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1、第 2 章 第二代移动通信网络及其移动性管理第一代移动通信系统采用模拟技术，有多种制式，我国主要采用的是TACS。第二代移动通信系统主要有欧洲的GSM 和北美的DAMPS 和 CDMA 技术等，目前我国广泛应用的是GSM 系统。第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成了模拟技术向数字技术的转变，其主要特性是为移动用户提供数字化的语音业务以及低速数据业务。2.1 第二代移动通信网络系统2.1.1 蜂窝系统的发展蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及
2、表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。直到 1979 年美国在芝加哥开通了第一个AMPS(先进的移动电话业务)模拟蜂窝系统，而北欧也于1981 年 9 月在瑞典开通了NMT(Nordic 移动电话)系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C450 系统等。蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述第第一代模拟系统有四个主要的缺点：1、各个系统之间没有公共接口；2、很难开展数据承载业务；3、频谱利用率低无法适应系统大容量的需求；4、系统安全保密性差
3、，易被窃听，易做“假机”。尤其是在系统间没有公共接口，因此系统相互之间不能漫游，给移动用户造成很大的不便。第二代蜂窝移动通信系统主要包括GSM、IS-95 以及 D-AMPS 三种。我国的第二代蜂窝移动通信系统使用的是GSM 标准制式。2.2GSM 系统GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。GSM 数字移动通信系统史源于欧洲。早在1982 年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用
4、。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982 年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组Group Special Mobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。1991 年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM 更名为“全球移动通信系统”（Global System for Mobile Communications）。从此移动通信的发展跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组
5、还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCS1800系统。该系统与GSM900 具有同样的基本功名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 16 页 -能特性，因而该规范只占GSM 建议的很小一部分，仅将GSM900 和 DCS1800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，GSM900 和 DCS1800两个系统均可通称为GSM 系统。2.2.1GSM 的业务和功能GSM 小组在概念上受到无线网向ISDN 发展的强烈影响，为发展与有线标准相兼容的无线数字标准，小组决定GSM 标准将尽可能地接近ISDN标准。这意味着GSM 与 ISDN 将使用相同的信
6、令方案和信号特性。这一决定使得有线与无线需建立统一的接入平台和统一的业务特性。由 GSM 网络支持的电信业务是由网络营运者提供给用户的通信能力。GSM 网络，与其它网络，如PSTN 一起为用户提供服务。GSM 小组受到了ISDN 提供业务的影响，他们打算 GSM 可以提供与ISDN 一样的业务。但由于受空中接口的影响，对宽带业务目前无法提供支持。ISDN 支持 64kbps 的话音作为基本服务，GSM 由于空中接口达不到这么高的速率不可能做到。由GSM 支持的电信业务包含无线ISDN 及现有模拟蜂窝系统和无线寻呼系统提供的一切业务。GSM 中的电信业务可分成两组：基本业务(basic serv
7、ices)和补充业务(supplementary services)。基本业务进一步又可分为以下两个项目：电信业务(teleservices)和承载业务(bearer services),见图 2-1 所示。1承载业务这类业务主要是保证用户在两个接入点之间传输有关信号所需的带宽容量。主要使用户之间实时可靠地传递信息（语音、数据等等）。这类业务与OSI 模型的低三层有关。承载业务定义了对网络功能的需求。提供各种承载业务，GSM 用户能够发送和接收速率高达9600bps 的数据，由于 GSM 是数字网，在用户和 GSM 网络之间不需Modem，虽然话音 Modem 在 GSM 和 PSTN 接口方
8、面仍然需要。表 2-2 列出了 GSM 支持的支持业务。表 2-2 承载业务业务内容异步数据3009600bps 同步数据12009600bps PAD 接入300-9600bps,分组打包和拆包，为GSM 用户接入分组网提供一个异步连接。该业务只能由移动台主叫发起。分组接入2400-9600bps，为 GSM 用户接入分组网提供一个同步连接。该业务只能由移动台主叫发起。话音/数据交替在呼叫过程中,提供话音和数据的交替。话音后数据先话音连接,而后进入数据连接。2电信业务这类业务主要是提供用户足够的容量，包括终端设备功能，与其它用用户终端GSM网可 能 的传输网端网用户终端电信业务承载业务图 2
9、-1 电信业务和承载业务名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 16 页 -户的通信。它们结合了与信息处理功能相关的传输功能，使用承载业务来传送数据及提供更高层的功能。这些更高层的功能与OSI 模型中的 4-7 层相对应。电信业务包括网络及终端容量，如电话、传真等等。而承载业务将用于携带包括话音的数据串给终端，电信业务将它转换成用户可以听到的声音。表2-3 列出 GSM 支持的电信业务情况。表 2-3 电信业务业务内容话音服务全速（13kbps），半速（6.5kbps）。这项服务提供语音信息和语音信号到网络的传输紧急呼叫典型的是，紧急电话在一些受限的情况下，更具有优先权。
10、一般只提供移动用户主叫发起。短消息服务（到移动电话终端，MT/PP）短字符消息，小于 160 个字符。这项服务用于消息处理系统（服务中心）提供短消息给移动用户。短 消 息 服 务（移 动 电 话 发 起，MO/PP）短字符消息，小于 160 个字符。这项服务用于移动用户给消息处理系统（服务中心）提供短消息。以下由移动用户发起的呼叫可以进行传输：一个在存储器中预先存储的消息；从拨号盘上发起的一串数字；从另外的键盘或设备终端与移动台相连的信息。短消息传输（小区广播）短字符消息，小于93 个字符。这项服务用于传输对小区范围内的所有的移动用户。这是一点对多点的服务。自动传真第 3 类传真。这项服务自动
11、提供第3 类呼叫和被呼模式传真。3补充业务(Supplementary services)这类业务在承载业务和电信业务基础上获得的。一项补充业务是在联合一项或多项承载业务中使用，它不能单独使用，它必须和基本电信业务一起提供给用户，相同的补充业务对一系列电信业务来说是有利的。前向呼叫是补充业务一个例子，对于该业务的预要求是电话或传真业务。如果用户要求，前向呼叫业务能在电话和传真呼叫中应用。表2-4 给出了 GSM 支持的补充业务。表 2-4 GSM 支持的补充业务业务内容号码识别主叫号码显示(CLIP)主叫线号码限制(CLIR)连接线显示(CoLP)连接线限制(CoLR)呼叫服务前向呼叫无条件转
12、移（CFU）移动台忙时前向呼叫（CFB）无应答前向呼叫（CFNRy）移动用户未能达到前向呼叫（CFNRc）呼叫完成呼叫保持（HOLD）呼叫等待（CW）多方多方业务(MPTY)兴趣群体密切用户群(CUG)计费计费信息提示(AoCI)计费费用提示(AoCC)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 16 页 -呼叫限制所有呼叫禁止(BAOC)国际呼出禁止(BOIC)除拨向归属国家的国际呼出禁止(BOIC-exHC)所有呼入禁止(BAIC)漫游出归属国家呼入禁止(BIC-Roam)无结构化无结构化补充业务数据运营者确定限制由运营者确定的不同呼叫/业务限制2.2.2 GSM 通信网
13、络组成结构GSM 系统框图如图2-2 所示，A接口往右是网路交换子系统（NSS），它包括有移动业务交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），A接口往左 Um 接口是 BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。图 22 GSM系统框图在 GSM 网上还配有短信息业务中心（SC），即可开放点对点的短信息业务，类似数字寻呼业务，实现全国联网，又可开放广播式公共信息业务。另外配有语音信箱，可开放语音留言业务，当移动被叫
14、客户暂不能接通时，可接到语音信箱留言，提高网路接通率，给运营部门增加收入。1.移动台（MS）移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡（SIM）。移动终端完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。SIM 卡存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM 卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM 后移动终端才能接入进网（紧急呼叫除外），但SIM 卡本身不是代金卡。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 16 页 -2.无线基站子系统BSS系统是在一定的无线
15、覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。a.基站控制器（BSC）：一个基站控制器（BSC）具有对一个或多个BTS进行监视和控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等。BSC 通过 BTS 和 MS的远程命令对无线电接口进行管理，主要有无线信道安排和释放、切换的安排。BSC 向下连接一系列BTS，向上连接移动交换中心（MSC）。一个 BSC 及它相应的BTS 看成是基站子系统（BSS）。b.基站收发信机（BTS）无线接口设备，它完全由BSC控
16、制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。一个 BTS 由无线收发信机及多块用于无线电接口的信号处理模块组成。在朝BSC 侧，BTS 区分与移动台有关的话音和控制信令，并通过各自信道传给 BSC。在朝 MS 侧，BTS 将信令和语音合在一个载波上。BTS 位置通常在小区中心。BTS 的发射功率决定小区的尺寸。一个典型的BTS 通常具有1 到 24 个收发信机（TRX），每个 TRX 代表一个单独的RF 信道。基站的各种配置与应用有关，一些基站是在野外使用，必须考虑到环境和机械强度，如一年的天气变化等等。另一些是在室内使用的，审美更为重要。室内使用的一个重要
17、因数是尺寸要小。基站可设置成扇形或全向。一个BTS 可控制一个扇区或多个扇区。另外需要的设备有供电系统及一旦掉电用的后备电源。3.网路交换子系统网路交换子系统（NSS）主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。NSS 由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：c.移动交换中心（MSC）：MSC 是 GSM 系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，它主要由交换机及支持呼叫建立所需的几个数据库组成。它还是GSM 网和 PSTN 之间的接口。MS
18、C 完成由 MSC 负责区域的移动用户所有的交换和信令功能。一个 MSC 可以连接数个BSC。除了支持BSC之外,MSC还处理 BSC/MSC 内部的切换及相互之间的呼叫。MSC 具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新、越区切换等。为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就远进入关口MSC（GMSC），由该GMSC 查询有关的HLR，并建立至移动台当前所属的MSC 的呼叫路由。d.归属位置寄存器（HLR）：HLR是存储管理部门用于移动客户管理的数据，每个移动用户都应在其归属位置寄存器（HLR）注册登记。从逻辑上讲,每个移动网有一个HLR。HLR所存储的用户信息分为两
19、类：一类是一些永久性的信息，例如用户类别，业务限制,电信业务，承载业务，补充业务，用户的 IMSI 码，以及用户的保密参数等。另一类是有关用户当前位置的临时性信息，例如移动台漫游号码（MSRN）等，用于建立至移动台的呼叫路由。存储在 HLR的数据由授权维护人员设置。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 16 页 -(1)用户数据的存储 HLR必须存储其归属用户的有关数据。HLR还必须存储由运营者选择的不同用户提供的业务数据，并能随着业务的发展，增改相应存储内容。(2)用户数据的检索任何时候当VLR请求（例如登记时），HLR应能依据要求向VLR提供有关的用户数据。当某些用
20、户数据有变化时（例如签约的变化，服务项目清单的变化），HLR 要能够将这些数据信息通知VLR。(3)提供移动台漫游号码（MSRN）MSRN 是在 MS进行位置更新时，由当地的 VLR负责产生。MS被叫时，HLR应能根据GMSC（关口 MSC）或始发MSC 的请求，将MSRN 发往请求的MSC。请求的MSC 从而得到MS目前所在的 MSC 和 LA 区域。(4)鉴权 HLR应能支持用户的鉴权操作。(5)登记 HLR应能配合VLR完成登记功能和向前一个VLR发起取消登记功能。(6)移动台去话当 HLR接收到 VLR发来的移动台去话通知后，HLR应能设置此移动台为去话状态。(7)HLR的恢复应能周期
21、性拷贝HLR中的数据（一般在24 小时内），拷贝可存储在磁盘或磁带中。当HLR重新启动后，在前一次拷贝的基础上，执行HLR恢复程序，尽量得到正确的移动用户位置与补充业务有关的信息。为避免错误数据的扩散，HLR应通知相关的VLR，使 VLR删除与HLR有关的数据，同时HLR应能够撤消MS的登记，等待MS的重新登记。e.访问位置寄存器（VLR）：VLR是一个数据库，是存储 MSC 为了处理所管辖区域中MS（统称访问客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数,通常每一个移动交换区有一个VLR。永久性数据与HLR中的相同,临时性数据略有所不同。这些
22、数据包括当前已激活的特性,临时用户识别号(TMSI)和移动台在网络中准确位置(位置区域识别号)。当漫游用户进入某个MSC 区域时，必须向该MSC 相关的 VLR登记，并被分配一个移动用户漫游号（MSRN），在 VLR中建立该用户的有关信息，其中包括临时移动用户识别码（TMSI）、移动用户漫游号（MSRN），所在位置区的标志以及向用户提供的服务等参数，这些信息是从相应的HLR中传递过来。MSC 在处理入网出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息。一个VLR可以负责一个或若干个MSC 区域。(1)用户数据的存储 VLR必须存储其归属用户的有关数据。VLR还必须存储由运营者选择的不同用户提供的业务数据，
23、并能随着业务的发展，增改相应存储内容。(2)用户数据的检索当呼叫建立时，根据MSC 的请求，VLR应能够依据TMSI，MSRN 向 MSC 提供用户的信息。通常在移动台呼叫时，依据TMSI；移动台被叫时,依据 MSRN。(3)登记当移动用户出现在一个新的位置区域或从移动台收到登记、呼叫建立、补充业务操作消息后，若需要则应能向HLR发出登记通知。VLR应能完成登记、取消登记的功能，并能向 HLR检索用户的信息。根据 HLR的请求或当用户在24 小时内没有在MSC/VLR 区域中出现时，VLR应能删除该用户的有关信息。(4)移动台去话名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 1
24、6 页 -当 VLR收到 MSC 发来的移动台去话通知后，VLR应能删除此用户的数据，并能通知相应的 HLR。(5)鉴权 VLR应能向鉴权中心（AuC）索取并存储鉴权参数。VLR通过 MSC 要求移动台进行鉴权，并比较从移动台返回的和自己存储的鉴权参数。当比较不一致时，拒绝移动台的业务请求，同时予以告警。(6)提供 MSRN 当 MS在位置更新时，当地的 VLR应能够根据HLR请求，要求 MSC 分配 MSRN，并将 MSRN发往请求的HLR，即支持每次MS被呼时进行的MSRN 分配。(7)VLR 的恢复当 VLR发生数据错误时，VLR应能够通知相应的HLR，删除与其相应的数据。f.鉴权中心（
25、AuC）：AuC鉴权中心是用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥 Kc）的功能实体。AuC对任何试图入网的用户进行身份认证，只有合法用户才能接入网中并得到服务。它给每一个在相关HLR登记的移动用户安排了一个识别字,该识别字用来产生用于鉴别移动用户身份的数据及用来产生用于对移动台与网络之间无线信道加密的另一个密钥。AuC存储鉴权(A3)和加密(A8)算法。AuC只与 HLR通信。g.设备识别寄存器（EIR）：EIR 是存储有关移动台设备参数的数据库。EIR 实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台使用。此外，GSM
26、系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。通过它实现对GSM 网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。OMC 与 MSC之间的接口目前还未开放，因为CCITT对电信网路管理的Q3接口标准化工作尚未完成。2.2.2GSM 中的移动性管理移动通信系统与固定通信网络相比，其主要优点是可移动性（Mobility）。“移动服务”与其他的几大功能结合在一起，使得移动用户可以在很大的地域范围内在移动过程中可以方便地进行通信，并在移动过程中保持通信的连续性。在所有的陆地移动通信系统中，能最广泛地提供移动通信服务的系统就是蜂窝移动通信系统，一般简称为蜂窝系统，更确切地
27、说，就是像 GSM 一样能够覆盖整个国家甚至整个洲的系统。这些系统通过从一个小区切换到另个小区而使用户在移动过程中保持通信的连续。本章的重点就是蜂窝系统中的移动件管理。实际上，一些大范围专用无线通信系统，如早期的DECT系统，已经包含了某些移动性功能，这些移动性功能与蜂窝系统中的移动性有某些相似之处。移动性管理包括两个方面：切换管理和位置管理。其中，切换管理反映移动台在小区之间甚至不同地区之间切换的无线链路接续以及移动通信网络管理的过程；而位置管理则确保了移动台在移动过程中能被移动通信网络有效地寻呼到。GSM 网络跟踪记录移动台（MS）的位置信息，这样就能把来话发送给用户。为了实现位置跟踪，一
28、个移动服务区划分成几个定位区（LA）或注册区。每一个定位区LA 都包括一组基站收发信台（BTS），这些 BTS 通过无线链接与MS 进行通信。移动性管理的主要任务就在于当MS 从一个 LA 移动到另一个LA 时更新 MS 的位置信息。位置更新的过程称作“注册”，该过程由MS 发起。整个过程如下：BTS 周期性的向MS 广播相应的LA 地址。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 16 页 -当 MS 收到的 LA 位置信息与所存储的位置信息不同时，MS 就向网络发送一个注册消息。该位置信息被存储在移动数据库中，如归属位置寄存储器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）。每个
29、VLR 维护一组LA 信息。当MS 访问一个LA 时，就在VLR 中创建一个MS 的临时记录，用来表示MS 的位置，即LA 地址。对于每一个MS 来说，HLR 中保存的是MS 的永久记录，该记录存储了MS 最后访问的VLR 的地址。GSM 定位区分级结构中，LA 的 BTS 与相应的 MSC 连接。这样，一个MSC 就能覆盖几个LA。而一个或多个MSC 又与一个VLR相连接，MSC 可以通过7 号信令（SS7）网与 VLR 交换位置信息。类似的，VLR 与 HLR之间也使用SS7 信令交换位置信息。我们首先描述GSM 位置信息更新过程，然后介绍 GSM 移动性数据库的两个关键问题：容错和数据库
30、溢出。容错：如果位置信息数据库出错，那么位置信息的丢失或破坏都将会严重影响提供给用户的服务质量。因此，位置信息数据库的容错就成为移动网络管理中最重要的问题之一。本章描述了 GSM 中故障恢复过程，并提出了一可加快HLR 故障恢复过程的算法。数据库溢出：如果在一个很短的时间范围内过多的移动用户进入到VLR 控制的区域内，该 VLR 可能会发生溢出。如果当一个移动用户进入VLR 控制区时，VLR 数据库已满，那么用户在该数据库中的注册失败，因而导致该用户无法接收到业务。这一现象称作VLR 溢出。为了解决这一问题，我们提出了一种VLR 溢出控制方案，该方案允许用户在VLR 已满的情况下仍能接收业务。
31、1、移动性数据库归属位置寄存器（HLR）是用来管理移动用户信息的数据库，该数据库存有用户的所有永久性数据，但不包括密钥。一个HLR记录包括3 种信息：移动台信息，如移动台用于接入网络的IMSI，以及MSISDN，这就是ISDN 号，即 MS的“电话号码”。位置信息，如MS所驻留的VLR的 ISDN 号码（地址）以及MS所驻留的MSC 的 ISDN号码（地址）。业务信息，如签约业务、业务极限和附加业务。访问位置寄存器（VLR）是 MS所访问的业务区的数据库。该数据库用来存储MS进行呼叫业务和其他业务的所有用户数据。与HLR类似，VLR信息分为3 种：移动台信息，如IMSI、MSISDN 和 TM
32、SI，这在 GSM 03.03 规范中已做定义。位置信息，如MSC 的号和定位区ID（LAI）。业务信息，该信息是存储在HLR中业务信息的一部分。在 MS相关域中，每一位运营商都可以决定TMSI的结构，但其长度不应大于8 位。LAI 包括 3 位的移动国家代码（MCC），2 位或 3 位的移动网络代码（MNC），以及不超过16 位的位置接入号码。2、GSM 位置更新在 GSM 网络中，当MS 从一 LA 移动到另一个LA 时需要进行注册或位置更新。下面首先讲述基本位置更新的具体过程基本位置更新过程是在网络不考虑容错和VLR 溢出的情况下，处理用户在LA 之间、MSC 之间以及VLR 之间的移动
33、。需要注意的是，MS 并不能区分移动的类型。因此，无论出现什么类型的移动，由MS 向网络发送的位置更新请求消息都具有同样的格式。一、第一种情况：LA 间的移动MS 从 LA1 移动至 LA2，其中，LA1 和 LA2 都连接到同一个MSC（如图 2-3 所示）。在 GSM 04.08 规范中，MS 和 MSC 之间有 9 条消息需要交换，MSC 和 VLR 之间则有10 条名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 16 页 -消息需要交换。为了简化描述，这里只列出其中4 条主要步骤：第 1 步：由 MS 通过 BTS 向 MSC 发出位置更新请求消息。该消息包括前一个访问的
34、LA 地址、MSC 地址和 VLR 地址。在这种方式下，前一个 MSC 和 VLR 的地址与新的MSC和 VLR 的地址相同。另外，MS 利用临时移动用户识别码（TMSI）来识别本身，TMSI 的作用与国际移动用户识别码（IMSI）的作用相同。如第10.4 节中所述，IMSI 是用户的唯一确认识别符，即识别MS 的 HLR。对于无线传播，为了避免发送IMSI，使用了TMSI。该临时识别符是在VLR 间注册时由VLR 分配 MS 的，且 VLR 可以改变这个符号，例如，在每次呼叫建立后改变之。HLRVLR1VLR2MSC1MSC2ack图2-3 间的注册消息流第 2 步：MSC 利用一条TCAP
35、 消息 MAP-UPDA TE-LOCATION-AREA向 VLR 发送位置更新请求。该消息包括：MSC 的地址；MS 的 TMSI；前一定位区识别码（LAI），例如图11.2 中 LA1 的 ID；目标定位区识别码，例如图11.2 中 LA2 的 ID；其他相关信息可参见GSM 09.02 规范和 GSM 03.12 规范的 6.1.1节。需要注意的是，在呼叫终结过程中，LAI 可用来寻呼MS。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 16 页 -第 34 步：VLR注意到 LA1 和 LA2属于同一个MSC，然后更新VLR记录中 LAI 域，并通过MSC 向 MS回送
36、一条确认应答。注意，消息 2和消息 3是属于 INVOKE类的 TCAP 消息，而消息 4和消息 5是属于 RETUN RESULT类的 TCAP 消息。在本书的其余部分，我们用概念“消息”和“消息应答”来表示“（INVOKE）消息”和“（RETURN RESULT）消息”这一消息对。二、第二种情况：MSC 间的移动如图 2-4 所示，两个LA 分别属于同一个VLR的两个不同的MSC，简化过程如下：第 12 步：由 MS向 VLR发送位置更新请求，该步骤与第一种情况的前两步相同。HLRVLR1VLR2MSC1MSC2MSC2VLR1HLR2.MAP_UPDATE_LOCATION_AREA3.
37、MAP_UPDATE_LOCATION4.MAP_UPDATE_LOCATION_ack5.MAP_UPDSTE_LOCATION_AREA_ack图2-4 间的注册消息流第 3 步：VLR首先注意到前一个LA和目标 LA分别属于MSC1 和 MSC2，并且 MSC1 和 MSC2与同一个 VLR相连。然后，VLR更新 VLR记录中的 LAI 和 MSC 域，并从 VLR记录的 MS的 IMSI码中得到 HLR地址。此时，VLR向 HLR发送 MAP-UPDATE-LOCATION消息。该消息包括：MS 的 IMSI；目标 MSC 的地址（即MSC2）；目标 VLR的地址（即VLR1）；其他相
38、关信息，可参见GSM 09.02 规范的 6.1.2节。第 4 步：HLR利用收到的IMSI 识别 MS的记录，并更新记录中MSC 的号码域，向VLR发送确认应答。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 16 页 -第 56 步：与第一种情况的第3 步和第 4 步相似，向MS转发确认应答。三、第三种情况：VLR间的移动如图 2-5 所示，两个LA 分属于不同VLR下的两个MSC，简化的VLR间位置更新过程（省略了鉴权）如下：第 1 步：MS向 VLR发送位置更新请求，该步骤同第一种情况的前两步。第 23 步：因为 MS由 VLR1移动到 VLR2，且 VLR2中没有 M
39、S的记录，所以并不知道MS的IMSI。从 MAP-UPDATE-LOCATION-AREA消息中，VLR2可以识别出前一个VLR（即 VLR1）的地址，并向 VLR1发送 MAP-SEND-IDENTIFICATION 消息。关于该消息的细节可参见GSM 09.02 HLRVLR1VLR2MSC1MSC2MSC2VLR HLR1.MAP_UPDATE_LOCATION_AREA6.MAP_UPDSTE_LOCATION_AREA_ackVLR12.MAP_SEND_IDENTIFICATION3.MAP_SEND_IDENTIFICATION_ack4.MAP_UPDATE_LOCATION5
40、.MAP_UPDATE_LOCATION_ack7.MAP_CANCEL_LOCATION8.MAP_CANCEL_LOCATION_ack图2-5间的注册消息交换流规范的 6.1.4节。本质上，该消息提供了MS的 TMSI，并且 VLR1可利用该消息从数据库中提取出相应的IMSI，然后把 IMSI 回送给 VLR2。为了提高安全性，在GSM 位置更新过程中，保密性数据（IMSI）尤其不能通过无线传播。另一方面，在IS-41 中，为了减少信令流量，用户标识符直接由MS向新的 VLR发送。第 45 步：VLR2为 MS创建一个记录，并发送注册消息更新HLR（参见第二种情况中的第名师资料总结-精品
41、资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 16 页 -3 步）。HLR更新 MS的记录过程与第二种情况中的第4 步一样，但还需更新记录中的VLR地址域。然后向VLR2回送确认应答。第 6 步：VLR2产生一个新的TMSI，并发送给 MS。在 GSM 网络中，为了避免欺骗使用，TMSI是随时改变的。第 78 步：删除 VLR1中 MS的过时记录。下面再具体说明一下基本呼叫发生和终结规程。下图 2-6 详细描述了基本呼叫发生的过程，其算法如下：第 1 步：移动用户u1 向 MSC 发送呼叫发起请求。MSCPSTNu1VLRVLRMSC2.MAP_SEND_INFO_FOR_OUTGOING_C
42、ALL3.MAP_SEND_INFO_FOR_OUTGOING_CALL_ack4.IAM终端交换机图 2-6 呼叫发生过程第 2 步：MSC 通过发送 MAP-SEND-INFO-FOR-OUTGOING-CALL消息向 VLR发送请求。第 3 步：VLR检查 u1 的简表，并向MSC发送 MAP-SEND-INFO-FOR-OUTGOING-CALL-ack消息允许其呼叫请求。第 4 步：MSC 根据标准的PSTN呼叫建立规程建立中继。对 GSM 用户作为被叫的呼叫，必须从当前正在服务地VLR中获得路由信息（如图11.6 所示）。基本呼叫终结规程如下：第 1 步：当一个PSTN 用户拨打移
43、动台的ISDN号码（MSISDN）时，利用一条SS7 ISUP IAM消息向一个网关MSC 发送该呼叫，参见第5.4 节。第 2 步：为了得到路由信息，通过向HLR发送 MAP-SEND-ROUTING-INFORMATION消息，网关 MSC 或 SIDN交换查询 HLR。该消息包括了MS的 MSISDN 和其他相关信息，详见GSM 09.02规范的 8.3 节。第 3 步：HLR 向 VLR 发送 MAP-PROVIDE-ROAMING-NUMBER消息，以获取移动台漫游号码（MSRN）。该消息包括了IMSI、MSC 号和其他相关信息。注意，MSC 间的位置更新过程和VLR间的位置更新过程
44、中，HLR一直保存有MSC 的编号。该编号能够提供目标新MSC 的地址，并名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 16 页 -可用来建立语音中继。第 45 步：利用 MS的 VLR记录所存储的MSC 号，VLR可创建 MSRN。这个漫游号码通过HLR被回送给MSC 网关。第 6步：MSRN 可提供 MS所驻留的目标MSC 的地址。由网关 MSC 直接向目标MSC 发送 SS7 ISUP IAM消息以建立语音中继。在位置更新和呼叫传递过程中，我们采用了HLR/VLR中存储的位置信息。如果移动性数据库发生故障，系统将无法跟踪MS的位置。如何维护HLR/VLR中的信息，且一旦
45、在数据库发生故障后如何恢复将十分重要。2.3IS-95 系统1992 年 3 月，TIA 委派 TR-45 小组制定了一个扩频数字蜂窝系统标准。1993 年 7 月，TIA 批准了 CDMA IS-95 标准。IS-95 主要是一个无线接口标准，基于IS-95无线接口标准的蜂窝网络可以使用像D-AMPS 之类的网络标准，这在IS-95 网络中是很普通的，需要强调的是 IS-95 可以同样用于像GSM 一样的网络，所不同的仅仅是无线接口不一样。2.3.1IS-95 的无线接口IS95 上行信道使用的频率为824 MHz一 849 MHz，下行信道使用的频率为869MHz 894MHz，信道带宽为
46、1.2288MHz(可以包含41 个 AMPS 信道)。上行信道与下行信道向隔45MHz。精确的功率控制和各种用于系统优化的算法使得系统非常复杂。系统采用了纠错编码结合交织技术、话音活动检测、变速率的语音编码以及用RAKE接收技术来增大系统容量。话音信号通过一个速率为8.55kb s 的 CELP(IS-96A)声码器进行编码，加入纠错编码后的救据速率为9.6kb s(见图 2-7)。这些比特流被分成20ms长的数据块，在上行链路与K9 的 12 码速的卷积码进行卷积编码(即总的比特率为19.2kb s)，在下行链路中使用13 的编码速率(比特率为288kbs)。CDMA 开发小组和TIA 也
47、指定了一种新的声码器，这种声码器叫做增强型变速率声码器(EVRC)或 IS-126。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 16 页 -声码器编码K=91/2码速插入I 路短码Q 路短码Walsh:码长码FIR滤波器FIR滤波器数据流QPSK调制器IQ1.2288Mb/s1.2288Mb/s1.2288Mb/s1.2288Mb/s19.2kb/s19.2kb/s19.2kb/s速率为9.6kb/s 长度为20ms 的数据快图 2-7 传输链路（上行信道或前向信道）传输速率为192kbs 的数据与一个用户加密的长码进行交织后，再使用一个64 位的Walsh 正交码进行编码
48、(产生的比特率为1.2288Mbs)。在呼叫期间分配给移动台个码字，进行 Walsh 编码后的数据被分成I 和 Q两路，每路再与个短码相加，然后送到IQ QPSK调制器。小区使用同样的频段和相同的Walsh 码，只是两个短码序列(这两个短码是一样的，在所有的基站和所有的移动台都被使用)在时间上有一定的位移，这样每个 CDMA 信道可以用唯一的方法加以识别。每个基站在一个信道(导频信道)发射一个 PN序列(引导序列)，基站的身份由该序列的偏移量来确定。更精确地讲，在从基站到移动台的无线链路的编码的最后阶段，CDMA 在信号中加上一个周期性的伪随机码，基站通过在任意给定的时间发射该伪随机码的不同部
49、分来表明自己的身份。也就是说，各基站发送的是同一个伪随机码经过时间平移后的不同版本。导频信道的信号电平一般比其他信道的信号电平高46dB。2.3.2IS-95 的网络和控制结构IS95 的信令协议是与比特同步的，所有信道上传检的消息具有相同的结构。最高层的消息结构格式为：消息十 填充比特。信令系统的结构包括物理层、逻辑链路层和控制处理层(见图 2-8)。移动台的基本功能和呼叫建立、功率控制、切换、管理、鉴权和注册登记等都是通过这些层进行控制的。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 16 页 -上层主业务 第 层主业务 上层次业务 第 层次业务 第 层 控制处理 第 层
50、 信令 第 层链路层 寻呼和接入信道第 层同步信道多路复用子层业务信道第 层 物理层 图2-8 IS-95的层次结构当移动台处于持机状态时，信令的传输是由同步信道、寻呼信道和接入信道(在前向控路上)执行的。第 1 层(物理层)管理信号帧的发送和接收，对于所有的系统信道，物理层都是相同的。多路复用于层被业务信道用于多路复用和分离信令业务与用户业务。物理层也用于确定信号帧的类型。根据参数如传输比持率、信息的种类(信令或数据)的不同，可以确定14 种类型的帧。第 2 层(短路层)处理信令消息的发送与接收。第 2 层的协议在同步、寻呼和接入信道上与业务信道稍有区别。第 3 层(处理控制层)处理消息，并