【RadioCommunication】无线通信系统结构演进(1)

前言

       4G的到来仿佛还在昨日,5G却已近在咫尺。根据3GPP的规划, 5G的大规模测试和部署,最早将于2019年开始。也就是说,最快还有一年多的时间,我们就可以享受到5G带来的全新体验。无线通信技术发展到现在,已经经历了5次的技术更新换代,而在整个过程中,网络架构的发展及演进,是引起速率及性能提升的一个关键。前段时间实验室技术交流,搜集了一些关于无线系统演进的资料,并且形成一个PPT做介绍,而在其中,网络结构的变化,在接下来几篇博文做一些介绍,其中参考以及引用了网络上的很多资料,如果有侵权,请联系本人删除,在此也感谢各位的分享。博主目前刚刚是一枚通信小白,不正确的地方,还请各位大佬指出并留言!

       首先,引入两个概念,无线接入网以及核心网:

       无线接入网: Radio Access Network,简称RAN,是移动通信系统中的一部分,它存在于设备(例如,一个移动电话,一个计算机,或任何被远程控制的机器)与核心网(Core Network,简称:CN)之间,提供两者间的通信连接。

       核心网: 提供用户连接、对用户的管理以及对业务完成承载,作为承载网络提供到外部网络的接口。核心网从逻辑结构上可以划分为3个域:归属网络域、服务网络域和传送网络域。归属网络域是指客户开户的网络,是自己的开户地;正在为客户提供服务或者能够为客户提供服务的网络称为服务网络域;传送网络域是指一旦用户发生了漫游,比如到了非洲,可能会用到其它的运营商网络将数据包转发到归属网络,这些网络称为传送网络域。


Figure CN and RAN

GSM网络结构(2G)

       GSM网络系统,即全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication),是应用最为广泛的移动电话标准。它的结构主要由四部分构成:移动台(Mobile Station,MS)、基站系统(BaseStation System,BSS)、网络交换系统(Network Switching System,NSS)和操作维护系统(Operations and Maintenance System,OMS),如下图所示:


Figure 2 GSM 网络

移动台(Mobile Station,MS)

        移动台是移动用户的终端设备,通过无线空中接口Um给用户提供接入网络业务的能力,有两部分组成:移动设备(Mobile Equipment,ME)和用户识别模块(SubscriberIdentity Module,SIM)。其中,ME通常指我们所使用的手机,用于完成语音、数据和控制信号在空中的接收和发送;SIM也就是指手机当中的手机卡,用于识别唯一的移动台使用者。SIM是一张符合GSM规范的"智能卡",内部包含了与用户有关的、被存储在用户这一方的信息,移动电话上只有装上了SIM卡才能使用。

基站系统(BSS)

       BSS提供移动台与移动交换中心(MSC)之间的链路,是GSM网络中的接入网。BSS由以下3部分组成:

       基站控制器(BaseStation Controller,BSC):BSC可以控制单个或多个BTS,随着厂商的不同,BSC控制的BTS数目也会有所不同。对所控制的BTS下的MS执行切换控制;传递BTS和MSC间的话务和信令,连接地面链路和空中接口信道。

       基站收发信台(BaseTransceiver Station,BTS):BTS包含有射频部件,这些射频部件为特定小区提供空中接口,可支持一个或多个小区;提供和移动台(MS)的空中接口链路,能够对移动台和基站进行功率控制。我们通常可简单记BTS的功能,第一是实现网络的覆盖,第二是完成信号的收发。

       变码器(Transcoder,XCDR):将来自移动交换中心MSC的语音或数据输出(64kbps PCM)转换成GSM规程所规定的格式(16kbps),以便更有效地通过空中接口在BSS和移动台之间进行传输(即将64kbps压缩成16 kbps);反之,可以解压缩。但是实际上编码器已集成在BSC当中。

网络交换系统NSS

       网络交换系统具有GSM网络的主要交换功能,还具有用户数据和移动管理所需的数据库。网络交换系统由移动业务交换中心(MSC)、访问位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)、移动设备识别寄存器(EIR)、互通功能部件(IWF)和回声消除器(EC)等组成。

       移动交换中心(MSC):MSC(MobileSwitching Center)是GSM 网络系统的核心部件,负责完成呼叫处理交换控制,实现移动用户的寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费和基站管理等功能,还可以完成BSS和MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理等,并提供连接其他MSC和其他公用通信网络(如PSTN和ISDN等)的链路接口功能。MSC与其他网络部件协同工作,实现移动用户位置登记、越区切换、自动漫游、用户鉴权和服务类型控制等功能。

       归属位置寄存器(HLR):HLR(HomeLocation Register)是一种用来存储本地用户信息的数据库,一个HLR能够控制若干个移动交换区域。在GSM通信网中,通常设置若干个HLR,每个用户必须在某个HLR(相当于该用户的原籍)中登记。登记的内容分为两种:一种是永久性的参数,如用户号码、移动设备号码、接入优先等级、预定的业务类型以及保密参数等;另一种是暂时性需要随时更新的参数,即用户当前所处位置的有关参数,即使用户漫游到了HLR所服务的区域外,HLR也要登记由该区传送来的位置信息。这样做的目的是保证当呼叫任意一个不知处于哪一个地区的移动用户时,均可由该移动用户的HLR获知它当时处于哪一个地区,进而建立起通信链路。相应地,HLR存储两类数据:一是用户永久性参数信息,包括MSISDN、IMSI、用户类别、Ki和补充业务等参数;二是暂时性用户信息,包括当前用户的MSC/VLR,用户状态(登记/已取消登记),移动用户的漫游号码。

       访问位置寄存器(VLR):VLR(VisitLocation Register)是一种存储来访用户信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控制区服务。当移动用户漫游到新的MSC控制区时,它必须向该地区的VLR申请登记。VLR要从该用户的HLR查询有关的参数,要给该用户分配一个新的漫游号码(MSRN),并通知其HLR修改该用户的位置信息,准备为其他用户呼叫此移动用户时提供路由信息。当移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时,HLR在修改该用户的位置信息后,还要通知原来的VLR,删除此移动用户的位置信息。因此,VLR可以看做是一个动态的数据库。VLR存储的信息有:移动台状态(遇忙/空闲/无应答等)、位置区域识别码(LAI)、临时移动用户识别码(TMSI)和移动台漫游码(MSRN)。

       鉴权中心(AUC):AUC(AUthenticationCenter)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。由于要求AUC必须连续访问和更新系统用户记录,因此,AUC一般与HLR处于同一位置。AUC产生为确定移动用户身份及对呼叫保密所需的鉴权和加密的3参数分别是:随机码RAND(RANDom number)、符合响应SRES(Signed RESponse)和密钥Kc(Ciphering Key)。

       设备识别寄存器(EIR):EIR(EquipmentIdentity Register)是存储移动台设备参数的数据库,用于对移动台设备的鉴别和监视,并拒绝非法移动台入网。EIR数据库由以下几个国际移动设备识别码(IMEI)表组成:白名单,保存那些已知分配给合法设备的IMEI;黑名单,保存已挂失或由于某种原因而被拒绝提供业务的移动台的IMEI;灰名单,保存出现问题(例如,软件故障)的移动台的IMEI,但这些问题还没有严重到使这些IMEI进入黑名单的程度。在我国,基本上没有采用EIR进行设备识别。

      互通功能部件(IWF):IWF(InterWorkingFunction)提供使GSM系统与当前可用的各种形式的公众和专用数据网络的连接。IWF的基本功能是:完成数据传输过程的速率匹配;协议的匹配。

      回声消除器(EC):EC(EchoCanceller)用于消除移动网和固定网(PSTN)通话时移动网络的回声。对于全部语音链路,在MSC中,与PSTN互通部分使用一个EC。即使在PSTN连接距离很短时,GSM固有的系统延迟也会造成不可接收的回声,因此NSS系统需要对回声进行控制。

操作维护系统(OMS

       OMS(Operation and Maintenance System)提供在远程管理和维护GSM网络的能力。OMS由网络管理中心(Network Management CenterNMC操作维护中心(Operations and Maintenance CenterOMC两部分组成。NMC总揽整个网络,处于体系结构的最高层,它从整体上管理网络,提供全局性的网络管理,用于长期性规划。OMC提供区域性网络管理,用于日常操作,供网络操作员使用,支持的功能有:事件告警管理、故障管理、性能管理、配置管理和安全管理。

参考

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%94%B5%E6%8E%A5%E5%85%A5%E7%BD%91

[2] http://www.huberylee.com/2016/06/02/2G%E5%88%B0C-RAN%E7%BD%91%E7%BB%9C%E7%BB%93%E6%9E%84%E6%BC%94%E8%BF%9B/

[3] http://lnboxue.net/yidongtongxin/2G_3G/451.html

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