GSM系統(tǒng)信令接續(xù)流程

GSM 系統(tǒng)使用類似OSI 協(xié)議模型的簡化協(xié)議，包括物理層（L1 ）、數(shù)據(jù)鏈路層（L2 ）和應用層（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別單個呼叫。在GSM 系統(tǒng)中，無線接口（Um ）上的L1 和L2 分別是TDMA 幀和LAPDm 協(xié)議。在網(wǎng)絡側，Abis 接口和A接口使用的L1 均為E1 傳輸方式，L2 分別為LAPD 和MTP 協(xié)議。在Um 接口，MS 每次呼叫時都有一個L1 和L2 層的建立過程，在此基礎上再與網(wǎng)絡側建立L3 上的通信。在網(wǎng)絡側（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，分為無線資源管理（RR ）、移動性管理（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)絡決定。CH －REQ 有兩個參數(shù)：建立原因和隨機參考值（RAND ）。建立原因是指MS 發(fā)起這次請求的原因，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等。
RAND 是由MS 確定的一個隨機值，使網(wǎng)絡能區(qū)別不同MS 所發(fā)起的請求。RAND 有5 位，最多可同時區(qū)分32 個MS ，但不保證兩個同時發(fā)起呼叫的MS 的RAND 值一定不同。要進一步區(qū)別同時發(fā)起請求的MS ，還要根據(jù)Um 接口上的應答消息。
CH －REQ 消息在BSS 內(nèi)部進行處理。BSC 收到這一請求后，根據(jù)對現(xiàn)有系統(tǒng)中無線資源的判斷，分配一條信道供MS 使用。該信道是否能正常使用，還需BTS 作應答證實，Abis 接口上的一對應答消息CHACT（信道激活）和CHACK （信道激活證實）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、物理特性和時間提前量等。
網(wǎng)絡準備好合適的信道后，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 中的信道相關信息外，還包括隨機參考值RA 、縮減幀號T 、時間提前量TA 等。RA 值等于BSS 系統(tǒng)收到的某個MS 發(fā)送的隨機值。T 是根據(jù)收到CH －REQ 時的TD －MA 幀號計算出的一個取值范圍較小的幀號。RA 和T 值都與請求信道的MS 直接相關，用于減少MS 之間的請求沖突。TA 是根據(jù) BTS收到RACH 信道上的CH －REQ 信息進行均衡時，計算出來的時間提前量。MS 根據(jù)TA 確定下一次發(fā)送消
息的時間提前量。
IMMASS 的目的是在Um 接口建立MS 與系統(tǒng)間的無線連接，即RR 連接。MS 收到IM －MASS 后，如果RA 值和T 值都符合要求，就會在系統(tǒng)所指配的新信道上發(fā)送SABM 幀，其中包含一個完整的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 層上請求建立一個多幀應答操作方式連接的消息。系統(tǒng)收到SANM 幀后，回送一個UA 幀，作為對SABM 幀的應答，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 幀中相應的內(nèi)容比較，只有當完全一樣時，才認為被系統(tǒng)接受。L3消息中包含MS 的IMSI ，IMSI 對每個 MS 是唯一的，這可保證在該信道上只有一個MS 可接入系統(tǒng)。在Abis 接口，這條消息是ESTIND （建立指示），用來通知已建立LAPDm 連接，作為對IMMASS 消息的應答。
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，但對每個呼叫，在L2 還要建立一個SCCP 的連接。L3 消息包含在A 接口上SCCP 的請求建鏈消息（CR ）中傳遞。如請求被允許，A 接口的第1 條下行消息將含在SCCP 層的連接證實（CC ）幀中。對SCCP 層來說，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 實體通知MM 子層已進入專用模式。在專用模式下，MM 子層和CC 子層負責發(fā)送所有L2 層上的消息。除了錯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 建立后的第一個步驟是鑒權（AUTH ），即鑒定移動用戶的身份。在AU －THREQ （鑒權請求）中有兩個參數(shù)：CIP KEY No （加密鍵號）和 AUT RAND （鑒權隨機值）Q CIPKEY No 與每個MS 的密匙Kc 相對應，由網(wǎng)絡計算出來送到MS ，目的是毋須調(diào)用AUTH過程，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 計算鑒權響應值SRES 。MS 的SIM 中存有4 個與鑒權和加密相關的數(shù)據(jù)：鑒權算法A3 、加密序列算法A8 、加密算法A5 和移動用戶個人鑒權鍵Ki 。其關系如下：Kc=A8 （RAND ，Ki ），SRES=A3 （RAND ，Ki ），加密數(shù)據(jù)流=A5 （user data ，Kc ）。SRES 是MS 對AUTH REQ 的響應值，在AUTH RES 中傳遞。網(wǎng)絡中存儲了與每個 IMSI 相對應的Ki 值，網(wǎng)絡根據(jù)計算出的SRES 值和MS 回送的SRES 值，可對MS 的身份進行鑒定。Kc 用于鑒權后的加密過程，加密算法A5 由網(wǎng)絡指定，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MS 的身份識別及無線信道傳輸加密過程完成后，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)絡發(fā)SETU （建立）消息，請求建立呼叫，消息內(nèi)容包括：（1 ）此次呼叫請求的具體業(yè)務種類及MS 能提供的承載能力，包括信息傳輸要求、發(fā)送方式、編碼標準及可使用的無線信道類型；（2 ）被叫用戶號碼，包括被叫號碼類型和編碼方案。
網(wǎng)絡收到SETUP 消息，若接受請求，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)絡的方式與主叫類似。不同點有：（1 ）被叫 MS 收到網(wǎng)絡發(fā)出的PAGINC （尋呼）消息后，才會提出信道請求；（2 ）被叫MS在與網(wǎng)絡建立CC 連接時，先由網(wǎng)絡發(fā)下行的SETUP 消息，MS 回送CALLCONF （呼叫證實）消息。在CALL ，PROC 或CALL ，CONF 后，網(wǎng)絡與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）及其應答消息，分別對應MS 振鈴和用戶搞機動作。網(wǎng)絡收到被叫的ALERT 消息，再向主叫MS 發(fā)送同樣的ALERT 消息，使主叫知道當前的通話接續(xù)狀態(tài)，即通常打電話時聽到的振鈴聲。收到振鈴聲后，主叫等待被叫摘機，該動作在信令接續(xù)上反映為CONNECT （連接）消息。完成對CONNECT 消息的應答后，主被叫雙方進入正常通話狀態(tài)，直到有一方關機，通話結束。
傳遞信令使用的是SDCCH 或FACCH ，MS 通話必須在TCH 信道上進行。為此，網(wǎng)絡分配給MS 一條
TCH 信道，分配方式與IMMASS 類似，不同點在于指配的發(fā)起是由MSC 的ASS －REQ （指配請求命令）開始的。BSC 根據(jù)ASS －REQ 的信息，激活相應的無線信道，根據(jù)ASS －REQ 中指定業(yè)務的相應信息，確定該無線信道的類型。由CHACT 指定無線資源，包括信道頻率、時隙和跳頻等內(nèi)容。
4 、連接話音通路
GSM 系統(tǒng)業(yè)務的數(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 接口的無線信道和A 接口的PCM 鏈路信道。無線信道由CHACT 說明，A 接口的地面信道由 ASS －REQ 說明。
各個信道的連接是一個接路過程。收到ASS －REQ 后，BSC 將A 接口的地面信道和Um 接口的無線信
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，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
當一方用戶掛機時，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)絡收到DISCONNECT 后，停止所有的CC 連接定時器，清除業(yè)務信道在網(wǎng)絡中的連接，向MS 發(fā)送RELEASE （呼叫釋放），通知它網(wǎng)絡正在釋放CC 層的連接。MS 收到消息后，停止所有CC 連接定時器，釋放MM 連接，向網(wǎng)絡發(fā)送RELCMP ，本身進入“NULL ”（空閑）狀態(tài)。這時，在MS 側，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)絡的釋放命令。網(wǎng)絡收到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)絡啟動SCCP 連接的釋放，釋放及應答消息分別為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、切換失敗等）。MS 收到CHREL后，啟動定時器，回送一條LAPDm 層的DISC 消息，準備斷開連接。當DISC 消息被系統(tǒng)的UA 消息證實或定時器超時后，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 （無線信道釋放）及其應答。與RFCHREL 相對應，L1 的連接也被清除，以減小或關閉系統(tǒng)在該信道的發(fā)射功率。
6 、其它
6.1 、選擇TCH 信道分配時間
在一次通話過程中，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)絡根據(jù)對SDCCH 和TCH 使用的分配原則，可以在不同時間點，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。分配的早晚會影響系統(tǒng)占用SDCCH 或TCH 信道的時間。晚分配的SD －CCH 信道占用時間長，可能導致TCH 信道還有空閑時，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，TCH 信道就可被成功使用。在早分配中，若被叫用戶連接失敗，會導致分配給主叫用戶使用的TCH 信道實際上不能使用，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立的物理信道，使可同時通話的用戶數(shù)最多，減少了呼叫建立的緩沖過程。當系統(tǒng)可用于通信的N 個信道都被占用時，新的用戶就不能接入。實際上在通話前，MS 與網(wǎng)絡間還需要時間進行初期的信令通信，在這段時間內(nèi)，原來通話的用戶有可能已結束通話，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 、識別MS 身份
TMSI 是網(wǎng)絡分配給每個移動用戶的臨時身份碼，只在一個位置區(qū)域內(nèi)有效。為了提高MS 用戶的保密性，信令通信可首先使用TMSI 代替IMSI 。如果網(wǎng)絡識別TMSI 號碼，接續(xù)流程可以繼續(xù)；若不能識別TMSI（MS 從一個位置區(qū)進入另一個位置區(qū)），就會要求MS 重新上報IMSI 號碼。若該號碼有效，通信繼續(xù)，同時網(wǎng)絡還會給該移動用戶分配一個新的TMSI 號碼。這個接續(xù)過程緊跟在A 接口的第一個L3 消息之后。
6.3 、重新分配TMSI
無論當前MS 使用的TSMSI 是否能被系統(tǒng)識別，出于對用戶身份保密的考慮，在每次通信時，網(wǎng)絡部可為MS 重新分配一個TMSI 。TMSI 的重新分配過程一般是在加密完成之后，SETUP 建立之前。對應于TMSI重新分配命令，MS有一個回應的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，只是更詳細說明了MS 支持的加密算法。在建立指示中，只說明是否支持A5 ／1 、A5 ／2 和A5 ／3 ；而在CLAMARK －CH 中，進一步說明是否支持 A5 ／4 ～A5 ／7 算法。網(wǎng)絡收到此消息后先回送 MSPWRCTRL 消息，說明MS 可使用的功率范圍，以及與此MS相應的TRX 所需的發(fā)射功率。在加密過程中，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)絡側的系統(tǒng)消息3 說明。