GSM概述.docx

1、GSM概述1. GSM协议体系接口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Network Layer(L3).2. 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(data link conn

2、ection 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：从图中我们可以看出L3主要包括三个功能实体RR （Radio Resource）、MM（Mobility Management）和 CM（Connection Management）。1. L2 和L3之间有两个业务接入点标识：a) SAPI 0: 支持信令消息的传输；b)SAP

3、I 3: 支持用于短消息的传输；2. 层和层之间以及子层与子层之间：a) L3的体系架构1. RR子层RR的作用是在呼叫期间建立和释放MS和MSC之间的稳定连接，不管用户如何运动，总维持连接的状态。它必须在各种需要之间动态的共享有限的无线资源。RR层的功能主要由MS和BSC完成。另外，由于切换过程的责任完全位于RR层内，因此MSC内实现的一部分功能（特别是与MSC内部切换有关的功能）也属于RR层RR层功能集中在无线接口上管理传输路径，更确切地说，是在MS和有控制功能的MSC之间负责通信。这些路径的管理包括不同的方面。首先必须能建立和释放这些路径，一个连接的建立是一个接入过程，对应于MS从空闲模

4、式转换为专用模式。与接入有关的寻呼功能能建立对空闲MS的呼叫，以及支持空闲MS所需的功能。管理MS-MSC连接的另一方面是传输链主要特性的处理，如传输的是信令/语音/还是数据，是否使用了加密等。RR层功能的另外一方面是切换，切换准备首先要求对服务小区以及其他邻近小区的估计传输质量，这通过测量随用户运动而变化的连接特性得到。RR层的基本过程如下：a) System information broadcastingb) RR连接建立：immediate assignment procedure 进入dedicated modepaging procedurec) 专用模式下的过程measureme

5、nt report procedureintracell change of channelsintercell change of channelsfrequency redefinition procedurechannel mode change procedureciphering mode setting procedureadditional channel assignment procedurepartial channel release procedured) RR连接释放过程e) 2. MMMM子层的主要功能是支持移动用户终端，如：告知网络MS的当前位置并对用户身份保密，

6、更进一步，MM子层向上一层CM的不同实体提供连接管理服务。所用的MM过程，都是基于RR连接已经建立的前提之下，如果RR连接没有建立的话，MM子层首先启动RR连接建立过程，MM过程分为a) MM一般过程这一过程的前提：RR连接已经建立若MM procedure由网络端发起TMSI重分配鉴权过程身份识别过程MM信息过程Abort若MM procedure由MS发起IMSI detachb) MM专用procedure当MM连接不存在或者无其他MM专用过程的话，MM专用过程才能启动。一般位置更新周期性位置更新IMSI attachc) MM连接管理过程这一过程主要用于建立/保持/释放MS和MSC之间

7、的MM连接，通过这一过程，CM层可以与其对等实体交换信息，MM连接管理过程只有在MM专用过程不进行时才能执行，同一时间可以同时激活多个MM连接3. CM CM 层的主要功能是，应用户的要求，在用户之间建立连接，并能维持和释放这些呼叫。它包括通过补充业务使用户能控制其发出或接收到的呼叫管理方法。呼叫管理功 能的多样性使得CM可分为三个实体（CC、SS、SMS），每个CC实体与自己的MM实体相连接与对等层实体通信，并用业务标识符TI加以区别。 CM的三个实体之间是相互独立的，它们分别使用自己的MM连接与对等实体进行通信，不同的CM实体使用不同的TI来加以区分。 无论是MS还是网络的uplayer发

8、起呼叫的建立，都包括以下两方面： a) MS和网络间CC连接的建立； b) 激活编解码;4. 主要过程4.1 idle mode and dedicated mode 处于空闲模式时，RR连接是不存在的，但上一层可以提出建立RR连接的要求对MS来说，只是监听BCCH/CCCH以及为它所属的寻呼组监听寻呼子信道。同时它还得测量信号功率，以保持同其他小区的联系，测量信息主要用户小区切换，当决定进行小区切换后，MS转向监听新的小区的BCCH，通过广播消息，MS可以判定它是否被允许接入该小区。 对于网络侧来说，它在BCCH上有规律的广播系统消息。通过这些消息，MS能够知道如何通过当前的小区接入网络。广

9、播消息主要有以下几方面的内容：a) 当前小区，LA和网络的唯一识别（Identification）b) 作为小区重选的后备小区的一些相关信息c) 当前控制信道的结构d) 有关随机接入信道的信息e) 关于小区特区的一些信息f) 此外，网络还在寻呼子信道上不断发送正确的L3消息。由空闲模式进入专用模式主要有 RR实体回答Paging Request消息 MM子层请求进入专用模式当MS处于专用模式时，RR处于连接状态，这一过程中可以提供如下服务： 在任何处于连接状态的L2上传输消息指示临时不可用的传输指示RR连接的断开为保持RR连接而进行的小区重选和切换建立/改变物理信道的传输模式，包括：改变信道的

10、类型/改变编码/解码的模式以及设置加密释放一个RR连接4.2 Paging procedure for RR connection establishment on CCCH网络通过寻呼过程来触发RR的连接，网络在合适的寻呼信道上通过广播Paging Request消息来触发寻呼过程，同时，网络启动计时器T3113。当网络收到Channel Request消息后，它将根据其中的信息为MS分配合适的信道，当接入网络是允许的，MS将立即启动分配过程。通过包括Paging Response的SABM帧建立主信令连接。之后，MS的MM子层被告知RR实体几经进入专用模式。当网络收到Paging Resp

11、onse消息，就停止计时器T3113.网络的MM子层被告知RR连接存在。如果网络还未收到Paging response消息，计时器T3113超时，网络将重发 Request消息，并重启计时器T31134.3 Entering the dedicated mode : immediate assignment procedure进行立即分配过程的目的是建立MS和网络之间的连接。立即分配过程只能由MS的RR实体来触发，RR实体回答Paging Request消息或MM子层请求进入专用模式都会触发这一过程。MS的RR实体收到网络的寻呼信息后，将通过RACH向网络发送Channel Request消息

12、，并释放空闲模式。之后MS开始监听BCCH，同时监听与自己的CCCH相对应的下行链路CCCH时隙。通过CCCH的时隙，网络收到MS所发出的Channel Request消息后，网络发送Immediate Assignment消息给MS分配一条专用信道。之后，网络启动计时器T3101.当MS收到与其发送的Channel Request消息相对应的Immediate Assignment消息后，转到所分配的信道上，并将信道模式设置为信令，同时将这个信道激活，然后通过一个包括消息域的SABM帧，MS就建立了主信令链路。MS NetWork Paging Request start T3113 Cha

13、nnel Request Immediate Assignment start T3101 SABM(Paging Response) Stop T3101 T31134.4 Handover procedure (dedicated mode)当用户从一个小区覆盖的区域移至另外一个小区时，必须要建立与目标小区的新连接，与旧的小区的连接要释放。执行切换有两个原因：1. 由于测量结果引起的切换指当无线电信号的质量或者强度下降以致低于BSC规定的参数值2. 由于话务量的原因引起的切换指当小区的通信量已达到或接近达到它的最大值。小区边缘的MS就可能被切换至具有较小话务量的相邻小区。切换过程包括：除了

14、L3的RR管理以外，其它的正常操作都挂起；通过L2本地端释放（Local End Release）断开主信令链路和其它链路，如果有TCH，还要将TCHs断开。断开及去活先前分配的L1信道并将它们释放激活可用的新信道及其连接在新信道上，SAPI=0，激活数据链路连接的建立。通常由当前服务用户的BSC做出执行切换的决定，但由于话务量的原因引起的切换的情况除外，它由MSC做出决定。又四种不同类型的切换1. 小区内-BSC内切换这是最小的切换，即在同一小区内，用户的TCH切换到另一TCH（通常为另频段），在这一情况下，控制小区的BSC做出执行切换的决定2. 小区间-BSC内切换用户从小区1移至区2，在

15、这种情况中切换过程由BSC控制。当成功地建立了与小区2的连接后，与小区1的通信连接就被释放3. 小区间-BSC间切换用户从小区2移至小区3，小区3属于另一个BSC。在这种情况中，切换过程 由MSC执行，但是仍由第一个BSC做出切换决定。当与新的BSC（和BTS）成功地建立连接时，与第一个BSC的连接就被释放。4. MSC间切换用户从一个MSC/VLR控制的小区移至另一个MSC/VLR控制的小区，这种情况更复杂。当前服务于用户的MSC/VLR（也称为锚定MSC）联系目标 MSC，话务连接转接至目标MSC/VLR。当前两个MSC属于同一个网路时，连接可以顺利建立。尽管如此，目标MSC和源MSC是两

16、个不同的电话交换 机。只要有号码识别目标MSC，呼叫就能在两个交换机之间转移。这就必须产生一个新的号码，即切换号码（HON）。锚定MSC/VLR从BSS接收切换信息。它判断出目的地在另一个MSC的区域范围内，然后通过信令网向目标MSC发送一个切换请求。目标MSC通过产生 一个HON并将其送至锚定MSC/VLR作为应答，它执行一个数字分析以便获得必要的路由信息。这个信息允许服务的MSC/VLR连接至目标 MSC/VLR。当两个MSC完成连接，呼叫被传送至新的路由。4.5 Ciphering mode setting procedure (Dedicated Mode)通过在 主信令链路上向MS发

17、送CIPHERING MODE COMMAND消息，网络启动加密模式设置过程。这个消息告诉MS是否要进行加密，如果要的话，用何种加密法则。如果储存了密匙的SIM卡在MS中，只要 MS一收到正确的CIPHERING MODE COMMAND消息，它就将密匙从SIM卡中加载(load)到ME中。4.6 TMSI reallocation procedure (MM 基本过程)TMSI重分配过程用于提供身份的保密。TMSI仅在本地LA内有效，当离开本地LA后，TMSI须与LAI（Location Area Identifier）结合以提供正确的身份。通常每当本地LA改变后，就要由网络决定执行一次TM

18、SI重分配过程。要求MS提供其IMSI(International Mobile Subscriber Identity)。当出现这种情况后，将首先执行TMSI重分配过程，然后才进行身份识别。NOTE1：TMSI重分配过程一般在加密模式下进行。NOTE2：一般TMSI重分配过程会和其它的一些过程一起进行，如：位置更新过程或呼叫建立过程。MS Network stop T32504.7 Authentication procedure(MM 基本过程)鉴权过程用于检查用户数据的合法性和完整性的过程。在鉴权过程的帮助下，运营者可以防止网路中的伪SIM卡的使用。鉴权过程基于一个识别密钥Ki，它被签发

19、给一个已在HLR中建立用户数据的每一个用户。鉴权过程证实用户方的Ki和网络方的Ki是否完全相同。在建立呼叫、位置更新和终结呼叫（被呼叫方）初期由VLR实施确认。为了执行鉴权，VLR需要基本的鉴权信息。如果BS广播Ki，那么识别数据将通过空中传送，这会违背鉴权原理。鉴权的方法是要不通过空中发送Ki，而比较存放在MS中的Ki是否和存放在网路中的Ki相同。利用单向算法A3，Ki通过一个随机数被处理，处理后的结果将送到网路。由于不同 A3算法，通过Ki和随机数很容易得到不同的结果。但是不可能将运算结果或此随机数再转化为原来的Ki（因此命名为“单向”算法）。鉴权数据组： RAND SRES Kc 4.8

20、 Identification procedure (MM 基本过程)网 络通过身份识别过程来要求MS向其提供进行身份识别所需的参数：IMSI。网络通过向MS发送IDENTITY REQUEST消息来触发身份识别过程，同时启动计时器T3270（12s）。若RR连接存在，当MS收到这条消息后，就返回一条包含网络所要求的身份识 别参数的IDENTITY RESPONSE消息。收到IDENTITY RESPONSE消息后，网络停止计时器T3270。MS Network stop T32704.9 IMSI detach procedure (MM基本过程)当MS处于去活状态（即关机状态）MS将调用

21、IMSI拆离过程。若RR连接已存在，MM子层将在IMSI DETACH INDICATION消息发送之前，将本地所有正在进行的MM连接释放掉。如果一个MM专用过程已激活的话，IMSI拆离过程将不被启动。可能的话， IMSI拆离过程将等到MM专用过程结束后再开始；否则，IMSI拆离过程将被忽略。MS向网络发送IMSI DETACH INDICATION消息，并启动计时器T3220（5s）。若无RR连接，MS的MM子层将要求RR子层建立RR连接。若由于没有合适的小区可用，使得无法建立RR连接，则MS将在5s20s的范围内尽量去找一个合适的小区。若找到了，MS将要求RR子层建立RR连接；反之，IMS

22、I拆离过程将终止。收到IMSI DETACH INDICATION消息后，网络将释放本地所有的正在进行的MM连接，并触发RR连接释放过程。当RR连接释放后，T3220将停止4.10 Location updating procedure （MM特殊过程）下面我们将讲述MM的专用过程。MM专用过程的启动应满足下列条件之一： 无其它的MM专用过程正在进行； 网络和MS之间并不存在MM连接； 若有其它的MM专用过程正在进行的话，除非网络有特别的规定，否则MS必须等到用于MM专用过程的RR连接释放后，才能启动一个MM专用过程或MM连接建立过程；当MM专用过程进行时，若CM要求建立一个MM连接，则这个请

23、求要么被拒绝，要么要等到MM专用过程结束后才被采纳。（采取哪一种方式，依赖于实现情况）。当MM专用过程进行时，除了IMSI拆离过程外，任何其它的MM一般过程（common procedure）都可以启动。位置更新有三种类型： 一般位置更新； 周期性位置更新； IMSI附着；IMSI附着过程MS一打开，它就通知VLR它已回到网络中并能接收呼叫了。成功登记后，网络向MS发送两个号码，它们被存储在MS的SIM卡中。这两个号码是LAI和TMSI。网络经过空中接口的控制信道发送LAI，TMSI用于安全目的，因为用户的IMSI不得在空中接口上被发送。TMSI是一个临时标识，它定期得到更改。一般位置更新过程

24、：一般位置更新过程用于更新MS登记在网络中的LAI。每次MS通过控制信道接收数据，它读取LAI并和存放在SIM卡中的LAI进行比较，如果它们不同，就执行一个一般位置更新过程。MS通过访问发送位置数据的MSC/VLR启动一个位置更新过程。信道请求消息中包含了用户标识（即IMSI/TMSI）和存储在SIM卡中的LAI。当目的地MSC/VLR收到请求后，它读取当前为MS服务的MSC/VLR的旧的LAI。两个MSC/VLR之间的信令连接就建立起来了，然后用户的IMSI从旧的MSC传送至新的MSC。根据这个IMSI，新的MSC从HLR请求得到用户数据，鉴权后，更新VLR和HLR中的用户数据。如果网络在回

25、应中指出MS在VLR未知的话，这也将导致一般位置更新。周期性位置更新：当网络在一特定时间内没有收到任何来自MS的位置更新请求时，就执行周期性位置更新。这种情况发生在当MS被打开但无任何话务，在此情况中，MS仅读取和测量网络传送的信息。如果用户正在一个位置区内移动，就不必发送位置更新请求。一个计时器控制周期性位置更新，并且VLR的运营商设定计时器的值。网络广播这个计时器的值，因此 MS知道周期性位置更新计时器的值。因此，当时间一到，MS通过发送位置更新信号启动一个登记过程。VLR接收请求并确认MS在同一位置区的登记。如果 MS未遵循这个程序，可能是因为MS的电池用完了或用户不在服务区，VLR将MS的位置数据该为“未知”。4.11