移动交换原理与技术.pptx

1,信息传输与交换技术,第6章 移动交换原理与技术,2,对移动通信而言，在通信网络的总体规划和设计中必须解决的一个问题是，为了满足运行环境、业务类型、用户数量和覆盖范围等要求，通信网络应该设置哪些基本组成部分(比如，基站和移动台、移动交换中心、网络控制中心、操作维护中心等)，以及这些组成部分应该怎样部署，才能构成一种实用的网络结构。图1表示了一个数字蜂窝通信系统的网络结构。,11.1 移动交换机结构和特点,3,图1 数字蜂窝通信系统的网络结构,基站子系统(简称基站BS)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)、操作维护中心(OMC)、原籍位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)和移动设备识别寄存器(EIR)等组成。一个MSC可管理多达几十个基站控制器，一个基站控制器最多可控制256个BTS。由MS、BS和网络子系统构成公用陆地移动通信网，该网络由MSC与公用交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)和公用数据网(PDN)进行互连。,移动台,4,移动台MS,移动台MS实现移动终端功能，GSM 移动台包括移动台物理设备（即手机的裸机）和 SIM 卡两部分。移动台的类型很多，除了人们最熟悉的手机之外还包括车载台、便携式移动台。 移动台的一个重要组成部分是用户识别模块，即SIM卡。SIM卡中存放着所有和用户有关的用户无线接口侧的信息，包括鉴权、加密信息。使用GSM系统进行呼入和呼出的移动台必须插入SIM卡，只有在处理紧急呼叫时（如呼110和119），才可以在不插入SIM卡的情况下使用移动台。,5,基站子系统BSS,基站子系统（BSS）：基站子系统主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能，可分为基站控制器BSC （Base Station Controller ）和基站收发信台BTS （ Base Transceiver Station）。BSS一方面通过 BTS 利用无线接口与移动台相连，负责信息的无线发送/接收和无线资源的管理；另一方面，通过 BSC 和网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间以及移动用户和固定电话网络用户之间的通信连接。,6,网络子系统NSS,网络子系统（NSS）由六个功能单元组成： 移动业务控制中心MSC（Mobile service Switching center ） 访问用户位置寄存器VLR（Visitor Location Register ） 归属用户位置寄存器HLR（Home Location Register ） 鉴权中心AUC（Authenticate Center ） 移动设备标识寄存器EIR（Equipment Identity Register ） 操作维护中心OMC（Operation and Maintenance Center ）。,7,1.移动业务控制中心MSC,MSC是整个网络子系统的核心。首先，MSC 是交换机，它通过接口和其他 MSC 或 PSTN建立连接、进行呼叫控制和计费。 在一个容量较大的移动通信系统中，其网络子系统中可能包含若干个MSC。同时和移动网络以及固定网络连接、负责移动网至固定网、以及固定网到移动网呼叫转接功能的 MSC 叫做网关 MSC（即 GMSC）。 GSM系统通过GMSC与公用电信网PSTN互连，一般采用7号信令系统接口。其物理链接方式是通过在GMSC与PSTN或ISDN交换机之间采用2.048Mb/s的PCM数字传输链路来实现的。 MSC 具有号码存储、呼叫处理、路由选择等功能。MSC 可以从HLR、VLR 和AUC获取处理用户位置登记和呼叫请求所需要的全部数据。反之，MSC 也根据其获取的最新信息请求更新数据库的部分数据。,8,VLR 和 HLR,访问用户位置寄存器（VLR） VLR 中存放的是MSC管辖范围内的用户的相关信息。VLR负责用户的位置登记和位置信息的更新，MSC根据用户在VLR中登记的位置，对其发起寻呼。VLR中的数据是临时的（只有用户在其服务区内时，VLR中才保留该用户的数据）。 归属用户位置寄存器（HLR） HLR是GSM系统的中央数据库，存储着该HLR控制区内所有用户的相关数据。一个HLR可以控制一个或者若干个VLR。HLR 中存储着该HLR控制区内所有移动用户的静态和动态数据，保证每个入局呼叫都能按最新的路径信息接续至被叫用户。,9,AUC、EIR 和 OMC,鉴权中心（AUC） AUC中存储着鉴权算法和加密密钥，用来防止非法用户接入系统，并保证通过无线接口进行通信的用户数据的安全。 移动设备识别寄存器（EIR） EIR中存储着移动设备的国际移动设备识别码IMEI，分别列出准许使用的、失窃不准使用的、出现异常需要监视的移动设备。AUC根据MSC的要求检查IMEI，确保入网设备不是被盗用的或者故障设备。但这一设备在真正运营的网络中未使用。 运营与维护中心（OMC） OMC 用于对 GSM 系统进行集中操作与维护，允许远程接入对系统进行运行维护和管理，并提供和高层网络管理中心（NMC）之间通信的接口。,10,蜂窝移动通信系统,早期的移动通信系统在中心区域设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发送到整个覆盖地区(半径可达几十千米)。这种系统的主要矛盾是它同时提供给用户使用的信道数有限，满足不了移动通信业务迅速增长的需要。例如在20世纪70年代于纽约开通的IMTS (Improved Mobile Telephone Service)系统(如图2所示)，仅能提供12对信道。,图2 大区覆盖,11,蜂窝移动通信系统,蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域(Cell, 在蜂窝系统中称为小区)，各小区均用小功率的发射机(即基站发射机)进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满(即覆盖)任意形状的服务地区，如图3所示。,图3 小区覆盖,12,通常相邻小区不允许使用相同的频道，否则会发生同道干扰。但由于各小区在通信时所使用的功率较小，因而任意两小区只要相互之间的空间距离足够大，即使使用相同的频道，也不会产生显著的同道干扰。为此，把若干相邻的小区按一定的数目划分成区群(Cluster), 并把可供使用的无线频道分成若干个频率组，同一区群内各小区均使用不同的频率组，而任一小区所使用的频率组，在其它区群相应的小区中还可以再用，这就是频率再用，如图4所示。,蜂窝移动通信系统,图4 蜂窝系统的频率再用,13,蜂窝移动通信系统,通常在一个大型蜂窝网移动电话系统中，有若干个移动电话交换局，也称作移动交换中心(MSC)，这种网络系统常称作公共陆地移动网(PLMN)。每一个MSC均与公用电话交换网(PSTN)和所属基站(BS)连接，如图5所示。,图5 蜂窝网移动电话系统结构,14,图6是蜂窝移动通信系统的示意图。图中七个小区构成一个区群，小区编号代表不同的频率组。 移动交换中心MSC是蜂窝网控制中心，它不仅具有一般程控交换机所具有的交换、控制功能，还具有适应移动通信特点的移动性管理功能，以完成移动用户主呼或被呼所必需的控制。 每个移动用户在其常驻地的MSC经过登记注册即可入网，称为本地用户。当移动台进入另一个移动电话交换局所管辖区时，该移动电话交换局称为被访问移动电话交换局，来访的移动用户称为漫游用户。,图6 蜂窝移动通信系统示意图,蜂窝移动通信系统,15,11.1.1 移动交换机一般结构,常用的MSC/VLR综合式移动交换机结构如图7所示。,数字交换网络,DTM,HLR,主存,CPU,VLR,BSI,DTM,TCSM,IWF,TGN,NSI,至BS,图7 MSC/VLR综合式移动交换机的基本结构,16,11.1.1 移动交换机一般结构,和固话网程控交换机相比，其结构上的差异为： 增设基站信令接口BSI和网络信令接口NSI。BSI传送与移动台通信的信息，以及基站控制和维护管理信息；NSI向PLMN其它网络部件传送移动用户管理、频道转接控制、网络操作维护管理等信息。这些通道与话音传输通路是分开的。 增设HLR、VLR数据库。 撤除用户级设备。 增设码型变换和子复用设备TCSM（可选）。 增设网络互通单元IWF （可选）。在GSM系统与PSTN系统的接口处可设置此设备，用于两个系统之间信号的转换。,17,11.2 移动交换技术,移动交换机除了具备一般交换机的功能外，还具备如下的特定功能： 移动用户接入处理：对于MS主叫，不存在用户线扫描、拨号音发送和收号等处理过程。MS接入和发号通过无线接口信令一次性完成。 信道分配 路由选择 切换：交换机在用户进入通信阶段后继续监视业务信道，必要时进行切换，以保证通信的连续性。 移动计费,18,无论何时，当某一移动用户在接入信道上向另一移动用户或有线用户发起呼叫，或者某一有线用户呼叫移动用户时，移动通信网络就要按照预定的程序开始运转。网络要为用户呼叫配置所需的控制信道和业务信道，指定和控制发射机的功率，进行设备和用户的识别和鉴权， 完成无线链路和地面线路的连接和交换，最终在主呼用户和被呼用户之间建立起通信链路，提供通信服务。这一过程称为呼叫接续过程，提供移动通信系统的连接控制(或管理)功能。,网络的控制与管理,19,移动台开机后的工作,当MS开机后，它将在GSM网中对自己进行初始化，从网络中获得自身的位置、小区配置、网络情况、接入条件等信息。 小区选择：MS有一个小区选择算法，用于确定最好的有效小区，可以手工或自动确定有效GSM网。有几个因数如MS收到的信号强度、位置区域和MS的功率等级等都可用于小区选择的确定。 一旦选择了有效的GSM网，MS就可选择登录的小区。 建立通信链路：通信链路的建立程序由MS调谐到随机接入信道RACH上发出信道请求信息，然后转到接入许可信道AGCH，等待来自网络的响应。BTS收到信道请求后，便增加有关传输时延的信息一起传输给BSC。BSC能够通过比较时延进行赋值。,20,呼叫过程：图8 移动台主呼,21,呼叫过程：图9 移动台被呼,22,图10 移动用户呼叫释放过程,23,11.4 自动漫游技术,位置登记：所谓位置登记，就是移动用户通过反向控制信道向移动交换机报告它的当前位置，如果位置发生变化，新的位置信息就由移动交换机通知HLR登录，系统可以动态跟踪移动用户，实现对漫游用户的自动接续。 位置登记有如下三种方式： 始呼登记：当移动台发起一次呼叫时，移动交换机在处理呼叫接续的同时，自动执行一次位置登记过程； 定时登记：移动台在MSC的控制下周期性的发送位置登记消息。定时登记不但可以跟踪漫游用户的位置，而且还可以监视移动台的工作状态。 强迫登记：当移动台由一个移动交换机业务区域进入另一个移动交换机业务区域时，将自动向新的访问交换机发出登记消息。,24,位置登记,现举例说明位置登记的过程，如图5所示。假定MS在BSB4小区，这时的位置登记过程如下； MS通过BSB4向MSCB报告（即进行位置登记）； 被访MSCB根据MS的原籍区号及用户识别码等，找到原籍MSCA的原籍位置寄存器进行咨询，查出该用户识别码，并把给MS的新区位置号存入原籍位置寄存器（在原籍MSCA中）。 与此同时，位置信息也在被访问MSCB的被访问位置寄存器中存入，以备MS被呼时使用；,25,图11 位置登记示意图,26,路由重选,路由重选方法有两种： 原籍局重选：无论漫游用户现在何处，一律先接至其原籍局H-MSC，然后再由原籍局查询数据库，获得漫游用户的当前访问交换局，再次选路至被访局V-MSC。 网关局重选：不论移动用户的原籍局在哪里，主叫用户首先将此呼叫接至与之最近的一个网关局G-MSC，由它查询HLR数据库，完成至被访局V-MSC的话路接续。目前我国数字移动网采用网关局重选法。,27,11.5 切换技术,在移动台通话期间，系统必须由基站或移动台对无线传输质量进行在线跟踪监视。一旦发现无线信号或传输质量发生变化时，就必须采取一些措施，如功率控制、越区切换和呼叫释放等措施。在模拟蜂窝电话系统中设置检测（SAT）信杂比和无线频率（RF）信号强度来反映通话质量，如图3和图4所示。在数字蜂窝GSM系统中，检测的项目更多，并由基站和移动台双方同时进行。基站完成当前服务区的上行信号质量和信号强度的检测，而移动台则进行下行信号质量和信号强度的检测。,28,图12 储存在话音信道控制单元中的信噪比门限值,29,图13 储存在话音信道控制单元中的射频信号强度,30,越区切换,当移动用户在蜂窝服务区中移动时，一次通话时间内可能跨越多个小区，这时需要进行越区切换，其控制机理如下：当通信中的移动台到达小区边界时，该小区的基站检测出此移动台的信号正在逐渐变弱，而邻近小区的基站检测出这个移动台的信号正在逐渐变强，系统收集来自这些有关基站的检测信息，进行判决，当需要实施越区切换时，就发出相应的指令，使正在越过边界的移动台将其工作频率和通信链路从离开的小区切换到进入的小区。整个过程自动进行，用户并不知道，也不会中断行进中的通话。越区切换的示意图见图14。,图14 越区切换示意图,31,越区切换,越区切换（Handover或Handoff）是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。该过程也称为自动链路转移ALT（Automatic Link Transfer）。 越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的情况下，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路。,32,越区切换,越区切换包括三个方面的问题： 越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换：相对信号强度准则、具有门限规定的相对信号强度准则等； 越区切换如何控制：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。 越区切换时信道分配：越区切换时的信道分配是解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道，使得越区失败的概率尽量小。常用的做法是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。,33,越区切换,越区切换功能包括信道监视、信道测量、切换控制和切换接续4个子功能。 前两个子功能主要用来触发切换和选择切换目标小区，在数字系统中由BS和MS合作完成（GSM系统采用了移动台辅助切换的方法，将测量功能交给移动台去完成）；后两个子功能由MSC完成。 属于同一BSC范围的小区间切换由BSC控制，无需MSC介入，仅不同BSC之间的切换需由MSC控制。 研究越区切换算法所关心的主要性能指标包括：越区切换的失败概率、因越区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以及越区切换发生的时延等。,34,图15 越区信道切换过程,