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移动通信基本知识2
访问数:1072      发布时间:03-27   

第三章 数字公用陆地移动通信网 PLMN

数字公用陆地移动通信网 PLMN 的网络结构见下图 3 - 1 ,如图所示从物理实体来看,数字 PLMN 网包括:移动终端、 BSS 子系统和 MSS 子系统等部分。移动终端与 BSS 子系统通过标准的 Um 无线接口通信, BSS 子系统与 MSS 子系统通过标准的 A 接口通信。

图 3 - 1 PLMN 网络结构

 

其中:

BSC

Base Station Controller

基站控制器

BTS

Base Transceiver Station

基站收发信机

MSC

Mobile services Switching Center

移动交换中心

OMC

Operation and Maintenance Center

操作维护中心

AUC

Authentication Centre

鉴权中心

EIR

Equipment Identification Register

设备识别登记器

HLR

Home Location Register

归属位置登记器

VLR

Vistor Location Register

拜访位置登记器

MS

Mobile Station

移动台

ISDN

Intergrated Service Digital Network

综合业务数字网

PSTN

Public Switching Telephone Network

公用电话交换网

PSPDN

Public Switched Data Network

公用数据交换网

PLMN

PublicL and Mobile Network

公用陆地移动网

 

•  BSS 子系统

基站子系统 BSS 为 PLMN 网络的固定部分和无线部分提供中继,一方面 BSS 通过无线接口直接与移动台实现通信连接,另一方面 BSS 又连接到移动交换子系统 MSS 的移动交换中心 MSC 。

基站子系统 BSS 可分为两部分。通过无线接口与移动台相连的基站收发信台( BTS )以及与移动交换中心相连的基站控制器( BSC ), BTS 负责无线传输、 BSC 负责控制与管理。

一个 BSS 系统由一个 BSC 与一个或多个 BTS 组成, BSS 子系统可由多个 BSC 和 BTS 组成。一个基站控制器 BSC 根据话务量需要可以控制数十个 BTS 。 BTS 可以直接与 BSC 相连,也可以通过基站接口设备 BIE 与远端的 BSC 相连。基站子系统还应包括码变换器( TC )和子复用设备( SM )。

图 3 - 2 为典型的 BSS 子系统结构图。

图 3 - 2 BSS 子系统结构图

其中:

TC

TransCoder

码型变换器

SM

SubMultiplexing

子复用

BIE

Base station Interface Equipment

基站接口设备

 

如上图, BSS 的组成:

( 1 )基站收发信台( BTS ):

基站收发信台( BTS )包括基带单元、载频单元和控制单元三部分,属于基站系统的无线部分,是由基站控制器控制,服务于某个小区的无线收发信设备,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。

当 BTS 与 BSC 为远端配置方式时,则需采用 Abis 接口,这时, BTS 与 BSC 两侧都需配置 BIE 设备;而当 BSC 与 BTS 之间的间隔不超过 10 米时,可将 BSC 与 BTS 直接相连,采用内部 BS 接口,不需要接口设备 BIE 。

( 2 )基站控制器( BSC ):

BSC 是基站系统( BSS )的控制部分,在 BSS 中起交换作用。

BSC 一端可与多个 BTS 相连,另一端与 MSC 和操作维护中心 OMC 相连, BSC 面向无线网络,主要负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理,控制移动台和 BTS 无线连接的建立、接续和拆除等管理,控制完成移动台的定位、切换和寻呼,提供语音编码、码型变换和速率适配等功能,并能完成对基站子系统的操作维护功能。

BSS 中的 BSC 所控制的 BTS 的数量随业务量的大小而改变。

( 3 )码型变换器( TC ):

码型变换器 TC 主要完成 16kbit/sRPE-LTP( 规则脉冲激励长期预测 ) 编码和 64kbit/s A 律 PCM 之间的语音变换。在典型的实施方案中, ZXG10-TC 位于 MSC 与 BSC 之间。

当 TC 位于 MSC 侧时,通过 MSC 和 BSC 之间以及 BSC 和 BTS 之间的传输线路子复用器 SM 、 BIE ,可以充分利用在空中接口使用的低语音编码传输速率,降低传输线路的成本。

BSC 与 TC 之间的接口称为 Ater 接口;在 TC 与 MSC 之间的接口称为 A 接口。

•  MSS 子系统

移动交换子系统 MSS 完成 GSM 的主要交换功能,同时管理用户数据和移动性所需的数据库。 MSS 子系统的主要作用是管理 GSM 移动用户之间的通信和 GSM 移动用户与其它通信网用户之间的通信。

如上图 3 - 1 所示,移动交换子系统 MSS 包括七个功能单元。

•  移动交换中心( MSC )

•  拜访位置寄存器( VLR )

•  归属位置寄存器( HLR )

•  鉴权中心( AUC )

•  设备识别寄存器( EIR )

•  短消息中心( SC )

•  移动交换中心( MSC )

MSC 是 PLMN 的核心。 MSC 对位于它所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 PLMN 和其他网络之间的接口。它完成通话接续,计费, BSS 和 MSC 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 MSC 还完成 GMSC 的功能,即查询移动台位置信息的功能。

MSC 从三种数据库,拜访位置寄存器( VLR )、归属位置寄存器( HLR )和鉴权中心( AUC )中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据。反之, MSC 根据其最新数据更新数据库。

•  拜访位置寄存器( VLR )

VLR 通常与 MSC 合设,其中存储 MSC 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。

VLR 是一个动态用户数据库。 VLR 从移动用户的归属位置寄存器( HLR )处获取并存贮必要的数据,一旦移动用户离开该 VLR 的控制区域,则重新在另一个 VLR 登记,原 VLR 将取消该移动用户的数据记录。

•  归属位置寄存器( HLR )

HLR 存储管理部门用于移动用户管理的数据。每个移动用户都应在其归属位置寄存器( HLR )注册登记,它主要存储两类信息: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 MSC 、 VLR 地址等。

•  鉴权中心( AUC )

AUC 属于 HLR 的一个功能单元部分,专门用于 GSM 系统的安全性管理。鉴权中心产生鉴权三参数组(随机数 RAND 、符号响应 SRES 、加密键 Kc ),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。

•  设备识别寄存器( EIR )

EIR 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。

EIR 中存有三种名单:

•  白名单――存贮已分配给可参与运营的 GSM 各国的所有设备识别标识 IMEI 。

•  黑名单――存贮所有应被禁用的设备识别标识 IMEI 。

•  灰名单――存贮有故障的以及未经型号认证的设备识别标识 IMEI ,由网路运营者决定。

•  短消息中心( SC )

短消息中心提供短消息业务功能。

短消息业务( SHORT MESSAGE SERVICE : SMS )提供在 GSM 网络中移动用户和固定用户之间或移动用户和移动用户之间发送讯息长度较短的信息。短消息业务功能是一种类似于传呼机的业务功能,但是它具有寻呼网络无法具备的优点:即保证到达和双向寻呼功能。

点对点短消息业务包括移动台 MS 发起的短消息业务 MO/PP 及移动台终止的短消息业务 MT/PP 。点对点短消息的传递与发送由短消息中心 SC 进行中继。短消息中心的作用像邮局一样,接收来自各方面的邮件,然后把它们进行分拣,再发给各个用户。短消息中心的主要功能是接收、存储和转发用户的短消息。

通过短消息中心能够更可靠地将信息传送到目的地。如果传送失败,短消息中心保存失败消息直至发送成功为止。短消息业务的另一个突出特点是,即使移动台处于通话状态,仍然可以同时接收短消息。

•  操作维护中心( OMC )

OMC 系统按照功能 划分成几大模块,各大模块又分为前台和后台两个子模块,强调各模块的独立性以及模块间接口的通用性,以适应系统结构的变化及功能的增加。

 

OMC 与 GSM 系统各网络单元的关系如下图所示:

OMC 即操作维护中心,用于对 GSM 系统的交换实体进行管理。它主要具有以下功能:维护测试功能、障碍检测及处理功能、系统状态监视功能、系统实时控制功能、局数据的修改、性能管理、用户跟踪、告警、话务统计功能等。

OMC 的功能大部分分布在 MSC/VLR 、 HLR/AUC 、 BSS 等实体中与操作维护相关的有关模块中完成, OMC 操作台主要实现 OMC 的人机接口。 OMC 功能与一般的维护台功能类似,但需遵守相关规范要求。

•  GSM 系统各个接口和协议

作为现代电信系统, GSM 是一个复杂的网络系统,在多业务方面它与 ISDN 有很多共同点,同时它还增加了来自蜂窝网独有的功能。随着数据网络开放系统互连模型( OSI )的出现,我们可以把 GSM 这样一个具体系统接口的功能、接口和协议,在 OSI 模型基础上来进行分析。

就 GSM 系统与外界的联系,可划分为三大边界,因而也有了三大外部接口:

 

首先,在用户侧,有移动台 MS 和用户之间的界面,可认为是一个人机界面。在 GSM 规范中定义了一个 SIM-ME 接口,这里 SIM 是一张智能卡,包含存贮在无线端口的用户一侧上所有与用户有关的信息, ME 代表移动设备。

其次, GSM 与其他电信网接口,规定 GSM 作为一种接入网,建立起 GSM 用户与其他电信网用户之间的呼叫;当然也我们可以这样认识, GSM 是一种电信交换机,既执行 GSM 功能,又能管理 PSTN/ISDN 用户,而一般规范的 GSM 体系结构不考虑这种可能性,只是明确定义了 GSM 与其它电信网的接口。

再次, GSM 与运营者的接口,提供对 NSS 、 BSS 设备管理和运行管理,实现运营商对网络的管理。

根据 OSI 基本原理,可对 GSM 系统系统功能做分层结构,描述如下图所示:

 

 

传输 :数据传输功能,在沿着通信路径的各段上提供携带用户数据,并提供实体间传送信令的方法。

RR :无线资源管理,在呼叫期间建立和释放移动台和 MSC 之间的稳定连接,主要由 MS 和 BSC 完成;

MM 移动性和安全性管理,当环境发生变化时,移动台可以作出不同网络的蜂房选择,使呼叫用户过程有效建立,还需基础设施来管理用户的位置数据(位置更新);

CM 通信管理,应用户要求,在用户之间建立连接,维持和释放呼叫。(可分为 CC ——呼叫控制、 SSM ——附加业务管理、 SMS ——短消息业务);

OAM 运行、管理和维护平面,为运营者操作提供手段;它直接由传输层提供服务。

 

我们首先考虑无线接口上的协议,这里有许多很重要的 GSM 协议,其协议栈结构图示如下:

 

 

RIL3-CC :无线接口第 3 层- CC 层

RIL3-MM :无线接口第 3 层- MM 层

RIL3-RR :无线接口第 3 层-无线资源管理层

RSM :信道释放确认

SCCP :信令连接控制部分

MTP :信息传递部分

BSSMAP :基站子系统移动应用部分

LAPDm : ISDN 的 Dm 数据链路协议

TCAP :转移能力应用部分

MAP :移动应用部分

LAPD : D 信道链路接入协议

 

参考以上信令协议模型:

1. BSC 与 MSC 之间的接口( A 接口)。

BSC 与 MSC 之间的接口即 A 接口,它用于 BSC 和 MSC 之间的报文和进 / 出移动台的报文(通过 CC 或 MM 协议鉴别器实现)。

遵循《 ETSIGSM 系统技术规范书 08. ′ ′ 》, A 接口特性包括:

在 A 接口中,它遵循 GSM 规范 08 系列的要求。

Layer1 ——物理和电器参数及信道结构,定义 MSC — BSC 物理层结构。

采用公共信道信令 NO.7 ( CSS7 )的消息转移部分( MTP )的第一级来实现,采用 2Mbit/s 的 PCM 数字链路作为传输链路,性能符合 GB7611 — 87 标准;

信令信道使用 2Mbit/s 链路中的 TS16 。 2Mbit/sPCM 链路中的 TS0 通常用于传输 MSC 与 BSC 之间的同步信号,其他时隙( TS1~TS15 , TS17~TS31 )传输业务信号。在该接口中,业务信号的传输速率为 64Kbit/s ,为 A 律 PCM 编码方式。

Layer2 ——网络操作程序,定义数据链路层和网络层,即 MTP2 ( Q.702 — Q.703 )和 MTP3 ( Q.704 — Q.705 )、 SCCP ( Q.711 — Q.714 )。

其中 MTP2 是 HDLC (高级数据链路控制)协议的一种变体,帧结构分别是由标志字段、控制字段、信息字段、校验字段和标志序列所组成; MTP3 和 SCCP (信令连接控制部分)则主要完成信令路由选择等功能。

Layer3 ——应用层。包括 BSS 应用规程( BSSAP )和 BSS 操作维护应用规程( BSSOMAP ),完成基站系统的资源和连接的维护管理,业务的接续及拆除的控制。

 

2. BSC 与 BTS 之间的接口( Abis 接口)。

BSC 支持 900MHZ 和 1800MHZ 两种基站 SITE 配置。 Abis 接口遵循 GSM 规范 08.5X 系列要求。

Layer1 ——物理层通常采用 2Mbit/sPCM 链路,符合 CCITTG.703 和 G.704 要求。

Layer2 ——数据链路层采用 LAPD 协议,它为一点对多点的通讯协议,是 Q.921 规范的一个子集。 LAPD 也是采用帧结构,包含标志字段、控制字段、信息字段、校验字段和标志序列。在标志字段中包括 SAPI (服务接入点标识)和 TEI (终端设备识别)两个部分,用以分别区别接入到什么服务和什么实体。

Layer3 ——在上层部分,主要传输 BTS 的应用部分,包括无线链路管理( RLM )功能和操作维护功能( OML )。

在 Abis 接口上 BSC 提供 BTS 配置、 BTS 监测、 BTS 测试及业务控制等信令控制信息。同一基站的多个 TRX 可以共用一条 LAPD 信令链路,链路应该具备流量指示功能。其业务接口为 8 条 16Kbps ( FR )的电路。如果采用复用方案,则每个 TRX 有 3 条 64Kbps 的电路,其中一条用作 LAPD 信令链路,另外两条 64Kbps 链路用作 8 条语音或数据链路( 4 路复用)。

 

3. BSC 与 TC 之间的接口( Ater 接口)。

Ater 接口为 ZXG10-BSS 系统内部自己定义的接口。

在 Ater 接口中,其传输内容与 A 接口类似,不同的只是话音信道在两接口中的传输速率: A 接口中的话音信号为 64kbit/sA 律 PCM 编码信号,而在 Ater 接口中的话音信号仍然为 13kbit/sRPE-LTP 编码信号。在 Ater 接口中传输的信令信号为 CCS7 ,信令信道占用 TS16 。

 

4. BTS 与 MS 之间的接口 Um 。

Um 接口被定义为 MS 与 BTS 之间的通信接口,我们也可称它为空中接口,在所有 GSM 系统接口中, Um 接口是最重要的。

首先,它实现了各种制造商的移动台与不同运营者的网络间的兼容性,从而实现了移动台的漫游。其次,它的制定解决了蜂窝系统的频谱效率,采用了一些抗干扰技术和降低干扰的措施。很明显, Um 接口实现了 MS 到 GSM 系统固定部分的物理连接,即无线链路,同时它负责传递了无线资源管理、移动性管理和接续管理等信息。

在 GSM 规范中很明确的定义了 Um 接口的协议,根据 OSI 模型,我们把 Um 接口分成三层来分析:

第一层,信号链路层(物理层):此层为无线接口最低层,提供无线链路的传输通道,为高层提供不同功能的逻辑信道,包括业务信道和逻辑信道。

第二层,信号链路层 2 :此层为 MS 和 BTS 之间提供了可靠的专用数据链路,是基于 ISDN 的 D 信道链路接入协议( LAPD ),但加入了一些移动应用方面的 GSM 特有的协议,我们称之为 LAPDm 协议。

第三层,信号链路层 3 :此层主要负责控制和管理的协议层,把用户和系统控制过程的信息按一定的协议分组安排到指定的逻辑信道上。它包括了 CM 、 MM 、 RR 三个子层,分别可完成呼叫控制( CC )、补充业务管理( SS )和短消息业务管理( SMS )等功能。

 

在移动交换子系统 MSS 内部,每个设备与七号信令网都有一个单独接口,其七号信令接口的协议堆如下图所示。

其中: TUP 为电话用户部分

ISUP 为 ISDN 用户部分

MAP 为移动应用部分

TCAP 为事务处理能力应用部分

 

相应的协议堆共享相同的较低层:在七号信令网路上用于传输信令的协议称为 MTP (信息传输单元)。在 MTP 之上,协议可能根据涉及的对等实体而不同。在 MSC 和完毕网路之间与呼叫有关的信令利用 TUP (电话用户单元)、 ISUP (集成业务用户单元)。 GSM 特有的,与呼叫不相关的信令对应于许多不同协议,组合在 MAP (移动应用单元)中。

移动交换子系统 MSS 内部接口如下图所示。

•  B 接口: MSC 与 VLR 接口, MSC 通过该接口向 VLR 传送漫游用户位置信息,并在呼叫建立时向 VLR 查询漫游用户的有关用户数据,通常 MSC 与 VLR 合设,其间采用内部接口。

•  C 接口: MSC 与 HLR 接口, MSC 通过该接口向 HLR 查询被叫移动台的路由信息, HLR 提供路由。

•  D 接口: VLR 与 HLR 接口,此接口用于两个位置寄存器之间传送用户数据信息(位置信息、路由信息、业务信息等)。

•  E 接口: MSC 与 MSC 接口,用于越局频道转接。该接口要传送控制两个 MSC 之间话路接续的常规的电话网局间信令。

•  F 接口: MSC 与 EIR 接口, MSC 向 EIR 查询移动台设备的合法性。

•  G 接口: VLR 之间的接口,当移动台由某一 VLR 进入另一 VLR 覆盖区域时,新老 VLR 通过该接口交换必要的信息,仅用于数字移动通信系统。

•  MSC 与 PSTN 的接口:是常规的电话网局间信令接口,用于建立移动网至公用电话网的话路接续。


 

待续



作者:ayp  来源:中国中铁电气化局集团第三工程有限公司第二工程段

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