GSM系統(tǒng)信令接續(xù)流程

GSM 系統(tǒng)使用類似OSI 協(xié)議模型的簡(jiǎn)化協(xié)議，包括物理層（L1 ）、數(shù)據(jù)鏈路層（L2 ）和應(yīng)用層（L3 ）。L1是協(xié)議模型最底層，提供物理媒介傳輸比特流所需的全部功能。L2 保證正確傳遞消息及識(shí)別單個(gè)呼叫。在GSM 系統(tǒng)中，無(wú)線接口（Um ）上的L1 和L2 分別是TDMA 幀和LAPDm 協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，Abis 接口和A接口使用的L1 均為E1 傳輸方式，L2 分別為L(zhǎng)APD 和MTP 協(xié)議。在Um 接口，MS 每次呼叫時(shí)都有一個(gè)L1 和L2 層的建立過(guò)程，在此基礎(chǔ)上再與網(wǎng)絡(luò)側(cè)建立L3 上的通信。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)（A 和Abis 接口），其L1 和L2 （SCCP 除外）始終處于連接狀態(tài)。L3 層的通信消息按階段和功能的不同，分為無(wú)線資源管理（RR ）、移動(dòng)性管理（MM ）和呼叫控制（CC ）三部分。
1 、建立RR 連接
RR 的功能包括物理信道管理和邏輯信道的數(shù)據(jù)鏈路層連接等。
在任何情況下，MS 向系統(tǒng)發(fā)出的第一條消息都是CH －REQ （信道請(qǐng)求），要求系統(tǒng)提供一條通信信道，所提供的信道類型則由網(wǎng)絡(luò)決定。CH －REQ 有兩個(gè)參數(shù)：建立原因和隨機(jī)參考值（RAND ）。建立原因是指MS 發(fā)起這次請(qǐng)求的原因，本例的原因是MS 發(fā)起呼叫，其它原因有緊急呼叫、呼叫重建和尋呼響應(yīng)等。
RAND 是由MS 確定的一個(gè)隨機(jī)值，使網(wǎng)絡(luò)能區(qū)別不同MS 所發(fā)起的請(qǐng)求。RAND 有5 位，最多可同時(shí)區(qū)分32 個(gè)MS ，但不保證兩個(gè)同時(shí)發(fā)起呼叫的MS 的RAND 值一定不同。要進(jìn)一步區(qū)別同時(shí)發(fā)起請(qǐng)求的MS ，還要根據(jù)Um 接口上的應(yīng)答消息。
CH －REQ 消息在BSS 內(nèi)部進(jìn)行處理。BSC 收到這一請(qǐng)求后，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)中無(wú)線資源的判斷，分配一條信道供MS 使用。該信道是否能正常使用，還需BTS 作應(yīng)答證實(shí)，Abis 接口上的一對(duì)應(yīng)答消息CHACT（信道激活）和CHACK （信道激活證實(shí)）完成這一功能。CHACT 指明激活信道工作所需的全部屬性，包括信道類型、工作模式、物理特性和時(shí)間提前量等。
網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備好合適的信道后，就通知MS ，由IMMASS （立即指配）消息完成這一功能。在IM －MASS 中，除包含CHACT 中的信道相關(guān)信息外，還包括隨機(jī)參考值RA 、縮減幀號(hào)T 、時(shí)間提前量TA 等。RA 值等于BSS 系統(tǒng)收到的某個(gè)MS 發(fā)送的隨機(jī)值。T 是根據(jù)收到CH －REQ 時(shí)的TD －MA 幀號(hào)計(jì)算出的一個(gè)取值范圍較小的幀號(hào)。RA 和T 值都與請(qǐng)求信道的MS 直接相關(guān)，用于減少M(fèi)S 之間的請(qǐng)求沖突。TA 是根據(jù) BTS收到RACH 信道上的CH －REQ 信息進(jìn)行均衡時(shí)，計(jì)算出來(lái)的時(shí)間提前量。MS 根據(jù)TA 確定下一次發(fā)送消
息的時(shí)間提前量。
IMMASS 的目的是在Um 接口建立MS 與系統(tǒng)間的無(wú)線連接，即RR 連接。MS 收到IM －MASS 后，如果RA 值和T 值都符合要求，就會(huì)在系統(tǒng)所指配的新信道上發(fā)送SABM 幀，其中包含一個(gè)完整的L3 消息（MP －L3 －INF ），這條消息在不同的接口有不同的作用。在Um 接口，SABM 幀是LAPDm 層上請(qǐng)求建立一個(gè)多幀應(yīng)答操作方式連接的消息。系統(tǒng)收到SANM 幀后，回送一個(gè)UA 幀，作為對(duì)SABM 幀的應(yīng)答，表明在MS 與系統(tǒng)之間已建立了一條LAPDm 通路；另外，此UA 幀的消息域包含同樣一條L3 消息，MS收到該消息后，與自己發(fā)送的SABM 幀中相應(yīng)的內(nèi)容比較，只有當(dāng)完全一樣時(shí)，才認(rèn)為被系統(tǒng)接受。L3消息中包含MS 的IMSI ，IMSI 對(duì)每個(gè) MS 是唯一的，這可保證在該信道上只有一個(gè)MS 可接入系統(tǒng)。在Abis 接口，這條消息是ESTIND （建立指示），用來(lái)通知已建立LAPDm 連接，作為對(duì)IMMASS 消息的應(yīng)答。
在SANM 幀中，透明傳輸?shù)組SC 的L3 消息是A 接口的第1 條L3 消息。盡管A 接口的MTP 連接在通話前已經(jīng)建立，但對(duì)每個(gè)呼叫，在L2 還要建立一個(gè)SCCP 的連接。L3 消息包含在A 接口上SCCP 的請(qǐng)求建鏈消息（CR ）中傳遞。如請(qǐng)求被允許，A 接口的第1 條下行消息將含在SCCP 層的連接證實(shí)（CC ）幀中。對(duì)SCCP 層來(lái)說(shuō)，CR 與CC 的交換是源參考地址與目的參考地址的交換。在同樣的信令點(diǎn)碼下，不同的呼叫具有不同的源地址和目的地址。A 接口上第1 條消息傳遞完后，MS 與系統(tǒng)之間就建立了RR 連接，RR 實(shí)體通知MM 子層已進(jìn)入專用模式。在專用模式下，MM 子層和CC 子層負(fù)責(zé)發(fā)送所有L2 層上的消息。除了錯(cuò)誤指示和釋放本地鏈路以外，均由RR 子層直接處理。
2 、建立MM 連接
正常情況下，要建立MM 連接必須先有RR 連接。RR 建立后的第一個(gè)步驟是鑒權(quán)（AUTH ），即鑒定移動(dòng)用戶的身份。在AU －THREQ （鑒權(quán)請(qǐng)求）中有兩個(gè)參數(shù)：CIP KEY No （加密鍵號(hào)）和 AUT RAND （鑒權(quán)隨機(jī)值）Q CIPKEY No 與每個(gè)MS 的密匙Kc 相對(duì)應(yīng)，由網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出來(lái)送到MS ，目的是毋須調(diào)用AUTH過(guò)程，就可直接由MS 的IMSI 和CM －SERV －REQ 中的CIP KEYNo 參數(shù)得到Kc 。ATU RAND 供MS 計(jì)算鑒權(quán)響應(yīng)值SRES 。MS 的SIM 中存有4 個(gè)與鑒權(quán)和加密相關(guān)的數(shù)據(jù)：鑒權(quán)算法A3 、加密序列算法A8 、加密算法A5 和移動(dòng)用戶個(gè)人鑒權(quán)鍵Ki 。其關(guān)系如下：Kc=A8 （RAND ，Ki ），SRES=A3 （RAND ，Ki ），加密數(shù)據(jù)流=A5 （user data ，Kc ）。SRES 是MS 對(duì)AUTH REQ 的響應(yīng)值，在AUTH RES 中傳遞。網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)了與每個(gè) IMSI 相對(duì)應(yīng)的Ki 值，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)計(jì)算出的SRES 值和MS 回送的SRES 值，可對(duì)MS 的身份進(jìn)行鑒定。Kc 用于鑒權(quán)后的加密過(guò)程，加密算法A5 由網(wǎng)絡(luò)指定，但 MS 必須支持該算法。在加密命令CIP－M-COM 中，指出了每個(gè)MS 支持的A5 算法類型，還指定了MS 的回送消息中是否包括IMEISV 參數(shù)。對(duì)MS 的身份識(shí)別及無(wú)線信道傳輸加密過(guò)程完成后，建立呼叫所需的MM 連接已經(jīng)建立，可以向更高層（CC 子層）提供呼叫信息的傳遞功能。
3 、建立CC 連接MS 向網(wǎng)絡(luò)發(fā)SETU （建立）消息，請(qǐng)求建立呼叫，消息內(nèi)容包括：（1 ）此次呼叫請(qǐng)求的具體業(yè)務(wù)種類及MS 能提供的承載能力，包括信息傳輸要求、發(fā)送方式、編碼標(biāo)準(zhǔn)及可使用的無(wú)線信道類型；（2 ）被叫用戶號(hào)碼，包括被叫號(hào)碼類型和編碼方案。
網(wǎng)絡(luò)收到SETUP 消息，若接受請(qǐng)求，就回送CALL PROC （呼叫處理），表明正在處理呼叫，主叫MS
處于等待狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)開始尋找被叫用戶，若被叫也是GSM 系統(tǒng)用戶，其接入網(wǎng)絡(luò)的方式與主叫類似。不同點(diǎn)有：（1 ）被叫 MS 收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的PAGINC （尋呼）消息后，才會(huì)提出信道請(qǐng)求；（2 ）被叫MS在與網(wǎng)絡(luò)建立CC 連接時(shí)，先由網(wǎng)絡(luò)發(fā)下行的SETUP 消息，MS 回送CALLCONF （呼叫證實(shí)）消息。在CALL ，PROC 或CALL ，CONF 后，網(wǎng)絡(luò)與MS 之間CC 層的連接建立。
后續(xù)的CC 層消息ALERT （振鈴）、 CON －NECT （連接）及其應(yīng)答消息，分別對(duì)應(yīng)MS 振鈴和用戶搞機(jī)動(dòng)作。網(wǎng)絡(luò)收到被叫的ALERT 消息，再向主叫MS 發(fā)送同樣的ALERT 消息，使主叫知道當(dāng)前的通話接續(xù)狀態(tài)，即通常打電話時(shí)聽到的振鈴聲。收到振鈴聲后，主叫等待被叫摘機(jī)，該動(dòng)作在信令接續(xù)上反映為CONNECT （連接）消息。完成對(duì)CONNECT 消息的應(yīng)答后，主被叫雙方進(jìn)入正常通話狀態(tài)，直到有一方關(guān)機(jī)，通話結(jié)束。
傳遞信令使用的是SDCCH 或FACCH ，MS 通話必須在TCH 信道上進(jìn)行。為此，網(wǎng)絡(luò)分配給MS 一條
TCH 信道，分配方式與IMMASS 類似，不同點(diǎn)在于指配的發(fā)起是由MSC 的ASS －REQ （指配請(qǐng)求命令）開始的。BSC 根據(jù)ASS －REQ 的信息，激活相應(yīng)的無(wú)線信道，根據(jù)ASS －REQ 中指定業(yè)務(wù)的相應(yīng)信息，確定該無(wú)線信道的類型。由CHACT 指定無(wú)線資源，包括信道頻率、時(shí)隙和跳頻等內(nèi)容。
4 、連接話音通路
GSM 系統(tǒng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳遞采用電路模式，在主叫與被叫之間有一條物理通路。建立這樣一條通路有兩個(gè)要求：（1 ）為傳遞通信的不同路由段分配一定的信道資源；（2 ）將各段信道連接在一起。
信道資源包括Um 接口的無(wú)線信道和A 接口的PCM 鏈路信道。無(wú)線信道由CHACT 說(shuō)明，A 接口的地面信道由 ASS －REQ 說(shuō)明。
各個(gè)信道的連接是一個(gè)接路過(guò)程。收到ASS －REQ 后，BSC 將A 接口的地面信道和Um 接口的無(wú)線信
道連接在一起。收到CONNECT 后，MSC 將A 接口的地面信道和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用的信道連接在一起。在MS
內(nèi)部也有類似的接路過(guò)程。主叫方收到ALERT 消息后，接通內(nèi)部的話音通路；被叫端的用戶（GSM 用戶）在發(fā)送CON －NECT 時(shí)，接通 MS 內(nèi)的話音通路。
5 、呼叫斷續(xù)處理
5.1 、清除CC 連接和 MM 連接
當(dāng)一方用戶掛機(jī)時(shí)，開始清除通信連接。從L3 的CC 子層開始清除，最終到L1 。
以主叫MS 先掛機(jī)為例。MS 發(fā)送DISCON －NECT （斷開連接）消息，指明呼叫清除的發(fā)起端及清除原因。網(wǎng)絡(luò)收到DISCONNECT 后，停止所有的CC 連接定時(shí)器，清除業(yè)務(wù)信道在網(wǎng)絡(luò)中的連接，向MS 發(fā)送RELEASE （呼叫釋放），通知它網(wǎng)絡(luò)正在釋放CC 層的連接。MS 收到消息后，停止所有CC 連接定時(shí)器，釋放MM 連接，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送RELCMP ，本身進(jìn)入“NULL ”（空閑）狀態(tài)。這時(shí)，在MS 側(cè)，L3 的連接已經(jīng)全部釋放完畢，但MS 不能自己拆除L2 層的連接，要等待網(wǎng)絡(luò)的釋放命令。網(wǎng)絡(luò)收到RELCMP （呼叫釋放完成）后，釋放MM 連接，返回到“NULL ”狀態(tài)。
CC 層和MM 層的連接釋放完畢后，網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)SCCP 連接的釋放，釋放及應(yīng)答消息分別為CLRCOM （清
除）和CLRCMP （清除完成）。
5.2 、釋放RR 連接
RR 連接釋放的目的是去活正在使用的專用信道，專用信道釋放后，MS 返回到IDLE （空閑）狀態(tài)。 RR連接釋放的命令是CHREL （信道釋放），包括釋放原因（正常釋放、超時(shí)、切換失敗等）。MS 收到CHREL后，啟動(dòng)定時(shí)器，回送一條LAPDm 層的DISC 消息，準(zhǔn)備斷開連接。當(dāng)DISC 消息被系統(tǒng)的UA 消息證實(shí)或定時(shí)器超時(shí)后，MS 去活所有信道，返回到空閑模式。
RR 連接釋放后，停止系統(tǒng)在TCH 信道的伴隨信道SACCH 上發(fā)送DESACCH （去活SACCH 信道），并
在TCH 信道上發(fā)送RFCHREL （無(wú)線信道釋放）及其應(yīng)答。與RFCHREL 相對(duì)應(yīng)，L1 的連接也被清除，以減小或關(guān)閉系統(tǒng)在該信道的發(fā)射功率。
6 、其它
6.1 、選擇TCH 信道分配時(shí)間
在一次通話過(guò)程中，MS 先后使用了SDCCH 和TCH 兩種不同類型的信道，分別用于信令和話音傳遞。
網(wǎng)絡(luò)根據(jù)對(duì)SDCCH 和TCH 使用的分配原則，可以在不同時(shí)間點(diǎn)，給MS 分配TCH 信道，有三種方式：
早分配、特早分配和晚分配。
TCH 的指配可在CC 連接建立后馬上進(jìn)行，也可等收到ALERT 消息后再指配。前者稱為早分配，后者
為晚分配。分配的早晚會(huì)影響系統(tǒng)占用SDCCH 或TCH 信道的時(shí)間。晚分配的SD －CCH 信道占用時(shí)間長(zhǎng)，可能導(dǎo)致TCH 信道還有空閑時(shí)，由于SDCCH 信道資源的缺乏而使呼叫失敗，但可提高TCH 信道的成功使用率。在ALERT 后，主被叫均處于接通狀態(tài)，一旦被叫用戶搞機(jī)，TCH 信道就可被成功使用。在早分配中，若被叫用戶連接失敗，會(huì)導(dǎo)致分配給主叫用戶使用的TCH 信道實(shí)際上不能使用，降低了使用率，但提高了SDCCH 的容量。特早分配是在IMMASS 時(shí)就直接分配一條TCH 信道，但僅作為信今信道使用，在CC 連接建立后，再利用信道模式修改命令，改為TCH 信道。特早分配沒有為信今信道專門分配獨(dú)立的物理信道，使可同時(shí)通話的用戶數(shù)最多，減少了呼叫建立的緩沖過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)可用于通信的N 個(gè)信道都被占用時(shí)，新的用戶就不能接入。實(shí)際上在通話前，MS 與網(wǎng)絡(luò)間還需要時(shí)間進(jìn)行初期的信令通信，在這段時(shí)間內(nèi)，原來(lái)通話的用戶有可能已結(jié)束通話，可以建立新的呼叫。目前特早分配方式使用較少，早分配方式使用較多。
6.2 、識(shí)別MS 身份
TMSI 是網(wǎng)絡(luò)分配給每個(gè)移動(dòng)用戶的臨時(shí)身份碼，只在一個(gè)位置區(qū)域內(nèi)有效。為了提高M(jìn)S 用戶的保密性，信令通信可首先使用TMSI 代替IMSI 。如果網(wǎng)絡(luò)識(shí)別TMSI 號(hào)碼，接續(xù)流程可以繼續(xù)；若不能識(shí)別TMSI（MS 從一個(gè)位置區(qū)進(jìn)入另一個(gè)位置區(qū)），就會(huì)要求MS 重新上報(bào)IMSI 號(hào)碼。若該號(hào)碼有效，通信繼續(xù)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)還會(huì)給該移動(dòng)用戶分配一個(gè)新的TMSI 號(hào)碼。這個(gè)接續(xù)過(guò)程緊跟在A 接口的第一個(gè)L3 消息之后。
6.3 、重新分配TMSI
無(wú)論當(dāng)前MS 使用的TSMSI 是否能被系統(tǒng)識(shí)別，出于對(duì)用戶身份保密的考慮，在每次通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)部可為MS 重新分配一個(gè)TMSI 。TMSI 的重新分配過(guò)程一般是在加密完成之后，SETUP 建立之前。對(duì)應(yīng)于TMSI重新分配命令，MS有一個(gè)回應(yīng)的TMSI 分配完成消息。
6.4 、提前發(fā)送功率控制信息
根據(jù)系統(tǒng)配置，MS 可以決定在AUTHREQ 后是否上報(bào)MS 的處理能力，消息名稱為
CLASSMRAKCHANGE ，內(nèi)容與建立指示中的一樣，只是更詳細(xì)說(shuō)明了MS 支持的加密算法。在建立指示中，只說(shuō)明是否支持A5 ／1 、A5 ／2 和A5 ／3 ；而在CLAMARK －CH 中，進(jìn)一步說(shuō)明是否支持 A5 ／4 ～A5 ／7 算法。網(wǎng)絡(luò)收到此消息后先回送 MSPWRCTRL 消息，說(shuō)明MS 可使用的功率范圍，以及與此MS相應(yīng)的TRX 所需的發(fā)射功率。在加密過(guò)程中，使用加密算法的信息，MS 是否需要提前發(fā)送這條消息，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)的系統(tǒng)消息3 說(shuō)明。