GSM系統信令接續流程

文章以MS發起的主叫通話為例，說明在GSM系統中，實現一次通話所需的信令接續過
程。以應用層（L3）的三層連接（RR、MM、CC）為構架，對L豹的通信過程進行分析，介紹
每條信令中的一些主要參數以及該信令在通話過程中所起的作用。
關鍵詞 信令接續 無線資源管理 移動性管理 呼叫管理
GSM系統使用類似OSI協議模型的簡化協議，包括物理層（L1）、數據鏈路層（L2）和
應用層（L3）。L1是協議模型最底層，提供物理媒介傳輸比特流所需的全部功能。L2保證
正確傳遞消息及識別單個呼叫。在GSM系統中，無線接口（Um）上的L1和L2分別是TDMA幀和
LAPDm協議。在網絡側，Abis接口和A接口使用的L1均為E1傳輸方式，L2分別為LAPD和MTP協
議。在Um接口，MS每次呼叫時都有一個L1和L2層的建立過程，在此基礎上再與網絡側建立
L3上的通信。在網絡側（A和Abis接口），其L1和L2（SCCP除外）始終處于連接狀態。L3層
的通信消息按階段和功能的不同，分為無線資源管理（RR）、移動性管理（MM）和呼叫控
制（CC）三部分。
1建立RR連接
RR的功能包括物理信道管理和邏輯信道的數據鏈路層連接等。
在任何情況下， MS向系統發出的第一條消息都是CH－REQ（信道請求），要求系統提
供一條通信信道，所提供的信道類型則由網絡決定。CH－REQ有兩個參數：建立原因和隨機
參考值（RAND）。建立原因是指MS發起這次請求的原因，本例的原因是MS發起呼叫，其它
原因有緊急呼叫、呼叫重建和尋呼響應等。RAND是由MS確定的一個隨機值，使網絡能區別
不同MS所發起的請求。RAND有5位，最多可同時區分32個MS，但不保證兩個同時發起呼叫的
MS的RAND值一定不同。要進一步區別同時發起請求的MS，還要根據Um接口上的應答消息。
CH－REQ消息在BSS內部進行處理。BSC收到這一請求后，根據對現有系統中無線資源的
判斷，分配一條信道供MS使用。該信道是否能正常使用，還需BTS作應答證實，Abis接口上
的一對應答消息CHACT（信道激活）和CHACK（信道激活證實）完成這一功能。CHACT指明激
活信道工作所需的全部屬性，包括信道類型、工作模式、物理特性和時間提前量等。
網絡準備好合適的信道后，就通知MS，由IMMASS（立即指配）消息完成這一功能。在
IM－MASS中，除包含CHACT中的信道相關信息外，還包括隨機參考值RA、縮減幀號T、時間
提前量TA等。RA值等于BSS系統收到的某個MS發送的隨機值。T是根據收到CH－REQ時的TD－
MA幀號計算出的一個取值范圍較小的幀號。RA和T值都與請求信道的MS直接相關，用于減少
MS之間的請求沖突。TA是根據 BTS收到RACH信道上的CH－REQ信息進行均衡時，計算出來的
時間提前量。MS根據TA確定下一次發送消息的時間提前量。
IMMASS的目的是在Um接口建立MS與系統間的無線連接，即RR連接。MS收到IM－MASS后，
如果RA值和T值都符合要求，就會在系統所指配的新信道上發送SABM幀，其中包含一個完整
的L3消息（MP－L3－ INF），這條消息在不同的接口有不同的作用。在Um接口，SABM幀是
LAPDm層上請求建立一個多幀應答操作方式連接的消息。系統收到SANM幀后，回送一個UA
幀，作為對SABM幀的應答，表明在MS與系統之間已建立了一條LAPDm通路；另外，此UA幀
的消息域包含同樣一條L3消息，MS收到該消息后，與自己發送的SABM幀中相應的內容比較，
只有當完全一樣時，才認為被系統接受。L3消息中包含MS的IMSI，IMSI對每個 MS是唯一
的，這可保證在該信道上只有一個MS可接入系統。在Abis接口，這條消息是ESTIND（建立
指示），用來通知已建立LAPDm連接，作為對IMMASS消息的應答。
在SANM幀中，透明傳輸到MSC的L3消息是A接口的第1條L3消息。盡管A接口的MTP連接在
通話前已經建立，但對每個呼叫，在L2還要建立一個SCCP的連接。L3消息包含在A接口上
SCCP的請求建鏈消息（CR）中傳遞。如請求被允許，A接口的第1條下行消息將包含在SCCP
層的連接證實（CC）幀中。對SCCP層來說， CR與CC的交換是源參考地址與目的參考地址
的交換。在同樣的信令點碼下，不同的呼叫具有不同的源地址和目的地址。
A接口上第1條消息傳遞完后，MS與系統之間就建立了RR連接，RR實體通知MM子層已進
入專用模式。在專用模式下，MM子層和CC子層負責發送所有L2層上的消息。除了錯誤指示
和釋放本地鏈路以外，均由RR子層直接處理。
2建立MM連接
正常情況下，要建立MM連接必須先有RR連接。RR建立后的第一個步驟是鑒權（AUTH），
即鑒定移動用戶的身份。在AU－THREQ（鑒權請求）中有兩個參數：CIP KEY No（加密鍵
號）和 AUT RAND（鑒權隨機值）Q CIPKEY No與每個MS的密匙Kc相對應，由網絡計算出來
送到MS，目的是毋須調用AUTH過程，就可直接由MS的IMSI和CM－SERV－REQ中的CIP KEY
No參數得到Kc。ATU RAND供MS計算鑒權響應值SRES。MS的SIM中存有4個與鑒權和加密
相關的數據：鑒權算法A3、加密序列算法A8、加密算法A5和移動用戶個人鑒權鍵Ki。其關
系如下：Kc=A8（RAND，Ki），SRES=A3（RAND，Ki），加密數據流=A5（user data，Kc）。
SRES是MS對AUTH REQ的響應值，在AUTH RES中傳遞。網絡中存儲了與每個 IMSI相對應的
Ki值，網絡根據計算出的SRES值和MS回送的SRES值，可對MS的身份進行鑒定。Kc用于鑒
權后的加密過程，加密算法A5由網絡指定，但 MS必須支持該算法。在加密命令CIP－
M-COM中，指出了每個MS支持的A5算法類型，還指定了MS的回送消息中是否包括IMEISV參
數。
對MS的身份識別及無線信道傳輸加密過程完成后，建立呼叫所需的MM連接已經建立，
可以向更高層（CC子層）提供呼叫信息的傳遞功能。
3建立CC連接
MS向網絡發SETU（建立）消息，請求建立呼叫，消息內容包括：（1）此次呼叫請求
的具體業務種類及MS能提供的承載能力，包括信息傳輸要求、發送方式、編碼標準及可
使用的無線信道類型；（2）被叫用戶號碼，包括被叫號碼類型和編碼方案。
網絡收到SETUP消息，若接受請求，就回送CALL PROC（呼叫處理），表明正在處理呼
叫，主叫MS處于等待狀態。網絡開始尋找被叫用戶，若被叫也是GSM系統用戶，其接入網
絡的方式與主叫類似。不同點有：（1）被叫 MS收到網絡發出的PAGINC（尋呼）消息后，
才會提出信道請求；（2）被叫MS在與網絡建立CC連接時，先由網絡發下行的SETUP消息，
MS回送CALLCONF（呼叫證實）消息。在CALL，PROC或CALL，CONF后，網絡與MS之間CC層
的連接建立。
后續的CC層消息ALERT（振鈴）、 CON－NECT（連接）及其應答消息，分別對應MS振
鈴和用戶搞機動作。網絡收到被叫的ALERT消息，再向主叫MS發送同樣的ALERT消息，使
主叫知道當前的通話接續狀態，即通常打電話時聽到的振鈴聲。收到振鈴聲后，主叫等
待被叫摘機，該動作在信令接續上反映為CONNECT（連接）消息。完成對CONNECT消息的
應答后，主被叫雙方進入正常通話狀態，直到有一方關機，通話結束。
傳遞信令使用的是SDCCH或FACCH，MS通話必須在TCH信道上進行。為此，網絡分配給
MS一條TCH信道，分配方式與IMMASS類似，不同點在于指配的發起是由MSC的ASS－REQ
（指配請求命令）開始的。BSC根據ASS－REQ的信息，激活相應的無線信道，根據ASS－
REQ中指定業務的相應信息，確定該無線信道的類型。由CHACT指定無線資源，包括信道
頻率、時隙和跳頻等內容。
4連接話音通路
GSM系統業務的數據傳遞采用電路模式，在主叫與被叫之間有一條物理通路。建立這
樣一條通路有兩個要求：（1）為傳遞通信的不同路由段分配一定的信道資源；（2）將
各段信道連接在一起。
信道資源包括Um接口的無線信道和A接口的PCM鏈路信道。無線信道由CHACT說明，A
接口的地面信道由 ASS－REQ說明。
各個信道的連接是一個接路過程。收到ASS－REQ后， BSC將A接口的地面信道和Um
接口的無線信道連接在一起。收到CONNECT后，MSC將A接口的地面信道和網絡內使用的
信道連接在一起。在MS內部也有類似的接路過程。主叫方收到ALERT消息后，接通內部
的話音通路；被叫端的用戶（GSM用戶）在發送CON－NECT時，接通 MS內的話音通路。
5呼叫斷續處理
5.1清除CC連接和 MM連接
當一方用戶掛機時，開始清除通信連接。從L3的CC子層開始清除，最終到L1。
以主叫MS先掛機為例。MS發送DISCON－NECT（斷開連接）消息，指明呼叫清除的發
起端及清除原因。網絡收到DISCONNECT后，停止所有的CC連接定時器，清除業務信道在
網絡中的連接，向MS發送RELEASE（呼叫釋放），通知它網絡正在釋放CC層的連接。MS
收到消息后，停止所有CC連接定時器，釋放MM連接，向網絡發送RELCMP，本身進入
“NULL”（空閑）狀態。這時，在MS側，L3的連接已經全部釋放完畢，但MS不能自己拆
除L2層的連接，要等待網絡的釋放命令。網絡收到RELCMP（呼叫釋放完成）后，釋放MM
連接，返回到“NULL”狀態。
CC層和MM層的連接釋放完畢后，網絡啟動SCCP連接的釋放，釋放及應答消息分別為
CLRCOM（清除）和CLRCMP（清除完成）。
5.2釋放RR連接
RR連接釋放的目的是去活正在使用的專用信道，專用信道釋放后，MS返回到IDLE
（空閑）狀態。 RR連接釋放的命令是CHREL（信道釋放），包括釋放原因（正常釋放、
超時、切換失敗等）。MS收到CHREL后，啟動定時器，回送一條LAPDm層的DISC消息，
準備斷開連接。當DISC消息被系統的UA消息證實或定時器超時后，MS去活所有信道，
返回到空閑模式。
RR連接釋放后，停止系統在TCH信道的伴隨信道SACCH上發送DESACCH（去活SACCH
信道），并在TCH信道上發送RFCHREL（無線信道釋放）及其應答。與RFCHREL相對應，
L1的連接也被清除，以減小或關閉系統在該信道的發射功率。
6其它
6.1選擇TCH信道分配時間
在一次通話過程中，MS先后使用了SDCCH和TCH兩種不同類型的信道，分別用于信令
和話音傳遞。網絡根據對SDCCH和TCH使用的分配原則，可以在不同時間點，給MS分配
TCH信道，有三種方式：早分配、特早分配和晚分配。
TCH的指配可在CC連接建立后馬上進行，也可等收到ALERT消息后再指配。前者稱
為早分配，后者為晚分配。分配的早晚會影響系統占用SDCCH或TCH信道的時間。晚分
配的SD－CCH信道占用時間長，可能導致TCH信道還有空閑時，由于SDCCH信道資源的
缺乏而使呼叫失敗，但可提高TCH信道的成功使用率。在ALERT后，主被叫均處于接通
狀態，一旦被叫用戶搞機，TCH信道就可被成功使用。在早分配中，若被叫用戶連接失
敗，會導致分配給主叫用戶使用的TCH信道實際上不能使用，降低了使用率，但提高了
SDCCH的容量。特早分配是在IMMASS時就直接分配一條TCH信道，但僅作為信今信道使
用，在CC連接建立后，再利用信道模式修改命令，改為TCH信道。特早分配沒有為信今
信道專門分配獨立的物理信道，使可同時通話的用戶數最多，減少了呼叫建立的緩沖
過程。當系統可用于通信的N個信道都被占用時，新的用戶就不能接入。實際上在通話
前，MS與網絡間還需要時間進行初期的信令通信，在這段時間內，原來通話的用戶有
可能已結束通話，可以建立新的呼叫。目前特早分配方式使用較少，早分配方式使用
較多。
6.2識別MS身份
TMSI是網絡分配給每個移動用戶的臨時身份碼，只在一個位置區域內有效。為了
提高MS用戶的保密性，信令通信可首先使用TMSI代替IMSI。如果網絡識別TMSI號碼，
接續流程可以繼續；若不能識別TMSI（MS從一個位置區進入另一個位置區），就會要
求MS重新上報IMSI號碼。若該號碼有效，通信繼續，同時網絡還會給該移動用戶分配
一個新的TMSI號碼。這個接續過程緊跟在A接口的第一個L3消息之后。
6.3重新分配TMSI
無論當前MS使用的TSMSI是否能被系統識別，出于對用戶身份保密的考慮，在每次
通信時，網絡部可為 MS重新分配一個 TMSI。TMSI的重新分配過程一般是在加密完成
之后，SETUP建立之前。對應于TMSI重新分配命令，MS有一個回應的TMSI分配完成消息。
6.4提前發送功率控制信息
根據系統配置，MS可以決定在AUTHREQ后是否上報MS的處理能力，消息名稱為CLASS
MRAKCHANGE，內容與建立指示中的一樣，只是更詳細說明了MS支持的加密算法。在建
立指示中，只說明是否支持A5／1、A5／2和A5／3 ；而在CLAMARK－CH中，進一步說明
是否支持 A5／4～A5／7算法。網絡收到此消息后先回送 MSPWRCTRL消息，說明MS可使
用的功率范圍，以及與此MS相應的TRX所需的發射功率。在加密過程中，使用加密算法
的信息，MS是否需要提前發送這條消息，由網絡側的系統消息3說明。