第5章 移动交换技术

第5章移动交换技术15.1移动通信系统的结构和接口2一．移动通信系统的基本特性

1.移动用户的移动性，网络必须随时确定用户当前所在的位置区，以完成呼叫、接续等功能。2.频率资源的有限性，因此如何提高频率资源的的利用率是发展移动通信要解决的主要问题。

3二．

移动通信系统的结构

4数字蜂窝移动通信网由移动交换子系统（MSS）、基站子系统（BSS）、操作维护中心（OMC）、移动用户设备、中继线路及其传输设备组成。

移动交换子系统（MSS）由移动关口局（GMSC）、移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、用户鉴权中心（AUC）和设备识别寄存器（EIR）、短消息业务中心（SMC）、移动业务汇接中心（TMSC）及信令转接点（STP）等组成。基站子系统（BSS）由基站控制器（BSC）和基站收/发信台（BTS）组成。51.基站子系统BSS

基站子系统BSS可分为两部分。通过无线接口与移动台相连的基站收发信台（BTS）以及与移动交换中心相连的基站控制器（BSC），BTS负责无线传输、BSC负责控制与管理。基站收发台(BTS)包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持各种小区结构(如全向、扇形、星状和链状)所需要的天线，连接基站控制器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。

BSC是基站系统（BSS）的控制部分，在BSS中起交换作用。

BSC一端可与多个BTS相连，另一端与MSC和操作维护中心OMC相连，BSC面向无线网络，主要负责完成无线网络管理、无线资源管理及无线基站的监视管理，控制移动台和BTS无线连接的建立、接续和拆除等管理，控制完成移动台的定位、切换和寻呼，提供语音编码、码型变换和速率适配等功能，并能完成对基站子系统的操作维护功能。

6移动业务交换中心MSC是对位于其所覆盖区内的移动台进行控制、交换的功能实体，也是移动通信系统与公用电话网PSTN，综合业务数字网ISDN，分组交换网PSPDN及其它移动通信网的接口。

MSC除了完成固定网中交换中心所完成的呼叫控制等功能外，还要完成无线资源的管理，移动性管理等功能。为了建立至移动台的呼叫路由，每个MSC还应能完成入口(GMSC)的功能，即查询移动台位置信息的功能。

MSC从三种数据库，拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）和鉴权中心（AUC）中取得处理用户呼叫请求所需的全部数据。2.移动业务交换中心MSC73.来访位置寄存器VLR

VLR是一个数据库，用来存储所有当前在其管理区域活动的移动台有关数据：IMSI、MSISDN、TMSI、MS登记所在的位置区、补充业务参数、始发CAMEL签约信息O-CSI、终结CAMEL签约信息T-CSI等。

VLR是一个动态用户数据库。VLR从移动用户的归属位置寄存器（HLR）处获取并存贮必要的数据，一旦移动用户离开该VLR的控制区域，在另一个VLR登记，原VLR将取消该移动用户的数据记录。

VLR通常与MSC合设在同一个物理实体中。84.归属位置寄存器HLR

HLR是管理部门用于移动用户管理的数据库。每个移动用户都应在某个归属位置寄存器注册登记。HLR中主要存储两类信息：用户的用户数据，包括移动用户识别号码IMSI、MSISDN、基本电信业务签约信息、业务限制（例如限制漫游）和始发CAMEL签约信息O-CSI、终结CAMEL签约信息T-CSI等数据；用户目前所处位置（当前所在的MSC、VLR地址）的信息，以便建立至移动台的呼叫路由。

95.鉴权中心AUC

AUC属于HLR的一个功能单元部分，专门用于GSM系统的安全性管理。鉴权中心产生移动用户的鉴权三参数组（随机数RAND、符号响应SRES、加密键Kc），用来鉴权用户身份的合法性以及对无线接口上的话音、数据、信令信号进行加密，防止无权用户接入和保证移动用户通信的安全。通常，HLR、AUC合设于一个物理实体中。

106.设备识别寄存器EIR

设备识别寄存器EIR存储有关移动台设备参数的数据库。在EIR中存有网中所有移动台设备的识别码IMEI和设备状态标志(白色、灰色、黑色)。

在我国的移动通信系统中，没有设置设备识别寄存器EIR。

117.短消息中心（SMC）

短消息中心提供短消息业务功能。

短消息业务（SHORTMESSAGESERVICE：SMS）提供在GSM网络中移动用户和移动用户之间发送信息长度较短的信息。

点对点短消息业务包括移动台MS发起的短消息业务MO/PP及移动台终止的短消息业务MT/PP。点对点短消息的传递与发送由短消息中心SMC进行中继。短消息中心的作用像邮局一样，接收来自各方面的邮件，然后把它们进行分拣，再发给各个用户。短消息中心的主要功能是接收、存储和转发用户的短消息。

125.1.2移动通信系统的接口

Um接口：是用户终端设备MS与基站之间的空中无线接口。

A-bis接口：基站收发信机BTS与基站控制器BSC之间的接口

A接口：基站控制器BSC与移动交换中心MSC之间的信令接口。B接口：MSC与来访位置寄存器VLR之间的接口。由于MSC与来访位置寄存器VLR通常设置在同一个物理设备中，该接口一般为内部接口。C接口：MSC与归属位置寄存器HLR之间的接口D接口：来访位置寄存器VLR与归属位置寄存器HLR之间的接口。E接口：不同的移动交换中心MSC之间的接口。G接口：不同的来访位置寄存器VLR之间的接口。

135.1.3移动通信系统中位置信息的表示方法

小区是由一个基站（全向天线）或一个基站的一个扇形天线所覆盖的区域

基站区是由一个基站提供服务的所有小区所覆盖的区域

若干个小区组成一个位置区（LAI）。当移动用户在同一个位置区内移动时不必向系统进行位置更新。当呼叫某个被叫移动台时，只需在其所在的位置区下属的各小区中寻呼。

一个MSC业务区是由一个MSC所管辖的所有小区共同覆盖的区域，由一个或几个位置区组成

一个运营商的所有MSC业务区组成的区域

GSM服务区由全球各个国家的PLMN网络所组成

145.2

移动通信系统的编号计划151.移动用户的ISDN号码(MSISDN)

MSISDN是主叫用户为呼叫数字公用陆地蜂窝移动用户时所需拨的号码。移动用户的ISDN号码由两部分组成：国家号码＋国内有效移动用户电话号码。我国的国家号码为86，国内有效电话号码为一个十一位数字的等长号码，其结构为：N1N2N3＋H0H1H2H3＋ABCD

其中N1N2N3为数字蜂窝移动业务接入号，目前中国移动GSM移动通信网的业务接入号为135~139，中国联通GSM移动通信网的业务接入号为130~132，中国联通CDMA移动通信网的业务接入号为133。

H0H1H2H3是HLR识别码，H0H1H2全国统一分配，H3省内分配。

ABCD为每个HLR中移动用户的号码162.国际移动用户识别码IMSI国际移动用户识别码（IMSI）是在数字公用陆地蜂窝移动通信网中，唯一的识别一个移动用户的号码，为一个15位数字的号码，结构为：

移动国家号MCC＋移动网号MNC＋移动用户识别码MSIN

国际移动用户识别码（IMSI）由移动用户国家号码MCC，移动用户所归属PLMN的网号MNC，移动用户识别号码MSIN三部分组成，总长度为15位。移动国家号码MCC，由3位数字组成，唯一地表示移动用户所属的国家，我国的移动用户国家号码为460。移动网号MNC，用来识别移动用户归属的移动网，中国移动900/1800MHzTDMA数字公用蜂窝移动通信网号为00，中国联通900/1800MHzTDMA数字公用蜂窝移动通信网号为01，中国联通CDMA移动通信网号为03。

移动用户识别号码是一个十位数字的等长号码，可由各运营商自行确定编号原则,但移动用户识别号码的前四位与H0H1H2H3之间应有一定的对应关系。173.移动用户漫游号码MSRN

移动用户漫游号码MSRN是当呼叫一个移动用户时，为使网络进行路由再选择，VLR临时分配给移动用户的一个号码，结构为13SM0M1M2M3ABC。

M0M1M2M3的数值与H0H1H2H3相同

ABC为各移动局中临时分配给移动用户的号码

MSRN是在一次接续中临时分配给漫游用户的，供入口MSC选择路由用，一旦接续完毕即释放该号码，以便分配给其他的呼叫使用。该号码对用户是透明的。

184.临时移动用户识别码TMSI为了对IMSI保密，VLR可给来访移动用户分配一个唯一的TMSI号码，它仅在本地使用，为一个4字节的BCD编码。由各个VLR自行分配。

195.位置区识别码LAI位置区由若干个基站区组成，当移动台在同一位置区内时可不必向系统进行强迫位置登记。当呼叫某一移动用户时，只需在该移动台当前所在的位置区下属的各小区中寻呼即可。位置区识别码LAI由三部分组成：

移动国家号MCC＋移动网号MNC＋LAC

其中MCC、MNC与国际移动用户识别码（IMSI）中的编码相同，LAC为2字节16进制的BCD码，表示为L1L2L3L4。其中L1L2全国统一分配，L1L2L3L4全为0的编号不用。L3L4由各省分配。

206.MSC/VLR号码

用于在七号信令消息中识别MSC/VLR的号码，规定为13SM0M1M2M3，其中M0M1M2M3的数值与H0H1H2H3相同。

217.HLR号码

在№7信令消息中用来对HLR寻址的号码，HLR的号码规定为13SH0H1H2H30000。

228.切换号码HON当进行移动局间切换时，为选择路由，由目标MSC(即切换要转到的MSC)临时分配给移动用户的一个号码。切换号码HON的结构与漫游号码MSRN的结构类似。235.3移动交换信令系统245.3.1移动交换信令系统的结构

Um接口A-Bis接口A接口255.3.2Um接口协议分层结构

第一层是物理层，该层为无线接口最低层，物理层提供无线链路的传输通道，为高层提供不同功能的逻辑信道，包括业务信道TCH和控制信道，业务信道TCH主要用于传送编码语音和数据，控制信道主要传送用于电路交换的信令信息及移动管理和接入管理的信令信息。

第二层是信令链路层，该层为MS和BTS之间提供了可靠的专用数据链路，基于ISDN的D信道链路接入协议（LAPD），同时也加入了一些移动应用方面的GSM特有的协议，一般称为LAPDm协议。

第三层是应用层，该层主要负责控制和管理的协议层，把用户和系统控制过程的信息按一定的协议分组安排到指定的逻辑信道上。它包括了CM、MM、RR三个子层，CM子层可完成呼叫控制（CC）、补充业务管理（SS）和短消息业务管理（SMS）等功能，MM子层主要完成位置更新、鉴权和TMSI的再分配，RR子层完成专用无线信道连接的建立、操作和释放。

261.无线接口中的信道

无线接口中的信道分为物理信道和逻辑信道，一个物理信道是一个时隙（TS），而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的，这些逻辑信道映射到物理信道上传送。从BTS到MS的方向称为下行链路，相反的方向称为上行链路。逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。

1、业务信道（TCH）用于传送编码后的话音或数据信息。

2、控制信道（CCH）可分为广播信道、公共控制信道和专用控制信道。

27（1）广播信道（BCH）

广播信道分为频率校正信道、同步信道、广播控制信道。这三种信道都是下行信道，可完成点对多点的信息传输。它用于向移动台广播不同的信息，包括移动台在系统中登记所必要的信息。

频率校正信道（FCCH）用于向移动台传送频率校正信号，使移动台能调谐到相应的频率上。

同步信道

（SCH）向移动台传送帧同步和基站识别码（BSIC）。

广播控制信道（BCCH）向移动台传送小区的通用消息，包括位置区识别码，小区内允许的最大输出功率，相邻小区的BCCH载频等信息。

28（2）公共控制信道（CCCH）

公共控制信道包括寻呼信道、随机接入信道、允许接入信道三种。

寻呼信道（PCH）：下行信道，用于寻呼移动台。

随机接入信道（RACH）：点对点上行信道，用于移动台向系统申请专用控制信道。

允许接入信道（AGCH）：点对点下行信道，用于向移动台发送系统分配给该移动台的专用信道号并通知移动台允许接入。

29（3）专用控制信道（DCCH）

专用控制信道包括独立专用控制信道（SDCCH）、慢速随路控制信道（SACCH）、快速随路控制信道（FACCH）。

独立专用控制信道（SDCCH）：点对点下行信道，用于移动台呼叫建立之前传送系统信息，如登记和鉴权等。

慢速随路控制信道（SACCH）：用于传送服务小区及相邻小区的信号强度、移动台功率等级等数据。

快速随路控制信道（FACCH）：用于传送速度要求高的信令信息。

302.数据链路层(第二层)第二层协议称为LAPDm，它是在ISDN的LAPD协议基础上作少量修改形成的。修改原则是尽量减少不必要的字段以节省信道资源。与ISDN的LAPD协议的主要不同之处在于取消帧定界标志和帧校验序列，因为其功能已由TDMA系统的定位和信道纠错编码完成。

LAPDm支持两种操作：1．无确认操作，其信息采用无编号信息帧UI传输，无流量控制和差错校正功能。2．确认操作，使用多帧方式传输第三层信息，可维持所传送的各帧的顺序，可完成流量控制功能，对没有确认的帧采用重发来纠正错误，对不能纠正的错误则报告到移动管理实体。313.信令层(第三层)

第三层是收发和处理信令消息的实体，包括三个功能子层。

①RR(无线资源管理)

其作用是对无线信道进行分配、释放、切换、性能监视和控制，共定义了八个信令过程。

②MM(移动性管理)

定义了移动用户位置更新、定期更新、鉴权、开机接入、关机退出、TMSI重新分配和设备识别等七个过程。

③CM(连接管理)

负责呼叫控制，包括补充业务和短消息SMS的控制。由于有MM子层的屏蔽，CM子层已感觉不到用户的移动性。其控制机理继承ISDN，包括去话建立、来话建立、呼叫中改变传输模式、MM连接中断后呼叫重建和DTMF传送等五个信令过程。

325.3.3A-bis接口信令

A-bis接口是基站收发信系统(BTS)和基站控制器(BSC)之间的接口。由于A-bis接口定义较晚，目前尚未完全标准化，因此尚不能支持BSC-BTS的多厂商环境。

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A接口是BSC与MSC之间的接口，A接口是标准化的接口，因此可以支持BSC-MSC的多厂商环境。

A接口采用7号信令作为消息传送协议，分为三层结构：物理层MTP-1（64kbit／s链路），MTP2／3+SCCP作为第二层，负责消息的可靠传送。MTP-3主要用其信令消息处理功能。由于是点到点传输，因此SCCP的全局名翻译功能基本不用。

应用层作为信令的第三层，称为BSSAP(基站系统应用部分)，包括BSSMAP和DTAP两部分。

BSSMAP(BSS管理应用部分)用于对BSS的资源使用、调配和负荷进行控制和监视。消息的源点和终点为BSS和MSC，消息均和RR相关。某些BSSMAP过程将直接引发RR消息，反之，RR消息也可能触发某些BSSMAP过程。GSM标准共定义了18个BSSMAP信令过程。

DTAP(直接传送应用部分)用于透明传送MSC和MS间的消息，这些消息主要是CM和MM协议消息。

5.3.4A接口信令

345.3.5移动应用部分MAP

在移动通信网中，移动交换中心(MSC)至来访位置寄存器(VLR)的B接口、MSC至归属位置登记器的C接口、VLR至HLR的D接口、不同的MSC之间的E接口，MSC至设备识别寄存器(EIR)之间的F接口都使用移动应用部分(MAP)的信令规程。

MAP是No．7信令系统的应用层协议，是事务处理部分(TC)的用户。MAP的主要功能是在MSC和HLR，VLR，EIR等网络数据库之间交换与电路无关的数据和指令，从而支持移动用户漫游、频道切换和用户鉴权等网络功能。

35MAP信令过程：移动通信应用部分有以下几类信令过程：

．位置登记和删除；

．补充业务的处理；

．呼叫建立期间用户参数的检索；

．频道切换(转换)；

．用户管理；

．操作和维护；

．国际移动设备识别管理；

．支持短消息业务；

．鉴权。365.4移动交换的处理过程37一.移动呼叫处理的特点

1．用户数据集中管理由于移动用户的位置是经常发生变化的，移动用户的用户数据是由用户归属的HLR集中管理的，HLR中主要存储两类信息：移动用户的用户数据，包括移动用户识别号码IMSI、MSISDN、基本电信业务签约信息、业务限制（例如限制漫游）和始发CAMEL签约信息O-CSI、终结CAMEL签约信息T-CSI等数据；移动用户目前所处位置（当前所在的MSC、VLR地址）的信息。同时在用户当前所在位置的的VLR中也会保留用户的部分数据，在呼叫处理过程中，MSC在需要的时候要向HLR和VLR查询相关用户数据，根据这些数据来完成不同的处理。382.位置登记与更新

由于移动用户的位置是经常发生变化的，当用户的位置发生改变时，必须将用户当前所在的位置报告给系统。3.移动用户接入处理

对于MS始发呼叫，不存在用户线扫描、拨号音发送和收号等处理过程，MS接入和发号通过无线接口信令完成，交换机的功能主要是检查MS的合法性及其呼叫权限。对于MS来话呼叫，则要执行寻呼过程。4．信道分配

由于无线接口的频率资源有限，移动用户并没有固定的业务信道和信令信道，而是在通信时由交换机按需给MS分配业务信道和必要的信令信道。395．路由选择由于移动用户的位置是经常发生变化的，所以当移动用户为被叫时始发MSC要向被叫用户归属的HLR查询用户的当前位置，再由被叫用户归属的HLR向被叫当前所在的VLR要求为该次呼叫分配漫游号码，始发MSC通过漫游号码来选择路由6．切换这是移动交换区别于固网交换机的重要特点，它要求交换机在用户进入通信阶段后继续监视业务信道质量，必要时进行切换以保证通信连续性。40二.呼叫处理的一般过程

与固定交换机中的呼叫处理不同，由于无线接口的频率资源有限，移动用户并没有固定的业务信道和信令信道，而是在通信时由交换机按需给MS分配业务信道和必要的信令信道。

MS与移动通信系统的通信一般包括：接入阶段；鉴权加密阶段（如果需要）；完成业务（位置更新、呼叫、发送短消息等）阶段；释放连接阶段。

411.接入阶段的一般处理过程

假设一MS处于激活且空闲状态，当用户要进行通信（包括位置更新、主叫发起的呼叫、收到了交换机发来的对本MS的寻呼消息、发送短消息等）时，

MS将首先申请建立一条RR连接。RR的功能包括物理信道管理和逻辑信道的数据链路层连接等。

422.鉴权与加密

由于移动用户是通过无线接口接入系统的，所以如何确定用户身份的合法性，防止在无线信道上窃听通信信息对移动通信系统是非常重要的。鉴权的目的是确定用户身份的合法性，保证只有有权用户才可以访问网络。加密的目的是保护用户的隐私，防止在无线信道上窃听通信信息。

43鉴权的原理：

44鉴权过程：

45MSC向需被鉴权的MS发送一组参数中的RAND号码；MS将RAND号码、自身SIM卡内存储的IMSI和Ki作为A3鉴权运算电路的输入参数，算出鉴权的符号响应符SRES并将其送回MSC／VLR；MSC将原参数组中由AUC算出的SRES与MS返回的SRES比较，若相同，则认为合法，鉴权成功，网络允许MS接入；否则认为不合法，鉴权失败，拒绝为其服务。465.4.2位置登记与更新

移动通信系统与固定电话系统的一个主要不同之处就是移动台MS的位置是在不断变化的，为了与系统保持联系，MS就需要不断地向系统报告自己当前的位置。

GSM网络被划分为不同的位置区，位置区由位置区识别码LAI标识，每个小区的广播信道广播的系统消息中，都包含该小区所属的位置区识别码LAI，每个MS当前所在的位置区的LAI被保存在MS的SIM卡和该MS位于的VLR中。

471.MS进行位置更新的时间

MS进入了新的位置区，发现当前小区广播信道广播的系统消息中包含的位置区识别码LAI与SIM卡中保存的LAI不一致时；系统定义的周期性位置更新。48在GSM系统中有三个地方需要知道位置信息：HLR、VLR和MS（SIM卡），在MS的位置发生变化时需要保持三者的一致性，在VLR和SIM卡中保存的位置信息是MS当前所在的位置区识别码LAI，在MS归属的HLR中保存的位置信息是MS当前所在的VLR号码。位置更新的两种情况：

同一MSC/VLR区不同的LAI的位置更新，只需更新VLR和MS（SIM卡）中的位置信息；不同MSC/VLR区不同的LAI的位置更新，需更新HLR、VLR和MS（SIM卡）中的位置信息。

49（1）仅涉及VLR与HLR的位置登记和删除过程

在位置更新过程中，如果移动用户(MS)用其识别码(IMSI)来标识自身时，其位置更新过程只涉及用户新进入区域的MSC／VLR及用户注册所在地的HLR。

MS新进入的位置的VLR

MS原来登记位置的VLR

用户注册所在地的HLR

2.正常位置更新的过程

50（2）涉及到前一个VLR的位置更新

当MS从MSC/VLR－B管辖的区域进入MSC/VLR－A管辖的区域，在位置登记时用MSC/VLR－B分配给它的临时号码TMSI来标识自己时的位置更新/删除过程。

经过位置更新过程后，管辖MS当前所在区域的VLR中已存放了该用户主要的用户数据，MS注册的HLR中也已存放了该用户的位置信息。MS原来登记位置的VLR已删除该用户的用户数据。

515.4.3MS主叫处理流程

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