第2章 第二代移动通信网络及其移动性管理.docx
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第2章第二代移动通信网络及其移动性管理
第2章第二代移动通信网络及其移动性管理
第一代移动通信系统采用模拟技术，有多种制式，我国主要采用的是TACS。
第二代移动通信系统主要有欧洲的GSM和北美的DAMPS和CDMA技术等，目前我国广泛应用的是GSM系统。
第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成了模拟技术向数字技术的转变，其主要特性是为移动用户提供数字化的语音业务以及低速数据业务。
2.1第二代移动通信网络系统
2.1.1蜂窝系统的发展
蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。
直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS（先进的移动电话业务）模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT（Nordic移动电话）系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C－450系统等。
蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。
其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述第第一代模拟系统有四个主要的缺点：
1、各个系统之间没有公共接口；2、很难开展数据承载业务；3、频谱利用率低无法适应系统大容量的需求；4、系统安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。
尤其是在系统间没有公共接口，因此系统相互之间不能漫游，给移动用户造成很大的不便。
第二代蜂窝移动通信系统主要包括GSM、IS-95以及D-AMPS三种。
我国的第二代蜂窝移动通信系统使用的是GSM标准制式。
2.2GSM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。
GSM数字移动通信系统史源于欧洲。
早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。
当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。
为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。
在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组＼GroupSpecialMobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。
1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（GlobalSystemforMobileCommunications）。
从此移动通信的发展跨入了第二代数字移动通信系统。
同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCS1800系统。
该系统与GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCS1800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，GSM900和DCS1800两个系统均可通称为GSM系统。
2.2.1GSM的业务和功能
GSM小组在概念上受到无线网向ISDN发展的强烈影响，为发展与有线标准相兼容的无线数字标准，小组决定GSM标准将尽可能地接近ISDN标准。
这意味着GSM与ISDN将使用相同的信令方案和信号特性。
这一决定使得有线与无线需建立统一的接入平台和统一的业务特性。
由GSM网络支持的电信业务是由网络营运者提供给用户的通信能力。
GSM网络，与其它网络，如PSTN一起为用户提供服务。
GSM小组受到了ISDN提供业务的影响，他们打算GSM可以提供与ISDN一样的业务。
但由于受空中接口的影响，对宽带业务目前无法提供支持。
ISDN支持64kbps的话音作为基本服务，GSM由于空中接口达不到这么高的速率不可能做到。
由GSM支持的电信业务包含无线ISDN及现有模拟蜂窝系统和无线寻呼系统提供的一切业务。
GSM中的电信业务可分成两组：
基本业务（basicservices）和补充业务（supplementaryservices）。
基本业务进一步又可分为以下两个项目：
电信业务（teleservices）和承载业务（bearerservices）,见图2-1所示。
1．承载业务——这类业务主要是保证用户在两个接入点之间传输有关信号所需的带宽容量。
主要使用户之间实时可靠地传递信息（语音、数据等等）。
这类业务与OSI模型的低三层有关。
承载业务定义了对网络功能的需求。
提供各种承载业务，GSM用户能够发送和接收速率高达9600bps的数据，由于GSM是数字网，在用户和GSM网络之间不需Modem，虽然话音Modem在GSM和PSTN接口方面仍然需要。
表2-2列出了GSM支持的支持业务。
表2-2承载业务
业务
内容
异步数据
300~9600bps
同步数据
1200~9600bps
PAD接入
300-9600bps,分组打包和拆包，为GSM用户接入分组网提供一个异步连接。
该业务只能由移动台主叫发起。
分组接入
2400-9600bps，，为GSM用户接入分组网提供一个同步连接。
该业务只能由移动台主叫发起。
话音/数据交替
在呼叫过程中,提供话音和数据的交替。
话音后数据
先话音连接,而后进入数据连接。
2．电信业务——这类业务主要是提供用户足够的容量，包括终端设备功能，与其它用户的通信。
它们结合了与信息处理功能相关的传输功能，使用承载业务来传送数据及提供更高层的功能。
这些更高层的功能与OSI模型中的4-7层相对应。
电信业务包括网络及终端容量，如电话、传真等等。
而承载业务将用于携带包括话音的数据串给终端，电信业务将它转换成用户可以听到的声音。
表2-3列出GSM支持的电信业务情况。
表2-3电信业务
业务
内容
话音服务
全速（13kbps），半速（6.5kbps）。
这项服务提供语音信息和语音信号到网络的传输
紧急呼叫
典型的是，紧急电话在一些受限的情况下，更具有优先权。
一般只提供移动用户主叫发起。
短消息服务（到移动电话终端，MT/PP）
短字符消息，小于160个字符。
这项服务用于消息处理系统（服务中心）提供短消息给移动用户。
短消息服务（移动电话发起，MO/PP）
短字符消息，小于160个字符。
这项服务用于移动用户给消息处理系统（服务中心）提供短消息。
以下由移动用户发起的呼叫可以进行传输：
一个在存储器中预先存储的消息；从拨号盘上发起的一串数字；从另外的键盘或设备终端与移动台相连的信息。
短消息传输（小区广播）
短字符消息，小于93个字符。
这项服务用于传输对小区范围内的所有的移动用户。
这是一点对多点的服务。
自动传真
第3类传真。
这项服务自动提供第3类呼叫和被呼模式传真。
3．补充业务（Supplementaryservices）――这类业务在承载业务和电信业务基础上获得的。
一项补充业务是在联合一项或多项承载业务中使用，它不能单独使用，它必须和基本电信业务一起提供给用户，相同的补充业务对一系列电信业务来说是有利的。
前向呼叫是补充业务一个例子，对于该业务的预要求是电话或传真业务。
如果用户要求，前向呼叫业务能在电话和传真呼叫中应用。
表2-4给出了GSM支持的补充业务。
表2-4GSM支持的补充业务
业务
内容
号码识别
主叫号码显示（CLIP）
主叫线号码限制（CLIR）
连接线显示（CoLP）
连接线限制（CoLR）
呼叫服务
前向呼叫无条件转移（CFU）
移动台忙时前向呼叫（CFB）
无应答前向呼叫（CFNRy）
移动用户未能达到前向呼叫（CFNRc）
呼叫完成
呼叫保持（HOLD）
呼叫等待（CW）
多方
多方业务（MPTY）
兴趣群体
密切用户群（CUG）
计费
计费信息提示（AoCI）
计费费用提示（AoCC）
呼叫限制
所有呼叫禁止（BAOC）
国际呼出禁止（BOIC）
除拨向归属国家的国际呼出禁止（BOIC-exHC）
所有呼入禁止（BAIC）
漫游出归属国家呼入禁止（BIC-Roam）
无结构化
无结构化补充业务数据
运营者确定限制
由运营者确定的不同呼叫/业务限制
2.2.2GSM通信网络组成结构
GSM系统框图如图2-2所示，A接口往右是网路交换子系统（NSS），它包括有移动业务交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往左Um接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。
Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。
图2－2GSM系统框图
在GSM网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。
另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。
1.移动台（MS）
移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。
移动终端完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。
SIM卡存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。
SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM后移动终端才能接入进网（紧急呼叫除外），但SIM卡本身不是代金卡。
2.无线基站子系统
BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。
功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。
a.基站控制器（BSC）：
一个基站控制器（BSC）具有对一个或多个BTS进行监视和控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等。
BSC通过BTS和MS的远程命令对无线电接口进行管理，主要有无线信道安排和释放、切换的安排。
BSC向下连接一系列BTS，向上连接移动交换中心（MSC）。
一个BSC及它相应的BTS看成是基站子系统（BSS）。
b.基站收发信机（BTS）
无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。
一个BTS由无线收发信机及多块用于无线电接口的信号处理模块组成。
在朝BSC侧，BTS区分与移动台有关的话音和控制信令，并通过各自信道传给BSC。
在朝MS侧，BTS将信令和语音合在一个载波上。
BTS位置通常在小区中心。
BTS的发射功率决定小区的尺寸。
一个典型的BTS通常具有1到24个收发信机（TRX），每个TRX代表一个单独的RF信道。
基站的各种配置与应用有关，一些基站是在野外使用，必须考虑到环境和机械强度，如一年的天气变化等等。
另一些是在室内使用的，审美更为重要。
室内使用的一个重要因数是尺寸要小。
基站可设置成扇形或全向。
一个BTS可控制一个扇区或多个扇区。
另外需要的设备有供电系统及一旦掉电用的后备电源。
3.网路交换子系统
网路交换子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。
NSS由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：
c.移动交换中心（MSC）：
MSC是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。
它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，它主要由交换机及支持呼叫建立所需的几个数据库组成。
它还是GSM网和PSTN之间的接口。
MSC完成由MSC负责区域的移动用户所有的交换和信令功能。
一个MSC可以连接数个BSC。
除了支持BSC之外,MSC还处理BSC/MSC内部的切换及相互之间的呼叫。
MSC具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新、越区切换等。
为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就远进入关口MSC（GMSC），由该GMSC查询有关的HLR，并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由。
d.归属位置寄存器（HLR）：
HLR是存储管理部门用于移动客户管理的数据，每个移动用户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记。
从逻辑上讲,每个移动网有一个HLR。
HLR所存储的用户信息分为两类：
一类是一些永久性的信息，例如用户类别，业务限制,电信业务，承载业务，补充业务，用户的IMSI码，以及用户的保密参数等。
另一类是有关用户当前位置的临时性信息，例如移动台漫游号码（MSRN）等，用于建立至移动台的呼叫路由。
存储在HLR的数据由授权维护人员设置。
（1）用户数据的存储
HLR必须存储其归属用户的有关数据。
HLR还必须存储由运营者选择的不同用户提供的业务数据，并能随着业务的发展，增改相应存储内容。
（2）用户数据的检索
任何时候当VLR请求（例如登记时），HLR应能依据要求向VLR提供有关的用户数据。
当某些用户数据有变化时（例如签约的变化，服务项目清单的变化），HLR要能够将这些数据信息通知VLR。
（3）提供移动台漫游号码（MSRN）
MSRN是在MS进行位置更新时，由当地的VLR负责产生。
MS被叫时，HLR应能根据GMSC（关口MSC）或始发MSC的请求，将MSRN发往请求的MSC。
请求的MSC从而得到MS目前所在的MSC和LA区域。
（4）鉴权
HLR应能支持用户的鉴权操作。
（5）登记
HLR应能配合VLR完成登记功能和向前一个VLR发起取消登记功能。
（6）移动台去话
当HLR接收到VLR发来的移动台去话通知后，HLR应能设置此移动台为去话状态。
（7）HLR的恢复
应能周期性拷贝HLR中的数据（一般在24小时内），拷贝可存储在磁盘或磁带中。
当HLR重新启动后，在前一次拷贝的基础上，执行HLR恢复程序，尽量得到正确的移动用户位置与补充业务有关的信息。
为避免错误数据的扩散，HLR应通知相关的VLR，使VLR删除与HLR有关的数据，同时HLR应能够撤消MS的登记，等待MS的重新登记。
e.访问位置寄存器（VLR）：
VLR是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称访问客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数,通常每一个移动交换区有一个VLR。
永久性数据与HLR中的相同,临时性数据略有所不同。
这些数据包括当前已激活的特性,临时用户识别号（TMSI）和移动台在网络中准确位置（位置区域识别号）。
当漫游用户进入某个MSC区域时，必须向该MSC相关的VLR登记，并被分配一个移动用户漫游号（MSRN），在VLR中建立该用户的有关信息，其中包括临时移动用户识别码（TMSI）、移动用户漫游号（MSRN），所在位置区的标志以及向用户提供的服务等参数，这些信息是从相应的HLR中传递过来。
MSC在处理入网出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息。
一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。
（1）用户数据的存储
VLR必须存储其归属用户的有关数据。
VLR还必须存储由运营者选择的不同用户提供的业务数据，并能随着业务的发展，增改相应存储内容。
（2）用户数据的检索
当呼叫建立时，根据MSC的请求，VLR应能够依据TMSI，MSRN向MSC提供用户的信息。
通常在移动台呼叫时，依据TMSI；移动台被叫时,依据MSRN。
（3）登记
当移动用户出现在一个新的位置区域或从移动台收到登记、呼叫建立、补充业务操作消息后，若需要则应能向HLR发出登记通知。
VLR应能完成登记、取消登记的功能，并能向HLR检索用户的信息。
根据HLR的请求或当用户在24小时内没有在MSC/VLR区域中出现时，VLR应能删除该用户的有关信息。
（4）移动台去话
当VLR收到MSC发来的移动台去话通知后，VLR应能删除此用户的数据，并能通知相应的HLR。
（5）鉴权
VLR应能向鉴权中心（AuC）索取并存储鉴权参数。
VLR通过MSC要求移动台进行鉴权，并比较从移动台返回的和自己存储的鉴权参数。
当比较不一致时，拒绝移动台的业务请求，同时予以告警。
（6）提供MSRN
当MS在位置更新时，当地的VLR应能够根据HLR请求，要求MSC分配MSRN，并将MSRN发往请求的HLR，即支持每次MS被呼时进行的MSRN分配。
（7）VLR的恢复
当VLR发生数据错误时，VLR应能够通知相应的HLR，删除与其相应的数据。
f.鉴权中心（AuC）：
AuC鉴权中心是用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。
AuC对任何试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。
它给每一个在相关HLR登记的移动用户安排了一个识别字,该识别字用来产生用于鉴别移动用户身份的数据及用来产生用于对移动台与网络之间无线信道加密的另一个密钥。
AuC存储鉴权（A3）和加密（A8）算法。
AuC只与HLR通信。
g.设备识别寄存器（EIR）：
EIR是存储有关移动台设备参数的数据库。
EIR实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台使用。
此外，GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。
通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。
OMC与MSC之间的接口目前还未开放，因为CCITT对电信网路管理的Q3接口标准化工作尚未完成。
2.2.2GSM中的移动性管理
移动通信系统与固定通信网络相比，其主要优点是可移动性（Mobility）。
“移动服务”与其他的几大功能结合在一起，使得移动用户可以在很大的地域范围内在移动过程中可以方便地进行通信，并在移动过程中保持通信的连续性。
在所有的陆地移动通信系统中，能最广泛地提供移动通信服务的系统就是蜂窝移动通信系统，一般简称为蜂窝系统，更确切地说，就是像GSM一样能够覆盖整个国家甚至整个洲的系统。
这些系统通过从一个小区切换到另—个小区而使用户在移动过程中保持通信的连续。
本章的重点就是蜂窝系统中的移动件管理。
实际上，一些大范围专用无线通信系统，如早期的DECT系统，已经包含了某些移动性功能，这些移动性功能与蜂窝系统中的移动性有某些相似之处。
移动性管理包括两个方面：
切换管理和位置管理。
其中，切换管理反映移动台在小区之间甚至不同地区之间切换的无线链路接续以及移动通信网络管理的过程；而位置管理则确保了移动台在移动过程中能被移动通信网络有效地寻呼到。
GSM网络跟踪记录移动台（MS）的位置信息，这样就能把来话发送给用户。
为了实现位置跟踪，一个移动服务区划分成几个定位区（LA）或注册区。
每一个定位区LA都包括一组基站收发信台（BTS），这些BTS通过无线链接与MS进行通信。
移动性管理的主要任务就在于当MS从一个LA移动到另一个LA时更新MS的位置信息。
位置更新的过程称作“注册”，该过程由MS发起。
整个过程如下：
BTS周期性的向MS广播相应的LA地址。
当MS收到的LA位置信息与所存储的位置信息不同时，MS就向网络发送一个注册消息。
该位置信息被存储在移动数据库中，如归属位置寄存储器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）。
每个VLR维护一组LA信息。
当MS访问一个LA时，就在VLR中创建一个MS的临时记录，用来表示MS的位置，即LA地址。
对于每一个MS来说，HLR中保存的是MS的永久记录，该记录存储了MS最后访问的VLR的地址。
GSM定位区分级结构中，LA的BTS与相应的MSC连接。
这样，一个MSC就能覆盖几个LA。
而一个或多个MSC又与一个VLR相连接，MSC可以通过7号信令（SS7）网与VLR交换位置信息。
类似的，VLR与HLR之间也使用SS7信令交换位置信息。
我们首先描述GSM位置信息更新过程，然后介绍GSM移动性数据库的两个关键问题：
容错和数据库溢出。
容错：
如果位置信息数据库出错，那么位置信息的丢失或破坏都将会严重影响提供给用户的服务质量。
因此，位置信息数据库的容错就成为移动网络管理中最重要的问题之一。
本章描述了GSM中故障恢复过程，并提出了一可加快HLR故障恢复过程的算法。
数据库溢出：
如果在一个很短的时间范围内过多的移动用户进入到VLR控制的区域内，该VLR可能会发生溢出。
如果当一个移动用户进入VLR控制区时，VLR数据库已满，那么用户在该数据库中的注册失败，因而导致该用户无法接收到业务。
这一现象称作VLR溢出。
为了解决这一问题，我们提出了一种VLR溢出控制方案，该方案允许用户在VLR已满的情况下仍能接收业务。
1、移动性数据库
归属位置寄存器（HLR）是用来管理移动用户信息的数据库，该数据库存有用户的所有永久性数据，但不包括密钥。
一个HLR记录包括3种信息：
■移动台信息，如移动台用于接入网络的IMSI，以及MSISDN，这就是ISDN号，即MS的“电话号码”。
■位置信息，如MS所驻留的VLR的ISDN号码（地址）以及MS所驻留的MSC的ISDN号码（地址）。
■业务信息，如签约业务、业务极限和附加业务。
访问位置寄存器（VLR）是MS所访问的业务区的数据库。
该数据库用来存储MS进行呼叫业务和其他业务的所有用户数据。
与HLR类似，VLR信息分为3种：
■移动台信息，如IMSI、MSISDN和TMSI，这在GSM03.03规范中已做定义。
■位置信息，如MSC的号和定位区ID（LAI）。
■业务信息，该信息是存储在HLR中业务信息的一部分。
在MS相关域中，每一位运营商都可以决定TMSI的结构，但其长度不应大于8位。
LAI包括3位的移动国家代码（MCC），2位或3位的移动网络代码（MNC），以及不超过16位的位置接入号码。
2、GSM位置更新
在GSM网络中，当MS从一LA移动到另一个LA时需要进行注册或位置更新。
下面首先讲述基本位置更新的具体过程
基本位置更新过程是在网络不考虑容错和VLR溢出的情况下，处理用户在LA之间、MSC之间以及VLR之间的移动。
需要注意的是，MS并不能区分移动的类型。
因此，无论出现什么类型的移动，由MS向网络发送的位置更新请求消息都具有同样的格式。
一、第一种情况：
LA间的移动
MS从LA1移动至LA2，其中，LA1和LA2都连接到同一个MSC（如图2-3所示）。
在GSM04.08规范中，MS和MSC之间有9条消息需要交换，MSC和VLR之间则有10条消息需要交换。
为了简化描述，这里只列出其中4条主要步骤：
第1步：
由MS通过BTS向MSC发出位置更新请求消息。
该消息包括前一个访问的LA地址、MSC地址和VLR地址。
在这种方式下，前一个MSC和VLR的地址与新的MSC和VLR的地址相同。
另外，MS利用临时移动用户识别码（TMSI）来识别本身，TMSI的作用与国际移动用户识别码（IMSI）的作用相同。
如第10.4节中所述，IMSI是用户的唯一确认识别符，即识别MS的HLR。
对于无线传播，为了避免发送IMSI，使用了TMSI。
该临时识别符是在VLR间注册时由VLR分配MS的，且VLR可以改变这个符号，例如，在每次呼叫建立后改变之。
图2-3ＬＡ间的注册消息流
第2步：
MSC利用一条TCAP消息MAP-UPDATE-LOCATION-AREA向VLR发送位置更新请求。
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