GSM的层3信令_赵振策.doc

2011-09-15GSM的层3信令赵振策GSM的层3信令目录1.信令与协议概述21.1通信网络的OSI七层模型21.2NO.7信令系统32.GSM分层结构与协议43.GSM层3信令63.1 RR无线资源管理63.2 MM移动性管理83.3 CM连接控制管理93.4 信令流程101. 信令与协议概述数字蜂窝移动通信系统由不同的子系统和 MS （移动台）组成，但这只是根据功能划分的物理上的组合，大多数功能是分布在不同的设备中的，由于 GSM 是一个复杂的移动通讯系统，其中传送的除了话音信息以外，还有大量的信令信息需要传送，为完成不同设备的互联，以及通讯接续过程，设备或各个子系统之间必须通过各种接口按照规定的协议实现互连，分散的设备需要相互配合才能完成某项任务，这样在执行任务时就需要交换信息，使通信网中的各种设备协调动作，因此各设备之间必须相互交流各设备状态的监视和控制信息，以说明各自的运行情况，提出对相关设备的接续要求，从而使各设备之间协调运行。在通信系统中把协调不同实体所需的信息，交换设备之间相互交换的信息必须遵守一定的协议和规则，这些协议和规则就称为信令。信令系统指导系统各部分相互配合，协同运行，共同完成某项任务。GSM 系统中，信令消息具体体现在接口的协议和规范上，下面将从子系统互连和接口的分层模式来说明 GSM 系统中主要协议的结构和相互关系。总之，信令系统是通信网的重要组成部分，目的是为用户传递包括语音信息和非语音信息在内的各种信息。1.1 通信网络的OSI七层模型为了解决不同系统的互连问题，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）于 1977 年提出了一种不基于特定机型、操作系统或公司的网络体系结构，即“开放系统互连参考模型”（Open System Interconnection，OSI）。OSI 定义了异种机连网的标准框架，为连接分散的“开放”系统提供了基础，既任何两个遵守 OSI 标准的系统可以进行互连。OSI 采用分层结构化技术，将整个网络的通信功能分为 7 层（Layer），由低层到高分别如下：图1-1 OSI七层模型物理层（Physical Layer）；数据链路层（Data Link layer）；网络层（Network Layer）；传输层（Transport Layer）；会话层（Session Layer）；表示层（Presentation Layer）；应用层（Application Layer）。1.2 NO.7信令系统CCITT 提出的 No.7 信令系统也是按分层结构进行设计的，但并没有和 OSI 七层模型取得完全一致，对 No.7 信令系统只提出了 4 个功能级的要求：也就是只有由信令数据链路级（Signaling data link level）、信令链路级（Signaling linklevel）和信令网功能级（Signaling network level）组成的 MTP 层，以及 UP 用户部分。用户部分构成 No.7 系统的第四级，它的功能是处理信令信息，根据不同的应用，可以有不同的用户部分：比如电话用户（Telephone User Part，TUP）、综合业务数字用户 ISUP，移动网中主要的应用是移动用户部分 MAP，以及智能网用户部分 INAP。图 1-2 No.7 系统与 OSI 七层模型的对应关系图中：INAP 智能网应用部分 OMAP 操作维护应用部分MAP 移动应用部分 TCAP 事务处理能力应用部分TUP 电话用户部分 ISUP ISDN 用户部分SCCP 信令连接控制部分 MTP 消息传递 ISP 中间服务部分No.7 信令系统不但信令容量大、传输速度快，而且可以传递除电路接续信令以外的各种业务的控制信号和数据。使用 No.7 信令的网络节点不但是程控交换的节点，还可以包括网管中心、业务控制点、网络数据库等各种智能节点，这正是通信网向智能化、综合化和个人化发展的要求。因此可以说，No.7 信令系统和数字传输、程控交换以及计算机智能控制构成了现代通信网的基石。No.7 信令系统是以不等长消息的形式传送信令的。No.7 信令系统定义了三种基本的信号单元格式：信号消息单元（Message Signal Unit，MSU）、链路状态信号单元（Link Status SignalUnit，LSSU）、和填充信号单元（Fill-in Signal Unit，FISU）。其中 MSU 为真正携带消息的信号单元；LSSU 为传送网络链路状态的信号单元；FISU 不含任何消息，是在网络节点没有链路状态信息可以传送时，向对方发送的空信号，其作用是使信令链路保持通信状态，同时可以证实收到对方发送来的消息。No.7 信令系统遵循严格的等级关系，下一级为上一级服务，上一级不管其下级是怎样进行信息传递的，也就是所谓的透明传输，即通信双方的对等功能级一一对应，完成这一级别的信息传输和交换。2. GSM分层结构与协议GSM 正是基于 No.7 信令系统上的通信系统，GSM 中采用了 OSI 的分层协议结构。其中下一层协议为上一层协议提供服务，上一层协议利用下一层所提供的功能，上下层之间通过原语进行通信。在建立连接之后，对等层之间形成逻辑上的通路。在 GSM 信令系统中，也可简单分为物理层、链路层、网络层和各种高层应用。图2-1 NO.7 系统在 GSM 网络中的应用GSM 系统中包含许多不同的接口，这些接口上的协议不尽相同，但是它们都是严格按照 No.7 系统分层结构设计的，也就是建立在物理层、链路层、网络层和应用层上。GSM 信令系统采用了 OSI 七层模型结构，而各层只和自己相同的层次进行信息交换，因此对于相同的层次，上面的协议也必定相同，所以下面再从横向，也就是网络结构层次方面来看 GSM 系统中的信令和协议，这样一纵一横看完之后，那么整个 GSM 系统的信令协议就非常清楚了。图 2-2 GSM 系统中层结构和各自协议1物理层这是无线接口的最低层，提供传送比特流所需的物理链路（例如无线链路），为高层提供各种不同功能的逻辑信道，包括业务信道和逻辑信道，每个逻辑信道有它自己的服务接入点。Um 接口的物理层建立在无线信道上，也就是 GSM L1 层。其余接口的物理层建立在 PCM 传输上。2链路层当数据通过物理层在收发之间进行传送时，需要把这些数据变成码流，而且提供一定的纠错能力，能够完成这些功能的信令协议处于数据链路层中。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，L2 协议基于 ISDN 的 D 信道链路接入协议 LAPD，但作了更动，因而在 Um 接口的 L2 协议称之为 LAPDm。GSM 网络的数据链路层上有下面几种协议：A 接口以及 MSC 和其他网络实体之间走的是 No.7 系统中的 MTP2 层。Abis 接口是通过 LAPD 信令传送。Um 接口是通过根据 LAPD 协议修改的 LAPDm 协议传送信令。3网络层当数据经过数据链路层形成码流后，需要对这些信息流进行组织和路由选择，把信息传送到指定的目的地，这就需要网络层协议进行协调调度。这是实际负责控制和管理的协议层，把用户和系统控制过程中的特定信息按一定的协议分组安排在指定的逻辑信道上。L3 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。其中一个接续管理子层中含有多个呼叫控制 CC 单元，提供并行呼叫处理。为支持补充业务和短消息业务，在 CM 子层中还包括补充业务管理 SS 单元和短消息业务管理 SMS 单元。在 Um 空中接口上，网络层使用的是 CM、MM 和 RR 三个子层协议。RR 管理涉及多个接口和实体，MM 和 CM 直接与 MSC 建立连接。Abis 接口上遵守的是 BTSM 和 RR 协议。A 接口上的网络层由 MTP3 和 SCCP 组成。4用户层移动网络的用户层中，交换子系统侧各接口采用 MAP 协议，MAP 是交换子系统各功能实体之间的协议，它采用交换协议数据与会话的方式，主要传递与移动台漫游相关的信息。MAP 程序包括移动业务、操作与维护、呼叫处理等。MAP 通过 TCAP 传送，而 TCAP 使用MTP 和 SCCP 提供的业务。基站子系统和交换子系统之间的 A 接口采用的是 BSSAP 协议，它承载于 MTP 和 SCCP之上。BSSAP 涉及移动网中两大子系统基站子系统和交换子系统之间的信息交互，所以非常重要。另外，移动网与其它网络之间由于主要完成呼叫接续的功能，所以采用 TUP 和 ISUP。3. GSM层3信令Um 接口的网络层是收发和处理信令消息的实体，由于在该接口上，存在不同的逻辑信道，因此为了把不同的信令分配到不同的逻辑信道上，Um 的网络层中包括了 RR、MM、CM这三个子层。其中在呼叫控制管理层中包含了呼叫控制（Call Control，CC）单元，提供并行呼叫处理能力，同时还包含了补充业务管理（Supplementang Servics，SS）和短消息管理（ShortMessage Service，SMS）单元。在 GSM 网中，一个处于守侯状态的 MS 不能直接和 MSC 进行对话，因此为了完成业务接续，应该首先建立一个无线链接，让网络为其安排一个专用信道，这就是 RR 链接；然后建立与 BTS 的连接，以便在专用信道上进行对话；还需要建立一个 MM 和 CM 连接，这样就可以和 MSC 进行通信对话了。图3-1 GSM层3协议平面图3.1 RR无线资源管理RR 层指的是在无线电接口上的传输进行管理的规约，并提供 MS 和 BSC 之间的稳定链路。RR 层的主要任务是协调 MS 与 MSC 之间的传输，对每个申请信道的 MS，建立 MS 与MSC 之间的传输路径和信令路径。BSS 实现 RR 的大部分功能，主要涉及无线接口、Abis 接口和 A 接口，其它功能模块还涉及七号信令接口。小区选择、小区重选和切换都由 RR 子层负责。表3-1 RR消息类型3.2 MM移动性管理MM 层是管理包括位置数据在内的用户数据库，另外还进行安全管理，负责鉴权操作。表3-2 MM消息类型3.3 CM连接控制管理CM 层主要负责呼叫控制管理，以及 SMS 等，CM 子层是建立在 ISDN Digital SubscriberSignaling System One (DSS1)上的。CM 和 MM 子层并不在 BSS 中进行管理，CM 和 MM 消息在 BSS 中转移是不加分析的，既不通过 BTS，也不通过 BSC。表3-3 CM消息类型3.4 信令流程通话建立（手机作主叫）信令过程说明RR层连接建立RACHUL：CHANNEL _REQUEST内容：建立原因和随机参考值（RAND）原因：MS发起呼叫、紧急呼叫、呼叫重建和寻呼响应等；RAND：有5 位，用来区别不同MS所发起的请求。AGCHDL：IMMEDIATE_ASSINGMENT在Um接口建立MS与系统间的无线连接（分配SDCCH）RR连接建立MM层连接的建立CCCHUL：CM SERVICE_REQUEST 请求业务如电路交换连接、短信业务等SDCCHDL：AUTH_REQUEST 鉴权请求SDCCHUL：AUTH_RESPONSE鉴权响应SDCCHDL：CIPHERING_REQUEST加密命令SDCCHUL：CIPHERING_COMPLETE加密完成CC层连接的建立SDCCHUL：SETUP 请求建立呼叫内容：呼叫请求的业务种类及MS发送方式、编码标准等SDCCHDL：CALL _PROCEEDING 系统接受请求后开始处理呼叫SDCCHDL：ALERTING 振铃音SDCCHDL：ASSIGNMENT_COMMAND 分配TCHSDCCHUL：ASSIGNMENT_COMPLETE 分配确认SDCCHDL：CONNECT 用户摘机或连接消息SDCCHUL：CONNECT_ACKNOWLEDGE连接确认，表示MS接受连接通话建立（手机作被叫）RR层连接建立CCCHDL：PAGING_REQUEST呼叫请求，触发信道接入内容：被叫用户的TMSI、IMSI等RACHUL：CHANNEL _REQUEST内容：建立原因和随机参考值（RAND）原因：寻呼响应、紧急呼叫、MS发起呼和呼叫重建叫等；RAND：有5 位，用来区别不同MS所发起的请求。AGCHDL：IMMEDIATE_ASSINGMENT在Um接口建立MS与系统间的无线连接（分配SDCCH）RR连接建立MM层连接的建立SDCCHUL：PAGING_RESPONSE寻呼响应，用来通知网络建立主信令链路SDCCHDL：AUTH_REQUEST 鉴权请求SDCCHUL：AUTH_RESPONSE鉴权响应SDCCHDL：CIPHERING_REQUEST加密命令（当系统收到的TMSI与上次不同时进行）SDCCHUL：CIPHERING_COMPLETE加密完成（同上）CC层连接的建立SDCCHUL：SETUP 请求建立呼叫内容：呼叫请求的业务种类及MS发送方式、编码标准等SDCCHUL：CALL _CONFIRMED 呼叫确认，SDCCHUL：ALERTING 振铃音SDCCHUL：CONNECT 连接或用户摘机消息SDCCHDL：ASSIGNMENT_COMMAND 分配TCHSDCCHUL：ASSIGNMENT_COMPLETE 分配确认SDCCHDL：CONNECT_ACKNOWLEDGE连接确认，表示网络接受连接紧急呼叫信令过程说明RR层连接建立RACHUL：CHANNEL _REQUEST内容：建立原因和随机参考值（RAND）原因：MS发起呼叫、紧急呼叫、呼叫重建和寻呼响应等；RAND：有5 位，用来区别不同MS所发起的请求。AGCHDL：IMMEDIATE_ASSINGMENT在Um接口建立MS与系统间的无线连接（分配SDCCH）RR连接建立MM层连接的建立CCCHUL：CM_SERVICE_REQUEST 请求业务如电路交换连接、短信业务等CC层连接的建立SDCCHUL：EMERGENCY_SETUP 紧急呼叫建立请求内容：呼叫请求的业务种类及MS发送方式、编码标准等SDCCHDL：CALL _PROCEEDING 系统接受请求后开始处理呼叫SDCCHDL：ASSIGNMENT_COMMAND 分配TCHSDCCHUL：ASSIGNMENT_COMPLETE 分配确认SDCCHDL：ALERTING 振铃音SDCCHDL：DISCONNECT 释放业务信道呼叫清除（主叫先挂机）信令过程说明清除CC层和MM层连接TCHUL：DISCONNECT 断开连接消息，指明呼叫清除发起端及清除原因，网络受到后开始清除业务信道的连接TCHDL：RELEASE呼叫释放，通知MS网络正释放CC层连接，MS收到RELEASE消息后将停止CC连接定时同时开始释放MM连接TCHUL：RELEASE COMPLETEMS释放MM并发送本信息，网络接收道后释放MM层连接释放RR层连接TCHDL：CHANNEL RELEASE释放专用信道，专用信道释放后MS进入IDEL状态呼叫清除（被叫先挂机）信令过程说明清除CC层和MM层连接TCHDL：DISCONNECT断开连接消息，指明呼叫清除发起端及清除原因，MS受到后开始清除业务信道的连接TCHUL：RELEASE呼叫释放，通知MS正释放CC层连接，网络收到RELEASE消息后将停止CC连接定时同时开始释放MM连接TCHDL：RELEASE COMPLETE网络释放MM连接并发送本信息释放RR层连接释放RR层连接TCHDL：CHANNEL RELEASE释放专用信道，专用信道释放后MS进入IDEL状态位置更新信令过程说明RR层连接建立RACHUL：CHANNEL _REQUEST内容：建立原因和随机参考值（RAND）原因：寻呼响应、紧急呼叫、MS发起呼和呼叫重建叫等；RAND：有5 位，用来区别不同MS所发起的请求。AGCHDL：IMMEDIATE_ASSINGMENT在Um接口建立MS与系统间的无线连接（分配SDCCH）RR连接建立SDCCHUL：LOCATIONUPDATING_REQ位置更新请求，当MS的LAI等变化时进行SDCCHDL：AUTH_REQUEST 鉴权请求SDCCHUL：AUTH_RESPONSE鉴权响应SDCCHDL：CIPHERING_REQUEST加密命令（当系统收到的TMSI与上次不同时进行）SDCCHUL：CIPHERING_COMPLETE加密完成（同上）SDCCHDL：LOCATIONUPDATING_ACC位置更新接受释放RR层DCCHDL：CHANNEL RELEASE释放专用信道，专用信道释放后MS进入IDEL状态呼叫重建信令过程说明RR层连接建立RACHU