GSM系统网络结构简介

1、GSM 系统网络结构简介GSM系统的出现GSM的全称是Global System for Mobile communications。由于欧洲移动通信发展迅速，出现了不同制式的移动通信系统，互相之间不兼容，带来了不便。为解决这一问题，欧洲各国共同制定了统一的GSM移动通信标准，GSM系统在欧洲的全面采用，使GSM移动用户可以在各国之间漫游GSM的诸多优点也使得它在全球范围内被采用。使用标准开放式接口模拟系统的接口是不公开的，也就是说如果网络运营商采用了某厂家的交换机后，也必须使用该厂家的基站。GSM系统不同于其他模拟系统的一个重要之处是它采用标准开放式接口和统一的协议，如：C7、X.25、G.

2、703、LAPB、LABD等。这样可以将不同厂家的设备配合起来使用，一方面增强生产厂家之间的竞争，降低设备价格，另一方面，网络运营商选用设备时有了更大的灵活性。C-450PORTUGALGERMANYNMTRADIOCOM 2000TACSRTMSFRANCEDENMARKNETHERLANDSSWITZERLANDFINLANDNORWAYSPAINAUSTRIAU.KITALY 解决兼容性注：此图摘自CP02SWEDENGSM Network Components and Architecture GSM网络组成和结构概述 对面图所示的是一个简化的GSM网络结构示意图，每种组件只出现了一次

3、，实际中很多组件可能出现多次。 图中各种组件之间通信即采用GSM规定的标准接口。GSM系统应该包含以下几个部分：移动台MS（The Mobile Station）移动用户实际看到和使用的部分，如移动电话、传真机等，它包括移动设备ME（Mobile Equipment）和SIM卡（Subscriber Identity Module）基站系统BSS（The Base Station System）提供移动台和陆地交换设备之间的无线接口，包括XCDR(Transcoder)，BSC(Base Station Controller)和BTS(Base Transceiver Station)网络交换

4、系统（The Network Switching System） 由移动业务交换中心MSC（Mobile Service Switching Centre）和相关的数据库实体等组成，提供话音或数据业务的交换以及信令的处理。另外提供GSM网络到PSTN的接口。操作维护系统（The Operation and Maintenance Subsystem）完成对整个网络的操作维护。 GSM Network ComponentsNetwork Switching SystemOperation andMaintenance SystemNMCVLRAUCHLROMCEIRMSCIWFECPSTNBSS

5、XCDRMEBSCSIMMSBTSPLMN注：此图摘自CP02移动台MS移动台由两部分组成：移动设备ME和SIM卡移动设备移动设备是移动用户实际所使用的硬件设备，它用来接入GSM网络，可能是电话或传真机等。主用有三种：车载式，便携式，手持式。每一个移动设备都有一个唯一的、永久的IMEI（International Mobile Equipment Identity）号来识别它。SIM卡SIM（Subscriber Identity Module）是一张用来识别移动用户身份的智能卡，每一张SIM卡对应一个IMSI（International Mobile Subscriber Identity）

6、号。需要将SIM卡插入移动设备，才能使用，没有SIM卡的移动设备只能做紧急呼叫。计费时则是根据移动用户来计费，并不根据所使用的设备或位置计费。移动设备可从商店购买，但SIM卡只能从网络运营商处获得。 SIM卡还完成用户身份鉴权算法。SIM卡存的信息SIM卡内所存的信息主要有：IMSI：用来唯一的识别移动用户，只在初始化时，在空间信道发送TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity)：用来暂时性识别移动用户的号码，系统会周期性的改变TMSI，移动用户初次呼叫或登记时，需在空间信道发送IMSI号，系统收到后给该移动用户分配一个TMSI号，在接下来的呼叫中用该T

7、MSI号来识别这个移动用户，经过一定的时间或一定次数的呼叫后，系统会重新给该移动用户分配一个TMSI号。这样减少了IMSI号被截取的可能，有效的防止了盗机。LAI(Location Area Identity)：GSM系统将基站的无线覆盖区域，在地理上划分成多个位置区，每个位置区对应一个LAI，SIM卡内所存的LAI指示了当前移动用户所在的位置。Ki(Subscriber Authentication Key):用户鉴权密键，用于IMSI身份鉴别。MSISDN(Mobile Station International Services Digital Network):移动用户的电话号码。 除

8、了上面的这些主要信息以往，SIM卡内还存有补充业务信息、PIN（Personal Identity Number password个人密码）等。 SIM卡所存的大多信息从SIM卡发行日起是不可读（如Ki）和不可改的（如IMSI），另外有一些信息则是不停变化的，如LAI将随着移动用户所处的位置区不同而不断变化。基站系统BSSBSS位于MSC和MS之间，通过2M E1传输线与MSC连接，与MS之间则通过无线接口联系，为MS提供无线覆盖。一个BSS包括一个BSC，一个XCDR，一个或多个BTS。BSC（Base Station Controller）:它是BSS的控制设备，控制整个BSS。XCDR(

9、Transcoder)：压缩编码器，压缩话音信号，将MSC出来的64kbit/s的话音信号压缩成13kbit/s，加上3kbit/s的填充比特后，形成16kbit/s的话音信号送到BSC，对于从BSC过来的话音信号则是一个相反的过程。 由于这个原因，所以虽然XCDR属于BSS，但一般放在MSC边，称为RXCDR(Remote Transcoder),这样可以节省传输线。BTS(Base Transceiver Station):无线收发信设备，提供与MS之间的无线接口。BTS受BSC控制，一个BSS可能有多个BTS。BTS与BSC之间可有多种连接方式（针对Motorola设备）：星型（Star

10、）：BTS直接与BSC相连，不经过其他设备。菊花链型（Daisy Chain）：将多个BTS串接，连到BSC。环型(Loop)：将菊花链另一头的BTS直接连到BSC，使多个BTS与BSC形成一个环。叉型:菊花链中间的某个BTS再连一个BTS，形成分支。 这些方法可以同时使用。菊花链环型连接星型连接BTS4BSCBTS1BTS2BTS3BSCBTS1BTS2BTS3BTS3BSCBTS1BTS2BTS2BTS3BTS1BSC叉型连接13316kbit/s16kbit/s压缩编码64kbit/sBTSBSCXCDRMSC网络无线覆盖BSS由一个BSC带多个BTS组成，每个BTS有一定的无线覆盖区域

11、，同一BSS的BTS共同形成一个大的无线覆盖区域，该区域称为一个BSC Area。 MSC下带一个或多个BSS，这些BSS的BSC Area共同组成一个MSC Area。MSC与BSC之间通过唯一的A接口传信令。MSC另外提供到PSTN、ISDN、PDN等的接口。多个MSC之间可以有中继互相联系，多个MSC Area共同组成一个大的无线覆盖区域。移动用户要获得服务，首先必须处于无线覆盖区域内。移动用户通话时，通过空中信道将话音信号送到BTS，再到BSC，由BSC送到MSC交换后送到固定网用户，或再通过BSC、BTS送到另一个移动用户，反向亦然。注：此图摘自CP02网络交换系统网络交换系统完成G

12、SM网络的主要交换功能和移动性管理，还包括存储移动用户信息的数据库。主要功能是实现GSM网络与其他电信网络之间的通信。网络交换系统由以下部分组成：MSC: Mobile Service Switching CentreHLR: Home Location RegisterVLR: Visitor Location RegisterEIR: Equipment Identity RegisterAUC: Authentication CentreIWF: Interworking FunctionEC: Echo Canceller注：此图摘自CP02IWFAUCEIRHLRECVLRMSCPS

13、TNOperation andMaintenance SystemNetwork Switching SystemBSS The Network Switching SystemMobile Service Switching Centre MSC移动业务交换中心MSC是GSM网络中处理交换与信令功能的交换机。提供到BSS和到固定网的接口，一个MSC一般要带多个BSS保证无线覆盖，一个国家一般要有多个MSC保证无线覆盖。MSC的基本功能：Call Processing 呼叫处理包括呼叫建立，切换，移动性管理（位置登记、鉴权等）Operation & Maintenance 数据库管理，

14、话务统计，Man Machine InterfaceInternetwork Interworking 网络互通功能管理GSM网络与PSTN之间的接口Billing 计费收集呼叫计费数据 MSC与普通固定网交换机相比，除了要完成基本的呼叫建立与交换以功能外，还要考虑移动通信的一些特殊特性，如无线资源分配、移动用户的移动性等，所以MSC至少还应该能参与完成位置登记、切换等。Home Location Register HLR归属位置寄存器HLR是一个数据库，存储移动用户相关数据信息，包括所有不变的数据和所有临时的数据。一个PLMN可能需要一个或多个HLR来存储该PLMN的所有用户数据，所需HLR

15、数取决于整个网络中的用户数和HLR硬件设备的容量。每个用户只在一个HLR中有一份数据，每个HLR存储所有用户数据的一部分。GSM网络中MSC、VLR需要访问HLR，获得用户数据。访问HLR可以利用IMSI或MSISDN来查找用户数据。HLR中存储的信息有： Subscriber ID (IMSI and MSISDN) Current subscriber VLR (current location) Supplementary services subscribed to Supplementary service Information (eg. current forwarding nu

16、mber) Subscriber status (registered/deregistered) Authentication key and AUC functionality Mobile Subscriber Roaming Number (MSRN)Visitor Location Register VLR拜访位置寄存器VLR存储临时的用户的数据，内容大部分与HLR相同，但移动用户的临时数据只有当该用户在该VLR Area内是active状态时才会存有。每个VLR负责地理上一定的区域，该区域称为VLR Area，当MS移动到该VLR Area时，将会做位置登记（Location Re

17、gister Procedure），找到MS所在的HLR，获取MS建立呼叫或作被叫时所需的数据并暂存。所以VLR相当于是一个存储处于该VLR Area内用户数据的本地数据库，减少对HLR的访问，因为访问HLR是很耗时的。VLR内存储的信息有：l Mobile Status如：忙、闲、无应答等l Location Area Identity (LAI) 一般根据地理区域将基站小区划分成多个Location Area 并分配LAI，一般一个LAI对应30个左右基站小区。MS从一个LAI到到另一个LAI时需要做位置登记，修改VLR中的LAI；MS从一个VLR到另一VLR时需要做位置登记，修改HLR中

18、的VLR地址。l International Mobile Subscriber Identity (IMSI)l Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI) VLR负责分配TMSI并通知HLR，TMSI会不断改变，使呼叫不易被跟踪，提高安全性。l Mobile Station Roaming Number (MSRN) MS漫游出其本地系统时，需要用到MSRN，MSRN由VLR分配。l Supplementary Service Parameters VLR内的数据可通过IMSI、TMSI或MSRN查找。一个VLR Area内可以有多个MSC Ar

19、ea，但一般一个VLR Area对应一个MSC Area，硬件上VLR也一般和MSC做在一起，大唐M30G交换机就包括VLR。Equipment Identity Register EIR该设备是存储ME的IMEI的数据库，用来验证ME。目前我国没有使用EIR。Authentication Centre AUCAUC是完成用户身份鉴权功能的处理系统，AUC一般和HLR做在一起，因为AUC需要频繁的访问HLR。鉴权过程在移动用户Initialises时需要做，并不是每次呼叫都要做鉴权，具体鉴权过程可参见有关资料。Interworking Function IWF IWF使GSM系统可以连接其他数

20、据网络，IWF完成的基本功能：l 速率转换l 协议适配Echo Canceller EC 移动通信系统的四线制到PSTN二线制转换时，由于阻抗不完全匹配，会产生回波，回波抑制器EC加在MSC到PSTN之间的每条话音电路上，抑制一定回波，改善通话效果。Operation & Maintenance System操作与维护系统在GSM规范中没有严格规定，不同厂家的设备也都不同，但总体上分为两类：l OMCRl OMCS其中OMCR完成对基站系统的操作与维护，OMCS完成对网络交换系统的操作与维护。Motorola的OMCR采用SUN工作站，用2M线连到BSC或XCDR，采用X.25协议通信

21、。大唐M30G交换机的OMCS采用普通奔腾PC机，通过TCP/IP协议与MSC通信。GSM Network Components对面图所示的是一个一般的GSM系统结构示意图，图中有2个MSC，它们共用HLR、AUC和EIR（EIR目前在中国没有使用），每个MSC都带有自己的BSS，且各自对应一个VLR。实际的网络结构GSM网络结构由于设备数量多，所以网络结构也比对面图示的复杂。GSM系统中除了BTS与MS之间使用的是空中接口以外，其他所有的接口都是陆地接口，在图上用网络部件之间的连线表示。GSM系统中，这些陆地接口以及接口消息的传递都遵循ITUTS标准，因为都是标准接口，所以大大提高了GSM系

22、统组网的灵活性。这些接口中传递的信息有话音信号、为完成系统功能的信令信息、下载或上装的软件、收集的话务统计数据，操作与维护指令等。不同接口之间的消息传递可能会用到同一物理载体。GSM系统所使用到的协议用OSI分层结构表示：3Network2Link1Physical4-7UserApplicationsX.25ApplicationsC7Applications2 Mb/s TrunkABISLAPDMTP(C7)LAPBX.25OSI LAYER注：此图摘自CP02注：此图摘自CP02 2 MBPS 数字中继线对面图所示加粗的连接使用的是2 MBPS中继，用来在各网络实体之间传输话务，包括M

23、SC之间，MSC与PSTN之间，MSC与BSC之间以及BSC与BTS之间的话务。2 MBPS中继中传输的不仅有话音信号，还有控制信息和数据业务（如传真）。每条2 MBPS中继可以提供30条64kb/s的传输通路。控制信息包括C7、LAPD、X.25消息。2 MBPS中继的帧结构：TS0TS 1-15TS16TS 17-31TSUsed For0115161731Frame Alignment/Error Checking/Signaling/AlarmsTrafficC7 Signaling (other TS may also be used)TrafficTS=Timeslot注：此图摘自

24、CP02X.25接口使用了X.25协议的接口如图中加粗部分所示。OMC通过X.25协议与其所连接的各种网络实体通信，实现对网络的操作与维护。这些X.25连接的物理载体一般是2 MBPS数字中继中的某一专用时隙。OMC到BSS的连接可能是通过MSC建立的半固定连接（钉连），也可能是单独的物理路由。X25的标准帧结构：FLAGFRAME CHECKSEQUENCEINFORMATIONCONTROLADRESSFLAGlast bit first bit注：此图摘自CP02No.7七号信令接口使用了No.7的接口如图中加粗部分所示。这些接口用来传送主要网络实体之间及与PSTN之间的控制信息。No.

25、7主要分消息传递部分和用户部分，根据不同类型的用户而有不同的用户部分。在GSM网络中：MSC与PSTN之间为TUP MSC、VLR、EIR、HLR之间为MAPMSC与ISDN之间为ISUPMSC与BSC之间为BSSMAPMSC与MS之间为DTAP （DTAP与BSSMAP合称为BSSAP）BSSAPBase Station System Application PartBSSMAPBase Station System Management Application PartDTAPDirect Transfer Application PartISUPISDN User PartMAPMobi

26、le Application PartSCCP Signalling Connection Control PartTCAPTransaction Capability Application PartTUPTelephone User PartBSSAP(DTAP+BSSMAP)TCAPMAPISUPOSI LAYERNetwork3Link2Physical1Application7Presentation6Session5Transport4TUPSCCP2 Mb/s TrunkMTP Level 3MTP Level 2MTP Level 1注：此图摘自CP02注：此图摘自CP02AB

27、IS(LAPD)接口BSC与BTS之间的接口称为Abis接口，使用LAPD协议。Abis接口在GSM规范中没有严格规定，各生产厂家关于该接口的理解也不同，所有不同厂家的BSC与BTS不能在一起工作。另外，不同厂家对BSC与BTS的功能划分也不相同，如MOTOROLA的BTS也有一定的控制功能，这样减少BSC与BTS之间需要传输的控制信息。LAPD协议的帧结构如图所示：FLAGFRAME CHECKSEQUENCEINFORMATIONCONTROLADRESSFLAGlast bit first bit注：此图摘自CP02接口名称GSM系统中所有的接口都有一个名称：NAME Interface

28、Um MS BTSAbis BTS BSCA BSC MSCB MSC VLRC MSC HLRD VLR HLRE MSC MSCF MSC EIRG VLR VLRH HLR AUC此图摘自CP02Um Interface MS-BTSMS与BTS之间的接口称为Um接口，也称为Air Interface。Um接口在GSM 04系列规范中定义。 Layer1 Physical Layer Layer2 Data Link Layer 采用LAPDm协议。 Layer3 Specifications 完成的功能有：l Call Control(CC) 呼叫控制l Short Message S

29、ervice Support (SMS) 短消息服务支持l Supplementary Services Support (SS) 附加服务支持l Mobility Management (MM) 移动性管理l Radio Resource Management (RR) 无线资源管理Abis Interface BTS-BSCBTS与BSC之间的接口称为 Abis接口。所用的的信令链路也称为RSL(Radio Signaling Link)Abis接口在GSM 08.5x系列规范中定义。该接口中传送的消息分为两种： 透明传送的消息：只是有BTS转发，BTS并不对它作任何处理。 非透明传送的消

30、息：在BTS和BSC之间传送的消息，是由BTS产生或接收的。Layer1 Physical LayerLayer2 Data Link Layer 采用LAPD协议Layer3 Specifications 完成的功能有：l Radio Link Layer Managementl Dedicated Channel Managementl Common Channel Managementl TRX Management MOTOROLA对Abis接口作了一些修改，取了一个新名称为MOBIS(Motorola Abis)主要是将BSC的一些功能转移到了BTS上。以下是MOTOROLA Abis与原GSM Abis的比较：Motorola AbisNo message over BTS-BSC InterfaceGSM AbisBSCBTSMSAccess Burs