GSM网络结构和主叫信令流程

GSM 网络结构和主叫信令流程1GSM 网络结构1.1. GSM 系统网络简介GSM 全名为：Global System For Mobile Communication （全球移动通信系统），是一种 起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，它采用数字通信技术、统一的网 络标准，使通信质量得以保证，并可以开发出更多的新业务供用户使用。一套完整的蜂窝移动通信系统主要是由交换网络子系统（SS）、无线基站子系统（BSS）、 移动台（MS）及操作维护子系统（OMC）四大子系统设备组成。GSM系统如图所示，SS系统包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、 归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR）； BSS系统包括有 基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。图 1.1 GSM 系统网络图接口部分如上图所示，BSC与MSC之间的接口为“A”接口；移动交换中心与访问位置 寄存器之间的接口为“B”接口；移动交换中心与归属位置寄存器之间的接口为“C”接口； 归属位置寄存器与访问位置寄存器之间的接口为“D”接口；移动交换中心之间的接口为“E”接口；移动交换中心与设备标志寄存器之间的接口为乍”接口；访问位置寄存器之 间的接口为“G”接口； BSS与MS之间的接口为“Um”接口；基站收发台与基站控制器 之间的接口为“ Abis ”接口。在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的 限制。因此，各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。 也就是说， SS 系统和 BSS 系统只能采用一个厂家的设备，而 MS 可用不同厂家的设备。组成部分简介及接口等。12交换网络子系统（SS）交换网络子系统（ss）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。 SS 由一系列功能实体所构成，各功能实体介绍如下：121 MSC 移动交换中心它是 GSM 网络系统的核心部分，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话 路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。 MSC 提供交换功能， 完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、基站管理等功能，还可 完成 BSS、 MSC 之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等，并提供面向系统其它 功能实体和面向固定网（PSTN、ISDN等）的接口功能。作为网络的核心，MSC与网络其他 部件协同工作，完成移动用户位置登记、越区切换和自动漫游、合法性检验及频道转接等功 能。MSC 处理用户呼叫所需的数据和后面介绍的三个数据库有关，它们是 HLR 、 VLR 和AUC， MSC 根据用户当前位置和状态信息更新数据库。122 HLR 归属位置寄存器HLR 是一个静态数据库，用来存储本地用户数据信息的数据库。一个 HLR 能够控制若干 个移动交换区域或整个移动通信网，所有用户重要的静态数据都存贮在HLR中，在GSM通 信网中，通常设置若干个HLR，每个用户都必须在某个HLR（相当于该用户的原籍）中登记。 登记的内容分为两类：一种是永久性的参数，如用户号码、移动设备号码、接入的优先等级、 预定的业务类型以及保密参数等；另一种是暂时性的需要随时更新的参数，即用户当前所处 位置的有关参数，即使用户漫游到HLR所服务的区域外，HLR也要登记由该区传送来的位置 信息。这样做的目的是保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区的移动用户时，均可由该移动 用户的原地位置寄存器获知它当时处于哪一个地区，进而建立起通信链路。HLR储存两类数据：一是用户的参数，包括MSISDN、IMSI、用户类别、Ki，补充业务 等参数；二是用户的位置信息，即该 MS 目前处于哪个 MSC/VLR 中的 MSC/VLR 地址。1.2.3. VLR 拜访位置寄存器VLR是一种用于存储来访用户位置信息的数据库。一个VLR通常为一个MSC控制区服 务，也可为几个相邻MSC控制区服务。当移动用户漫游到新的MSC控制区时，它必须向该 地区的 VLR 申请登记。 VLR 要从该用户的 HLR 查询有关的参数，要给该用户分配一个新的漫 游号码（MSRN）,并通知其HLR修改该用户的位置信息，准备为其它用户呼叫此移动用户 时提供路由信息。如果移动用户由一个VLR服务区移动到另一个VLR服务区时，HLR在修改 该用户的位置信息后，还要通知原来的VLR,删除此移动用户的位置信息。因此VLR可看作 一个动态的数据库。VLR用于寄存所有进入本交换机服务区域用户的信息。VLR看成是分布的HLR，由于每 次呼叫，它们之间有大量的信令传递，若分开，信令链路负荷大，所以在爱立信系统中， VLR和MSC配对合置于一个物理实体中，将MSC与VLR之间的接口做成AXE的内部接口。VLR中也寄存两类信息：一是本交换区用户参数，该参数是从HLR中获得的；二是本交 换区MS的LAI。1.2.4. AUC 鉴权中心AUC属于HLR的一个功能单元部分，专用于GSM系统的安全性管理。它产生为确定移 动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密 钥Kc）的功能实体，用户的鉴权和加密都需通过系统提供的用户三参数组参与来完成。三参数组： RANDom number （RAND）、 Signed RESponse （SRES）、 Ciphering Key （Kc）AUC存储着鉴权信息与加密密钥，用来进行用户鉴权及对无线接口上的话音、数据、信 令信号进行加密，防止无权用户接入和保证移动用户通信安全。每个用户在注册登记时，就被分配一个用户号码和用户识别码（IMSI）。IMSI通过SIM 写卡机写入SIM卡中，同时在写卡机中又产生一个对应此IMSI的唯一的用户密钥Ki，它被 分别存储在SIM卡和AUC中。AUC中有个伪随机码发生器，用户产生一个不可预测的伪随机数（RAND）。RAND和Ki 经AUC的A8算法（也叫加密算法）产生一个Kc,经A3算法（鉴权算法）产生一个响应数 （SRES）。由RAND、SRES、Kc 一起组成该用户的一个三参数组，AUC中每次对每个用户产 生710组三参数组，传送给HLR,存储在该用户的用户资料库中。VLR 一次向HLR要5组三参数组，每鉴权一次用1组，当只剩下2组（该数值可在交换 机中设置）时，再向HLR要5组，如此反复。空中接口是移动通信中最重要的通道。保护在它上面所传送的用户信息和信令不被无权 者获知，是PLMN网提供的一种重要功能，即用户安全功能。所谓空中接口的安全是指：空中所传送的话音及数据不被窃听；网络不为无权者提供服 务；使用接口的用户不能被识别或跟踪针对用户安全问题， GSM 提供了鉴权和加密的安全功能。1.2.4.1. 鉴权鉴权是为了保护合法用户，防止假冒合法用户的“入侵”。当用户请求接入时， MSC/VLR 通过控制信道将RAND传送给用户，SIM卡收到后，用此RAND与SIM卡中的Ki经同样的 A3算法得到响应数SRES，传送给MSC/VLR。MSC/VLR将收到的SRES与三参数组中的SRES 进行比较，若相同就允许接入，若不同则拒绝此次呼叫。图 1.2 鉴权过程1.2.4.2. 加密加密就是对用户在空中所传送的用户数据（包括话音及数据）和信令数据进行加密，以 保护话务和信令通道中的用户信息的隐私。加密是指无线信道上的加密，是为了防止在BTS和MS之间交换用户信息和用户参数时 被非法个人或团体监听或窃取。MS侧以A8算法得到Kc。根据MSC/VLR发送出的加密命令, BTS侧和MS侧同时使用Kco在MS狈由Kc、TDMA帧号和加密命令一起经A5算法，对 用户信息数据流进行加密（也叫扰码），在无线路径上传送。在BTS侧，把收到的数据流、 TDMA帧号和Kc再经A5算法解密后传送给BSC和MSC。图 1.3 Kc 的产生1.2.5. EIR 设备识别寄存器EIR 也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、 闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。EIR存储着移动设备的国际移动设备识别号（IMEI）,通过核查白色清单、黑色清单、灰 色清单这三种表格，分别列出准许使用、出现故障需监视、失窃不准使用的移动设备识别号 （IMEI）。运营部门可据此确定被盗移动台的位置并将其阻断，对故障移动台能采取及时的 防范措施。但在我国，基本上没有采用EIR进行设备识别。13无线基站子系统（BSS）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和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收 发信台（BTS）。基站子系统BSS在GSM网络的固定部分和无线部分之间提供中继，一方面BSS通过无 线接口直接与移动台实现通信连接，另一方面BSS又连接到网络端的移动交换机。131 BSC 基站控制器基站控制器（BSC ）是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站收发台和操 作维护中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制多个基站收发台，其主要功能 是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切 换进行控制，控制完成移动台的定位、切换及寻呼等，是个很强的业务控制点。1.3.2. BTS 基站收发台基站收发台（BTS）包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接收机、支持 各种上小区结构（如全向、扇形、星状和链状）所需要的天线，连接基站控制器的接口电路 以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。BTS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。BTS包括无线收发信机和天线，此外还有与无线接口相关的信号处理电路。信号处理电 路将实现多址复用所需的帧和时隙的形成和管理，以及为改善无线传输所需的信道编、解码 和加密、解密，速率适配等功能。14 移动台（MS）移动台就是常说的“手机”，它是GSM系统的移动客户设备部分，它由两部分组成，移 动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。MS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。SIM卡就是“身份卡”，它类似于现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户 身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网络。 SIM 卡还存储与网络和客户有关的管理数据，只有插入 SIM 后移动终端才能接入网络进行正 常通信。15操作维护子系统（O MC）GSM系统还有个操作维护子系统（OMC）,它主要是对整个GSM网络进行管理和监控。 通过它实现对 GSM 网内各种部件功能的监视、系统的自检、报警与备用设备的激活、系统 的故障诊断与处理、话务量的统计和计费数据的记录与传递，以及各种资料的收集、分析与 显示等功能。2 主叫信令流程11 主叫流程移动用户做主叫时的信令过程从MS向BTS请求信道开始，到主叫用户TCH指配完成为 止。一般来说，主叫经过几个大的阶段：接入阶段，鉴权加密阶段,TCH指配阶段，取被叫 用户路由信息阶段。1.2. 接入阶段接入阶段主要包括：信道请求，信道激活，信道激活响应，立即指配，业务请求等几个 步骤。经过这个阶段，手机和BTS (BSC)建立了暂时固定的关系。1.3. 鉴权加密阶段鉴权加密阶段主要包括：鉴权请求，鉴权响应，加密模式命令，加密模式完成，呼叫建 立等几个步骤。经过这个阶段，主叫用户的身份已经得到了确认，网络认为主叫用户是一个 合法用户，允许继续处理该呼叫。1.4. TCH 指配阶段TCH 指配阶段主要包括：指配命令，指配完成。经过这个阶段，主叫用户的话音信道已 经确定，如果在后面被叫接续的过程中不能接通，主叫用户可以通过话音信道听到MSC的 语音提示。1.5. 取被叫用户路由信息阶段取被叫用户路由信息阶段主要包括：向HLR请求路由信息；HLR向VLR请求漫游号码； VLR回送被叫用户的漫游号码；HLR向MSC回送被叫用户的路由信息(MSRN)。MSC收到 路由信息后，对被叫用户的路由信息进行分析，可以得到被叫用户的局向。然后进行话路接 续。