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1、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

2、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。eg2. 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：MS BSS NSS MSC/VLREIRHLR/AUCBTS No.7 BSSAP No.7 MAPBSCMSC/VLR A No.7 MAP.TU

3、P PLMN PSTNBTS X.25 No.7TUP ISDN Um SC (Air) Abis OMC 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 2 GSM系统框图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，

4、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

5、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

6、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、

7、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

8、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。3GSM网的呼叫建立3.1 编号规

9、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）

10、IMSI = MCC + MNC + MSIN 15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4 bytes BCD编码，

11、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

12、。5. 位置区识别码LAILAI用于移动客户的位置更新，具有全球唯一性。LAI = MCC + MNC + LACMCC：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2 bytes BCD编码，表示为X1X2X3X4。在一个GSM PLMN网中可定义65536个不同的位置区。6. 切换号码HONHON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 + SN7. HLR号码 HLR号码代表HLR的地址。中国移动GSM

13、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BSICBSIC是用于识别相邻国家的相邻基站的，为6 bit编码。BSIC = NCC + BCCNCC：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

14、），为XY1Y2。 X：运营者（移动X = 1，联通X = 0） Y1、Y2：分配见下表： Y1Y2 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 + SPTAC：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，

15、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。3.2 GSM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

16、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“HLR Enquiry”。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

17、。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/ISDN GMSC HLR VLR MSC BSC MS 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-CR SABM L2 （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/IS

18、DN 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 3 MS 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I

19、MSI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

20、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

21、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。3.2.2 MS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.

22、 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：Physical Layer (L1)，Data Link Layer (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

23、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(data link connection identifier)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

24、看出L3主要包括三个功能实体RR （Radio Resource）、MM（Mobility Management）和 CM（Connection Management）。 PD：Protocol Discriminator TI：Transaction Identifier图 5 MS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) SAPI 0：它支持信令信息的传输；b) SAPI 3：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

25、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me

26、ssage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_serie GSM PLMN概述02_serie 业务stage103_serie 网络功能&业务stage204_serie L3即air接口&stage305_serie 无线路径L1和系统06-serie HR、FR、EFR&AMR话音处理功能07_serie 终端适配功能08_serie BSC-BTS、BSS-MSC接

27、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/s PCM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/s PCM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GSM 900MHz频段：890 915 （MS发、BS收，即为上行链路）935 960 （BS发

28、、MS收，即为下行链路）DCS 1800MHz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

29、免与使用相邻频率的业务相互干扰。GSM 900中的总载波数为124，而PCS 1800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 9 dB邻频道干扰保护比： C/I - 9 dB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4.4.1 FDMA和TDMAGSM网的无线传输是基于数字

30、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）”。TDMA时隙被称为“物理信道”（Physical Channel），被用于物理的将信息从一个地方送至另一个地方。MS和BTS之间的无线载波信号被分成连续的时隙流，接下来在一连续的TDMA帧中被传送。如果TDMA帧的时隙代表物理信道，那么有关内容是什么？物理信道的内容根据它们的性质不同（逻辑作用不同）可分为