第6章移动通信.ppt

第6章移动通信网 6 1移动通信的基本概念及发展历史6 2基本技术和网络结构6 3GSM系统6 4CDMA系统6 5卫星移动通信系统6 6第三代移动通信系统思考题 6 1移动通信的基本概念及发展历史 6 1 1移动通信的基本概念移动通信是指通信的一方或双方可以在移动中进行的通信过程 也就是说 至少有一方具有可移动性 可以是移动台与移动台之间的通信 也可以是移动台与固定用户之间的通信 移动通信满足了人们无论在何时何地都能进行通信的愿望 上个世纪80年代以来 特别是90年代以后 移动通信得到了飞速的发展 相比固定通信而言 移动通信不仅要给用户提供与固定通信一样的通信业务 而且由于用户的移动性 其管理技术要比固定通信复杂得多 同时 由于移动通信网中依靠的是无线电波的传播 其传播环境要比固定网中有线媒质的传播特性复杂 因此 移动通信有着与固定通信不同的特点 1 移动通信的特点 1 用户的移动性 要保持用户在移动状态中的通信 必须是无线通信 或无线通信与有线通信的结合 因此 系统中要有完善的管理技术来对用户的位置进行登记 跟踪 使用户在移动时也能进行通信 不因为位置的改变而中断 2 电波传播条件复杂 移动台可能在各种环境中运动 如建筑群或障碍物等 因此电磁波在传播时不仅有直射信号 而且还会产生反射 折射 绕射 多普勒效应等现象 从而产生多径干扰 信号传播延迟和展宽等 因此 必须充分研究电波的传播特性 使系统具有足够的抗衰落能力 才能保证通信系统正常运行 3 噪声和干扰严重 移动台在移动时不仅受到城市环境中的各种工业噪声和天然电噪声的干扰 同时 由于系统内有多个用户 因此 移动用户之间还会有互调干扰 邻道干扰 同频干扰等 这就要求在移动通信系统中对信道进行合理的划分和频率的再用 4 系统和网络结构复杂 移动通信系统是一个多用户通信系统和网络 必须使用户之间互不干扰 能协调一致地工作 此外 移动通信系统还应与固定网 数据网等互连 整个网络结构是很复杂的 5 有限的频率资源 在有线网中 可以依靠多铺设电缆或光缆来提高系统的带宽资源 而在无线网中 频率资源是有限的 ITU对无线频率的划分有严格的规定 如何提高系统的频率利用率是移动通信系统的一个重要课题 2 移动通信的分类移动通信的种类繁多 其中陆地移动通信系统有 蜂窝移动通信 无线寻呼系统 无绳电话 集群系统等 同时 移动通信和卫星通信相结合产生了卫星移动通信 它可以实现国内 国际大范围的移动通信 1 集群移动通信 集群移动通信是一种高级移动调度系统 所谓集群通信系统 是指系统所具有的可用信道为系统的全体用户共用 具有自动选择信道的功能 是共享资源 分担费用 共用信道设备及服务的多用途和高效能的无线调度通信系统 2 公用移动通信系统 公用移动通信系统是指给公众提供移动通信业务的网络 这是移动通信最常见的方式 这种系统又可以分为大区制移动通信和小区制移动通信 小区制移动通信又称蜂窝移动通信 3 卫星移动通信 利用卫星转发信号也可实现移动通信 对于车载移动通信可采用同步卫星 而对手持终端 采用中低轨道的卫星通信系统较为有利 4 无绳电话 对于室内外慢速移动的手持终端的通信 一般采用小功率 通信距离近 轻便的无绳电话机 它们可以经过通信点与其他用户进行通信 5 寻呼系统 无线电寻呼系统是一种单向传递信息的移动通信系统 它是由寻呼台发信息 寻呼机收信息来完成的 6 1 2移动通信的发展历史移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了 早在1897年 马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的 距离为18海里 1海里 1852米 现代移动通信的发展始于20世纪20年代 而公用移动通信是从20世纪60年代开始的 公用移动通信系统的发展已经经历了第一代 1G 和第二代 2G 并将继续朝着第三代 3G 和第四代 4G 的方向发展 1 第一代移动通信系统 1G 第一代移动通信系统为模拟移动通信系统 以美国的AMPS IS 54 和英国的TACS为代表 采用频分双工 频分多址制式 并利用蜂窝组网技术以提高频率资源利用率 克服了大区制容量密度低 活动范围受限的问题 虽然采用频分多址 但并未提高信道利用率 因此通信容量有限 通话质量一般 保密性差 制式太多 标准不统一 互不兼容 不能提供非话数据业务 不能提供自动漫游 因此 已逐步被各国淘汰 本章将简单介绍AMPS系统和TASC系统 2 第二代移动通信系统 2G 第二代移动通信系统为数字移动通信系统 是当前移动通信发展的主流 以GSM和窄带CDMA为典型代表 第二代移动通信系统中采用数字技术 利用蜂窝组网技术 多址方式由频分多址转向时分多址和码分多址技术 双工技术仍采用频分双工 2G采用蜂窝数字移动通信 使系统具有数字传输的种种优点 它克服了1G的弱点 话音质量及保密性能得到了很大提高 可进行省内 省际自动漫游 但系统带宽有限 限制了数据业务的发展 也无法实现移动的多媒体业务 并且由于各国标准不统一 无法实现全球漫游 近年来又有第三代和第四代的技术和产品产生 目前采用的2G系统主要有 1 美国的D AMPS 是在原AMPS基础上改进而成的 规范由IS 54发展成IS 136和IS 136HS 1993年投入使用 它采用时分多址技术 2 欧洲的GSM全球移动通信系统 是在1988年完成技术标准制定的 1990年开始投入商用 它采用时分多址技术 由于其标准化程度高 进入市场早 现已成为全球最重要的2G标准之一 3 日本的PDC 是日本电波产业协会于1990年确定的技术标准 1993年3月正式投入使用 它采用的也是时分多址技术 4 窄带CDMA 采用码分多址技术 1993年7月公布了IS 95空中接口标准 目前也是重要的2G标准之一 6 2基本技术和网络结构 6 2 1移动通信网的系统构成 图6 1移动通信网的组成 1 移动业务交换中心MSC移动业务交换中心MSC Mobile servicesSwitchingCentre 是蜂窝通信网络的核心 MSC负责本服务区内所有用户的移动业务的实现 具体讲 MSC有如下作用 信息交换功能 为用户提供终端业务 承载业务 补充业务的接续 集中控制管理功能 无线资源的管理 移动用户的位置登记 越区切换等 通过关口MSC与公用电话网相连 2 基站BS基站BS BaseStation 负责和本小区内移动台之间通过无线电波进行通信 并与MSC相连 以保证移动台在不同小区之间移动时也可以进行通信 采用一定的多址方式可以区分一个小区内的不同用户 3 移动台MS移动台MS MobileStation 即手机或车载台 它是移动网中的终端设备 要将用户的话音信息进行变换并以无线电波的方式进行传输 4 中继传输系统在MSC之间 MSC和BS之间的传输线均采用有线方式 5 数据库移动网中的用户是可以自由移动的 即用户的位置是不确定的 因此 要对用户进行接续 就必须要掌握用户的位置及其他的信息 数据库即是用来存储用户的有关信息的 数字蜂窝移动网中的数据库有归属位置寄存器 HLR HomeLocationRegister 访问位置寄存器 VLR VisitorLocationRegister 鉴权认证中心 AUC AuthenticCenter 设备识别寄存器 EIR EquipmentIdentityRegister 等 6 2 2移动通信网的覆盖方式 1 大区制所谓大区制 是指由一个基站 发射功率为50 100W 覆盖整个服务区 该基站负责服务区内所有移动台的通信与控制 大区制的覆盖半径一般为30 50km 采用这种大区制方式时 由于采用单基站制 没有重复使用频率的问题 因此技术问题并不复杂 只需根据所覆盖的范围 确定天线的高度 发射功率的大小 并根据业务量大小 确定服务等级及应用的信道数 但也正是由于采用单基站制 因此基站的天线需要架设得非常高 发射机的发射功率也要很高 即使这样做 也只可保证移动台收到基站的信号 而无法保证基站能收到移动台的信号 因此这种大区制通信网的覆盖范围是有限的 只能适用于小容量的网络 一般用在用户较少的专用通信网中 如早期的模拟移动通信网 IMTS ImprovedMobileTelephoneService 中即采用大区制 2 小区制小区制是指将整个服务区划分为若干小区 在每个小区设置一个基站 负责本小区内移动台的通信与控制 小区制的覆盖半径一般为2 10km 基站的发射功率一般限制在一定的范围内 以减少信道干扰 同时还要设置移动业务交换中心 负责小区间移动用户的通信连接及移动网与有线网的连接 保证移动台在整个服务区内 无论在哪个小区都能够正常进行通信 由于是多基站系统 因此小区制移动通信系统中需采用频率复用技术 在相隔一定距离的小区进行频率再用 可以提高系统的频率利用率和系统容量 但网络结构复杂 投资巨大 尽管如此 为了获得系统的大容量 在大容量公用移动通信网中仍普遍采用小区制结构 公用移动通信网在大多数情况下 其服务区为平面形 称为面状服务区 这时小区的划分较为复杂 最常用的小区形状为正六边形 这是最经济的一种方案 由于正六边形的网络形同蜂窝 因此称此种小区形状的移动通信网为蜂窝网 蜂窝状服务区如图6 2所示 目前公用移动通信系统的网络结构均为蜂窝网结构 称为蜂窝移动通信系统 因此以下只介绍蜂窝移动通信系统 图6 2蜂窝状服务区示意图 6 2 3移动通信网中的基本技术1 多址方式当把多个用户接入一个公共的传输媒质实现相互间通信时 需要给每个用户的信号赋以不同的特征 以区分不同的用户 这种技术称为多址技术 众所周知 移动通信是依靠无线电波的传播来传输信号的 具有大面积覆盖的特点 因此网内一个用户发射的信号其他用户均可接收到所传播的电波 网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给自己的信号就成为建立连接的首要问题 在蜂窝通信系统中 移动台是通过基站和其他移动台进行通信的 因此必须对移动台和基站的信息加以区别 使基站能区分是哪个移动台发来的信号 而各移动台又能识别出哪个信号是发给自己的 要解决这个问题 就必须给每个信号赋以不同的特征 这就是多址技术要解决的问题 多址技术是移动通信的基础技术之一 多址方式的基本类型有 频分多址方式 FDMA FrequencyDivisionMultipleAccess 时分多址方式 TDMA TimeDivisionMultipleAccess 空分多址方式 SDMA SpaceDivisionMultipleAccess 码分多址方式 CDMA CodeDivisionMultipleAccess 等 目前移动通信系统中常用的是FDMA TDMA CDMA以及它们的组合 1 频分多址方式 FDMA 图6 3FDMA示意图 在通信时 不同的移动台占用不同频率的信道进行通信 因为各个用户使用不同频率的信道 所以相互没有干扰 FDMA的信道每次只能传递一个电话 并且在分配成语音信道后 基站和移动台就会同时连续不断地发射信号 在接收设备中使用带通滤波器只允许指定频道里的能量通过 滤除其他频率的信号 从而将需要的信号提取出来 而限制临近信道之间的相互干扰 由于基站要同时和多个用户进行通信 基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号 另外 任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转 因而必须占用四个频道才能实现双向通信 FDMA是最经典的多址技术之一 在第一代蜂窝移动通信网 如TACS AMPS等 中使用了频分多址 这种方式的特点是技术成熟 对信号功率的要求不严格 但是在系统设计中需要周密的频率规划 基站需要多部不同载波频率的发射机同时工作 设备多且容易产生信道间的互调干扰 同时 由于没有进行信道复用 信道效率很低 因此现在国际上蜂窝移动通信网已不再单独使用FDMA 而是和其他多址技术结合使用 2 时分多址方式 TDMA TDMA是把时间分成周期性的帧 每一帧再分割成若干时隙 无论帧或时隙都是互不重叠的 每一个时隙就是一个通信信道 如图6 4所示 TDMA中 给每个用户分配一个时隙 即根据一定的时隙分配原则 使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号 在满足定时和同步的条件下 基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰 同时 基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输 各移动台只要在指定的时隙内接收 就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来 这样 同一个频道就可以供几个用户同时进行通信 相互没有干扰 图6 4TDMA示意图 在TDMA通信系统中 小区内的多个用户可以共享一个载波频率 分享不同时隙 这样基站只需要一部发射机 可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰 但系统设备必须有精确的定时和同步来保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠 并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号 TDMA技术广泛应用于第二代移动通信系统中 在实际应用中 综合采用FDMA和TDMA技术的 即首先将总频带划分为多个频道 再将一个频道划分为多个时隙 形成信道 例如GSM数字蜂窝标准采用200kHz的FDMA频道 并将其再分割成8个时隙 用于TDMA传输 如图6 5所示 图6 5FDMA TDMA示意图 3 码分多址方式 CDMA 1 扩频的概念 众所周知 对于时域上的脉冲信号 其脉冲宽度越窄 频谱就越宽 那么 如果用所需要传送的信号信息去调制很窄的脉冲序列 就可以将信号的带宽进行扩展 所谓扩频调制 就是指用所需要传送的原始信号去调制窄脉冲序列 使信号所占的频带宽度远大于所传原始信号本身需要的带宽 其逆过程称为解扩 即将这个宽带信号还原成原始信号 这个窄脉冲序列称为扩频码 如果用这样一种扩频后的无线信道来传送无线信号 则由于信号扩展在非常宽的带宽上 因此来自同一无线信道的用户干扰就很小 使得多个用户可以同时分享同一无线信道 实现扩频的方式有三种 直接序列扩频 跳频 跳时 其中CDMA系统中常用直接序列扩频方式 它是指在发送端直接用一个宽带的扩频码序列和原始信号相乘 以扩展信号的带宽 而在接收端则用相同的扩频码和宽带信号相乘进行解扩 从中还原出原始的信息 如图6 6所示 只有知道该扩频码序列的接收机才能够对收到的信号进行解扩 并恢复出原始数据 我们把原始信息的速率称为信息速率 而把扩频码的速率称为码片速率 用chip表示 图6 6直接序列扩频实现框图 2 CDMA中的码序列 大家知道 在信息传输过程中 各种信号之间的差别越大越好 这样相互之间不易发生干扰 也就不会发生误判 要实现这一目标 最理想的信号形式是类似白噪声的随机信号 但真正的随机信号或白噪声是不能重复和再现的 实际应用中是用周期性的码序列来逼近它的性能的 CDMA中采用伪随机序列 称为PN码 作为扩频码 因为伪随机序列具有近似白噪声的特性 所以具有良好的相关性 CDMA系统中采用的伪随机码有m序列 Walsh函数等 3 CDMA CDMA通信系统中 所有用户使用所有频率和所有时间上都是重叠的 系统用不同的正交编码序列来区分不同的用户 如图6 7所示 CDMA中 不同的移动台共同使用一个频率 但是每个移动台都被分配带有一个独特的码序列 与所有别的码序列都不相同 所以各个用户之间没有干扰 在发送时 信号信息和该用户的码序列相乘进行扩频调制 在接收端 接收器使用与发端同样的码序列对宽带信号进行解扩 恢复出原始信号 而其他使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调 这种多址技术因为是靠不同的码序列来区分不同的移动台 所以叫做码分多址技术 图6 7CDMA示意图 实际应用中 也是综合采用FDMA和CDMA技术的 即首先将总频带划分为多个频道 再将一个频道按码字分割 形成信道 例如窄带CDMA中 采用1 25MHz的FDMA频道 将其再进行码字的分割 形成CDMA信道 CDMA蜂窝移动通信系统与FDMA系统或TDMA系统相比具有更大的系统容量 更高的话音质量以及抗干扰 保密等优点 因而近年来得到各个国家的普遍重视和关注 在第三代数字蜂窝移动通信系统中 无线传输技术将采用CDMA技术 由上可见 蜂窝结构的通信系统特点是通信资源的重用 频分多址系统是频率资源的重用 时分多址系统是时隙资源的重用 码分多址系统是码型资源的重用 在实际应用中 一般是多种多址方式的结合使用 如GSM系统中 是FDMA TDMA的结合使用 窄带CDMA系统 IS 95 和3G中的宽带码分多址 WCDMA 中 采用的则是FDMA CDMA方式 2 双工方式移动通信系统的工作方式可以分为单工方式 半双工方式和全双工方式 1 单工方式单工方式是指通信双方在某一时刻只能处于一种工作状态 或接收或发送 而不能同时进行收发 通信双方需要交替进行收信和发信 单工方式示意如图6 8所示 单工方式一般用于点对点通信 如对讲系统 图6 8单工方式示意图 2 半双工方式半双工方式是指通信中有一方 常指基站 可以同时收发信息 而另一方 移动台 则以单工方式工作 半双工方式示意如图6 9所示 半双工方式常用于专用移动通信系统 如调度系统 图6 9半双工方式示意图 3 全双工方式全双工方式是指通信双方均可同时进行接收和发送信息 这种方式适用于公用移动通信系统 是广泛应用的一种方式 如图6 10所示 图6 10全双工方式示意图 在双工通信中 需要有一定的技术来区分双向的信道 也就是说 凡是双向通信 总需要一定的双工制式 蜂窝网使用的有两种双工制式 即频分双工 FDD FrequencyDivisionDuplex 和时分双工 TDD TimeDivisionDuplex 1 FDD中利用两个不同的频率来区分收发信道 即对于发送和接收两种信号 采用不同的频率 如移动台到基站采用一种频率 称为上行信道 基站到移动台采用另一种频率 称为下行信道 2 TDD中利用同一频率但两个不同的时间段来区分收发信道 即对于发送和接收两种信号 采用不同的时间 6 2 4移动通信网网络结构不同技术的移动通信网 其网络的拓扑结构是不同的 第一代移动通信采用模拟技术 其网络是依附于公用电话网的 是电话网的一个组成部分 而第二代移动通信采用数字技术 其网络结构是完全独立的 不再依附于公用电话网 下面以我国GSM网为例来说明移动网的网络结构 全国GSM移动通信网是多级结构的复合型网络 为了在网络中均匀负荷 合理利用资源 避免在某些方向上产生的话务拥塞 在网络中设置移动汇接中心TMSC 全国GSM移动电话网按大区设立一级汇接中心 各省内设立二级汇接中心 移动业务本地网设立移动端局 构成三级网络结构 三级网络结构组成了一个完全独立的数字移动通信网络 移动网和固定网之间的通信是通过移动关口局GMSC来进行转接的 中国移动的GSM网设置8个一级移动汇接中心 分别设于北京 沈阳 南京 上海 西安 成都 广州 武汉 一级汇接中心为独立的汇接局 即不带客户 只有至基站的接口 只作汇接 相互之间以网状网相连 省内GSM移动通信网由省内的各移动业务本地网构成 省内设若干个移动业务汇接中心 即二级汇接中心 汇接中心之间为网状网结构 汇接中心与移动端局之间成星状网 根据业务量的大小 二级汇接中心可以是单独设置的汇接中心 也可兼作移动端局 与基站相连 可带客户 移动端局应与省内二级汇接中心相连 全国可划分为若干个移动业务本地网 每个移动业务本地网中应设立一个HLR 移动业务本地网通过二级汇接中心接入省内GSM移动网 从而接入GSM全国移动网 6 3GSM系统 GSM即全球移动通信系统 GlobalSystemforMobileCommunication 其历史可以追溯到1982年 当时 北欧四国向CEPT ConferenceEuropeofPostandTelecommunications 提交了一份建议书 要求制定900MHz频段的欧洲公共电信业务规范 以建立全欧统一的蜂窝系统 1986年决定制定数字蜂窝网标准 同时在巴黎对不同公司 不同方案的八个系统进行了现场试验和比较 1987年5月选定窄带TDMA方案 并于1988年颁布了GSM标准 也称泛欧数字蜂窝通信标准 GSM标准对该系统的结构 信令和接口等给出了详细的描述 而且符合公用陆地移动通信网 PLMN PublicLandMobileNetwork 的一般要求 能适应与其他数字通信网 如PSTN和ISDN 的互连 1991年GSM系统正式在欧洲问世 网络开通运行 现阶段 GSM包括两个并行的系统 GSM900和DCS1800 这两个系统功能相同 主要是频率不同 GSM900工作在900MHz DCS1800工作在1800MHz GSM蜂窝通信网作为世界上首先推出的数字蜂窝通信系统 其自身的优点如下 1 频谱效率高 由于采用了高效调制器 信道编码 交织 均衡和话音编码技术 使系统有较高的频谱效率 2 容量大 由于每个信道传输带宽为200kHz 使得同频复用载干比 载波功率与干扰功率之比 降低至9dB 故GSM系统同频复用模式缩小 每小区的可用信道数为12 5个 大大高于模拟移动网 3 话音质量高 GSM系统中 只要在门限值以上 话音质量总是达到相同的水平而与传输质量无关 4 安全性 通过鉴权认证 加密和TMSI号码的使用达到安全的目的 5 在业务方面有一定优势 如可以实现智能业务和国际漫游等 我国自从1992年在嘉兴建立和开通第一个GSM演示系统 并于1993年9月正式开放业务以来 全国各地的移动通信系统中大多采用GSM系统 使得GSM系统成为目前我国最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝系统 6 3 1系统网络结构及接口GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台 基站子系统和网络子系统 如图6 11所示 基站子系统 BSS 由基站收发台 BTS 和基站控制器 BSC 组成 网络子系统由移动交换中心 MSC 和操作维护中心 OMC 以及归属位置寄存器 HLR 访问位置寄存器 VLR 鉴权认证中心 AUC 和设备标志寄存器 EIR 等组成 图6 11GSM网络结构 1 移动台 MS 移动台是移动网中的用户终端 包括移动设备 ME MobileEquipment 和移动用户识别模块SIM卡 SubscriberIdentityModule 通常称为SIM卡 2 基站系统 BSS BaseStationSystem 基站系统 BSS 负责在一定区域内与移动台之间的无线通信 一个BSS包括一个基站控制器 BSC BaseStationController 和一个或多个基站收发台 BTS BaseTransceiverStation 两部分组成 1 基站收发台 BTS BTS是BSS的无线部分 受控于基站控制器BSC 包括无线传输所需要的各种硬件和软件 如发射机 接收机 天线 连接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等 它完成BSC与无线信道之间的转换 实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能 2 基站控制器 BSC BSC是BSS的控制部分 处于基站收发台BTS和移动交换中心MSC之间 一个基站控制器通常控制几个基站收发台 主要功能是进行无线信道管理 实施呼叫和通信链路的建立和拆除 并为本控制区内移动台越区切换进行控制等 3 网络子系统 NSS NetworkSubSystem 网络子系统主要包含GSM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GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其他通信网用户之间通信起着管理作用 NSS由一系列功能实体构成 各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过No 7信令系统互相通信 1 移动交换中心MSC是蜂窝通信网络的核心 如6 2节所述 它为本MSC区域内的移动台提供所有的交换和信令功能 2 网关MSC GMSC GatewayMSC 是完成路由功能的MSC 它在MSC之间完成路由功能 并实现移动网与其他网的互连 3 归属位置寄存器HLR是一种用来存储本地用户位置信息的数据库 在移动通信网中 可以设置一个或若干个HLR 这取决于用户数量 设备容量和网络的组织结构等因素 每个用户都必须在某个HLR 相当于该用户的原籍 中登记 登记的内容主要有 用户信息 如用户号码 移动设备号码等 位置信息 如用户的漫游号码 VLR号码 MSC号码等 这些信息用于计费和用户漫游时的接续 这样可以保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时 均可由该移动用户的HLR获知它当时处于哪一个地区 进而建立起通信链路 业务信息 用户的终端业务和承载业务信息 业务限制情况 补充业务情况等 4 访问位置寄存器VLR是一个用于存储进入其覆盖区的用户位置信息的数据库 当移动用户漫游到新的MSC控制区时 由该区的VLR来控制 当移动台进入一个新的区域时 首先向该地区的VLR申请登记 VLR要从该用户的HLR中查询 存储其有关的参数 并要给该用户分配一个新的漫游号码 MSRN 然后通知其HLR修改该用户的位置信息 准备为其他用户呼叫此移动用户时提供路由信息 移动用户一旦由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时 移动用户则重新在新的VLR上登记 原VLR将取消临时记录的该移动用户数据 一般的 一个MSC对应一个VLR 记作MSC VLR 5 鉴权认证中心AUC与HLR相关联 是为了防止非法用户接入GSM系统而设置的安全措施 AUC可以不断为用户提供一组参数 包括随机数RAND 符号响应SRES和加密键Kc三个参数 该参数组可视为与每个用户相关的数据 在每次呼叫的过程中可以检查系统提供的和用户响应的该组参数是否一致 以此来鉴别用户身份的合法性 从而只允许有权用户接入网络并获得服务 AUC只与它相关的HLR之间进行通信 6 设备识别寄存器EIR是存储移动台设备参数的数据库 用于对移动设备的鉴别和监视 并拒绝非法移动台入网 7 操作和维护中心 OMC Operation MaintenanceCenter 对全网中每一个设备实体进行监控和操作 实现对GSM网内各种部件的功能监视 状态报告 故障诊断 话务量的统计和计费数据的记录与传递等功能 4 接口移动业务的国际漫游要求各个厂家生产的移动设备之间必须能够进行互通 因此 GSM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GSM系统基础设备能够符合统一的GSM技术规范而达到互通 组网的目的 GSM系统的主要接口有A接口 Abis接口和Um接口等 1 A接口定义为网络子系统 NSS 与基站子系统 BSS 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 MSC 与基站控制器 BSC 之间的互连接口 其物理链接通过采用标准的2 048Mb s的PCM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 移动性管理和接续管理等 2 Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器BSC和基站收发信台 BTS 之间的通信接口 用于BTS与BSC之间的远端互连 物理链接通过采用标准的2 048Mb s或64kb s的PCM数字传输链路来实现 3 Um接口 空中接口 定义为移动台MS与基站收发台BTS之间的通信接口 用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通 其物理链接通过无线方式实现 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 此外还有网络子系统内部接口 这里只作简单叙述 B接口 MSC和与它相关的VLR之间的接口 C接口 MSC和HLR之间的接口 D接口 HLR和VLR之间的接口 E接口 MSC之间的接口 G接口 VLR之间的接口 H接口 HLR和AUC之间的接口 6 3 2移动通信网中的几种号码移动通信中 由于用户的移动性 需要有多种号码对用户进行识别 登记和管理 下面介绍几种常用的号码 1 移动台号簿号码 MSISDN MSISDN即通常人们所说的呼叫某一用户时所使用的手机号码 其编号计划独立于PSTN ISDN编号计划 编号结构为CC NDC SN其中CC为国家码 如中国为86 NDC为国内地区码 SN为用户号码 号码总长不超过15位数字 2 国际移动用户标识号 IMSI InternationalMobileSubscriberIdentification 这是网络惟一识别一个移动用户的国际通用号码 对所有的GSM网来说它是惟一的 并尽可能保密 移动用户以此号码发出入网请求或位置登记 移动网据此查询用户数据 此号码也是HLR和VLR的主要检索参数 根据GSM建议 IMSI最大长度为15位十进制数字 具体分配如下 MCC MNC MSIN NMSI3位数字1或2位数字10 11位数字MCC 移动国家码 3位数字 如中国的MCC为460 MNC 移动网号 最多2位数字 用于识别归属的移动通信网 MSIN 移动用户识别码 用于识别移动通信网中的移动用户 NMSI 国内移动用户识别码 由移动网号和移动用户识别码组成 IMSI编号计划国际统一 由ITU TE 212建议规定 以适应国际漫游的需要 它和各国的MSISDN编号计划互相独立 这样使得各国电信管理部门可以随着移动业务类别的增加独立发展其自己的编号计划 不受IMSI的约束 每个移动台可以是多种移动业务的终端 如话音 数据等 相应地可以有多个MSISDN 但是IMSI只有一个 移动网据此受理用户的通信或漫游登记请求 并对用户计费 IMSI由电信经营部门在用户开户时写入移动台的EPROM 当任一主叫按MSISDN拨叫某移动用户时 终接MSC将请求HLR或VLR将其翻译成IMSI 然后用IMSI在无线信道上寻呼该移动用户 3 国际移动台设备标识号 IMEI InternationalMobileEquipmentIdentification IMEI是惟一标识移动台设备的号码 又称移动台电子串号 该号码由制造厂家永久性地置入移动台 用户和网络运营部门均不能改变它 其作用是防止有人使用非法的移动台进行呼叫 根据需要 MSC可以发指令要求所有的移动台在发送IMSI的同时发送其IMEI 如果发现两者不匹配 则确定该移动台非法 应禁止使用 在EIR中建有一张 非法IMEI号码表 俗称 黑表 用以禁止被盗移动台的使用 ITU T建议IMEI的最大长度为15位 其中 设备型号占6位 制造厂商占2位 设备序号占6位 另有1位保留 我国数字移动网即采用此结构 4 移动台漫游号码 MSRN MobileStationRoamingNumber 这是系统分配给来访用户的一个临时号码 供移动交换机路由选择使用 移动台的位置是不确定的 它的MSISDN中的移动网号和H1H2H3只反映它的原籍地 当它漫游进入另一个移动交换中心业务区时 该地区的移动系统必须根据当地编号计划赋予它一个MSRN 经由HLR告知MSC MSC据此才能建立至该用户的路由 当移动台离开该区后 访问位置寄存器 VLR 和归属位置寄存器 HLR 都要删除该漫游号码 以便再分配给其他移动台使用 MSRN由被访地区的VLR动态分配 它是系统预留的号码 一般不向用户公开 5 临时移动用户识别码 TMSI TemporaryMobileSubscriberIdentities 为了对IMSI保密 在空中传送用户识别码时用TMSI来代替IMSI TMSI是由VLR给用户临时分配的 只在本地有效 即在该MSC VLR区域内有效 6 3 3信道类型及时隙结构1 逻辑信道GSM通信系统中 根据所传输的信息不同 将逻辑信道分为业务信道 TCH TrafficChannel 和控制信道 CCH ControlChannel 1 业务信道TCH业务信道传输编码的话音或用户数据 按速率的不同分为全速率业务信道 TCH F 和半速率业务信道 TCH H 2 控制信道CCH控制信道传输各种信令信息 控制信道分为以下三类 1 广播信道 BCCH 一种一点到多点的单方向控制信道 用于基站向移动台的下行方向 BS在BCCH中向所有MS广播一系列的信息 用于移动台入网 位置登记和呼叫建立 如同步信息 2 公共控制信道 CCCH 一种一点对多点的双向控制信道 用于传送呼叫接续阶段所必需的各种信令信息 其中 CCCH又可以分为以下三种 随机接入信道 RACH 上行信道 用于移动台在申请入网时 向基站发送入网请求信息 接入允许信道 AGCH 下行信道 用于基站向移动台发送指配专用控制信道DCCH的信息 寻呼信道 PCH 下行信道 传送基站对移动台的寻呼信息 3 专用控制信道 DCCH 一种 点对点 的双向控制信道 其用途是在呼叫接续阶段和在通信进行当中 在移动台和基站之间传输必需的控制信息 2 物理信道GSM系统采用时分多址 频分多址 频分双工方式 TDMA FDMA FDD 采用频段为 上行890 915MHz 下行935 960MHz 双工间隔45MHz 首先在25MHz的频段内进行频分复用 分为125个载频 载频间隔为200kHz 再在每个载频上进行时分复用 分为8个时隙 这样 共有1000个物理信道 根据需要分给不同的用户使用 移动台在特定的频率上和时隙内 向基站传输信息 基站也在相应的频率上和相应的时隙内 以时分复用方式向各个移动台传输信息 下面给出GSM系统的时隙结构 如图6 12所示 GSM的帧结构分为帧 复帧 超帧 超高帧 图6 12GSM系统的时隙结构示意图 在GSM中 基本的无线资源单位是一个时隙 Slot 每个时隙含156 25个码元 占15 26ms 576 9 s 传输速率为1625 6 270 833kb s 每一个TDMA基本帧 Frame 含8个时隙 共占60 13 4 615ms 多个TDMA基本帧构成复帧 Multiframe 其结构有如下两种 1 26 帧的复帧 即含26帧的复帧 其周期为120ms 这种复帧主要用于承载TCH业务信道 2 51 帧的复帧 即含51帧的复帧 其周期为3060 13 235 385ms 用于承载控制信道 BCCH CCCH和DCCH等 多个复帧又构成超帧 SuperFrame 它是一个连贯的51 26TDMA帧 即一个超帧可以是包括51个26 帧的复帧 也可以是包括26个51 帧的复帧 超帧的周期均为1326个TDMA帧 即6 12秒 多个超帧构成超高帧 HyperFrame 它是帧结构最长的重复周期 包括2048个超帧 周期为12533 76秒 即3小时28分53秒760毫秒 用于加密的话音和数据 超高帧每一周期包含2715648个TDMA帧 这些TDMA帧按序编号 依次从0至2715647 6 3 4呼叫接续与移动性管理与固定网一样 移动通信网最基本的作用是给网中任意用户之间提供通信链路 即呼叫接续 但与固定网不同的是 在移动网中 由于用户的移动性 就必须有一些另外的操作处理功能来支持 当用户从一个区域移动到另外一个区域时 网络必须发现这个变化 以便接续这个用户的通信 这就是位置登记 当用户在通信过程中从一个小区移动到另一个小区时 即越区切换时 系统要保证用户的通信不中断 这些位置登记 越区切换的操作 是移动通信系统中所特有的 我们把这些与用户移动有关的操作称为移动性管理 下面介绍GSM系统中典型的呼叫接续 位置登记 越区切换等操作过程 1 位置登记在介绍具体的位置登记过程之前 先介绍两个概念 1 位置区 移动台不用进行位置更新就可以自由移动的区域 可以包含几个小区 当呼叫某一移动用户时 由MSC可以追踪移动台究竟处于所在位置区的哪个小区 位置区标识 LAI LocationAreaIdentifier 是在广播控制信道BCCH中广播的 2 MSC区 由该MSC所控制的所有基站的覆盖区域组成 一个MSC区可以包含几个位置区 位置登记过程是指移动通信网对系统中的移动台进行位置信息的更新过程 它包括旧位置区的删除和新位置区的注册两个过程 移动台的信息存储在HLR VLR两个存储器中 当移动台从一个位置区进入另一个位置区时 就要向网络报告其位置的移动 使网络能随时登记移动用户的当前位置 利用位置信息 网络可以实现对漫游用户的自动接续 将用户的通话 分组数据 短消息和其他业务数据送达漫游用户 移动台一旦加电开机后 就搜寻BCCH信道 从中提取所在位置区标识 LAI 如果该LAI与原来的LAI相同 则意味着移动台还在原来的位置区 不需要进行位置更新 若不同 意味着移动台已离开原来的位置区 则必须进行位置登记 为了减少对HLR的更新过程 HLR中只保存了用户所在的MSC VLR的信息 而VLR中则保存了用户更详细的信息 如位置区的信息 因此 在每一次位置变化时VLR都要进行更新 而只有在MSC VLR发生变化时 用户进入新的MSC VLR区时 才更新HLR中的信息 因此 位置登记可能在同一个MSC VLR中进行 也可能在不同MSC VLR之间进行 而用户由一个MSC VLR管辖的区域进入另一个MSC VLR管辖的区域时 移动用户可能用IMSI来标识自己 也可能用TMSI来标识自己 这些不同的情况处理过程均有所不同 这里给出比较典型的两种位置登记过程 1 移动台用IMSI来标识自己时的位置登记和删除当移动台用IMSI来标识自己时 仅涉及VLR用户新进入区域的VLR和用户所注册的HLR 具体过程如图6 13所示 当移动台进入某个MSC VLR控制的区域时 MS通过BS向MSC发出位置登记请求消息 若MS用IMSI标识自己 则新的VLR在收到MSC 更新位置区 的消息后 可根据IMSI直接判断出该MS的HLR地址 VLR给该MS分配漫游号码MSRN 并向该HLR发送 更新位置区 的消息 HLR收到后 将该MS的当前位置记录在数据库中 同时用 插入用户数据 消息将该MS的相关用户数据发送给VLR 当收到VLR发来的 用户数据确认 消息后 HLR回送 位置更新确认 消息 然后VLR通过MSC和BS向MS回送确认消息 位置更新过程结束 图6 13移动台用IMSI来标识自己时的位置登记和删除 2 移动台用TMSI来标识自己时的位置登记和删除当移动台进入一个新的MSC VLR区域时 若MS用原来的VLR PVLR 分配给它的临时号码TMSI来标识自己 则新的VLR在收到MSC 更新位置区 的消息后 不能直接判断出该MS的HLR 如图6 14所示 新的VLR要求原来的PVLR 发送身份识别信息 SendIDEntification 消息 要求得到该用户的IMSI PVLR用 身份识别信息响应 SendIDEntificationACK 消息将该用户的IMSI送给新的VLR VLR再给该用户分配一个新的TMSI 其后的过程与图6 13一样 图6 14移动台用TMSI来标识自己时的位置登记和删除 2 呼叫接续图6 15给出一次成功的移动用户呼出的接续过程 可以概括为以下的步骤 1 首先移动台与基站之间建立专用控制信道 MS在 随机接入信道 RACH 上 向BS发出 请求分配信令信道 信息 申请入网 若BS接收成功 就给这个MS分配一个 专用控制信道 DCCH 用于在后续接续中MS向BS传输必需的控制信息 并在 准许接入信道 AGCH 上 向MS发送 指配信令信道 消息 图6 15呼叫接续过程 2 完成鉴权和有关密码的计算 MS收到 指配信令信道 消息后 利用 专用控制信道 DCCH 和BS建立起信令链路 经BS向MSC发送 业务请求 信息 MSC向有关的VLR发送 开始接入请求 信令 VLR收到后 经过MSC和BS向MS发出 鉴权请求 其中包含一随机数 MS按规定算法对此随机数进行处理后 向MSC发回 鉴权响应 信息 若鉴权通过 承认此MS的合法性 VLR就给MSC发送 置密模式 命令 由MSC向MS发送 置密模式 指令 MS收到后 要向MSC发送 置密模式完成 的响应信息 同时VLR要向MSC发送 开始接入请求应答 信息 VLR还要给MS分配一个TMSI号码 3 呼叫建立过程 MS向MSC发送 建立呼叫请求 信息 MSC收到后 向VLR发出 要求传送建立呼叫所需的信息 指令 如果成功 MSC即向MS发送 呼叫进展 的信令 并向BS发出分配无线业务信道的 信道指配 指令 要求BS给MS分配无线信道 4 建立业务信道 如果BS找到可用的业务信道 TCH 即向MS发出 信道指配 指令 当MS得到信道时 向BS和MSC发送 信道指配完成 的信息 MSC把呼叫接续到被叫用户所在的移动网的MSC或固定网的交换局 并和对方建立信令联系 若对方用户可以接受呼叫 则通过BS向MS送回铃音 当被叫用户摘机应答后 MSC通过BS向MS送 连接 指令 MS则发送 连接确认 进行响应 即进入通话状态 5 话终挂机 通话结束 当MS挂机时 MS通过BS向MSC发送 断开连接 消息 MSC收到后 一方面向BS和MS发送 释放 消息 另一方面与对方用户所在网络联系 以释放有线或无线资源 MS收到 释放 消息后 通过BS向MSC发送 释放完成 消息 此时通信结束 BS和MS之间释放所有的无线链路 3 越区切换越区切换是指当通话中的移动台从一个小区进入另一个小区时 网络能够把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道 而保证用户的通话不中断 移动网的特点就是用户的移动性 因此 保证用户的成功切换是移动通信网的基本功能之一 也是移动网和固定网的重要不同点之一 越区切换可能有两种不同的情况 1 同一MSC内的基站之间的切换 称为MSC内部切换 Intra MSC 这又分为同一BSC控制区内不同小区之间 Intra BSS 的切换和不同BSC控制区内 Inter BSS 小区之间的切换 2 不同MSC的基站之间的切换 称为MSC间切换 Inter MSC 越区切换是由网络发起 移动台辅助完成的 MS周期性地对周围小区的无线信号进行测量 及时报告给所在小区 并送给MSC 网络会综合分析移动台送回的报告和网络所监测的情况 当网络发现符合切换条件时 进行越区切换的有关信令交换 然后释放原来所用的无线信道 在新的信道上建立连接并进行通话 1 MSC内部切换 Intra MSC 的过程 图6 16Intra MSC切换过程 MS周期性地对周围小区的无线信号进行测量 并及时报告给所在小区 当信号强度过弱时 该MS所在的基站 BSS A 就向MSC发出 越区切换请求 消息 该消息中包含了MS所要切换的小区列表 MSC收到该消息后 就开始向新基站 BSSB 转发该消息 要求新基站分配无线资源 BSSB开始分配无线资源 BSSB若分配无线信道成功 则给MSC发送 切换请求应答 消息 MSC收到后 通过BS向MS发 切换命令 该命令中包含了由BSSB分配的一个切换参考值 包括所分配信道的频率等信息 MS将其频率切换到新的频率点上 向BSSB发送 切换接入 Handover Access 消息 BSSB检测MS的合法性 若合法 BSSB发送 切换检测 Handover Detect 消息给MSC 同时 MS通过BSS B送 切换完成 给MSC MS与BSS B正常通信 当MSC收到 切换完成 消息后 通过 清除命令 Clear Command 释放BSS A上的无线资源 完成后 BSS A送 清除完成 给MSC 至此 一次切换过程完成 2 MSC之间切换 Inter MSC 的过程MSC之间切换的基本过