GSM空中接口过程分析.docx
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GSM空中接口过程分析
内容摘要
本教材内容主要在简单介绍GSM移动系统基本原理及网络构成的基础上,对GSM系统的无线接口原理进行详细深入的讲述;并结合实际,进一步分析GSM空中接口流程。
主要包括四部分:
1,GSM网络结构和网络部件
2,GSM网络中的信令链路及简要的信令流程
3,空中接口信道结构
4,空中接口信令流程及过程分析
第一部分GSM网络结构和网络部件
一、GSM网络结构
1,网络概述
GSM系统由一系列功能单元组成。
给出一个简单的网络结构图。
图中的各个组成部件表示系统的每一功能单元。
在实际的网络构成中,每一功能单元的出现比率不是图中所示的一次,可多次出现。
各种网络部件的接口都采用标准接口,这样可以在一个网络中使用不同厂家的设备,比如可将Motorola的基站系统BSS与Ericsson的网络交换系统配合使用。
一般整个系统可分成几个部分:
(1),移动台MS(MobileStation)
如手机、传真机等用户实际所使用的设备。
(2),基站系统BSS(BaseStationSystem)
为移动台MS和陆地交换设备提供无线连接的部分。
(3),网络交换系统(NetworkSwitchingSystem)
由MSC及一些相关的数据库组成,完成电话交换及提供GSM系统与PSTN的连接功能等。
(4),操作与维护系统(OperationandMaintenanceSystem)
使网络管理员能对网络进行集中操作与维护。
GSM系统网络构成
二、网络部件
1,移动台MS
移动台是用户设备,它可以是车载型、便携型和手持型三种。
它的物理设备和移动用户是完全独立的。
包括两部分:
移动设备ME(MobileEquipment)和用户识别模块SIM(SubscriberIdentifyModule,一般也叫做SIM卡即智能卡)。
(1),ME
移动设备ME是用户所使用的硬件设备,用来接入到系统,每部移动设备都有一个唯一的对应于它的永久性识别号,该识别号称为国际移动设备识别号IMEI(InternationalMobileEquipmentIdentity)。
对于不同类型的移动台,其最大输出功率也不同。
移动台必须有一个特定的标志供网络识别,该标志称为级别标志(Classmark),移动台在发送初始化消息时发送此标志。
级别标志Classmark中包含以下信息:
a,版本级别
指示该移动台是一期(Phase1)或二期(Phase2)的移动台。
b,最大发射功率
该移动台的最大发射功率,在切换及功率控制时会用到,用移动台功率级别号表示。
c,加密算法
指示移动台使用的是哪种加密算法。
目前在一期GSM中只有一种算法(A5),但二期(Phase2)GSM规范规定了多种算法(A5/0-A5/7)。
d,频率范围
指示该移动台收发信号所能使用的频段。
不是所有的移动台都支持扩展频段。
e,短消息功能
指示该移动台是否可以接收短消息。
移动设备M.E
级别标志(classmark)包含信息:
●发射功率等级
功率级
功率输出
1
20瓦特(已不用)
2
8瓦特
3
5瓦特
4
2瓦特
支持Phase1,Phase2或Phase2+规范
加密
频率
短消息服务
5
0.8瓦特
(2),SIM卡
SIM卡插入到移动设备中,用来识别移动用户的身份,存有一些该用户能获得什么服务信息及一些其他的信息。
SIM卡中存有移动用户身份识别号,称为国际移动用户识别号IMSI(InternationalMobileSubscriberIdentity)。
如果移动设备内没有插SIM卡,只能用来做紧急呼叫。
将移动设备识别号与移动用户身份识别号分开后,系统就可以根据移动用户来计费,而不是根据移动设备来计费了。
SIM卡中包含的信息有:
●国际移动用户身份识别号IMSI
IMSI(InternationalMobileSubscriberIdentity)用来识别移动用户,仅在初始化时才在空中发送。
●临时移动用户身份识别号TMSI
TMSI(TemporaryMobileSubscriberIdentity)用来临时性的识别移动用户,该号码会周期性的改变,防止有人从空中截获该号码后盗话。
●位置区识别号LAI(LocationAreaIdentity)
指示移动用户当前所在的位置区。
●用户身份鉴权密键Ki(SubscriberAuthenticationKey)
在用户身份鉴权时使用。
●MSISDN
MSISDN(MobileStationInternationalServiceDigitalNetwork)是移动台的电话号码,含有国家码,国内码,及移动用户号码。
SIM卡中的信息在SIM卡发行之后大多是不可读的(如Ki)或不可改的,(如IMSI)。
另外有一些信息,如LAI,会不停的改变,以反映移动台当前所在的位置。
SIM卡以及系统高度的固有安全性,能有效的防止盗话。
SIM卡是很难复制的,而且还可以给SIM卡加一个类似信用卡密码的个人密码,即PIN码(PersonalIdentityNumberPassword),防止有人盗用。
SIM卡还存有一些其它信息,如计费信息,对这些信息用户可以直接通过手机按键功能查看。
SIM卡另外还执行鉴权算法。
SIM卡
全尺寸SIM卡
SIM卡
(实际大小)
迷你型SIM卡
2,基站子系统(BSS)
基站子系统包括:
射频设备和控制设备。
提供移动台和MSC之间
的连接。
主要包括:
BTS、BSC、XCDR。
(1),BTS(基站收发信台)
BTS是GSM网络中由于和移动台通信的部分。
包含了射频部分(如天线等),为各个小区提供空中接口。
(2),BSC(基站控制器)
BSC直接与MSC相连。
是BSS中的控制部分。
BSC可以控制一个或多个BTS,在GSR3的版本中,一般max为40。
此外,BSC也可不通过MSC进行INTERNAL的切换。
(3),XCDR(编解码器)
XCDR被用做编解来自与移动台的信号,使信号能够在陆地链路中有效的传输。
由于它经常放在MSC一边,所以,常称为RXCDR。
基站子系统
3,网络交换子系统(NSS)
网络交换系统包含了GSM网络的主要交换功能。
它同时也包括
用户数据和移动网管理所需的数据库。
主要的功能是管理GSM网络和其余通信网络之间的通信。
移动交换机MSC
在GSM系统中,MSC能完成呼叫交换以及其他交换设备一样的功能(计费,操作和维护,中继接口等)。
同时,MSC作为网关交换机GMSC提供PSTN和BSS之间的接口。
归属位置寄存器HLR
HLR是为用户单元提供参数的参考数据库。
每一个用户单元唯一属于一个HLR,用户通过IMSI或者MSISDN接入到HLR中。
HLR主要包括用户单元的IMSI、MSISDN、当前在VLR中的信息、补充业务信息、用户状态、鉴权键Ki、用户漫游识别号MSRN等。
拜访位置寄存器VLR
VLR包含当前本区域所有用户单元的参数的数据库。
它包含有从HLR拷贝来的有关这些用户单元的数据。
如:
用户状态、MSRN等;也包括LAI、TMSI等。
鉴权中心AUC
AUC是一个进程系统,它执行鉴权功能。
AUC通常和HLR结合在一起,在鉴权是和用户单元中的SIM卡共同完成鉴权功能。
网络互连功能IWF
IWF提供GSM系统和多种格式的公用和私用数据网络的接口。
它完成速率适配和协议转换功能。
回音消除器EC
由于系统的时延和二四线转换,系统不可避免有声学回声。
EC的加入,可消除远端回声。
网络交换子系统
4,操作维护子系统(OMS)
操作和维护子系统可以对整个GSM网络进行远程控制。
它包括
两部分:
网络管理中心NMC
NMC是全网管理的最高层,每一个网络只有一个。
目前,我国没有设此项。
操作维护中心OMC
OMC具有软件和数据库的管理、统计数据的收集、事件/告警的管理等功能。
每一个网络可有多个OMC。
目前,OMC有OMC-R和OMC-S两种。
MOTOROLA只有OMC-R,用于对BSS系统的管理。
操作维护子系统
网络
第二部分GSM网络中的信令链路及简要的信号流程
一、GSM网络中的信令链路
GSM网络中,陆地链路除传送话音和数据信息外,还传送大量
的信令信息。
信令在陆地链路上传输,采用几种标准的信令接口方式:
●2MBPS中继
●C7(或为NO.7.)信令协议
●X.25分组交换协议
●LAPD(Linkaccessprocedure“D”)协议
我们可以通过对应的OSI(opensysteminterface)来看,这
些标准信令方式在OSI分层结构中处在的位置。
OSI
1,2MBPS中继(30路PCM)
对面图中加粗部分是指使用2MBPS中继的连接。
2MBPS中继用在PSTN与MSC之间、MSC之间、MSC与BSC之间以及BSC与BTS之间,传送话务和信令。
这些链路也用在MSC和IWF之间。
每条2.048MBPS链路可提供30条64kbit/s通路用于传输话音、数据或信令信息。
信令信息可能是指C7,LAPD或X.25格式的信息。
这些2MBPS中继一般用作GSM系统中所有陆地接口的物理载体。
2MBPS中继帧结构:
TS0
TS1-15
TS16
TS17-31
TS#
作用
0
1-15
16
17-31
帧同步/差错检测/信令/告警
话务
C7信令(也可用其它时隙来传C7信令)
话务
注:
TS=Timeslot时隙
2MBPS中继
2,X.25接口
使用了X.25协议的接口如图中加粗部分所示。
OMC通过X.25消息包与所有它控制和监视的网络实体通信。
X.25连接一般就是2MBPS中继中的某一专用时隙。
OMC到BSS的X.25连接可能是通过MSC“钉连”(软件设置的固定连接),也可能是采用完全独立的物理路由。
X.25协议的帧结构:
FLAG
标志
FRAMECHECK
SEQUENCE
帧校验序列
INFORMATION
信息
CONTROL
控制信息
ADDRESS
地址
FLAG
标志
最后发送的比特(LAPB帧)最先发送的比特
X.25协议
3,NO.7协议系统
使用了C7的接口如对面图中加粗部分所示,这些接口用来传送主要网络实体之间以及系统与PSTN之间的信令和控制信息。
不同GSM网络实体之间使用的七号信令应用部分也不尽相同:
●在MSC与PSTN之间,MSC要完成电话呼叫信令功能,故使用TUP电话用户部分(TelephoneUserPart),MSC与ISDN之间则使用ISUP(ISDN用户部分,ISDNUserPart)
●MSC与BSS之间使用BSSMAP(基站系统管理应用部分BaseStationSystemManagementApplicationPart)。
DTAP(直接传输应用部分DirectTransferApplicationPart)用于在MSC和MS之间发送消息。
MAP(移动应用部分MobileApplicationPart)用于MSC、VLR、EIR和HLR之间。
缩略语:
BSSAPBaseStationSystemApplicationPart
BSSMAPBaseStationSystemManagementApplicationPart
DTAPDirectTransferApplicationPart
ISUPISDNUserPart
MAPMobileApplicationPart
SCCPSignalingConnectionControlPart
TUPTelephoneUserPart
TCAPTransactionCapabilityApplicationPart
NO.7.协议
4,LAPD协议
由于BSC和远程BTS之间2MBPS中继上传送的信令和控制信息的一些特殊特性,所以BSC与BTS之间需要一种不同的接口。
GSM规范该接口采用LAPD协议,该协议的帧结构如下所示。
对于该接口(称为“Abis”)GSM规范没有作严格规定,所以各厂家对Abis接口解释、理解也各不相同,也就是说不同生产厂家的BSC与BTS不能在一起工作。
另外不同厂家对BSC和BTS的功能划分也不相同,就算对该接口作了严格规范,不同厂家的BSC与BTS还是无法共同工作。
FLAG
标志
FRAMECHECK
SEQUENCE
帧校验序列
INFORMATION
信息
CONTROL
控制信息
ADRESS
地址
FLAG
标志
最后发送的比特(LAPD帧)最先发送的比特
LAPD协议
二、GSM网络陆地信令流程
1,GSMBSS系统软件模块结构
(1),RSS(无线子系统)部分
LAYER1(层1):
●下载固件
●是RSS部分和硬件的接口链路
●收集故障信息并汇报给FCP
●为CRM做立即分配提供数据库
●将layer2下行链路的信息翻译成DRI/DPR消息
●将上行DRI/DPR的消息翻译成layer2的消息
●支持在一个消息上进行多寻呼、多个立即分配、多个立即分
配拒绝
●有能力获得非同步切换的时间值并送到DRI中去
LAYER2(层2):
LAYER2是处于layer1和RSSAbis(layer3)之间的链路。
Layer2执行数据链路层(OSILayer2)的功能。
在规范TSGSM04.05和TSGSM04.06中,对Layer2从layer3到layer1的功能进行了定义。
这些功能是用来解释从层1和层3来的消息并对之作出反应。
层3消息通过此转换成LAPDm帧并传送到Layer1去。
LAYER2可直接处理最大为255Bytes的SMS消息;它也可证实SMS消息及执行SMS消息的分割/组合等等。
ABIS:
BSS软件模块结构
ABIS接口可提供RSS和CP之间的接口和消息协议。
所有在CP和RSS之间传送的消息都将通过RSS的ABIS接口,连到CP的RRSM和RCI上。
主要的功能有:
●初始化RSS的ABIS
●检查下行消息的正确性
●通过SWFM汇报、记录一些错误的状态
●将下行消息翻译为RSS内部消息
●将上行消息翻译为RSS-CP的接口消息
●处理点对点的短消息
HO进程:
●控制手机的上行发射功率和TCU的下行发射功率
●计算并控制手机的时间提前量
●判断是否需切换
●监控空闲信道的干扰
●检查丢失的SACCH帧
(2),呼叫进程(callprocessing)
MTPL3/L2和SCCP预处理程序:
●MTPL3用来维护MSC_BSS之间的信令链路
●MTPL2用来负责对MTP的数据链路层的操作
●SCCP预处理程序用来判断消息的类型(是DTAPorBSSMAP),并随后发送内部消息
BSS软件模块结构
SSM(SCCPStateMachine):
SSM用来维持MSC接口的呼叫状态。
SSM负责呼叫的初始化、维持、释放和在切换时主要控制。
SSM同时负责BSS的呼叫跟踪。
CLM(ConnectionlessManager)
CLM用来处理BSSMAP的面向无连接的信令进程。
这些进程包括:
阻断(blocking)、复位电路(resetcic)、全局复位(globalreset)信令点不可达(sinallingpointinaccessible)。
面向无连接的处理器是一些对BSS进行操作以及维持与特定呼叫直接相关的操作的进程的组合。
SM(SwitchManager):
SM的功能为:
使由MSC分配给特定手机的固定链路和由CRM分配给手机的无线链路连接起来。
RRSM(RadioResourceStateMachine):
RRSM用来维持空中接口的呼叫状态。
RRSM负责呼叫初始化维持和释放无线信道。
RCI(RadioChannelInterface):
MOTOROLA将CP进程分成两大块。
所有在RSS和CP之间的消息都通过RCI。
RCI执行在RSS和CP功能之间消息的路由。
RCI给每一条上行消息配上一个SCCPreferencenumber,用来针对RSS维持一个精确的路由。
RCI也负责处理来自于SCCP处理器的进程请求。
BSS软件模块结构
CRM(CellResourceManager):
CRM用来处理在一个BTS站中的无线资源的分配。
当请求一个无线资源时,CRM判断哪些资源正在用、哪些正在loading、资源的受干扰情况以及请求无线资源的排队等等。
CRM也负责intra_cell的切换、TCH/SDCCH的动态分配、分配SCCPreferencenumber等。
BSS软件模块结构
2,MS主叫呼叫建立中陆地信令流程
(1),RSS接收到MS发的”channelrequest”消息后,向RRSM发送“channelrequired”消息。
RRSM接收后,向CRM发”channelrequiredreceived”消息。
CRM如果有资源可分配,发”channelassigned”消息给RRSM。
RRSM接收到后,发”channelactivation”消息给RSS,RSS接收到后,发”channelactivationacknowledge”消息给RRSM。
接下来,RRSSM发”immediateassigncommand”给RSS,RSS将该消息发给MS(在AGCH上),并开始分配专用控制信道,建立MS和BSS之间的信令链路。
(2)信令链路建好后,MS发”CMserviceRequest”消息给RSS(在SDCCH上),RSS将该消息发给RRSM。
RRSM一边发消息给RSS,要求对MS的接入功率进行控制;一边发”CMserviceRequest”消息通过SSM和MTP给MSC(CR消息),请求接入服务。
MSC接受后,发CC消息通过MTP给SSM,表示连接证实。
(3),接下来,开始进行鉴权。
MSC将鉴权请求通过MTP、SSM、RRSM、RSS给MS。
MS响应后,将鉴权响应通过这些软件模块发给MSC。
(4),鉴权成功后,开始进行加密。
MSC将加密命令通过MTP、SSM、RRSM、RSS给MS。
MS加密后,将加密完成消息通过这些软件模块发给MSC。
(5),接下来,MS发”set_up消息通过RSS、RRSM、SSM、MTP给MSC。
在VLR将”completecall”消息发给MSC后,MSC发”callproceeding”消息通过RSS、RRSM、SSM、MTP给MS响应”set_up”消息。
MS主叫陆地信令流程
3,分配信道陆地信令流程
(1),MSC将分配请求”assignmentrequest”消息通过MTP发给SSM。
SSM随后发”Audit”消息给SM,要求SM对自己进行功能检测,完成后回”Auditresponse”给SSM。
(2),SSM发”initiateassignment”初始化分配消息给RRSM。
RRSM接收到该消息后,发”assignmentresourcerequest”给CRM,要求CRM给分配TCH。
CRM同意分配后,发”assignmentchannelassigned”消息给RRSM。
(3),RRSM发”Physicalcontextrequest”消息给RSS,要求RSS对物理通道进行检查和分配;RSS分配后,回证实消息”physicalcontextcomfirm”给RRSM。
(4),随后,RRSM将激活该业务信道。
发”channelactivation”消息给RSS,RSS激活业务信道后,回”channelactivationacknowledge”消息给RRSM。
(5),2、3、4作完后,将继续进行分配”assignment”消息的传送。
RRSM发”assignmentcommand”命令给RSS,并送给MS。
RSS随后发”establishindication”建立指示给RRSM。
MS分配完成后,发”assignmentcomplete”消息通过RSS给RRSM。
分配信道陆地信令流程
(6),接下来,RRSM告诉CRM释放在用的SDCCH,CRM向RSS发送去激活消息和释放消息。
RSS释放后,将释放证实直接发到RRSM,RRSM再将释放消息发给CRM。
CRM发”RFchannelrelease”给RSS,RSS释放RF后,发”RFchannelreleaseacknowledge”消息给RRSM,RRSM将该消息再发给CRM。
(7),在6处理过程中,RRSM会发”assignmentsuccessful”消息给SSM。
SSM接收到后,发”connectrequest”消息给SM,SM回”switchresponse”消息给SSM,为后面建立连接打好基础。
之后,SSM再发”assignmentcomplete”消息通过MTP给MSC。
(8),MSC接收到分配完成消息,没有问题后,会发”Alerting”消息给BSS各部分,通过之传送到MS。
(9),当对方摘机后,MSC通过BSS向MS发”connect”消息,MS接收后,通过BSS向MSC回”connectACK”消息。
开始通话。
分配信道陆地信令流程
4,切换陆地信令流程
(一)(对于源小区)
(1),RSS经过判断,了解该MS满足切换门限后,向RRSM/RCI发”handoverrecognized”消息。
RRSM接收到该消息后,向SSM发”handoverrecognizedreceived”消息。
随后,SSM通过MTP向MSC发”handoverrequired”消息,MSC接收到后,向BSS发”handovercommand”消息到SSM。
(2),SSM向RRSM发送”initiatehandover”消息。
RRSM经过一定的处理后,通过RSS向MS发送”handovercommand”。
(3),当MS与目标小区建立好新的信道后,MSC通过MTP向SSM发送”clearcommand”消息。
SSM接收到后,向RRSM发”releaseradiochannel”消息;RRSM经过处理后,向RSS发送”channelrelease”消息。
同时,要求CRM去激活DCH;CRM完成后,发响应给RRSM。
之后,CRM要求RSS释放控制信道;RSS释放后,发证实消息给RRSM。
之后,完成RF信道的释放。
(4),SSM在接收到从RRSM发来的”radiochannelreleased”消息后,发”clearcommand”命令给MSC。
MSC接收并处理后,发”RLSD”给SSM要求释放SCCP层3,接受后S