GSM系统信令接续流程

2011-04-19 10:52:05来源: 互联网

文章以MS发起的主叫通话为例,说明在GSM系统中,实现一次通话所需的信令接续
程。以应用层(L3)的三层连接(RR、MM、CC)为构架,对L豹的通信过程进行分析,介绍
每条信令中的一些主要参数以及该信令在通话过程中所起的作用。
关键词 信令接续 无线资源管理 移动性管理 呼叫管理
GSM系统使用类似OSI协议模型的简化协议,包括物理层(L1)、数据链路层(L2)和
应用层(L3)。L1是协议模型最底层,提供物理媒介传输比特流所需的全部功能。L2保证
正确传递消息及识别单个呼叫。在GSM系统中,无线接口(Um)上的L1和L2分别是TDMA帧和
LAPDm协议。在网络侧,Abis接口和A接口使用的L1均为E1传输方式,L2分别为LAPD和MTP协
议。在Um接口,MS每次呼叫时都有一个L1和L2层的建立过程,在此基础上再与网络侧建立
L3上的通信。在网络侧(A和Abis接口),其L1和L2(SCCP除外)始终处于连接状态。L3层
的通信消息按阶段和功能的不同,分为无线资源管理(RR)、移动性管理(MM)和呼叫控
制(CC)三部分。
1建立RR连接
RR的功能包括物理信道管理和逻辑信道的数据链路层连接等。
在任何情况下, MS向系统发出的第一条消息都是CH-REQ(信道请求),要求系统提
供一条通信信道,所提供的信道类型则由网络决定。CH-REQ有两个参数:建立原因和随机
参考值(RAND)。建立原因是指MS发起这次请求的原因,本例的原因是MS发起呼叫,其它
原因有紧急呼叫、呼叫重建和寻呼响应等。RAND是由MS确定的一个随机值,使网络能区别
不同MS所发起的请求。RAND有5位,最多可同时区分32个MS,但不保证两个同时发起呼叫的
MS的RAND值一定不同。要进一步区别同时发起请求的MS,还要根据Um接口上的应答消息。
CH-REQ消息在BSS内部进行处理。BSC收到这一请求后,根据对现有系统中无线资源的
判断,分配一条信道供MS使用。该信道是否能正常使用,还需BTS作应答证实,Abis接口上
的一对应答消息CHACT(信道激活)和CHACK(信道激活证实)完成这一功能。CHACT指明激
活信道工作所需的全部属性,包括信道类型、工作模式、物理特性和时间提前量等。
网络准备好合适的信道后,就通知MS,由IMMASS(立即指配)消息完成这一功能。在
IM-MASS中,除包含CHACT中的信道相关信息外,还包括随机参考值RA、缩减帧号T、时间
提前量TA等。RA值等于BSS系统收到的某个MS发送的随机值。T是根据收到CH-REQ时的TD-
MA帧号计算出的一个取值范围较小的帧号。RA和T值都与请求信道的MS直接相关,用于减少
MS之间的请求冲突。TA是根据 BTS收到RACH信道上的CH-REQ信息进行均衡时,计算出来的
时间提前量。MS根据TA确定下一次发送消息的时间提前量。
IMMASS的目的是在Um接口建立MS与系统间的无线连接,即RR连接。MS收到IM-MASS后,
如果RA值和T值都符合要求,就会在系统所指配的新信道上发送SABM帧,其中包含一个完整
的L3消息(MP-L3- INF),这条消息在不同的接口有不同的作用。在Um接口,SABM帧是
LAPDm层上请求建立一个多帧应答操作方式连接的消息。系统收到SANM帧后,回送一个UA
帧,作为对SABM帧的应答,表明在MS与系统之间已建立了一条LAPDm通路;另外,此UA帧
的消息域包含同样一条L3消息,MS收到该消息后,与自己发送的SABM帧中相应的内容比较,
只有当完全一样时,才认为被系统接受。L3消息中包含MS的IMSI,IMSI对每个 MS是唯一
的,这可保证在该信道上只有一个MS可接入系统。在Abis接口,这条消息是ESTIND(建立
指示),用来通知已建立LAPDm连接,作为对IMMASS消息的应答。
在SANM帧中,透明传输到MSC的L3消息是A接口的第1条L3消息。尽管A接口的MTP连接在
通话前已经建立,但对每个呼叫,在L2还要建立一个SCCP的连接。L3消息包含在A接口上
SCCP的请求建链消息(CR)中传递。如请求被允许,A接口的第1条下行消息将包含在SCCP
层的连接证实(CC)帧中。对SCCP层来说, CR与CC的交换是源参考地址与目的参考地址
的交换。在同样的信令点码下,不同的呼叫具有不同的源地址和目的地址。
A接口上第1条消息传递完后,MS与系统之间就建立了RR连接,RR实体通知MM子层已进
入专用模式。在专用模式下,MM子层和CC子层负责发送所有L2层上的消息。除了错误指示
和释放本地链路以外,均由RR子层直接处理。
2建立MM连接
正常情况下,要建立MM连接必须先有RR连接。RR建立后的第一个步骤是鉴权(AUTH),
即鉴定移动用户的身份。在AU-THREQ(鉴权请求)中有两个参数:CIP KEY No(加密键
号)和 AUT RAND(鉴权随机值)Q CIPKEY No与每个MS的密匙Kc相对应,由网络计算出来
送到MS,目的是毋须调用AUTH过程,就可直接由MS的IMSI和CM-SERV-REQ中的CIP KEY
No参数得到Kc。ATU RAND供MS计算鉴权响应值SRES。MS的SIM中存有4个与鉴权和加密
相关的数据:鉴权算法A3、加密序列算法A8、加密算法A5和移动用户个人鉴权键Ki。其关
系如下:Kc=A8(RAND,Ki),SRES=A3(RAND,Ki),加密数据流=A5(user data,Kc)。
SRES是MS对AUTH REQ的响应值,在AUTH RES中传递。网络中存储了与每个 IMSI相对应的
Ki值,网络根据计算出的SRES值和MS回送的SRES值,可对MS的身份进行鉴定。Kc用于鉴
权后的加密过程,加密算法A5由网络指定,但 MS必须支持该算法。在加密命令CIP-
M-COM中,指出了每个MS支持的A5算法类型,还指定了MS的回送消息中是否包括IMEISV参
数。
对MS的身份识别及无线信道传输加密过程完成后,建立呼叫所需的MM连接已经建立,
可以向更高层(CC子层)提供呼叫信息的传递功能。
3建立CC连接
MS向网络发SETU(建立)消息,请求建立呼叫,消息内容包括:(1)此次呼叫请求
的具体业务种类及MS能提供的承载能力,包括信息传输要求、发送方式、编码标准及可
使用的无线信道类型;(2)被叫用户号码,包括被叫号码类型和编码方案。
网络收到SETUP消息,若接受请求,就回送CALL PROC(呼叫处理),表明正在处理呼
叫,主叫MS处于等待状态。网络开始寻找被叫用户,若被叫也是GSM系统用户,其接入网
络的方式与主叫类似。不同点有:(1)被叫 MS收到网络发出的PAGINC(寻呼)消息后,
才会提出信道请求;(2)被叫MS在与网络建立CC连接时,先由网络发下行的SETUP消息,
MS回送CALLCONF(呼叫证实)消息。在CALL,PROC或CALL,CONF后,网络与MS之间CC层
的连接建立。
后续的CC层消息ALERT(振铃)、 CON-NECT(连接)及其应答消息,分别对应MS振
铃和用户搞机动作。网络收到被叫的ALERT消息,再向主叫MS发送同样的ALERT消息,使
主叫知道当前的通话接续状态,即通常打电话时听到的振铃声。收到振铃声后,主叫等
待被叫摘机,该动作在信令接续上反映为CONNECT(连接)消息。完成对CONNECT消息的
应答后,主被叫双方进入正常通话状态,直到有一方关机,通话结束。
传递信令使用的是SDCCH或FACCH,MS通话必须在TCH信道上进行。为此,网络分配给
MS一条TCH信道,分配方式与IMMASS类似,不同点在于指配的发起是由MSC的ASS-REQ
(指配请求命令)开始的。BSC根据ASS-REQ的信息,激活相应的无线信道,根据ASS-
REQ中指定业务的相应信息,确定该无线信道的类型。由CHACT指定无线资源,包括信道
频率、时隙和跳频等内容。
4连接话音通路
GSM系统业务的数据传递采用电路模式,在主叫与被叫之间有一条物理通路。建立这
样一条通路有两个要求:(1)为传递通信的不同路由段分配一定的信道资源;(2)将
各段信道连接在一起。
信道资源包括Um接口的无线信道和A接口的PCM链路信道。无线信道由CHACT说明,A
接口的地面信道由 ASS-REQ说明。
各个信道的连接是一个接路过程。收到ASS-REQ后, BSC将A接口的地面信道和Um
接口的无线信道连接在一起。收到CONNECT后,MSC将A接口的地面信道和网络内使用的
信道连接在一起。在MS内部也有类似的接路过程。主叫方收到ALERT消息后,接通内部
的话音通路;被叫端的用户(GSM用户)在发送CON-NECT时,接通 MS内的话音通路。
5呼叫断续处理
5.1清除CC连接和 MM连接
当一方用户挂机时,开始清除通信连接。从L3的CC子层开始清除,最终到L1。
以主叫MS先挂机为例。MS发送DISCON-NECT(断开连接)消息,指明呼叫清除的发
起端及清除原因。网络收到DISCONNECT后,停止所有的CC连接定时器,清除业务信道在
网络中的连接,向MS发送RELEASE(呼叫释放),通知它网络正在释放CC层的连接。MS
收到消息后,停止所有CC连接定时器,释放MM连接,向网络发送RELCMP,本身进入
“NULL”(空闲)状态。这时,在MS侧,L3的连接已经全部释放完毕,但MS不能自己拆
除L2层的连接,要等待网络的释放命令。网络收到RELCMP(呼叫释放完成)后,释放MM
连接,返回到“NULL”状态。
CC层和MM层的连接释放完毕后,网络启动SCCP连接的释放,释放及应答消息分别为
CLRCOM(清除)和CLRCMP(清除完成)。
5.2释放RR连接
RR连接释放的目的是去活正在使用的专用信道,专用信道释放后,MS返回到IDLE
(空闲)状态。 RR连接释放的命令是CHREL(信道释放),包括释放原因(正常释放、
超时、切换失败等)。MS收到CHREL后,启动定时器,回送一条LAPDm层的DISC消息,
准备断开连接。当DISC消息被系统的UA消息证实或定时器超时后,MS去活所有信道,
返回到空闲模式。
RR连接释放后,停止系统在TCH信道的伴随信道SACCH上发送DESACCH(去活SACCH
信道),并在TCH信道上发送RFCHREL(无线信道释放)及其应答。与RFCHREL相对应,
L1的连接也被清除,以减小或关闭系统在该信道的发射功率。
6其它
6.1选择TCH信道分配时间
在一次通话过程中,MS先后使用了SDCCH和TCH两种不同类型的信道,分别用于信令
和话音传递。网络根据对SDCCH和TCH使用的分配原则,可以在不同时间点,给MS分配
TCH信道,有三种方式:早分配、特早分配和晚分配。
TCH的指配可在CC连接建立后马上进行,也可等收到ALERT消息后再指配。前者称
为早分配,后者为晚分配。分配的早晚会影响系统占用SDCCH或TCH信道的时间。晚分
配的SD-CCH信道占用时间长,可能导致TCH信道还有空闲时,由于SDCCH信道资源的
缺乏而使呼叫失败,但可提高TCH信道的成功使用率。在ALERT后,主被叫均处于接通
状态,一旦被叫用户搞机,TCH信道就可被成功使用。在早分配中,若被叫用户连接失
败,会导致分配给主叫用户使用的TCH信道实际上不能使用,降低了使用率,但提高了
SDCCH的容量。特早分配是在IMMASS时就直接分配一条TCH信道,但仅作为信今信道使
用,在CC连接建立后,再利用信道模式修改命令,改为TCH信道。特早分配没有为信今
信道专门分配独立的物理信道,使可同时通话的用户数最多,减少了呼叫建立的缓冲
过程。当系统可用于通信的N个信道都被占用时,新的用户就不能接入。实际上在通话
前,MS与网络间还需要时间进行初期的信令通信,在这段时间内,原来通话的用户有
可能已结束通话,可以建立新的呼叫。目前特早分配方式使用较少,早分配方式使用
较多。
6.2识别MS身份
TMSI是网络分配给每个移动用户的临时身份码,只在一个位置区域内有效。为了
提高MS用户的保密性,信令通信可首先使用TMSI代替IMSI。如果网络识别TMSI号码,
接续流程可以继续;若不能识别TMSI(MS从一个位置区进入另一个位置区),就会要
求MS重新上报IMSI号码。若该号码有效,通信继续,同时网络还会给该移动用户分配
一个新的TMSI号码。这个接续过程紧跟在A接口的第一个L3消息之后。
6.3重新分配TMSI
无论当前MS使用的TSMSI是否能被系统识别,出于对用户身份保密的考虑,在每次
通信时,网络部可为 MS重新分配一个 TMSI。TMSI的重新分配过程一般是在加密完成
之后,SETUP建立之前。对应于TMSI重新分配命令,MS有一个回应的TMSI分配完成消息。
6.4提前发送功率控制信息
根据系统配置,MS可以决定在AUTHREQ后是否上报MS的处理能力,消息名称为CLASS
MRAKCHANGE,内容与建立指示中的一样,只是更详细说明了MS支持的加密算法。在建
立指示中,只说明是否支持A5/1、A5/2和A5/3 ;而在CLAMARK-CH中,进一步说明
是否支持 A5/4~A5/7算法。网络收到此消息后先回送 MSPWRCTRL消息,说明MS可使
用的功率范围,以及与此MS相应的TRX所需的发射功率。在加密过程中,使用加密算法
的信息,MS是否需要提前发送这条消息,由网络侧的系统消息3说明。

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编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0419/article_7268.html
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