GSM 移动通信及协议栈.docx
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GSM 移动通信及协议栈.docx
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GSM移动通信及协议栈
GSM移动通信及协议栈
基础知识讲座
通信研究院
陈浩
1.信令基本概念
人们要通过交换机接通电话,必须通过交换机发出操作命令。
图1为两个用户通过两个端局进行电话接续的基本信令流程。
主叫发端交换机收端交换机被叫
启呼(摘机)
送拨号音
拨号信令
占用信令
选择信令
回铃音信令振铃信令
应答(摘机)
应答信令
通话
复原(挂机)
后向挂机信令
复原(挂机)
前向拆线信令
拆线证实信令
用户线信令局间信令用户线信令
图1电话接续基本信令流程
以上是最基本的信令流程,当接续需经过多个交换机时,实际的信令比图1要复杂得多。
这些信令的共同特点是:
每一个信令都促使交换机产生一个动作。
如摘机信令,话机叉簧闭合,构成直流回路。
在直流回路上有电流通过,可检测到摘机信令,交换机收到后,产生动作,向用户话机送拨号音,通过话机的受话器变成声音信号,送到受话人的耳朵。
因此除了通信时的用户信息(包括语音信息和非话务信息)以外的控制交换机动作的信号,就是信令。
eg
2.GSM通信系统概述
2.1系统的组成
GSM系统主要是由交换网络子系统(NSS)、无线基站子系统(BSS)和移动台(MS)三大部分组成的。
其系统框图如下:
MSBSSNSS
MSC/VLR
EIR
HLR/AUC
BTS
No.7BSSAPNo.7MAP
BSC
MSC/VLR
ANo.7MAP.TUPPLMN
PSTN
BTS
X.25No.7TUPISDN
Um
SC
(Air)Abis
OMC
X.25或NO.7
MS:
移动台BTS:
基站收发信台
BSC:
基站控制器OMC:
操作维护中心
MSC:
移动交换中心HLR:
归属位置寄存器
AUC:
鉴权中心VLR:
拜访位置寄存器
EIR:
设备识别寄存器SC:
短消息中心
图2GSM系统框图
A接口往右是NSS系统,负责呼叫控制功能,呼叫总是通过NSS连接的;它包括MSC、VLR、HLR、AUC和EIR。
A接口往左,Um接口往右是BSS系统,负责无线通道的控制,每个呼叫都通过它连接;它包括BSC和BTS。
Um接口往左是移动台部分,包括移动设备ME和客户识别码SIM。
2.2交换网络子系统
NSS主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。
NSS由一系列功能实体所构成,各功能实体介绍如下:
MSC:
是GSM系统的核心,是对位于它所覆盖区域中的MS进行控制和完成话路(TCH)交换的功能实体,也是移动通信与其它公用通信网之间的接口(GMSC)。
它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能,还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理(RR)、移动性管理(MM)和连接性管理(CM)等。
另外,为建立呼叫路由,每个MSC还能完成入口MSC(GMSC)的功能,即查询位置信息的功能。
VLR:
是一个数据库,是存储MSC为了处理所管辖区域中MS(统称拜访客户)的来话、去话呼叫所需检索的信息,如:
客户的号码,所处位置区域(LA)的识别,向客户提供的服务等参数。
通常VLR是和MSC集成在一块的。
VLR中,用户数据是被暂时存储的。
当用户移动至另一个VLR/MSC区时,用户数据将从旧的VLR中删除,并存储到新的VLR中。
HLR:
也是一个数据库,是存储管理部门用于移动客户管理的数据。
每个移动客户都应在其所属的HLR中注册登记,它主要存储两类信息:
一是有关客户的参数;一是有关客户目前所处位置的信息,以便建立至MS的呼叫路由,如:
MSC、VLR地址等。
HLR以永久的方式存储用户的基本数据。
在HLR中,唯一变化的数据是用户的当前位置(VLR地址)。
AUC:
用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需的鉴权、加密三参数(RAND、SRES、Kc)的功能实体。
EIR:
也是一个数据库,存储有关ME的参数。
重要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能,以防非法ME的使用。
(注:
在我国尚未启用这项功能服务)
2.3无线基站子系统
BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制,与MS进行通信的系统设备,它主要负责完成无线发送接收机和无线资源(RR)管理等功能。
功能实体可分为BSC、BTS和码形转换器(TC)。
BSC:
具有对一个或多个BTS进行控制的功能,它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等,是很强的业务控制点。
BTS:
无线接口设备,它完全由BSC控制,主要负责无线传输,完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。
TC:
在Air接口,传输媒介承载的是无线频率,但是通常存在大量PSTN与PLMN之间的通话,话务信号也要通过固定网传输。
为了使得数字话音信息在无线空中接口上的有效传输。
数字语音信号被压缩至13kbit/s(全速率)或6.5kbit/s(半速率)。
然而在PSTN中的话音的标准速率为64kbit/s,因此必须在网络中提供从一种速率到另一种的转换。
这就是所谓的代码转换器(TC)。
2.4移动台
移动台(MS)就是移动客户设备部分,它由两部分组成,移动终端(ME)和客户识别卡(SIM)。
ME:
就是“机”,它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收等功能。
SIM:
就是“人”,存有认证客户所需的所有信息,用户的识别号码,申请的业务目录和适用的网络。
并能执行一些与安全保密有关的重要信息(即包含鉴权和加密所需的信息),以防止非法客户进入网络。
SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据,只有插入SIM卡后ME才能接入进网。
2.5操作维护子系统
GSM系统还有个操作维护子系统(OMC),它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。
通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。
3.GSM网的呼叫建立
3.1编号规则
1.移动用户国际ISDN码(MSISDN)
MSISDN=CC+NDC+SN
MSISDN号码是指主叫客户为呼叫PLMN中客户所需拨的号码。
(用于查询HLR)
CC:
国家代码,我国为86;
NDC:
国内目的代码,即网路接入号,中国移动为135~139,中国联通为130。
SN:
用户号码,指向HLR中数据库的项。
中国移动的SN号码结构为:
H1H2H3ABCD,其中H1H2H3为每个移动业务本地网的HLR号码,ABCD为移动客户码。
中国联通的SN号码结构为H1H2ABCDE,其中H1H2是每个移动业务本地网的HLR号码,ABCDE是移动客户码。
2.国际移动客户识别码(IMSI)
IMSI=MCC+MNC+MSIN15位
为了在无线路径和整个GSM移动通信网上正确的识别某个移动客户,就必须给移动客户分配一个特定的识别码。
这个识别码就是IMSI号,用于GSM移动通信网所有信令中,这样用户就可以在PLMN中进行登记。
IMSI号存储在SIM卡、HLR和VLR中。
MCC:
移动网国家代码,3位,我国为460。
MNC:
移动网代码,2位,中国移动为00,中国联通为01。
MSIN:
移动用户识别码,10位。
3.临时移动客户识别码(TMSI)
为了对IMSI保密,MSC/VLR可给来访的移动客户分配一个唯一的TMSI号码,即为一个由MSC自行分配的4bytesBCD编码,仅限在本MSC业务区内使用。
4.移动客户漫游号码(MSRN)
MSRN=CC+NDC+SN
被叫客户所归属的HLR知道该客户目前是处于哪一个MSC/VLR业务区,为了提供给入口MSC/VLR(GMSC)一个用于选路由的临时号码,HLR请求被叫所在业务区的MSC/VLR给该被叫客户分配一个MSRN,并将此号码送至HLR,HLR收到后在发给GMSC,GMSC根据此号码选路由,将呼叫接至被叫客户目前正在访问的MSC/VLR交换局。
路由一旦建立此号码就可立即释放。
CC:
被访国家代码。
NDC:
国内目的代码(服务的网络)。
SN:
用户号码,是一临时与IMSI相关的内部号码,指向VLR中的数据库项。
5.位置区识别码LAI
LAI用于移动客户的位置更新,具有全球唯一性。
LAI=MCC+MNC+LAC
MCC:
移动客户国家代码,同IMSI中的前三位数字。
MNC:
移动网号,同IMSI中的MNC。
LAC:
位置区代码,为2bytesBCD编码,表示为X1X2X3X4。
在一个GSMPLMN网中可定义65536个不同的位置区。
6.切换号码HON
HON是当进行MSC间越局切换时,为选择路由,由目标MSC(即切换要转移到的MSC)临时分配给移动客户的一个号码。
此号码为MSRN号码的一部分。
HON=CC+NDC+SN
7.HLR号码
HLR号码代表HLR的地址。
中国移动GSM网中的HLR号码结构是客户号码为全0的MSISDN号码,即:
1390H1H2H30000。
8.MSC/VLR号码
MSC/VLR号码代表MSC的地址。
中国移动GSM网中的MSC/VLR号码结构为1390M1M2M3,其中M1M2的分配同H1H2的分配。
9.全球小区识别码CGI
CGI是用来识别一个位置区(LA)内的小区。
CGI=MCC+MNC+LAC+CI=LAI+CI
CI:
小区识别码。
10.基站识别码BSIC
BSIC是用于识别相邻国家的相邻基站的,为6bit编码。
BSIC=NCC+BCC
NCC:
国家色码,主要用来区分国界各侧的运营者(国内区别不同的省),为XY1Y2。
X:
运营者(移动X=1,联通X=0)
Y1、Y2:
分配见下表:
Y1
Y2
0
1
0
吉林、甘肃、西藏、
广西、福建、湖北、
北京、江苏
黑龙江、辽宁、
宁夏、四川、海南、江西、天津、山西、山东
1
新疆、广东、
河北、安徽、上海、贵州、陕西
内蒙古、青海、云南、河南、浙江、湖南
BCC:
基站色码,识别基站,由运营商设定。
11.国际移动台设备识别码(IMEI)
唯一的识别一个移动台设备的编码,为一个15位的十进制数字。
IMEI=TAC+FAC+SNR+SP
TAC:
型号批准码,由欧洲型号认证中心分配,6位。
FAC:
工厂装配码,由厂家编码,表示生产厂家及其装配地,2位。
SNR:
序号码,由厂家分配。
识别每个TAC和FAC中的某个设备的,6位。
SP:
备用,1位。
3.2GSM网的呼叫建立
3.2.1固定客户至MS呼叫
1.固定网的用户拨打一个移动电话号码。
拨打的号码就是MSISDN。
2.PSTN交换机分析被拨打的号码。
分析的结果就是寻找被叫注册的PLMN所要求的路由信息。
PSTN在NDC的基础上识别移动网,之后它通过最近的网关移动业务交换中心(GMSC)接入移动网。
3.GMSC以PSTN交换机的同样方式分析MSISDN。
作为分析的结果,它获得用户永久注册的HLR地址。
注意:
GMSC本身并不拥有被叫的任何位置信息。
用户的位置只能由HLR和VLR两个数据库确定。
然而,此时,GMSC仅知道HLR地址,所以它发送一个消息(其中包含了MSISDN)给HLR。
实际上,该消息就是为了建立呼叫而对被叫的位置进行查询请求,称之为“HLREnquiry”。
4.HLR分析信息。
它根据MSISDN识别被叫,然后检查它的数据库确定用户位置(结合IMSI)。
注意:
每次用户从一个VLR区移动至另一VLR区都会通知HLR,即HLR知道用户当前登记在哪一个VLR区。
应该指出,HLR并不处理话务。
话务连接需要两个能够提供话音连接的网络单元。
语音连接是网路服务的一种业务,而且只能由MSC处理。
因此,建立话务连接需要两个MSC,第一个MSC是与PSTN交换机相连的网关MSC。
对于建立连接,HLR在GMSC和目的地MSC之间扮演一个协调者的角色。
PSTN/ISDNGMSCHLRVLRMSCBSCMS
LAM
发送路由信息
(MAP)提供漫游号码
(MAP)
路由信息证实(MAP)
(MAP)
LAM漫游号码
发送信息
鉴权寻呼
(BSSMAP)寻呼请求
信道请求
立即分配
SCCP-CRSABML2
(寻呼响应)(寻呼响应)
(BSSMAP)(寻呼响应)L2
SCCP-CC
鉴权请求
鉴权响应
鉴权响应
信息证实加密模式命令
加密模式命令
加密模式完成加密模式完成
TMSI再分配
TMSI再分配完成
建立
呼叫证实
PSTN/ISDN指配请求指配命令
指配完成指配完成
ACM
提醒
CEV
连接
ANM
连接证实
数据流
图3MS终结呼叫流程图
5.HLR查询当前服务于被叫的MSC/VLR。
为什么我们需要先查询而不是马上连接呢?
首先,移动台的当前状态存储在VLR数据库中,我们需要知道状态以避免为一已关机的用户建立连接。
其次,我们需要知道可使GMSC将呼叫路由至可能是世界上任一地方的最终MSC的这类信息。
6.根据呼叫路由,提供服务的MSC/VLR就是呼叫的目的地。
这意味着我们必须通过以下的过程将呼叫路由出去:
收到来自HLR的信息后,当前服务的MSC/VLR产生一个临时的移动台漫游号(MSRN),并把它和IMSI相关起来。
漫游号用于呼叫的连接。
MSRN不仅识别用户,它也指向它本身的交换机。
因此如果中间有多个交换机的话,它们根据MSRN知道如何把呼叫路由到哪儿去。
由于漫游号是临时的,呼叫建立后,它亦可用于确立另一个呼叫连接。
7.MSC/VLR把漫游号送至HLR。
由于MSRN仅用于话务事务处理,HLR并不分析它。
并且由于HLR只是一个帮助用户的定位和协调呼叫建立的数据库,并不处理话务。
因此HLR只是简单地把MSRN转发给最初开始发起这个过程的GMSC。
8.GMSC接收包含MSRN的消息,并分析漫游号标识被叫的位置,因此分析的结果是识别呼叫目的地,即服务的MSC/VLR的呼叫路由。
9.路由处理的最后阶段是由服务的MSC/VLR完成的。
事实上服务的MSC/VLR也要接收漫游号,它知道这不是一个新呼叫,但是一个即将在这儿结束的,即一个已经分配了MSRN的呼叫。
通过检查VLR,识别出号码,找到被叫。
如何找到被叫呢?
由于我们并不知道用户的确切位置,在整个VLR业务区内搜索似乎不可避免。
这可能是一个地域广阔的区域,显然这样搜索很费时。
eg除非这个区域被划分成较小的区域。
因此,MSC/VLR区被划分成较小的区域,它们被称为位置区域(LA)并由MSC/VLR管理。
每个MSC/VLR包含若干个位置区。
我们可以定义一个LA作为我们在其中搜索用户的区域。
每个LA由LAI识别。
注意:
BSC区和LA之间并没有关系。
LA的目的是方便寻呼处理(寻找用户)。
而BSC区与话务连接和无线资源有关。
10.现在我们已经知道用户所属的LA,可以开始对其进行搜寻。
为了找到该用户,我们在位置区内启动一个寻呼过程。
寻呼是由LA向所有小区发出的一个信号。
LA内所有的MS都收到寻呼信号,但只有其中一个判断出识别码并作出应答。
应答的结果是建立一个点到点的连接。
现在两个用户连接在一起。
并且可通过网络通话。
3.2.2MS至固定客户呼叫
1.在服务小区内,一旦移动客户拨号后,MS向BS请求随机接入信道。
2.在MS与MSC之间建立信令连接的过程。
3.对MS的识别码进行鉴权。
如果需要加密则设置加密模式等,进入呼叫建立的阶段。
4.分配业务信道的过程。
5.采用No.7的ISUP/TUP,建立与固定网至被叫客户的通路,并向被叫客户振铃,向移动台回送呼叫接通证实信号。
6.被叫客户取机应答,向MS发送应答连接消息,最后进入通话阶段。
4.GSM关键技术
4.1协议栈体系结构
下图为协议栈体系结构的一个模型:
图4协议栈体系结构
从上图我们可以看出,整个协议栈分为三层:
PhysicalLayer(L1),DataLinkLayer(L2)和网络层(L3)。
这三层所提供的功能如下:
L1:
提供一定数量的物理信道、定义不同信道间的组合方式、数据块的组成、多址接入方式和时隙结构、跳频能力、编码和交织方式、调制解调技术、信号的发送和接收、功率控制、接收机在时间和频率上的同步、切换和质量监测、小区选择和重选过程中的测量、语音业务信道上的自适应帧的编解码模式。
L2:
a)在一个Dm信道(控制信道)上提供一个或多个数据链路连接,各个数据链路连接之间由DLCI(datalinkconnectionidentifier)来区别;
b)能够进行帧类型的识别;
c)能够与L3实体间透明传送L3消息单元;
d)能够进行顺序控制,以维护数据链路连接上传输的帧的有序性;
e)能够检测数据链路上发生的格式和操作错误;
f)把不可恢复的错误向L3实体报告;
下图显示了L2和L3层之间的关系以及L3的具体结构:
从图中我们可以看出L3主要包括三个功能实体RR(RadioResource)、MM(MobilityManagement)和CM(ConnectionManagement)。
PD:
ProtocolDiscriminatorTI:
TransactionIdentifier
图5MS端的L3协议结构
由这张图我们还可以看出:
1.L2和L3之间有两个业务接入点标识:
a)SAPI0:
它支持信令信息的传输;
b)SAPI3:
它支持用户短消息的传输;
2.层和层之间,以及子层和子层之间:
a)应能将上一(子)层的message传递给下一(子)层;
b)应能将下一(子)层的message传递给邻近的上一(子)层,要使用到PD;
3.路由功能要使用到PD来实现,PD是消息头的一部分。
4.如果出现具有相同功能块的并行实体,CM子层还定义了TI,它也是消息头的一部分,在选择路由的时候同样要用到:
a)RR根据message中的PD,把上一层传来的消息分配到实际的信道配置中,或合适的SAP;
b)根据PD,RR把不同SAP处的message发送到各个子层(RR、MM、CM),但发送到上层(MM、CM)要通过RR-SAP;
c)MM根据PD或TI,把message发送到MM或CM,发送到CM要通过MM-SAP;
d)RR和MM的路由功能在把message传输到最近的SAP之前,不会对message作任何改变。
5.通过利用下(子)层所提供的服务,MS和网络的同一(子)层中的对等实体根据相应(子)层的协议相互交换信息。
6.RR、MM子层各有一个协议,CM子层的每一个功能实体(CC、SS、SMS)各有一个协议。
4.2协议文档总结
GSM技术规范:
01_serieGSMPLMN概述
02_serie业务stage1
03_serie网络功能&业务stage2
04_serieL3即air接口&stage3
05_serie无线路径L1和系统
06-serieHR、FR、EFR&AMR话音处理功能
07_serie终端适配功能
08_serieBSC-BTS、BSS-MSC接口
09_serie交互工作&某些接口上的信令应用
10_serie业务、计划、项目特征
11_serie设备、型号批准规范
12_serie运行和维护
13_serie接入附着要求
4.3工作频段的分配
在移动通信网内,传输连接的一部分使用无线链路,另一部分使用2Mbit/sPCM链路。
无线传输被用于MS和BS之间,并且必须通过网络的剩余部分进行调整以适于在2Mbit/sPCM上传输。
无线链路是连接的最脆弱部分,并且需要做大量的工作以确保高质量和可靠运行。
这将在后文中分析。
1.工作频段
GSM900MHz频段:
890~915(MS发、BS收,即为上行链路)
935~960(BS发、MS收,即为下行链路)
DCS1800MHz频段:
1710~1785(MS发、BS收,即为上行链路,)
1805~1880(BS发、MS收,即为下行链路)
上行链路和下行链路中不同频率的同时使用使得通信有发射(TX)和接收(RX)两个方向。
无线载波频率总是成对的安排。
两者(上行—下行)之间的差别称为双工频率,GSM中的双工频率为45MHz。
2.频道间隔
频率范围被分为一个个载波,相邻两载波(频道)间隔为200kHz。
每个频道采用时分多址接入(TDMA)方式,分为8个时隙,即8个信道(全速率)。
每个信道占用带宽200kHz/8=25kHz。
在GSM900和PCS1800中,最低和最高信道不使用以免与使用相邻频率的业务相互干扰。
GSM900中的总载波数为124,而PCS1800则为374。
3.干扰保护比
载波干扰保护比(C/I)就是指接收到的希望信号电平与非希望信号电平的比值,此比值与MS的瞬时位置有关。
这是由于地形不规则性及本地散射体的形状、类型及数量不同。
以及其它一些因数,如:
天线类型、方向性及高度,站址的标高及位置,当地的干扰源数目等所造成的。
GSM规范中规定:
同频道干扰保护比:
C/I≥9dB
邻频道干扰保护比:
C/I≥-9dB
载波偏离400kHz时的干扰保护比:
C/I≥-41dB
4.4空中接口上的传输
4.4.1FDMA和TDMA
GSM网的无线传输是基于数字技术的。
GSM的数字传输采用两种方案实现,这就是所谓的频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)接入方式。
FDMA是指每个基站被分配不同的无线频率信道。
在相邻小区(或相同小区)的移动电话能够同时(但根据频率被分割)操作。
TDMA是在多个用户之间,通过为每一个用户分配一个特定的时间(称为时隙)共享资源的方法。
在这种系统中,每个用户只在分配的时隙中接收或发射信息突发脉冲序列(burst),只有当用户完成呼叫的建立时,这些时隙才被分配给语音,而且有些时隙被用于提供呼叫间的信令和位置更新。
4.4.2物理信道和逻辑信道
eg时分多路访问(TDMA),将一无线频率信道分成连续的时间段,每个被称为“TDMA帧”。
每个TDMA帧包含8个更短的时间段,就是所谓的“时隙(Timeslot)”。
TDMA时隙被称为“物理信道”(PhysicalChannel),被用于物理的将信息从一个地方送至另一个地方。
MS和BTS之间的无线载波信号被分成连续的时隙流,接下来在一连续的TDMA帧中被传送。
如果TDMA帧的时隙代表物理信道,那么有关内容是什么?
物理信道的内容根据它们的性质不同(逻辑作用不同)可分为
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