GSM系统信令接续流程

GSM系统信令接续流程

文章以MS发起的主叫通话为例，说明在GSM系统中，实现一次通话所需的信令接续过
程。以应用层（L3）的三层连接（RR、MM、CC）为构架，对L豹的通信过程进行分析，介绍
每条信令中的一些主要参数以及该信令在通话过程中所起的作用。
关键词 信令接续 无线资源管理 移动性管理 呼叫管理
GSM系统使用类似OSI协议模型的简化协议，包括物理层（L1）、数据链路层（L2）和
应用层（L3）。L1是协议模型最底层，提供物理媒介传输比特流所需的全部功能。L2保证
正确传递消息及识别单个呼叫。在GSM系统中，无线接口（Um）上的L1和L2分别是TDMA帧和
LAPDm协议。在网络侧，Abis接口和A接口使用的L1均为E1传输方式，L2分别为LAPD和MTP协
议。在Um接口，MS每次呼叫时都有一个L1和L2层的建立过程，在此基础上再与网络侧建立
L3上的通信。在网络侧（A和Abis接口），其L1和L2（SCCP除外）始终处于连接状态。L3层
的通信消息按阶段和功能的不同，分为无线资源管理（RR）、移动性管理（MM）和呼叫控
制（CC）三部分。
1建立RR连接
RR的功能包括物理信道管理和逻辑信道的数据链路层连接等。
在任何情况下， MS向系统发出的第一条消息都是CH－REQ（信道请求），要求系统提
供一条通信信道，所提供的信道类型则由网络决定。CH－REQ有两个参数：建立原因和随机
参考值（RAND）。建立原因是指MS发起这次请求的原因，本例的原因是MS发起呼叫，其它
原因有紧急呼叫、呼叫重建和寻呼响应等。RAND是由MS确定的一个随机值，使网络能区别
不同MS所发起的请求。RAND有5位，最多可同时区分32个MS，但不保证两个同时发起呼叫的
MS的RAND值一定不同。要进一步区别同时发起请求的MS，还要根据Um接口上的应答消息。
CH－REQ消息在BSS内部进行处理。BSC收到这一请求后，根据对现有系统中无线资源的
判断，分配一条信道供MS使用。该信道是否能正常使用，还需BTS作应答证实，Abis接口上
的一对应答消息CHACT（信道激活）和CHACK（信道激活证实）完成这一功能。CHACT指明激
活信道工作所需的全部属性，包括信道类型、工作模式、物理特性和时间提前量等。
网络准备好合适的信道后，就通知MS，由IMMASS（立即指配）消息完成这一功能。在
IM－MASS中，除包含CHACT中的信道相关信息外，还包括随机参考值RA、缩减帧号T、时间
提前量TA等。RA值等于BSS系统收到的某个MS发送的随机值。T是根据收到CH－REQ时的TD－
MA帧号计算出的一个取值范围较小的帧号。RA和T值都与请求信道的MS直接相关，用于减少
MS之间的请求冲突。TA是根据 BTS收到RACH信道上的CH－REQ信息进行均衡时，计算出来的
时间提前量。MS根据TA确定下一次发送消息的时间提前量。
IMMASS的目的是在Um接口建立MS与系统间的无线连接，即RR连接。MS收到IM－MASS后，
如果RA值和T值都符合要求，就会在系统所指配的新信道上发送SABM帧，其中包含一个完整
的L3消息（MP－L3－ INF），这条消息在不同的接口有不同的作用。在Um接口，SABM帧是
LAPDm层上请求建立一个多帧应答操作方式连接的消息。系统收到SANM帧后，回送一个UA
帧，作为对SABM帧的应答，表明在MS与系统之间已建立了一条LAPDm通路；另外，此UA帧
的消息域包含同样一条L3消息，MS收到该消息后，与自己发送的SABM帧中相应的内容比较，
只有当完全一样时，才认为被系统接受。L3消息中包含MS的IMSI，IMSI对每个 MS是唯一
的，这可保证在该信道上只有一个MS可接入系统。在Abis接口，这条消息是ESTIND（建立
指示），用来通知已建立LAPDm连接，作为对IMMASS消息的应答。
在SANM帧中，透明传输到MSC的L3消息是A接口的第1条L3消息。尽管A接口的MTP连接在
通话前已经建立，但对每个呼叫，在L2还要建立一个SCCP的连接。L3消息包含在A接口上
SCCP的请求建链消息（CR）中传递。如请求被允许，A接口的第1条下行消息将包含在SCCP
层的连接证实（CC）帧中。对SCCP层来说， CR与CC的交换是源参考地址与目的参考地址
的交换。在同样的信令点码下，不同的呼叫具有不同的源地址和目的地址。
A接口上第1条消息传递完后，MS与系统之间就建立了RR连接，RR实体通知MM子层已进
入专用模式。在专用模式下，MM子层和CC子层负责发送所有L2层上的消息。除了错误指示
和释放本地链路以外，均由RR子层直接处理。
2建立MM连接
正常情况下，要建立MM连接必须先有RR连接。RR建立后的第一个步骤是鉴权（AUTH），
即鉴定移动用户的身份。在AU－THREQ（鉴权请求）中有两个参数：CIP KEY No（加密键
号）和 AUT RAND（鉴权随机值）Q CIPKEY No与每个MS的密匙Kc相对应，由网络计算出来
送到MS，目的是毋须调用AUTH过程，就可直接由MS的IMSI和CM－SERV－REQ中的CIP KEY
No参数得到Kc。ATU RAND供MS计算鉴权响应值SRES。MS的SIM中存有4个与鉴权和加密
相关的数据：鉴权算法A3、加密序列算法A8、加密算法A5和移动用户个人鉴权键Ki。其关
系如下：Kc=A8（RAND，Ki），SRES=A3（RAND，Ki），加密数据流=A5（user data，Kc）。
SRES是MS对AUTH REQ的响应值，在AUTH RES中传递。网络中存储了与每个 IMSI相对应的
Ki值，网络根据计算出的SRES值和MS回送的SRES值，可对MS的身份进行鉴定。Kc用于鉴
权后的加密过程，加密算法A5由网络指定，但 MS必须支持该算法。在加密命令CIP－
M-COM中，指出了每个MS支持的A5算法类型，还指定了MS的回送消息中是否包括IMEISV参
数。
对MS的身份识别及无线信道传输加密过程完成后，建立呼叫所需的MM连接已经建立，
可以向更高层（CC子层）提供呼叫信息的传递功能。
3建立CC连接
MS向网络发SETU（建立）消息，请求建立呼叫，消息内容包括：（1）此次呼叫请求
的具体业务种类及MS能提供的承载能力，包括信息传输要求、发送方式、编码标准及可
使用的无线信道类型；（2）被叫用户号码，包括被叫号码类型和编码方案。
网络收到SETUP消息，若接受请求，就回送CALL PROC（呼叫处理），表明正在处理呼
叫，主叫MS处于等待状态。网络开始寻找被叫用户，若被叫也是GSM系统用户，其接入网
络的方式与主叫类似。不同点有：（1）被叫 MS收到网络发出的PAGINC（寻呼）消息后，
才会提出信道请求；（2）被叫MS在与网络建立CC连接时，先由网络发下行的SETUP消息，
MS回送CALLCONF（呼叫证实）消息。在CALL，PROC或CALL，CONF后，网络与MS之间CC层
的连接建立。
后续的CC层消息ALERT（振铃）、 CON－NECT（连接）及其应答消息，分别对应MS振
铃和用户搞机动作。网络收到被叫的ALERT消息，再向主叫MS发送同样的ALERT消息，使
主叫知道当前的通话接续状态，即通常打电话时听到的振铃声。收到振铃声后，主叫等
待被叫摘机，该动作在信令接续上反映为CONNECT（连接）消息。完成对CONNECT消息的
应答后，主被叫双方进入正常通话状态，直到有一方关机，通话结束。
传递信令使用的是SDCCH或FACCH，MS通话必须在TCH信道上进行。为此，网络分配给
MS一条TCH信道，分配方式与IMMASS类似，不同点在于指配的发起是由MSC的ASS－REQ
（指配请求命令）开始的。BSC根据ASS－REQ的信息，激活相应的无线信道，根据ASS－
REQ中指定业务的相应信息，确定该无线信道的类型。由CHACT指定无线资源，包括信道
频率、时隙和跳频等内容。
4连接话音通路
GSM系统业务的数据传递采用电路模式，在主叫与被叫之间有一条物理通路。建立这
样一条通路有两个要求：（1）为传递通信的不同路由段分配一定的信道资源；（2）将
各段信道连接在一起。
信道资源包括Um接口的无线信道和A接口的PCM链路信道。无线信道由CHACT说明，A
接口的地面信道由 ASS－REQ说明。
各个信道的连接是一个接路过程。收到ASS－REQ后， BSC将A接口的地面信道和Um
接口的无线信道连接在一起。收到CONNECT后，MSC将A接口的地面信道和网络内使用的
信道连接在一起。在MS内部也有类似的接路过程。主叫方收到ALERT消息后，接通内部
的话音通路；被叫端的用户（GSM用户）在发送CON－NECT时，接通 MS内的话音通路。
5呼叫断续处理
5.1清除CC连接和 MM连接
当一方用户挂机时，开始清除通信连接。从L3的CC子层开始清除，最终到L1。
以主叫MS先挂机为例。MS发送DISCON－NECT（断开连接）消息，指明呼叫清除的发
起端及清除原因。网络收到DISCONNECT后，停止所有的CC连接定时器，清除业务信道在
网络中的连接，向MS发送RELEASE（呼叫释放），通知它网络正在释放CC层的连接。MS
收到消息后，停止所有CC连接定时器，释放MM连接，向网络发送RELCMP，本身进入
“NULL”（空闲）状态。这时，在MS侧，L3的连接已经全部释放完毕，但MS不能自己拆
除L2层的连接，要等待网络的释放命令。网络收到RELCMP（呼叫释放完成）后，释放MM
连接，返回到“NULL”状态。
CC层和MM层的连接释放完毕后，网络启动SCCP连接的释放，释放及应答消息分别为
CLRCOM（清除）和CLRCMP（清除完成）。
5.2释放RR连接
RR连接释放的目的是去活正在使用的专用信道，专用信道释放后，MS返回到IDLE
（空闲）状态。 RR连接释放的命令是CHREL（信道释放），包括释放原因（正常释放、
超时、切换失败等）。MS收到CHREL后，启动定时器，回送一条LAPDm层的DISC消息，
准备断开连接。当DISC消息被系统的UA消息证实或定时器超时后，MS去活所有信道，
返回到空闲模式。
RR连接释放后，停止系统在TCH信道的伴随信道SACCH上发送DESACCH（去活SACCH
信道），并在TCH信道上发送RFCHREL（无线信道释放）及其应答。与RFCHREL相对应，
L1的连接也被清除，以减小或关闭系统在该信道的发射功率。
6其它
6.1选择TCH信道分配时间
在一次通话过程中，MS先后使用了SDCCH和TCH两种不同类型的信道，分别用于信令
和话音传递。网络根据对SDCCH和TCH使用的分配原则，可以在不同时间点，给MS分配
TCH信道，有三种方式：早分配、特早分配和晚分配。
TCH的指配可在CC连接建立后马上进行，也可等收到ALERT消息后再指配。前者称
为早分配，后者为晚分配。分配的早晚会影响系统占用SDCCH或TCH信道的时间。晚分
配的SD－CCH信道占用时间长，可能导致TCH信道还有空闲时，由于SDCCH信道资源的
缺乏而使呼叫失败，但可提高TCH信道的成功使用率。在ALERT后，主被叫均处于接通
状态，一旦被叫用户搞机，TCH信道就可被成功使用。在早分配中，若被叫用户连接失
败，会导致分配给主叫用户使用的TCH信道实际上不能使用，降低了使用率，但提高了
SDCCH的容量。特早分配是在IMMASS时就直接分配一条TCH信道，但仅作为信今信道使
用，在CC连接建立后，再利用信道模式修改命令，改为TCH信道。特早分配没有为信今
信道专门分配独立的物理信道，使可同时通话的用户数最多，减少了呼叫建立的缓冲
过程。当系统可用于通信的N个信道都被占用时，新的用户就不能接入。实际上在通话
前，MS与网络间还需要时间进行初期的信令通信，在这段时间内，原来通话的用户有
可能已结束通话，可以建立新的呼叫。目前特早分配方式使用较少，早分配方式使用
较多。
6.2识别MS身份
TMSI是网络分配给每个移动用户的临时身份码，只在一个位置区域内有效。为了
提高MS用户的保密性，信令通信可首先使用TMSI代替IMSI。如果网络识别TMSI号码，
接续流程可以继续；若不能识别TMSI（MS从一个位置区进入另一个位置区），就会要
求MS重新上报IMSI号码。若该号码有效，通信继续，同时网络还会给该移动用户分配
一个新的TMSI号码。这个接续过程紧跟在A接口的第一个L3消息之后。
6.3重新分配TMSI
无论当前MS使用的TSMSI是否能被系统识别，出于对用户身份保密的考虑，在每次
通信时，网络部可为 MS重新分配一个 TMSI。TMSI的重新分配过程一般是在加密完成
之后，SETUP建立之前。对应于TMSI重新分配命令，MS有一个回应的TMSI分配完成消息。
6.4提前发送功率控制信息
根据系统配置，MS可以决定在AUTHREQ后是否上报MS的处理能力，消息名称为CLASS
MRAKCHANGE，内容与建立指示中的一样，只是更详细说明了MS支持的加密算法。在建
立指示中，只说明是否支持A5／1、A5／2和A5／3 ；而在CLAMARK－CH中，进一步说明
是否支持 A5／4～A5／7算法。网络收到此消息后先回送 MSPWRCTRL消息，说明MS可使
用的功率范围，以及与此MS相应的TRX所需的发射功率。在加密过程中，使用加密算法
的信息，MS是否需要提前发送这条消息，由网络侧的系统消息3说明。