率内切换：这是指软切换和更软切换。软切换的特点是“先建 立，后断丌”，也就是说，移动台在离开其服务小区之前，就已经与它 可能到达的小区建立了联系，所以切换具有健壮性。另外，软切换带来 的宏分集增益可以明显提高处于小区边缘的移动台的链路通信质量。因 此，软切换是3 g 系统中应用最为广泛的切换技术。随着小区扇区化以 提高系统容量的方案逐渐得到采纳，更软切换也得到了运用。更软切换 和软切换的区别是：在软切换中，移动台在切换过程中与属于不同小区 的多个扇区产生连接，而在更软切换中，移动台在切换过程中与同一小 区的具有相同频率的多个扇区产生连接。 2 ) 系统内的硬切换：在一个3 g 系统内，如果两个小区的载波频率 不同，或者两小区指配的业务信道的帧偏置不同，它们之间的切换必须 采用硬切换，即“先断开，后建立”。 3 ) 系统问的硬切换：这主要有3 g 的不同制式系统之间的切换以及 3 g 系统到其它系统( 如2 g 或模拟系统) 之间的切换。这也必须先中断原来 的链路，所以必须采用硬切换。 在上面提到的三种切换中，系统内或系统间硬切换多由覆盖、负 载、业务等引起，而由于移动台移动造成的越区切换大多采用软切换。 北京交通大学电子信息工程硕上论文 第j 2 页共”页 2 6 3 g 光线通信系统间切换技术的研究及功能实现 第3 章2 g3 g 系统及接口协议 3 1g s m 系统的结构与功能 g s m 系统的典型结构如图3 1 所示。由图可见，g s m 系统是由若 干个子系统或功能实体组成。其中基站予系统( b s s ) 在移动台 ( m s ) 和网络子系统( n s s ) 之间提供和管理传输通路，特别是包括 了m s 与g s m 系统的功能实体之间的无线接口管理。n s s 必须管理通 信业务，保证m s 与相关的公用通信网或与其它m s 之间建立通信，也 就是说n s s 不直接与m s 互通，b s s 也不直接与公用通信网互通。 m s 、b s s 和n s s 组成g s m 系统的实体部分。操作支持系统( o s s ) 则 提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。 。一一 l c e s 0 s s ：操作支持子系 n s s ：网路子系统 北京交通大学电子信息工程硕士论文 b s s ：基站子系统 n m c ：网路管理中心 第1 3 页共7 7 贞 2 g 3 g 无线通信系统问钌j 换技术的研究及功能实现 d p p s ：数据后处理系统 s e m c ：安全性管理中心 p c s ：用户识别卡个人化中心o m c ：操作维护中心 m s c ：移动业务交换中心v l r ：来访用户位置寄存器 h l r ：归属用户位置寄存器a u c ：鉴权中心 e m ：移动设备识别寄存器b s c ：基站控制器 b t s ：基站收发信台p d n ：公用数据网 p s t n ：公用电话网i s d n ：综合业务数字网m s ：移动台 图3 1g s m 系统结构 3 1 1 移动台( m s ) m s 是g s m 系统的移动用户设备，它由两部分组成，移动终端( m e ) 和客户识别卡( s m 卡) 。 3 1 2 基站子系统( b s s ) 基站子系统( b s s ) 是g s m 系统中与无线蜂窝方面关系最直接的 基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收 和无线资源管理。另方面，基站子系统与网路子系统( n s s ) 中的移 动业务交换中心( m s c ) 相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网 路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。 基站子系统是由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 这 两部分的功能实体构成。 1 ，基站收发信台( b t s ) 基站收发信台( b t s ) 属于基站子系统的无线部分，由基站控制器 ( b s c ) 控制，服务于某个小区的无线收发信设备，完成b s c 与无线 信道之间的转换，实现b t s 与移动台( m s ) 之间通过空中接口的无线 传输及相关的控制功能。b t s 主要分为基带单元、载频单元、控制单元 三大部分。 北京交通大学电子信息工程硕士论文第1 4 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 2 基站控制器( b s c ) 基站控制器( b s c ) 是基站子系统( b s s ) 的控制部分，起着b s s 的变换设备的作用，即各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管 理。 3 1 3 网路子系统( n s s ) 网路子系统( n s s ) 主要包含有g s m 系统的交换功能和用于用户 数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对g s m 移动用 户之间通信和g s m 移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作 用。n s s 由一系列功能实体构成，整个g s m 系统内部，即n s s 的各功 能实体之间和n s s 与b s s 之间都通过符合c c i t t 信令系统n o 7 协议和 g s m 规范的7 号信令网路互相通信。移动交换子系统m s s 包括： 1 移动交换中心( m s c ) m s c 是p l m n 的核心。m s c 对位于它历覆盖区域中的移动台进行 控制和完成话路接续的功能，也是p l m n 和其他网络之间的接口。它 完成通话接续，计费，b s s 和m s c 之间的切换和辅助性的无线资源管 理、移动性管理等功能。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，每个 m s c 还完成g m s c 的功能，即查询移动台位置信息的功能。 2 拜访位置寄存器( v l r ) v u t 存储m s c 所管辖区域中的移动台( 称拜访客户) 的相关用户 数据，包括：用户号码、移动台的位置区信息、用户状态和用户可获得 的服务等参数。 v l r 是一个动态用户数据库。v l r 从移动用户的归属位置寄存器 ( h l r ) 处获取并存贮必要的数据，一旦移动用户离开该v u t 的控制 区域，则重新在另一个v l r 登记，原v l r 将取消该移动用户的数据记 录。 北京交通大学电子信息工程硕士论文第1 5 页共7 7 页 2 g 3 g 无线通信系统间切换技术的研究段功能实现 3 归属位置寄存器( h l r ) 归属用户位置寄存器( h l r ) 是g s m 系统的中央数据库，存储着该 h l r 控制的所有存在的移动用户的相关数据。一个h l r 能够控制若干 个移动交换区域以及整个移动通信网，所有移动用户重要的静态数据都 存储在h l r 中，其中主要包括两类信息：一是有关移动用户的参数， 包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据；一是 有关移动用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m s c 、v l r 地址等。 4 鉴权中心( a u c ) a u c 属于h l r 的一个功能单元部分，专门用于g s m 系统的安全性 管理。鉴权中心产生鉴权三参数组( 随机数m n d 、符号响应s r e s 、 加密键k c ) ，用来鉴权用户身份的合法性以及对无线接口上的话音、 数据、信令信号进行加密，防止无权用户接入和保证移动用户通信的安 全。 5 设备识别寄存器( e 承) e 双存储有关移动台设备参数。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。 6 短消息中心( s c ) 短消息中心提供短消息业务功能。 3 1 4 操作支持子系统( 0 s s ) 操作支持子系统( o s s ) 需完成许多任务，包括移动用户管理、移 动设备管理以及网路操作和维护。 移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。用户数据管理一般 由归属用户位置寄存器( h u t ) 来完成这方面的任务，h l r 是n s s 功 能实体之一。呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动业务交换中心 北京交通大学电子信息工程硕士论文 第1 6 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 m s c 和g m s c 分别处理，也可以采用通过h u t 或独立的计费设备来集 中处理计费数据的方式。 移动设备管理是出移动设备识别寄存器( e 瓜) 来完成的，e i r 与 n s s 的功能实体之间是通过s s 7 信令网路的接口互连，为此，e 取也归 入n s s 的组成部分之一。 网路操作与维护是完成对g s m 系统的b s s 和n s s 进行操作与维护 管理任务的，完成网路操作与维护管理的设施称为操作与维护中心 ( o m c ) 。直接面向g s m 系统b s s 和n s s 各个功能实体的操作与维 护中心( 0 m c ) 归入n s s 部分。 3 2g s m 接口和协议 g s m 系统在制定技术规范时就对其子系统之间及各功能实体之间 的接口和协议作了比较具体的定义，使不同供应商提供的g s m 系统基 础设备能够符合统一的g s m 技术规范而达到互通、组网的目的。为使 g s m 系统实现国际漫游功能和在业务上迈入面向i s d n 的数据通信业 务，必须建立规范和统一的信令网路以传递与移动业务有关的数据和各 种信令信息，因此，g s m 系统引入7 号信令系统和信令网路，也就是 说g s m 系统的公用陆地移动通信网的信令系统是以7 号信令网路为基 础的。 3 2 1 主要接口 g s m 系统的主要接口是指a 接口、a b i s 接口和u m 接口。如图3 2 所示。这三种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动 台、基站子系统和网路子系统设备能纳入同一个g s m 数字移动通信网 运行和使用。 北京交通大学屯子信息工程硕士论文第1 7 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统问切换技术的研究及助能实现 a b 】s 接口 接口 图3 2g s m 系统的主要接口 1 a 接口 a 接口定义为网路子系统( n s s ) 与基站子系统( b s s ) 之间的通 信接口，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心( m s c ) 与基 站控制器( b s c ) 之间的互连接口，其物理链接通过采用标准的 2 0 4 8 m b sp c m 数字传输链路来实现。此接口传递的信息包括移动台管 理、基站管理、移动性管理、接续管理等。 2 a b i s 接口 a b i s 接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器( b s c ) 和 基站收发信台( b t s ) 之间的通信接口，用于b t s ( 不与b s c 并置) 与b s c 之间的远端互连方式，物理链接通过采用标准的2 0 4 8 m b s 或 6 4 k b i 以p c m 数字传输链路来实现。此接口支持所有向用户提供的服 务，并支持对b t s 无线设备的控制和无线频率的分配。 3 u m 接口( 空口接口) u m 接口( 空中接口) 定义为移动台与基站收发信台( b t s ) 之间 的通信接口，用于移动台与g s m 系统的固定部分之间的互通，其物理 北京交通大学电子信息工程硕士论文 第1 8 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 链接通过无线链路实现。此接口传递的信息包括无线资源管理，移动性 管理和接续管理等。 3 2 2 网路子系统内部接口 网路子系统由移动业务交换中心( m s c 、访问用户位置寄存器 ( v l r ) 、归属用户位置寄存器( h u t ) 等功能实体组成，因此g s m 技术规范定义了不同的接口以保证各功能实体之间的接口标准化。其示 意图如图3 3 所示。 图3 3 网路子系统内部接口示意图 1 d 接口 d 接口定义为归属用户位置寄存器( h l r ) 与访问用户位置寄存器 ( v l r ) 之间的接口。用于交换有关移动台位置和用户管理的信息，为 移动用户提供的主要服务是保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼 叫。实用化的g s m 系统结构一般把v l r 综合于移动业务交换中心 ( m s c ) 中，而把归属用户位置寄存器( h u ) 与鉴权中心( a u c ) 北京交通大学电子信息工程硕士论文第1 9 页共7 7 页 2 g 3 g 无线通信系统间切抉技术的研究及功能实现 综合在同一个物理实体内。因此d 接口的物理链接是通过移动业务交换 中心( m s c ) 与归属用户位置寄存器( h l r ) 之间的标准2 0 4 8 m b s 的 p c m 数字传输链路实现的。 2 b 接口 b 接口定义为访问用户位置寄存器( v l r ) 与移动业务交换中心 ( m s c ) 之间的内部接口。用于移动业务交换中心( m s c ) 向访问用 户位置寄存器( v l r ) 询问有关移动台( m s ) 当前位置信息或者通知 访问用户位置寄存器( v l r r ) 有关移动台( m s ) 的位置更新信息等。 3 c 接口 c 接口定义为归属用户位置寄存器( h l r ) 与移动业务交换中心 ( m s c ) 之间的接口。用于传递路由选择和管理信息。c 接口的物理链 接方式与d 接口相同。 4 e 接口 e 接口定义为控制相邻区域的不同移动业务交换中心( m s c ) 之间 的接口。当移动台( m s ) 在一个呼叫进行过程中，从一个移动业务交 换中心( m s c ) 控制的区域移动到相邻的另一个移动业务交换中心 ( m s c ) 控制的区域时，为不中断通信需完成越区信道切换过程，此接 口用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换。e 接口的物理 链接方式是通过移动业务交换中心( m s c ) 之间的标准2 0 4 8 m b i t ，s p c m 数字传输链路实现的。 5 f 接口 f 接口定义为移动业务交换中心( m s c ) 与移动设备识别寄存器 ( e 取) 之间的接口。用于交换相关的国际移动设备识别码管理信息。 6 g 接口 北京交通大学电子信息工程颇士论文 第2 0 页共7 7 页 2 g ，3 g 无线通信系统间切换技术的研究及功能实现 g 接口定义为访问用户位置寄存器( v l r ) 之间的接口。当采用临 时移动用户识别码( t m s i ) 时，此接口用于向分配临时移动用户识别 码( t m s i ) 的访问用户位置寄存器( v l r ) 询问此移动用户的国际移 动用户识别码( v i s i ) 的信息。 3 2 3 各接口协议 g s m 系统各功能实体之间的接口定义明确，同样g s m 规范对各接 口所使用的分层协议也作了详细的定义。g s m 系统各接口采用的分层 协议结构是符合开放系统互连( 0