GSM系统信令接续流程

GSM系统信令接续流程

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 KEYNo 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
CLASSMRAKCHANGE ，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。