GSM掉话分析总结

掉话分析本文档仅限于分析通话过程中的异常情况，也就是双方的通话已经呼通之后，发生了突然掉话或者听不清楚声音等异常情况。为了便于理解通话异常状况的深层原因，所以有必要对GSM系统结构以及通话之前的手机与网络之间的交互有所了解。GSM系统结构GSM是第一代数字蜂窝移动通信系统，GSM系统的物理层采用FDMA/TDMA的复用方式，与模拟通信相比，具有抗干扰能力强、保密性好、频率利用率高和用户容量大等特点。手机的最重要的功能就是通话，无线链路与有线链路的不同之处有：无线资源更稀缺，信道不稳定，信号空间自由传播。为了保证持续不断的稳定的通话质量，GSM需要采用相应的措施保证无线链路的可靠性和保密性，因此在通话的信道必须建立在可靠的链路之上，鉴别接入系统的用户身份，加密无线空中的传输数据。通话过程中上述的某个环节发生问题都有可能导致掉话。为了实现上述的功能，GSM使用分层思想，设立基站子系统、网络与交换子系统等不同的系统实现不同用户之间的互通。GSM系统庞杂，我们只介绍和掉话密切相关的基站子系统的具体情况和相关协议。图1GSM系统的实物示意图GSM系统最重要的两个概念是协议和接口，接口是各个实体设备之间的无线或者有线连接，协议则是在这些接口之上运行的通信规范。接口采用分层机制，不同的层上运行不同的协议，分层化使得每个不同的模块相对独立便于维护，分工也更加专业。图1所示是GSM系统的基本结构图，基本包含了各个系统设备以及它们之间的接口，信令就在这些接口上按照协议规定的内容运行。与我们通话相关的接口有：1)Um，它是手机和网络的唯一通道。Um从下到上包括物理层、链路层、无线资源管理层（RRM）、移动性管理层（MM）和连接管理层（CM）；2)Abis，BTS和BSC之间的接口，该接口是BTS和BSC之间的内部接口，GSM并没有给出该接口明确的协议规范，不同的设备厂商制定自己的协议流程。Abis从下而上包括物理层、链路层、无线资源管理层（RRM），没有MM和CM层；3)A，BSC和MSC之间的接口，从下而上包括物理层、链路层、RRM，MM和CM。A接口没有直接的RRM，但是它被包含在BSSMAP中。以上所列举的3个接口以及相关的协议如图2所示。图2重要接口的协议结构图这里简要介绍RR、MM和CM的功能。RR层负责创建、维护和拆除无线链路，就是建立一条稳定的点对点的通信链路，管理无线接口，其职能包括信道配置、传输模式、上下行电平以及通信质量的测量、切换操作等内容；MM层建立在RR层之上，用于处理移动性和安全保密性相关的内容，包括位置更新，IMSI附着/去附着、鉴权加密等；CM层位于MM层之上，用于完成点对点的通话的建立和释放。CM包括CC(callcontrol)、SMS、SS等3个协议：CC的作用就是在稳定的通信链路之上，创建、维护和拆除通话，CM可以同时维护多个CC；SMS是短消息服务；SS是补充业务。RR、MM和CM这3个不同的协议可以通过信令中的PD字段进行区别：0x06对应RR，0x05对应MM，0x03对应CC，0x11对应SS，0x09对应SMS。通话的基本流程以及相关过程介绍通话的建立会有信道分配，鉴权加密等相对复杂的信令交互，通话过程中有SACCH过程上报测量报告，如果信道环境恶化就需要从当前小区切换到其他小区中去，每个环节出现问题都可能发生掉话。1)建立通话通话的种类分为MO（主叫）和MT（被叫）两类，忽略掉二者的不同（比如主叫的callproceeding和被叫的callconfirmed），基本上可以分为建立链路、鉴权加密和建立通话三个阶段。下面分别介绍这三个不同的阶段的信令交互。建立通话以建立一条从MS到MSC的可靠通路为标志，以被叫基本流程为例，如图3所示。图3通话建立过程首先，建立链路，以网络通过PCH寻呼MS开始。上图中没有标出L2中SABM和UA交互的情况，其中有两次：第一次在收到IMMEDIATE从ASSIGNMENT信令之后，MS会将该信令中的参考序列号和缩减帧号与自己发送的CHANREQ中的参考序列号与缩减帧号进行比对，如果二者相同，就转换到指定的SDCCH上，并且向BTS发送SABM帧，BTS回复相同内容的UA帧，至此，层2进入证实传输模式，MS到MSC的链路建立，网络和MS之间就有了固定的传输路径。接下来是鉴权和加密，主要是完成对MS的身份鉴别，以及对数据进行加密，保证空口中数据传输的安全性。最后是建立通话的过程。网络发送set-up消息通知被叫呼叫的相关细节，如果被叫具有处理这些业务的能力，就返回一条callconfirmed的消息给网络。网络查询时频资源，给MS指配对应的TCH。指配过程完成之后，MS通知网络提示振铃，被叫摘机，则发送connect信令，网络回应connectack，至此，话音数据开始在TCH上传输。2)SACCH过程通话的基本要求是必须保证链路质量可靠性，无线信道的信道环境不像有线信道那么稳定，如果在通话过程中因为位置变化或者其他原因引起了当前的通话信道的质量发生恶化，以至于不能有效解码通话内容时，就必须将从当前小区的信道切换到另一个小区信道上去，或者直接释放链路。因此，有必要向网络报告当前小区通话信道的信号质量，与此同时手机还要随时监测可以切换的候选小区情况。这两个主要的任务就在SACCH上完成。TTTTTTTTTTTTSTTTTTTTTTTTTISACCHIDLETCH图4业务信道中的SACCH帧结构示意图图4所示业务信道的示意图。小区分配的众多的载频中，除了BCCH载频上的TS0和TS1不能映射为业务信道之外，其他时隙以及其他载频的TS0~TS7均可以映射为业务信道。TCH采用26复帧的结构，其中fn=12(从0开始编号)是SACCH帧，最末一帧fn=25是idle帧。基站在下行的SACCH发送系统消息5/5ter/5bis/6，其中包含邻小区的BCCH频点描述，以及扩展邻小区BCCH频点描述和位置区识别等重要信息，主要是告知手机需要监测的邻小区信息。手机根据下行的系统消息生成对应的邻小区监测列表（NeighbourCellDescription），对这些小区的信道质量进行监测。手机在测量完邻小区列表之后通过上行SACCH信道上传测量报告，测量报告的内容包括服务小区的信号强度(rxlev_full_serving_cell/rxlev_sub_serving_cell)，服务小区的链路质量(rxqual_full_serving_cell/rxqual_sub_serving_cell)，相邻小区的信号强度(rxlev_ncelli)等重要参数。手机上报这些参数，网络根据这些参数确定什么时候切换小区以及切换到哪个小区。手机上报测量报告的周期是一个SACCH块，因为在26帧中只有一个SACCH帧，因此需要26*4帧的时间才能凑齐一个块，由此可以计算出上报测量报告的周期。SACCH过程中的radiolinkfailure会导致掉话。检测radiolinkfailure的标准是下行SACCH信息的误比特率，这里的SACCH指主SACCH。如果通信链路的质量已经降低到无法通过提高RF的功率或者切换或者呼叫重建等方式进行改变的话，就直接上报radiolinkfailure。在分配信道信道成功之后，网络会通过系统消息广播RADIO_LINK_TIMEOUT的值，无线链路计数器S以该值为初始值，如果在新分配的信道上正确解码一个SACCH块，S就增加2，如果错误解码一个SACCH块S就减1。S不能超过初始的RADIO_LINK_TIMEOUT值，如果S减少到0，则上报radiolinkfailure。如果接收到信道改变的命令，那么算法停止运行，如果转换到新的专用信道上，那么重新初始化S，重启计算算法。如果在原来的信道上接收到新的RADIO_LINK_TIMEOUT值，就重置S值。发生无线链路故障之后，如果网络允许呼叫重建，那么手机会在该小区的邻小区中选择一个支持呼叫重建的小区，决定是否进行呼叫重建，如果决定呼叫重建，则向该小区发送CHANNELREQ，如果不允许呼叫重建，MS释放链路，转入IDLE模式。3)切换基本流程切换失败也是导致掉话的一个重要原因。在长话测试中，经常会遇到前面提到的无线链路导致链路释放的案例，追根溯源，最后还是网络切换出现了问题。切换，是指将一个正处于呼叫建立状态或者通话状态的MS转换到新的业务信道上的过程。切换过程涉及到的网络实体包括MS、BTS以及BSC，MS负责测量当前服务小区以及其他6个邻小区的下行链路的BCCH载波电平、信道质量，BTS负责测量MS对应的上行的信道的电平值、信道质量以及TA值，最终的切换决策由BSC给出。因此，切换最终的决策权在于网络，而不是MS。为了能顺利切换到指定的信道上，MS需要进行不同小区间的预同步，就是尝试解码邻区的FCCH和SCH并获得BISC。MS利用接收结束以及发送开始之前这段时间（大约1ms）来测量本小区的接收电平和信号质量，在发送结束接收开始这段时间（大约2ms）测量本小区以及邻小区的接收电平和信号质量，利用空闲帧（大约6ms）进行FCCH和BCH的解码。具体的解码如图5所示。图5测量电平值以和读取SCH根据切换的两个小区之间的位置关系，切换分为小区内切换、同一个BSC内的切换、同一个MSC不同的BSC之间的切换以及不同的MSC之间的切换。这四种切换涉及的网络实体不同，信令的交互基本差不多，但是如果仅仅关注MS端的信令交互，四种的切换过程是一样的，为了简单起见，我们关注最常见的同一个BSC内的不同小区间的切换流程，具体流程如图6所示。图6同一个MSC切换流程示意图上图中的两个MS是同一个MS，为了便于绘图因此放在两边。切换过程包括了上面提到的SACCH过程。仅仅关注Um接口，切换的基本流程分为以下几步：1)MS上传测量报告。MS根据在SACCH上接收到的系统消息5/5ter/5bis，计算生成邻小区列表。然后利用从收到发以及idle帧的间隙，对邻小区BCCH载波电平、信道质量进行测量，并将测量报告上报给网络；2)网络下发HANDOVERCOMMAND。网络根据MS以及BTS上传的测量报告决定切换的参数，通知MS准备切换。该信令中包含有以下内容：新信道的特征；需要进行通信的小区的特性，包括允许测量程序中所要求的MS预知同步信息（BSIC和BCCH频率）；功率命令；切换参考号码；可选的起始时间指示（MS只能等到指定的时刻才能在新的分配信道上发送，如果指示的时间已过，直接切换到指定的信道）；可选的加密模式IE。如果消息中既包括了指示时间以后所用的信道描述也包括指示时间以前所用的信道描述，MS在接收到消息之后就立即接入信道。如果MS准备好接入的时候还不到指示时间，MS接入到指示时间以前所用的信道描述，在指定时间之后转入到信道后的描述。如果MS在指定时间后准备好，则接入到指示时间后的信道。3)移动台发送HANDOVERACCESS。移动台在接收到HANDOVERCOMMAND之后，检查切换指令，如果没有问题就把频率调谐到指定的频率，然后尝试在FACCH上发送4个连续的层1帧给目标小区，其中包含有8bit的切换参考号码。因为HANDOVERCOMMNAD是有目标小区下发的，因此它就可以根据接收到的HANDOVERACCESS中的参考号码来判断移动台是否已经接入到新的信道上；4)接收网络的PHYSICALINFORMATION。这一条只针对非同步小区。MS在发送HANDOVERACCESS同时会启动T3124，等待网络回复PHYSICALINFORMATION。5)切换结束。在接收到该消息之后，我们会在新的TCH上DL发送SABM帧，等待网络发送UA帧，建立链路。网络在收到SABM之后，认为目标小区已经和MS建立起应答模式，向MS发送HANDOVERCOMPLETEA的信令。直到此时，MS才会真正地放弃回到旧信道所有的可能性，安心呆在新的信道上进行话务传输。掉话原因分析及相关处理方法在上一节中讲述了通话的建立、SACCH过