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
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