GSM 移动通信及协议栈.docx
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GSM移动通信及协议栈
GSM移动通信及协议栈
基础知识讲座
通信研究院
陈浩
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
No.7BSSAPNo.7MAP
ANo.7MAP.TUPPLMN
PSTN
X.25No.7TUPISDN
Um
（Air）Abis
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
BTS
BTS
BSC
MSC/VLR
OMC
HLR/AUC
SC
EIR
MSC/VLR
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）。
RACHAGCH+PCHSACCHFACCHSDCCHSAPI0SAPI3RRMMPDMMCCSSSMSMMREG-SAPMMCC-SAPMMSS-SAPMMSMS-SAPCCSSSMSMOBILENETWORKSERVICEMNCC-SAPMNSS-SAPMNSMS-SAPBCCHSDCCHSACCHRR-SAPRRLAYER3SIGNALLING=RRTITITIPDPD：
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）”。
TD
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