GSM通信流程.docx

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GSM通信流程

课程说明

课程介绍

GSM通信流程包括两方面的内容：

呼叫基本流程，信令基本流程。

其中，呼叫流程主要包含：

移动主叫流程，移动被叫流程，汇接呼叫流程。

信令基本流程主要包含：

鉴权流程，位置登记流程，呼叫重建流程，BSC内部切换流程，BSC间切换流程，MSC间切换流程，移动始发短消息流程，移动终结短消息流程，定向重试流程。

这些流程从系统的角度描述了移动用户经常发生的行为，描述了GSM的几个组成部分在呼叫流程、信令流程中的相互关系，对移动性特征做重点说明。

课程目标

本课程的重点是介绍GSM系统的协同工作过程，涉及内容包含：

呼叫、位置更新、切换、短消息。

对流程的介绍突出了移动特征，具体的信令细节本课程不做描述，可以参考ETSI的GSM规范获得更加详细的内容。

通过学习本课程，可以基本掌握：

●移动用户做位置登记的信令过程；

●移动用户做主叫的信令过程；

●移动用户做被叫的信令过程；

●MSC做汇接呼叫的信令过程；

●BSC内切换信令过程；

●BSC间切换的信令过程；

●MSC间切换的信令过程；

●呼叫重建的信令过程；

●定向重试的信令过程。

对这些信令流程学习之后，对GSM系统的原理会有更加深刻的了解，对每个功能实体（MS，BTS，BSC，MSC，VLR，HLR）的功能有更加深刻的体会。

相关资料

ETSI关于GSM的规范，主要是：

GSM0408，GSM0808，GSM0902。

第1章呼叫过程的信令分析

对一次发生在移动用户间的呼叫来说，信令流程可以分为三个相对独立的部分：

●主叫移动用户部分

●被叫移动用户部分

●拆线部分

1.1主叫信令流程

移动用户做主叫时的信令过程从MS向BTS请求信道开始，到主叫用户TCH指配完成为止。

一般来说，主叫经过几个大的阶段：

接入阶段，鉴权加密阶段，TCH指配阶段，取被叫用户路由信息阶段。

接入阶段主要包括：

信道请求，信道激活，信道激活响应，立即指配，业务请求等几个步骤。

经过这个阶段，手机和BTS（BSC）建立了暂时固定的关系。

鉴权加密阶段主要包括：

鉴权请求，鉴权响应，加密模式命令，加密模式完成，呼叫建立等几个步骤。

经过这个阶段，主叫用户的身份已经得到了确认，网络认为主叫用户是一个合法用户，允许继续处理该呼叫。

TCH指配阶段主要包括：

指配命令，指配完成。

经过这个阶段，主叫用户的话音信道已经确定，如果在后面被叫接续的过程中不能接通，主叫用户可以通过话音信道听到MSC的语音提示。

取被叫用户路由信息阶段主要包括：

向HLR请求路由信息；HLR向VLR请求漫游号码；VLR回送被叫用户的漫游号码；HLR向MSC回送被叫用户的路由信息（MSRN）。

MSC收到路由信息后，对被叫用户的路由信息进行分析，可以得到被叫用户的局向。

然后进行话路接续。

主叫过程的信令流程如后面的图所示。

注意:

应该注意的是：

从VLR到HLR/AUC取鉴权集的过程不是必须的。

VLR到HLR/AUC取鉴权集时，HLR每次送5组，本次使用一组，另外4组保存在VLR中供后续的鉴权过程使用。

只有当VLR中的鉴权集使用完毕，VLR才发起向HLR/AUC取鉴权集的过程。

另外，如果MSC通过对被叫用户的MSRN的分析得知被叫用户是本局用户，那么就不会向其它MSC发送初始地址消息（IAI/IAM），而是根据被叫用户的位置区直接通知本局BSC对被叫用户发起寻呼。

如果被叫用户非本局用户，则通过信令路由分析，通过适当的链路向目的MSC发IAI消息，以建立话路。

主叫接入阶段、鉴权阶段主要信令：

当用户输入被叫号码完毕按下发射按纽后，手机（以下以MS代替）将进行一系列动作，首先MS将在随机接入信道（RACH）向BSS发送信道请求消息，以便申请一个专用信道（SDCCH），BSC为其分配相应的信道成功后，在接入允许信道（AGCH）中通过立即分配消息通知MS为其分配的专用信道，随后MS将在为其分配的SDCCH上发送一个层三消息---CM业务请求消息，在该消息中CM业务类型为移动发起呼叫，该消息被BSS透明的传送至MSC，MSC收到CM业务请求消息后，通过处理接入请求消息通知VLR处理此次MS的接入业务请求，（同时，由于在BSC和MSC之间用到了SCCP有连接服务，为建立SCCP连接，MSC还将向BSC回连接确认消息），收到业务接入请求后，VLR将首先查看在数据库中该MS是否有鉴权三参组，如果有，将直接向MSC下发鉴权命令，否则，向相应的HLR/AUC请求鉴权参数，从HLR/AUC得到三参组，然后再向MSC下发鉴权命令。

MSC收到VLR发送的鉴权命令后，通过BSS向MS下发鉴权请求，在该命令中含有鉴权参数，MS收到鉴权请求后，利用SIM卡中的IMSI和鉴权算法，得出鉴权结果，通过鉴权响应消息送达MSC，MSC将鉴权结果回送VLR，由VLR核对MS上报的鉴权结果和从HLR取得的鉴权参数中的结果，如果二者不一致，拒绝此次接入请求，此次呼叫失败；如果二者一致则鉴权通过，鉴权通过后，VLR将首先向MSC下发加密命令，然后通知MSC该MS此次接入请求已获通过，MSC通过BSS通知MS业务请求获得通过，然后MSC向MS下发加密命令，该命令内含加密模式，MS收到此命令并完成加密后，回送加密完成消息，到此MS完成了整个接入阶段的工作。

TCH指配阶段、取被叫漫游号码阶段主要信令：

经过接入阶段和鉴权加密过程后，主叫用户的合法身份已经得到确认，已经接入了网络，为继续进行呼叫，需要更为详细的信息，按照规范，此时MS将发送一个setup消息，在此消息中，携带有被叫号码和主叫标识等更为详细的信息，MSC收到此消息后，首先通过S.I.F.O消息向VLR查询该用户的相关业务信息，VLR根据此次业务类别和开户时MS已经申请的业务信息，决定此次呼叫是否可以继续，如果可以继续，通过完成呼叫消息向MSC回送该用户数据，MSC收到该信息后，通过呼叫继续消息，经BSS通知MS呼叫在继续处理之中，然后，根据A接口电路情况，向BSC发送指配请求消息，在该消息中选定某条A接口电路，BSC收到该指令后，向BTS、MS指定无线资源，MS收到该指令后，占用成功回送分配完成消息，到此TCH指配阶段完成，本局的无线资源和A接口电路均已成功分配。

MSC收到MS上报的指配完成消息后，进行被叫分析，根据被叫号码，寻址到HLR，发送路由信息请求消息，HLR收到该消息后，根据被叫IMSI查询得到被叫所在的VLR，向被叫所在的VLR请求漫游号码，被叫所在的VLR在受到请求漫游号码消息后，为对应的MS分配MSRN，然后在请求漫游号码响应消息中回送给HLR，HLR得到该MSRN后，向主叫所在MSC发送路由信息响应消息，MSC从该消息中得到被叫的MSRN，根据MSRN进行局间中继选路，并向被叫所在的MSC发送IAI消息。

至此主叫信令流程基本结束。

1.2被叫信令流程

对移动用户来说，被叫的过程从MSC向BSC发起对被叫用户的寻呼开始，到主叫和被叫通话为止。

一般来说，被叫流程经过几个大的阶段：

接入阶段，鉴权加密阶段，TCH指配阶段，通话阶段。

接入阶段主要包括：

手机收到BTS的寻呼命令后，信道请求，信道激活，信道激活响应，立即指配，寻呼响应。

经过这个阶段，手机和BTS（BSC）建立了暂时固定的关系。

鉴权加密阶段主要包括：

鉴权请求，鉴权响应，加密模式命令，加密模式完成，呼叫建立。

经过这个阶段，被叫用户的身份已经得到了确认，网络认为被叫用户是一个合法用户。

TCH指配阶段主要包括：

指配命令，指配完成。

经过这个阶段，被叫用户的话音信道已经确定，被叫振铃，主叫听回铃音。

如果这时被叫用户摘机，主被叫用户进入通话状态。

被叫接入阶段、鉴权阶段主要信令流程

当一个端局MSC收到它局发送的IAI消息后，为了确定被叫用户是否能够接受此次呼叫，MSC会首先通过S.F.I.C消息向相应的VLR查询有关该被叫用户的用户信息，如果VLR通过查询用户信息，发现该用户可以接受此次呼叫（未关机且允许接受呼叫），会向MSC发送寻呼命令消息，在该消息中，含有用户的位置信息（LAI），MSC收到此信息后，查询数据，得到控制此位置区的BSC的信令点编码，向相应的BSC下发寻呼命令，BSC通知所控制的BTS在寻呼信道（PCH）下发寻呼消息。

手机一直在侦听该信道，当收到寻呼自身的消息后，在随机接入信道（RACH）上报寻呼响应消息，（由于在A接口用到了SCCP的有连接服务，所以寻呼响应同时被视为SCCP的连接建立请求消息，MSC的SCCP层对应的应该回一个连接证实消息），同时MSC向VLR发送处理接入请求消息，VLR首先启动鉴权流程，查看该用户的鉴权参数组，如果VLR中没有该用户的鉴权三参组，VLR会发起向HLR取鉴权参数的过程（详细过程可以参见主叫用户的接入过程中的鉴权过程），否则VLR会直接向MSC发送启动鉴权消息，在启动鉴权消息中含有该用户的一个鉴权三参组（RAND，KC，SERS），MSC收到该消息后，会继续通知对应的BSC、BTS下发鉴权命令，MS收到鉴权请求后，根据SIM卡中的KI，计算出对应的SERS，之后，将SERS在鉴权响应消息中上报MSC，MSC回送至VLR，VLR收到鉴权响应消息后，核对上报的SERS和从HLR得到的三参组中的SERS是否一致，如果一致，向MSC发送接入请求接受消息，通知MSC该用户的此次接入请求被接受。

并通过完成呼叫消息向MSC回送被叫的用户信息；如果不一致，此次呼叫将被拒绝。

被叫TCH指配阶段、通话阶段主要信令流程：

MSC收到完成呼叫消息后，向BSS侧发送SETUP消息，提示将建立呼叫，MS收到该消息后，回送呼叫证实消息，之后，MSC选择相应的A接口电路，向对应的BSC发送指配请求消息，BSC根据资源情况分配相应的无线资源，并通知MS，MS占用成功后回送指配完成消息，同时被叫MS开始震铃，向其所在MSC回震铃消息，该MSC向主叫所在MSC回地址全消息，主叫所在MSC向MS发送被叫震铃消息，此时主机用户可以听到回铃音；被叫用户如果决定接受此次呼叫，按应答按纽，此动作被手机翻译成为CONNECT消息，向MSC发送，MSC收到该消息后，向主叫MSC发送应答消息（ANC），主叫MSC收到此消息后，向主叫MS发送连接建立请求消息，主叫MS相应的向主叫所在MSC回连接证实消息，此消息经被叫MSC传送至被叫MS，于是，本此呼叫开始通话，双方进行通话。

1.3拆线部分

拆线部分相对而言是个很独立的过程，不管是主叫先发起还是被叫先发起，流程基本是类似的：

拆线、释放、释放完成、清除、清除完成，不同之处仅在于交换局之间的TUP消息略有不同。

主叫先拆线：

在拆线阶段，手机用户的挂机动作被手机转换为拆线消息（Disconnect）,经BTS、BSC向MSC传送，MSC收到拆线请求之后，有两个动作：

向BSC下发释放命令（Release）；同时MSC需要向被叫所在的MSC发送前向拆线TUP消息请求。

此后，主叫方和被叫方的拆线过程将分别进行：

主叫所在MSC在收到拆线消息后，首先向MS发送DTAP消息REALSE命令，MS去活本次呼叫占用的所有信道，并发送释放完成消息确认，网络侧则会在本端释放所占信道以便可以分配给其它呼叫连接使用；之后，MSC向BSS发送BSSMAP消息CLEARCOMMAND，指示应该释放无线资源，BSS收到CLEARCOMMAND消息后，开始清除无线接口，同时将分配给此次呼叫的地面资源均标示为空闲，向MSC发送CLEARCOMPLETE，MSC收到CLEARCOMPLETE消息后，释放地面资源。

被叫所在MSC收到CLF消息后，向主叫所在MSC会释放保护消息，同时启动本局资源释放流程：

MSC向MS发送DTAP消息REALSE命令，MS去活本次呼叫占用的所有信道，并发送释放完成消息确认，网络侧则会在本端释放所占信道以便可以分配给其它呼叫连接使用；之后，MSC向BSS发送BSSMAP消息CLEARCOMMAND，指示应该释放无线资源，BSS收到CLEARCOMMAND消息后，开始清除无线接口，同时将分配给此次呼叫的地面资源均标示为空闲，向MSC发送CLEARCOMPLETE，MSC收到CLEARCOMPLETE消息后，释放地面资源。

被叫先挂机：

1.4移动呼叫移动（主叫、被叫在同一个MSC内）

1.5移动呼叫移动（主叫、被叫在不同的MSC内，拆线过程略）

1.6移动呼叫固定用户

\

1.7固定用户呼叫移动用户（经GMSC到VMSC）

1.8固定用户呼叫移动用户（PSTN直接与VMSC相连,VMSC兼做GMSC）

1.9呼叫过程的异常流程：

VLR返回一个否定的“访问请求消息”

1.10呼叫过程的异常流程：

移动用户不允许呼出

1.11呼叫过程的异常流程：

移动用户话音信道分配失败

1.12呼叫过程的异常流程：

对被叫移动用户选路失败

1.13呼叫过程的异常流程：

从被叫用户所在局收到TUP失败信号

1.14呼叫过程的异常流程：

被叫用户关机

被叫用户MS－B已关机，则在VLR中设置了IMSI分离标志，那么HLR请求MSRN时，VLR因该MS已有分离标志而作MSRN分配失败。

HLR则返回一个“MSRN请求”否定的结果.

1.15

呼叫过程的异常流程：

VLR指示被叫用户不可能接入

如果VLR收到的来话用户不可能接入，如该用户呼叫被禁止或VLR收到非期望值时，则本次呼叫释放。

1.16呼叫过程的异常流程：

无寻呼响应

1.17呼叫过程的异常流程：

被叫用户忙

1.18呼叫过程的异常流程：

被叫侧无线话务信道指配失败

1.19

呼叫过程的异常流程，MS-B久叫不应

如果被叫久叫不应，则网络对主叫和被叫启动清除过程。

1.20呼叫过程的异常流程：

释放异常

1.21用户早释

移动用户无拨号早释。

在呼叫接续处理过程中用户可能早释，早释发生时，MS发出“断连”信号（discconect）发向网络，网络在呼叫处理的不同阶段接收到该“断连”消息即进入释放处理，释放呼叫。

释放过程的信号流程参见正常的释放情况。

小结

本节课主要描述了移动用户的呼叫过程的信令流程，包括移动主叫，移动被叫，汇接呼叫。

应该能够掌握各种呼叫过程的信令流程，如移动呼叫固定用户，固定用户呼叫移动用户，TMSC的汇接呼叫过程的信令流程。

对各种异常流程应该有一定认识，特别是资源的释放过程。

第2章鉴权

2.1鉴权原理和操作机制

鉴权是通过比较MS提供的鉴权响应和AUC提供的鉴权三参数组之间是否一致进行判断的，通过鉴权，可以防止非法用户（比如盗用IMSI和KI复制而成的卡）使用网络提供的服务。

首先明确MS中SIM卡和AUC中存贮的信息：

●SIM卡中：

固化数据：

IMSI，Ki，A3、A8安全算法。

这些内容不会更改。

临时的网络数据TMSI，LAI，Kc，被禁止的PLMN

业务相关数据

●AUC中：

用于生成随机数（RAND）的随机数发生器

鉴权键Ki

各种安全算法，这些安全算法和SIM卡中的算法相一致。

AUC的基本功能是产生三参数组（RAND、SRES、Kc），其中：

●RAND由随机数发生器产生；

●SRES由RAND和Ki由A3算法得出；

●Kc由RAND和Ki用A8算出。

三参数组产生后存于HLR中。

当需要鉴权时，由MS所在服务区的MSC/VLR从HLR中装载至少一套三参数组为此MS服务。

具体到某次鉴权时，如果此时VLR中还有该MS的三参组（或者允许重复使用三参组），则HLR不参与鉴权过程，VLR直接向MS下发鉴权命令；如果VLR中已经没有该MS的三参组，则需首先向HLR取三参组。

2.2鉴权执行控制过程

2.3VLR鉴权时的异常情况

小结

本节课主要描述了鉴权的过程。

鉴权是数字网络区别与模拟网络的重要特性之一。

通过鉴权，系统可以为合法的用户提供服务，对不合法的用户拒绝服务。

通过本课学习，主要了解鉴权的原理、鉴权中心的作用、系统判断非法用户的依据。

第3章位置更新

3.1位置更新类型

●正常位置更新

●周期位置更新

●IMSI附着/分离

当HLR被置于故障指示时，VLR收到MS发出的业务操作

3.2成功操作

3.2.1位置更新仅涉及VLR

MS进入新位置区，新旧位置区在同一MSC覆盖区域内，即VLR并未改变。

3.2.2位置更新涉及VLR和HLR

包括下列情况：

MS处于新的VLR的位置区域，所以该位置区必须更新到HLR

MS首次登记到网络

位置在VLR登记后相关网络数据已经丢失，此时MS必须使用IMSI标识自己。

文中：

LAIO=旧LAI号，LAIN=新LAI号

3.2.3位置更新时使用前一个VLR分配的TMSI来标识

当MS进入新的VLR（VLR2）位置区，请求位置更新时使用的是前一个VLR（PVLR）分配的TMSI来标识自己

为得到该MS的鉴权三参组，VLR2需要知道该MS的归属HLR地址信息，VLR2可以从IMSI分析得到该信息，为了得到该MS的“IMSI”，VLR2需要同PVLR通信，故此时位置更新将涉及VLR2，PVLR和HLR

3.2.4IMSI分离（或关机）

3.2.5

IMSI接入

IMSI重新进入活动状态，而位置自从IMSI分离后已改变，则如6.2.那样通过位置更新过程来完成；如位置自从IMSI分离后未改变，则IMSI接入过程通过如下描述完成：

：

（本过程仅在VLR中已设置了“IMSI分离”标志之后使用）

3.3异常情况

3.3.1位置更新时，VLR不认识TMSI

当MS以TMSI标识自己，但VLR不认识该TMSI，则VLR首先要求MS进行鉴权，此鉴权过程可参见“鉴权异常情况”，鉴权成功后，接着的位置更新如“位置更新的成功操作”那样来完成。

3.3.2位置更新不接受（以仅在VLR完成位置更新为例）

小结

本课介绍了位置更新的相关内容。

学习本课后，应掌握位置更新的原因、分类，主要流程。

明确位置更新和切换的区别。

第4章切换

4.1切换的起因：

（1）无线标准

●信号质量

●场强MS和/BTS接收电平

●MS－BTS距离

●改善干扰与功率控制（选择在确保正常通信质量的情况下切换的小区以尽量减少MS传输功率从而改善干扰）

（2）网络标准

●话务负荷（防止小区拥塞，均化话务；但扰乱了小区规划并增加了对周围区域的干扰强度），只在出现特殊事件，局部地区产生峰值时暂时使用，如举行运动会，交易会，发生了自然灾害时等。

●O&M原因，应操作维护方面的需要

4.2切换启动方式

（1）BSC根据管理标准而检测到无线传输原因而执行切换判决

●MS测量周围邻近小区下行信号电平和质量，以搜寻可供选择的BTS，并将结果报告正在服务的BTS

●正在服务的BTS对MS上行信号电平，质量和距离进行测量

●MS测量结果与BTS测量结果送往BSC进行处理，BSC根据传输质量标准作出切换判决

（2）MSC询问切换候选人

由于MSC业务的原因，MSC希望确定是否能够切换到MS所指定的小区，则MSC发“切换候选者询问”消息到BSS，希望BSS识别在某一特定小区可以切换到另一些小区的切换候选者数目，消息中包含最大候选者的数目。

4.3切换类型

（1）内部切换

由BSS控制进行，MSC不参与介入切换控制过程；BSS仅在切换完成后发送“切换完成消息”到MSC。

内部切换有几种类型：

●小区内切换

同一个无线频道的话务信道之间

不同的无线频道之间

●同基站内小区间切换

（2）外部切换（MSC参与控制切换过程）

●同MSC内不同基站间切换

●同PLMN不同MSC之间基站间切换

●不同PLMN的基站间切换，GSM未定义

4.4控制流程（以BSS启动“切换请求指示”为例）

4.4.1同MSC基站间切换

4.4.2PLMN内不同MSC之间的基站间切换

●局间切换GSM定义为两种切换

基本切换－－最初的MSC（MSCA）的移动用户MS需要切换到另一个MSC（MSCB）的基站去，MSCA主控这个切换

后续切换－－同一个接续在基本切换之后，已在MSCB的MS又需切换到另一个MSC（MSCB）或重新返回到MSCA，这类切换处理谓之“后续切换”

●不论是“基本切换”还是“后续切换”，MSCA始终处于主控位置，基本切换原理如下：

4.4.3局间切换处理

小结

本课介绍了切换的相关内容。

学习本课后，应掌握切换的起因，切换的分类，对于各种切换所涉及到的实体、每个实体在切换中的作用有一定的认识。

第5章短消息流程

短消息相关的网络实体：

SMS-GMSC：

GatewayMSCforShortMessageService短消息关口MSC，能够直接从短消息中心接收短消息，能够从HLR获取路由信息和短消息信息，并将短消息传递给VMSC。

SMS-IWMSC：

InterworkingMSCforShortMessageService，在PLMN内部能够接收短消息并提交给短消息中心。

详细信息可查阅规范：

GSM0340

5.1移动始发短消息的基本流程

对于手机来说，移动始发短消息和移动终结短消息是完全独立的两个过程，移动始发的短消息从手机接入系统开始，到收到短消息中心发来的发送成功为止。

手机将短信发送给VMSC，VMSC根据短信中携带的短消息中心的标识号，将短信提交给IWMSC，由IWMSC提交短信中心。

移动始发短消息可以分为以下几个过程：

●接入和鉴权加密

●发送短消息到短消息中心

●短消息中心向手机报告发送结果。

其中接入和鉴权加密的过程和移动用户主叫对应的过程一致。

下图是移动始发短消息的流程图。

5.2移动终结短消息的基本流程

移动终结短消息的过程与移动用户被叫的过程类似，短消息中心将收到的短消息发送给SMS-GMSC，SMS-GMSC向HLR取得为发送短消息所必需的路由信息，然后将短信传送给短信接收者所在的MSC，由MSC将短消息发送给手机。

整个过程包括取路由信息，寻呼，接入和寻呼响应，鉴权加密，短消息传送，最后向短消息中心报告接受结果，这个结果经SMS_GMSC分别送HLR和短消息中心，由短消息中心回送始发短消息用户。

下图为移动终结短消息的流程图。

5.3短消息案例现象描述：

A地新建MSC，用户反映短消息收发有以下几种不成功情况：

（所有手机均为A地本地手机，A地手机使用B地的短信中心）

（1）本MSC内两个手机互相收发短消息，发方显示发送失败，接收方无法收到短消息；

（2）本MSC内手机向其他MSC内手机发送短消息，发方显示发送失败，但接收方能正常收到短消息；

（3）其他MSC内手机向我MSC内手机发送短消息，发方显示发送成功，但接收方实际上收不到短消息。

处理过程通过跟踪链路上的与短消息有关的消息，发现本MSC能够收到从短消息中心发过来的forwardshortmessage消息，但发出此消息的OPC并不是MTP目的信令点表中所配置的短消息中心的SPC，经过询问，该OPC是B地MSC1的SPC，由于我们MSC与该MSC没有任何关连，所以MTP目的信令点表中并未配置该DPC，将该DPC添加后，所有短消息收发均正常。

原因分析：

其中：

A地华为MSC2对B地短消息中心使用DPC+SSN方式寻址，DPC为B地短信的DPC，该消