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。eg2.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：MSBSSNSSNo.7BSSAPNo.7MAPANo.7MAP.TUPPLMNPSTNX.25No.7TUPISDNUm(Air)AbisX.25或NO.7MS：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BTSBTSBSCMSC/VLROMCHLR/AUCSCEIRMSC/VLRA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+SNMSISDN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LAILAI用于移动客户的位置更新，具有全球唯一性。LAI=MCC+MNC+LACMCC：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HONHON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+SN7.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CGICGI是用来识别一个位置区（LA）内的小区。CGI=MCC+MNC+LAC+CI=LAI+CICI：小区识别码。10.基站识别码BSICBSIC是用于识别相邻国家的相邻基站的，为6bit编码。BSIC=NCC+BCCNCC：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：Y1Y2010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+SPTAC：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/ISDNGMSCHLRVLRMSCBSCMSLAM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）L2SCCP-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