蜂窝概念 - GSM 架构

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GSM 网络分为四个主要系统：

• 交换系统 (SS)

• 基站系统 (BSS)

• 移动台 (MS)

• 运营维护中心 (OMC)

交换系统也称为网络和交换系统 (NSS)，负责执行呼叫处理和与用户相关的功能。交换系统包括以下功能单元：

• 移动交换中心

• 归属位置寄存器

• 访客位置寄存器

• 设备识别寄存器

• 认证中心

移动交换中心

移动交换中心 (MSC) 执行其分配的 BSS 控制的地理区域中所有移动台的所有交换功能。此外，它与 PSTN、其他 MSC 和其他系统实体接口。

MSC 的功能

• 呼叫处理，考虑到用户的移动性，处理位置注册、用户和设备的认证、切换和预付费服务。

• 管理呼叫期间所需的逻辑无线链路信道。

• 管理 MSC-BSS 信令协议。

• 处理位置注册并确保移动台和 VLR 之间的互操作性。

• 控制 BSS 间和 MSC 间切换。

• 充当网关 MSC 以查询 HLR。连接到 PSTN/ISDN 网络的 MSC 称为 GMSC。这是连接到 HLR 的网络中唯一的 MSC。

• 诸如计费之类的交换机的标准功能。

归属位置寄存器 (HLR)

归属位置寄存器包含：

• 称为国际移动用户识别码 (IMSI) 的移动用户的标识。

• 移动台的 ISDN 目录号码。

• 服务的订阅信息。

• 服务限制。

• 用于呼叫路由的位置信息。

建议每个 GSM 网络一个 HLR，它可能是一个分布式数据库。HLR 中的永久数据由人机接口更改。诸如位置信息之类的临时数据在 HLR 中动态更改。

访客位置寄存器 (VLR)

VLR 始终与 MSC 集成。当移动台漫游到新的 MSC 区域时，连接到该 MSC 的 VLR 将会向 HLR 请求有关移动台的数据。稍后，如果移动台发起呼叫，则 VLR 拥有进行呼叫建立所需的信息，而无需每次都查询 HLR。VLR 包含以下信息：

• 移动用户的标识，

• 任何临时移动用户标识，

• 移动用户的 ISDN 目录号码，

• 将呼叫路由到漫游台的目录号码，

• HLR 数据的一部分，用于当前位于 MSC 服务区域中的用户。

设备识别寄存器

设备识别寄存器包含称为国际移动设备识别码 (IMEI) 的移动台设备的标识，该标识可能是有效的、可疑的和禁止的。当移动台访问系统时，在提供服务之前会调用设备验证过程。

信息以三个列表的形式提供。

• 白名单 - 终端允许连接到网络。

• 灰名单 - 网络正在观察终端是否存在可能的问题。

• 黑名单 - 报告为被盗的终端未经类型批准。它们不允许连接到网络。EIR 会通知 VLR 该列表中包含特定的 IMEI。

认证中心

它与 HLR 相关联。它为每个移动用户存储一个称为认证密钥 (Ki) 的标识密钥。此密钥用于生成认证三元组。

• RAND（随机数），

• SRES（签名响应） - 用于认证 IMSI，

• Kc（密码密钥） - 用于对 MS 和网络之间无线路径上的通信进行加密。

运营维护中心 (OMC)

它是网络运营商可以通过执行以下功能来监视和控制系统的功能实体：

• 软件安装

• 流量管理

• 性能数据分析

• 用户和设备的跟踪

• 配置管理

• 用户管理

• 移动设备管理

• 计费和账单管理

基站系统 (BSS)

BSS 连接 MS 和 NSS。它由以下部分组成：

• 基站收发信机 (BTS)，也称为基站。

• 基站控制器 (BSC)。

BTS 和 BSC 通过标准化的 Abis 接口通信。BTS 受 BSC 控制，一个 BSC 可以控制多个 BTS。

基站收发信机 (BTS)

BTS 包含无线电收发信机，并处理与移动台的无线链路协议。每个 BTS 包括无线电发射和接收设备，包括天线、信号处理器等。每个 BTS 可以支持 1 到 16 个 RF 载波。区分 BTS 的参数是功率水平、天线高度、天线类型和载波数量。

BTS 的功能

• 它负责时间和频率同步。

• 需要执行用于发送方向和接收方向的反向信道编码、加密、复用和调制过程。

• 它必须根据移动台与 BTS 的距离提前安排移动台的传输（定时提前）。

• 它必须检测来自移动台的随机接入请求，测量和监视无线电信道的功率控制和切换。

基站控制器

BSC 管理一个或一组 BTS 的无线电资源。它处理无线电信道建立、跳频、切换和 RF 功率电平的控制。BSC 提供其 BTS 发射的参考时间和频率同步信号。它建立移动台和 MSC 之间的连接。BSC 通过接口连接到 MSC、BTS 和 OMC。

移动台

它指的是无线用户使用的终端设备。它包括：

• SIM - 用户识别模块

• 移动设备

SIM 是可移动的，使用适当的 SIM，可以使用各种移动设备访问网络。

设备标识与用户无关。设备使用 IMEI 和 EIR 单独验证。SIM 包含一个集成电路芯片，其中包含一个微处理器、随机存取存储器 (RAM) 和只读存储器 (ROM)。SIM 应有效，并在访问网络时应验证 MS 的有效性。

SIM 还存储与用户相关的信息，例如 IMSI、小区位置标识等。

移动台的功能

• 无线电发射和接收

• 无线电信道管理

• 语音编码/解码

• 无线链路错误保护

• 数据流控制

• 将用户数据速率适配到无线链路

• 移动性管理

对最多六个周围 BTS 的性能测量并向 BSS 报告，MS 可以存储和显示在液晶显示器 (LCD) 上接收到的简短的字母数字消息，该显示器用于显示呼叫拨号和状态信息。

欧洲 GSM 系统指定了五种不同类别的移动电话单元：20W、8W、5W、2W 和 0.8W。它们分别对应于 43 dBm、39 dBm、37 dBm、33 dBm 和 29 dBm 的功率电平。20W 和 8W 单元（峰值功率）用于车载或便携式站使用。MS 功率可从其标称值向下以 2 dB 的步长调节至 20mW（13 dBm）。这是在 BTS 的远程控制下自动完成的。

转换器

转换器是插入以将 MSC 端与移动端接口的网络实体。PSTN 端的语音编码速率为 64 Kbps，而在 GSM 上，语音编码速率为 13 Kbps。为了降低空中接口的数据速率并减少地面链路的负载（4：1），在适当的位置引入了转换器，主要与 MSC 配合使用。

转换器是一种设备，它接收 13 Kbps 语音或 3.6/6/12 Kbps 数据复用，并将其中四个转换为标准 64 Kbps 数据。首先，通过插入额外的同步数据，将 13 Kbps 或 3.6/6/12 Kbps 的数据提升到 16 Kbps 的水平，以弥补 13 Kbps 语音或更低速率数据之间的差异，然后在转发器中组合其中的四个以提供 BSS 内的 64 Kbps 信道。然后，四个业务信道可以在一个 64 Kbps 电路中复用。因此，TRAU 的输出数据速率为 64 Kbps。

然后，如果在 A-bis 接口上提供 CEPT1 信道，则最多 30 个这样的 64 Kbps 信道将复用到 2.048 Mbps 上。此信道最多可以承载 120-(16x 120) 个业务和控制信号。由于到 PSTN 的数据速率通常为 2 Mbps，这是组合 30 个 64 Kbps 信道或 120 个 16 Kbps 信道的结果。

其他网络元素

其他网络元素包括 SMS 服务中心、语音邮箱和 SMS 流等组件。

SMS 服务中心

它与 MSC 接口，具有互操作功能，可为移动用户提供短信服务 (SMS)。SMS 可以发送到传真机、互联网上的 PC 或其他 MS。MSC 查询接收方 MS 的位置并传递。

语音邮箱

当移动用户由于忙/超出服务区而无法接听来电时，呼叫将被转移到用户已激活的邮箱。为此，已从 MSC 建立了单独的连接。用户稍后将通过短信收到提醒，并可以检索消息。

SMS 流

• 当用户发送短信时，请求将通过 MSC 发送。

• MSC 将 SMS 转发到 SMSC，并在那里存储。

• SMSC 查询 HLR 以查找目标移动设备的位置，如果目标移动设备可用，则将消息转发到目标 MSC。

• 如果移动设备不可用，则消息将存储在当前的 SMSC 本身。在大多数安装中，如果移动设备不可用于 SMS 传输，则 SMSC 不会重试。相反，目标 MSC 会在移动设备恢复到范围内时通知 SMSC。SMS 处理是一种存储转发操作，与 USSD 不同。

• SMS 有一个有效期，在此期间它将等待目标移动设备可用。在此时间之后，SMSC 将删除消息。用户可以设置有效期。正常有效期为 1 天。