移动交换技术(3学时).ppt

1,移动交换技术,同济大学信息与通信工程系薛小平 教授,2,移动通信的基本概念移动通信就是指通信的双方，至少有一方是在移动中进行的通信，即移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信 通信系统中仅支持终端移动，不支持交换/路由设备的移动基础设施是固定的，基础设施之间可通过有线链接通信移动通信的主要特点移动过程中，要保持通信连接不能中断(通信连接包括话间连接,数据连接)移动通信网与其他公网的相互接续功能，并要有计费能力,1 移动通信系统,3,1 移动通信系统,移动通信要解决什么问题？解决基站覆盖的问题，让移动台在任何时间、任何地点都能连接到基站通信对象在哪里？如何建立通信连接？即移动性管理移动台和基站间的数据通信速率问题，这是2G3G 4G 5G的关键所在核心网络的数据支撑,移动通信与传统的固定通信，有什么区别？（1）固定网中，话音终端的位置是固定的a可以方便地找到通信目的终端位置，方便电路的建立（2）移动通信网中，话音终端的位置不固定，找不到目的终端在哪里?怎么建立电路呢？因此一定要有办法知道，通信对端的位置，有了位置，就好办了。（3）怎么找到每个终端的位置呢？办法是将每个终端的当前位置保存在数据库中，通话时只要查找数据库就行了（4）用户在通话期间还在移动，怎么办？（5）如何来标识位置呢？蜂窝的基站是基础，多个基站构成一个LA（位置区域）（6）信道会发生变化吗？会，因此，要有信道切换,4,2 移动通信的系统组成,以公众蜂窝数字移动通信系统为例由移动台(MS)、基站(BS)、移动业务交换中心(MSC)及与市话网(PSTN)相连的中继线等组成,公用固网,移动网,无线小区,移动台,5,2 移动通信的系统组成,GSM系统可分为四大子系统交换子系统(MSS)或网络子系统(NSS)基站子系统(BSS)移动台(MS)操作维护子系统(OSS)此外还包括数据库归属位置寄存器(HLR)访问者位置寄存器(VLR)设备识别寄存器(EIR)鉴权中心(AUC),6,2 移动通信的系统组成,1.移动台移动台依靠无线接入，不存在固定的线路基本功能能通过无线接入进入通信网络，完成各种呼叫控制和处理人-机接口(例如，要实现话音通信必须要有送、受话器，键盘以及显示的屏幕等)可选功能与其他终端设备(如接到个人计算机或传真机等)通信接口广义的移动终端是上述功能部件的总和，包括:移动台、终端适配器和专用的终端设备,7,2 移动通信的系统组成,用户识别移动台必须有用户的识别号码，用于识别用户的数据资料用户信息注入移动台的方式由电话局一次性注入移动台采用用户识别模块，用户识别模块可以做成信用卡的形式，在移动台上只配有读卡装置,8,2 移动通信的系统组成,2.基站子系统(Base station Subsystem，BSS)包括GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有地面基础设施，移动台与交换机之间的桥梁与移动台通信通过无线的接口直接与移动台通信完成无线信道的发送、接收和管理与交换机通信通过适当的接口连接到网络端的交换机受到网络管理系统的控制,9,2 移动通信的系统组成,BSS可分为两部分基站收发信台(BTS)：通过无线接口与移动台，负责无线传输基站控制器(BSC)：与交换机相连，BSC负责控制和管理,10,2 移动通信的系统组成,11,3.交换子系统(MSS)信息的交换和整个系统的集中控制管理实现在整个服务区内任意两个移动用户之间的通信联系，从而构成自成体系的移动电话网移动业务交换中心再经过中继线与市话局连接，实现移动用户与市话用户之间的通话，从而构成有线与无线相结合的复杂的移动通信网根据无线信道上传输的话音信号是模拟信号还是数字信号，蜂窝移动电话系统又可以分为模拟蜂窝移动电话系统数字蜂窝移动电话系统,2 移动通信的系统组成,12,2 移动通信的系统组成,交换子系统(MSS)包括移动交换中心(MSC)和数据库(存储用户数据和移动管理信息)交换功能：由移动交换中心MSC提供，主要处理和协调GSM系统内部用户的通信接续，不论是主叫还是被叫用户数据或信号指令：MSS也传递GSM数字移动通信网内各实体之间的用户数据或信号指令 互联：MSC与某些网络的互联需要通过一定的适配才能符合对方网络对传输的要求用于适配的功能块，称为IWF(Interworking Functions)通常由传输和规程适配设备组成，用以实现与分组交换公众数据网(PSPDN)或电路交换公众数据网(CSPDN)互联MSC通常是一个相当大的数字程控交换机，能控制若干个BSC,MSS是增加了控制BSC功能的数字程控交换机，在交换前去查一下被叫用户的当前位置,13,数据库（用于移动性管理）归属位置寄存器(HLR)：用户所在地的位置寄存器，掌管与电信业务有关的用户信息访问者位置寄存器(VLR)：直接与一个或多个MSC连接在一起，存储当时在其管辖下的用户所处位置的精确数据以及其他的用户数据,2 移动通信的系统组成,14,图7.3 交换分系统的内部结构,2 移动通信的系统组成,15,3.1 归属位置寄存器(HLR)（也有叫属地位置寄存器）归属位置寄存器(HLR)是用户所在地的位置寄存器是数字集群系统的中央数据库存储HLR控制的所有的移动用户的相关数据包括：MS的操作数据、MS的服务状况、MS的活动情况等HLR的数据分为两种永久性的数据，由数据管理中心设定的临时性的数据，由网络实时设定的并且不断更新,2 移动通信的系统组成,16,3.2 访问位置寄存器(VLR)-登记用户当前所在的位置访问者位置寄存(VLR)用于存储来访用户位置信息的数据库登记用户当前所在位置，并将所在位置通知用户原归属地的归属位置寄存器一个VLR通常为一个MSC控制区服务，也可为几个相邻MSC控制区服务,2 移动通信的系统组成,17,2 移动通信的系统组成,访问位置寄存器VLR是一个动态用户数据库存储其覆盖区内的移动用户的全部有关信息，以便MSC能够建立呼入和呼出的呼叫VLR从该移动用户的归属位置寄存器中获取并存储有关该用户的数据，一旦移动用户离开该VLR控制区域，则重新在另一VLR登记，原VLR将取消临时记录的该移动用户数据,18,3.3 鉴权中心（确保用户接入安全，阻止非法用户进入系统）鉴权中心(AUC)的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络并获得服务3.4 设备识别寄存器设备识别寄存器(EIR)是存储移动台设备参数的数据库，用于对移动设备的鉴别和监视，并拒绝非法移动台入网,2 移动通信的系统组成,19,4.操作维护子系统管理对象：交换设备、基站设备、用户数据以及移动台操作维护子系统位于操作人员和被操作的设备之间一侧是接到电信设备；另一侧是接到计算机工作站作为人-机接口专门的操作维护的设备称为操作维护中心(OMC)：与基站分系统和交换分系统的设备直接相连管理无线设备的OMC-R管理交换设备的OMC-S用户管理包括两个方面：用户数据管理和计费管理,2 移动通信的系统组成,20,操作维护分系统的结构,2 移动通信的系统组成,21,移动台的管理在GSM网络的结构中专门有一种设备负责移动台的管理-设备识别寄存器(EIR)EIR是一个数据库用于保存网内每个移动台的设备数据,2 移动通信的系统组成,22,3 移动交换控制,3.1 移动呼叫处理3.2 移动交换的基本技术3.3 网络安全技术,23,3 移动交换控制,3.1 移动呼叫处理移动台初始化移动通信中，通信的建立与移动台的位置密切相关，移动台要进行位置登记后才能进行通信移动通信系统将服务区分为许多位置区，并指定不同的识别码，位置区识别码分别由各区的广播控制信道广播,24,3 移动交换控制,位置登记的情况移动台首次进入移动通信系统时：必须进行位置登记，即通过MSC把有关的数据存放在归属位置寄存器中移动台移动到新的位置：通过自动扫描，捕获当前所在小区的广播信道,通过接收广播控制信道来获得所在移动网号、基站号和位置区域等信息，并存入存储器中移动判定：当移动台发现收到的用户位置区识别码改变时，可以判定移动用户漫游到新的位置区，需要用其移动用户识别码证明其身份，并向该区的访问位置寄存器(VLR)申请位置登记,25,3 移动交换控制,2 呼叫接续控制固定网至移动台的呼叫接续控制,26,3 移动交换控制,移动台主叫的呼叫接续控制移动台至固定网的呼叫移动台至移动台的呼叫,移动台至固定网的呼叫移动台向MSC发出呼叫建立信息MSC接收并进行分析，确定被叫用户是固定通信网络市话用户，启动固定通信网的通信线路MSC直接将被叫号码送入公用固定通信网，连接被叫交换机一旦接通被叫用户的链路，MSC便向主叫移动台发出呼叫建立证实，并给移动台分配专用业务信道移动台等候被叫用户响应证实信号,27,3 移动交换控制,移动台至移动台的呼叫若被叫用户是另一移动台，MSC根据该移动台上次登记的位置信息，在相应的区域内向所有基站广播呼叫该移动用户的识别码该移动台收到与自身相符的寻呼信息后，即检查上行控制信道的空闲状况若空闲，则移动台在该信道中发寻呼响应确定该移动台所在的小区找出一条空闲的话音信道通知有关基站，启动发射机发检测音通过控制信道给移动台转移信道指令和信道号,28,3 移动交换控制,移动台收到指令后，自动调谐到指定的话间信道，并环回检测音给基站，以证实能否在该信道上建立正常的通信若能，则基站给移动台送振铃信号移动台应答，MSC监测双方的通话,29,3 移动交换控制,3.2 移动交换的基本技术漫游技术移动用户由归属交换局控制区进入被访问交换局控制区后，仍能获得移动业务服务的网络功能，称为漫游漫游是移动通信特有的技术，它可以使不同地区的蜂窝移动网实现互连具有漫游功能的用户，在整个连网区域内任何地点都可以自由地呼出和呼入根据系统对漫游的管理和实现不同，可分为：人工漫游、半自动漫游、自动漫游,30,3 移动交换控制,漫游的分类人工漫游：由话务员通过座席上的人-机命令，为漫游用户分配用户数据记录，同时将用户号码置入号码分析模块单元，这样漫游用户可以和其他归属局一样，发出各种呼叫；呼入也由话务员处理；半自动漫游：漫游用户至访问区发起呼叫时由访问人工台辅助完成，但漫游号回收困难，很少使用；全自动漫游：要求网络数据库通过七号信令网互连，网络可自动检索漫游用户的数据，并自动分配漫游号，并且这些操作对用户透明,31,3 移动交换控制,切换技术切换是移动通信的重要功能，移动台在移动过程中，为保持与网络的持续连接而发生的波道切换技术正在通话的MS从一个小区移动到另一个小时，移动业务交换中心MSC命令该MS从本小区的无线信道转接到另一个小区的无线信道，以保持通话的连续性越区切换和越局切换,32,3 移动交换控制,当移动台从一个小区移动到另一个小区时，移动台根据接收信号电平、质量等判断是否需要越区切换在通话过程中，移动台不断地向所在小区的基站报告小区和相邻小区基本的无线环境参数(包括接收信号电平、质量等)本小区的基站依据所接收的该移动台无线环境参数来判断是否应当进行越区切换当满足切换条件时基站便向移动台发出越区切换请求同时将越区切换请求信息传送给MSC，MSC判断此基站位置码是否属于本MSC管理,33,3 移动交换控制,如果属于同一MSC管理-越区切换MSC通知访问位置寄存器寻找一条空闲信道；MSC将工作频率切换到空闲信道的频率值上，并进行环路核准；核准信息经MSC核准后，MSC通知BS释放原信道如果环路核准不符，则MS重发，直到核准正确为止如果属于其他MSC管理-越局切换原MSC将越区切换请求传送给新MSC新MSC通知其访问位置寄存器寻找一条空闲信道新的MSC将查询得到的新基站号、信道号的频率值及移动用户识别码经过原MSC的BS发送给MS，然后进行环路核准与释放过程,34,3 移动交换控制,切换控制方法Network ControlledSwitch requests/assembles measurement reports of received signal strength at the mobile from several base stations and makes decisionAMPS(Advanced mobile phone system)Mobile AssistedMobile device measures signal strength and informs network of need to handoffNetwork makes the final decisionGSM/CDMAMobile ControlledMobile device measures signal strengths and makes decision802.11,MIP,35,3 移动交换控制,3 网络安全技术GSM网络在网络安全方面提供了较为完备的网络安全功能，包括用户识别码的加密、用户鉴权以及用户通信信道的加密,36,3 移动交换控制,移动用户和移动台的识别码1)国际移动用户识别码(IMSI)IMSI是给每个用户分配一个唯一的国际移动用户识别码，这个识别码在GSM系统所有服务区中都是有效的呼叫建立与位置更新时，要将移动用户的IMSI存储在HLR和VLR中，IMSI组成如图所示，它的总长不超过15位数字，采用十进制编码,MCC是移动用户所属国家代号，占3位数字，中国的MCC规定为460MNC是移动网号码，最多由两位数字组成，用于识别移动用户所归属的移动通信网MSIN是移动用户识别码，用以识别某一移动通信网中的移动用户,37,3 移动交换控制,临时移动用户识别码(TMSI)为了防止IMSI在无线链路上传输被截获,移动通信系统为每个用户提供了一个临时用户识别码在无线传输路径中，用临时用户识别码来代替移动用户识别码，以达到安全的目的,38,3 移动交换控制,2.移动台的号码移动台国际ISDN号码(MSISDN)移动台漫游号码(MSRN)信道切换号码3.位置区和基站的识别位置区识别(LAI)全球小区识别(CGI)基站识别码(BSIC),LAI的组成 BSIC的组成,39,3 移动交换控制,相关知识位置区识别码(LAI)LAI用于移动用户的位置更新LAI=MCC+MNC+LAC MCC=移动国家码，识别国家，与IMSI中的三位数字相同MNC=移动网号，识别不同的GSMPLMN网，与IMSI中的MNC相 同LAC=位置区号码，识别一个GSMPLMN网中的位置区LAC的最大长度为16bits,一 个GSMPLMN中可以定义65536个不同的位置区小区全球识别码(CGI)CGI是用来识别一个位置区内的小区它是在位置区识别码(LAI)后加上一个小 区识别码(CI)CGC=MCC+MNC+LAC+CI CI=小区识别码，识别一个位置区内的小区，最多为16bits基站识别码(BSIC)BSIC用于移动台识别不同的相邻基站，BSIC采用6比特编码,40,3 移动交换控制,MS,MSC,VLR(新),VLR(旧),HLR,位置登记请求,更新位置区域,传送参数(TMSI),送参数(TMSI),位置更新,位置更新接受,区域位置更新接受,位置登记证实,TMSI的更新过程,41,3 移动交换控制,用户鉴权用户认证，确认移动台通过无线传送的移动用户识别码(IMSI)是否为签约的IMSI用户鉴权由鉴权中心(Authority Center,AC)、位置寄存器(VLR)和用户配合完成,42,3 移动交换控制,方法网内用户入网登记时，分配一个用户电话号码和一个移动用户识别码(IMSI)IMSI写入用户识别卡(SIM卡)的同时，产生一个与该IMSI对应的唯一用户鉴权密钥(Ki)用户鉴权密钥同时存储在用户的SIM卡和鉴权中心用户鉴权中心产生随机数(RAND)随机数和Ki经鉴权算法(A3)计算，产生一个响应数(SRES)鉴权过程就是将移动台产生的响应数与网络产生的响应数相比较的过程,43,3 移动交换控制,GSM的鉴权过程,44,3 移动交换控制,GSM的加密过程,用户通信信息的加密信息加密是指基站和移动台之间交换的用户信息和用户参数不被截获或监听用户信息是否需要加密可在呼叫建立时由信令指明,加密过程网络方送入的RAND和Ki经A8(信息加密密码生成算法)计算得到一个用户特定的密钥Kc，存于SIM卡和AC中鉴权时，RAND送到用户，鉴权成功后，Kc送往基站,45,3 移动交换控制,GSM的鉴权过程,Summary:鉴权与加密GSM的加密过程是通过利用滑动门功能来完成鉴权和加密的;在GSM中，鉴权过程是建立在称为唯一询问响应方案的基础上的,46,4 移动交换接口信令,信令是移动交换的神经，关系到移动网能否互联移动终端与网络之间的接口称为无线接口开放的接口，保证不同厂商的移动台与不同厂商的系统设备之间互通无线接口分为三层：物理层、数据链路层和信令层移动通信的无线接口信令有三个层次组成物理层数据链路层信令层,47,4 移动交换接口信令,(1)物理层(二大类，五种信道)GSM无线信道分为：业务信道(Traffic Channel,TCH)和控制信道(Control Channel,CCH)业务信道：用于传送编码和加密后的用户信息，包括话音和数据；控制信道：用于传送信令或同步数据，又称信道信道；可分为：广播信道(Broadcast Channel,BCH)公共控制信道(Common Control Channel,CCCH)专用控制信道(Direct Control Channel,DCCH)随路控制信道(Associated Control Channel,ACCH),48,4 移动交换接口信令,广播信道(三种类型)供基站发送单向广播信息，使移动台与网络同步，共有三种广播信道广播控制信道(Broadcast Control Channel,BCCH)，用于向移动台广播发送系统通用信息(小区特定信息)，例如位置区标识码(Location Area Identification,LAI)、移动网标识码(Mobile Network Code,NMC)、邻接小区基准频率及接入参数等频率校正信道(Frequency Corrected Channel,RCCH)，携带用于校正移动台频率消息，使移动台校正其工作频率同步信道(Synchronous Channel,SCH)，携带MS的帧同步和基站收发信台的识别码信息，使移动台识别相邻的同频基站,49,4 移动交换接口信令,公共控制信道(CCCH)-用于系统寻呼和移动台接入，共有三种公共控制信道寻呼信道(Paging Channel,PCH),用于寻呼MS，下行信道，即由基站发往移动台随机接入信道(Random Access Channel,RACH)，上行信道，移动台使用，向系统申请入网信道；作为寻呼的响应或MS主叫登记时的接入，包括呼叫时移动台向基站发送的第一个消息接入允许信道(Access Given Channel,AGCH),下行信道，用于向MS通知所分配的业务信道和独立专用控制信道,50,4 移动交换接口信令,专用控制信道和随路信道用于在网络和移动台间传送网络消息以及无线设备间传送低层信令消息，具体包括：独立专用控制信道、慢速随路控制信道(Slowly Associated Control Channel,SACCH)和快速随路控制信道(Fast Associated Control Channel,FACCH),51,4 移动交换接口信令,(2)数据链路层无线接口的数据链路层采用类似于D通道的链路接入协议(Link Access Protocol of D-Channel,LAPD)，为了表示区别，称为LAPDm与LAPD的区别LAPDm 没有采用标志来实现帧定界，帧定界由无线接口物理层来完成；LAPDm 没有帧检查序列，它由物理层的信道编码来实现检错、纠错；加长了长度指标以区分信息字段与填充比特地址字段、控制字段虽然相同，但具体的编码也有所不同,52,4 移动交换接口信令,(3)信令层信令层是收发和处理信令的实体，由无线资源管理来建立、改变和释放无线信道，包括三个功能子层：无线资源管理(Radio Resource Management,RR)移动性管理(Mobility Management,MM)连接管理(Connection Management)无线资源管理完成专用无线信道连接的建立、操作、释放、性能监视和控制，它是在移动台与基站子系统间进行的，共定义了8个信令过程移动性管理完成位置更新、定期更新、鉴权、开机接入、关机退出、临时移动用户号码分配和设备识别等7个过程连接管理完成电路交换的呼叫建立、维持和结束，并支持补充业务和短消息业务,53,4 移动交换接口信令,在无线资源管理、移动性管理层上支持的业务有正常呼叫和紧急呼叫的呼叫控制业务，包括与通话有关的补充业务、短消息；与通话无关的补充业务，涉及的格式及程序各不相同,54,4 移动交换接口信令,来话呼叫建立信令过程,描述了移动台被叫的呼叫建立程序，用来说明第三层各子系统间的关系和信息流程,55,4 移动交换接口信令,2 基站接入信令基站子系统可以分为两部分：基站收发信台(Base Transceiver Station,BTS)基站控制器(Base Station Controller,BSC)Um直接和用户连接，称为空中接口，所有和信令相关的消息都源于此接品，是理解用户侧信令最重要的接口,56,4 移动交换接口信令,A-bis接口信令A-bis接口为基站收发信台与基站控制器之间的接口一个BSC可以控制分布于不同地点的多个BTSA接口为基站与移动交换中心之间的接口，也称为无线接入接口传送有关移动呼叫处理、基站管理、移动台管理及信道管理等信息并与Um接口互通，在MSC和MS之间互传信息,57,4 移动交换接口信令,第二层采用D通道链路接入协议(LAPD)，有三种链路逻辑链路分别称为无线信令链路(Radio Signaling Link,RSL)操作和管理链路(Operations and Management Link,OML)第二层管理链路(L2ML),58,4 移动交换接口信令,第三层：业务管理过程、网络管理过程和第二层管理过程三个实体，分别对应于业务接入点(Service Access Point Identification,SAPI)标识取值0，62和63业务管理过程有两大主要任务透明传送绝大部分的无线接口信令消息，以适配无线和有线接口不同的低层的协议要求对基站收发信台的物理层和逻辑设备进行管理通过BSC-BTS之间的命令来证实消息序列来实现消息的源点和终点就是基站控制器和基站收发信台与无线接口消息没有对应关系,59,4 移动交换接口信令,GSM将BTS的管理对象定义了下述四个管理子过程无线链路层管理：负责无线通路数据链路层的建立、释放及透明消息的转发专用信道管理：负责TCH、SDCCH和SACCH的激活、释放、性能参数和操作方式控制以及测量报告等控制信道管理：负责不透明消息转发及公共控制信息的负载控制收发信机管理：负责收发信机流量控制和状态报告等,60,4 移动交换接口信令,A接口信令A接口信令采用7号信令作为消息传送协议GSM将A接口令令归为三层结构，即物理层、链路层和应用层应用层包括3个应用实体操作维护应用部分直接传送应用部分管理应用部分,61,4 移动交换接口信令,3网络接口信令MAP接口移动交换系统的网络接口主要有B-G六种接口由移动应用部分(Mobile Application Part)支持，因此称为MAP接口,62,INAP与TCAP,7号信令是由CCITT制定的，支持现有网络中话音呼叫和非话音呼有关的信息的共路信令系统协议结构如图所示,MAP:Mobile Application PartINAP:Intelligent Network Application ProtocolSCCP:Signaling Connection and Control PartTACP:Transaction Capabilities Application PartMTP:Message Transfer Part,63,习题,P.124第1题-第14题思考题移动交换与固定交换之间的相同点和差异?移动交换的信令与固定交换的信令之间的差异?你是如何理解协议的?你所理解的移动交换中的安全措施有哪些?请说明其特点在移动交换中,确定移动台位置的方法有哪些?说明LAI、Paging以及信道之间的关系？试说明移动交换的移动台到移动台的接续过程?HLR,VLR的作用是什么?如何保证HLR和VLR数据的一致性?移动通信网由哪些部分组成?各部分的功能和作用是什么?为什么在移动网络中需要LAI(位置区域标识)?LAI与蜂窝之间的关系是什么?如何解决MS在移动过程中的乒乓问题?,