[信息与通信]第6章组网技术.ppt

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1、1,移动通信,建工学院电子信息与工程学院朱徐来,2,组网技术,网络结构 分组交换、无线数据业务和ISDN 信令 越区切换、位置管理和呼叫接续 鉴权和安全,3,重要知识点,GSM、GPRS网络的基本结构和组成区别分组交换和电路交换的概念和区别注册、呼叫转发、切换过程中的基本(信令)流程,漫游的概念鉴权、加密的基本过程5.GSM系统的重要号码6.GSM系统的信道类型,4,概要,网络结构 分组交换、无线数据业务和ISDN 信令 越区切换、位置管理和呼叫接续 鉴权和安全,5,通信网概述,固定通信网公众电话网 PSTN(Public Switched Telephone Network)公众数据网 PD

2、N(Public Data Network)综合业务数字网 ISDN(Integrated Service Digital Network)移动通信网(公用陆地移动通信网,PLMN)是固定通信网的延伸和扩展与固定通信网络互联信令系统：用户接口和网络信令,6,3GPP中定义,3.1Public Land Mobile Network(PLMN)A Public Land Mobile Network(PLMN)is established and operated by an administration or Recognized Private Operating Agency(RPOA)f

3、or the specific purpose of providing land mobile telecommunications service services to the public.A PLMN may be regarded as an extension of networks(e.g.ISDN,corporate and public PDNs,etc);it is a collection of MSCs areas in CS domain and SGSN areas in PS domain within a common numbering plan(e.g.s

4、ame National Destination Code)and a common routing plan.The MSCs are the functional interfaces between the fixed networks and a PLMN for call set-up in CS domain.The GGSN and the SGSN are the functional interfaces between the fixed networks and a PLMN for packet transmission in PS domain.,7,Function

5、ally the PLMNs may be regarded as independent telecommunications entities even though different PLMNs may be interconnected through the ISDN/PSTN and PDNs for forwarding of calls or network information.A similar type of interconnection may exist for the interaction between the MSCs/SGSNs of one PLMN

6、.,8,移动通信的基本网络结构,基站通过传输链路和交换机相连，交换机再通过传输链路与固定的电话网络相连。,9,移动通信的交换机,普通交换机：由交换网络、接口和控制系统组成。作用是在控制系统的作用下，将任一输入线与输出线接通。移动交换机，也叫移动交换中心(MSC)，不同：除完成交换功能外，还负责移动性管理和无线资源管理(越区切换、漫游等),10,多服务区移动通信网络,11,GSM系统网络结构,12,GSM的网络结构简图：,13,由图可见，GSM的网络结构由下列四个主要部分组成：MS、BSS、NSS和OSS。移动台MS(Mobile Station):它主要包含手机、车载台(便携式)两种类型 基站

7、子系统BSS(Base Station Subsystem):它由基站收/发信台BTS和基站控制器BSC两个部分组成，它是组成蜂窝小区的基本组成部分。一个BSC可以控制数十个BTS。,14,网络子系统NSS(Network Subsystem):它主要满足GSM的话音与数据业务的交换功能以及相应的辅助控制功能。操作支持子系统(Operation Support System):它主要面向运营商，是相对独立于GSM的核心BSS与NSS的一个管理服务中心。,15,网络设备的功能,MSC路由选择管理计费和费率管理业务量管理向HLR发业务量和计费信息HLR对已登记的所有用户的参数进行管理、修改等对每个

8、用户计费管理VLR的更新,VLR是一个动态数据库移动台漫游号的管理临时移动台标识管理访问的移动台用户管理HLR的更新管理MSC区，位置区和基台区管理无线电信道(如信道分配标，动态信道分配管理，信道阻塞状态),16,GSM系统取得成功的最主要因素之一是将它设计成一个开放的系统，统一规定了国际上建议的接口标准和协议要求，并对所有国家、地区、厂家开放，以此可实现网络系统中不同功能实体的不同厂家设备的互连互通。GSM系统主要接口包括Sm接口，Um接口，Abis接口，AG接口。不同的系统有不同的信令接口协议。,17,GPRS网络,GPRS(General Packet Radio Service)即通用

9、分组无线业务，其标准是欧洲电信标准化协会ETSI从1993开始制订并于1998年完成的。GPRS是从GSM系统基础上发展起来的，与GSM共用频段、共用基站并共享GSM系统与网络中的一些设备和设施。GPRS大为拓广了GSM业务的服务范围，在GSM原有电路交换的话音与数据业务的基础上提供了一个平行的分组交换的数据与话音业务的网络平台。,18,GPRS的主要功能是在移动蜂窝网中支持分组交换业务，按时隙，而不是占用整个通路，将无线资源分配给所需的移动用户，收费亦按占用时隙计算，故能为用户提供更为经济的低价格服务；利用分组传送实现快速接入、快速建立通信线路大大缩短用户呼叫建立时间，实现了几乎“永远在线”

10、服务，并利用分组交换提高网络效率。GPRS不仅可应用于GSM系统，还可以用于其它基于X.25与IP的各类分组网络中，为无线因特网业务提供一个简单的网络平台，为第三代3GPP WCDMA提供了过渡性网络演进平台。,19,GPRS网络结构,20,GPRS网络的主要功能实体为,分组控制单元PCU：完成无线链路控制(RLC)与媒体接入控制(MAC)的功能；完成PCU与SGSN之间Gb接口分组业务的转换；服务GPRS支持节点SGSN：负责GPRS与无线端的接入控制、路由选择、加密、鉴权、移动管理；完成它与MSC、SMS、HLR、IP及其它分组网之间的传输与网络接口；网关GPRS支持节点GGSN：GGSN

11、是与外部因特网以及X.25分组网连接的网关，可看作提供移动用户IP地址的网关路由器；GGSN还可以包含防火墙和分组滤波器等；提供网间安全机制；,21,边界网关BG：它是其它运营者的GPRS网与本地GPRS主干网之间互连的网关，它应具有基本的安全功能，此外还可以根据漫游协定增加相关功能；计费网关CG：它通过相关接口Ga与GPRS网中的计费实体相连接，用于收集各类GSN的计费数据并记录和进行计费；域名服务器DNS：它负责提供GPRS网内部SGSN、GGSN等网络节点域名解析以及接入点名APN的解析。,22,GPRS网络逻辑结构与接口 GPRS在逻辑功能上可以通过原有的GSM网络增加两个核心节点：S

12、GSN与GGSN，因此需要定义一些新的接口，其基本逻辑结构如下图所示：图中，实线表示数据和信令传输及接口，虚线仅表示信令传输及接口。MAP-C、D、H、F以及Sm、Um和A表示原有GSM信令传输及接口，而其它接口则为GPRS新增接口。,23,24,短消息业务SMS短消息业务类似于因特网中对等实体间的立即消息业务。SMS用户可交换160个字符(映射域140 byte)的包括字母和数字的消息，并且消息的提交在几秒内即可完成。只要有GSM就可提供SMS服务。SMS主要有两类业务：小区广播服务和点对点PTP服务。SMS占用GSM的逻辑信道，不管是否有呼叫，消息都会被传送并可能得到确认。SMS采用GSM

13、/GPRS网络结构协议和物理层来传送和管理消息，它具有存贮转发特征。,25,SMSC存贮和传送每则消息，并对消息恰当的分类和路由，消息采用SS7在网中传送。在GSM中，SM在SMSC中排队或直接发送给接收方的本地MSC中的SMSGMSC，然后SM再转发给恰当的MSC，再由这个MSC 将消息传送至MS。,SMS的网络结构如下图所示：,26,在空中接口，SMS占用控制信道的时隙来传送，它可分几种情况：若MS处于空闲状态，则在独立专用控制信道SDCCH上传送短消息；若MS处于激活状态，这时SDCCH用于呼叫建立和维持，则采用慢速随路控制信道SACCH来传送短消息；若SMS在传送过程中，MS状态产生了

14、变化，则报告传送失败，短消息需重传；在小区广播情况下，比如发送天气预报或广播其它短消息给多个BSC的MS，则采用小区广播信道CBCH来传送MS。,27,概要,网络结构 分组交换、无线数据业务和ISDN 信令 越区切换、位置管理和呼叫接续 鉴权和安全,28,分组交换、无线数据业务和ISDN,电路交换与分组交换 无线数据业务 ISDN,29,电路交换与分组交换,电路交换(Circuit Switching):在整个通信过程建立了一条专用连接(包括无线信道和固话线路).适用于语音通信;但对数据业务来说,电路交换线路利用率低,并不适合.,30,电路交换与分组交换,分组交换(Packet Switchi

15、ng)也称包交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们沿着独立的路由转发.到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。分组数据格式:标识位,地址段,控制段,信息帧,校验位线路利用率高,适合数据业务,31,分组交换示意图,32,UMTS中的CS域和PS域,33,ISDN,ISDN是以综合数字网（IDN）为基础发展起来的通信网。经过改造模拟电话网，逐步实现传输和交换的数字化,引入公共信道信令，从而综合形成以电话为基础的综合数字网。ISDN引入的通信协议和标

16、准部分，是对数字通信发展的一大贡献，目前PSTN和PLMN网络部分仍然广泛使用。业务应用部分，ISDN接入业务在96-2000年左右为国内电信运营商主推,但由于速率太低,逐步被其他业务代替.ISDN能提供端到端的数字连接，用来承载包括语音和非语音业务。一般是通过标准的用户/网络接口接入该网。主要有2B+D等基本速率接口，BD都是64kbit/s,D是64或16kbit/s的数字信道。,34,概要,网络结构 分组交换、无线数据业务和ISDN 信令 越区切换、位置管理和呼叫接续 鉴权和安全,35,信令,基本概念：指在通信网中传输，与通信有关的一系列控制信号。信令：不同于用户信息，信令通常需要在通信

17、网络的不同环节中传输，各环节进行分析处理并通过交互作用而形成一系列的操作和控制目的：是保证用户信息有效且可靠的传输。信令的内容包括呼叫建立、监控、拆除、网络管理控制等信息信令分类：接入信令：用户到网络节点间的信令网络信令：网络节点间的信令,36,接入信令,移动通信中：移动台到基站之间的信令主要包括呼叫管理，移动管理和无线资源管理不同系统有不同的信令包括数字信令和模拟音频信令,37,接入信令传输协议,移动通信的空中接口信令分三个层次。,38,网络信令,常用的网络信令为七号信令SS7SS7来源于CCITT(ITU-T的前身)基于公共信道信令标准CCS NO.6开发的带外信令系统，后来又沿着OSI七

18、层体系结构思路发展。第二代移动通信系统中GSM与IS-95的IS-41均使用SS7规定的信令协议，SS7是在网络实体之间传送控制信息的信令系统。,39,SS7协议结构以及OSI模型对照,40,SS7,包括MTP，SCCP，TCAP，MAP，OMAP和ISDN-UP等7号信令网络是与PSTN平行的独立网络，包括信令点(SP)、信令链路和信令转移点(STP)信令点包括业务交换点(SSP)和业务控制点(SCP),41,信令应用,42,网络协议,协议(Protocol)这个词来源于计算机技术与数据通信，其含义与话音通信中的信令基本上类似。计算机中的网络协议是指计算机网络中互相通信的对等实体间交换信息时

19、所必须遵守的规程。所谓对等实体是指计算机网络体系结构中处于相同层次的通信进程。,43,OSI七层模型,OSI网络体系结构，是由国际标准化组织ISO提出和定义的计算机和数据通信的网络分层模型。共分为七个层次：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层，每层之间有相应的协议。对通信网而言，主要是下三层即物理层、数据链路层和网络层，而上面的四层可统一看作高层即网络应用高层。,44,OSI网络体系结构中数据传输时的数据变化过程,45,TCP/IP协议,TCP/IP协议是网络中提供可靠数据传输和无连接数据服务的一组协议。提供可靠数据传输的协议称为传输控制协议TCP，提供无连接数据报服务的

20、协议称为网际协议IP。TCP/IP与OSI协议各层次的对应关系如下表所示：,46,基于TCP/IP协议的网络体系结构如下图所示:,47,移动应用协议 MAP,MAP是专门用于移动通信网比如GSM与IS-41等的协议。MAP定义了交换机MSC与数据库HLR、VLR之间的应用协议，以支持呼叫管理、短消息传送、位置管理、安全管理、无线资源管理和移动设备管理等一系列的功能。从原理和功能上看，GSM与IS-95各自定义的MAP是完全类似的，然而在具体实现和协议方式上是有所不同和差异的。,48,WAP协议,WAP即无线应用协议，也有人称它为无线因特网协议，它是开发在移动网络上实现类似于因特网应用的一系列规

21、范的组合，即提供从无线网络接入到因特网的标准。WAP针对无线与移动的特殊环境，如传输带宽窄、传输环境延时大、终端体积、重量小、屏幕小、存贮能力有限、处理能力有限一系列特点，对现有的因特网协议进行了改造和优化，从而能够适用于无线应用。,49,WAP通信协议采用层次化设计，每层保持各自相对的独立性，各层协议间通过标准接口进行通信。其基本结构与WWW协议对照如下：,50,一个典型的WAP网络模型结构如下：,51,概要,网络结构 分组交换、无线数据业务和ISDN 信令 移动性管理和呼叫接续 鉴权和安全,52,利用“动态”性满足“移动服务”是实现移动性网络的一项核心技术，它就是移动性管理。其内容大致包含

22、下列三个部分：小区选择与位置登记。它是移动台开机后，首先需要进行的建立过程。越区切换。它是移动台在联机通信状态下，保持不间断、无缝隙通信的一种有效手段。小区重新选择与用户漫游。它是当移动台已选择本地小区后，又离开该小区，进入某个服务区内另一个较远的小区(处于不同的MSC之间)，但仍需要实现移动通信的基本保证。,52,移动性管理,53,位置登记(注册),位置登记是指网络跟踪、保持移动台所处的位置并存贮其位置信息，一般是存贮在两个寄存器中。位置登记主要包含以下过程：位置更新。位置删除。周期性位置更新。国际移动用户识别号码IMSI的位置更新。位置登记的目的是允许移动台在网络中选择一个最适合的小区，比

23、如具有最强的信号或最大的信噪比等。,54,小区选择是移动台刚开机时进行的过程，而重新选择小区则是移动台已经选择了小区后才进行的。在移动台开机后，要经历以下几个主要步骤：(1)搜索系统载波，移动台可以搜索系统全部或有选择的(存贮器中或用户身份卡中)信道进行搜索；(2)选择信号功率(或信噪比)最大的几个信道；(3)从上述已选择的信道中收集相关数据；(4)若有需要，则在位置区进行登记；,55,位置登记需要蜂窝系统中的多项参数，其中最常用的有：(1)在广播信道上的接收信号电平；(2)小区状态，是否由于资源拥塞、链路传输失败、切换等因素而禁止接入；(3)网络身份，若几个网络使用同一个频段、覆盖同一区域时

24、；(4)地理区域，有些按地区分类的注册用户是可用的；(5)定时器参数;,56,位置更新策略基于时间的周期性位置更新策略基于跨位置区的更新策略:使用位置区的概念来进行自动位置管理。,57,下图为位置区结构:,58,位置区设置,59,目前第一代、第二代蜂窝移动通信中广泛应用的位置管理办法是使用位置区来进行自动的位置管理。网络跟踪用户所在位置区，就能大致确定用户所在的大致范围。目前应用广泛的是一种基于跨位置区的位置更新和周期性位置更新相结合的混合方法。移动台每次跨越位置区都要进行一次位置登记，另外还要加上定期的周期性位置更新。例：GSM中的位置登记过程基本流程如下：,60,61,位置登记过程,62,

25、越区切换（Handover）,基本概念：指正在进行的无线通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入另一个基站覆盖的小区情况下，为保持通信的连续性，所进行的无线链路转移工作。还包括网络管理和服务质量引起的资源调整,63,从网络角度看切换可以按下列方式分类：,64,切换实现方案主要有下列三种类型：网络控制切换。移动台控制切换由移动台和网络共同控制的切换切换要求：切换要求优先于呼叫开始要求切换不要太频繁切换不要被用户察觉使切换优先保护信道：小区中总可用信道的一部分预留专用于切换请求。切换要求排队,65,切换的基本原理在一次呼叫的通信期内(传输用户的数据或信令)

26、进行的切换一般可以分为四个阶段：链路监视和测量，目标小区的确定和切换触发以及切换执行。四个阶段依次执行，并且目标小区的确定一般在测量阶段就开始了。每个阶段还必须满足一定的限制条件;,66,链路监测和系统参数收集阶段在切换过程中需要一组测量数据和收集一些系统参数，将它进行处理再用于切换触发和对目标小区的确定算法上。目标(候选)小区选择与确定(以IS-95为例)移动台将小区名单进行处理、列表、分类。如果一个基站符合下列标准之一时，移动台将做出下列处理选择：选中或撤销。导频信号的信号功率超过事先给定的门限值，则被选中；移动台首先收到一条包含某个基站网络身份的消息，其次收到该基站发出的信号功率超出了事

27、先给定的门限值，则亦被选中；,67,如果与某基站相对应的经计算所得到时延超过事先给定的门限，则将从小区列表中撤销、删除该基站；如果一个移动台将一个基站归入候选小区名单，而这时该候选名单已满额，则应将小区中计算时延首先到期(超过门限)的基站从表中删除。触发切换 触发切换是建立在对当前运行基站和对邻近基站的一次监测和参数收集、处理判决后才进行的。监测参数数据与触发标准一般基于下列三个变量：测量平均窗口的持续时间、信号功率或信号质量的门限电平以及滞后余量。,68,切换执行当一次切换被触发以后，一个新的信道将被建立，通信将被转移到新的链路，同时原来信道将被释放。切换处理过程可以根据新链路的建立途径进行

28、分类:i)硬切换。ii)无缝切换 iii)软切换。硬切换基本原理图如下所示:,69,其特点为在A、B小区分界线上“先断后切”，两状态(A B)出现暂时中断，它出现在两个不同载波频率的小区间。,69,硬切换,70,软切换基本原理图如下：其特点为“先切后断”，三状态(A、AB、B)，无中断。它一般出现在具有同一载波频率的CDMA(IS-95等)系统中。,软切换,71,在CDMA(IS-95)软切换阈值的工作过程如下:,越区切换,72,实际切换过程例1：GSM中，单个MSC内的两个BSC之间的越区硬切换，其原理性简化流程图如下。,72,越区切换,73,例2：GSM中，两个MSC间的切换。,73,越区

29、切换,74,CDMA(IS-95)中两个BS间的软切换,74,75,任何一个移动通信系统其网络运行的主要功能是要能够支持该移动通信系统业务的正常运行。这包含支持呼叫建立和释放、寻呼、信道分配和释放等呼叫处理过程，并能支持补充业务的激活、去激活以及登记和删除等业务操作。移动台呼叫处理的基本原理可以以下列状态图表示：,呼叫建立与接续,76,以下为一个GSM中由本地固定网用户呼叫移动用户的呼叫与接续流程。,77,图中主要流程说明如下：(1)通过7号信令接收来自本地固定网用户的呼叫；(2)GMSC向HLR询问被叫移动用户所在MSC地址；(3)HLR请求被访问的VLR分配MSRN，并通知GMSC；(4)

30、GMSC从HLR获得MSRN后，可重新寻找路由建立至被访MSC通路(5)(6)被访的MSC从VLR中获取有关用户数据；(7)(8)MSC通过位置区内所有基站BS向移动台发送寻呼消息；(9)(10)被叫移动用户发回寻呼响应消息；(11)被叫移动用户通过MSC向本地固定网主叫发送应答与连接消息，并建立通信链路；(12)正常通话；(13)挂机。,77,78,78,79,79,80,81,IS-95/CDMA2000 MS起呼的简单呼叫流程：,81,IS-95/CDMA2000系统的呼叫与接续,82,概要,网络结构 分组交换、无线数据业务和ISDN 信令 移动性管理和呼叫接续鉴权和安全,83,鉴权和安全,无线信号通过空中传播 开放式环境，信号可以被截获，窃听，修改或伪造移动通信系统的安全措施：鉴权(Authentication)：确认用户具有的各种权利 用户对基站鉴权基站对手机鉴权 基站对用户鉴权基站用户相互鉴权 加密(Encryption)：对信息进行加扰，防止第三者窃听。原始信息加密 空中传输信息加密使用TMSI代替IMSI,84,鉴权过程,85,加密过程,