GSM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡介

1、GSM 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡介GSM系統(tǒng)的出現(xiàn)GSM的全稱是Global System for Mobile communications。由于歐洲移動通信發(fā)展迅速，出現(xiàn)了不同制式的移動通信系統(tǒng)，互相之間不兼容，帶來了不便。為解決這一問題，歐洲各國共同制定了統(tǒng)一的GSM移動通信標準，GSM系統(tǒng)在歐洲的全面采用，使GSM移動用戶可以在各國之間漫游GSM的諸多優(yōu)點也使得它在全球范圍內(nèi)被采用。使用標準開放式接口模擬系統(tǒng)的接口是不公開的，也就是說如果網(wǎng)絡(luò)運營商采用了某廠家的交換機后，也必須使用該廠家的基站。GSM系統(tǒng)不同于其他模擬系統(tǒng)的一個重要之處是它采用標準開放式接口和統(tǒng)一的協(xié)議，如：C7、X.25、G.

2、703、LAPB、LABD等。這樣可以將不同廠家的設(shè)備配合起來使用，一方面增強生產(chǎn)廠家之間的競爭，降低設(shè)備價格，另一方面，網(wǎng)絡(luò)運營商選用設(shè)備時有了更大的靈活性。C-450PORTUGALGERMANYNMTRADIOCOM 2000TACSRTMSFRANCEDENMARKNETHERLANDSSWITZERLANDFINLANDNORWAYSPAINAUSTRIAU.KITALY 解決兼容性注：此圖摘自CP02SWEDENGSM Network Components and Architecture GSM網(wǎng)絡(luò)組成和結(jié)構(gòu)概述 對面圖所示的是一個簡化的GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，每種組件只出現(xiàn)了一次

3、，實際中很多組件可能出現(xiàn)多次。 圖中各種組件之間通信即采用GSM規(guī)定的標準接口。GSM系統(tǒng)應(yīng)該包含以下幾個部分：移動臺MS（The Mobile Station）移動用戶實際看到和使用的部分，如移動電話、傳真機等，它包括移動設(shè)備ME（Mobile Equipment）和SIM卡（Subscriber Identity Module）基站系統(tǒng)BSS（The Base Station System）提供移動臺和陸地交換設(shè)備之間的無線接口，包括XCDR(Transcoder)，BSC(Base Station Controller)和BTS(Base Transceiver Station)網(wǎng)絡(luò)交換

4、系統(tǒng)（The Network Switching System） 由移動業(yè)務(wù)交換中心MSC（Mobile Service Switching Centre）和相關(guān)的數(shù)據(jù)庫實體等組成，提供話音或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的交換以及信令的處理。另外提供GSM網(wǎng)絡(luò)到PSTN的接口。操作維護系統(tǒng)（The Operation and Maintenance Subsystem）完成對整個網(wǎng)絡(luò)的操作維護。 GSM Network ComponentsNetwork Switching SystemOperation andMaintenance SystemNMCVLRAUCHLROMCEIRMSCIWFECPSTNBSS

5、XCDRMEBSCSIMMSBTSPLMN注：此圖摘自CP02移動臺MS移動臺由兩部分組成：移動設(shè)備ME和SIM卡移動設(shè)備移動設(shè)備是移動用戶實際所使用的硬件設(shè)備，它用來接入GSM網(wǎng)絡(luò)，可能是電話或傳真機等。主用有三種：車載式，便攜式，手持式。每一個移動設(shè)備都有一個唯一的、永久的IMEI（International Mobile Equipment Identity）號來識別它。SIM卡SIM（Subscriber Identity Module）是一張用來識別移動用戶身份的智能卡，每一張SIM卡對應(yīng)一個IMSI（International Mobile Subscriber Identity）

6、號。需要將SIM卡插入移動設(shè)備，才能使用，沒有SIM卡的移動設(shè)備只能做緊急呼叫。計費時則是根據(jù)移動用戶來計費，并不根據(jù)所使用的設(shè)備或位置計費。移動設(shè)備可從商店購買，但SIM卡只能從網(wǎng)絡(luò)運營商處獲得。 SIM卡還完成用戶身份鑒權(quán)算法。SIM卡存的信息SIM卡內(nèi)所存的信息主要有：IMSI：用來唯一的識別移動用戶，只在初始化時，在空間信道發(fā)送TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity)：用來暫時性識別移動用戶的號碼，系統(tǒng)會周期性的改變TMSI，移動用戶初次呼叫或登記時，需在空間信道發(fā)送IMSI號，系統(tǒng)收到后給該移動用戶分配一個TMSI號，在接下來的呼叫中用該T

7、MSI號來識別這個移動用戶，經(jīng)過一定的時間或一定次數(shù)的呼叫后，系統(tǒng)會重新給該移動用戶分配一個TMSI號。這樣減少了IMSI號被截取的可能，有效的防止了盜機。LAI(Location Area Identity)：GSM系統(tǒng)將基站的無線覆蓋區(qū)域，在地理上劃分成多個位置區(qū)，每個位置區(qū)對應(yīng)一個LAI，SIM卡內(nèi)所存的LAI指示了當(dāng)前移動用戶所在的位置。Ki(Subscriber Authentication Key):用戶鑒權(quán)密鍵，用于IMSI身份鑒別。MSISDN(Mobile Station International Services Digital Network):移動用戶的電話號碼。 除

8、了上面的這些主要信息以往，SIM卡內(nèi)還存有補充業(yè)務(wù)信息、PIN（Personal Identity Number password個人密碼）等。 SIM卡所存的大多信息從SIM卡發(fā)行日起是不可讀（如Ki）和不可改的（如IMSI），另外有一些信息則是不停變化的，如LAI將隨著移動用戶所處的位置區(qū)不同而不斷變化?；鞠到y(tǒng)BSSBSS位于MSC和MS之間，通過2M E1傳輸線與MSC連接，與MS之間則通過無線接口聯(lián)系，為MS提供無線覆蓋。一個BSS包括一個BSC，一個XCDR，一個或多個BTS。BSC（Base Station Controller）:它是BSS的控制設(shè)備，控制整個BSS。XCDR(

9、Transcoder)：壓縮編碼器，壓縮話音信號，將MSC出來的64kbit/s的話音信號壓縮成13kbit/s，加上3kbit/s的填充比特后，形成16kbit/s的話音信號送到BSC，對于從BSC過來的話音信號則是一個相反的過程。 由于這個原因，所以雖然XCDR屬于BSS，但一般放在MSC邊，稱為RXCDR(Remote Transcoder),這樣可以節(jié)省傳輸線。BTS(Base Transceiver Station):無線收發(fā)信設(shè)備，提供與MS之間的無線接口。BTS受BSC控制，一個BSS可能有多個BTS。BTS與BSC之間可有多種連接方式（針對Motorola設(shè)備）：星型（Star

10、）：BTS直接與BSC相連，不經(jīng)過其他設(shè)備。菊花鏈型（Daisy Chain）：將多個BTS串接，連到BSC。環(huán)型(Loop)：將菊花鏈另一頭的BTS直接連到BSC，使多個BTS與BSC形成一個環(huán)。叉型:菊花鏈中間的某個BTS再連一個BTS，形成分支。 這些方法可以同時使用。菊花鏈環(huán)型連接星型連接BTS4BSCBTS1BTS2BTS3BSCBTS1BTS2BTS3BTS3BSCBTS1BTS2BTS2BTS3BTS1BSC叉型連接13316kbit/s16kbit/s壓縮編碼64kbit/sBTSBSCXCDRMSC網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋BSS由一個BSC帶多個BTS組成，每個BTS有一定的無線覆蓋區(qū)域

11、，同一BSS的BTS共同形成一個大的無線覆蓋區(qū)域，該區(qū)域稱為一個BSC Area。 MSC下帶一個或多個BSS，這些BSS的BSC Area共同組成一個MSC Area。MSC與BSC之間通過唯一的A接口傳信令。MSC另外提供到PSTN、ISDN、PDN等的接口。多個MSC之間可以有中繼互相聯(lián)系，多個MSC Area共同組成一個大的無線覆蓋區(qū)域。移動用戶要獲得服務(wù)，首先必須處于無線覆蓋區(qū)域內(nèi)。移動用戶通話時，通過空中信道將話音信號送到BTS，再到BSC，由BSC送到MSC交換后送到固定網(wǎng)用戶，或再通過BSC、BTS送到另一個移動用戶，反向亦然。注：此圖摘自CP02網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)完成G

12、SM網(wǎng)絡(luò)的主要交換功能和移動性管理，還包括存儲移動用戶信息的數(shù)據(jù)庫。主要功能是實現(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò)與其他電信網(wǎng)絡(luò)之間的通信。網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)由以下部分組成：MSC: Mobile Service Switching CentreHLR: Home Location RegisterVLR: Visitor Location RegisterEIR: Equipment Identity RegisterAUC: Authentication CentreIWF: Interworking FunctionEC: Echo Canceller注：此圖摘自CP02IWFAUCEIRHLRECVLRMSCPS

13、TNOperation andMaintenance SystemNetwork Switching SystemBSS The Network Switching SystemMobile Service Switching Centre MSC移動業(yè)務(wù)交換中心MSC是GSM網(wǎng)絡(luò)中處理交換與信令功能的交換機。提供到BSS和到固定網(wǎng)的接口，一個MSC一般要帶多個BSS保證無線覆蓋，一個國家一般要有多個MSC保證無線覆蓋。MSC的基本功能：Call Processing 呼叫處理包括呼叫建立，切換，移動性管理（位置登記、鑒權(quán)等）Operation & Maintenance 數(shù)據(jù)庫管理，

14、話務(wù)統(tǒng)計，Man Machine InterfaceInternetwork Interworking 網(wǎng)絡(luò)互通功能管理GSM網(wǎng)絡(luò)與PSTN之間的接口Billing 計費收集呼叫計費數(shù)據(jù) MSC與普通固定網(wǎng)交換機相比，除了要完成基本的呼叫建立與交換以功能外，還要考慮移動通信的一些特殊特性，如無線資源分配、移動用戶的移動性等，所以MSC至少還應(yīng)該能參與完成位置登記、切換等。Home Location Register HLR歸屬位置寄存器HLR是一個數(shù)據(jù)庫，存儲移動用戶相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括所有不變的數(shù)據(jù)和所有臨時的數(shù)據(jù)。一個PLMN可能需要一個或多個HLR來存儲該PLMN的所有用戶數(shù)據(jù)，所需HLR

15、數(shù)取決于整個網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)和HLR硬件設(shè)備的容量。每個用戶只在一個HLR中有一份數(shù)據(jù)，每個HLR存儲所有用戶數(shù)據(jù)的一部分。GSM網(wǎng)絡(luò)中MSC、VLR需要訪問HLR，獲得用戶數(shù)據(jù)。訪問HLR可以利用IMSI或MSISDN來查找用戶數(shù)據(jù)。HLR中存儲的信息有： 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拜訪位置寄存器VLR存儲臨時的用戶的數(shù)據(jù)，內(nèi)容大部分與HLR相同，但移動用戶的臨時數(shù)據(jù)只有當(dāng)該用戶在該VLR Area內(nèi)是active狀態(tài)時才會存有。每個VLR負責(zé)地理上一定的區(qū)域，該區(qū)域稱為VLR Area，當(dāng)MS移動到該VLR Area時，將會做位置登記（Location Re

17、gister Procedure），找到MS所在的HLR，獲取MS建立呼叫或作被叫時所需的數(shù)據(jù)并暫存。所以VLR相當(dāng)于是一個存儲處于該VLR Area內(nèi)用戶數(shù)據(jù)的本地數(shù)據(jù)庫，減少對HLR的訪問，因為訪問HLR是很耗時的。VLR內(nèi)存儲的信息有：l Mobile Status如：忙、閑、無應(yīng)答等l Location Area Identity (LAI) 一般根據(jù)地理區(qū)域?qū)⒒拘^(qū)劃分成多個Location Area 并分配LAI，一般一個LAI對應(yīng)30個左右基站小區(qū)。MS從一個LAI到到另一個LAI時需要做位置登記，修改VLR中的LAI；MS從一個VLR到另一VLR時需要做位置登記，修改HLR中

18、的VLR地址。l International Mobile Subscriber Identity (IMSI)l Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI) VLR負責(zé)分配TMSI并通知HLR，TMSI會不斷改變，使呼叫不易被跟蹤，提高安全性。l Mobile Station Roaming Number (MSRN) MS漫游出其本地系統(tǒng)時，需要用到MSRN，MSRN由VLR分配。l Supplementary Service Parameters VLR內(nèi)的數(shù)據(jù)可通過IMSI、TMSI或MSRN查找。一個VLR Area內(nèi)可以有多個MSC Ar

19、ea，但一般一個VLR Area對應(yīng)一個MSC Area，硬件上VLR也一般和MSC做在一起，大唐M30G交換機就包括VLR。Equipment Identity Register EIR該設(shè)備是存儲ME的IMEI的數(shù)據(jù)庫，用來驗證ME。目前我國沒有使用EIR。Authentication Centre AUCAUC是完成用戶身份鑒權(quán)功能的處理系統(tǒng)，AUC一般和HLR做在一起，因為AUC需要頻繁的訪問HLR。鑒權(quán)過程在移動用戶Initialises時需要做，并不是每次呼叫都要做鑒權(quán)，具體鑒權(quán)過程可參見有關(guān)資料。Interworking Function IWF IWF使GSM系統(tǒng)可以連接其他數(shù)

20、據(jù)網(wǎng)絡(luò)，IWF完成的基本功能：l 速率轉(zhuǎn)換l 協(xié)議適配Echo Canceller EC 移動通信系統(tǒng)的四線制到PSTN二線制轉(zhuǎn)換時，由于阻抗不完全匹配，會產(chǎn)生回波，回波抑制器EC加在MSC到PSTN之間的每條話音電路上，抑制一定回波，改善通話效果。Operation & Maintenance System操作與維護系統(tǒng)在GSM規(guī)范中沒有嚴格規(guī)定，不同廠家的設(shè)備也都不同，但總體上分為兩類：l OMCRl OMCS其中OMCR完成對基站系統(tǒng)的操作與維護，OMCS完成對網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)的操作與維護。Motorola的OMCR采用SUN工作站，用2M線連到BSC或XCDR，采用X.25協(xié)議通信

21、。大唐M30G交換機的OMCS采用普通奔騰PC機，通過TCP/IP協(xié)議與MSC通信。GSM Network Components對面圖所示的是一個一般的GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中有2個MSC，它們共用HLR、AUC和EIR（EIR目前在中國沒有使用），每個MSC都帶有自己的BSS，且各自對應(yīng)一個VLR。實際的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于設(shè)備數(shù)量多，所以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也比對面圖示的復(fù)雜。GSM系統(tǒng)中除了BTS與MS之間使用的是空中接口以外，其他所有的接口都是陸地接口，在圖上用網(wǎng)絡(luò)部件之間的連線表示。GSM系統(tǒng)中，這些陸地接口以及接口消息的傳遞都遵循ITUTS標準，因為都是標準接口，所以大大提高了GSM系

22、統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性。這些接口中傳遞的信息有話音信號、為完成系統(tǒng)功能的信令信息、下載或上裝的軟件、收集的話務(wù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，操作與維護指令等。不同接口之間的消息傳遞可能會用到同一物理載體。GSM系統(tǒng)所使用到的協(xié)議用OSI分層結(jié)構(gòu)表示：3Network2Link1Physical4-7UserApplicationsX.25ApplicationsC7Applications2 Mb/s TrunkABISLAPDMTP(C7)LAPBX.25OSI LAYER注：此圖摘自CP02注：此圖摘自CP02 2 MBPS 數(shù)字中繼線對面圖所示加粗的連接使用的是2 MBPS中繼，用來在各網(wǎng)絡(luò)實體之間傳輸話務(wù)，包括M

23、SC之間，MSC與PSTN之間，MSC與BSC之間以及BSC與BTS之間的話務(wù)。2 MBPS中繼中傳輸?shù)牟粌H有話音信號，還有控制信息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如傳真）。每條2 MBPS中繼可以提供30條64kb/s的傳輸通路?？刂菩畔–7、LAPD、X.25消息。2 MBPS中繼的幀結(jié)構(gòu)：TS0TS 1-15TS16TS 17-31TSUsed For0115161731Frame Alignment/Error Checking/Signaling/AlarmsTrafficC7 Signaling (other TS may also be used)TrafficTS=Timeslot注：此圖摘自

24、CP02X.25接口使用了X.25協(xié)議的接口如圖中加粗部分所示。OMC通過X.25協(xié)議與其所連接的各種網(wǎng)絡(luò)實體通信，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的操作與維護。這些X.25連接的物理載體一般是2 MBPS數(shù)字中繼中的某一專用時隙。OMC到BSS的連接可能是通過MSC建立的半固定連接（釘連），也可能是單獨的物理路由。X25的標準幀結(jié)構(gòu)：FLAGFRAME CHECKSEQUENCEINFORMATIONCONTROLADRESSFLAGlast bit first bit注：此圖摘自CP02No.7七號信令接口使用了No.7的接口如圖中加粗部分所示。這些接口用來傳送主要網(wǎng)絡(luò)實體之間及與PSTN之間的控制信息。No.

25、7主要分消息傳遞部分和用戶部分，根據(jù)不同類型的用戶而有不同的用戶部分。在GSM網(wǎng)絡(luò)中：MSC與PSTN之間為TUP MSC、VLR、EIR、HLR之間為MAPMSC與ISDN之間為ISUPMSC與BSC之間為BSSMAPMSC與MS之間為DTAP （DTAP與BSSMAP合稱為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：此圖摘自CP02注：此圖摘自CP02AB

27、IS(LAPD)接口BSC與BTS之間的接口稱為Abis接口，使用LAPD協(xié)議。Abis接口在GSM規(guī)范中沒有嚴格規(guī)定，各生產(chǎn)廠家關(guān)于該接口的理解也不同，所有不同廠家的BSC與BTS不能在一起工作。另外，不同廠家對BSC與BTS的功能劃分也不相同，如MOTOROLA的BTS也有一定的控制功能，這樣減少BSC與BTS之間需要傳輸?shù)目刂菩畔?。LAPD協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖所示：FLAGFRAME CHECKSEQUENCEINFORMATIONCONTROLADRESSFLAGlast bit first bit注：此圖摘自CP02接口名稱GSM系統(tǒng)中所有的接口都有一個名稱：NAME Interface

28、Um MS BTSAbis BTS BSCA BSC MSCB MSC VLRC MSC HLRD VLR HLRE MSC MSCF MSC EIRG VLR VLRH HLR AUC此圖摘自CP02Um Interface MS-BTSMS與BTS之間的接口稱為Um接口，也稱為Air Interface。Um接口在GSM 04系列規(guī)范中定義。 Layer1 Physical Layer Layer2 Data Link Layer 采用LAPDm協(xié)議。 Layer3 Specifications 完成的功能有：l Call Control(CC) 呼叫控制l Short Message S

29、ervice Support (SMS) 短消息服務(wù)支持l Supplementary Services Support (SS) 附加服務(wù)支持l Mobility Management (MM) 移動性管理l Radio Resource Management (RR) 無線資源管理Abis Interface BTS-BSCBTS與BSC之間的接口稱為 Abis接口。所用的的信令鏈路也稱為RSL(Radio Signaling Link)Abis接口在GSM 08.5x系列規(guī)范中定義。該接口中傳送的消息分為兩種： 透明傳送的消息：只是有BTS轉(zhuǎn)發(fā)，BTS并不對它作任何處理。 非透明傳送的消

30、息：在BTS和BSC之間傳送的消息，是由BTS產(chǎn)生或接收的。Layer1 Physical LayerLayer2 Data Link Layer 采用LAPD協(xié)議Layer3 Specifications 完成的功能有：l Radio Link Layer Managementl Dedicated Channel Managementl Common Channel Managementl TRX Management MOTOROLA對Abis接口作了一些修改，取了一個新名稱為MOBIS(Motorola Abis)主要是將BSC的一些功能轉(zhuǎn)移到了BTS上。以下是MOTOROLA Abis與原GSM Abis的比較：Motorola AbisNo message over BTS-BSC InterfaceGSM AbisBSCBTSMSAccess Burs