移动通信原理3

GSM网络组成GSM网络概述对面是一个简化的GSM网络结构示意图，每种网络部件只画了一个，实际网络中，大多网络部件都需要多个。各种网络部件的接口都采用标准接口，这样可以在一个网络中使用不同厂家的设备，比如可将Motorola的基站系统BSS与Ericsson的网络交换系统配合使用。GSM系统主要由以下几部分组成:移动台MS（MobileStation）如手机、传真机等用户实际所使用的设备。基站系统BSS（BaseStationSystem）为移动台MS和陆地交换设备提供无线连接的部分。网络交换系统（NetworkSwitchingSystem）由MSC及一些相关的数据库组成，完成电话交换及提供GSM系统与PSTN的连接功能等。操作与维护系统（OperationandMaintenanceSystem）使网络管理员能对网络进行集中操作与维护。GSM网络组成网络交换系统操作与维护系统移动台PSTNNMCOMCVLRHLREIRIWFBSCBTSSIMME移动台MS移动台包括两部分：移动设备ME(MobileEquipment)和被称为用户识别模块SIM(SubscriberIdentifyModule，一般也叫做SIM卡)的智能卡。移动设备ME是用户所使用的硬件设备，用来接入到系统，每部移动设备都有一个唯一的对应于它的永久性识别号，该识别号称为国际移动设备识别号IMEI(InternationalMobileEquipmentIdentity)。SIM卡是一张插到移动设备中去的智能卡。SIM卡用来识别移动用户的身份,还存有一些该用户能获得什么服务信息及一些其他的信息。移动用户身份识别号称为国际移动用户识别号IMSI(InternationalMobileSubscriberIdentity)。移动设备可以从商店购买,但SIM卡必须从网络运营商处获取,如果移动设备内没有插SIM卡,则只能用来做紧急呼叫。将移动设备识别号与移动用户身份识别号分开后，系统就可以根据移动用户来计费，而不是根据移动设备来计费了。―――移动台MS(MobileStation)移动设备ME(MobileEquipment)移动设备是GSM网络中唯一用户实际看到和使用的部分。移动设备主要有以下三种：车载台这种设备装在汽车上，天线装在车外。便携式这是一种便携式的移动设备，天线不是直接装在设备上的。手持式即日常所说的手机，天线直接装在手机上。对于不同类型的移动台，其最大输出功率也不同。移动台都必须有一个特定的标志供网络识别，使网络知道该移动台的最大发射功率和支持服务等，该标志称为级别标志(Classmark),移动台在发送初始化消息时发送此标志。级别标志Classmark中包含以下信息：版本级别指示该移动台是一期(Phase1)或二期(Phase2)的移动台。最大发射功率该移动台的最大发射功率，在切换及功率控制时会用到，用移动台功率级别号表示。加密算法指示移动台使用的是哪种加密算法。目前在一期GSM中只有一种算法（A5），但二期(Phase2)GSM规范规定了多种算法(A5/0-A5/7)。频率范围指示该移动台收发信号所能使用的频段。目前所有GSM移动台都只使用同一频段，将来该频段会扩展，但不一定所有的移动台都支持扩展频段。短消息功能指示该移动台是否可以接收短消息。移动台设备功能发射功率等级功率级功率输出120瓦特（已不用）28瓦特35瓦特42瓦特50.8瓦特支持Phase1,Phase2或Phase2+规范加密频率短消息服务SIM卡(SubscriberIdentityModule)SIM卡是一张插到移动设备中去的“智能卡”，因为它存有移动用户身份信息，因此称为SubscriberIdentityModule。SIM卡中包含的信息有：国际移动用户身份识别号IMSIIMSI(InternationalMobileSubscriberIdentity)用来识别移动用户,仅在初始化时才在空中发送。临时移动用户身份识别号TMSITMSI(TemporaryMobileSubscriberIdentity)用来临时性的识别移动用户,该号码会周期性的改变,防止有人从空中截获该号码后盗话。位置区识别号LAI(LocationAreaIdentity)指示移动用户当前所在的位置区。用户身份鉴权密键Ki(SubscriberAuthenticationKey)在用户身份鉴权时使用。MSISDNMSISDN(MobileStationInternationalServiceDigitalNetwork)是移动台的电话号码,含有国家码,国内码,及移动用户号码。SIM卡中的信息在SIM卡发行之后大多是不可读的(如Ki)或不可改的,(如IMSI)。另外有一些信息，如LAI，会不停的改变，以反映移动台当前所在的位置。SIM卡以及系统高度的固有安全性，能有效的防止盗话。SIM卡是很难复制的，而且还可以给SIM卡加一个类似信用卡密码的个人密码，即PIN码(PersonalIdentityNumberPassword),防止有人盗用。SIM卡还存有一些其它信息，如计费信息，对这些信息用户可以直接通过手机按键功能查看。SIM卡另外还执行鉴权算法。用户识别模块SIM(SubscriberIdentityModule)SIM卡(实际大小)全尺寸SIM卡迷你型SIM卡基站系统BSS(BaseStationSystem)GSM基站系统是指系统中的基站设备，包括射频设备和控制设备，用来提供移动台与移动业务交换中心MSC（MobileService）之间的连接。BSS与移动台之间通过空中接口通信，与MSC之间通过2MBPS链路通信。BSS主要包括以下几个部分：基站收发信台BTS（BaseTransceiverStation）BTS是为小区提供空中接口的射频设备，是GSM网络中与移动台通信的部分。BTS包括天线。基站控制器BSC（BaseStationController）BSC顾名思义是用来控制BSS的，BSC直接与MSC通信，一个BSC可以控制单个或多个BTS。压缩编码器XCDR（Transcoder）XCDR用来压缩话音信号，使之更有效的在陆地接口中传送。尽管XCDR是BSS的一部分，但一般放得离MSC比较近。压缩编码器用于降低空中接口中业务信息（包括话音、数据）的传输比特率。尽管XCDR是BSS的一部分，但总是放得离网络交换系统NSS（NetworkSwitchingSystem）更近，因为这样可以提高陆地链路的利用率。基站系统BSSBaseStationSystemXCDRBSCBTSBTSBTSBTSBSS基站控制器BSC（BaseStationController）BSC用来控制BSS，BSC的功能如对面表格所示。任何送到BTS的操作信息都来自BSC，反之任何从BTS送出的信息（如OMC需要BTS的相关信息）也将经BSC送出。BSC内有数字交换矩阵，用于连接从MSC来的陆地链路和空中信道。因为BSC内有交换矩阵，所以在本BSC控制范围内的BTS间发生的切换，不需要MSC干预。基站收发信台BTS（BaseTransceiverStation）BTS提供基站与移动台之间的空中接口，BTS也具有一定的控制功能，这样可以减少BSC与BTS间消息的传送，BTS的功能如对面表中所示。BSS功能控制设备陆地链路管理信道分配BSC无线信道管理BSC信道配置管理BSC切换控制BSC跳频BSC/BTS业务信道管理BSC/BTS控制信道管理BSC/BTS加密BSC/BTS寻呼BSC/BTS功率控制BSC/BTS信道编/解码BTS定时提前BTS空闲信道观察BTS测量报告BTS在上表中所列出的控制功能由BSC、BTS分担完成，有一些功能需要要BSC、BTS共同完成。基站系统BSSBSC控制一个或多个BTS交换BTS和MSC之间的话务和信连接陆地电路和空中接口信道控制它所带的BTS做的切换BTS包括射频设备有限的控制功能支持1个或多个小区BSS结构如前所述，一个BSC可控制多个BTS，但GSM规范中没有规定具体最多控制多少个BTS，所以各厂家的做法也大不相同。BTS和BSC可以是共站结构（Collocated）或者是远程BTS（Remote）结构。BSS的另一种结构是菊花链式，即可将一个BTS通过另一个BTS连到BSC，而不是直接连到BSC。使用菊花链的好处是一个离BSC很远的BTS可以直接连到一个离它很近的BTS，而不用另外用很长的电缆将它连到BSC，显然这样可以节省传输电缆。使用菊花链带来的一个问题是增加了传输时延，为了防止时延过大，所以菊花链的长度也不能过长。BSS还可以有其它一些拓扑结构，如星型和环型。对于菊花链形连接，当链中某一处断开之后，自断开点往后所有的BTS都会与BSC失去联系，为防止这种情况的发生，可以将链尾的BTS另外通过电缆直连到BSC，形成环形结构，这样当菊花链中某处断掉以后，断开点后面的BTS还可以通过另一条冗余的路径与BSC通信。BSS结构共站BSS远端BTS菊花链(DaisyChain)BTS压缩编码器XCDR－TranscoderXCDR用于将来自MSC的64kb/sPCM信号转换成GSM规范要求的，适于在空中接口传送的信号形式，（即将64kbit/s转换成16Kbit/s，或反之将16kbit/s转换成64kbit/s）。如果来自MSC的64kb/sPCM信号（PulseCodeModulation脉冲编码调制）不作任何处理就在空中信道上发送的话，将会占用过多带宽，这对有效利用频谱是很不利的,所以要将64kb/s的信号做压缩编码，使它的速率降到16kb/s，减小信号在空中信道上传送的带宽。压缩编码的功能可以在MSC，BSC或者BTS处完成。速率为16kbit/s数据的内容取决于所采用的编码算法。目前有两种编码算法，具体选用哪一种取决于移动设备功能和网络配置。所有的移动设备和网络都支持全速率话音编码算法，这种压缩编码算法将64kbit/s的数据压缩成13kbit/s的编码数据，再加上3kbit/s一般被称为TRAU（TranscoderRateAdaptionUnit压缩编码器速率适配单元）数据的控制信息。BTS会用到下行链路中的TRAU数据，所以BTS在将话音发送到空中接口之前会将TRAU数据取出来，然后将剩下的13kbit/s的话音数据编码成将在空中接口发送的22.8kbit/s的数据，其中包括前向差错校正。在上行链路BTS也会加进TRAU数据，供压缩编码器使用。增强型全速率话音编码是一种改进型的话音编码算法，只有Phase2+的移动台和网络才支持。这种压缩编码算法将64kbit/s的PCM数据压缩成12.2kbit/s的数据。这时需要加进3.8kbit/s的TRAU数据，使XCDR与BTS之间的信道速率保持16kbit/s。与全速率编码一样，TRAU数据也是用于BTS和压缩编码器。数据传输不作压缩编码，但会将9.6kbit/s的数据（或者是4.8kbit/s或2.4kbit/s）适配到16kbit/s，便于在陆地接口传输，其中包括3kbit/s的TRAU数据。从对面图中可以看出，尽管压缩编码的主要目的是为了降低空中接口的数据速率，但同时，也将所需的陆地链路数减少到了原来的1/4。压缩编码器Transcoder120GSM话务信道TCH(TrafficChannel)4路压缩编码的信息(4路16kbit/s的信息复用到一个64kbit/s信道中)控制信息网络交换系统网络交换系统完成GSM网络主要的交换功能，另外还包括用于移动性管理和存储用户数据的数据库。网络交换系统的主要功能是管理GSM网络与其它电信网络之间的通信。网络交换系统主要由以下部分组成：移动业务交换中心MSC（MobileServiceSwitchingCenter）归属位置寄存器HLR（HomeLocationRegister）访问位置寄存器VLR（VisitorLocationRegi