移动通信第7章组网技术.ppt

组网技术 内容 概述 网络结构基本网络结构数字蜂窝移动通信网的网络结构GSM空中接口帧结构信道协议结构信令接入信令网络信令越区切换和位置管理越区切换位置管理 通信网概述 固定通信网公众电话网PSTN PublicSwitchedTelephoneNetwork 公众数据网PDC PublicDataNetwork 综合数字网IDN IntegratedDigitalNetwork 综合业务数字网ISDN IntegratedServiceDigitalNetwork 移动通信网是固定通信网的延伸和扩展与固定通信网络互联 尤其是与ISDN的互联标准化电信标准化部门 ITU T CCITT国际电报电话咨询委员会 无线通信部门 ITU R 电信发展部门 ITU D 信令系统 用户接口和网络信令 PDC分为PSPDN 分组交换公众数据网 和CSPDN 电路交换公众数据网 ISDN 是以数字化方式处理和传送所有信息形式的传输与交换的信息网络综合业务 在一个通信网络内传送语音 数据 文字和图像通信的综合服务数字化 指信息的处理 交换和传送的数字化ISDN的标准 1985 CCITT提出I系列建议 1989年进行修改 提出宽带综合业务数字网B ISDNISDN提供语音业务和非语音业务ISDN的信令采用公共信道信令方式 定义了用户网络标准接口和No 7号信令 移动通信协议分层简单模型 用来确定频率 功率 码片 定时与同步 调制解调 收发信机性能等无线电参数 介质接入控制层 介质访问管理和数据封装等 选择物理信道 建立和释放连接 将控制信息 高层信息 差错控制信息复接成数据分组 数据链路层 DLC 网络提供非常可靠的数据链路 在用户平面 提供如 语音传输业务 电路交换模式或分组交换模式的数据传输业务 是信令层 有三个功能实体 呼叫控制 无线资源管理 移动管理 用于管理链路连接 控制呼叫过程 支持附加业务和短消息业务 以及移动管理和无线资源管理 协议 Protocol 指各同名层间的通信规约 实体 Entity 指各个功能层中实现各个功能的模块 服务 Service 在各功能层中 低层向高层提供什么的层服务 服务接入点 SAP 指相邻功能层间的接口 原语 Primitive 指功能层间交换的信息 Request原语 应答为Confirmation原语 Indication原语 应答为Response原语 移动通信协议分层简单模型中的基本术语 移动通信的主要特点回顾 必须利用无线电波传输信息 传播特性差传播环境复杂 多径效应和阴影效应造成电波传播的幅度衰落和时延扩展用户高速移动 多普勒频移造成电波传播特性的快速随机变化工作于复杂的干扰环境外部干扰 天电 机电和信道热噪声系统内部和不同系统之间的干扰 邻道 同信道 互调 多址和远近效应可利用的频谱资源有限 而通信业务量的需求与日俱增用户容量问题 业务容量问题网络结构多种多样 网络管理复杂用户注册和登记 鉴权和计费 安全和保密用户终端成为个人消费品 提高频谱利用率的途径 应用层 信源编码网络层 蜂窝规划和无线资源管理 RRM 数据链路层 多址接入控制物理层 多址方式和调制技术 5 空闲信道的选取 空闲信道的选取方式主要可以分为两类 一类是专用呼叫信道方式 或称 共用信令信道 方式 另一类是标明空闲信道方式 专用呼叫信道方式 这种方式是在网中设置专门的呼叫信道 专用于处理用户的呼叫 移动用户只要不在通话时就停在这呼叫信道上守候 标明空闲信道方式 标明空闲信道方式可分为 循环定位 标明空闲信道方式 循环不定位 循环分散定位方式 专用呼叫信道方式 定义 在给定的多个信道中 选择一个信道专门用作呼叫 该信道有两个作用 一是处理呼叫 二是指配话音信道 专用信道 专用信道1 发空闲信号 MSC BS 专用信道1 发空闲信号 MSC BS MS1 MS2 MSn 专用信道1 发对MS1的寻呼信号 MSC BS MS1 MS2 MSn 专用信道1 寻呼成功 指定可用信道如信道3 MSC BS MS1 MS2 MSn 专用信道1 MSC BS MS1 MS2 MSn 信道3 发空闲信号 对于专用信道呼叫方式 为了减小同抢概率 要求专用呼叫信道处理一次呼叫过程所需的时间很短 一般为几百毫秒甚至更短 这样一个信道就可以处理成百上千个呼叫 适用场合 采用数字信令的大容量通信系统 对于信道数目小于12的小容量移动通信系统不适合 目前的蜂窝电话系统就采用这种方式 标明空闲信道方式 1 标明空闲信道方式 循环定位方式 定义 系统中没有专用的呼叫信道 而是由BS临时指定一个信道做呼叫信道 并在这个信道上发空闲信号 而所有空闲的移动台通过信道扫描 停留在发空闲信号的信道上 一旦有寻呼成功 该信道就成为一个业务信道 基站再另选空闲信道作为临时呼叫信道发空闲信号 空闲的移动台自动转到新的临时信道上守侯 定位 BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 发空闲信号 BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 发空闲信号 MS1 MS2 MSn BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 发对MS2的寻呼信号 MS1 MS2 MSn BS 信道1 信道2 信道n 信道n 1 MS2接入该信道通话 MS1 MS2 MSn 发空闲信号 特点 呼叫信道是临时的 不断变化的 呼叫信道一旦转为通话信道 BS要重新确定某空闲信道为临时呼叫信道 发空闲信号 而移动台收不到空闲信道就不断进行信道扫描 这种方式信道利用率高 接续快 但同抢概率大 适用场合 小容量系统 2 标明空闲信道方式 循环不定位方式 定义 基站在所有空闲信道上都发空闲信号 网内未通话的移动台自动扫描信道 随机停靠在就近的空闲信道上 不定位 当基站呼叫移动台时 选择一个空闲信道发时间足够长的召集信号 其他空闲信道停发空闲信号 而后发选呼信号 网内移动台收不到空闲信号就要重新进入扫描状态 一旦扫到召集信号就在该信道上等候被呼 一旦呼叫成功 被呼移动台就在该信道上接入服务 其他移动台进入信道扫描状态 BS 空闲信道1 信道2 信道n 空闲信道n 1 发空闲信号 发空闲信号 MS1 MS3 MSn 4 MSn BS 空闲信道1 信道2 信道n 空闲信道n 1 发召集信号 停发空闲信号 MS1 MS3 MSn 4 MSn BS 空闲信道1 信道2 信道n 空闲信道n 1 发召集信号后发选呼信号如对MS3 MS1 MS3 MSn 4 MSn BS 信道1 信道2 信道n 空闲信道n 1 MS1 MS3 MSn 4 MSn 发空闲信号 特点 这种方式是在循环定位方式的基础上为减小同抢概率而出现的一种改进方式 但移动台被呼的接续时间比较长 另外 系统中的所有信道都处于工作状态 这种多信道常发状态会引起严重的互调干扰 适用场合 信道数目少的系统 3 标明空闲信道方式 循环分散定位方式 定义 基站在全部不通话的空闲信道上发空闲信号 网内移动台分散停靠在各个空闲信道上 移动台主呼是在各自停靠的空闲信道上进行 而基站呼叫移动台时 其呼叫信号在所有的空闲信道上发出 并等待应答信号 BS 空闲信道1 信道2 信道n 空闲信道n 1 发空闲信号 发空闲信号 MS1 MS3 MSn 4 MSn BS 信道1 信道2 信道n 空闲信道n 1 接入此信道通话 发空闲信号 MS3 MSn 4 MSn 移动台主呼的情况 BS 空闲信道1 信道2 信道n 空闲信道n 1 发对MS3的寻呼信号 MS1 MS3 MSn 4 MSn 发对MS3的寻呼信号 移动台被呼的情况 BS 信道1 信道2 信道n 空闲信道n 1 接入此信道通话 发空闲信号 MS3 MSn 4 MSn 特点 为克服循环不定位方式移动台被呼时接续时间长而改进的一种方式 此方式接续快 效率高 同抢概率小 但当移动台被呼时 基站在所有的空闲信道上都发送选呼信号 互调干扰严重 适用场合 小容量系统 内容 概述 网络结构基本网络结构数字蜂窝移动通信网的网络结构GSM空中接口帧结构信道协议结构信令接入信令网络信令越区切换和位置管理越区切换位置管理 5 4 1移动通信的基本网络结构 网络构成 集中式的基础结构网络 分布式或Adhoc 集中式移动通信网络构成采用特定特性的节点 即基站 基站控制所有其覆盖区域 称为小区 内的传输 由节点接收来自基站发送出的信号的能力来决定小区的边界 通过用陆地线路连接更多的基站可以增加覆盖 蜂窝网 蜂窝网通常与PSTN和 或LANs相连 基站是有线域和无线域之间的中间节点 基站通过传输链路和交换机相连 交换机再通过传输链路与固定的电话网络相连 传输链路的标准 基站与交换机 交换机和固定网络可采用有线链路 光纤 同轴电缆 或无线链路 如微波等 时分复用中的准同步数字复接PDH 一次群 二次群 三次群 四次群通常每个基站要求支持50路话音呼叫 每个交换机可以支持100个基站 移动通信的交换机 普通交换机 由交换网络 接口和控制系统组成 作用是在控制系统的作用下 将任一输入线与输出线接通 移动交换机 也叫移动交换中心 MSC 不同 除完成交换功能外 还负责移动性管理和无线资源管理 越区切换 漫游等 多服务区移动通信网络 5 4 2数字蜂窝移动通信网结构 数字蜂窝移动通信网与模拟蜂窝移动通信网的区别在于 模拟蜂窝移动通信网的MSC包含移动性管理和用户鉴权及认证 而数字蜂窝移动通信网将移动性管理和用户鉴权及认证从MSC中剥离出来 设置了原籍位置寄存器 HLR 访问位置寄存器 VLR 来进行移动性管理 数字蜂窝移动通信网还包括设备标志寄存器 EIR 认证中心 AUC 和操作维护中心 OMC 等 网络设备的功能 MSC路由选择管理计费和费率管理业务量管理向HLR发业务量和计费信息HLR对已登记的所有用户的参数进行管理修改等对每个用户计费管理VLR的更新 VLR是一个动态数据库移动台漫游号的管理临时移动台标识管理访问的移动台用户管理HLR的更新管理MSC区位置区和基台区管理无线电信道 如信道分配标动态信道分配管理信道阻塞状态 ITU T在1988年给出 通信网络接口 包括Sm接口 Um接口 Abis接口 A G接口不同的系统有不同的信令接口协议 Sm接口 人机接口 用户于移动网间的接口 Um接口 移动台与基站之间的无线接口A接口 基站与移动交换中心间的接口ABis接口 基站控制器 BSC 和基站收发信机 BTS 之间的接口B接口 移动交换中心MSC和访问位置寄存器VLR之间的接口C接口 移动交换中心MSC和原籍位置寄存器HLR之间的接口D接口 原籍位置寄存器HLR和访问位置寄存器VLR之间的接口E接口 移动交换中心MSC之间的接口F接口 移动交换中心MSC和设备标志寄存器EIR之间的接口G接口 访问位置寄存器VLR之间的接口 内容 概述 网络结构基本网络结构数字蜂窝移动通信网的网络结构GSM空中接口帧结构信道协议结构信令接入信令网络信令越区切换和位置管理越区切换位置管理 49 GSM网络结构 GSM是欧洲电信标准委员会ETSI为第二代移动通信制定的 可以国际漫游的泛欧数字式蜂窝移动通信系统的标准 下面以表格形式给出GSM900第一 第二两阶段以及DCS1800第一 第二两阶段无线接口 空口接口 的主要性能 50 GSM主要性能表 51 GSM信道可以分为物理信道和逻辑信道 所谓物理信道 这里是指实际物理承载的传输信道 而逻辑信道则是按信道的功能来划分的 逻辑信道是通过物理信道传送的 1 物理信道与帧结构GSM是一类数字式移动通信体制 它主要是通过时分多址TDMA方式来实现的 亦即用户间是以时间分割的不同时隙方式来传送不同用户信息的 GSM仅有8个时隙 它不足以满足每个小区内的实际用户数的需求 因此GSM系统是采用以时分为主体时分 频分相结合的方式 TDMA FDMA方式 GSM里的TDMA 53 GSM的帧结构 GSM最大特色是时分多址 而时分是利用帧结构来实现的 其结构如右图所示 54 2 GSM逻辑信道GSM逻辑信道结构如下所示 1 频率校正信道 FCCH 载有供移动台频率校正用的信息 通过FCCH MS就可以定位一个小区并解调出同一小区的其它信息 通过FCCH MS也可以知道该载频是不是BCCH载频 2 同步信道 SCH 在FCCH解码后 MS接着要解出SCH信道消息 该消息含移动台帧同步和基站识别的信息 基站识别码 BSIC 它占有6个比特其中3个比特为0 7范围的PLMN色码 另3个比特为0 7范围的基站色码 BCC 简化的TDMA帧号 RFN 它占有22个比特 3 广播控制信道 BCCH 通常 在每个基站收发信台中总有一个收发信机含有这个信道 以向移动台广播系统消息 这些系统消息使得MS可以在空闲模式下有效工作 4 寻呼信道 PCH 这是一个下行信道 用于寻呼被叫的移动台 当网络想与某一MS建立通信时 它会根据MS当前所登记的LAC向该LAC区域内所有小区通过PCH信道发寻呼消息 标示为TMSI或IMSI 5 准予接入信道 AGCH 这是一个下行信道 用于基站对移动台的入网请求作出应答 即分配一个SDCCH或直接分配一个TCH 6 随机接入信道 RACH 上行信道 用于移动台随机提出入网申请 请求分配一个SDCCH 请求包括3bit的建立原因 呼叫请求 寻呼响应 位置更新请求以及短消息请求等 和5bit的参考随机数供MS区别属于自己的接入允许消息 7 独立专用控制信道 SDCCH 是双向专用信道 传送建立连接的信令消息 位置更新消息 短消息 鉴权消息 加密命令 信道分配消息 以及各种附加业务等 可分为独立专用控制信道 SD 8 与CCCH相组合的专用控制信道 SD 4 8 慢速随路控制信道 SACCH 与业务信道或SDCCH联用 在传送用户信息期间带传某些特定信息 上行链路主要传递无线测量报告 下行链路主要传递部分系统消息 这些消息包括通信质量 LAI CELLID 邻区BCCH信号强度 NCC限制 小区选项 TA 功率控制级别等 9 快速随路控制信道 FACCH 与TCH联用 用于在传输过程中给系统提供比慢速随路控制信道 SACCH 速度和及时性高得多的信令信息 通过从业务信道借取帧来实现接续 传送如 越区切换 等指令信息 由于话音译码器会重复最后20ms的话音 所以这种偷帧中断不会被用户察觉 除了上述三类控制信道外 还有一种小区广播控制信道 CBCH 它用于下行线 载有短消息业务小区广播 SMSCB 信息 使用像SDCCH相同的物理信道 图 FCCH逻辑信道在物理信道的映射 内容 概述 网络结构基本网络结构数字蜂窝移动通信网的网络结构GSM空中接口帧结构信道协议结构信令接入信令网络信令越区切换和位置管理越区切换位置管理 5 5信令 基本概念 指在通信网中传输 与通信有关的一系列控制信号 信令 不同于用户信息信令通常需要在通信网络的不同环节中传输 各环节进行分析处理并通过交互作用而形成一系列的操作和控制 目的 是保证用户信息有效且可靠的传输 信令的内容 包括呼叫建立 监控 拆除 网络管理控制等信息 信令分类 接入信令 用户到网络节点间的信令 网络信令 网络节点间的信令 5 5 1接入信令 移动通信中 移动台到基站之间的信令主要包括呼叫管理 移动管理和无线资源管理不同系统有不同的信令包括数字信令和模拟音频信令模拟通信系统信令基本格式为 前置码 P 字同步 SW 地址或数据 A或D 纠错码 SP 等 音频信令 常用于有线电话中 如单音频信令 双音多频信令 DTMF 和多音频信令等 接入信令传输协议 移动通信的空中接口信令分三个层次 信息传输包括 无证实和有证实 应答 两种 物理层在物理信道上形成许多逻辑信道 如广播信道 BCH 随机接入信道 RACH 接入允许信道 AGCH 和寻呼信道 PCH 等 这些信道按照一定的规则复接到物理层的具体帧中 65 4 GSM系统的协议栈GSM规范对各接口所使用的分层协议也作了详细的规定 GSM系统各接口采用的分层协议结构是符合开发系统互连OSI参考模型的 GSM协议分层结构由以下三层组成 L1层 又称为物理层 它是无线接口的最低层 提供传送比特流所需的物理 无线 链路 为高层提供各种不同功能的逻辑信道 L2层 又称为链路层 它的主要目的是在移动台与基站之间建立可靠的专用数据链路 L3层 又称为网络高层 它主要是负责控制和管理的协议层 66 GSM系统主要接口的协议分层示意图如下 表5 9控制字段的构成 信令的传输方式分为两类 一类是采用无证实 无应答 信息传输方式 另一类是有证实 应答 信息传输方式 采用无证实信息传输方式时 仅采用UI帧 传输协议十分简单 该帧仅传输一次 如果传输正确 则将向第三层传送 如果传输错误 将被物理层丢弃 这主要是GSM的逻辑信道提供了检错能力 链路层不再检错 在采用有证实信息传送方式中 帧的交换过程分为三个阶段 连接建立 数据传送和拆线 接入信令传输方式 采用端到端的信息传输处理方式信息经过原语传送到下层 形成物理帧 通过无线接口到接收端 再通过原语传送到对应端 物理层和链路层之间的原语 随机接入原语表示移动台发送的接入请求及收到的应答 以及随机接入请求到达基站 数据传送原语表示数据链路层对等实体之间通过物理层发送数据和接收数据 物理链接建立原语表示物理层连接已经建立原语 链路层与第三层之间的原语 用于无证实消息传输的原语 用于有证实消息数据传送的原语 用于有证实消息传输链路建立 暂停 恢复 终止的原语 用于随机接入的原语 链路层和第三层管理层之间的原语无线资源管理层与物理层之间的原语等等 5 5 2网络信令 常用的网络信令为7号信令包括MTP SCCP TCAP MAP OMAP和ISDN UP等7号信令网络是与PSTN平行的独立网络包括信令点 SP 信令链路和信令转移点 STP 信令点包括业务交换点 SSP 和业务控制点 SCP MTP 消息传递部分 提供无连接的消息传输系统SCCP 信令连接控制部分 提供用于无连接和面向连接业务所需的对MTP的附加功能 SCCP提供地址的扩展能力和四类业务 包括 0类是基本的无连接业务 1类为有序的无连接业务 2类是基本的面向连接型业务 3类是具有流量控制的面向连接型业务ISDN UP ISDN用户业务 包括基本的承载业务和信道ISDN补充业务 TCAP 事务处理能力应用部分 提供与电路无关的信令应用之间交换信息的能力 MAP 系统管理应用部分OMAP 操作和维护应用部分 SCCP各类业务与管理用到的用户原语与参数 5 5 3信令应用 呼叫控制 这是一个 MS 手机呼叫 MS 手机请求建立通信的信令基本流程 整个过程从MS向BTS请求信道开始 首先MS将在随机接入信道 RACH 向BSS发送信道请求消息 以便申请一个专用信道 SDCCH BSC为其分配相应的信道成功后 在接入允许信道 AGCH 中通过立即分配消息通知MS为其分配的专用信道 随后MS将在为其分配的SDCCH上发送一个层三消息 CM业务请求消息 在该消息中CM业务类型为移动发起呼叫 该消息被BSS透明的传送至MSC MSC收到CM业务请求消息后 通过处理接入请求消息通知VLR处理此次MS的接入业务请求 同时 由于在BSC和MSC之间用到了SCCP有连接服务 为建立SCCP连接 MSC还将向BSC回连接确认消息 收到业务接入请求后 VLR将首先查看在数据库中该MS是否有鉴权三参组 如果有 将直接向MSC下发鉴权命令 否则 向相应的HLR AUC请求鉴权参数 从HLR AUC得到三参组 然后再向MSC下发鉴权命令 MSC收到VLR发送的鉴权命令后 通过BSS向MS下发鉴权请求 在该命令中含有鉴权参数 MS收到鉴权请求后 利用SIM卡中的IMSI和鉴权算法 得出鉴权结果 通过鉴权响应消息送达MSC MSC将鉴权结果回送VLR 由VLR核对MS上报的鉴权结果和从HLR取得的鉴权参数中的结果 如果二者不一致 拒绝此次接入请求 此次呼叫失败 如果二者一致则鉴权通过 鉴权通过后 VLR将首先向MSC下发加密命令 然后通知MSC该MS此次接入请求已获通过 MSC通过BSS通知MS业务请求获得通过 然后MSC向MS下发加密命令 该命令内含加密模式 MS收到此命令并完成加密后 回送加密完成消息 到此MS完成了整个接入阶段的工作 内容 概述 网络结构基本网络结构数字蜂窝移动通信网的网络结构信令接入信令网络信令越区切换和位置管理越区切换位置管理 当移动用户从一个位置区漫游到另一个位置区时 将引起网络各个功能单元的一系列操作 这些操作将引起各种位置寄存器中移动台位置信息的登记 修改或删除 若移动台正在通话则将引起越区转接过程 这些就是支持蜂窝系统的移动特性管理过程 越区切换 联机通信状态 保持不间断 无缝隙通信的有效手段 位置管理 网络保持跟踪移动台实际所处位置并存储该位置信息 5 6 1越区切换 基本概念 Handover 发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入另一个基站覆盖的小区情况下 为保持通信的连续性 所进行的无线链路转移工作 将呼叫在其进程中从一个无线信道转换到另一个无线信道的过程 越区切换是蜂窝制移动通信系统不可避免的 越区切换的分类硬切换 在切换过程中 MS与新的基站联系前 先中断与原基站的通信 再与新基站建立联系 软切换 维持旧的连接 同时建立新的连接 更软切换 softerhandoff 发生在同一基站具有相同频率的不同扇区之间的切换 实际上是相同信道板上的导频之间的切换 越区切换的问题和性能指标 越区切换的问题越区切换的准则 何时需要进行越区切换 when越区切换如何控制 How越区切换时信道如何分配 what 性能指标失败概率因越区切换失败而使通信中断的概率越区切换的速率越区切换引起的通信中断的时间间隔越区切换发生的时延 越区切换的准则 通常是根据移动台处接收的平均信号强度 或移动台处的S N或误比特率等参数来确定 准则A 相对信号强度准则 准则B 具有门限规定的相对信号强度准则 准则C 具有滞后余量的相对信号强度准则 准则D 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则 图5 27越区切换示意图 越区切换的控制策略 越区切换的控制包括 参数控制和过程控制过程控制的方式移动台控制的越区切换网络控制的越区切换移动台辅助的越区切换实际系统 PACS和DECT采用移动台控制的越区切换IS 95和GSM采用移动台辅助的越区切换越区切换时的信道分配小区预留部分信道专门用于越区切换缺点 增加新呼叫的呼损率 但减小通信中断率 5 6 2位置管理 移动台位置的登记与删除是网络移动管理功能的一个重要方面 其进程涉及MS BS MSC和位置寄存器HLR VLR 以及相应的接口 Why 移动用户的位置变化 为了将一个呼叫传送到移动用户 必须有一个位置管理系统来跟踪用户的位置变化 位置管理寄存器 原籍位置寄存器和访问位置寄存器位置管理的任务 位置登记和呼叫传递位置更新 解决移动台发现位置变化后及时报告它的当前位置寻呼 如何有效的确定用户在哪个小区位置管理涉及到网络的处理能力和通信能力 位置登记和呼叫传递 位置登记 PLMN保持对系统区内的移动台的跟踪 将位置信息存储在位置寄存器中 系统将覆盖区域分成若干登记区RA 用户在新RA对应的VLR中登记 修改HLR中该MS的VLR值 在旧的VLR中注销MS分类 只涉及MSC相关的VLR的位置登记 涉及VLR和HLR的位置登记 由VLR开始的更新 涉及到两个VLR的更新 位置信息 HLR VLR SIM卡定期登记 位置区域登记 位置登记过程 位置更新 位置删除 周期性位置更新 国际移动用户识别码的位置更新 位置更新策略基于时间的位置更新策略 每个用户每隔 T秒周期性地更新其位置 T的确定可由系统根据呼叫到达间隔的概率分布动态确定 基于移