GSM系統信令接續流程

GSM 系統使用類(lèi)似OSI 協(xié)議模型的簡(jiǎn)化協(xié)議，包括物理層（L1 ）、數據鏈路層（L2 ）和應用層（L3 ）。L1是協(xié)議模型最底層，提供物理媒介傳輸比特流所需的全部功能。L2 保證正確傳遞消息及識別單個(gè)呼叫。在GSM 系統中，無(wú)線(xiàn)接口（Um ）上的L1 和L2 分別是TDMA 幀和LAPDm 協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò )側，Abis 接口和A接口使用的L1 均為E1 傳輸方式，L2 分別為L(cháng)APD 和MTP 協(xié)議。在Um 接口，MS 每次呼叫時(shí)都有一個(gè)L1 和L2 層的建立過(guò)程，在此基礎上再與網(wǎng)絡(luò )側建立L3 上的通信。在網(wǎng)絡(luò )側（A 和Abis 接口），其L1 和L2 （SCCP 除外）始終處于連接狀態(tài)。L3 層的通信消息按階段和功能的不同，分為無(wú)線(xiàn)資源管理（RR ）、移動(dòng)性管理（MM ）和呼叫控制（CC ）三部分。
1 、建立RR 連接
RR 的功能包括物理信道管理和邏輯信道的數據鏈路層連接等。
在任何情況下，MS 向系統發(fā)出的第一條消息都是CH －REQ （信道請求），要求系統提供一條通信信道，所提供的信道類(lèi)型則由網(wǎng)絡(luò )決定。CH －REQ 有兩個(gè)參數：建立原因和隨機參考值（RAND ）。建立原因是指MS 發(fā)起這次請求的原因，本例的原因是MS 發(fā)起呼叫，其它原因有緊急呼叫、呼叫重建和尋呼響應等。
RAND 是由MS 確定的一個(gè)隨機值，使網(wǎng)絡(luò )能區別不同MS 所發(fā)起的請求。RAND 有5 位，最多可同時(shí)區分32 個(gè)MS ，但不保證兩個(gè)同時(shí)發(fā)起呼叫的MS 的RAND 值一定不同。要進(jìn)一步區別同時(shí)發(fā)起請求的MS ，還要根據Um 接口上的應答消息。
CH －REQ 消息在BSS 內部進(jìn)行處理。BSC 收到這一請求后，根據對現有系統中無(wú)線(xiàn)資源的判斷，分配一條信道供MS 使用。該信道是否能正常使用，還需BTS 作應答證實(shí)，Abis 接口上的一對應答消息CHACT（信道激活）和CHACK （信道激活證實(shí)）完成這一功能。CHACT 指明激活信道工作所需的全部屬性，包括信道類(lèi)型、工作模式、物理特性和時(shí)間提前量等。
網(wǎng)絡(luò )準備好合適的信道后，就通知MS ，由IMMASS （立即指配）消息完成這一功能。在IM －MASS 中，除包含CHACT 中的信道相關(guān)信息外，還包括隨機參考值RA 、縮減幀號T 、時(shí)間提前量TA 等。RA 值等于BSS 系統收到的某個(gè)MS 發(fā)送的隨機值。T 是根據收到CH －REQ 時(shí)的TD －MA 幀號計算出的一個(gè)取值范圍較小的幀號。RA 和T 值都與請求信道的MS 直接相關(guān)，用于減少MS 之間的請求沖突。TA 是根據 BTS收到RACH 信道上的CH －REQ 信息進(jìn)行均衡時(shí)，計算出來(lái)的時(shí)間提前量。MS 根據TA 確定下一次發(fā)送消
息的時(shí)間提前量。
IMMASS 的目的是在Um 接口建立MS 與系統間的無(wú)線(xiàn)連接，即RR 連接。MS 收到IM －MASS 后，如果RA 值和T 值都符合要求，就會(huì )在系統所指配的新信道上發(fā)送SABM 幀，其中包含一個(gè)完整的L3 消息（MP －L3 －INF ），這條消息在不同的接口有不同的作用。在Um 接口，SABM 幀是LAPDm 層上請求建立一個(gè)多幀應答操作方式連接的消息。系統收到SANM 幀后，回送一個(gè)UA 幀，作為對SABM 幀的應答，表明在MS 與系統之間已建立了一條LAPDm 通路；另外，此UA 幀的消息域包含同樣一條L3 消息，MS收到該消息后，與自己發(fā)送的SABM 幀中相應的內容比較，只有當完全一樣時(shí)，才認為被系統接受。L3消息中包含MS 的IMSI ，IMSI 對每個(gè) MS 是唯一的，這可保證在該信道上只有一個(gè)MS 可接入系統。在A(yíng)bis 接口，這條消息是ESTIND （建立指示），用來(lái)通知已建立LAPDm 連接，作為對IMMASS 消息的應答。
在SANM 幀中，透明傳輸到MSC 的L3 消息是A 接口的第1 條L3 消息。盡管A 接口的MTP 連接在通話(huà)前已經(jīng)建立，但對每個(gè)呼叫，在L2 還要建立一個(gè)SCCP 的連接。L3 消息包含在A(yíng) 接口上SCCP 的請求建鏈消息（CR ）中傳遞。如請求被允許，A 接口的第1 條下行消息將含在SCCP 層的連接證實(shí)（CC ）幀中。對SCCP 層來(lái)說(shuō)，CR 與CC 的交換是源參考地址與目的參考地址的交換。在同樣的信令點(diǎn)碼下，不同的呼叫具有不同的源地址和目的地址。A 接口上第1 條消息傳遞完后，MS 與系統之間就建立了RR 連接，RR 實(shí)體通知MM 子層已進(jìn)入專(zhuān)用模式。在專(zhuān)用模式下，MM 子層和CC 子層負責發(fā)送所有L2 層上的消息。除了錯誤指示和釋放本地鏈路以外，均由RR 子層直接處理。
2 、建立MM 連接
正常情況下，要建立MM 連接必須先有RR 連接。RR 建立后的第一個(gè)步驟是鑒權（AUTH ），即鑒定移動(dòng)用戶(hù)的身份。在A(yíng)U －THREQ （鑒權請求）中有兩個(gè)參數：CIP KEY No （加密鍵號）和 AUT RAND （鑒權隨機值）Q CIPKEY No 與每個(gè)MS 的密匙Kc 相對應，由網(wǎng)絡(luò )計算出來(lái)送到MS ，目的是毋須調用AUTH過(guò)程，就可直接由MS 的IMSI 和CM －SERV －REQ 中的CIP KEYNo 參數得到Kc 。ATU RAND 供MS 計算鑒權響應值SRES 。MS 的SIM 中存有4 個(gè)與鑒權和加密相關(guān)的數據：鑒權算法A3 、加密序列算法A8 、加密算法A5 和移動(dòng)用戶(hù)個(gè)人鑒權鍵Ki 。其關(guān)系如下：Kc=A8 （RAND ，Ki ），SRES=A3 （RAND ，Ki ），加密數據流=A5 （user data ，Kc ）。SRES 是MS 對AUTH REQ 的響應值，在A(yíng)UTH RES 中傳遞。網(wǎng)絡(luò )中存儲了與每個(gè) IMSI 相對應的Ki 值，網(wǎng)絡(luò )根據計算出的SRES 值和MS 回送的SRES 值，可對MS 的身份進(jìn)行鑒定。Kc 用于鑒權后的加密過(guò)程，加密算法A5 由網(wǎng)絡(luò )指定，但 MS 必須支持該算法。在加密命令CIP－M-COM 中，指出了每個(gè)MS 支持的A5 算法類(lèi)型，還指定了MS 的回送消息中是否包括IMEISV 參數。對MS 的身份識別及無(wú)線(xiàn)信道傳輸加密過(guò)程完成后，建立呼叫所需的MM 連接已經(jīng)建立，可以向更高層（CC 子層）提供呼叫信息的傳遞功能。
3 、建立CC 連接MS 向網(wǎng)絡(luò )發(fā)SETU （建立）消息，請求建立呼叫，消息內容包括：（1 ）此次呼叫請求的具體業(yè)務(wù)種類(lèi)及MS 能提供的承載能力，包括信息傳輸要求、發(fā)送方式、編碼標準及可使用的無(wú)線(xiàn)信道類(lèi)型；（2 ）被叫用戶(hù)號碼，包括被叫號碼類(lèi)型和編碼方案。
網(wǎng)絡(luò )收到SETUP 消息，若接受請求，就回送CALL PROC （呼叫處理），表明正在處理呼叫，主叫MS
處于等待狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始尋找被叫用戶(hù)，若被叫也是GSM 系統用戶(hù)，其接入網(wǎng)絡(luò )的方式與主叫類(lèi)似。不同點(diǎn)有：（1 ）被叫 MS 收到網(wǎng)絡(luò )發(fā)出的PAGINC （尋呼）消息后，才會(huì )提出信道請求；（2 ）被叫MS在與網(wǎng)絡(luò )建立CC 連接時(shí)，先由網(wǎng)絡(luò )發(fā)下行的SETUP 消息，MS 回送CALLCONF （呼叫證實(shí)）消息。在CALL ，PROC 或CALL ，CONF 后，網(wǎng)絡(luò )與MS 之間CC 層的連接建立。
后續的CC 層消息ALERT （振鈴）、 CON －NECT （連接）及其應答消息，分別對應MS 振鈴和用戶(hù)搞機動(dòng)作。網(wǎng)絡(luò )收到被叫的ALERT 消息，再向主叫MS 發(fā)送同樣的ALERT 消息，使主叫知道當前的通話(huà)接續狀態(tài)，即通常打電話(huà)時(shí)聽(tīng)到的振鈴聲。收到振鈴聲后，主叫等待被叫摘機，該動(dòng)作在信令接續上反映為CONNECT （連接）消息。完成對CONNECT 消息的應答后，主被叫雙方進(jìn)入正常通話(huà)狀態(tài)，直到有一方關(guān)機，通話(huà)結束。
傳遞信令使用的是SDCCH 或FACCH ，MS 通話(huà)必須在TCH 信道上進(jìn)行。為此，網(wǎng)絡(luò )分配給MS 一條
TCH 信道，分配方式與IMMASS 類(lèi)似，不同點(diǎn)在于指配的發(fā)起是由MSC 的ASS －REQ （指配請求命令）開(kāi)始的。BSC 根據ASS －REQ 的信息，激活相應的無(wú)線(xiàn)信道，根據ASS －REQ 中指定業(yè)務(wù)的相應信息，確定該無(wú)線(xiàn)信道的類(lèi)型。由CHACT 指定無(wú)線(xiàn)資源，包括信道頻率、時(shí)隙和跳頻等內容。
4 、連接話(huà)音通路
GSM 系統業(yè)務(wù)的數據傳遞采用電路模式，在主叫與被叫之間有一條物理通路。建立這樣一條通路有兩個(gè)要求：（1 ）為傳遞通信的不同路由段分配一定的信道資源；（2 ）將各段信道連接在一起。
信道資源包括Um 接口的無(wú)線(xiàn)信道和A 接口的PCM 鏈路信道。無(wú)線(xiàn)信道由CHACT 說(shuō)明，A 接口的地面信道由 ASS －REQ 說(shuō)明。
各個(gè)信道的連接是一個(gè)接路過(guò)程。收到ASS －REQ 后，BSC 將A 接口的地面信道和Um 接口的無(wú)線(xiàn)信
道連接在一起。收到CONNECT 后，MSC 將A 接口的地面信道和網(wǎng)絡(luò )內使用的信道連接在一起。在MS
內部也有類(lèi)似的接路過(guò)程。主叫方收到ALERT 消息后，接通內部的話(huà)音通路；被叫端的用戶(hù)（GSM 用戶(hù)）在發(fā)送CON －NECT 時(shí)，接通 MS 內的話(huà)音通路。
5 、呼叫斷續處理
5.1 、清除CC 連接和 MM 連接
當一方用戶(hù)掛機時(shí)，開(kāi)始清除通信連接。從L3 的CC 子層開(kāi)始清除，最終到L1 。
以主叫MS 先掛機為例。MS 發(fā)送DISCON －NECT （斷開(kāi)連接）消息，指明呼叫清除的發(fā)起端及清除原因。網(wǎng)絡(luò )收到DISCONNECT 后，停止所有的CC 連接定時(shí)器，清除業(yè)務(wù)信道在網(wǎng)絡(luò )中的連接，向MS 發(fā)送RELEASE （呼叫釋放），通知它網(wǎng)絡(luò )正在釋放CC 層的連接。MS 收到消息后，停止所有CC 連接定時(shí)器，釋放MM 連接，向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送RELCMP ，本身進(jìn)入“NULL ”（空閑）狀態(tài)。這時(shí)，在MS 側，L3 的連接已經(jīng)全部釋放完畢，但MS 不能自己拆除L2 層的連接，要等待網(wǎng)絡(luò )的釋放命令。網(wǎng)絡(luò )收到RELCMP （呼叫釋放完成）后，釋放MM 連接，返回到“NULL ”狀態(tài)。
CC 層和MM 層的連接釋放完畢后，網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)SCCP 連接的釋放，釋放及應答消息分別為CLRCOM （清
除）和CLRCMP （清除完成）。
5.2 、釋放RR 連接
RR 連接釋放的目的是去活正在使用的專(zhuān)用信道，專(zhuān)用信道釋放后，MS 返回到IDLE （空閑）狀態(tài)。 RR連接釋放的命令是CHREL （信道釋放），包括釋放原因（正常釋放、超時(shí)、切換失敗等）。MS 收到CHREL后，啟動(dòng)定時(shí)器，回送一條LAPDm 層的DISC 消息，準備斷開(kāi)連接。當DISC 消息被系統的UA 消息證實(shí)或定時(shí)器超時(shí)后，MS 去活所有信道，返回到空閑模式。
RR 連接釋放后，停止系統在TCH 信道的伴隨信道SACCH 上發(fā)送DESACCH （去活SACCH 信道），并
在TCH 信道上發(fā)送RFCHREL （無(wú)線(xiàn)信道釋放）及其應答。與RFCHREL 相對應，L1 的連接也被清除，以減小或關(guān)閉系統在該信道的發(fā)射功率。
6 、其它
6.1 、選擇TCH 信道分配時(shí)間
在一次通話(huà)過(guò)程中，MS 先后使用了SDCCH 和TCH 兩種不同類(lèi)型的信道，分別用于信令和話(huà)音傳遞。
網(wǎng)絡(luò )根據對SDCCH 和TCH 使用的分配原則，可以在不同時(shí)間點(diǎn)，給MS 分配TCH 信道，有三種方式：
早分配、特早分配和晚分配。
TCH 的指配可在CC 連接建立后馬上進(jìn)行，也可等收到ALERT 消息后再指配。前者稱(chēng)為早分配，后者
為晚分配。分配的早晚會(huì )影響系統占用SDCCH 或TCH 信道的時(shí)間。晚分配的SD －CCH 信道占用時(shí)間長(cháng)，可能導致TCH 信道還有空閑時(shí)，由于SDCCH 信道資源的缺乏而使呼叫失敗，但可提高TCH 信道的成功使用率。在A(yíng)LERT 后，主被叫均處于接通狀態(tài)，一旦被叫用戶(hù)搞機，TCH 信道就可被成功使用。在早分配中，若被叫用戶(hù)連接失敗，會(huì )導致分配給主叫用戶(hù)使用的TCH 信道實(shí)際上不能使用，降低了使用率，但提高了SDCCH 的容量。特早分配是在IMMASS 時(shí)就直接分配一條TCH 信道，但僅作為信今信道使用，在CC 連接建立后，再利用信道模式修改命令，改為T(mén)CH 信道。特早分配沒(méi)有為信今信道專(zhuān)門(mén)分配獨立的物理信道，使可同時(shí)通話(huà)的用戶(hù)數最多，減少了呼叫建立的緩沖過(guò)程。當系統可用于通信的N 個(gè)信道都被占用時(shí)，新的用戶(hù)就不能接入。實(shí)際上在通話(huà)前，MS 與網(wǎng)絡(luò )間還需要時(shí)間進(jìn)行初期的信令通信，在這段時(shí)間內，原來(lái)通話(huà)的用戶(hù)有可能已結束通話(huà)，可以建立新的呼叫。目前特早分配方式使用較少，早分配方式使用較多。
6.2 、識別MS 身份
TMSI 是網(wǎng)絡(luò )分配給每個(gè)移動(dòng)用戶(hù)的臨時(shí)身份碼，只在一個(gè)位置區域內有效。為了提高M(jìn)S 用戶(hù)的保密性，信令通信可首先使用TMSI 代替IMSI 。如果網(wǎng)絡(luò )識別TMSI 號碼，接續流程可以繼續；若不能識別TMSI（MS 從一個(gè)位置區進(jìn)入另一個(gè)位置區），就會(huì )要求MS 重新上報IMSI 號碼。若該號碼有效，通信繼續，同時(shí)網(wǎng)絡(luò )還會(huì )給該移動(dòng)用戶(hù)分配一個(gè)新的TMSI 號碼。這個(gè)接續過(guò)程緊跟在A(yíng) 接口的第一個(gè)L3 消息之后。
6.3 、重新分配TMSI
無(wú)論當前MS 使用的TSMSI 是否能被系統識別，出于對用戶(hù)身份保密的考慮，在每次通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò )部可為MS 重新分配一個(gè)TMSI 。TMSI 的重新分配過(guò)程一般是在加密完成之后，SETUP 建立之前。對應于TMSI重新分配命令，MS有一個(gè)回應的TMSI 分配完成消息。
6.4 、提前發(fā)送功率控制信息
根據系統配置，MS 可以決定在A(yíng)UTHREQ 后是否上報MS 的處理能力，消息名稱(chēng)為
CLASSMRAKCHANGE ，內容與建立指示中的一樣，只是更詳細說(shuō)明了MS 支持的加密算法。在建立指示中，只說(shuō)明是否支持A5 ／1 、A5 ／2 和A5 ／3 ；而在CLAMARK －CH 中，進(jìn)一步說(shuō)明是否支持 A5 ／4 ～A5 ／7 算法。網(wǎng)絡(luò )收到此消息后先回送 MSPWRCTRL 消息，說(shuō)明MS 可使用的功率范圍，以及與此MS相應的TRX 所需的發(fā)射功率。在加密過(guò)程中，使用加密算法的信息，MS 是否需要提前發(fā)送這條消息，由網(wǎng)絡(luò )側的系統消息3 說(shuō)明。