信令讲义

GSM无线子系统信令

目录

一、BSS系统中的信令应用 (2)

二、BSS系统的信令模型 (3)

四、各层信令在BSS系统中的作用 (6)

四、移动主叫流程................. 错误！未定义书签。

五、移动被叫流程 (22)

七、位置更新流程 (29)

八、小区内切换流程 (33)

九、小区间切换流程 (35)

十、外部切换流程 (38)

十一、定向重试流程 (41)

一、BSS系统中的信令应用

作为GSM移动通信系统，主要实现一种任何时间、任何地点、任何通信对象之间的通信。那么在这样一个通信过程中，通信对象之间不仅要传送对通信对象有用的语音及数据，还包括一些信令。在BSS系统中，涉及到的信令如图 1，其主要内容有：

●七号信令（NO.7）：在MSC和BSC之间传送；

●D信道的链路接入规程（LAPD）：在BSC和BTS之间传送；

●Dm信道的链路接入规程（LAPDm）：在BTS和MS之间传送。

图 1 BSS系统中的信令应用

二、BSS 系统的信令模型

2.1 概述

在GSM 移动通信系统中，BSS 系统的信令模型采用了一般的OSI 七层协议中的低三层协议，从低到高依次包括：

● 第一层（L1）：物理层 ● 第二层（L2）：链路层 ● 第三层（L3）：网络层

BSS 系统的信令模型如图 2。

图 2 BSS 系统信令模型

B T S

M S B SC M SC

L 1

L 2L 3

其中各层协议的含义如下：

LAP_Dm：Dm信道的链路接入规程

RR：无线资源管理

CM：通信管理

SMS：短消息管理

SS：补充业务管理

CC：呼叫管理

MM：移动管理

LAPD：D信道的链路接入规程

BTSM：BTS管理部分

MTP：消息传送部分

SCCP：信令连接和控制部分

BSSMAP：BSS管理应用部分

DTAP：直接传递应用部分

2.2物理层

物理层主要负责物理数据单元的无错传送。在物理层上，定义了传输路径上的电气特性。

在一般系统中， BTS与MS之间的Um接口的物理层采用无线路径，在BTS与BSC之间的Abis接口的物理层采用在不均衡的75Ω同轴电缆或120Ω双绞线上的2048bps的CEPT数据流。

2.3链路层

在链路层上，主要功能有：帧传递、无错传送以及通过物理层实现两连接实体之间的比特传送。在链路层上的任务主要是建立、维持和释放两连接实体之间的连接。

在GSM中，BTS与MS之间的Um接口的数据链路层通过LAPDm（Dm信道的链路接入规程）实现；BTS与BSC之间的Abis接口的数据链路层通过LAPD（D信道的链路接入规程）实现。

2.4网络层

网络层主要用于建立端到端的连接，并实现寻址和选择路由功能。在网络层上，它主要负责通过一个任意的网络拓扑结构从目的地取得消息。

在GSM中，网络层可以被分为三个子层：CM层（连接管理层）、MM层（移动管理层）和RR层（无线资源层）。

无线资源层（RR）为移动管理层（MM）提供了一些服务，无线资源层的主要作用包括建立、维持、释放物理连接（比如无线的业务和控制信道）。无线资源层的一些主要功能在BSC中实现，但部分功能在BTS中实现。

移动管理层（MM）主要用于在网络中的用户设备的注册和用户的鉴别，移动管理层的功能在MSC 一侧实现。

连接管理层（CM）是GSM信令模型中的最高一层，这个我们可以从它在信令模型中的位置可以很清楚的看到（在MSC和MS的信令模型结构的最高层）。在GSM系统中，无线资源层是与用户之间一个基本的接口。

连接管理层又可以被分为三个子层：CC（呼叫控制），主要负责呼叫的建立、维持和释放；SS（补充业务）；SMS（短消息业务）。

三、各层信令在BSS系统中的作用

3.1 无线资源层（RR）

无线资源层（RR）主要负责无线资源的管理和分配。无线资源层的消息从BTS传送至MS上相应的层，虽然这些消息在Abis接口上出现，但是它们可能包含在更低层的结构中。下面我们来看看在RR层上的一些消息，具体如表 1：

表 1 RR层的消息列表

3.2 移动管理层（MM）

移动管理层（MM）在MS和MSC中实现。移动管理层（MM）主要用于在网络中的用户设备的注册和用户的鉴别，在其它处理中，MM参与到位置更新、鉴权、TMSI再分配等过程中。下面我们来看看在MM层上的一些消息，具体如表 2：

表 2 MM层的消息列表

3.3 呼叫控制（CC）

在一般的呼叫建立过程中，在Abis接口上生成消息的最后一层是在连接管理层（CM）中的子层呼叫控制（CC）中实现的。呼叫控制主要负责呼叫的建立、维持和清除。在CM中的其它两个子层是SS（补充业务）和SMS（短消息业务）。下面我们来看看在CC子层上的一些消息，具体如表 3：

表 3 CM层中CC子层的消息列表

3.4 BTS管理层（BTSM）

BTS管理层（BTSM）主要负责控制BTS的一些操作。从RR层来的消息要发送到MS，必须要以一定的消息类型来发送，这个消息类型就是BTSM中的数据请求消息；同样，从MS来的第三层要发送到BTS，也必须要以一定的消息类型来发送，这个消息类型就是BTSM中的数据指示消息。下面我们来看看在BTSM层上的一些消息，具体如表 4：

表 4 BTSM层的消息列表

3.5 BSS 应用层（BSSAP）

BSSAP层被分为两部分：BSS管理应用部分（BSSMAP）和数据直传应用部分（DTAP）。其中，BSSMAP 部分负责MSC与BSS之间的通讯，DTAP部分负责MSC与MS上的MM层和CM层之间的消息传递。

DTAP消息将会在CM和MM部分进行处理。对于BSSMAP消息，由于大多数消息仅仅用于MSC与BSC 之间的通信，或在传递至BTS或MS之前已经被BSC改变了消息格式，因此，这部分消息将不会在Abis接口上看到。下面我们来看看在BSSAP层上的一些消息，具体如表 5：

表 5 BSSAP层的消息列表

3.6 LAPD协议

LAPD用于BTS与BSC之间的Abis接口上的链路层。LAPD消息一般由一些固定的帧组成，而且这些帧都会形成它自己的帧结构以便在消息传递双方传递数据。LAPD上的帧结构有三种：信息帧、监视帧、未编号帧。下面我们来看看在GSM中LAPD用到的一些帧类型。

SABME帧

当建立LAPD连接时，SABME帧一般是第一个被传递的帧。当发送完SABME帧之后，开始多帧证实模式。当接收端收到SABME帧以后，以前没有被证实的帧将会被忽略。DISC帧被用于停止多帧的证实模式。

UA帧

当收到SABME帧或DISC帧以后，接收端将发送一个UA帧作为响应，以告诉发送端，刚才发送的SABME帧或DISC帧已经被接收端接收。

I帧

当接收方已经被证实以后，I帧被用于传送信息帧。在I帧中，也可以包含一些先前接收帧的证实。

RR帧

RR帧主要用于指示让接收端准备去接收一个I帧，同样，RR帧也可以对先前接收帧进行证实。

UI帧

UI帧主要用于发送一些不需要接收端进行证实的消息帧。比如在LAPDm上的系统消息的广播就是一个UI帧。

SAPI&TEI

对每一层而言，都采用它的低层提供的业务去完成它自身的任务；同时，它又为它的高层提供业务。层与层之间的业务通过业务接入点（SAP）来实现。业务接入点指示（SAPI）由6个比特组成，它指示了在单元接入数据链路中的接收实体的地址。在数据链路的两端（BTS和BSC）采用相同的SAPI值。下面看一下SAPI的一些具体含义：

SAPI=0 无线信令

SAPI=3 短消息业务

SAPI=62 操作与维护、建链

终端设备识别（TEI）由7个比特组成，它指示了接入一条链路的地址。由于在大唐的DM系列基站设备中，采用了6个TRX共用一条LAPD链路的方式。因此，简单起见，采用TEI=TRX号。

四、移动主叫流程

图 3 移动主叫流程图

4.1 信道要求

MS 通过动态地在RACH 信道（随机接入信道）上发送一个随机接入脉冲向一个（BTS ）基站收发信台申请一条信道。在信道请求消息中包括了建立的原因，这个原因可能是“寻呼响应”、“紧急呼叫”、“移动主叫”、“短消息业务”或“其他”，比如“位置更新”。此外，这条消息还包括随机参数，移动台（MS ）随机的选5个比特作为随机参数。这些参数的作用是：当两个移动台同时接入网络时，网络能运用这些参数来区分这些移动台。

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4.2 信道请求

基站收发信台向基站控制器发一条申请信道消息。通过这条消息，基站收发信台进一步向基站控制器传递由移动台发起的信道请求。实际上，信道请求消息中除了包含信道要求消息中的一些消息外，还包括通过基站收发信台加入的一些消息。请求参考单元直接从信道要求消息中来，初始时间提前量（接入延迟）由基站收发信台加入到这条消息中去。

4.3 信道激活

收到从基站收发信台发来的信道请求消息后，基站控制器开始按照一定的条件为此次呼叫寻找和分配SDCCH信道，同时基站控制器向基站收发信台发送一条信道激活消息。其中最重要的是：分配给哪个基站收发信台以及此SDCCH的信道组合。此消息中包含的参数有：DTX控制、信道的ID （识别）、信道描述和移动分配、移动台和基站的最大功率电平、基站控制器计算的有关此次接入的初始时间提前量等。

4.4 信道激活证实

这是对信道激活消息的应答。当基站收发信台收到这条消息后，它开始在SACCH信道发送和接受消息。

4.5 立即指配命令

基站控制器告诉基站收发信台关于被使用的SDCCH信道。

4.6 立即指配

基站分系统通过AGCH信道告知移动台有关使用的SDCCH信道的情况。实际上，这条消息是一条从网络向移动台发送的从AGCH信道转到先前定义的SDCCH信道工作的指令。在这条消息中，包括的参数有：寻呼模式、SDCCH信道描述、随路SACCH、跳频，如果应用了跳频，则还应包括请求参考（与建立原因相同）、初始时间提前量和频率分配。

4.7 CM业务请求

移动台向网络发送CM业务请求，目的是为连接管理子层实体申请一项服务，比如，电路交换连接建立、补充业务激活或短消息传送。

4.8 CM业务请求（建立指示）

基站收发信台通过返回建立指示消息确认立即指配命令。建立指示消息有两种用途。首先，建立指示消息从基站收发信台的角度出发，指出移动台目前正在SDCCH信道上。这样，基站收发信台向基站控制器发一消息，指示现在移动台的CM业务请求正在所描述的这种SDCCH信道上传送。另外，基站收发信台将识别这一连结并把接收到的第3层的消息加入到这条消息中。

4.9 CM业务请求

这条CM业务请求消息被送往移动交换中心。

4.10 UA

当在LAPDm协议中建立第2层级别链路时，UA是正常情况下第2层级别的确认。

4.11 鉴权请求

作为CC（连接证实）消息，移动交换中心发送一条鉴权请求消息给BSC。这条消息包括随机数RAND。

4.12 鉴权请求

BSC通过BTS把消息传送给MS。

4.13 鉴权响应

MS以带符号的响应SRES来响应鉴权请求。鉴权响应通过BTS被送往BSC。

在MS鉴权过程中，使用两种算法A3和A8。这些算法和32位数字密钥被存储在SIM卡中。当网络申请移动台的鉴权，AUC/VLR发送32位十进制随机数字给MS。MS接着计算带符号的响应（SRES）并把它回送给VLR。VLR把接收到的SRES和从先前AUC的鉴权组内部接收到的SRES作比较。如果这些SRES相同，鉴权成功，MS可以继续呼叫。

你可以注意到，KI的前8个数字被用来鉴权和SRES算法，剩下的24个数字被保留用作密钥算法。

4.14 鉴权响应

为了完成鉴权过程，从MS来的SRES的值在消息内部被送回VLR。

4.15 加密模式命令

MSC要求BSC从无线通路开始加密。假如网络想要在无线接口开始加密，需要在A接口发送消息。如果网络使用加密，那么MS在接收到此消息以后开始加密。

4.16 加密命令

BSC把加密消息储存到它的存储器中然后向BTS发送一个加密命令来发起加密模式操作。

4.17 加密模式命令

BSS告知MS加密的初始，开始接收被加密模式。

4.18 加密模式完成

MS确认加密命令。

4.19 加密模式完成

如果加密被使用，那么这是在空中接口中的第一条加密的消息。BSS确认加密命令，通知MSC移动台已经开始加密并开始以加密模式发送消息。

4.20 TMSI再分配命令

TMSI再分配的目的是提供身份的保密性。TMSI的再分配通常至少在每次位置更新时执行。MSC通过发送TMSI再分配命令消息给MS发起TMSI再分配过程。TMSI再分配命令消息包括TMSI与由网络分配的LAI的组合；或者如果正在使用的TMSI将被删除，就包括一个LAI和IMSI。通常，通过应用加密模式的RR连接， TMSI再分配命令被送往MS。

4.21 TMSI再分配命令

TMSI再分配命令被送到MS。

4.22 TMSI再分配完成

当MS接收到TMSI再分配命令消息后，把LAI储存在SIM卡中。如果接收到的身份识别是MS的IMSI，它就把先前储存的TMSI删除。如果接收到的身份是TMSI，MS把它存储在SIM中。在这两种情况下，MS将发送一条TMSI再分配完成消息给网络。

4.23 TMSI再分配完成

TMSI再分配完成消息送往MSC。

4.24 建立

在鉴权，识别，加密后，MS处在SDCCH信道上，准备开始真正呼叫建立信令。MS发送一建立消息给BSC，再被送到MSC。

4.25 建立

BSC向MSC发送建立消息来告知MSC将要执行的呼叫。

4.26 呼叫进程

MSC对建立消息的响应。

4.27 呼叫进程

当MS的呼叫控制实体接收到呼叫进程消息后，就进入“移动主叫进程”状态。

4.28 指配请求

这条消息开始了TCH（话音信道）的分配。在A接口，MSC是主控者，它为A接口上的这次呼叫寻找一个可使用的电路。这条消息根据GSM规范包括了一些可选项。这些可选项是：呼叫的优先权、下行的不连续传输（DTX）、无线信道的识别和可用的干扰带。

4.29 信道激活

在BSC内部的信道保存和分配之后，它通过发送这条消息给BTS来激活TCH信道。消息内容主要包括：信道号、激活的类型、信道模式（DTX/NO DTX）、信道类型（话音/数据：如果是话音，则包括GSM编码算法，如果是数据，则包括信道中消息是透明还是不透明的以及数据速率）、信道识别、接收到消息的加密消息、BTS和MS的功率等级和时间提前量。

4.30 信道激活证实

BTS返回目前TDMA帧号，然后通过Abis接口激活TCH。

4.31 分配命令

BTS进一步把收到的消息发送给MS。消息内容主要包括：信道描述、功率级别、小区信道描述、信道模式（全速率/半速率）和移动分配。

4.32 SABM（设置异步平衡模式）

这是一条第二层的消息，包含一些第三层消息，包括业务请求，加蜜键序列，移动台级别和移动标识。

4.33 建立指示

建立指示消息有两个用途。第一，此时应用建立指示消息，可以让基站收发信台知道移动台目前正在FACCH信道上，这样，基站收发信台可以向基站控制器发送消息，指示移动台现在正在使用的FACCH信道的情况。第二，BTS识别此链路为主信令信道并且将收到的第三层消息加入建立指示消息中，这第三层消息来自于MS。

4.34 UA

UA通常是建立第二层LAPDm链路时的第二层确认。

4.35 指配完成

这条消息由移动台发送给网络以指示移动台已成功建立TCH。

4.36 指配完成

BSS向MSC证实获取TCH信道。

4.37 信道释放

使正在使用的SDCCH停止活动。这个消息是由BSC发向MS的。另外，它也被称为“第三层的断链消息”。在正常的呼叫建立情况下，呼叫原因为“正常”。

4.38 去活SACCH（慢速随路控制信道）

BSC向下行发送这个消息，BSC禁止向MS传送系统消息。事实上，此时已经没有在SACCH上接收/ 发送任何消息的必要了，因此它将被去活。

4.39 释放指示

BTS通知BSC，MS没有更多专用的无线资源。

4.40 RF信道释放

BSC通知BTS释放其余的无线资源。

4.41 RF信道释放证实

所有的无线资源被释放; BTS发送证实消息给BSC，这些无线资源为: TCH/FACCH和SACCH。4.42 提醒

MSC发送提醒消息给BSS。

4.43 提醒

当在移动主叫过程中，MSC通知MS被叫用户已经被提醒。如果MS收到提醒消息，就应当接通话音通路，此时主叫用户可以听到振铃声，表示被叫用户正在振铃。

4.44 连接

MSC通过BSS发送一连接消息给MS。此消息向MS表明已经通过网络建立连接。

4.45 连接

MS一收到连接消息，它就把用户连接到无线通路上，并返回一连接证实消息，停止所有本地产生的振铃指示，进入“激活”状态。

4.46 连接证实

MS用这条消息告诉MSC，目前MS正处于”激活”状态。

4.47 连接证实

此消息被送往MSC。

4.48 测量报告

在建立了主信令信道后，移动台每秒发送两次关于话音质量的测量报告。

4.49 预处理测量结果

如果这些测量报告在BTS中已经过预处理，则测量结果被传到BSC；如果BTS中没有经过预处理过程，测量报告直接被传到BSC，而不需要BTS的参与。

4.50 拆链

由MS发出拆链请求消息。消息内容主要包括：清除终端到终端的连接。这条消息将停止了有关此次呼叫连接的收费。

4.51 拆链

拆链消息发往MSC。

4.52 释放

实际的释放将来自MSC，真正的呼叫才结束。

4.53 释放

释放消息送往MS。

4.54 释放完成

MS通知网络它将释放此次业务标识，也就表示释放过程正在进行中。

4.55 释放完成

释放完成消息被发送到MSC。

4.56 清除命令

这个消息由MSC发出，用来释放所有相关的资源，也就是与这次通话过程相关的BSSAP。