GSM系統(tǒng)信令接續(xù)流程

文章以MS發(fā)起的主叫通話為例，說明在GSM系統(tǒng)中，實現(xiàn)一次通話所需的信令接續(xù)過
程。以應(yīng)用層（L3）的三層連接（RR、MM、CC）為構(gòu)架，對L豹的通信過程進行分析，介紹
每條信令中的一些主要參數(shù)以及該信令在通話過程中所起的作用。
關(guān)鍵詞 信令接續(xù) 無線資源管理 移動性管理 呼叫管理
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(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(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(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(luò)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(yīng)等。RAND是由MS確定的一個隨機值，使網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)答證實，Abis接口上
的一對應(yīng)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(luò)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(guān)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(guān)，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(yīng)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(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，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(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條下行消息將包含在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(zé)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(quán)（AUTH），
即鑒定移動用戶的身份。在AU－THREQ（鑒權(quán)請求）中有兩個參數(shù)：CIP KEY No（加密鍵
號）和 AUT RAND（鑒權(quán)隨機值）Q CIPKEY No與每個MS的密匙Kc相對應(yīng)，由網(wǎng)絡(luò)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 KEY
No參數(shù)得到Kc。ATU RAND供MS計算鑒權(quán)響應(yīng)值SRES。MS的SIM中存有4個與鑒權(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和移動用戶個人鑒權(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AUTH REQ的響應(yīng)值，在AUTH RES中傳遞。網(wǎng)絡(luò)中存儲了與每個 IMSI相對應(yīng)的
Ki值，網(wǎng)絡(luò)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(quán)后的加密過程，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(luò)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(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(luò)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(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。不同點有：（1）被叫 MS收到網(wǎng)絡(luò)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(luò)建立CC連接時，先由網(wǎng)絡(luò)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(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，分別對應(yīng)MS振
鈴和用戶搞機動作。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(yīng)答后，主被叫雙方進入正常通話狀態(tài)，直到有一方關(guān)機，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(yīng)的無線信道，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(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(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(dāng)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(luò)收到DISCONNECT后，停止所有的CC連接定時器，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連接定時器，釋放MM連接，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送RELCMP，本身進入
“NULL”（空閑）狀態(tài)。這時，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、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(dāng)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(yīng)答。與RFCHREL相對應(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(luò)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(luò)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(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識別MS身份
TMSI是網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(dāng)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(luò)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(yīng)于TMSI重新分配命令，MS有一個回應(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MS的處理能力，消息名稱為CLASS
MRAKCHANGE，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(luò)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(yīng)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(luò)側(cè)的系統(tǒng)消息3說明。