移动通信系统信令交互设计.docx

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移动通信系统信令交互设计

合肥学院

课程设计报告

题目：

移动通信系统信令交互设计_

系别：

电子信息与电气工程系___

专业：

通信工程专业

班级：

_____09级通信

（1）/

（2）/

（2）班

学号：

0905075008/0905076048/0905074014

姓名：

导师：

_______________

成绩：

________________________

2012年11月28日

《通信技术综合课程设计》任务书

论文

题目

移动通信系统信令交互设计

设计类型

工程技术

导师姓名

胡国华

名姓生学

胡庆文、陶坤宸、汪江浩

主要内容及目标

设计一个移动通信系统信令交互系统，要求：

1、可以通过设计软件界面显示移动通信终端实现开关机信令过程；

2、可以通过设计软件界面显示移动通信终端通信过程的信令交互；

3、可以通过设计软件界面显示移动通信终端主叫和被叫的信令过程；、

4、自由发挥其他功能；

5、要求有系统框图，电路原理图，软件流程图，软件代码清单。

具有的设计条件

根据设计要求提供相关的试验环境。

计划学生数及任务

计划需要3人

1人主要进行系统功能设计；

1人主要进行系统软件设计；

1人主要进行系统与硬件接口设计。

计划设计进程

1、从接题开始收集资料、准备设计

2、第1周画出设计系统框图，电路原理图，制定设计方案；

3、第2周系统调试和完善，同时编写设计报告。

参考文献

1、《GSMAdvancedSystemTechnique》，Ericsson’sTextEN/LZT；

2、GSM规范（Phase2+）04.08；

3、《GSM数字移动通信工程》，孙孺石、丁怀元等著。

4、钱勤.手机短消息SMS的程序开发，www.chinaoak,,2004

5、张云.基于GSM的短消息业务协议分析[J]无线通信技术，2001

移动通信系统信令交互设计

摘要：

本次课程设计主要是围绕GSM移动通信系统的主要呼叫流程和主要信令流程进行四个实验：

移动台开机和关机信令交换实验、移动台主叫信令交换实验、移动台被叫信令交换实验、移动台移动性管理信令交换实验。

本文是从GSM系统结构与功能、信令交互基本原理及典型的呼叫处理过程几个方面来介绍本次课程设计的相关知识、实验中遇到的问题及其解决方案。

关键字：

GSM系统、信令交互、呼叫处理过程

正文：

一、GSM系统

1.1GSM系统结构及其功能

移动通信是指通信双方有一方或两方处于运动中的通信。

可以是移动台与移动台之间的通信，也可以是移动台与固定用户之间的通信。

包括陆、海、空移动通信。

由于移动通信网中依靠的是无线电波的传播，采用的频段遍及低频、中频、高频、甚高频和特高频，其传播环境要比固定网中有线媒质的传播特性复杂，因此，移动通信有着与固定通信不同的特点。

移动通信系统由移动台、基台、移动交换局组成。

若要同某移动台通信，移动交换局通过各基台向全网发出呼叫，被叫台收到后发出应答信号，移动交换局收到应答后分配一个信道给该移动台并从此话路信道中传送一信令使其振铃。

GSM系统又称蜂窝移动通信系统，主要是由由移动台（MS）、移动网子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作支持子系统（OSS）四部分组成。

移动台（MS）是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。

移动台的类型不仅包括手持台，还包括车载台和便携式台。

随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持台的用户将占整个用户的极大部分。

基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。

它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。

另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。

当然，要对BSS部分进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接。

移动网子系统（NSS）主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。

NSS由一系列功能实体构成，整个GSM系统内部，即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7协议和GSM规范的7号信令网路互相通信。

操作支持子系统（OSS）需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。

GSM系统结构框图如图1所示：

图1GSM系统结构框图

下面简要介绍各实体的功能：

1.1.1GSM移动台

移动台是移动网中的用户终端，包括移动设备（ME）和移动用户识别模块SIM卡。

SIM卡上包含所有与用户有关的信息，也含有鉴权和加密实现的信息。

它是整个移动通信系统中直接由用户使用的设备，主要功能通过无线接入进入通信网络，完成各种控制和处理以提供主叫或被叫通信。

移动台的类型很多，除了人们最熟悉的手机之外还包括车载台、便携式移动台。

任何类型的GSM移动台都具备以下的基本功能：

1、无线接入GSM数字移动通信网，完成各种控制功能；

2、支持各种基本业务（电信业务和承载业务）和附加业务；

（1）加密功能，可对用户数据及信令进行加密；

（2）话音编解码和信道编解码功能；

（3）辅助基站子系统完成APC（自动功率控制）、跳频及各种切换；

（4）无线信道速率和用户数据速率之间的适配；

（5）实现人机接口（MMI）所需的各种功能。

移动台的一个重要组成部分是用户识别模块，即人们常说的SIM卡。

SIM卡中存放着所有和用户有关的用户无线接口侧的信息，包括鉴权、加密信息。

使用GSM系统进行呼入和呼出的移动台必须插入SIM卡，只有在处理紧急呼叫时（如呼110和119），才可以在不插入SIM卡的情况下使用移动台。

SIM卡其实是一张符合ISO标准的IC卡，由CPU和存储器以及串行通信单元组成。

SIM卡中存放的主要有三类信息：

（1）与SIM卡本身以及和持卡者有关的信息；

（2）进行GSM网络操作所需的信息，如IMSI，TMSI，LAI，加密键Koch，用户密钥Kid，鉴权算法A3和加密算法A5和密钥生成算法A8等；

（3）缩位拨号码、网络承载性能、移动台设备参数、短消息业务信息等。

1.1.2基站子系统（BSS）

基站子系统（BSS）是移动通信系统中与无线蜂窝网络关系最直接的基本组成部分。

在整个移动网络中基站主要起中继作用。

基站与基站之间采用无线信道连接，负责无线发送、接收和无线资源管理。

而主基站与移动交换中心（MSC）之间常采用有线信道连接，实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信连接。

说得更通俗一点，基站之间主要负责手机信号的接收和发送，把收集到的信号简单处理之后再传送到移动交换中心，通过交换机等设备的处理，再传送给终端用户，也就实现了无线用户的通信功能。

所以基站系统能直接影响到手机信号接收和通话质量的好坏。

基站子系统主要包括两类设备：

基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）。

（1）基站收发台

一个完整的基站收发台包括无线发射/接收设备、天线和所有无线接口特有的信号处理部分。

基站收发台可看作一个无线调制解调器，负责移动信号的接收、发送处理。

一般情况下在某个区域内，多个子基站和收发台相互组成一个蜂窝状的网络，通过控制收发台与收发台之间的信号相互传送和接收来达到移动通信信号的传送，这个范围内的地区也就是我们常说的网络覆盖面。

如果没有了收发台，那就不可能完成手机信号的发送和接收。

基站收发台不能覆盖的地区也就是手机信号的盲区。

所以基站收发台发射和接收信号的范围直接关系到网络信号的好坏以及手机是否能在这个区域内正常使用。

基站收发台在基站控制器的控制下，完成基站的控制与无线信道之间的转换，实现手机通信信号的收发与移动平台之间通过空中无线传输及相关的控制功能。

收发台可对每个用户的无线信号进行解码和发送。

（2）基站控制器

基站控制器包括无线收发信机、天线和有关的信号处理电路等，是基站子系统的控制部分。

主要包括四个部件：

小区控制罪（CSC）、话音信道控制器（VCC）、信令信道控制器（SCC）和用于扩充的多路端接口（EMPI）。

一个基站控制器通常控制几个基站收发台，通过收发台和移动台的远端命令，基站控制器负责所有的移动通信接口管理，主要是无线信道的分配、释放和管理。

当你使用移动电话时，它负责为你打开一个信号通道，通话结束时它又把这个信道关闭，留给其他人使用。

除此之外，还对本控制区内移动台的越区切换进行控制。

如你在使用手机时跨入另一个基站的信号收发范围时，控制器又负责在另一个基站之间相互切换，并保持始终与移动交换中心的连接。

GSM系统越区时采用切换方式，即当用户到达小区边界时，手机会先与原来的基站切断联系，然后再与新的服务小区的基站建立联系，当新的服务小区繁忙时，不能提供通话信道，这时就会发生掉线现象。

因此，用户在使用手机通话时，应尽量避免在四角盲区使用，以减少通话掉线的机率。

控制器的核心是交换网络和公共处理器（CPR）。

公共处理器对控制器内部各模块进行控制管理，并通过X.25通信协议与操作维护中心（OMC）相连接。

交换网络将完成接口和接口之间的64kbit/s数据/话音业务信道的内部交换。

控制器通过接口设备数字中继器（DTC）与移动交换中心相连，通过接口设备终端控制器（TCU）与收发台相连，构成一个简单的通信网络。

在整个蜂窝移动通信系统中，基站子系统是移动台与移动中心连接的桥梁，其地位极其重要。

整个覆盖区中基站的数量、基站在蜂窝小区中的位置，基站子系统中相关组件的工作性能等因素决定了整个蜂窝系统的通信质量。

基站的选型与建设，已成为组建现代移动通信网络的重要一环。

基站子系统为移动台和网络子系统提供了进行信息传输的通路，并对该通路进行管理，移动台和基站子系统之间的接口为Um接口。

移动台部分（MS）包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。

基站子系（BSS）由基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；由MSC控制，与MS进行通信的系统设备,它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。

它给MS和NSS之间提供了传输通道并管理这个通道。

BSC是BSS的控制部分，一个基站控制器通常控制几个基站收发台，主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台越区切换进行控制等；BTS是BSS的无线部分，实际是负责于某小区的无线收发信设备，包括发射机、接收机、天线、连接基站控制器的接口电路以及收发信台本身所需要的检测和控制装置等，它完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。

作为GSM移动通信系统，主要实现一种任何时间、任何地点、任何通信对象之间的通信。

那么在这样一个通信过程中，通信对象之间不仅要传送对通信对象有用的语音及数据，还包括一些信令。

在BSS系统中，涉及到的信令如

图所示。

其主要包含的内容有：

七号信令（NO.7）：

在MSC和BSC之间传送；

D信道的链路接入规程（LAPD）：

在BSC和BTS之间传送；

Dm信道的链路接入规程（LAPDm）：

在BTS和MS之间传送。

图2BSS系统中的信令应用

1.1.3网络子系统（NSS）

网络子系统由移动交换中心（MSC）和归属位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权认证中心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。

MSC是整个网络的核心，它为本MSC区域内的移动台提供所有的交换和信令功能，同时它在MSC之间完成路由功能，并实现移动网与其他网的互连。

HLR是一种用来存储本地用户位置信息的数据库，存储包括用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据，也存储漫游用户所在MSC区域的有关动态数据。

VLR是一个用于存储进入其覆盖区已登记的用户相关信息的数据库，为建立呼叫接续提供必要条件，当漫游用户登记时还要给该用户分配一个新的漫游号码（MSRN），用于其HLR选路，物理上可与MSC合设记作MSC/VLR。

鉴权中心（AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，可以不断为提供一组参数（包括随机数RAND、符号响应SRES和加密键Kc三个参数），以此来鉴别用户身份的合法性，从而只允许有权用户接入网络并获得服务。

1.1.4操作支持子系统（OSS）

OSS是建立在pSOS操作系统上，利用pSOS所提供的功能来实现对上层业务、数据库、操作维护等进程（PROCESS）的事件调度，完成定时器、内存、文件管理以及异常处理等运行支撑功能。

OSS将其它软件子系统与实际的硬件环境隔离开来，提供一个支撑它们运行的虚拟机环境。

操作支持子系统OSS需完成许多任务：

包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。

移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。

用户数据管理一般由归属用户位置寄存器HLR来完成这方面的任务，HLR是NSS功能实体之一。

用户识别卡SIM的管理也可认为是用户数据管理的一部分，但是作为相对独立的用户识别卡SIM的管理，还必须根据运营部门对SIM的管理要求和模式采用专门的SIM个人化设备来完成。

呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动业务交换中心MSC和GMSC分别处理，也可以采用通过HLR或独立的计费设备来集中处理计费数据的方式。

1.2GSM系统信令接口及其协议分层

GSM系统通过MSC建立与公众电信网的接口，其内部各功能实体的互连也是有接口标志，并由相应的接口协议予以定义的。

协议是各功能实体之间的“语言”，接口表示相邻实体之间的接触点，协议通过接口传递有关信息，例如各种通信与管理功能信息。

GSM的接口协议是统一且明确的。

GSM系统各接口采用的分层协议结构是符合开发系统互连（OSI）参考模型的。

分层的目的是允许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议功能，优点是任何一个功能块的扩充或修改具有独立性、灵活性，有利于新业务、新技术的引入和未来发展。

1.2.1GSM系统中的主要接口

GSM系统的主要无线接口有A接口、Abis接口、A-termux接口和Um接口等。

A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间的通信接口，其物理链接通过采用标准的2.048Mb/sPCM数字传输链路来实现。

此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。

Abis接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信接口。

物理链接通过采用标准的2.048Mb/s或64kbit/sPCM数字传输链路来实现。

A-termux接口定义为BSC和TC间的接口，负责传递用户业务数据和七号信令。

Um接口（空中接口）定义为移动台与基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通。

其物理链接通过无线链路实现。

传递的信息包括无线资源管理，移动性管理和接续管理等。

下图3所示为GSM系统主要接口。

图3GSM系统主要接口

不同的接口传送不同的信息流，但其中也可能有一些具有共同性，因此某些协议可以用在不同的接口上，同一个接口会用到多种协议。

通常每种协议用一个规程的名称或某种缩写来代表。

GSM系统在核心网侧定义了B、C、D、E、F、G等接口，这些接口的通信全部采用了七号信令系统，GSM和PSTN之间也优先采用七号信令。

各接口采用的协议入下：

B接口（MSC和VLR之间的接口）：

应用MAP协议

C接口（MSC和HLR之间的接口）：

应用MAP协议

D接口（HLR和VLR之间的接口）：

应用MAP协议

E接口（MSC和MSC之间的接口）：

应用MAP和ISUP协议

F接口（MSC和EIR之间的接口）：

应用MAP协议

MSC和PSTN之间的接口：

应用TUP——TelephoneUserProtocol协议

MSC和ISDN之间的接口：

应用ISUP——Integrateservicedatanetwork

UserProtocol协议

通常TUP和ISUP必须符合各国的规范，而MAP信令则必须遵循GSM的技术规范。

1.2.2分层协议

图4画出了GSM系统主要接口协议分层示意图。

图4GSM系统主要接口协议分层

1．信令层l（L1）

信令层l也称物理层，为信令传输提供物理链路，为高层协议建立相应的控制逻辑信道。

A接口的物理层是基于PCM30/32路，2.048Mbit/s的A律13折线编码的PCM一次群通道，有32个时隙，每个时隙传输64khit/s的信令或业务信息。

A接口在BSS与MSC之间主要传递呼叫处理、移动性管理、基站管理、移动台管理等信息。

Um接口为空中无线接口，采用TDMA／FDMA混合多址接入方式，射频调制方式为GMSK。

Um接口支持一系列逻辑信道，其中控制逻辑信道统称Dm（移动D信道）信道。

各种逻辑信道将在下节详细阐述。

2．信令层2（L2）

信令层2称数据链路层，包括Um接口的Lad和A接口的LAPD两种协议。

Lad是连接MS与BTS，使用Dm信道传输信令信息的协议。

按Lad协议的数据链路有确定的帧格式、编址格式、纠错检错码和交织要求。

Lad将L3信息转换成帧，并处理L1来的应答帧。

LAPD是A接口第2层协议，其帧格式符合固定网ISDN标准，将高层信息组装成LAPD帧经D通道传输，信令消息使用64kbit/s速率传输。

3．信令层3（L3）

信令层3是信令功能层，执行控制和管理协议，是收发信令信息的实体。

信令层3分成CC、MM和RM三个子层，其中MM和RM子层包括与业务信息有关的附加功能。

下面说明子层的通信功能。

RM（无线资源管理）在公共信道上的信令过程有：

寻呼、随机接入、分配专用控制信道、系统信息广播；RM在专用控制信道上的信令过程有：

信道分配和释放、加密操作、定期测量无线链路性能、切换处理。

MM（移动性管理）提供下述控制：

TMSI重新分配、用户鉴权、位置登记、IMSI的附着／分离、周期更新。

CC（呼叫控制管理）包括几个独立的协议实体，如CC、SMS（短消息业务）。

CC协议实体负责呼叫建立、呼叫释放等交换控制，其它控制程序提供补充业务及SMS。

1.2.3信令功能的互通

信令层3各子层功能的互通主要是由BSSAP提供。

无线资源管理（RM）由BSS完成，或者由BSS和MSC共同完成。

RM协议在BSS终止或者由BSS转译成BSSMAP协议在A接口传输。

因此，BSSMAP等同于MSC节点的RM功能。

MM和CC（包括CC和SMS）信令信息在MS和MSC之间传送，BSS提供透明传递而对MM和CC消息不进行任何分析，仅对信息的帧格式及信道编码进行调整，以适应无线和有线接口低层协议的不同要求，保证信令（功能）信息在接口间互通。

二、典型的呼叫处理过程

2.1开机信令

移动台开机搜索网络的过程：

当移动终端MS开机或者从盲区进入覆盖区时，手机将寻找PLMN（公共陆地移动网络）允许的所有频点，搜寻最强的BCCH载频，接收到FCCH信道信息，锁定到一个正确载频频率上。

紧接着，MS开始解码SCH信道上与同步有关的信息。

这时，MS也可以接收BCCH信道上有关小区信息的系统消息了。

MS比较系统消息中所携带的本小区的LAI和手机中所存储的LAI。

如果两者相同，则触发IMSI附着过程。

否则，则触发正常位置更新。

本实验主要进行IMSI附着的信令过程，及其MSC/VLR数据库中对于此MS记录的改变情况。

而正常的位置更新过程将在移动性管理实验中介绍。

GSM网络中位置更新程序包括三类：

IMSI附着、正常位置更新、周期性位置更新。

从信令角度上看，周期性位置更新的信令过程同IMSI附着相似，目的是周期性向网络报告MS的可达性。

有了周期性的位置更新，当移动台开机进入盲区的时候，MS就不会向网络进行周期性的位置更新，网络就将此MS标记为隐含关机状态，这时如果有其他的MS呼叫此MS，MSC/VLR就不会对此MS进行呼叫，而是直接告诉主呼的MSC/VLR，被叫MS不在服务区。

从而避免了不必要的寻呼过程，节省了资源。

（1）实验操作步骤

1．在“移动系统信令软件”主界面上点击“开机信令”按钮，进入此实验界面；

2．实验箱上，先按“菜单”键，再按数字键“9”进入系统通信实验，相当于MS开机，液晶屏自动显示本实验箱的号码；

3．当实验箱液晶屏本机号码后显示“*”时，表示移动实验箱开机入网正常，否则重复该步骤2，或者移动实验箱关机后再开机，重复步骤2。

观察消息框中显示的开机的信令过程。

开机信令过程若正常结束，会弹出对话框“开机过程完成，终端处于空闲状态”；

4．到目前为止，正常的开机过程结束，点击“退出”按钮退出开机信令实验。

（2）信令流程图

（3）程序主要代码

PrivateSubcmdAgain_Click（）

Callstart_status_dis_init

EndSub

PrivateSubcmdCurrentStatus_Click（）

gDetailCanDis=1

MDIForm1.Timer1.Enabled=True

frmStartSignaling.Hide

frmstat.Show

EndSub

PrivateSubCommand1_Click（）

gFunction=CNULL

gStatus=CBE_READY

tmrSignalling=False

frmStartSignaling.Hide

CallMDIForm1.send_stop_cmd_rs6001

CallfrmMain.dis_frmMain

EndSub

PublicSubstart_status_dis_init（）

DimiAsInteger

'gFunction=CSTART

gStatusDisLableIndex=0

gMaxStatusDisLableIndex=17

Fori=0TogMaxStatusDisLableIndex

lblSignalling（i）.Visible=False

Nexti

tmrSignalling.Interval=5000

tmrSignalling.Enabled=True

EndSub

PrivateSubCommand2_Click（）

CallfrmMain.cmdStart_Click

EndSub

PrivateSublblSignalling_Click（IndexAsInteger）

EndSub

PrivateSubtmrSignalling_Timer（）

IfgStatus=CDIS_SIGNALLINGThen

IfgStatusDisLableIndex<=gMaxStatusDisLableIndexThen

lblSignalling（gStatusDisLableIndex）.Visible=True

gStatusDisLableIndex=gStatusDisLableIndex+1

tmrSi