GSM系统信令分析

GSM系统呼叫信令流程分析赵艳峰摘要：GSM系统是一个开放的标准系统，语音业务是其主要业务。对其呼叫信令流程的分析是提高GSM网络语音业务质量的重要手段之一，也有助于GSM基站子系统的测试。关键词：GSM系统；信令TheAnalysisofCallSignalingProcessforGSMSystemZhaoyanfengAbstract:GSMsystemisanstandardsystemwhichisopened.ThemajorserviceofGSMisvoice.TheanalysisofcallsignalingprocessisanimportantmeansofimprovingGSMnetworkvoiceserviceandalsoishelpfulforGSMbasestationsubsystemtest.Keywords:GSMsystem;signaling一引言GSM(GlobalSystemForMobileCommunication全球移动通信系统)系统是完全依照欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM规范研制而成的。自其从1992年投入使用至今已有二十余年，其稳步的发展已成为当今通信系统不可或缺的一部分。但是随着经济的发展，人们对通信系统的需求也呈现出多元化，而且目前3G网络通信系统的发展（WCDMA、CDMA2000等）以及4G网络通信系统的投入使用（TDD-LTE和FDD-LTE）已对GSM网络形成了一种压力，那么GSM系统稳定、良好的语音通话质量就成为了在竞争中生存的重要手段之一。在外界非常复杂的电磁环境中，GSM系统要保证其自身良好的服务质量，就要在其网络参数上进行优化，以确保最佳服务状态。那么，对其呼叫信令过程的分析，就是做好网络参数优化的重要手段。现在GSM系统主要还是以语音业务为主，本文就GSM系统呼叫信令过程做一简单的分析。二GSM呼叫信令流程GSM系统使用类似OSI协议模型的简化协议，包括物理层（L1）、数据链路层（L2）和应用层（L3）。L1层是协议模型最底层，提供物理媒介传输比特流所需的全部功能。L2层用于保证正确的消息传递及识别单个呼叫。在GSM系统中，无线接口（Um）上的L1和L2分别是TDMA帧和LAPDm协议。在网络侧，Abits接口和A接口使用的L1均为E1传输方式，L2分别为LAPD和MTP协议。在Um接口，MS每次呼叫时都有一个L1和L3层的建立过程，在此基础上再与网络侧建立L3上的通信。在网络侧（A和Abits接口），其L1和L2（SCCP除外）始终处于连接状态。L3层的通信消息按阶段和功能的不同，分为无线资源管理（RR）、移动性管理（MM）和呼叫控制（CC）三部分。1、建立RR连接RR的功能包括物理信道管理和逻辑信道的数据链路层连接等。在任何情况下，MS向系统发出的第一条消息都是CH-REQ（信道请求），要求系统提供一条通信信道，所提供的信道类型则由网络决定。CH-REQ有两个参数：建立原因和随机参考值（RAND）。建立原因是指MS发起此次请求的原因（MS发起呼叫、紧急呼叫、呼叫重建和相应寻呼等）。RAND值是由MS确定的一个随机值，使网络能够区别不同MS发起的请求，但它只有5bit，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RAND值一定不同。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。CH-REQ消息在BSS内部进行处理。BSC收到这一请求后，根据对现有系统中无线资源的判断，分配一条信道供MS使用。该信道是否能正常使用，还需BTS做应答证实，Abits接口上的一对应答消息CH-ACT（信道激活）和CH-ACK（信道激活证实）完成这一功能。网络准备好合适的信道后，就通知MS，由IMMASS（立即指配）消息完成这一功能。在IMMASS中，除包含CH-ACT中的信道相关消息外，还包括随机参考值RA、缩减帧号T、时间提前量TA等。IMMASS的目的是在Um口建立MS与系统间的无线连接，即RR连接。MS收到IMMASS后，如果RA值和T值都符合要求，就会在系统所指配的新信道上发送SABM帧，其中包括一个完整的L3消息（COMPLETE-L3-INFO），系统收到SABM帧后，回送一个UA帧，作为对SABM帧的应答，表明在MS与系统之间已建立了一条LAPDm通路，此UA帧的消息域包含同样一条L3消息，MS收到该消息后，与自己发送的SABM帧中相应的内容比较，只有当完全一样时，才认为被系统接受。L3消息中包含MS的IMSI，IMSI对每个MS是唯一的，这可保证在该信道上只有一个MS可接入系统。在Abits接口，这条消息是ESTIND（建立指示），用来通知已建立LAPDm连接，作为对IMMASS消息的应答。在SABM帧中，透明传输到MSC的L3消息是A接口的第一条L3消息。对于每个呼叫，在L2上还要建立一个SCCP连接，该建立请求消息将在A接口上SCCP的请求建连消息（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。A接口上的第一条消息传递完后，MS与系统之间就建立了了RR连接，RR实体通知MM子层已进入专用模式。见图1MSBTSBSCMSCCH-REQCH-REQCH-ACTCH-ACKIMMASSIMMASSSABMESTINDUACR（COMPLETE-L3-INFO）CC图1RR连接建立流程2、建立MM连接正常情况下，要建立MM连接必须先有RR连接。RR建立后的第一个步骤是鉴权（AUTH），即鉴定移动用户的身份。MSC收到COMPLETE-L3-INFO（三层业务请求）消息后，将向VLR发出PROCESSACCESSREQUEST的请求，要求进行鉴权加密程序。此后MSC/VLR向移动台发送一条AUTHREQ（鉴权请求）消息。在AUTHREQ（鉴权请求）中有两个参数:CIPKEYNo（加密键号）和AUTHRAND（鉴权随机值），CIPKEYNo与每个MS的密钥Kc相对应，由网络计算出来送到MS，目的是无需调用AUTH过程，就可直接由MS的IMSI和CM-SERV-REQ中的CIPKEYNo参数得到Kc。AUTHRAND供MS计算鉴权响应值SRES。MS的SIM卡中存有4个与鉴权和加密相关的数据：鉴权算法A3、加密序列算法A8、价目算法A5和移动用户个人鉴权键Ki。其关系为：Kc=A8（RAND，Ki），SRES=A3(RAND，Ki)，加密数据流=A5（userdata，Kc）。SRES是MS对AUTHREQ的响应值，在AUTHRES中传递。网络中存储了与每个IMSI相对应的Ki值，网络根据计算出的SRES值和MS回送的SRES值，可对MS的身份进行鉴定。Kc用于鉴权后的加密过程，加密算法A5由网络制定，但MS必须支持该算法。在加密命令CIP-M-CMD中，指出了每个MS支持的A5算法类型，还指定了MS的回送消息中是否包括IMEISV参数。对MS的身份识别及无线信道传输加密过程完成后，建立呼叫所需要的MM连接已经建立，可以向更高层（CC子层）提供呼叫信息的传递功能。见图23、建立CC连接MS向网络发送SET-UP（建立）消息，请求建立呼叫，消息内容包括：（1）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；（2）被叫用户号码及被叫号码类型和编码方案。MSC收到SET-UP消息后，就能够根据它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MAPSENDINFOFORO/GCALL（出局呼叫消息），来分析被叫的号码和主叫用户本身的能力，以及网络本身的资源能力若某些项目不能通过，则向MS发出RELEASECOMPLETE（释放完成）消息，呼叫建立失败，随后MS再将底层的信令链路释放掉，然后转入空闲状态。若MSC认为可以建立起与对端的通信，则向MS发出COLLPROCEEDING（呼叫进程）消息，表明它已将“呼叫建立”请求收到而且不需要再接收其他的消息了。见图3在MSC向MS发出“CALLPROCEEDING”（呼叫进程）消息后，接下来MSC将根据业务请求的需要向BSC发出ASSINGMENTREQUEST（指配请求）消息，要求BSC来给此次呼叫分配TCH话音信道。MSBTSMSCMSCVLRPROCESSACCESSREQAUTHENTICATEAUTHREQDATAREQAUTHAUTHREQAUTHRESDATAINDAUTHAUTHRESAUTHENTICATEACKSETCIPHERINGMODEENCRCMDCIPHERMODCMDCIPHERMODCMDCIPJERMODCOMDATAINDCIPHMODCOMCIPHERMODCOMPROCESSACCESSREQACK图2鉴权加密流程