第3章 GSM网络GSM网络组成.docx
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第3章GSM网络GSM网络组成
第三章
GSM网络组成
本书中的信息仅用于培训,具体以设备所附手册中的信息为准。
目录
页码
GSM网络概述-----------------------------------------------------------------------2
移动台MS----------------------------------------------------------------------------4
移动台ME－MobileEquipment-------------------------------------------------6
SIM卡（SubscriberIdentityModule）-----------------------------------------8
基站系统BSS（BaseStationSystem）--------------------------------------10
基站控制器BSC（BaseStationController）--------------------------------12
基站收发信台BTS（BaseTransceiverStation）---------------------------12
BSS结构------------------------------------------------------------------------------14
压缩编码器XCDR－Transcoder------------------------------------------------16
网络交换系统---------------------------------------------------------------------------18
移动业务交换中心MSC（MobileServicesSwitchingCentre）-----------20
归属位置寄存器HLR（HomeLocationRegister）---------------------------22
访问位置寄存器VLR（VisitorLocationRegister）-------------------------24
位置区识别号LAI（LocationAreaIdentity）---------------------------------24
临时移动用户识别号TMSI（TemporaryMobileSubscriberIdentity）---24
移动用户漫游号MSRN（MobileSubscriberRoamingNumber）---------24
设备识别寄存器EIR－EquipmentIdentityRegister-------------------------26
鉴权中心AUC－AuthenticationCentre-------------------------------------------28
鉴权处理过程------------------------------------------------------------------------28
网络互通功能IWF（InterworkingFunction）------------------------------------30
回声消除器EC（EchoCanceller）------------------------------------------------32
操作与维护系统--------------------------------------------------------------------34
网络管理中心NMC（NetworkManagementCentre）---------------------34
操作与维护中心OMC（OperationsandMaintenanceCentre）---------------34
网络管理中心NMC（NetworkManagementCentre）-----------------------36
操作与维护中心（OperationsandMaintenanceCentre）--------------------------------------38
GSM网络组成-----------------------------------------------------------------------40
本章目标：
完成本章的学习后，学员应能：
说出GSM网络各主要组成部分的名称及功能。
画出GSM网络各组成部分的互联关系示意图。
第三章
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
操作与维护系统
网络交换系统
NMC
AUC
VLR
HLR
OMC
EIR
MSC
PSTN
IWF
EC
XCDR
ME
BSC
SIM
移动台
BTS
基站系统
接口/连接
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）
移动台MS（MobileStation）
移动设备ME（MobileEquipment）
用户识别模块SIM（SubscriberIdentityModule）
（即通常所说的SIM卡）
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
1
20瓦特（已不用）
2
8瓦特
3
5瓦特
4
2瓦特
5
0.8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IMSI
IMSI（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TMSI
TMSI（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。
●MSISDN
MSISDN（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BSS
BaseStationSystem
XCDR
BSS
BTS
BTS
BTS
BTS
BSC
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BSS
BSC
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－Transcoder
XCDR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Transcoder
120GSM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（VisitorLocationRegister）
●设备识别寄存器EIR（EquipmentIdentityRegister）
●鉴权中心AUC（AuthenticationCenter）
●网络互通功能IWF（InterworkingFunction）
●回声消除器EC（EchoCanceller）
与传统蜂窝电话系统相比，GSM多出一些寄存器这类的网络实体，包括归属位置寄存器HLR（HomeLocationRegister），访问位置寄存器VLR（VisitorLocationRegister），以及设备识别寄存器EIR（EquipmentIdentityRegister）。
这些寄存器实际上是一些数据库类的处理节点，用来管理移动用户数据以及跟踪在网络中漫游的移动用户位置。
从功能上看，由于IWF和EC与交换之间关系的紧密与不可分割性，它们一般被看作是MSC的一部分。
EIRR
VLR
BSS
PSTN
网络交换系统
操作与维护系统
EC
IWF
MSC
HLR
AUC
网络交换系统
移动业务交换中心MSC（MobileServiceSwitchingCentre）
GSM系统中MSC的主要作用是为呼叫建立连接，与所有电话交换机的功能一样。
另外由于GSM系统的一些复杂的控制与安全特性，以及给用户提供的多种服务使得MSC必须还能完成许多其它功能。
根据MSC在网络中所在的位置，相应也应能完成一些其它不同的功能。
比如MSC不仅连接BSS，还连接PSTN时，该MSC还应能完成网关（Gateway）局的功能，一般称之为GMSC（GatewayMSC）。
在这个位置，MSC将为所有作主叫和作被叫的MS提供交换功能。
每个MSC只给一定地理范围内的移动用户提供服务，所以一个GSM网络一般需要多个MSC。
一般一个百万人口左右的地级市需要一个MSC。
MSC的主要功能有：
●呼叫处理（CallProcessing）
包括控制数据/话音呼叫建立，控制BSS间或MSC间的切换，以及移动性管理（如用户身份鉴权和位置更新登记）。
●操作与维护（OperationandMaintenanceSupport）
包括数据库管理，话务统计和提供人机接口MMI（ManMachineInterface）。
●网络互通（InternetworkInterworking）
管理GSM网络与PSTN网络之间的接口。
●计费（Billing）
收集计费数据。
移动业务交换中心MSC
（MobileServiceSwitchingCentre）
呼叫处理
操作与维护
网络互通功能
计费
归属位置寄存器HLR（HomeLocationRegister）
HLR是用来存储移动用户数据的数据库。
移动用户数据包括各种识别号和地址等信息，这些信息是当该移动用户加入到系统时，由网络管理员录入到数据库中去的。
HLR中存的各种信息如对面所示。
GSM陆地移动电话网PLMN（PrivateLandMobileNetwork）中所有移动用户的主要数据都存储在HLR中，网络中所有的MSC和VLR都可以远程访问这些数据。
一个PLMN中可能需要一个或多个HLR来存储用户数据，但一个移动用户只在一个HLR中有一份数据，每个HLR存储PLMN中一部分移动用户的数据。
HLR中的用户数据通过IMSI或MSISDN来查询。
HLR里的数据也允许另一个PLMN中的MSC和VLR来访问，以实现网间或国际漫游。
归属位置寄存器HLR
（HomeLocationRegister）
移动用户身份识别号（IMSI和MSISDN）
当前移动用户所在的VLR（移动用户当前位置）
移动用户具有的补充业务
补充业务信息（如:
当前呼叫前转的前转号码）
移动用户状态（已登记,Registered或未登记,deregistered）
鉴权密键（AuthenticationKey）和鉴权（AUC）功能
移动用户漫游号MSRN（MobileSubscriberRoamingNumber）
访问位置寄存器VLR（VisitorLocationRegister）
VLR中所存储的数据大多是HLR中数据的一份拷贝。
当移动台在某个VLR所管辖的范围内处于“激活”（active）状态时，才会在该VLR中暂时存有数据。
所以VLR中所存的是在该VLR覆盖范围内所有激活的移动用户的数据，这些数据与HLR中的数据相比要更精确一些。
VLR相当于为本VLR覆盖范围内的移动用户提供了一个本地数
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