GSM原理及其网络优化第四章.docx

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GSM原理及其网络优化第四章

第4章信令与协议1

4.1信令协议概述1

4.1.1接口与协议1

4.1.2GSM通信系统内部接口2

4.1.3无线接口信令协议4

4.1.4A接口信令协议4

4.2链路层信令协议5

4.2.1帧结构5

4.2.2检错和纠错6

4.2.3复用7

4.2.4流量控制7

4.2.5LAPD和LAPDm帧比较7

4.3网络层信令协议8

4.3.1BSS网络层8

4.3.2NSS网络层12

4.4GSM信令网14

4.4.1信令网络结构14

4.4.2信令网路组织14

4.4.4信令网寻址方式16

第4章信令与协议

在一个复杂的系统中（如GSM），所要传送的不单是用户数据，由于网络要实现的大

多数功能都是分布在几个远距离的设备上，要使这些设备协调工作需要交换一些信息，因此

我们就要考虑到如何使这些信息从网络内的一点传送到另一点，这是本章我们要研究的主要

内容。

在通信系统中，我们把协调不同实体所需的信息称为信令信息，在所有情况下，使远

距离实体协调工作所需的信令信息都以报文的形式来组织。

信令的传输协议就是能够从比特

流中识别出报文而且要保证未检测出的差错尽可能的低，因为这种差错将会带来严重的后

果，甚至将会把一条报文的含义改变。

我们把提供这些功能的信令协议称为链路层。

信令的另一个问题就是报文的编排方式和它们的路由，如何把消息由一点传送到另一

点，直至到达它的最终目的地，如何使用查询，并行的处理几个对话，这一部分就是网络层

的主要内容。

在网络层中，我们将看到如何在移动台和网络之间携载报文，我们还将接触到

七号信令系统的领域。

实际上，我们要研究的主要问题并不是专限于信令信息，在GSM系统中，大多数用户

信息都具有电路特性，但也有几种用户业务是非电路特性的，如短信息，这种业务与信令报

文很相似，因此要求相同的传送机制。

4.1信令协议概述

4.1.1接口与协议

首先，分清接口与协议两者的区别是非常重要的，接口代表两个相邻实体之间的连接

点，而协议是说明连接点上交换信息时需要遵守的规则。

协议是各功能实体之间共同语言，

两个实体要通过接口传递特定的信息流，这种信息流必须按照规定的语言传递，双方才能相

互了解。

因而，一种协议在传递过程中要经过若干个接口，或者说同一个接口要用到多种协

议。

根据电信网开放系统互连模式OSI的概念，把协议按其功能分成不同的层面：

最底层

称为物理层或传输层；第二层被称为链路层；第三层被称为网络层，第三层以上被称为应用

层，每一层都有各自的协议规则。

4.1.1.1物理层（OSI第一层）

本层规定了一条信号数据链路的物理电气和功能特性，以及接入它的方法。

物理层有

两种作用：

一是传送客户的业务信息，包括话音和数据；二是在系统的各实体之间传送信令

信息。

传输除了包括传统上使用的调制、编码、多路复用等技术以外，还涉及按低层协议的

格式来编排数据，以保证正确传送和纠正传输中可能出现的差错。

4.1.1.2链路层（OSI第二层）

链路层是信令链路功能级其主要功能包括：

信令单元的定界和定位，差错检验和纠错，

信令链路差错率监视和流量控制。

它与物理层共同保证在终端和网路之间提供可靠的信令消

息的传递，并规定在一条信令数据链路上传递信令信息的功能和相应的程序。

4.1.1.3网路层（OSI第三层）

网络层是信令网路功能级，负责分配和选路。

第三层以上是应用层，其协议与涉及的

功能实体有关。

网路层主要负责系统的控制和管理，把客户和系统控制过程的特定信息按一

定的协议分组安排到指定的逻辑信道上来。

4.1.2GSM通信系统内部接口

移动通信系统是由许多功能单元通过接口互连构成的，接El是指各组成单元之间的物

理上和逻辑上的连接。

NSS部分的B、C、D、E、F、G接口定义了相应功能单元之间的互

连标准，各接口都采用了7号信令系统，以便于实现国际漫游和通信网互连。

BSS和MS两部分有A、Um、Abis接口以及Ater接口等，其中A接口和Um接口具有统一和公开的标准，以便于设备生产和组网，也有利于各种ISDN业务的引入和功能扩展，Abis接口和Ater接口的定义尚不统一，实现差别较大，所以BSC和BTS配置目前还不能实现多厂家设备互连，各接口结构如图4—1所示。

我国GSM网络和PSTN、ISDN网络采用7号信令互连，物理通道可以是PCM系统中的任一时隙。

但是在基群PCM系统中（2.048Mbit/s），一般优先选择TS16数据链路传送64kbit/s信令。

现在让我们分别介绍每个接口的具体情况：

1.Sm接口

Sm接口是人机接口，是客户与网络之间的接口，主要包括客户对移动终端进行的操作

程序、移动终端向客户提供的显示和信号音等。

Sm接口还包括客户识别卡（SIM）与移动

终端（ME）间接口的内容。

2.Um接口

Um接口是空中无线接口，是移动台和BTS之间的通信接口，用于移动台与GSM系统

的固定部分之间的互通，其物理连接通过无线链路实现。

Um接口传递的信息包括无线资源

管理、移动性管理和接续管理等。

3.Abis接口

Abis接口是BSS系统的两个功能实体BSC与BTS之间的通信接口，用于BTS和BSC

之间的远端互连方式，物理连接通过标准的2Mbit/s或64kbit/s的PCM数字传输链路来实现。

Abis接口支持系统向移动台提供的所有服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。

由于Abis接口是GSM系统BSS的内部接口，所以是一个未开放的接口，可由各设备厂家自行定义。

4.A接口

BSS部分与MSC之间的接口为A接口。

A接口基于2Mbit/s数字接口，采用14位七号信令方式，主要传递呼叫处理、移动性管理、基站管理、移动台管理等信息。

5.B接口

MSC与VLR之间的接口为B接口，主要用于MSC向VLR询问有关移动台当前位置

信息，或通知VLR有关移动台的位置更新信息等。

B接口作为设备内部接口，一般不作规

定，但应能完成GSM规范所规定的功能。

6.C接口

MSC与HLR之间的接口为C接口，C接口是一个至七号信令网的接口（采用24位七

号信令方式），2Mbit/s或64kbit/s的数字接口。

它主要完成被叫移动用户信息的传递以及

获取被叫用户被分配的漫游号码。

7.D接口

HLR与VLR之间的接口称为D接口，它也是一个至七号信令网的接口（采用24位七

号信令方式），2Mbit/s或64kbit/s的数字接口。

它主要交换位置信息和用户信息。

当移动台漫游到某VLR所辖区后，VLR将通知MS的HLR。

HLR向VLR发送有关该用户的业务消息，以便VLR给漫游客户提供合适的业务。

同时HLR还要通知前一个为该移动用户服务的VLR删除该移动用户的信息。

当移动用户要求进行补充业务的操作或修改某些用户参数时（如将呼叫转移功能激活），也是通过D接口进行数据交换。

8.E接口

MSC与MSC之间的接口称为E接口，它也是采用24位七号信令方式，用于移动台在

呼叫期间从一个MSC区域移动到另一个MSC区时为了通话的连续而进行的局间切换，以

及两个MSC间建立用户呼叫接续时传递有关信息。

9.F接口

MSC与EIR之间的接口为F接口，采用24位七号信令方式，用于MSC检验移动台的IMEI时使用。

10.G接口

G接口是VLR之间的接口，当移动台以TMSI启动位置更新时，VLR使用G接口向

前一个VLR获取MS的IMSI和相应的信息。

11.NSS或BSS与OMC之间的接口

该接口是基于：

X.25接口或七号信令网的接口，执行TMNQ3协议。

4.1.3无线接口信令协议

GSM数字移动通信中移动台与基站之间的无线接口称为Um接口，Um是套用ISDN

网中客户终端和网络的接口名称，其中‘m’表示移动的意思。

它的接口信令分层结构如下。

1.物理层（信令层一）

这是无线接口的最底层，用来提供传送比特流所需的物理链路（例如无线链路），它

为高层提供各种不同功能的逻辑信道，包括业务信道和控制信道。

2.链路层（信令层二）

本层的主要目的是在移动台和基站之间建立可靠的专用数据链路，第二层的数据链路

层协议基于.ISDN的D信道链路接入协议（LAPD），因为在GSM规范中对它进行了修改，

使它适合在无线路径上传播，因此在Um接口中的第二层协议被称为LAPDm。

3.网络层（信令层三）

第三层是具体负责控制和管理的协议层，即把客户和系统控制过程的特定信息按一定

的协议分组安排到定的逻辑信道上，第三层包括三个基本子层：

无线资源管理（.RR）、

移动性管理（MM）和接续管理（CM）。

其中接续管理子层中包含多个呼叫控制（CC）单

元，提供并行呼叫处理。

为了支持补充业务和短信息业务，在CM子层中还包括了补充业

务管理（SS）单元和短信息业务管理（SMS）单元。

4.1.4A接口信令协议

A接口的分层结构如下。

1.物理层（信令层一）

A接口的物理层是基于数字传输2Mbit/s的PCM链路，除有一定数目的话音，数据信道外还有传送信令的信道，有关呼叫、切换及释放等信令数据都可使用此信道。

2.链路层（信令层二）

这一层基于七号信令的MTP（消息传递部分），集中了MTP的全部链路层协议。

3.网络层（信令层三）

由于BSC与MSC之间的A接口承载BSC与MSC之间的消息，以及MS与MSC之间的消息，如我们前面提到的CC或MM类消息，因此我们把：

BSC与：

MSC之间的消息类型集合在一起称为：

BSSMAP（BSS管理应用部分），把MS与MSC之间的消息类型集合在一起称为DTAP（直接传送应用部分）。

在A接口上，我们还引入了虚电路的概念，每个连接的建立和释放是彼此独立的，这

就是七号信令系统中的SCCP。

SCCP不是GSM专用协议，是七号信令系统分层协议的一

部分，位于MTP协议之上。

事实上，MTP中包括有更多的网络协议。

为此，我们把MTP分为两部分：

MTP2和MTP3。

MTP2集中了MTP中的全部链路层协议，而MTP3与SCCP共同构成了A接口第三层信令。

BSSMAP和DTAP为更高层的客户应用层。

4.2链路层信令协议

由上面我们已经知道，在GSM系统中不同的接口使用了不同的协议，如表4—1所示。

单从链路层来讲，就分别涉及到移动台和BTS之间的LAPDm，BTS和BSC之间的LAPD，

以及七号信令系统中的MTP2协议。

除无线接口外，信令信息都使用64kbit/s电路传输。

它们在功能上十分相似，这里我们仅讨论其基本功能和他们相互间的差异。

4.2.1帧结构

链路层的基本功能之一就是把单个的比特构成一个集合，以便在信道上传送。

所有的

链路功能都是建立在这个基本结构单元上的。

在信令范畴里，这个基本单元称为帧。

每一个

帧都要有一个接收端可以识别的开始和结束标志，在这两个标志之间包含的是比特流形式的

有效信息。

LAPD和MTP2都采用的是HDLC（高级数据链路控制）的定义方式，而LAPDm

是利用无线接口的同步方式来传送以帧方式定义的信息。

在HDLC中，帧的起始和结尾都用一个8bit长的标志（FLAG），它包括6个连续的”1”。

为防止虚假的开始和结束，引入了”0bit插入”的机制，即如果传输数据中连续出现5个”1”

时，发端就自动的插入一位”0”，同时收端也要能自动的删除这个插入的”0”。

同一个标

志（FLAG）可以作为一帧的结束，同时也指示了下一帧的开始，如图4—2所示。

在无线接口传播的LAPDm中，为了压缩传播速率，节约字节数，没有使用起始标志

（FLAG），而是使用了物理层上已有的”块”（BLOCK）的概念。

为此我们选择LAPDm

的帧长度等于一个物理层块的大小，即23Byte。

应注意的是一个LAPDm帧在SACCH上最多为21Byte（因为每个SACCH块还有两个特殊用途的字节：

定时提前和传输功率控制）。

但有效的信息长度可能小于这一最大值，因此每帧中要包括一个长度指示器。

未用的字节用

缺省值”00101011”填充。

这个缺省值的选择是基于对FCCH信息的最小相关，以避免干

扰移动台的同步。

移动台的上行空闲字节可以用”11111111”填充。

当信令信息长度超过帧长度限制后，就要把这个消息分成几帧，在几个帧上发送，而

相应的在收端这样的消息必须重组。

为此收端必须收到足够的信息才能知道如何重组报文。

因为LAPDm帧的最大长度为21Byte或23Byte，这显然不能满足大多数信令的需要，因此需要定义分段和重组。

当有分组功能时，每帧中多出一个比特，当有后续帧时，该比特为”1”；而在最后一个分组时为”0”。

收端可以根据这个指示，把收到的”1”指示帧连接起来，直到出现”0”指示帧为止，从而将原消息复原。

在A接口（帧的最大长度限制是272Byte）和Abis（帧的最大长度限制是264Byte，不包括标志）接口上因为帧的最大长度足够长，因而无须分段和重组。

4.2.2检错和纠错

链路层第二个重要功能是检测可能发生传输差错的帧，并当帧出错时请求重发来提高

传输质量。

就检错而言，LAPD和MTP2都采用了HDLC方案，它是通过在每个帧中增加了16bit

的冗余位，这被称为帧校验序列，用于误码检测。

在无线接口上，由于物理层已提供了具有

检验功能的传输编码方案，因此LAPDm无需额外的误码检测方式。

差错检验有两个用途：

一是提供帧内残余差错似然性的足够信息，从而可请求重发该

帧；二是检测链路的质量，当误码率超过某给定的门限时就触发相关的告警。

在七号信令链路中，当帧误码率大于等于4×10。

时就被认为发生了故障。

CCS7链路

在业务进行中总是工作的，当无信息传送时，它就传送指定的填充帧。

前面提到在无线链路

上也存在类似的情况，它是通过对SACCH的监测来判断无线链路故障的。

帧确认和重复功能是覆盖误帧的一种方法。

上述三种协议都使用到了与HDLC类似的

反向纠错机制，可在两种模式中选择：

一种是非证实模式，无论接收端收到与否，帧只传一

次；二是证实模式，可通过重发来纠正错误帧。

使用非证实模式的原因是，在某些情况下使用非证实模式比证实模式更合适，例如，

移动台向BSS发送的测量报告，这类消息丢失一次也不会引起大的故障，而且对于接收端

来说，获得一个新的测量报告要比收到重发的已经过时了的报告要有用的多。

还有其它一些

消息也是采用的非证实模式，如网络在SACCH上发送的系统消息，系统对移动台切换接入

的应答（PHYSICALINFORMATION）等。

但是，大多数在专用信道上发送消息要求使用证实模式。

.

确认和重发都是以循环帧计数为基础的，它使接收端能检测到可能的帧重复或帧丢失，

并确认特定的帧。

在LAPD和LAPDm中，确认是通过接收端向发送方传送下一个期望帧的号码N（R）来实现的。

如果帧号是按模8来计算，若发送端收到接收端传来的期望帧的号

码为2，这说明帧号为1、0、7、6…的帧都正确收到了。

而在MTP2中，通过向发送方传

送已正确收到的最后一帧的帧号来实现相同目的。

在各种情况下，如果有未确认的帧，发送

端都要重发那一帧。

然而重发的总次数要受到限制，以避免在发生严重故障时出现无限循环。

发端必须保持那些未被证实的帧，为了限制保持的数量，在LAPD和LAPDm中引入

了窗口的概念。

发送窗口的尺寸决定了有待证实的帧的保持数量，这个窗口要足够的大，以

避免发端出现不必要的等待证实延时。

LAPD和MTP2的帧循环数是128，而LAPDm是8，这是为了减少帧号所占用的字节

数。

在LAPD中窗口尺寸是可变的，但在LAPDm中固定为1。

为了在接口两侧启动一个证实模式的传输，在LAPD和LAPDm中使用了一个简单的

程序，它由两条报文组成，为SABM（设置异步平衡模式）和UA（无编号证实），通过这

两条消息来建立两端的计数同步。

在LAPD中，这两条报文并不携带具体的消息，只有在

这两条报文交换后才会发生上层消息的交换。

但在LAPDm中，SABM携带着含有具体消息

的报文，在接收端收到该报文后将向发送端发送的UA，在该消息中将重复收到的报文，以

确认证实模式的建立。

当要释放已建立的证实模式时，可通过使用DISC和UA的消息对来

释放所占用的资源。

4.2.3复用

以上我们讨论的是一个信源的消息流，即由一个信源逐次传递一系列帧，而链路层提

供了可以处理同一信道上的多个独立的消息流的可能性。

由于这些信息流是独立的，因此不

能保证它们之间的次序，为了能使接收端区分开这些混在一起消息，就需要在每个帧中插入

一个地址段。

这种机制对于点对多点的链路是必须的，虽然在无线路径上是点到点的应用，

但仍保留了这种链路复用的机制。

在无线接口上，同时存在两种相互独立的流，一种专用于传送信令报文，一种用于传

送短消息业务。

这两种流是通过SAPI（业务接入点识别符）的链路识别符来区分的。

在GSM

中定义的SAPI是指不同的应用协议。

在LAPDm中定义SAPI=0，是指传送的是信令；而

SAPI=3是对应着短消息业务。

在Abis接口上复用有两个方面：

一方面是对应不同功能之间的差别，SAPl0对应无线

信令，SAPl62对应操作维护功能信令，SAPl63对应第二层的管理信令；另一方面是不同设备之间的区别，如BTS中不同TRX的标识，这里使用了LAPD链路层地址段的另一个内容TEI（终端设备标识）。

在A接口没有链路层的复用。

4.2.4流量控制

链路层要考虑的最后一个问题是流量控制。

对于一条链路来说，我们假设链路的处理能

力不会溢出，但是资源经常是由几个信息流共享的，并控制其总和不超过最大容限，阻塞控

制的目的之一就是控制每个信息流，以防系统中由于一处过载而引起整个系统的瘫痪。

用类似HDLC的协议，只需简单的延迟发送确认，就很自然的提供了某种方式的的流

量控制。

但这种控制只是勉强合格的，因为如果延时太长，发送端将重复该帧，从而加重了

拥塞。

也可以使用一种附加机制，它是使用两个命令的”停一走”控制，LAPD和MTP2中

提供了这种机制，而LAPDm中未提供。

4.2.5LAPD和LAPDm帧比较

在这里我们简要介绍一下LAPD和LAPDm中使用的帧类型以及它们的结构。

共有三

种不同类性的帧，分别为I帧（编号消息帧）、s帧（监督帧）和U帧（无编号信息帧并有

控制功能），如下表4—2所示。

LAPD和LAPDm帧各自的结构如图4—3所示。

地址段包含有SAPI；另外，对LAPD帧，因为接口是点到多点的，还包括目的终端的地址。

控制段包含帧类型，对于携带消息的编号帧，还包含有帧编号（发送端）和下一个期望帧编号（接收端）。

4.3网络层信令协议

上一节描述的链路协议使两个通过物理介质直接互连的实体能够相互交换帧，现在要

讨论一些涉及两个非直接互连实体的应用协议。

为了用端一端连接提供传输相应报文的应用

协议，就需要本节之中所描述的附加传输功能。

这类对等层的连接是建立在数据链路层之上

的。

网络层的功能之一就是选择并建立这样一个连续的链路段，组成一个消息路由。

在这

里就用到了数据报和虚电路的技术，在数据报的情况下，通过分析每条报文的宿点地址而建

立路径；在虚电路的情况下，路由由第一条消息建立，此后的消息遵循相同的路由。

网络层

的另一个功能是支持两个实体之间并行存在的几个独立连接，这些连接分别对应于不同的应

用通信。

.

网络层的基本概念是编址。

网络层协议就是在报文上加上标记，从而区别不同的消息

流。

这个标志可以通过编址的方式对应于某个源点，某个宿点，连接参考或路由参考。

我们

可以利用这个标志为消息选择路由，也就是把消息送到下一个适当的路段，或把它分配到正

确的应用程序上。

现在我们看一下这个问题在各子系统中是怎样处理的。

4.3.1BSS网络层

4.3.1.1无线接口

无线接口的协议分层如图4-4所示。

从移动台的角度看来，消息的源点和宿点取决于应用协议，、移动台可以编址不同的网

络功能实体，每个实体具有唯一的地址对应关系，网络按地址要求把消息送到相应的设备。

更具体的说，在移动台和MSC之间存在几种协议，同时移动台与MSC之间可以并行的存

在几个用户通信。

如当移动台通信正在进行时，又有新的呼叫指示出现的情况。

在此前提到过，通过SAPI可使我们在移动台上区别出信令消息和短消息两种情况，但

这还不足以判断消息属于哪种应用协议，因此需要一个网络编址来加以补充。

这就是协议鉴

别器的功能。

GSM中定义了几个协议鉴别器（PD），一般我们把它们看作是消息的一部分，

分类表4-3所示。

从上表中我们可以看到，BTS并没有在该表中出现，这说明移动台除了链路管理，并

不与：

BTS对话。

按协议鉴别器与应用协议的关系，信源点要把PD插入消息中去，在移动台侧到网络侧的方向上，BSC利用PD判断收到的消息是哪一类的消息，若是RR消息，则在它本身进行处理，若是其它的消息则要送至MSC。

移动台和MSC根据收到报文的PD标识来把它们分配到适合的软件模块。

但这还不能区别开CC和SS，因为它们共用一个PD，对于这种情况我们如何来识别呢?

“事务处理”这个术语就是用在这种情况中，每次处理对应一次通信。

事实上，在附加业务管理中也存在事务处理。

在各种情况下并行存在着不同的处理，与不同的事务处理相关的报文由一个处理识别符（TI）来加以识别。

TI由信源点实体（移动台或MSC）插入，宿点（移

动台或MSC）可以根据收到的：

PD和TI将消息分配到合适的上下文中。

4.3.1.2Abis接口

Abis接口的信令协议分层如图4-5所示。

Abis接口信令链路上的消息可以有许多可能

的源点和宿点，如何来区分呢?

从功能角度上看，我们可将BTS和BSC之间的报文与移动

台和BSC以外的实体（包括移动台和BSC）的所有其它报文区分开，更进一步应将不同的

移动台即不同的信道区分开。

BSC可以通过对移动台与无线信道之间关系的管理来区别每个移动台。

BTS中包括几

个子实体，即TRX，它们彼此是独立的，同时每个TRX对应一个或几个信令链路，在Abis

接口上我们可通过终端设备标识TEI来识别不同TRX的信令链路。

与一条报文相关的TRX

并不是由报文内的标签来识别的，而是由传送它的信令链路隐含的，这一点也就限制了不同

TRX共占一条链路的可能性。

在每个给定的TRX至BSC的连接上，还需要区分一般的管理报文和特殊的专用无线信道报文，因为后者要区分同一TRX管理的不同信道。

为达到这一目的，Abis接口上的每一个消息都要加上一个消息鉴别单元（MD）以及一些附加数据，如表4-4所示。

例如，无线

链路层管理鉴别器用于鉴别来自移动台的报文或要传给移动台的报文，并且它还携带着一个

对无线信道的参考以及该信道使用的无线链路的参考。

对信道的参考中，包含有该信道的类

型和时隙号，合适时也包含子信道号。

无线链路的参考中包含有是在哪一条LAPDm链路上

发送或接收，由此可区分SAPl0和SAPl3。

4.3.1.3A接口

A接口承载有BSC/MSC之间的消息，以及MS/MSC之间的消息类型，如我们提到过的CC或MM消息。

这两种信息流合称为BSSAP（BSS应用部分），具体的说可分别称为

BSSMAP（BSS管理单元）和DTAP（直接