【资料名称】：GSM网络基本知识(初)GSM网络组成

【资料作者】：TT

【资料日期】：20120806

【资料语言】：中文

【资料格式】：DOC

【资料目录和简介】：

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（Mobile Station）
如手机、传真机等用户实际所使用的设备。

基站系统 BSS（Base Station System）
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（Network Switching System）
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（Operation and Maintenance System）
使网络管理员能对网络进行集中操作与维护。


GSM 网络组成




















移动台MS

移动台包括两部分：移动设备ME(Mobile Equipment)和被称为用户识别模块SIM(Subscriber Identify Module，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(International Mobile Equipment Identity)。
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(International Mobile Subscriber Identity)。
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(Mobile Station)




移动设备ME(Mobile Equipment)

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。

移动台设备功能

SIM卡(Subscriber IdentityModule)
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Subscriber Identity Module。

SIM卡中包含的信息有：
国际移动用户身份识别号IMSI
IMSI(International Mobile Subscriber Identity)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(Temporary Mobile Subscriber Identity)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(Location Area Identity)
指示移动用户当前所在的位置区。

用户身份鉴权密键Ki (Subscriber Authentication Key)
在用户身份鉴权时使用。

MSISDN
MSISDN(Mobile Station International Service Digital Network)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(Personal Identity Number Password),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
(Subscriber Identity Module)























基站系统BSS(Base Station System)

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（Mobile Service）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（Base Transceiver Station）
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（Base Station Controller）
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（Network Switching System）更近，因为这样可以提高陆地链路的利用率。

基站系统BSS
Base Station System





基站控制器BSC（Base Station Controller）
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（Base Transceiver Station）
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，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































压缩编码器XCDR－Transcoder
XCDR用于将来自MSC的64kb/s PCM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/s PCM信号（Pulse Code Modulation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①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（Transcoder Rate Adaption Unit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。
②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Phase 2+ 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

































网络交换系统
网络交换系统完成GSM网络主要的交换功能a，另外还包括用于移动性管理b和存储用户数据c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（Mobile Service Switching Center）
归属位置寄存器HLR（Home Location Register）
访问位置寄存器VLR（Visitor Location Register）
设备识别寄存器EIR（Equipment Identity Register）
鉴权中心AUC（Authentication Center）
网络互通功能IWF（Interworking Function）
回声消除器EC（Echo Canceller）
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（Home Location Register），访问位置寄存器VLR（Visitor Location Register），以及设备识别寄存器EIR（Equipment Identity Register）。
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。


网络交换系统

移动业务交换中心MSC（Mobile Service Switching Centre）

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（Gateway MSC）。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（Call Processing）
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（Operation and Maintenance Support）
包括数据库管理，话务统计和提供人机接口MMI（Man Machine Interface）。

网络互通（Internetwork Interworking）
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
(Mobile Service Switching Centre)

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（Home Location Register）
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 （Private Land Mobile Network）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
(Home Location Register)


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(Authentication Key)和鉴权(AUC)功能

移动用户漫游号MSRN(Mobile Subscriber Roaming Number)

访问位置寄存器VLR（Visitor Location Register）
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据库，因为这些用户不一定都处在其“归属”系统，所以这样使得系统不必频繁的访问其HLR，而访问HLR是很费时的。
VLR中另外所存的信息如下所示：
移动台状态（忙/闲/无应答等）
位置区识别号LAI（Location Area Identity）
临时移动用户识别号TMSI（Temporary Mobile Subscriber Identity）
移动台漫游号MSISDN （Mobile Subscriber Roaming Number）

位置区识别号LAI
PLMN中的小区在地理上划分成了一些位置区，每个位置区分配了一个位置区识别号LAI（Location Area Identity），一般一个位置区包含30个小区。一个VLR可能控制几个位置区，当移动台从一个LAI移动到另一个LAI中时，VLR中相应信息会改变，当移动台从一个VLR移动到另一个VLR中时，HLR中相应信息也会改变。
临时移动用户识别号TMSI（Temporary Mobile Subscriber Identity）
VLR负责分配TMSI并将新分配的TMSI告知HLR。TMSI会经常性的改变，这使得跟踪呼叫很困难，提高了安全性。在下列情况下，TMSI可能会更新。
呼叫建立
移动台移动到新的位置区
移动台移动到新的VLR
移动用户漫游号MSRN（Mobile Subscriber Roaming Number）
有时移动用户可能会漫游到其归属系统外去，这时该移动用户所在的VLR会分配一个移动用户漫游号MSRN（Mobile Station Roaming Number），该号码是从VLR（MSC）中所存的一系列号码中分配的。MSRN指向了当前移动台所在MSC的路由号，使呼叫能到达移动台MS当前所在的MSC。
可通过IMSI、TMSI、或MSRN来查询VLR数据库，一般一个MSC对应一个VLR。

访问位置寄存器VLR
(Visitor Location Register)

移动台状态

位置区识别LAI(Location Area Identity)

临时移动用户识别号TMSI(Temporary Mobile Subscriber
Identity)

移动台漫游号MSRN(Mobile Station Roaming Number)

设备识别寄存器EIR－Equipment Identity Register
EIR是一个用来鉴别国际移动设备识别号IMEI（International Mobile Equipment Identity）的集中化数据库。
该数据库仅仅针对移动设备，而并不针对使用该移动设备的移动用户。

鉴权中心AUC（Authentication Centre）
AUC是一个处理系统，完成“鉴权”功能。
AUC一般与HLR做在一起，因为AUC需要经常性的访问HLR中移动用户数据。AUC/HLR可能与MSC在一起，也可能不在一起。
一般当移动用户在系统中做“初始化”（Initializes）时，需要做鉴权处理。

网络互通功能IWF（Interworking Function）

IWF使GSM系统具有与其它公用或专用数据网络接口的功能。

IWF的基本功能如下：
速率转换
协议适配

回声消除器EC（Echo Canceller）
PSTN与MSC之间所有的话音电路都需要加回声消除器，由于GSM系统的内在时延，使得到PSTN之间并不长的电路连接都会有不可忍受的回声。
GSM系统引入的时延（由于呼叫处理、话音编、解码累积的时延）大约是180ms（180毫秒）。本来180ms的时延对移动用户来说是不明显的，但由于市话的标准电话线是2线制，所以需要用到2/4线转换器来完成转换，正由于使用了2/4线转换器，所以引起了回声，但市话用户不受影响。
正常PSTN市话到市话的呼叫回声并不明显，因为时延比较短，用户无法区分是回声还是“侧音”，但GSM系统中时延较长，如果没有使用EC，回声将会很明显，严重干扰通话，分散注意力，使移动用户无法忍受。

操作与维护系统
操作与维护子系统提供了远程管理GSM网络的功能。
这一部分在GSM规范中没有严格规定，各厂家的操作维护系统也不相同。操作维护系统一般包括两部分：
网络管理中心NMC（Network Management Centre）
网络管理中心NMC用来管理整个PLMN。NMC处于网络结构中的顶部，能提供全球网络管理功能。
操作与维护中心OMC（Operation and Maintenance Centre）
操作与维护中心OMC是用来对蜂窝网络作日常管理的集中化设备，并能为远期网络工程和规划提供数据库及工具。一个OMC管理PLMN的一部分区域，提供局域化网络管理。
网络管理中心




操作与维护中心OMC（Operation and Maintenance Centre）
OMC用于集中监控其他网络实体（如基站、交换机、数据库等）以及监视网络服务质量。
目前各生产商都有自己的OMC，但它们互相之间在各个方面都不兼容，无线基站设备生产商生产的OMC犹其如此。无线基站设备生产商的OMC一般是一种单独的设备，数字交换设备生产商生产的OMC一般是与设备结合在一起的，是硬件的一部分，但在功能上分开。
有两种类型的OMC：
OMC（R）——指控制基站系统的OMC。
OMC（S）——指控制网络交换系统的OMC。
ITS－TS推荐，OMC应支持以下功能：
事件/告警管理
故障管理
统计数据管理
配置管理
安全管理
OMC的功能结构如对面图所示。

GSM网络组成
实际的GSM网络比图中所见的要复杂得多，对面图中示意了网络中有多个BSS，网络交换系统等的情况。
一个典型城市（如伦敦）的网络大约由以下部分组成：

网络设备数量
操作与维护中心（基站设备）
OMC（R）1
操作与维护中心（交换机）
OMC（S）1
移动业务交换中心MSC/VLR1～2
基站控制器BSC5～15
基站收发信台BTS200～400


一个典型的PLMN网络（如英国）大约有以下一些设备：

网络设备数量
操作与维护中心（基站设备）
OMC（R）6
操作与维护中心（交换机）
OMC（S）6
移动业务交换中心MSC/VLR6
基站控制器BSC40＋
基站收发信台BTS1200＋



GSM网络组成





























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