第9章移动交换技术 本章首先介绍移动通信的基本概念 特点及分类 并对移动通信的发展演变过程进行概述 然后 以第2代数字移动系统GSM GPRS为参照 全面地讨论了公用蜂窝移动通信系统的网络结构 系统组成 编号与识别 空中接口 呼叫处理 移动性管理 漫游与切换 网络安全 接口及信令技术 最后对移动软交换的引入 软交换组网结构 网络实体和接口功能 以及移动软交换在3G中的应用与发展进行较全面的介绍 9 1移动通信概述 移动通信是指通信的一方或双方在移动中进行的通信过程 即至少有一方具有可移动性 因此 移动通信可以是移动台与移动台之间的通信 也可以是移动台与固定台之间的通信 移动通信满足了人们无论在何时何地都能进行通信的愿望 因此 20世纪80年代以来 特别是90年代以后 公用移动通信得到了飞速的发展 相比固定通信而言 移动通信不仅要提供与固定通信一样的通信业务 而且由于用户的移动性 其控制与管理技术要比固定通信复杂得多 同时 由于移动通信依靠的是无线电 其传播环境要比固定网中有线介质的复杂 因此 移动通信有着与固定通信不同的特点 1 移动通信的特点 1 用户的移动性 2 电波传播条件复杂 3 噪声和干扰严重 4 系统和网络结构复杂 5 有限的频率资源 2 移动通信分类 1 寻呼系统 2 无绳电话 3 集群移动通信 4 公用移动通信系统 5 卫星移动通信 9 2公用蜂窝移动网 9 2 1网络结构 为了便于各设备之间的互连互通 ITU T于1988年对公用陆地移动通信网 PLMN PublicLandMobileNetwork 的结构 功能和接口及其与公用电话交换网PSTN等的互通做出了详尽的规定 PLMN的功能结构如图9 1所示 图9 1PLMN的网络功能结构 1 功能实体 1 移动台 MS MobileStation 2 基站子系统 BSS BaseStationSutsstem 3 移动业务交换中心 MSC MobileServiceSwitchingCenter 4 归属位置寄存器 HLR HomeLocationRegister 用户信息 位置信息 业务信息 5 拜问位置寄存器 VLR VisitorLocationRegister 6 设备标识寄存器 EIR EquipmentIdentityRegister 7 鉴权中心 AC AuthenticationCenter 8 操作维护中心 OMC OperationandMaintenanceCenter 2 网络接口 1 Um接口 2 网络内部接口 A接口 A bis接口 B接口 C接口 D接口 E接口 F接口 G接口 3 PLMN与其他网络之间的接口 3 区域划分 由于用户的移动性 位置信息是一个很关键的参数 移动通信系统中区域划分如图9 2所示 按从小到大的顺序 包括下列各组成区域 图9 2PLMN网络覆盖区域划分 1 小区 2 基站区 3 位置区 4 MSC服务区 5 PLMN 公用陆地移动通信网 服务区由一个或多个MSC服务区组成 每个国家有一个或多个 9 2 2编号计划 在移动通信系统中 由于用户的移动性 需要采用下列4种编号对用户进行识别 跟踪和管理 1 移动用户号码簿号码 移动用户号码簿号码 MSDN MobileStationDirectoryNumber 指主叫用户呼叫移动用户所拨的号码 其编号方式同PSTN ISDN 在GSM系统中被称为MSISDN 在CDMA系统中被称为MDN MSDN结构为 MSDN CC NDC SN 2 国际移动用户识别码 国际移动用户识别码 IMSI InternationalMobileSubscriberIdentity 是网络识别一个移动用户的国际通用号码 移动用户以此号码发起入网请求或位置登记 网络据此查询用户数据 此号码也是HLR VLR的主要检索参数 3 国际移动设备识别码 国际移动设备识别码 IMEI InternationalMobileEquipmentIdentification 是唯一标识移动台设备的号码 又称移动台电子串号 该号码由制造厂家永久性地置入移动台 用户和网络运营部门均不能改变它 其作用是防止有人使用非法的移动台进行呼叫 ITU T建议IMEI的最大长度为15位 其中 设备型号占6位 制造厂商占2位 设备序号占6位 另有1位保留 4 移动台漫游号码 移动台漫游号码 MSRN MobileStationRoamingNumber 是系统分配给来访用户的一个临时号码 供移动交换机进行路由选择使用 5 位置区识别码 位置区识别码LAI由三部分组成 移动国家码MCC 移动网号MNC 位置区识别码LAC 9 2 3移动网的发展演变 蜂窝移动通信已经历了第1代和第2代系统 目前正在向第3代系统过渡 在未来IP宽带网络系统中 移动通信将作为一种接入手段融入全球IP系统 9 3移动交换基本技术 9 3 1一般呼叫过程 移动网呼叫建立过程与固定网具有相似性 其主要区别表现为 一是移动用户发起呼叫时必须先输入号码 确认不需修改后才发送 二是在号码发出和呼叫接通之前 移动台 MS 与网络之间通过空中接口进行交互和协商 这些操作是机器自动完成的 无需用户介入 但有一段时延存在 下面以GSM为例 介绍移动呼叫的一般过程 1 移动台初始化 2 附着与分离 1 MS开机 网络对其做 附着 标记 2 MS关机 网络对其做 分离 标记 3 MS呼叫 网络对其做 忙 标记 4 周期性登记 3 MS呼叫PSTN 图9 3移动用户至固定用户呼叫流程 4 PSTN呼叫MS 图9 4固定用户至移动用户入局呼叫的基本流程 5 呼叫释放 在移动网中 为节省无线信道资源 呼叫释放采用互不控制复原方式 通信可由任一用户释放 如移动用户通过按挂机键 NO 请求释放 这样一个动作由MS翻译成 断连 消息 MSC收到 断连 消息后 向对端局发送拆线或挂机消息 然后释放局间通话电路 但此时信道资源仍未释放 MSC与MS之间的信道资源仍保持着 以便完成诸如收费指示等附加操作 当MSC决定不再需要呼叫时 它发送一个 信道释放 消息给MS 而MS也以一个 释放完成 消息应答 至此 连接才被释放 MS回到空闲状态 9 3 2自动漫游 漫游 Roaming 是蜂窝移动通信系统的一项重要服务功能 它可使不同地区的移动网实现互连 移动台不但可以在归属服务区中使用 也可以在访问服务区使用 具有漫游功能的用户在整个移动网内都可以自由地呼叫和被呼叫 其使用方法不因位置的不同而异 在移动通信的发展过程中 曾出现过人工漫游 半自动漫游和自动漫游三种服务形式 前两种方式大多用于早期的模拟网 数字蜂窝移动网均支持自动漫游方式 这种方式要求移动网络数据库通过No 7信令网进行互连 网络可自动检索漫游用户数据 并在呼叫时自动分配漫游号码 而对于移动用户来说则是无感的 9 3 3越区切换 1 同一MSC业务区内基站之间的切换 称为MSC内部切换 Intra MSC 图9 5Intra MSC切换过程 2 不同MSC业务区基站之间的切换 称为MSC间切换 Inter MSC 9 3 4网络安全 GSM数字蜂窝移动系统提供了较完备的安全功能 包括用户识别码 IMSI 的保密 用户鉴权和信息在无线信道上的加密等措施 1 IMSI保密 IMSI是唯一识别国际移动用户的识别码 如被截获 就会被人知道行踪 甚至被人盗用 造成经济损失 为此 GSM系统为每个用户提供了一个临时用户识别码 TMSI 该编码在用户入网时由VLR分配 和IMSI一起存在VLR 在MS访问期间有效 MS起呼 位置更新或向网络发送报告时将使用该编码 网络对MS进行寻呼时也使用该编码 如果MS进入一个新的VLR服务区 需要进行如图9 6所示的位置更新 新的VLR首先根据更新请求消息中的TMSI及LAI判定MS原来所在的VLR 即PVLR 然后向PVLR索取该MS的IMSI 再根据IMSI向HLR发起位置更新 请求MS的有关数据 与此同时 PVLR将收回原先分配的TMSI 由VLR重新给MS分配新的TMSI 由此可知 IMSI不在空口上传送 取而代之的是TMSI 而TMSI是动态变化的 降低了IMSI被截获的可能 使IMSI得到了保护 图9 6基于TMSI的位置更新过程 2 用户鉴权 用户鉴权 Authentication 也称为用户认证 其目的是以一种可靠的方法确认用户的合法身份 它不依赖于IMSI MSISDN或IMEI 这是GSM区别于其他系统的一个特色 用户鉴权由鉴权中心 AC VLR和用户协同完成 其鉴权原理如图9 7所示 当MS起呼或进行位置更新时 VLR向该MS发送一个随机数 Rand 用户的SIM卡以随机数和鉴权键 Ki 为输入参数运行鉴权算法A3 得到输出结果 称为符号响应 SRES 回送VLR SRES就是一种数字签名 VLR将此结果和早已算好并暂存在存储器中的结果进行比较 如果两者相符 表示鉴权成功 图9 7用户鉴权原理 3 数据加密 数据加密 Encryption 用于信令和用户信息在空口的保密传送 用户信息是否需要加密可在呼叫建立时进行指示 数字通信系统加密有许多成熟的算法 GSM采用可逆算法A5进行加密 即发送端用A5算法加密 接收端也用A5算法进行解密 为了提高加密性能 GSM系统加密时对每个用户提供一个特定的密钥Kc 如图9 8所示 在鉴权过程中 当计算SRES时 同时利用A8算法计算出密钥Kc 并在BTS和MSC中均暂存Kc 图9 8加密过程 4 移动台识别 图9 9设备识别过程 9 4接口与信令 接口与信令是移动网联网的关键 要实现全球漫游 各移动网必须遵从统一的信令规范 并采用统一的无线传输技术 GSM系统设计的一个重要出发点是支持全球漫游和多厂商环境 因此定义了完备的信令协议 其接口规范和信令协议结构对第3代移动通信系统的标准化具有很大的影响 本节主要介绍GSM系统移动交换信令 GSM交换信令主要包括空中接口信令 基站接入信令 核心网络接口及其信令在9 5节介绍 9 4 1空中接口信令 GSM空中接口继承了ISDN用户 网络接口概念模型 其控制平面包括物理层 数据链路层和信令层三层协议结构 1 物理层2 数据链路层 图9 10LAPDm帧格式 3 信令层 信令层即第三层 是收 发和处理信令消息的实体 其主要功能是传送控制和管理信息 它包括三个功能子层 1 无线资源管理 RR 其作用是对无线信道进行分配 释放 切换 性能监视和控制 GSM共定义了8个信令过程 2 移动性管理 MM 定义移动用户位置更新 鉴权 周期更新 开机接入 附着 关机退出 分离 TMSI重新分配和设备识别等7个信令过程 3 连接管理 CM 负责呼叫控制 包括补充业务和短消息业务的控制 由于有MM功能子层的屏蔽 CM子层已感觉不到用户的移动性 其控制机理继承了ISDN的UNI原理 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5个信令过程 图9 11空中接口第三层信令消息结构 图9 12呼叫建立信令过程 9 4 2基站接入接口 图9 13基站系统结构与接口 1 A bis接口信令 图9 14A bis接口信令消息结构 2 A接口信令 图9 15A接口信令分层结构 图9 16GSM系统无线接入侧信令协议模型 9 5移动应用部分 GSM核心网接口包括B G 接口上层信令为移动应用部分 MAP MAP是基于No 7信令系统的应用层协议 由SCCP和TCAP支持 其主要功能是支持MS移动性管理 漫游 切换和网络安全 为实现全球网络互联 GSM系统需要在MSC和HLR AUC VLR和EIR等网络部件之间频繁地交换数据和指令 这些信息都与电路无关 因此最适合采用No 7信令方式传送 MSC与MSC之间及MSC与PSTN ISDN之间关于话路接续的信令则采用No 7信令的TUP ISUP协议 MAP是应用层协议 它必须在SCCP和TCAP的支持下才能完成相关工作 因此 下面首先结合