GSM的層3信令_趙振策.doc

2011-09-15GSM的層3信令趙振策GSM的層3信令目錄1.信令與協(xié)議概述21.1通信網(wǎng)絡(luò)的OSI七層模型21.2NO.7信令系統(tǒng)32.GSM分層結(jié)構(gòu)與協(xié)議43.GSM層3信令63.1 RR無線資源管理63.2 MM移動性管理83.3 CM連接控制管理93.4 信令流程101. 信令與協(xié)議概述數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)由不同的子系統(tǒng)和 MS （移動臺）組成，但這只是根據(jù)功能劃分的物理上的組合，大多數(shù)功能是分布在不同的設(shè)備中的，由于 GSM 是一個復(fù)雜的移動通訊系統(tǒng)，其中傳送的除了話音信息以外，還有大量的信令信息需要傳送，為完成不同設(shè)備的互聯(lián)，以及通訊接續(xù)過程，設(shè)備或各個子系統(tǒng)之間必須通過各種接口按照規(guī)定的協(xié)議實現(xiàn)互連，分散的設(shè)備需要相互配合才能完成某項任務(wù)，這樣在執(zhí)行任務(wù)時就需要交換信息，使通信網(wǎng)中的各種設(shè)備協(xié)調(diào)動作，因此各設(shè)備之間必須相互交流各設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視和控制信息，以說明各自的運行情況，提出對相關(guān)設(shè)備的接續(xù)要求，從而使各設(shè)備之間協(xié)調(diào)運行。在通信系統(tǒng)中把協(xié)調(diào)不同實體所需的信息，交換設(shè)備之間相互交換的信息必須遵守一定的協(xié)議和規(guī)則，這些協(xié)議和規(guī)則就稱為信令。信令系統(tǒng)指導(dǎo)系統(tǒng)各部分相互配合，協(xié)同運行，共同完成某項任務(wù)。GSM 系統(tǒng)中，信令消息具體體現(xiàn)在接口的協(xié)議和規(guī)范上，下面將從子系統(tǒng)互連和接口的分層模式來說明 GSM 系統(tǒng)中主要協(xié)議的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系?？傊帕钕到y(tǒng)是通信網(wǎng)的重要組成部分，目的是為用戶傳遞包括語音信息和非語音信息在內(nèi)的各種信息。1.1 通信網(wǎng)絡(luò)的OSI七層模型為了解決不同系統(tǒng)的互連問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）于 1977 年提出了一種不基于特定機型、操作系統(tǒng)或公司的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，即“開放系統(tǒng)互連參考模型”（Open System Interconnection，OSI）。OSI 定義了異種機連網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，為連接分散的“開放”系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)，既任何兩個遵守 OSI 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)可以進行互連。OSI 采用分層結(jié)構(gòu)化技術(shù)，將整個網(wǎng)絡(luò)的通信功能分為 7 層（Layer），由低層到高分別如下：圖1-1 OSI七層模型物理層（Physical Layer）；數(shù)據(jù)鏈路層（Data Link layer）；網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）；傳輸層（Transport Layer）；會話層（Session Layer）；表示層（Presentation Layer）；應(yīng)用層（Application Layer）。1.2 NO.7信令系統(tǒng)CCITT 提出的 No.7 信令系統(tǒng)也是按分層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的，但并沒有和 OSI 七層模型取得完全一致，對 No.7 信令系統(tǒng)只提出了 4 個功能級的要求：也就是只有由信令數(shù)據(jù)鏈路級（Signaling data link level）、信令鏈路級（Signaling linklevel）和信令網(wǎng)功能級（Signaling network level）組成的 MTP 層，以及 UP 用戶部分。用戶部分構(gòu)成 No.7 系統(tǒng)的第四級，它的功能是處理信令信息，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以有不同的用戶部分：比如電話用戶（Telephone User Part，TUP）、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字用戶 ISUP，移動網(wǎng)中主要的應(yīng)用是移動用戶部分 MAP，以及智能網(wǎng)用戶部分 INAP。圖 1-2 No.7 系統(tǒng)與 OSI 七層模型的對應(yīng)關(guān)系圖中：INAP 智能網(wǎng)應(yīng)用部分 OMAP 操作維護應(yīng)用部分MAP 移動應(yīng)用部分 TCAP 事務(wù)處理能力應(yīng)用部分TUP 電話用戶部分 ISUP ISDN 用戶部分SCCP 信令連接控制部分 MTP 消息傳遞 ISP 中間服務(wù)部分No.7 信令系統(tǒng)不但信令容量大、傳輸速度快，而且可以傳遞除電路接續(xù)信令以外的各種業(yè)務(wù)的控制信號和數(shù)據(jù)。使用 No.7 信令的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不但是程控交換的節(jié)點，還可以包括網(wǎng)管中心、業(yè)務(wù)控制點、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫等各種智能節(jié)點，這正是通信網(wǎng)向智能化、綜合化和個人化發(fā)展的要求。因此可以說，No.7 信令系統(tǒng)和數(shù)字傳輸、程控交換以及計算機智能控制構(gòu)成了現(xiàn)代通信網(wǎng)的基石。No.7 信令系統(tǒng)是以不等長消息的形式傳送信令的。No.7 信令系統(tǒng)定義了三種基本的信號單元格式：信號消息單元（Message Signal Unit，MSU）、鏈路狀態(tài)信號單元（Link Status SignalUnit，LSSU）、和填充信號單元（Fill-in Signal Unit，F(xiàn)ISU）。其中 MSU 為真正攜帶消息的信號單元；LSSU 為傳送網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)的信號單元；FISU 不含任何消息，是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點沒有鏈路狀態(tài)信息可以傳送時，向?qū)Ψ桨l(fā)送的空信號，其作用是使信令鏈路保持通信狀態(tài)，同時可以證實收到對方發(fā)送來的消息。No.7 信令系統(tǒng)遵循嚴格的等級關(guān)系，下一級為上一級服務(wù)，上一級不管其下級是怎樣進行信息傳遞的，也就是所謂的透明傳輸，即通信雙方的對等功能級一一對應(yīng)，完成這一級別的信息傳輸和交換。2. GSM分層結(jié)構(gòu)與協(xié)議GSM 正是基于 No.7 信令系統(tǒng)上的通信系統(tǒng)，GSM 中采用了 OSI 的分層協(xié)議結(jié)構(gòu)。其中下一層協(xié)議為上一層協(xié)議提供服務(wù)，上一層協(xié)議利用下一層所提供的功能，上下層之間通過原語進行通信。在建立連接之后，對等層之間形成邏輯上的通路。在 GSM 信令系統(tǒng)中，也可簡單分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和各種高層應(yīng)用。圖2-1 NO.7 系統(tǒng)在 GSM 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用GSM 系統(tǒng)中包含許多不同的接口，這些接口上的協(xié)議不盡相同，但是它們都是嚴格按照 No.7 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)設(shè)計的，也就是建立在物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層上。GSM 信令系統(tǒng)采用了 OSI 七層模型結(jié)構(gòu)，而各層只和自己相同的層次進行信息交換，因此對于相同的層次，上面的協(xié)議也必定相同，所以下面再從橫向，也就是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次方面來看 GSM 系統(tǒng)中的信令和協(xié)議，這樣一縱一橫看完之后，那么整個 GSM 系統(tǒng)的信令協(xié)議就非常清楚了。圖 2-2 GSM 系統(tǒng)中層結(jié)構(gòu)和各自協(xié)議1物理層這是無線接口的最低層，提供傳送比特流所需的物理鏈路（例如無線鏈路），為高層提供各種不同功能的邏輯信道，包括業(yè)務(wù)信道和邏輯信道，每個邏輯信道有它自己的服務(wù)接入點。Um 接口的物理層建立在無線信道上，也就是 GSM L1 層。其余接口的物理層建立在 PCM 傳輸上。2鏈路層當(dāng)數(shù)據(jù)通過物理層在收發(fā)之間進行傳送時，需要把這些數(shù)據(jù)變成碼流，而且提供一定的糾錯能力，能夠完成這些功能的信令協(xié)議處于數(shù)據(jù)鏈路層中。主要目的是在移動臺和基站之間建立可靠的專用數(shù)據(jù)鏈路，L2 協(xié)議基于 ISDN 的 D 信道鏈路接入?yún)f(xié)議 LAPD，但作了更動，因而在 Um 接口的 L2 協(xié)議稱之為 LAPDm。GSM 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層上有下面幾種協(xié)議：A 接口以及 MSC 和其他網(wǎng)絡(luò)實體之間走的是 No.7 系統(tǒng)中的 MTP2 層。Abis 接口是通過 LAPD 信令傳送。Um 接口是通過根據(jù) LAPD 協(xié)議修改的 LAPDm 協(xié)議傳送信令。3網(wǎng)絡(luò)層當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)鏈路層形成碼流后，需要對這些信息流進行組織和路由選擇，把信息傳送到指定的目的地，這就需要網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進行協(xié)調(diào)調(diào)度。這是實際負責(zé)控制和管理的協(xié)議層，把用戶和系統(tǒng)控制過程中的特定信息按一定的協(xié)議分組安排在指定的邏輯信道上。L3 包括三個基本子層：無線資源管理 RR、移動性管理 MM和接續(xù)管理 CM。其中一個接續(xù)管理子層中含有多個呼叫控制 CC 單元，提供并行呼叫處理。為支持補充業(yè)務(wù)和短消息業(yè)務(wù)，在 CM 子層中還包括補充業(yè)務(wù)管理 SS 單元和短消息業(yè)務(wù)管理 SMS 單元。在 Um 空中接口上，網(wǎng)絡(luò)層使用的是 CM、MM 和 RR 三個子層協(xié)議。RR 管理涉及多個接口和實體，MM 和 CM 直接與 MSC 建立連接。Abis 接口上遵守的是 BTSM 和 RR 協(xié)議。A 接口上的網(wǎng)絡(luò)層由 MTP3 和 SCCP 組成。4用戶層移動網(wǎng)絡(luò)的用戶層中，交換子系統(tǒng)側(cè)各接口采用 MAP 協(xié)議，MAP 是交換子系統(tǒng)各功能實體之間的協(xié)議，它采用交換協(xié)議數(shù)據(jù)與會話的方式，主要傳遞與移動臺漫游相關(guān)的信息。MAP 程序包括移動業(yè)務(wù)、操作與維護、呼叫處理等。MAP 通過 TCAP 傳送，而 TCAP 使用MTP 和 SCCP 提供的業(yè)務(wù)?；咀酉到y(tǒng)和交換子系統(tǒng)之間的 A 接口采用的是 BSSAP 協(xié)議，它承載于 MTP 和 SCCP之上。BSSAP 涉及移動網(wǎng)中兩大子系統(tǒng)基站子系統(tǒng)和交換子系統(tǒng)之間的信息交互，所以非常重要。另外，移動網(wǎng)與其它網(wǎng)絡(luò)之間由于主要完成呼叫接續(xù)的功能，所以采用 TUP 和 ISUP。3. GSM層3信令Um 接口的網(wǎng)絡(luò)層是收發(fā)和處理信令消息的實體，由于在該接口上，存在不同的邏輯信道，因此為了把不同的信令分配到不同的邏輯信道上，Um 的網(wǎng)絡(luò)層中包括了 RR、MM、CM這三個子層。其中在呼叫控制管理層中包含了呼叫控制（Call Control，CC）單元，提供并行呼叫處理能力，同時還包含了補充業(yè)務(wù)管理（Supplementang Servics，SS）和短消息管理（ShortMessage Service，SMS）單元。在 GSM 網(wǎng)中，一個處于守侯狀態(tài)的 MS 不能直接和 MSC 進行對話，因此為了完成業(yè)務(wù)接續(xù)，應(yīng)該首先建立一個無線鏈接，讓網(wǎng)絡(luò)為其安排一個專用信道，這就是 RR 鏈接；然后建立與 BTS 的連接，以便在專用信道上進行對話；還需要建立一個 MM 和 CM 連接，這樣就可以和 MSC 進行通信對話了。圖3-1 GSM層3協(xié)議平面圖3.1 RR無線資源管理RR 層指的是在無線電接口上的傳輸進行管理的規(guī)約，并提供 MS 和 BSC 之間的穩(wěn)定鏈路。RR 層的主要任務(wù)是協(xié)調(diào) MS 與 MSC 之間的傳輸，對每個申請信道的 MS，建立 MS 與MSC 之間的傳輸路徑和信令路徑。BSS 實現(xiàn) RR 的大部分功能，主要涉及無線接口、Abis 接口和 A 接口，其它功能模塊還涉及七號信令接口。小區(qū)選擇、小區(qū)重選和切換都由 RR 子層負責(zé)。表3-1 RR消息類型3.2 MM移動性管理MM 層是管理包括位置數(shù)據(jù)在內(nèi)的用戶數(shù)據(jù)庫，另外還進行安全管理，負責(zé)鑒權(quán)操作。表3-2 MM消息類型3.3 CM連接控制管理CM 層主要負責(zé)呼叫控制管理，以及 SMS 等，CM 子層是建立在 ISDN Digital SubscriberSignaling System One (DSS1)上的。CM 和 MM 子層并不在 BSS 中進行管理，CM 和 MM 消息在 BSS 中轉(zhuǎn)移是不加分析的，既不通過 BTS，也不通過 BSC。表3-3 CM消息類型3.4 信令流程通話建立（手機作主叫）信令過程說明RR層連接建立RACHUL：CHANNEL _REQUEST內(nèi)容：建立原因和隨機參考值（RAND）原因：MS發(fā)起呼叫、緊急呼叫、呼叫重建和尋呼響應(yīng)等；RAND：有5 位，用來區(qū)別不同MS所發(fā)起的請求。AGCHDL：IMMEDIATE_ASSINGMENT在Um接口建立MS與系統(tǒng)間的無線連接（分配SDCCH）RR連接建立MM層連接的建立CCCHUL：CM SERVICE_REQUEST 請求業(yè)務(wù)如電路交換連接、短信業(yè)務(wù)等SDCCHDL：AUTH_REQUEST 鑒權(quán)請求SDCCHUL：AUTH_RESPONSE鑒權(quán)響應(yīng)SDCCHDL：CIPHERING_REQUEST加密命令SDCCHUL：CIPHERING_COMPLETE加密完成CC層連接的建立SDCCHUL：SETUP 請求建立呼叫內(nèi)容：呼叫請求的業(yè)務(wù)種類及MS發(fā)送方式、編碼標(biāo)準(zhǔn)等SDCCHDL：CALL _PROCEEDING 系統(tǒng)接受請求后開始處理呼叫SDCCHDL：ALERTING 振鈴音SDCCHDL：ASSIGNMENT_COMMAND 分配TCHSDCCHUL：ASSIGNMENT_COMPLETE 分配確認SDCCHDL：CONNECT 用戶摘機或連接消息SDCCHUL：CONNECT_ACKNOWLEDGE連接確認，表示MS接受連接通話建立（手機作被叫）RR層連接建立CCCHDL：PAGING_REQUEST呼叫請求，觸發(fā)信道接入內(nèi)容：被叫用戶的TMSI、IMSI等RACHUL：CHANNEL _REQUEST內(nèi)容：建立原因和隨機參考值（RAND）原因：尋呼響應(yīng)、緊急呼叫、MS發(fā)起呼和呼叫重建叫等；RAND：有5 位，用來區(qū)別不同MS所發(fā)起的請求。AGCHDL：IMMEDIATE_ASSINGMENT在Um接口建立MS與系統(tǒng)間的無線連接（分配SDCCH）RR連接建立MM層連接的建立SDCCHUL：PAGING_RESPONSE尋呼響應(yīng)，用來通知網(wǎng)絡(luò)建立主信令鏈路SDCCHDL：AUTH_REQUEST 鑒權(quán)請求SDCCHUL：AUTH_RESPONSE鑒權(quán)響應(yīng)SDCCHDL：CIPHERING_REQUEST加密命令（當(dāng)系統(tǒng)收到的TMSI與上次不同時進行）SDCCHUL：CIPHERING_COMPLETE加密完成（同上）CC層連接的建立SDCCHUL：SETUP 請求建立呼叫內(nèi)容：呼叫請求的業(yè)務(wù)種類及MS發(fā)送方式、編碼標(biāo)準(zhǔn)等SDCCHUL：CALL _CONFIRMED 呼叫確認，SDCCHUL：ALERTING 振鈴音SDCCHUL：CONNECT 連接或用戶摘機消息SDCCHDL：ASSIGNMENT_COMMAND 分配TCHSDCCHUL：ASSIGNMENT_COMPLETE 分配確認SDCCHDL：CONNECT_ACKNOWLEDGE連接確認，表示網(wǎng)絡(luò)接受連接緊急呼叫信令過程說明RR層連接建立RACHUL：CHANNEL _REQUEST內(nèi)容：建立原因和隨機參考值（RAND）原因：MS發(fā)起呼叫、緊急呼叫、呼叫重建和尋呼響應(yīng)等；RAND：有5 位，用來區(qū)別不同MS所發(fā)起的請求。AGCHDL：IMMEDIATE_ASSINGMENT在Um接口建立MS與系統(tǒng)間的無線連接（分配SDCCH）RR連接建立MM層連接的建立CCCHUL：CM_SERVICE_REQUEST 請求業(yè)務(wù)如電路交換連接、短信業(yè)務(wù)等CC層連接的建立SDCCHUL：EMERGENCY_SETUP 緊急呼叫建立請求內(nèi)容：呼叫請求的業(yè)務(wù)種類及MS發(fā)送方式、編碼標(biāo)準(zhǔn)等SDCCHDL：CALL _PROCEEDING 系統(tǒng)接受請求后開始處理呼叫SDCCHDL：ASSIGNMENT_COMMAND 分配TCHSDCCHUL：ASSIGNMENT_COMPLETE 分配確認SDCCHDL：ALERTING 振鈴音SDCCHDL：DISCONNECT 釋放業(yè)務(wù)信道呼叫清除（主叫先掛機）信令過程說明清除CC層和MM層連接TCHUL：DISCONNECT 斷開連接消息，指明呼叫清除發(fā)起端及清除原因，網(wǎng)絡(luò)受到后開始清除業(yè)務(wù)信道的連接TCHDL：RELEASE呼叫釋放，通知MS網(wǎng)絡(luò)正釋放CC層連接，MS收到RELEASE消息后將停止CC連接定時同時開始釋放MM連接TCHUL：RELEASE COMPLETEMS釋放MM并發(fā)送本信息，網(wǎng)絡(luò)接收道后釋放MM層連接釋放RR層連接TCHDL：CHANNEL RELEASE釋放專用信道，專用信道釋放后MS進入IDEL狀態(tài)呼叫清除（被叫先掛機）信令過程說明清除CC層和MM層連接TCHDL：DISCONNECT斷開連接消息，指明呼叫清除發(fā)起端及清除原因，MS受到后開始清除業(yè)務(wù)信道的連接TCHUL：RELEASE呼叫釋放，通知MS正釋放CC層連接，網(wǎng)絡(luò)收到RELEASE消息后將停止CC連接定時同時開始釋放MM連接TCHDL：RELEASE COMPLETE網(wǎng)絡(luò)釋放MM連接并發(fā)送本信息釋放RR層連接釋放RR層連接TCHDL：CHANNEL RELEASE釋放專用信道，專用信道釋放后MS進入IDEL狀態(tài)位置更新信令過程說明RR層連接建立RACHUL：CHANNEL _REQUEST內(nèi)容：建立原因和隨機參考值（RAND）原因：尋呼響應(yīng)、緊急呼叫、MS發(fā)起呼和呼叫重建叫等；RAND：有5 位，用來區(qū)別不同MS所發(fā)起的請求。AGCHDL：IMMEDIATE_ASSINGMENT在Um接口建立MS與系統(tǒng)間的無線連接（分配SDCCH）RR連接建立SDCCHUL：LOCATIONUPDATING_REQ位置更新請求，當(dāng)MS的LAI等變化時進行SDCCHDL：AUTH_REQUEST 鑒權(quán)請求SDCCHUL：AUTH_RESPONSE鑒權(quán)響應(yīng)SDCCHDL：CIPHERING_REQUEST加密命令（當(dāng)系統(tǒng)收到的TMSI與上次不同時進行）SDCCHUL：CIPHERING_COMPLETE加密完成（同上）SDCCHDL：LOCATIONUPDATING_ACC位置更新接受釋放RR層DCCHDL：CHANNEL RELEASE釋放專用信道，專用信道釋放后MS進入IDEL狀態(tài)呼叫重建信令過程說明RR層連接建立RACHU