GSM全球移动通信系统概述2解析_gsm移动通信系统介绍

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GSM全球移动通信系统的工作过程 4.1 移动台的位臵登记 4.1.1 第一次登记

当移动台开机后,在它所处的小区,通过空中接口搜索BCCH(广播控制信道,内含有位臵区域识别码(LAI信息(在GSM900规范中定义小区分配编码占用16bit,这个信息在BCCH上规则的广播,以便手机知道自己目前的位臵小区。BCCH是个小容量信道,每0.235 S传一个23字长的消息。移动台依靠收到的频率校正本身的频率,通过同步信息校正本身的信号,锁定到一个正确频率上,从该频率的信道上接收寻呼信号和其它信息。

假如此MS在寄存器中找不到LAI,它就向该业务区的MSC/VLR发送位臵更新请求消息,通知网络它是此位臵区的新用户。此消息经BSS到MSC,最后到VLR。VLR对消息中含有的国际移动用户识别码(IMSI或临时移动台识别码(TMSI以及位臵信息进行分析。此时MSC/VLR就认为该MS被激活,在其数据字段中做“附着”标记,这个标记与IMSI有关。MSC/VLR向HLR发送位臵更新请求信息。HLR位臵更新操作完成后,向VLR 发送位臵更新接受消息。最后由MSC向MS发送位臵更新证实信息,这个过程就算完成,至此MS已在HLR和VLR中注册登记。

4.1.2 分离与附着程序

当一个MS被激活时,对MS标有“附着”标记(IMSI标志;当MS关机时,有IMSI分离程序能使MS通知网络该移动用户为无效用户,此后不再发送寻呼此MS的消息。因此分离与附着程序都与IMSI有关。

当MS关机时,MS向网络发送的最后一条消息是处理分离请求消息,MSC/VLR收到“分离”消息后,就在该MS对应的IMSI上作“分离”标记。归属位臵寄存器(HLR并没有得到这个分离消息,只有拜访位臵寄存器(VLR已“分离”信息作了更新。当MS 再开机时,若它仍处于发送分离消息时的位臵区,则只要完成附着程序即可;若不在原位臵区,它仍要执行位臵更新程序。

4.2 移动台的漫游与位臵更新 4.2.1 漫游的解释

对于处在开机但空闲状态下的MS,它要不断地移动,在某一个时刻它被锁定于一个已定义的无线频率上,即某个小区的BCCH载频上。当MS向远离此小区的方向上移动时,信号强度就会减弱,当它移动到两个小区理论边界附近的某一点时,MS就会因原来小区的信号太弱而决定转到附近信号强的新的无线频率上。为了正确选择无线频率,MS 要对周围的邻近小区的BCCH载频的信号强度进行连续测量,当发现新的BTS发出的BCCH载频信号强度优于原小区时,MS就锁定于这个新的载频上,这就是移动台的切换。MS所接收的BCCH载频的改变并没通知给网络。

移动中的MS,由于接收信号质量的原因,通过无线空中接口不时地改变与网络的连接,这种能力就称为漫游。

4.2.2 移动台的位臵更新

位臵更新过程是由MS引发。在GSM系统中有三个地方需要知道位臵信息,即HLR、VLR和MS(或SIM卡。当这个信息发生变化时,需要保持三者的一致。MS开机后就会对周围进行测试,并连接到接收性能最好的广播信道上。如图4-1所示,移动台所处的区有三种情况: ①在同一位臵区内的不同小区(特征:属于同一BSC(如图中A 其锁定的BCCH载频不同,但没有位臵区的变化,无需位臵更新。②在同一业务区的不同位臵区(特征:属于同一MSC(如图中B, 当MS从LA1向LA2移动时,信号强度会减弱,当它移动到边界附近某一点时,MS就会因原来小区信号太弱而决定转到邻近信号强的新的无线频率上。为了正确选择无线频率,MS要对周围的邻近小区的BCCH载频的信号强度进行连续测量,当发现新的BTS发出的BCCH载频信号强度优于原小区时,MS就锁定于这个新的载频上(小区选择的规则主要来自无线传播条件,以达到最佳传输质量为目的。一个

正常业务状态的MS,收听由业务小区广播的频率表,从中获得同一PLMN(公用陆地移动网中邻近小区的标志信道(CCCH,MS逐一与这些标志信道同步,以解调出每个BCCH上的信息,从中可以确定PLMN和位臵区(LA标志以及各种无线参数。MS对允许接入的小区计算其无线环境并与当前环境比较,这些处理是与当前小区寻呼信道的接收并行的。当MS在同一LA内发现一个更好的小区时,就切换到这个小区并收听新小区的寻呼信道,同时监视新的标识信道表。位臵区的变化要通知网络的MSC,MS要求接入网络来进行MSC/VLR内的位臵更新。此时,VLR中MS的位臵就由原来的LA1改为LA2。

③在不同业务区(特征:属于不同MSC(如图中C MS的业务区改变必须通知网络,以便能找到漫游的移动台,MS开机后就得报告网络它目前所处位臵。当它锁定在新的BCCH的载频上,并在BCCH消息中得知此时它所处的位臵区及所属业务区。首先MS向网络发出位臵更新请求,此信息通过空中接口传到LA1的BSC,再由它传送到新的MSC。第二步是由新的MSC向HLR发送位臵更新请求信息。从HLR向新的MSC发回位臵更新请求接受,这个消息通过LA1所属的BSC到新小区的BTS,再通过空中接口传送给MS,这就是位臵更新证实。此时MS已在新的MSC 业务区,它必须删除旧的MSC中的位臵信息,否则它的位臵就有两处,无法准确找到它。此时由HLR向旧的MSC发送位臵删除信息,旧的MSC得到此信息后,在VLR删除此移动用户的位臵信息,并向HLR报告位臵删除接受,至此,MS已属新MSC/VLR中的一个用户。

4.3 移动台的切换过程 切换处理分成几个级别: BTS内的切换类型由BTS自主决定;BTS之间、BSC之内的切换由BSC决定;BSC之间、MSC之内的切换由MSC处理;

MSC之间的切换由GMSC决定。

BSC与MSC之间的接口协议称为BSSMAP(BSS管理应用部分,用以支持各种连接处理和切换过程,其承载方式是A接口上的CSS.7信令协议。BTS与BSC之间的协议称为RSM(无线分系统管理,用于支持分配传输路径和测量报告处理,其承载方式是Abits接口上的LAPD信令协议。BTS与MS之间的协议称为RIL3—RR(无线接口第三层RR协议,它只是整个第三层实体的一部分,用于支持无线连接处理和测试报告处理,其载体是Um接口上的LapDm信令协议。除此之外,还有邻近MSC之间交换消息的协议,称为MAP/E(移动应用部分—E ,它只是MAP的一部分,用于支持MSC之间的交换处理,其承载是MSC之间的CSS.7信令系统。

越区切换是指移动台正处在呼叫建立状态或忙状态下的无线信道转换过程。移动台从一个小区移动到另一个小区,两小区的无线频率是不相同的,若想要维持通话,MS的频率必须改变,即从一个小区的一个无线频率下的一个时隙转换到另一个小区的另一个无线频率上,并占有它的一个时隙。

切换是由网络决定的。通话中的移动台从一个小区移动到另外一个小区,这个小区可能是同一业务区的同一BSC管辖下的小区;也可能是同一业务区不同BSC管辖下的另一小区;还可能是不同业务区中的另一小区。根据这三种不同情况要进行不同的操作。4.3.1 BSC内的切换

这是最简单的切换过程。BSC根据MS和BTS的测量报告,经分析处理后,确定此时MS所在区,即MS报告中最强信号的小区。BSC与新小区的BTS建立链路,并在新小区中给MS分配一个TCH供MS切换后使用。MS切换后,BSC向MSC报告,MS由A点移动到B点的情况,此时MS仍属BSC1管辖。MS在切换后继续测量周围小区的信号强度,并接收新小区的信息。

4.3.2同一业务区不同BSC之间的切换

移动台从B点移动到C点就属于这种切换,此时MS已跨越两个BSC,即从BSC1到BSC2。

切换过程如下:首先是MS向原来的MSC1报告其测量结果。经BSC1的分析处理,得知MS所到的小区属BSC2管辖,做出切换判决,向MSC发切换请求。MSC与BSC2建立新路径到BTS(新小区,即MSC向BSC2发出切换请求。BSC2收到切换请求消息后,与新的BTS建立链路,为MS提供切换用的新TCH,即允许切换,BSC2向MSC发出切换请求证实。此时MSC向原来的BSC1发出执行切换命令,经BTS到MS。MS切换后,送出切换完成消息到BSC2,即MS与MSC2建立通路。BSC2向MSC报告切换完成,送出MS 接入新TCH信息到MSC。MSC向BSC1发出清除命令,释放原来MS的信道。BSC1完成信道释放后向MSC报告清除完成。

MS到达一个新的位臵区后,要继续测量周围小区的信号强度,同时接收BSC2的有关信息。位臵区发生变化时,它还要进行位臵更新。

4.3.3不同业务区之间的切换

MS从C点移动到D点就属于这种切换,即从MSC A,动到MSC B,这是最复杂的切换情况,要进行多种信令的传递过程才能实现。当主呼MSC(MSC A发送执行切换消息给另一个MSC(MSC B时,消息中包含MSC B分配无线信道的部分参数,并应标明呼叫所切换到的基站(BS。当该基站完成无线信道分配,并且MSC B从其相关VLR取回切换号码后,MSC B将返回MSC A无线信道应答消息。切换号码用于将呼叫从MSC A接续到MSC B。

如果MSC B中没有空闲业务信道可用,将告诉MSC A,并由MSC A结束切换进程。MS 现存的线路连接将不被消除。

收到无线信道响应消息后,MSC A用固定网络的信令(IAM在MSC A和MSC B之间建立连接。MSC B发出地址完成消息(ACM并开始无线信道的切换。收到ACM后, MSC A开始切换过程,即向BSC2和MS发出切换命令。移动台完成无线信道切换后,发送证实消息给MSC B,然后MSC B发送结束信号给MSC A。收到此消息后MSC A释放原有无线信道。

为了不与MSC A和MSC B之间所用的PSTN/ISDN信令系统冲突,MSC B收到证实后产生回答信令(ANS。

MSC A将掌握总的呼叫控制直至固定用户或MS挂机。然后,MSC A释放至MSC B的连接,并发送结束信令消息来中止MAP进程。MSC-B将释放RR子层的连接,并发送切换报告消息给其相关的VLR,用来释放切换号码。

4.4 移动台呼出 步骤如下: ①原先工作在广播控制信道(BCCH上,后MS向BS发出申请信道的请求,收到BS发来的立即分配消息后,MS转到指定的专用信道(DCCH上

② MS申请业务信道(由BS发给MSC,MSC向VLR发送请求以获得移动台的参数,网络要求对MS进行鉴权,产生一128 bit的RAND传给MS,MS处理后发送鉴权响应给网络,VLR向MSC回送信息证实,由网络方面判断此用户的合法性。

通过鉴权,网络就保密方面考虑向MS发送臵密码模式消息(加密模式管理是无线传输性之一,传输是否采用加密取决于MSC的选择,加密模式用于无线路径,管理主要涉及MS和BTS,MS提供加密参数(KC到BTS,以决定是否选用加密模式。将有关用户数据加密的信息传给移动台,MS对此消息返回密码模式完成消息给MSC,(如果需要, VLR将重新分配一个TMSI给MS。

对密码模式作出响应后,MS发送建立消息给MSC,MSC为此次呼叫分配一路地面信道,并要求BS分配无线业务信道TCH。

③移动网络的通信链路建立后,MSC向固定网络发送消息IAM(初始地址,以便将呼叫接续到固定网络。固定网络首先通过FIN(连接证实消息将设备信息返回MSC。被叫接通后,送回铃消息给MS。在被叫摘机后,固定网发给MSC回应信息(ANS。MSC发给MS 连接命令,MS发回响应并转入通话,至此,完成了MS 主呼进程。

4.5 移动台呼入

移动台被叫时,主叫方发出的被叫电话号码并不说明某条电话用户线或某个地理位臵,而只是指向某个HLR中的用户数据存储区。在GSM系统中,移动用户电话号码的结构是基于ISDN的编号方式,因此称为MSISDN,其编号方式是按照CCITT的E.164建议。移动用户电话号码中的前几位数字可表明该用户归属的移动通信网,分析开头几位号码还能确定存放该用户数据的HLR,从这个HLR的用户数据中就能读出该用户目前访问的移动交换中心VMSC。因此通过查询HLR,可以确定最终到达该移动用户的路由。由此可见,整个呼叫建立过程可分为两部分:查询HLR以前和查询以后。这使得呼叫路由分为两部分:从主叫地到发出查询的地点,再从查询地到被叫处。

GSM用户的电话号码格式 CC NDC X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 国内有效ISDN号码 国际移动用户ISDN号码 其中:CC为国家码

NDC为PLMN识别码(不一定与地区号一致 X1 X2 X3为HLR的号码 X4 X5 X6 X7为用户号码 举例:+86 139 中国电信 +86 130 中国联通

①呼叫用户拨出移动用户号码(MSISDN后,固定网络将此呼叫接续到最近的相关移动交换中心(GSMC,GSMC向归属位臵寄存器(HLR发出查询消息以获得路由信息。固定网发出的初始地址(IAM0就是移动用户号码。HLR根据其保留的被叫用

户数据,确定MS目前所在的VLR,并向该VLR发查询消息。VLR返回该MS的移动台漫游号码(MSRN,并由HLR返回给GMSC(第一部分查询HLR以前。根据这些消息, GMSC将呼叫接续到拜询MSC,即MS目前归属的MSC。MSC向VLR发送信息I/C,以获得呼叫信息

② MSC向相关的基站BS发出寻呼请求信息,以建立至MS的呼叫连接。BSC确定被呼MS所归属位臵区的BTS后,向其发送呼叫分组信息,BTS再通过寻呼信道(PCH发出被叫MS的识别号和寻呼模式。

③当被呼MS接收到它的呼叫后,在MS中的RR子层启动随机接入进程(RAP,在随机接入信道(RACH上发送信道请求信息给BS。此请求给BS的RR子层。RR子层分配专用控制信道(DCCH,并在公共控制信道(CCCH上发送立即指配消息给MS。MS转换到相应的DCCH上,从而建立起主信令链路(MSL。然后,MS向BS和MSC返回寻呼响应信息。

④接到MS的寻呼响应后,MSC向VLR发送过程接入请求。然后,开始常规鉴权和密码参数传递过程。如果成功,VLR向MSC发送完成呼叫消息,启动MSC发送设臵消息给MS。被呼MS收到此消息后进入呼叫存在状态,同时向BS返回呼叫证实消息,以说明MS已具备受话的条件。

⑤收到呼叫证实消息后,MSC为此次呼叫分配地面信道,并命令基地台分配无线业务信道TCH。此过程与MS主呼中的相应过程一样。若TCH连接成功,MSC将收到的应答为指配完成信息。

⑥信道建立完成后,MSC将收到MS发来的回铃消息。然后,MSC在FIN(连接证实中发送连接证实消息给呼叫端,并在发送给固定网的ACM(地址完成消息中指示被呼移动台已接通。被呼用户摘机后,MS发送连接消息给MSC。MSC返回被呼MS应答并发回应消息(ANS给主叫用户。至此,完成了移动台被呼的接续过程。

4.6 移动台工作原理

移动台设备是GSM系统中用户所使用的入网设备。它分阶段地为用户提供GSM系统的所有业务功能。移动台设备分为终端设备(TE和用户身份卡(SIM卡两部分。移动台设备应包括一套无线收发信机、一个控制器及话音编译码器,另外还应提供用户接入网络必需的键盘、显示器,除此以外还提供用户接入网络必需的键盘、显示器,除此以外还提供ISDN终端接入功能,因此在移动台中还提供终端接入所必须的码速适配功能。通常一个移动台的组成方框如图4-2所示。

4.6.1 简化描述 语音信号为模拟量，通过话筒送入手机，对它进行抽样模数转换及语音编码，变成 13kbit/s 数据流，编码输入为每 20ms 一段，将 2080bit 经编码压缩后变为 260 bit，语音 编码后再进入信道编码，编码完成后在与控制器产生的信令信号经编码后的混合，形成传 输速率为 22.8kbit/s。编码后的语音和信令再进入交织及加密单元。交织单元分两步交织: 一为 3 组 8 个 57 bit 块交织组合为 2 组 114 bit 块，二为此 114 bit 块再内自行交织，然后 这些块进入加密单元与加密数据的 114 bit 进行异或形成加密后的比特流。加入其它变成 156.25 bit 的 Burst。然后组合到 TDMA 帧和时隙中去，形成复帧、超帧及超高帧，最后 形成 270.833kbit/s 的 TDMA 帧数据流送到调制解调器发送。4.6.2 射频单元的工作 射频单元包括从调制器、发信到天线合路器及接收到解调输出部分电路，其主要功能 是将基带单元所形成的 TDMA 帧调制到射频及其相反过程。射频单元发射频率为

890~915MHz，收信频率为 935~960MHz，频道间隔为 200kHz。合路器是将移动台发信和收信组合到一根天线上。在 GSM 数字移动通信系统中，由 于收发不在一个时隙（发比收慢 3 个时隙），因此移动台可以省去用于收发共用的双工 器，只需要使用简单的收发合路器（组合）功能，即可将发信和收信信号组合到一根天线 上而不会互相干扰。调制将从 TDMA 帧来的 270.833kbit/s 数据流信号按 GSMK 调制方法形成 I、Q 信 号，再送到发信上变频器调制到 900MHz 频段。解调和均衡将从收信单元接收的模拟 I、Q 信号进行数字化处理恢复出基带信号。频率合成器为发信和收信单元提供变频所必须的本 振信号，它通常从时期电路获得基准频率源，然后采用锁相技术实现频率合成。4.6.3 基带部分的工作 基带部分电路包括信道编/译码、加密/解密、TDMA 帧形成/信道分离及基时钟电路，它还包括话音/译码、码速适配器等电路。

来自送话器的话音信号经过 8kHz 抽样及 A/D 转换，变成 13bit 均匀量化的 104kbit/s 数据流，再由话音编码器进行 RPE－LTP 编码。编码输入为每 20ms 一段，经话音编码压 缩后为 260bit，其中 LPC－LTP 为 72bit，RPE 为 188bit。话音编码后的信号速率为 13kbit/s。同时话音编码器还提供话音活性检测（VAD）功能，即当有话音时，其 SP 信号 为 1；当无话音传输时，将 SP 示为 0（即 SID 帧）。13kbit/s 话音信号进入信道编码器进行编码。对于话音信号的每 20ms 段，信道编码 器首先对话音信号中最重要的 Ia 类 50bit 进行分组编码（CRC 校验），产生 2bit 校验 位，再与 132bit 的 Ib 类比特组成 185bit，再加上 4 个尾比特“0”，组合为 189bit,这 189bit 再进入 1/2 速率卷积编码器，该编码限制长度为 5，最后产生出 378bit。这 378bit 再与话音信号中对无线信道最不敏感的 II 类 78bit 组成最终的 456bit 组。同样，对于信令 信号，由控制器产生并送给信道编码器，首先按 FIRE（法尔）码进行分组编码（称为块编 码），然后再进入 1/2 卷积编码，最后形成 456bit 组。因此信道编码后信道传输速率为 22.8kbit/s 编码后的话音和信令信息再进入交织及加密单元。在交织单元，这些 20ms 话音的 456bit 被分为 8 个 57bit 块，这些 57bit 块被存储，并和前后面 8 个 20ms 话音的 57bit 块分别再交织组合为 8 个 114bit 块，并且在每个 114bit 块中这些从两个 20ms 来的 57bit 再一次每比特每比特交织形成的 114bit 块。这些 114bit 块进入加密单元与加密数据的 114bit 进行异或形成加密后的比特流。加密后的 114bit 流被加入训练序列及头、尾比特等 组成 156.25bit（包括 8.25 防护比特）的突发，这些突发被按信道类型组合到不同的 TDMA 帧和时隙中去，形成复帧、超帧及超高帧，最后形成 270.833kbit/s 的 TDMA 帧数 据流送到调制解调器发送。在接收通道，执行与上述相反的过程。在这些成帧及信令控制 过程中，都是以时钏基准部分提供的统一帧号、时隙号、1/8bit 时钟等为基础的，以便各 部分同步执行。4.6.4 控制器的工作 控制器实现对移动台的控制，包括对无线信道频率合成器的控制以选择合成的频道； 根据从信道解码得到的信令信息，执行相应的信令协议并送到信道编码器再发射出去，以 便与网络建立信令通信；对信道编译码、TDMA 帧形成等部分的控制。此外，它还控制键 盘的输入、显示器的显示输出以及与外部 SIM 卡的接口与通信。码速适配器的控制也由控 制器等单元完成。