7 IS的协议结构.docx
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7IS的协议结构
第7章IS-2000的协议结构
啜刚，张欣
郝崚琳，杨大成
IS-2000是3G无线传输候选技术之一cdma2000的空中接口（Um）协议，该协议所定义的接口在CDMA系统内的位置如图3-1和图3-7所示，即MS和BS之间的接口（Um）。
本章主要对IS-2000的协议结构进行介绍。
由于从第4章起已对cdma2000空中接口的物理层、MAC层和LAC层进行了描述，本章将把重点放在第3层协议上。
7.1IS-2000协议中各层的结构及功能
1.分层协议结构
IS-2000协议的通用结构如图4-3所示。
cdma2000空中接口标准体系的制定已在最大限度上保证这样一种结构：
不同的协议层次由不同的标准来指定。
例如物理层由IS-2000.2指定，MAC层由IS-2000.3指定，等等，这在第4章中已经提到过。
图中高层中的话音业务和数据业务是与cdma2000相关的高层业务，但不是cdma2000空中接口标准体系的一部分。
2.各层功能介绍
本书从第4章起已经根据空中接口协议IS-2000的定义，分别对物理层、MAC和LAC层进行了描述，这里就不再赘述。
在LAC层之上，IS-2000协议的高层信令标准包括：
信令层结构、与信令第2层间的业务接口、第3层信令控制以及信令应用和信令格式等内容。
从总体上讲，无论是呼叫处理、鉴权与加密还是信令的格式，IS-2000协议的第3层信令协议与IS-95中的已有部分是基本一致的，保持了兼容。
与IS-95的信令第3层相比，IS-2000增加了一些新的信令业务（如优先接入指配），同时为支持多业务并发，其业务选择与业务协商部分也有增加和改动；在ReleaseC中，还增加了支持F-PDCH的信令（关于F-PDCH，参见8.2节1xEV-DV相关内容）。
在信令格式上，IS-2000保持了与IS-95的后向兼容，并针对3G的需求做了部分增加。
较之IS-95，IS-2000引入了数据平面与控制平面的结构，明晰了信令二三层间的接口关系，在数据平面中定义了业务接入点（SAP）和相关的原语。
本章我们重点介绍IS-2000的第3层协议，即IS-2000.5（对应3GPP2中的C.S0005）的内容。
IS-2000的第3层信令协议重点描述了以下几部分内容：
-第3层的信令结构和与第2层的接口
-安全和认证规范
-第3层信令的控制及应用
-消息及消息的格式（PDU格式）
其中信令的控制及应用（包括呼叫处理、切换、鉴权与加密、移动性管理等）是主要部分。
从IS-2000.5协议的体系看，此协议分为三大部分：
第一，总则，定义了协议中所用的术语和一些数字信息，另外描述了CDMA系统的定时参考和第3层信令结构及与第2层的接口；第二，移动台在CDMA模式下操作的需求规范，这部分主要描述了双模移动台在CDMA模式下的操作和信令协议；第三，基站在CDMA模式下的操作需求规范，描述了基站在CDMA模式下的操作和信令协议。
由于协议本身过于复杂，在这里我们无法全面仔细的介绍协议本身，只是从信令协议的结构、信令消息的处理和消息流程等几个方面向读者作一简单介绍，更详尽的细节内容请参阅IS-2000.5。
7.2IS-2000协议中第3层信令的结构
1.信令结构
IS-2000的第3层信令的结构是由这样两个模块处理完成的，第一个模块的任务是组成第3层协议层的协议数据单元PDUs，然后将其封装传送给第2层处理；或者反过来接收第2层的业务数据单元SDUs，然后解封装在第3层进行处理。
第二个模块的任务是业务接入点的处理。
按照这样的功能IS-2000定义了信令的一般结构，如图4-17所示。
2.与第2层的接口
由图4－17可知，IS-2000的第3层与第2层间的接口是业务接入点（SAP）。
在数据平面中定义业务接入点（SAP）和相关的原语，以及在SAP上的第2层与第3层通过原语交换SDU和按消息控制与状态块（MCSB）形式说明的协议控制信息。
MCSB是一个为原语而定义的参数块，它包含与第3层PDU相关的信息，包括SDU类型、PDU长度、是否需要第2层确认、是否需要鉴权、消息地址标识、是否需要发送通知等等，以及指明消息应怎样被第2层处理的指令。
其具体内容与格式见IS-2000.5。
接口原语包括以下五条：
-L2-Data.Request（传递PDU给第2层，以通过空中接口发送出去）
-L2-Data.Confirm（收到对方信令第2层的PDU确认）
-L2-Data.Indication（传递PDU至第3层）
-L2-Condition.Notification（向第3层报告检测到的相关事件，如异常）
-L2-Supervision.Request（执行3层的控制命令，如放弃重发、第2层复位）
第3层使用第2层提供的业务传送和接收PDUs。
在传送时，第3层将在MCSB中指明执行确认模式还是非确认模式，对于确认模式，第3层可指定是否需要往回发送证实或确认（ACK）。
第2层保证所收到的第3层确认模式PDU的可靠发送，如果不能则发回失败指示以便第3层作出处理；第2层不保证所收到的第3层非确认模式PDU的可靠发送，但第3层可以请求第2层在接收方重复性检测允许范围内多次重发PDU，以增加发送成功的概率。
另外，第3层可以请求第2层执行ARQ过程的复位。
7.3IS-2000协议中的第3层信令协议
7.3.1第3层协议体系描述
从第3层协议体系来说，主要描述了这样一些内容：
首先定义了信令的结构和与第2层的接口；然后描述了CDMA模式下移动台MS的信令处理和操作，具体为：
安全和识别，第3层的信令消息处理（包括MS初始状态、MS空闲状态、系统接入状态、移动台控制和业务信道状态），登记（也称注册），切换过程以及MS的PDU格式；还描述了CDMA模式下基站BS的信令处理和操作，具体为：
安全和识别，监控，第3层的信令消息处理（包括导频和同步信道的处理、公共信道的处理、接入信道和增强的接入信道的处理、业务信道的处理），注册，切换过程，CDMA的捆绑业务，呼叫控制过程以及消息的PDU格式。
介绍如此庞大的协议体系不是本书的任务，在这里我们只从信令的处理和流程的角度向读者作一介绍。
首先简单介绍一下协议中系统安全和识别的一些描述，然后重点介绍第3层协议消息流程及操作原理。
为了唯一的识别一个CDMA移动台，协议定义了一个国际移动台识别码（IMSI），它是由15位数字（十进制，digit）组成的，其结构如图7-1所示。
另外，协议中还定义了ESN电子序列号、公共长码掩码等。
鉴权加密是移动通信的重要组成部分，IS-2000协议中所描述的鉴权加密技术与IS-95A所定义的类似，这里就不作介绍了。
图7-1IMSI结构
7.3.2第3层协议消息流程及操作原理
IS-2000协议中第3层的信令消息有很多，作用也很复杂，为了便于理解，下面大致按照MS开机，发起呼叫，建立连接，连接过程中发生切换的线索顺序来概括地描述第3层提供业务时有关的消息及其交互；最后大致介绍一下第3层对位置服务的支持以及第3层消息的格式。
首先介绍MS的状态转移流程。
1.MS状态转移流程：
MS的基本工作状态转移流程如图7-2所示，图中，MS初始化状态又可分为四个基本的子状态，如该图右半侧所示，这和IS-95所定义的基本相同。
下面对这些状态分别进行介绍。
图7-2IS-2000中MS的基本工作状态转移
当符合IS-2000兼容标准的MS上电（也称作加电）后，首先进入MS初始化状态，在此状态中，MS选择并捕获一个系统，当选择CDMA系统时，MS将尝试捕获CDMA系统；当选择模拟系统时，MS将尝试捕获模拟系统。
更具体地说，当MS加电后，它应产生上电指示（power-upindication），进入MS初始化状态中的确定系统子状态（SystemDeterminationSubstate）。
在确定系统子状态中，由于MS进入该状态的原因的不同，所采取的操作也会不同。
通常上电后进入该子状态后要将一些系统变量复位，而其它一些情况下则不复位。
MS上电后将采用自己内部定义好的系统选择准则选择系统，而这个准则是存储在MS中的，可以由用户自己按需要通过菜单来设置，也可以是终端制造商设置的缺省值，例如可以决定只选CDMA（或模拟）系统；或优先选CDMA（或模拟）系统；或只选800MHz（或1.8GHz）频段CDMA系统；或优先选800MHz（或1.8GHz）频段CDMA系统；等等。
确定了选择顺序后，MS就根据该顺序依次设置自己的参数，准备对目标系统进行搜索和捕获。
MS除了采用自己内部定义的系统选择准则之外，还可以接收已经捕获的系统所发的参数来改变自己的系统选择方式，例如ServiceRedirectionMessage中的参数。
当然，如果MS收到ExtendedNeighborListMessage或GeneralNeighborListMessage时，在邻区列表（NeighborList）中发现有不同于当前所指配频率的导频，MS可以去选择包括了这些相邻导频的CDMA系统。
当MS选择了CDMA系统后，它就转入导频信道捕获子状态。
在导频信道捕获子状态中，MS要在一定的时间内，按照所选的CDMA信道号进行搜索，如果超过时间限制，无论是否捕获成功，都应产生捕获失败指示，然后返回到确定系统子状态。
如果导频信道在规定时间内捕获成功，则MS转入同步信道捕获子状态。
进入同步信道捕获子状态后，MS调整其解调器的Walsh函数到同步信道所对应的值上，开始对同步信道进行解调。
当MS在一定时间内未能收到一个有效的SyncChannelMessage消息，则MS必须产生捕获失败指示，返回确定系统子状态。
如果MS在一定时间内收到了有效的SyncChannelMessage消息，但却发现自身所支持的协议版本和BS所支持的协议版本不匹配，或无法使用BS提供业务，则MS返回确定系统子状态。
而当MS所支持的协议版本级别大于或等于BS所支持的最小协议版本级别时，则MS从同步信道消息中提取并存储系统的基本参数，包括系统标识、网络标识、导频PN序列偏置索引、寻呼信道速率、是否支持1x或3x，等等；以及定时信息，包括长码状态值、系统时间、闰秒数量、夏令时指示等。
有了这些参数，MS要根据它们对自己存储的一些变量进行初始化，然后转入定时改变子状态。
在定时改变子状态中，MS主要完成两个工作，一个是利用从同步信道消息中提取出来的长码状态值设置自己的长码发生器，另一个是使自己的系统时间与所提取的系统时间同步。
由于同步信道的消息发送与系统定时严格对齐，这样就使得MS可以把自己的长码发生器状态与整个系统的长码状态（在考虑传输时延的影响下）对齐，在此基础之上，MS就可以转入空闲状态，调制和解调那些通过长码扩频或扰码的物理信道了。
必须注意，同步信道是未经过长码扰码的，所以MS在捕获了导频信道后就可以对它解调了。
在空闲状态中，MS主要监听在f-csch上的消息；除了接收一些系统开销参数消息外，当MS在F-PCH或F-CCCH上收到需要确认或响应的消息时，或者检测到用户要发起呼叫时，或者需要注册时，MS转入系统接入状态。
进入系统接入状态后，MS在r-csch上给BS发消息，并在f-csch上接收来自基站（BS）的消息，当收到BS对起呼消息或寻呼响应消息的确认后，MS应转向控制业务信道状态；在收到其它对R-ACH或R-EACH上发送消息的确认后，应返回空闲状态。
MS进入控制业务信道状态后，通过f/r-dsch和f/r-dtch与BS通信，通信结束后转入初始化状态。
上面按MS的基本状态转移进行了介绍，比较概括和粗略，对有些更为详细的状态变化并未涉及，例如切换等。
下面我们就从信令交互流程的角度对IS-2000第3层协议进行叙述，首先是关于如何提供用户业务的方面。
2.有关用户业务的信令消息流程：
这里选取IS-2000第3层中、作者认为较重要的几类控制信令流程（MS起呼、MS被呼等）作为代表进行介绍，以使读者对第3层有进一步的概念。
对于有关消息中的详细参数和格式请参考IS-2000.5。
必须注意：
这里没有涉及到的部分，例如呼叫等待流程和三方通话流程等，同样是很重要的。
1）.MS起呼消息流程举例
简单的MS话音业务起呼的例子如图7-3所示。
移动台
基站
•检测到用户发起呼叫
•发送OriginationMessage.
>
接入信道
>
•建立业务信道.
•开始发送空业务信道数据.
•建立业务信道.
<
寻呼信道
<
•发送ChannelAssignmentMessage.
•收到N5m个连续有效帧.
•开始发送业务信道前缀（preamble）.
•捕获反向业务信道.
•开始发送空业务信道数据.
<
前向业务信道
<
•发送BaseStationAcknowledgmentOrder.
•根据业务选项1开始处理基本业务（primarytraffic）.
<
前向业务信道
<
•发送ServiceOptionResponseOrder.
可选
可选
•发送OriginationContinuationMessage.
>
反向业务信道
>
可选
可选
•在音频通道上发送回铃音.
<
前向业务信道
<
•发送AlertWithInformationMessage（回铃音）.
可选
可选
•停止在音频通道上发送回铃音.
<
前向业务信道
<
•发送AlertWithInformationMessage（关回铃音）.
（用户通话）
（用户通话）
图7-3简单呼叫流程举例，移动台起呼，使用业务选项协商为业务选项1
稍微复杂些的MS起呼的例子如图7-4所示，它包括了在前向补充码分信道上发送分组数据时的流程，从中可以看出，对于分组数据业务而言，MS起呼时的流程和话音业务除了一些参数之外没什么差别，但是分组数据业务突发性强，所需信道资源变化较大，这就要求MS和BS之间能够动态分配（参见后面有关“业务协商”的内容）信道，因此流程中加入了额外分配码分信道的过程。
移动台
基站
•有分组到来.
•发送OriginationMessage并采用“HighSpeedPacketServiceOption.”
>
接入信道
>
•建立业务信道.
•开始发送空业务信道数据.
•建立业务信道.
<
寻呼信道
<
•发送ChannelAssignmentMessage
（GRANTED_MODE=‘01’）.
•收到N5m个连续有效帧.
•开始发送业务信道前缀.
•捕获反向业务信道.
•开始发送空业务信道数据.
<
前向业务信道
<
•发送BaseStationAcknowledgmentOrder.
•发送ServiceRequestMessage（FOR_MUX_OPTION和REV_MUX_OPTION指示补充码信道的最大数量）.
>
反向业务信道
>
•根据业务选项n开始处理基本业务（primarytraffic）.
<
前向业务信道
<
•发送ServiceConnectMessage.
•发送ServiceConnectCompletionMessage.
>
反向业务信道
>
•发送分组.
>
反向基本信道
>
<
前向基本信道
<
•发送分组.
•BS决定需要改变补充码信道的数量（例如，有“大”的分组要发送）.
<
前向基本信道
<
•发送SupplementalChannelAssignmentMessage.
<
前向基本信道和补充码分信道
<
•开始在补充码信道上发送，持续时间由SupplementalChannelAssignmentMessage所确定.
（用户通信）
（用户通信）
图7-4简单呼叫流程举例，移动台起呼，在前向补充码分信道上发送
2）.MS被呼消息流程举例
简单的MS话音业务被呼的例子如图7-5所示。
与前面MS话音业务起呼的例子相比，除了最开始时由谁发起呼叫不同、响应的方式和消息不同之外，业务信道建立的流程几乎完全一样。
移动台
基站
<
寻呼信道
<
•发送GeneralPageMessage.
•发送PageResponseMessage.
>
接入信道
>
•建立业务信道.
•开始发送空业务信道数据.
•建立业务信道.
<
寻呼信道
<
•发送ChannelAssignmentMessage.
•收到N5m个连续有效帧.
•开始发送业务信道前缀（preamble）.
•捕获反向业务信道.
•开始发送空业务信道数据.
<
前向业务信道
<
•发送BaseStationAcknowledgmentOrder.
•根据业务选项1开始处理基本业务（primarytraffic）.
<
前向业务信道
<
•发送SendsServiceConnectMessage.
•发送ServiceConnectCompletionMessage.
>
反向业务信道
>
•开始振铃.
<
前向业务信道
<
•发送AlertWithInformationMessage（ring）.
•用户应答呼叫.
•停止振铃.
•发送ConnectOrder.
>
反向业务信道
>
•开始从业务选项1的应用中发送基本业务分组.
（用户通话）
（用户通话）
图7-5简单呼叫流程举例，移动台被呼，使用业务选项协商为业务选项1
稍微复杂些的MS被呼的例子如图7-6和图7-7所示，它包括了在反向补充码分信道上发送分组数据时的流程，同样可以看出，对于分组数据业务而言，MS被呼时的流程和话音业务除了一些参数之外没什么差别，只是流程中加入了额外分配码分信道的过程。
实际上在分组数据业务中，通常MS和BS之间只使用基本信道，当任一方需要传送大的突发分组时，就需要动态分配相应的前向或反向补充码分信道（或补充信道SCH），也就是将前向和反向补充码分信道分配流程进行结合。
有关1x的补充信道（SCH）的分配和数据传输举例，还可以参考9.5.1节的相关内容。
移动台
基站
•有分组到来
<
寻呼信道
<
•发送GeneralPageMessage并采用“HighSpeedPacketServiceOption.”
•发送PageResponseMessage.
>
接入信道
>
•建立业务信道.
•开始发送空业务信道数据.
•建立业务信道.
<
寻呼信道
<
•发送ExtendedChannelAssignmentMessage（GRANTED_MODE=‘00’）.
•收到N5m个连续有效帧.
•开始发送业务信道前缀.
•捕获反向基本信道.
•开始发送空业务信道数据.
<
前向基本信道
<
•发送BaseStationAcknowledgmentOrder.
•处理ServiceRequestMessage.
<
前向基本信道
<
•发送ServiceRequestMessage（FOR_MUX_OPTION和REV_MUX_OPTION提出要用到的补充前向和反向码信道的最大数量）.
•发送ServiceResponseMessage接受业务选项,其中带有FOR_MUX_OPTION和REV_MUX_OPTION，表明移动台所支持的补充前向和反向码信道的最大数量.
>
反向基本信道
>
•根据业务配置开始处理基本业务.
<
前向基本信道
<
•发送ServiceConnectMessage来连接相对应的业务选项,所包含的FOR_MUX_OPTION和REV_MUX_OPTION定义了双方相互支持的补充码信道的最大数量.
•发送ServiceConnectCompletionMessage.
>
反向基本信道
>
•发送分组数据.
>
反向基本信道
>
<
前向基本信道
<
•发送分组数据.
•MS有“大”分组要发送，然后开始发送分组.
>
反向基本信道
>
（在下页待续）
（在下页待续）
图7-6简单呼叫流程举例，移动台被呼，在反向补充码分信道上发送（2-1）
移动台
基站
（续前页）
（续前页）
•发送SupplementalChannelRequestMessage,并继续在反向基本信道上发送.
>
反向基本信道
>
<
前向基本信道
<
•发送SupplementalChannelAssignmentMessage.
•当继续在反向基本信道上发送的同时，开始在反向补充码信道上发送.
>
反向基本信道和补充码分信道
>
（用户通信）
（用户通信）
图7-7简单呼叫流程举例，移动台被呼，在反向补充码分信道上发送（2-2）
3）.业务建立时的控制信令举例
业务配置（ServiceConfiguration）
在业务信道的工作过程中，BS和MS通过前向和反向业务信道帧进行交互。
BS和MS采用了一套公共的属性来构造和分解业务信道帧。
这套属性的集合即称作“业务配置（ServiceConfiguration）”，它包括可协商和不可协商两种参数，下面分别进行介绍。
①业务配置中的可协商参数
-FL和RL复用选项（MultiplexOption）：
这项参数控制FL和RL业务信道帧中的信息比特如何分成各种业务类型，例如信令业务、主（基本）业务和次业务。
某种业务选项与一个RC相结合，规定了帧结构及传输速率。
用于FL业务信道的复用选项可以和用于RL业务信道的相同，也可以不同。
关于复用选项另见6.1节MAC子层中相关的内容。
-FL和RL业务信道配置：
这项参数包括FL/RL业务信道的RC和其它必要的属性，对于FL和RL业务信道，可以相同也可以不同。
-FL和RL业务信道传输速率：
这项参数分别指实际用于FL和RL业务信道的传输速率。
传输速率可包括RC及相关联的复用选项所支持的全部速率，或其中的一个子集。
用于FL和RL业务信道的传输速率可以相同，也可以不同。
-业务选项的连接（ServiceOptionConnection）：
业务选项的连接指的是业务信道中正在运行的业务。
可以同时存在多个业务选项的连接；也可以没有一个业务选项连接，这时业务信道上只有空业务（
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