GSM协议基本讲座.docx
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GSM协议基本讲座
GSM移动通信及协议栈
基础知识讲座
通信研究院
1.信令基本概念
人们要通过交换机接通电话，必须通过交换机发出操作命令。
图1为两个用户通过两个端局进行电话接续的基本信令流程。
主叫发端交换机收端交换机被叫
启呼（摘机）
送拨号音
拨号信令
占用信令
选择信令
回铃音信令振铃信令
应答（摘机）
应答信令
通话
复原（挂机）
后向挂机信令
复原（挂机）
前向拆线信令
拆线证实信令
用户线信令局间信令用户线信令
图1电话接续基本信令流程
以上是最基本的信令流程，当接续需经过多个交换机时，实际的信令比图1要复杂得多。
这些信令的共同特点是：
每一个信令都促使交换机产生一个动作。
如摘机信令，话机叉簧闭合，构成直流回路。
在直流回路上有电流通过，可检测到摘机信令，交换机收到后，产生动作，向用户话机送拨号音，通过话机的受话器变成声音信号，送到受话人的耳朵。
因此除了通信时的用户信息（包括语音信息和非话务信息）以外的控制交换机动作的信号，就是信令。
eg
2.GSM通信系统概述
2.1系统的组成
GSM系统主要是由交换网络子系统（NSS）、无线基站子系统（BSS）和移动台（MS）三大部分组成的。
其系统框图如下：
MSBSSNSS
MSC/VLR
EIR
HLR/AUC
BTS
No.7BSSAPNo.7MAP
BSC
MSC/VLR
ANo.7MAP.TUPPLMN
PSTN
BTS
X.25No.7TUPISDN
Um
SC
（Air）Abis
OMC
X.25或NO.7
MS：
移动台BTS：
基站收发信台
BSC：
基站控制器OMC：
操作维护中心
MSC：
移动交换中心HLR：
归属位置寄存器
AUC：
鉴权中心VLR：
拜访位置寄存器
EIR：
设备识别寄存器SC：
短消息中心
图2GSM系统框图
A接口往右是NSS系统，负责呼叫控制功能，呼叫总是通过NSS连接的；它包括MSC、VLR、HLR、AUC和EIR。
A接口往左，Um接口往右是BSS系统，负责无线通道的控制，每个呼叫都通过它连接；它包括BSC和BTS。
Um接口往左是移动台部分，包括移动设备ME和客户识别码SIM。
2.2交换网络子系统
NSS主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。
NSS由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：
MSC：
是GSM系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的MS进行控制和完成话路（TCH）交换的功能实体，也是移动通信与其它公用通信网之间的接口（GMSC）。
它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理（RR）、移动性管理（MM）和连接性管理（CM）等。
另外，为建立呼叫路由，每个MSC还能完成入口MSC（GMSC）的功能，即查询位置信息的功能。
VLR：
是一个数据库，是存储MSC为了处理所管辖区域中MS（统称拜访客户）的来话、去话呼叫所需检索的信息，如：
客户的号码，所处位置区域（LA）的识别，向客户提供的服务等参数。
通常VLR是和MSC集成在一块的。
VLR中，用户数据是被暂时存储的。
当用户移动至另一个VLR/MSC区时，用户数据将从旧的VLR中删除，并存储到新的VLR中。
HLR：
也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。
每个移动客户都应在其所属的HLR中注册登记，它主要存储两类信息：
一是有关客户的参数；一是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至MS的呼叫路由，如：
MSC、VLR地址等。
HLR以永久的方式存储用户的基本数据。
在HLR中，唯一变化的数据是用户的当前位置（VLR地址）。
AUC：
用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需的鉴权、加密三参数（RAND、SRES、Kc）的功能实体。
EIR：
也是一个数据库，存储有关ME的参数。
重要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防非法ME的使用。
（注：
在我国尚未启用这项功能服务）
2.3无线基站子系统
BSS系统是在一定的无线覆盖区中由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机和无线资源（RR）管理等功能。
功能实体可分为BSC、BTS和码形转换器（TC）。
BSC：
具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是很强的业务控制点。
BTS：
无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。
TC：
在Air接口，传输媒介承载的是无线频率，但是通常存在大量PSTN与PLMN之间的通话，话务信号也要通过固定网传输。
为了使得数字话音信息在无线空中接口上的有效传输。
数字语音信号被压缩至13kbit/s（全速率）或6.5kbit/s（半速率）。
然而在PSTN中的话音的标准速率为64kbit/s，因此必须在网络中提供从一种速率到另一种的转换。
这就是所谓的代码转换器（TC）。
2.4移动台
移动台（MS）就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端（ME）和客户识别卡（SIM）。
ME：
就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收等功能。
SIM：
就是“人”，存有认证客户所需的所有信息，用户的识别号码，申请的业务目录和适用的网络。
并能执行一些与安全保密有关的重要信息（即包含鉴权和加密所需的信息），以防止非法客户进入网络。
SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM卡后ME才能接入进网。
2.5操作维护子系统
GSM系统还有个操作维护子系统（OMC），它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。
通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。
3．GSM网的呼叫建立
3.1编号规则
1.移动用户国际ISDN码（MSISDN）
MSISDN=CC+NDC+SN
MSISDN号码是指主叫客户为呼叫PLMN中客户所需拨的号码。
（用于查询HLR）
CC：
国家代码，我国为86；
NDC：
国内目的代码，即网路接入号，中国移动为135~139，中国联通为130。
SN：
用户号码，指向HLR中数据库的项。
中国移动的SN号码结构为：
H1H2H3ABCD，其中H1H2H3为每个移动业务本地网的HLR号码，ABCD为移动客户码。
中国联通的SN号码结构为H1H2ABCDE，其中H1H2是每个移动业务本地网的HLR号码，ABCDE是移动客户码。
2.国际移动客户识别码（IMSI）
IMSI=MCC+MNC+MSIN15位
为了在无线路径和整个GSM移动通信网上正确的识别某个移动客户，就必须给移动客户分配一个特定的识别码。
这个识别码就是IMSI号，用于GSM移动通信网所有信令中，这样用户就可以在PLMN中进行登记。
IMSI号存储在SIM卡、HLR和VLR中。
MCC：
移动网国家代码，3位，我国为460。
MNC：
移动网代码，2位，中国移动为00，中国联通为01。
MSIN：
移动用户识别码，10位。
3.临时移动客户识别码（TMSI）
为了对IMSI保密，MSC/VLR可给来访的移动客户分配一个唯一的TMSI号码，即为一个由MSC自行分配的4bytesBCD编码，仅限在本MSC业务区内使用。
4.移动客户漫游号码（MSRN）
MSRN=CC+NDC+SN
被叫客户所归属的HLR知道该客户目前是处于哪一个MSC/VLR业务区，为了提供给入口MSC/VLR（GMSC）一个用于选路由的临时号码，HLR请求被叫所在业务区的MSC/VLR给该被叫客户分配一个MSRN，并将此号码送至HLR，HLR收到后在发给GMSC，GMSC根据此号码选路由，将呼叫接至被叫客户目前正在访问的MSC/VLR交换局。
路由一旦建立此号码就可立即释放。
CC：
被访国家代码。
NDC：
国内目的代码（服务的网络）。
SN：
用户号码，是一临时与IMSI相关的内部号码，指向VLR中的数据库项。
5.位置区识别码LAI
LAI用于移动客户的位置更新，具有全球唯一性。
LAI=MCC+MNC+LAC
MCC：
移动客户国家代码，同IMSI中的前三位数字。
MNC：
移动网号，同IMSI中的MNC。
LAC：
位置区代码，为2bytesBCD编码，表示为X1X2X3X4。
在一个GSMPLMN网中可定义65536个不同的位置区。
6.切换号码HON
HON是当进行MSC间越局切换时，为选择路由，由目标MSC（即切换要转移到的MSC）临时分配给移动客户的一个号码。
此号码为MSRN号码的一部分。
HON=CC+NDC+SN
7.HLR号码
HLR号码代表HLR的地址。
中国移动GSM网中的HLR号码结构是客户号码为全0的MSISDN号码，即：
1390H1H2H30000。
8.MSC/VLR号码
MSC/VLR号码代表MSC的地址。
中国移动GSM网中的MSC/VLR号码结构为1390M1M2M3，其中M1M2的分配同H1H2的分配。
9.全球小区识别码CGI
CGI是用来识别一个位置区（LA）内的小区。
CGI=MCC+MNC+LAC+CI=LAI+CI
CI：
小区识别码。
10.基站识别码BSIC
BSIC是用于识别相邻国家的相邻基站的，为6bit编码。
BSIC=NCC+BCC
NCC：
国家色码，主要用来区分国界各侧的运营者（国内区别不同的省），为XY1Y2。
X：
运营者（移动X=1，联通X=0）
Y1、Y2：
分配见下表：
Y1
Y2
0
1
0
吉林、甘肃、西藏、
广西、福建、湖北、
北京、江苏
黑龙江、辽宁、
宁夏、四川、海南、江西、天津、山西、山东
1
新疆、广东、
河北、安徽、上海、贵州、陕西
内蒙古、青海、云南、河南、浙江、湖南
BCC：
基站色码，识别基站，由运营商设定。
11.国际移动台设备识别码（IMEI）
唯一的识别一个移动台设备的编码，为一个15位的十进制数字。
IMEI=TAC+FAC+SNR+SP
TAC：
型号批准码，由欧洲型号认证中心分配，6位。
FAC：
工厂装配码，由厂家编码，表示生产厂家及其装配地，2位。
SNR：
序号码，由厂家分配。
识别每个TAC和FAC中的某个设备的，6位。
SP：
备用，1位。
3.2GSM网的呼叫建立
3.2.1固定客户至MS呼叫
1.固定网的用户拨打一个移动电话号码。
拨打的号码就是MSISDN。
2.PSTN交换机分析被拨打的号码。
分析的结果就是寻找被叫注册的PLMN所要求的路由信息。
PSTN在NDC的基础上识别移动网，之后它通过最近的网关移动业务交换中心（GMSC）接入移动网。
3.GMSC以PSTN交换机的同样方式分析MSISDN。
作为分析的结果，它获得用户永久注册的HLR地址。
注意：
GMSC本身并不拥有被叫的任何位置信息。
用户的位置只能由HLR和VLR两个数据库确定。
然而，此时，GMSC仅知道HLR地址，所以它发送一个消息（其中包含了MSISDN）给HLR。
实际上，该消息就是为了建立呼叫而对被叫的位置进行查询请求，称之为“HLREnquiry”。
4.HLR分析信息。
它根据MSISDN识别被叫，然后检查它的数据库确定用户位置（结合IMSI）。
注意：
每次用户从一个VLR区移动至另一VLR区都会通知HLR，即HLR知道用户当前登记在哪一个VLR区。
应该指出，HLR并不处理话务。
话务连接需要两个能够提供话音连接的网络单元。
语音连接是网路服务的一种业务，而且只能由MSC处理。
因此，建立话务连接需要两个MSC，第一个MSC是与PSTN交换机相连的网关MSC。
对于建立连接，HLR在GMSC和目的地MSC之间扮演一个协调者的角色。
PSTN/ISDNGMSCHLRVLRMSCBSCMS
LAM
发送路由信息
（MAP）提供漫游号码
（MAP）
路由信息证实（MAP）
（MAP）
LAM漫游号码
发送信息
鉴权寻呼
（BSSMAP）寻呼请求
信道请求
立即分配
SCCP-CRSABML2
（寻呼响应）（寻呼响应）
（BSSMAP）（寻呼响应）L2
SCCP-CC
鉴权请求
鉴权响应
鉴权响应
信息证实加密模式命令
加密模式命令
加密模式完成加密模式完成
TMSI再分配
TMSI再分配完成
建立
呼叫证实
PSTN/ISDN指配请求指配命令
指配完成指配完成
ACM
提醒
CEV
连接
ANM
连接证实
数据流
图3MS终结呼叫流程图
5.HLR查询当前服务于被叫的MSC/VLR。
为什么我们需要先查询而不是马上连接呢？
首先，移动台的当前状态存储在VLR数据库中，我们需要知道状态以避免为一已关机的用户建立连接。
其次，我们需要知道可使GMSC将呼叫路由至可能是世界上任一地方的最终MSC的这类信息。
6.根据呼叫路由，提供服务的MSC/VLR就是呼叫的目的地。
这意味着我们必须通过以下的过程将呼叫路由出去：
收到来自HLR的信息后，当前服务的MSC/VLR产生一个临时的移动台漫游号（MSRN），并把它和IMSI相关起来。
漫游号用于呼叫的连接。
MSRN不仅识别用户，它也指向它本身的交换机。
因此如果中间有多个交换机的话，它们根据MSRN知道如何把呼叫路由到哪儿去。
由于漫游号是临时的，呼叫建立后，它亦可用于确立另一个呼叫连接。
7．MSC/VLR把漫游号送至HLR。
由于MSRN仅用于话务事务处理，HLR并不分析它。
并且由于HLR只是一个帮助用户的定位和协调呼叫建立的数据库，并不处理话务。
因此HLR只是简单地把MSRN转发给最初开始发起这个过程的GMSC。
8.GMSC接收包含MSRN的消息，并分析漫游号标识被叫的位置，因此分析的结果是识别呼叫目的地，即服务的MSC/VLR的呼叫路由。
9.路由处理的最后阶段是由服务的MSC/VLR完成的。
事实上服务的MSC/VLR也要接收漫游号，它知道这不是一个新呼叫，但是一个即将在这儿结束的，即一个已经分配了MSRN的呼叫。
通过检查VLR，识别出号码，找到被叫。
如何找到被叫呢？
由于我们并不知道用户的确切位置，在整个VLR业务区内搜索似乎不可避免。
这可能是一个地域广阔的区域，显然这样搜索很费时。
eg除非这个区域被划分成较小的区域。
因此，MSC/VLR区被划分成较小的区域，它们被称为位置区域（LA）并由MSC/VLR管理。
每个MSC/VLR包含若干个位置区。
我们可以定义一个LA作为我们在其中搜索用户的区域。
每个LA由LAI识别。
注意：
BSC区和LA之间并没有关系。
LA的目的是方便寻呼处理（寻找用户）。
而BSC区与话务连接和无线资源有关。
10．现在我们已经知道用户所属的LA，可以开始对其进行搜寻。
为了找到该用户，我们在位置区内启动一个寻呼过程。
寻呼是由LA向所有小区发出的一个信号。
LA内所有的MS都收到寻呼信号，但只有其中一个判断出识别码并作出应答。
应答的结果是建立一个点到点的连接。
现在两个用户连接在一起。
并且可通过网络通话。
3.2.2MS至固定客户呼叫
1.在服务小区内，一旦移动客户拨号后，MS向BS请求随机接入信道。
2.在MS与MSC之间建立信令连接的过程。
3.对MS的识别码进行鉴权。
如果需要加密则设置加密模式等，进入呼叫建立的阶段。
4.分配业务信道的过程。
5.采用No.7的ISUP/TUP，建立与固定网至被叫客户的通路，并向被叫客户振铃，向移动台回送呼叫接通证实信号。
6.被叫客户取机应答，向MS发送应答连接消息，最后进入通话阶段。
4.GSM关键技术
4.1协议栈体系结构
下图为协议栈体系结构的一个模型：
图4协议栈体系结构
从上图我们可以看出，整个协议栈分为三层：
PhysicalLayer（L1），DataLinkLayer（L2）和网络层（L3）。
这三层所提供的功能如下：
L1：
提供一定数量的物理信道、定义不同信道间的组合方式、数据块的组成、多址接入方式和时隙结构、跳频能力、编码和交织方式、调制解调技术、信号的发送和接收、功率控制、接收机在时间和频率上的同步、切换和质量监测、小区选择和重选过程中的测量、语音业务信道上的自适应帧的编解码模式。
L2：
a）在一个Dm信道（控制信道）上提供一个或多个数据链路连接，各个数据链路连接之间由DLCI（datalinkconnectionidentifier）来区别;
b）能够进行帧类型的识别；
c）能够与L3实体间透明传送L3消息单元；
d）能够进行顺序控制,以维护数据链路连接上传输的帧的有序性；
e）能够检测数据链路上发生的格式和操作错误；
f）把不可恢复的错误向L3实体报告；
下图显示了L2和L3层之间的关系以及L3的具体结构：
从图中我们可以看出L3主要包括三个功能实体RR（RadioResource）、MM（MobilityManagement）和CM（ConnectionManagement）。
PD：
ProtocolDiscriminatorTI：
TransactionIdentifier
图5MS端的L3协议结构
由这张图我们还可以看出：
1.L2和L3之间有两个业务接入点标识：
a）SAPI0：
它支持信令信息的传输；
b）SAPI3：
它支持用户短消息的传输；
2.层和层之间，以及子层和子层之间：
a）应能将上一（子）层的message传递给下一（子）层；
b）应能将下一（子）层的message传递给邻近的上一（子）层，要使用到PD；
3.路由功能要使用到PD来实现，PD是消息头的一部分。
4.如果出现具有相同功能块的并行实体，CM子层还定义了TI，它也是消息头的一部分，在选择路由的时候同样要用到：
a）RR根据message中的PD，把上一层传来的消息分配到实际的信道配置中，或合适的SAP；
b）根据PD，RR把不同SAP处的message发送到各个子层（RR、MM、CM），但发送到上层（MM、CM）要通过RR-SAP；
c）MM根据PD或TI，把message发送到MM或CM，发送到CM要通过MM-SAP；
d）RR和MM的路由功能在把message传输到最近的SAP之前，不会对message作任何改变。
5.通过利用下（子）层所提供的服务，MS和网络的同一（子）层中的对等实体根据相应（子）层的协议相互交换信息。
6.RR、MM子层各有一个协议，CM子层的每一个功能实体（CC、SS、SMS）各有一个协议。
4.2协议文档总结
GSM技术规范：
01_serieGSMPLMN概述
02_serie业务stage1
03_serie网络功能&业务stage2
04_serieL3即air接口&stage3
05_serie无线路径L1和系统
06-serieHR、FR、EFR&AMR话音处理功能
07_serie终端适配功能
08_serieBSC-BTS、BSS-MSC接口
09_serie交互工作&某些接口上的信令应用
10_serie业务、计划、项目特征
11_serie设备、型号批准规范
12_serie运行和维护
13_serie接入附着要求
4.3工作频段的分配
在移动通信网内，传输连接的一部分使用无线链路，另一部分使用2Mbit/sPCM链路。
无线传输被用于MS和BS之间，并且必须通过网络的剩余部分进行调整以适于在2Mbit/sPCM上传输。
无线链路是连接的最脆弱部分，并且需要做大量的工作以确保高质量和可靠运行。
这将在后文中分析。
1.工作频段
GSM900MHz频段：
890~915（MS发、BS收，即为上行链路）
935~960（BS发、MS收，即为下行链路）
DCS1800MHz频段：
1710~1785（MS发、BS收，即为上行链路，）
1805~1880（BS发、MS收，即为下行链路）
上行链路和下行链路中不同频率的同时使用使得通信有发射（TX）和接收（RX）两个方向。
无线载波频率总是成对的安排。
两者（上行—下行）之间的差别称为双工频率，GSM中的双工频率为45MHz。
2．频道间隔
频率范围被分为一个个载波，相邻两载波（频道）间隔为200kHz。
每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为8个时隙，即8个信道（全速率）。
每个信道占用带宽200kHz/8=25kHz。
在GSM900和PCS1800中，最低和最高信道不使用以免与使用相邻频率的业务相互干扰。
GSM900中的总载波数为124，而PCS1800则为374。
3.干扰保护比
载波干扰保护比（C/I）就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值，此比值与MS的瞬时位置有关。
这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同。
以及其它一些因数，如：
天线类型、方向性及高度，站址的标高及位置，当地的干扰源数目等所造成的。
GSM规范中规定：
同频道干扰保护比：
C/I≥9dB
邻频道干扰保护比：
C/I≥-9dB
载波偏离400kHz时的干扰保护比：
C/I≥-41dB
4.4空中接口上的传输
4.4.1FDMA和TDMA
GSM网的无线传输是基于数字技术的。
GSM的数字传输采用两种方案实现，这就是所谓的频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）接入方式。
FDMA是指每个基站被分配不同的无线频率信道。
在相邻小区（或相同小区）的移动电话能够同时（但根据频率被分割）操作。
TDMA是在多个用户之间，通过为每一个用户分配一个特定的时间（称为时隙）共享资源的方法。
在这种系统中，每个用户只在分配的时隙中接收或发射信息突发脉冲序列（burst），只有当用户完成呼叫的建立时，这些时隙才被分配给语音，而且有些时隙被用于提供呼叫间的信令和位置更新。
4.4.2物理信道和逻辑信道
eg时分多路访问（TDMA），将一无线频率信道分成连续的时间段，每个被称为“TDMA帧”。
每个TDMA帧包含8个更短的时间段，就是所谓的“时隙（Timeslot）”。
TDMA时隙被称为“物理信道”（PhysicalChannel），被用于物理的将信息从一个地方送至另一个地方。
MS和BTS之间的无线载波信号被分成连续的时隙流，接下来在一连续的TDMA帧中被传送。
如果TDMA帧的时隙代表物理信道，那么有关内容是什么？
物理信道的内容根据它们的性质不同（逻辑作用不同）可分为不同的逻辑信道
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