计数器与信令 第一部分 正常呼叫信令流程分析.docx
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计数器与信令第一部分正常呼叫信令流程分析
计数器与信令
第一部分正常呼叫信令流程分析
1.1主叫信令流程分析
1.1.1立即指配及信道初始化阶段
1.1.1.1信道申请(CHANNELREQUEST)
初始化过程就是一个随机接入的过程。
在任何情况下,如移动台需要同网络建立通信时,都需通过RACH信道来向网络发送一个报文来向系统申请一条信令信道,网络将根据信道请求需要来决定所分配的信道类型。
这个在RACH上发送的报文被称做“信道申请”(channelrequest),它其中的有用信令消息只有8比特,其中有3比特用来提供接入网络原因的最少指示(对于PHASE1标准,该建立原因只用3比特;对于PHASE2标准,由于引入了半速率的概念,建立原因所占的比特就不固定了,最多可占到6比特),如紧急呼叫、位置更新、响应寻呼或是主叫请求等,在网络拥塞的情况下,系统可根据这这一粗略的指示来分别对待不同接入目的的信道申请(哪些类型的呼叫可接入网络、哪些类型的呼叫将被拒绝),并为它们选择分配最佳类型的信道。
在这一指示中,由于信道容量的限制,显然不能将移动台想传送的所有信息全部发送给网络,如申请信道的具体原因、用户身份及移动设备的特性(这些消息是在此后的SABM消息中发送的)。
另外5比特是移动台随机选择的鉴别符(对于PHASE1标准),它并不用来向网络提供信息,其目的是使网络能区别不同MS所发起的请求,网络此后将向移动台发送的“立即指配命令”(含有所分配信道的信息)中会再将该鉴别符发还给移动台,移动台通过网络返回的鉴别符和本身所发送的鉴别符相比较来判断该信息是否是网络发送给自己的。
但它只有5比特,最多只能同时区分32个MS,不保证两个同时发起呼叫的MS的随机鉴别符一定不同。
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。
信道请求消息只在BSS内部进行处理。
所有带有SIM卡的移动台都是0~9级这10个接入等级中的一级。
其接入等级存储在SIM卡中。
另外,移动台也可以是5个特殊接入等级(接入等级11~15)中的一级或多级,这同样也存储在SIM卡中。
由于网络无法控制移动台接入的时间,因而在话务较繁重的地区不可避免发生两个移动台同抢一个RACH时隙来申请接入,这时肯定要发生碰撞现象。
其后果有两个,一是网络收到在此时隙上的一个突发脉冲的电平,要明显的比另一个高,这样网络就会处理电平较高的那个随机接入请求。
另一后果是,由于两者之间相互的干扰网络哪一个不能正确的接收到。
因而随着业务量的增长,报文因碰撞而丢失的几率也就越大,这必将是对网络容量的一个重要的制约因素。
因此这就需要引入信道请求的重发的机制。
在经过最大重发次数后,若仍得不到系统的立即指配命令,移动台则返回到空闲状态下。
在发送完初始的信道请求消息后,MS启动定时器T3120为一个新值并守侯在全下行CCCH信道(准备接收应答)和BCCH信道上。
当定时器T3120逾时而且RACH重发次数未超过BCCH上收到的“最大重传次数”时,MS则重复发送信道请求消息,其中包含一个新的随机参考,并启动T3120为一个新值。
当定时器T3120逾时,且达到“最大重发次数”时,MS则启动T3126,此后将等待一段时间并允许网络放弃。
在T3126逾时后,仍未收到网络应答时,则放弃请求尝试,并进行小区重选。
1.1.1.2初始信道的激活
BTS对移动台的“信道申请”(channelrequest)正确的解码后,它将把“信道请求”(channelrequired)的报文通过ABIS接口发送给BSC,该报文包含重要的附加信息和由BTS对传输延时(TA)的估计(这一指示对启动定时提前控制很重要)。
如BSC收到此消息时,则根据对现有系统中无线资源的判断,为该次请求选择一条相应的空闲信道供MS使用。
但所分配的信道及其相关的地面资源是否可用,还需BTS作应答证实,这个程序的完成通过BSC向BTS发送一条“信道激活”(channelactive)的报文来查询相应的地面资源(传输电路等)是否可用,该报文指明激活信道所需的全部属性,包括信道类型、工作模式、物理特性和时间提前量等。
BTS在准备好相应的资源后,将返回一条“信道激活证实”(channelactiveack)的报文来答复BSC。
1.1.1.3立即指配(IMMEDIATEASSIGNMENT)
如收到BTS的“激活证实”后,BSC将在MS接收“信道请求”的同一CCCH时隙以无证实方式发送一条“立即指配”和“立即指配扩展”的消息来向移动用户分配专用信令信道。
BTS在下行CCCH信道的任何部分都可发送“立即指配”或“扩展的立即指配”,这就需要此时MS应对CCCH的所有信息块都进行侦听。
所分配的信道类型(TCH或SDCCH,信道模式设置为信令)由运营者决定。
在发出立即指配命令的同时,网络启动定时器T3101。
上面提到了有两种类型的立即指配消息:
①立即指配消息,仅包括一个MS的指配信息;②扩展立即指配消息,同时包含两个MS的指配信息。
“立即指配”或“扩展立即指配”消息包括:
指配信道的描述;“信道请求”的信息字段和接收到“信道请求”帧的缩减帧号码(缩减帧号是根据BTS收到信道申请时的TDMA帧号计算出的一个取值范围较小的帧号);最初的时间提前量;起始时间指示(可选)。
随机参考值同缩减帧号都与请求信道的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信道上的信道请求信息进行均衡时,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。
如果网络应用跳频,MS使用在BCCH上接收的小区配置(CA)来解码移动配置(MA)。
在接收到“立即指配”或“扩展立即指配”后,对应于最后3次信道请求之一,MS将停止T3126(如果仍在运行),同时停止发送“信道请求”消息并转换到网络指配的信道上,将信道模式设置为仅为信令,并在系统指配的信道上通过发送带有信息字段的SABM来建立起主信令链路。
如果MS已经发送了最大允许“信道请求”数后,MS的RR实体开始启动T3126。
在T3126逾时时,中止立即指配程序。
如果随机接入程序是由MM发起的,则向MM指示随机接入失败。
值得注意的是,在发送了第一个“信道请求”消息后,MS开始收听BCCH同时也收听它寻呼组所对应的CCCH时隙,也就是说立即指配命令可能出现在51复帧的任何CCCH消息块内,这就需要MS在发送信道请求后监视全体CCCH块,即对整个寻呼子信道的消息都要进行解码,来保证及时获得网络的应答。
如果网络使用跳频,MS通过在BCCH系统消息中所获得的小区配置(CA)来解码移动配置(MA)。
CA是指小区所使用的所有频点(包括跳频频点),MA是指小区所使用的所有跳频频点。
1.1.1.4立即指配拒绝(IMMEDIATEASSIGNMENTREJECT)
若BSC发现无信道分配,网络可以通过CCCH信道以无证实方式向MS发送一个“立即指配拒绝”消息,拒绝的原因有MSC话务关闭、无线资源缺乏、TA值超出界限、信道激活无应答、BSC话务超载。
但系统不限制在下行CCCH的什么部分发送“立即指配拒绝”。
立即指配拒绝消息中包括请求参考和等待指示。
在MS接收到“立即指配拒绝”后,对应其最后的3次“信道请求”之一,MS停止T3120,启动T3122为指定值,并返回CCCH空闲模式。
MS直到T3122逾时后才能允许新的RR连接尝试。
MS不允许在同小区内发起紧急呼叫之个的新呼叫尝试,直至T3122逾时。
只要没有接收到紧急RR尝试的“立即指配拒绝”,在T3122逾时前在同一小区内可尝试建立紧急呼叫。
与立即指配扩展相对应,系统为了提高AGCH信道的效率便引入了立即指配拒绝扩展的报文格式。
在立即指配拒绝扩展的报文中,最多可携带有对四个移动用户的拒绝消息。
等待指示信息单元(T3122)的数值取决于接收到该信息的小区。
在T3122逾时后,MS不应响应寻呼而发送“信道请求”,直至MS接收到“寻呼请求”。
1.1.1.5信令信道重复指配(DOUBLEALLOCATION)
应注意的一种情况是,当系统对移动台的信道申请反应较慢时,将会不可避免的导致移动台的重发,由于系统无法知道一条信道申请的报文是否是上一次的重发,所以可能再次甚至多次的发送给该移动台立即指配命令的报文来给移动台指配信道。
移动台将使用它所解码的第一条立即指配的报文中所指配的信道,其它的将被当作无效,但规范规定移动台必须接收对最后三条信道申请的报文的网络应答。
这种情况被称为是重复分配,当网络的重复分配次数较多时且产生了CCCH信道的拥塞,可通过减少移动台的重发次数,或降低T3101的时间等办法来解决,该措施可以防止浪费系统资源。
1.1.1.6初始化报文(establishindication)
MS收到立即指配命令后,通过对该消息的解码,如果认为随机鉴别符和缩减帧号值都符合要求,MS就会将本身的收发配置调整到指定信道上来,并按照BSC指定的TA值和初始化最大发射功率(为BCCH系统广播消息中的参数msTxPwrMaxCCH所定义的)开始传输信令。
MS在所分配上的新的SDCCH/TCH信道上所做的第一件事情是发送一个SABM帧建立异步平衡模式(服务接入点类别SAPI=0),目的是建立证实模式下的信令消息链路层连接。
在GSM规范中SABM带有一条信令报文即“初始化报文”,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,该消息中包含着第三层业务请求消息。
在标准HDLC协议中,SABM帧除了携带链路层所必须的消息外并不含有其它消息。
GSM与标准不一样的原因之一是为了对MS接收正确性的确认。
若两个MS同时发送报文内容完全一样的信道请求(这种概率在高负载时是存在的),BSS只会应答其中之一,而这两个MS却都可响应到所分配的同一个专用信道上。
针对这种情况就需要引入一个争抢判决的机制,规范采取的办法是,在小区收到SABM帧后就会不经过任何修改向MS发一个内容与SABM完全一样的UA帧(无编号证实),MS通过将它和本身所发送的SABM信息内容相比较,只有当完全一样时,才会继续接入,否则它就放弃这个信道,并重复立即指配程序,最后只有核对一致的MS留在这个信道上。
根据“信道申请”的原因不同,SABM携带的初始化报文可分为四种,分别是:
CM的业务请求(呼叫建立、短信息、附加业务管理等)、位置更新请求(正常位置更新、周期性位置更新、IMSI附着)、IMSI分离及寻呼响应。
所有这些报文都包括移动台的身份、更详细的说明接入的原因及移动台类别classmark(用来指示移动台的一些关键特性如传输功率等级、加密算法、短信息能力及频率容量)。
一旦BTS收到了SABM帧,它将向BSC发出一条“建立指示”(establishindication)的报文,在Abis接口这条消息是用来通知LAPDm连接已建立,是对立即指配消息的应答。
BSC收到“建立指示”消息后,就会向MSC发出第一条“三层业务请求”消息(completelayer3info),具体的说该消息为“位置更新请求”(LOCATIONUPDATEREQUEST)、“CM业务请求”(CMSERVICEREQUEST)、“寻呼应答”(PAGINGRESPONSE)及“IMSI分离”(IMSIDETACH)。
该消息中携带有SCCPCR(SCCP连接请求)、申请CM业务的原因(如移动主叫、紧急呼叫、位置更新、补充业务及短消息业务等)、密钥序列号、LAC、CI、该MS的一些物理消息(如发射功率等级、支持加密算法否、伪同步的能力及短消息的能力等)以及该MS的识别号。
尽管A接口的MTP连接在通话前已经建立,但对每个呼叫,在第二层上还要建立一个SCCP的连接。
该建立请求消息将在A接口上SCCP的请求建链消息(CR)中传递。
如请求被允许,A接口的第一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。
若无法建立SCCP的连接,MSC则发出“SCCP拒绝”(SCCPrefused)消息。
至此接入过程结束,MS与MSC之间的信令链路已经建立,MSC这时已能够控制RR管理的传输特性,且BSS处于监视传输质量和随时准备切换的运行状态。
接下来进入了MM层的连接过程中,网络可以根据需要来判断是否触发鉴权加密过程。
1.1.1.7立即指配程序中遇到的异常情况
1)若在主信令链路成功地建立之前,新信道上MS侧低层出现故障,则网络将已给MS分配的信道释放掉,且MS返回空闲模式下并开始进行小区重选。
接下来,MS的动作取决于故障类型和以前的动作:
如果发生故障是由于在争抢判决程序中信息字段不匹配,则重复进行立即指配程序。
如果发生故障是由于其他的原因或由于争抢判决而重复激发。
MS回到空闲状态(RR连接建立失败),处理中断并进行小区重选。
2)如果在接收到“立即指配”后,MS的可用信息不足以决定一个信道,则会发生RR连接建立失败。
3)在网络侧,如果在主信令信道建立之前T3101逾时,则释放新分配的信道并忘记原有请求。
注:
网络无法区分从MS来的最初尝试和重复尝试。
1.1.2鉴权加密过程
1.1.2.1鉴权程序
在MSC收到“三层业务请求”(completelayer3info)消息后,将向VLR发出“PROCESSACCESSREQUEST”的请求,要求进行鉴权加密程序,在鉴权加密程序完成之后,VLR将返回“PROCESSACCESSACCEPTED”消息。
此后MSC/VLR向移动台发送一条“鉴权请求”(Authenticationrequest)报文来触发鉴权程序,同时网络启动定时器T3260。
在鉴权请求消息中包含一个随机数(RAND)和CKSN号码,RAND共128bit。
MS在收到该报文后将向SIM卡发送一条包含RAND的“运行GSM算法”消息(RUNGSMALGORITHM),存在SIM卡上的用户密钥Ki与这个随机数经GSM规范的A3算法,产生一个32bit的应答数SRES。
与此同时,Ki和RAND经A8算法得出64bit的Kc,MS将它和密钥序列号(CKSN)写到SIM卡内的适当位置,以后按系统指令来决定是否激活加密传输。
在RR连接存在时,MS应随时响应鉴权请求消息。
MS通过一条“鉴权响应”(Authenticationresponse)报文将SRES送回系统。
当网络收到“鉴权响应”消息后,将停止T3260并检查其有效性。
因Ki值作为用户数据存在VLR或HLR中,在系统一侧也会进行与MS相同的A3和A8算法,产生一个SRES数和Kc存在VLR中。
于是系统将这两个SRES值相比较,若相同,则鉴权成功并允许接入网络,如图3-5所示。
之后MSC将继续触发加密过程;若不同则鉴权失败,系统会拒绝MS的继续接入。
至此,鉴权程序结束。
一般在MSC/VLR和HLR/AUC都可执行A3和A8算法,但MSC/VLR算起来比较麻烦,而HLR/AUC存有Ki值算起来简单的多而且可以很好的解决保密性和漫游的的问题,但却增加了HLR至MSC的信令量,因而每次计算,HLR/AUC都会将这三个结果值送到MSC/VLR(RAND、SRES和Kc),以备选用。
若鉴权失败,网络可根据用户识别来进行区分:
1、MS使用TMSI
若MS使用TMSI,网络可以启动识别程序。
网络判断MS给出的TMSI和与此对应的IMSI不相同,则重新开始鉴权。
2、MS使用IMSI
若MS使用IMSI或网络决定不采用识别程序,则“鉴权拒绝”应发往MS。
在发该消息之后,所有在进程中的MM连接应释放,网络启动RR连接释放程序。
在收到“鉴权拒绝”后,MS将SIM的状态设置为“漫游不允许”,删除存在的TMSI、LAI、密钥序列号,一直到关机或拨出SIM之前都认为SIM无效。
1.1.2.2加密程序
当鉴权过程结束后,MSC将向BSC发一条“加密命令”(BSSMAPCipheringModeCommand),在该消息中包含着密钥Kc。
BSC接着在主信令链路上向MS发送“加密模式命令”(RRCipheringModeCommand)来指示是否采用加密,如果采用,则应采用何种专用资源。
一旦MS接收到有效的“加密模式命令”消息,它将把SIM卡中存储的密钥传到移动设备中。
当已启动“加密模式命令”相应的动作,MS返回“加密模式完成”(RRCipheringModeCOMPLETE)消息。
如果在“加密模式命令”消息中的加密响应信息单元中“加密响应”字段规定“必须包括IMEI”,MS需在“加密模式完成”中包括它的IMEISV。
当网络接收到“加密模式完成”(RRCipheringModeCOMPLETE)消息,网络将启动在加密模式下的传送。
1.1.2.3TMSI再分配程序
该程序的作用是提供用户识别的保密性,即保护用户不被外来者识别或定位。
若识别保密性业务对一个IMSI有效,TMSI将被用于无线接口信令程序内的识别。
至少应在MS每次改变位置区时,必须执行TMSI再分配程序。
若网络中由MS提供的TMSI未知,如数据库发生故障则应由MS提供其IMSI。
此时在TMSI再分配程序之前应首先启动识别程序。
一般来说,在鉴权加密过程完毕之后,系统要向MS发出“CM业务接收”(CMSERVICEACCEPT)消息或“TMSI再分配命令”(TMSIreallocationcommand)的报文,同时启动定时器T3250。
在该消息中包含新TMSI和LAI。
当移动台在定位区内第一次注册时,就会将一个TMSI分配给移动台,当移动台离开这个定位区时将释放该TMSI号码。
MS收到TMSI的再分配命令后,将把所收到的TMSI和LAI存储在存储器内,并向网络发送“TMSI再分配完成”(TMSIreallocationcomplete)的报文。
无论当前MS使用的TMSI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,网络都可为MS重新分配一个TMSI。
TMSI的再分配程序一般是在加密完成之后,SETUP建立之前,这是为了将系统所分配给移动台的TMSI实现保密的作用。
对应于TMSI再分配命令,MS有一个回应的TMSI分配完成消息。
当网络收到TMSI再分配完成消息后,将停止T3250并认为新TMSI有效。
1.1.3呼叫建立过程
在以上过程完毕后,移动台才进入呼叫建立过程。
首先将由移动台向网络发出一个“建立”(SETUP)报文,该消息主要包括:
本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;被叫用户号码及被叫号码类型和编码方案;其中对于补充业务还可以包含各种附加的信息。
MSC收到SETUP消息后,就能够根据它来所提供的信息来进行呼叫接续,首先MSC将根据该消息向其VLR发送“出局呼叫消息”(MAPSENDINFOFORO/GCALL),VLR在收到该消息后,根据它在该MS位置更新过程中从HLR获得的用户数据消息,来分析被叫的号码(在VLR中有各种号码分类的信息,它会检查看是否有指向该号码的能力)和主叫用户本身的能力(根据主叫用户原来注册的业务是否支持本次呼叫的所需业务,如在拨打国际长途时则看是否有国际长途受限),以及网络本身的资源能力等等。
通过核对来确认是否能接纳这种请求,若某些项目不能通过,则向MS发出“释放完成”(RELEASECOMPLETE)的消息,呼叫建立就此失败,以后MS再将底层的信令连接释放掉,然后转入空闲状态;若可以通过,VLR则向MSC发回完成“呼叫能力查询”(MAPCOMPLETECALL)的报文。
若MSC认为可以建立起与对端的通信时,则向MS发出“呼叫进程”(CALLPROCEEDING)消息表示,表示它已将“呼叫建立”的请求收到而且不需要再接收其它的消息了。
1.1.4话音信道指配过程
小区内的信道改变可以通过上层请求改变信道类型,或由RR子层决定(如内部切换)。
该变化通过专用信道指配程序完成。
信道指配程序的目的是当MS处于同一个小区时用来修改MS的物理信道结构,而不需频率重定义和改变同步。
在MSC向MS发出“呼叫进程”(CALLPROCEEDING)消息后,接下来MSC将根据业务请求的需要向BSC发出“指配请求”(ASSIGNMENTREQUEST)消息,要求BSC来给此次呼叫分配TCH话音信道,在此消息中含有所请求信道的类型等内容。
由于MS通话必须在TCH信道上进行。
为此,网络将分配给MS一条TCH信道,分配方式与立即指配过程类似,不同点在于指配是由MSC的指配请求命令触发的。
BSC根据“指配请求”消息来激活相应的无线信道,并根据报文中指定业务的相应信息,确定该无线信道的类型。
BSC在收到MSC的“指配请求”后,如果发现有所需资源的话就会向BTS发出“激活信道”(ChannelActivation)的消息(包括信道、频率、时隙和跳频等内容)以激活相应的地面资源,若BTS将电路等资源准备好后,将会向BSC发出“信道激活证实”(channelactivationack)的报文。
若此时BSC无相应的地面资源则向MSC返回“无资源”(RESOURCEFAILURE)的消息,而系统允许排队的话(排队的方式要根据BSCQUEUEINGOPTION所指示的方法决定,有ALLOWED/MSC决定、FORCED/O&M驱使的、NOTALLOWED),则BSC向MSC发出“排队指示”(QUEUINGINDICATION)的消息,并将指配请求消息放入队列同时打开T11定时器,如定时器超时则向MSC发出“清除请求”(CLEARREQUEST)消息。
应注意立即指配请求、BSC内切换、BSC间切换是不许排队的,仅TCH资源请求(即指配请求和小区内部切换)允许根据内部优先级的的指示来按优先顺序给相应的请求分配在规定时间内被释放掉的信道,若排队长度或等候时间超出要求则请求将被拒绝。
在BSC收到BTS发出“信道激活证实”(channelactivationack)的报文后,将按照BTS所提供关于该信道的物理信息,将它放在“指配命令”(ASSIGNMENTCOMMAND)的消息中(该消息中包含着信道类别如话音/数据的指示、信道的速率和类别及话音解码算法和透明传输指示时器、分配优先级以及CIC电路识别码)。
此后通过信令信道发给MS。
在MS收到网络发来的“指配命令”(ASSIGNMENTCOMMAND)消息后,MS启动链路层连接的本端释放,断连物理信道,命令切换到分配的信道,启动低层连接建立,将收发信配置调整到该TCH信道上,通过FACCH信道向系统发出SABM消息。
同初始分配信令信道一样,在BTS收到SABM后,需再发回一条UA的证实帧来进行争抢判决。
FACCH利用的是TCH信道,唯一不同是将TCH突发脉冲的标识位由0改为1,这种形式被称为“偷帧”。
系统在收到SABM消息后,会向BSC发出“建立指示消息”(ESTABLISHINDICATION)。
经过判决,若MS认为已成功的占用了网络所分配的信道,将通过FACCH信道向系统发出“指配完成”(ASSIGNMENTCOMMPLETE)消息;若因无线接口失败、无线接口消息失败或因干扰和硬件问题无法识别指配信息等原因,造成MS无法占用该指定的信道,MS就在原信道上向系统发出“指配失败”(ASSIGNMENTFAILURE)的消息;若因干扰等原因MS未收到系统发给它的指配命令或系统未收到MS的响应,导致T3107逾时,则系统将所分配的信道释放掉。
在BSC收到“分配完成”的消息后,将一方面向MSC发出“指配完成”(ASSIGNMENTCOMPL
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