第四章--移动通信-1课件

第四章第四章 公共陆地移动网公共陆地移动网2024/7/17现代通信网 公共陆地移动网（PLMN，Public Land Mobile-communication Network）是目前世界上发展最快、应用最广和最前沿的通信网络之一。近年来，我国移动通信发展迅猛，第二代移动通信（2G）方兴未艾，第三代移动通信（3G）的热潮又滚滚而来。本章主要通过GSM、GPRS介绍移动网络的组成及信令协议等。2024/7/17现代通信网 第一节第一节 第二代移动通信网第二代移动通信网 GSM系统系统 GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。主要采用时分多址技术（TDMA），即每一个频点上分为8个时隙，每个时隙为一个信道供一个用户使用。2024/7/17现代通信网图4.1 GSM系统框图2024/7/17现代通信网PLMNPublic Land Mobile NetworkQ.1000系列建议对PLMN的结构、接口、功能等及公用电话网的互通作了规定综合式综合式：MSC，HLR，VLR位于同一物理设备中，即移动交换机具有登记器的功能部分分离式部分分离式：NSC，VLR位于同一设备中，HLR单独，较多使用。完全分离式完全分离式：MSC，HLR，VLR均为独立物理实体。HLR，VLR为独立的网络数据库，控制移动业务的处理，MSC则完成单纯的话路接续任务，与智能网结构一致，MSP相当于SSP（业务交换点）2024/7/17现代通信网 GSM帧结构图GSM帧结构2024/7/17现代通信网1个帧=8个时隙，帧长为4.61ms1个业务复帧=26个帧，帧长为120ms1个控制复帧=51个帧，帧长为235.4ms1个超帧=51个业务复帧=26个控制复帧 帧长为51X26X4.615=6.12s 1个超高帧=2048个超帧=2715648个帧 帧长为2048X6.12=3h28min53.76sGSM帧结构帧结构2024/7/17现代通信网图4.3 900MHz 频段频率分配GSM系统参数2024/7/17现代通信网3GSM系统参数 工作频段：移动台发送频段（上行）为890915MHz；基站发送频段（下行）为935960MHz；频段具体分配情况，如图4.3GSM的双工间隔为93589045MHz。考虑到双工工作方式，实际工作频段为（915890）250MHz。对于两个频率的间隔称为双工间隔，相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用TDMA方式，分为8个时隙，也可以认为每信道占用带宽200kHz/825kHz。2024/7/17现代通信网 频道配置（采用等间隔配置方法），900MHz频段的频道序号（n1124）和频道标称中心频率的关系为：f l(n)890.200MHz(n1)0.200MHz （移动台发）f h(n)f l(n)45.000MHz （基站发）2024/7/17现代通信网 调制方式：采用高斯滤波的最小频移键控（GMSK）方式。发射功率：对于基站，每载波为500W，其中每时隙平均功率为62.5（500/8）W；对于移动台每载波（峰值）发射功率。通常，GSM基站的发射功率在42W左右，移动台的发射功率在2W左右。表4.1给出了不同频段MS最大发射功率的典型值。2024/7/17现代通信网表4.1 不同频段MS最大发射功率的典型值CLASSGSM900GSM1800GSM19001-1W（30dBm）1W（30dBm）28W（39dBm）0.25W（24dBm）0.25W（24dBm）35W（37dBm）4W（36dBm）4W（36dBm）42W（33dBm）50.8W（29dBm）2024/7/17现代通信网 小区半径：通常对于农村，最大半径为35km；城市，最小半径为500m。时间提前量（TA）：是根据对移动台传输时延的测量而设定的，其作用是使远离基站的移动台提前发送其指定的时隙信息，以补偿传输时延，并保证在区内不同位置的移动台在不同时隙发出的信号抵达基站时不会发生交叠和冲撞。2024/7/17现代通信网 TA023ms，该值直接影响到小区的无线覆盖，GSM小区的无线覆盖半径最大为35km，这是由GSM时间前提量的编码是在063之间决定的，基站最大覆盖半径为3.7s/bit63bit（3108）m/s235km 其中，3.7s/bit为每个bit时长；63bit为时间调整的最大比特数；（3108）m/s为光速。如果采用扩展小区技术，基站的最大覆盖半径为3.7s/bit（63156.25）bit（3108）m/s2120km2024/7/17现代通信网 综上，1bit对应的距离是554m，精确度为0.25bit（即138.5m）。表4.2给出了TA值所对应的距离和精确度。由于多经传播和同步精确的影响，两个在同一位置接收同一小区信号的移动台对TA测量的差异，可能会达到3bit左右（1.6km）。2024/7/17现代通信网表4.2 TA值所对应的距离和精确度TA距离（m）精确度（推荐值）0055425%15541 10812.5%21 1081 6626.1%31 6622 2163.1%6334 90235 4560.4%2024/7/17现代通信网 二、二、CDMA 不分时隙和频段，是用各不相同的编码序列（地址码）来区分的。用时域，频域来观察，CDMA是相互重叠的，接收机可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号，而其它使用不同码型的信号不能被解调。由于重叠原因，存在多址干扰问题，限制了容量的发展，但与TCMA比具有更大的通信容量。2024/7/17现代通信网图4.4 CDMA网络参考模型2024/7/17现代通信网 其中，MSC：移动交换中心、HLR：归属位置寄存器、VLR：拜访位置寄存器、AC：鉴权中心、MC：短消息中心、SME：短消息实体、PSTN：公用交换电话网、MS：移动、EIR：设备识别寄存器、BS：基站系统、OMC：操作维护中心、IWF：互连功能。2024/7/17现代通信网 “软容量”或“软过载”特性。在短时间内可提供更多的信道数。可适当降低系统的的误码性能，提高系统的用户数目。“软切换”功能。过去切换初始，只止移动台与新基站通信连接后，才与原基站断开。采用话音激活技术，提高系统通信质量。以扩频技术为基础，具有扩频的优点，如抗干扰.抗多径衰落和具有保密性等。CDMA技术2024/7/17现代通信网 CDMA系统给每一用户分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码。通知该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码，并恢复出原始数据。CDMA按照其采用的扩频调制方式的不同，可以分为直接序列（DS）扩频、跳频（FH）扩频、跳时（TH）扩频和复合式扩频。CDMA网络参考模型定义了网中的功能实体和相互间的接口，如图4.4所示。从图中可看出CDMA网络参考模型与GSM网相似。2024/7/17现代通信网 功率控制示意图2024/7/17现代通信网图4.5 PLMN网络区域划分2024/7/17现代通信网 图4.6 PLMN三级网络结构2024/7/17现代通信网三、三、PLMN蜂窝小区蜂窝小区：r=1几十公里，每个小区分配一个信道。基站区基站区：一个基站管辖的区域。全向天线：一基站含一小区；扇型天线：一基站含数小区。位置区位置区：可有若干个基站区组成，在一同位置区移动不必进行登记。移动交换业务区移动交换业务区：一个MSC管辖，一个公共移动网含多个业务区。服务区服务区：若干个相互连网的PLMN覆盖区组成，此区内，可以漫游。系统区系统区：同制式的移动通信覆盖区，在此区域Um接口技术完全相同。2024/7/17现代通信网移动网络结构移动网络结构由移动交换中心（MSC）、基站（BS）和移动台（MS）组成移动通信网络结构一个系统区由若干个服务区组成一个服务区由若干个陆地移动通信网（PLMN）组成一个PLMN由一个或若干个MSC组成一个MSC由若干个位置区组成一个位置区由若干个BS组成一个基站由若干个蜂窝小区组成2024/7/17现代通信网 移动通信是在指定的频段上设计而成的，公共陆地移动网大多采用800MHz和900MHz频段，少数采用450MHz频段；欧洲推出DSC的数字系统采用1800Hz频段。目前大容量移动通信系统均使用900MHz频段，频率分配如图4.6所示。2024/7/17现代通信网 4.6 MS-PSTN示意图2024/7/17现代通信网 移动台发号，向基站发出“初试接入”。基站将移动台试呼叫消息转送给移动交换机。移动交换机根据IMSI检索用户数据，判断是否有权此类呼叫。若有权，分配空闲业务信道。基站开启该波道射频发射机，并向移动台发送“初始业务信道指配”消息。MS-PSTN2024/7/17现代通信网移动台收到此消息后，即调谐到指定波道，并按要求调整发射电平。基站确认业务信道建立成功后，将此消息通知移动交换机移动交换机分析被叫号码，选定路由，建立与PSTN交换局的中继连接。若被叫空闲，终局回送指示消息（如ACM），同时经话路返送回铃音。被叫摘机后与移动用户通话。2024/7/17现代通信网例4.2 如果固定电话呼叫移动台（PSTNMS），如图4.8所示，试分析其接续其过程。图4.8 固定台呼叫移动台示意图 2024/7/17现代通信网图4.9 由不同MSC控制的小区间切换示意图2024/7/17现代通信网 BSC-A根据MS的测量报告，将切换目标小区标志和切换请求通过BTS-A发至MSC-A。MSC-A向管辖目标小区属另一个MSC-B发送“无线信道请求”消息。MSC-B指示BSC-B，分配一个业务信道（TCH），给MS切换使用。BSC-B向BTS-B发送一个TCH。MSC-B收到BSC-B发送的“无线信道证实”后，告知MSC-A已分配的信道号。一个新的连接在MSC-A，MSC-B间建立（建立过程有可能要通过PSTN）。2024/7/17现代通信网 MSC-A通过BSC-A向MS发送切换命令，其中包括频率、时隙和发射功率等。MS切换到新的业务信道上，在新频率上发送信息告知BTS-B（通过FACCH）。BTS-B收到相关信息后，送时间提前量（TA）信息（通过FACCH）。MS通过BSC-B和MSC-B向MSC-A发送换成功信息 后，MSC就会通知BSC-A释放原来的业务信道，但MSC-A不会撤出控制，新的连接仍然要经过MSC-A。2024/7/17现代通信网 第二节第二节 移动通信协议与信令移动通信协议与信令 移动通信协议与信令是关系到能否正常通信的关键技术。本节主要围绕GSM系统介绍移动信令技术，包括3个部分的信令，即无线接口、基站接口以及网络接口，并涉及到No.7信令应用层的MAP、BSSAP和INAP等部分。对于基站的内部接口A-bis，这里不作重点介绍。2024/7/17现代通信网图4.10 无线链路接口的分层2024/7/17现代通信网图4.11 无线信道的分类2024/7/17现代通信网 表4.3列出了GSM无线信道的传输方向，为了节省无线资源，常常将表中的某几个信道进行合并，共占一个物理信道。是常用的3种组合方式：TCHFACCHSACCH、BCHCCCH和SDCCHSACCH。表4.4列出了不同速率的语音和数据业务信道。表4.5给出了MS至MSC/VLR所有链路层所采用的协议。2024/7/17现代通信网表4.3 GSM无线信道信 道 名缩 写方 向信 道 名缩 写方 向业务信道TCHMSBS随路接入信道RACHMSBS快速随路控制信道FACCHMSBS寻呼信道PCHMSBS广播控制信道BCCHMSBS接入准许信道AGCHMSBS频率校正信道FCCHMSBS独立专用控制信道SDCCHMSBS同步信道SCHMSBS慢速随路控制信道SACCHMSBS2024/7/17现代通信网表4.4 业务信道 信 道 名 称语音业务/数据业务速率（kbit/s）TCH/FS全速率语音信道13TCH/HS半速率语音信道5.6TCH/F9.6全速率数据信道9.6TCH/F4.8全速率数据信道4.8TCH/H4.8半速率数据信道4.8TCH/H2.4半速率数据信道2.4TCH/F2.4全速率数据信道2.42024/7/17现代通信网表4.5 MS至MSC/VLR所有链路层所采用的协议接 口链路层协议MS-BTSLAPDm（GSM特有）BTS-BSCLAPD（由ISDN修改）BSC-MSCMTP，第2层（SS7协议）MSC/VLR（HLR-SS7）MTP，第2层（SS7协议）2024/7/17现代通信网图4.12 信令层消息结构2024/7/17现代通信网表4.6 无线接口上的协议鉴别器协议鉴别器功 能起点/终点CC，SS呼叫控制管理和附加业务管理MSMSC（HLR）MM位置管理和安全管理MSMSC/VLRRR无线资源管理MSBSC2024/7/17现代通信网 例4.4 根据图4.13所示，说明去话呼叫信令的建立过程。解：MS通过RACH向网络侧发“信道请求”消息，申请一个信令通道。这时，基站经AGCH回送一个“立即分配”消息，指配一个专用信令通道SDCCH。移动台通过SDCCH发送“CM服务请求”消息，要求CM实体提供服务。CM连接是在RR和MM连接的基础上完成的，所以接下来必须提供MM、RR过程。执行用户鉴权（MM过程），再执行加密模式设定（RR过程），如不加密，则网络侧发出“加密模式命令”消息，指示“不加密”。2024/7/17现代通信网 MS发出“呼叫建立”消息，指明业务类型、被叫号码等。网络启动选路进程，同时发回“呼叫进行中”消息。这时，网络分配一个业务信道供以后传送用户数据。此RR过程包含两个消息，即“分配命令”和“分配完成”。“分配完成”消息已在新指配的TCH/FACCH信道上发送，其后的信令消息转入经由FACCH发送，原先分配的SDCCH释放，因为开始通话前占用一下TCH是可以的。当被叫空闲且振铃时，网络向MS送被叫“振铃”消息，MS可听回铃音。被叫应答后，网络发送“连接”消息，MS回送“连接证实”消息。此时，FACCH完成任务，将信道回归TCH，进入正常通话状态。2024/7/17现代通信网图4.13 去话呼叫建立信令的过程2024/7/17现代通信网 A接口承载有BSC至MSC之间的消息，以及MS至MSC之间的消息类型，如提到过的CC或MM消息。这两种信息流合称为BSSAP（BSS应用部分），具体地说可分别称为BSSMAP（BSS管理单元）和DTAP（直接传送应用单元）。除此之外，BSSMAP还要区分面向MS和面向BSC连接这两种消息，是采用No.7信令作为消息传送协议，其信令结构如图4.14所示。2024/7/17现代通信网图4.14 A接口信令结构模型 2024/7/17现代通信网 通过以上对无线接口信令、基站接入信令的叙述，可以将它们各自对应的接口（即Um接口、A-bis接口和A接口）从用户侧MS到移动交换中心MSC，连接在一起进行分析，如图4.15所示。图中虚线表示协议对等层之间的逻辑连接。2024/7/17现代通信网图4.15 GSM信令协议模型2024/7/17现代通信网图4.16 GSM系统的No.7协议层2024/7/17现代通信网 在MS作主叫时，如图4.17（a）所示，BSC首先发出连接业务请求信息（CM）到MSC，MSC发出连接证实消息（CC）到BSC，并向BSC发出指配请求消息（AR）；BSC进行空间信道分配，分配成功后，向MSC发送指配完成（AC消息，MSC收到分配完成的消息后，向其他交换机分配陆地电路，并进行连接通话；当通话完毕后，主叫MS通过BSC向MSC发送拆线请求（CR），MSC向BSC发出拆线命令（CC），最后拆线完毕。A接口信令流程在MS作主、被叫时基本一样，不同的是MS在作被叫时多了交换机发出的寻呼请求（PR），MS通过BSC作出寻呼响应（PR）的流程。MS作被叫时，如图4.17（b）所示。2024/7/17现代通信网图4.17 A接口呼叫流程2024/7/17现代通信网 MSC之间互联互通的信令流程如图4.18（a）所示，为被叫先挂机。主叫MSC在接收到BSC送来的信道分配完成的消息后，发送IAI消息至被叫MSC，被叫BSC回送ACM消息至主叫MSC，在被叫用户接通后，被叫MSC发送ANC消息至主叫MSC，被叫拆线时，被叫MSC发送CBK至主叫MSC，主叫MSC回送CLF至被叫MSC，最后被叫MSC发送RLG。主叫先挂机则信令流程减去了CBK流程，如图4.18（b）所示，其他流程与被叫先挂机流程相同。2024/7/17现代通信网图4.18 MSC互联互通流程图 2024/7/17现代通信网 编码方案编码方案 24bit、14bit信令点编码方案，如表4.7所示。24bit信令点编码：主信令区为各省公用网分配的编码，编码容量为256；分信令区是从No.7信令网分信令区编码启用的FF和FE，FF为主用，FE为备用；信令点是按高五低三比特位的使用原则，如表4.8和表4.9所示。14位信令点编码：主信令区分配到各省、自治区、直辖市；分信令区和信令点的编码分配原则如表4.10和表4.11所示。2024/7/17现代通信网表4.7 信令点编码格式24bit信令点编码14bit信令点编码8bit8bit8bit5bit5bit4bit主信令区分信令区信令点主信令区分信令区信令点编码方案2024/7/17现代通信网表4.8 信令点编码高5比特的使用原则SP高5比特分 类容 量00000一级汇接局每省8个0000100010二级汇接局每省16个00011l11111直辖市的汇接局省、自治区的地区或市每省298个2024/7/17现代通信网表4.9 信令点编码低3比特的使用原则SP低3比特分 类容 量000HLR/AUG1（地区，市）001110MSC/VLR6（地区，市）111EIR1（地区，市）2024/7/17现代通信网表4.10 14bit分信令区编码分配分 信 令 区分 类容 量00000一级汇接局每省16个00001二级汇接局每省16个00010l11111直辖市的汇接局省、自治区的地区或市每省3016个2024/7/17现代通信网表4.11 14bit信令点编码信令点编码分 类容 量0000HLR/AUG1（分信令区）0001EIR1（分信令区）00100101MSC4（分信令区）0111BSC10（分信令区）2024/7/17现代通信网表4.12 GSM网内各子系统编号子 系 统编 号HLR00000110VLR00000111MSC00000100EIR00001001AUG000010102024/7/17现代通信网 第三节第三节 GPRS网络结构与协议网络结构与协议 GPRS（General Packet Radio Service）的产生满足了移动数据业务的需求。GPRS是在现有GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输业务，在有GPRS承载业务支持的标准化网络协议的基础上，GPRS可以提供一系列交互式业务。2024/7/17现代通信网 GSM只能提供基于电路交换的9.6kb/s的数据业务;GSM推出了两种高速移动数据业务:高速电路交换数据业务(HSCSD)和通用分组无线业务(GPRS).HSCSD采用无线链路的多时隙技术,可以同时利用多个时隙建立链路,最多可以同时用到6个时隙(64kbit/s).2024/7/17现代通信网 GPRS是GSM Phase2.1规范实现的内容之一,采用与GSM相同的频段频带宽度突发结构无线调制标准跳频规则和帧结构是基于现有的GSM网络网络来实现的,容许终端在端到端分组交换的模式下完成数据业务的收发 适合于间断的多发型的和频繁的少量的数据传输,也适合于偶尔的大数据量传输2024/7/17现代通信网图4.19 GPRS网络基本组成 2024/7/17现代通信网 在在GSM上构建上构建GORS时需要的功能模块时需要的功能模块主要包括主要包括:1.GPRS交换设备有网关支持节点GGSN和业务支持节点SGSN及域名服务器DNS计费网关CG和边界网关BG等.GGSN:Gata GPRS Supporting Node SGSN:Serving Support Node 2.GPRS基站子系统附加设备:增加硬件设备PCU(Packet Control Unit)3.原HLR,VLR,MSC,SMS-GMSC,SMS-IWMSC等要升级支持GPRS2024/7/17现代通信网 GPRS的主要特点 在整个连接期内,为电路交换模式,用户占用独立的无线信道,使其“永远在线”;在数据发/收时,引入分组交换传输模式,无线信道的灵活调用;计费按流量支付.最多可有8个时隙组合在一起,给用户提供171.2kbit/s的带宽;无线接口资源在语音业务和数据业务共享,上行链路和下行链路的分配是独立的.2024/7/17现代通信网 每个用户可以有多个无线信道,而同一信道又可以由多个用户使用;采用了与GSM不同的四种信道编码方案,每个用户可达到9-150kbit/s的比特;支持IP协议和X.25协议;短消息业务(SMS)也可以通过GPRS无线信道传输;接入时间短(小于1s);支持突发数据传输(0.5-1s恢复数据的重新传输);安全功能与GSM同相同.2024/7/17现代通信网 SGSN是移动台和GSM网络的接口,是GSM网络中的一个节点,与MSC网络体系中的同一层.GGSN是连接GSM网络和外部分组交换网的网关,是通过基于IP协议的GPRS骨干网连到SGSN.GPRS的服务支持节点网关支持接点使用户能够在端到端分组模式下发/收数据.它们利用GPRS隧道协议(GTP)对IP或X.25进行封装,实现传输.2024/7/17现代通信网GPRSGPRS主要实体及功能主要实体及功能 1 SGNG:记录移动台的当前位置消息,并在移动台和SGSN之间移动分组数据的收/发;向MSC/VLR发送定位消息和接收来自MSC/VLR的寻呼请求;对MS进行服务。其功能：鉴权、加密、计费、维护SGSN PDN（分组数据地址）上下文提供寻路功能等。2 GGNS：起网观关作用，它可以和多种不同的数据网络相连，如ISDN、PSPDN、LAN、DDN、ATM、以太网等等，也就是说可以对移动网中的数据包进行协议转换后送往数据网，一般连接到TCP/IP或X.25网络。其功能：选路由、分配IP地址、协议转换、计费等。2024/7/17现代通信网 3 PDN：提供数据分组的外部网络。注意：接入不同的网络采用不同的分组数据协议地址（PDP地址），如接入IP网时采用不同的IP地址，接入X.25/X.75网时采用X.121地址等。4 HLR：在HLR中含有GPRS数据和路由信息。SGSN或GGSN都可访问。对漫游MS来说，HLR可能位于不同位置的移动网中。5 SMS-GMGS和SMS-IWMSC：分别指短消息业务网关和互通移动交换中心，与SGSN相连，使GPRS MS 通过GPRS通过无线信道收/发短消息。2024/7/17现代通信网 6 MSC/VLR：用于GPRS与其他GSM业务进行配合时使用MSC/VLR。如利用GPRS实现电路交换业务的寻呼，GPRS与GSM联合进行位置更新等。这时，MSC/VLR存储的有移动用户识别码IMSI和附著在GPRS和GSM电路业务上的MS的SGSN编号。7 GPRS-MS：有三类。A类（class-A）操作模式：同时运行GPRS和GSM服务。B类（class-B）操作模式：同一时刻只运行一种。C类（class-C）操作模式：只运行GPRS服务。2024/7/17现代通信网 PCU的实现方式2024/7/17现代通信网 通过MSC采用半永久连接方式2024/7/17现代通信网图4.20 由用户发起的释放过程2024/7/17现代通信网图 4.21 GPRS协议结构2024/7/17现代通信网 在GPRS骨干网中IP分组被用来传送GTP分组。这样GTP分组含有用户分组，或者说用户分组被嵌入到GTP分组，即“容器”中传输。如图4.21所示。2024/7/17现代通信网4.23 GGSN与MS之间的传输2024/7/17现代通信网图4.24 GPRS网络规划的流程2024/7/17现代通信网表4.13 GPRS用户估算TRX数可用TCH信道数语音业务话务量（Erl）GoS=2%GSM用户数0.03Erl/用户GPRS用户数172.9969.62148.227327.332214.8549549.543021.97307353829.1597197.164636.51 216121.675443.951 465146.586251.51 716171.62024/7/17现代通信网