GSM信令协议简介

WGC3TonyLiu06/11/2009GSM信令协议简介Content1.基本概念2.GSM信令协议架构3.信令协议简介4.实例1.基本概念•信令通讯设备之间任何实际应用信息的传送总是伴随着一些控制信息的传递,它们按照既定的通讯协议工作,将应用信息安全、可靠、高效地传送到目的地。这些信息在计算机网络中叫做协议控制信息,而在电信网中叫做信令(Signal)。在通信系统中把协调不同实体所需要的信息称为信令信息，也称之为信令消息。•通信协议是指网络中应用进程之间相互通信所必须共同遵守的约定的集合。包含以下三个基本要素：(1)语义(Semantics)：定义了用于协调通信双方和差错处理的控制信息，是对构成协议的协议元素含义的解释，即“讲什么”。(2)语法(Syntax)：规定了通信所用的数据格式、编码与信号电平等；是对所表达内容的数据结构形式的一种规定，即“怎么讲”。(3)定时规则(Timing)：明确实现通信的顺序、速率适配及排序。2.GSM信令协议架构(1)Figure1-1interfacesintheGSMPLMN2.GSM信令协议架构(2)Figure1-2GSMprotocolarchitectureforsignaling3.信令协议简介3.1PhysicalLayer3.2DataLinkLayer3.3NetworkLayer3.4信令成突发的过程GSM系统通过MSC建立与公众电信网的接口，其内部各功能实体的互连也是由接口标志，并由相应的接口协议予以定义的。协议是各功能实体之间的“语言”，接口表示相邻实体之间的接触点，协议通过接口传递有关信息，例如各种通信与管理功能信息。GSM的接口协议是统一且明确的。GSM系统各接口采用的分层协议结构是符合开发系统互连（OSI）参考模型的。分层的目的是允许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议功能，优点是任何一个功能块的扩充或修改具有独立性、灵活性，有利于新业务、新技术的引入和未来发展。3.1PhysicalLayer(1)无线Um接口，提供无线链路的传输通道，为高层提供不同功能的逻辑信道，包括业务信道和逻辑信道。A接口在BSS与MSC之间主要传递呼叫处理、移动性管理、基站管理、移动台管理等信息。采用公共信道信令NO.7（CSS7）的消息转移部分（MTP）的第一级来实现，采用2Mbit/s的PCM数字链路作为传输链路，性能符合GB7611—87标准；Abis接口是GSM网络的基站系统中，BSC(BaseStationController，基站控制器)和BTS(BaseTransceiverStation，基站收发信台)之间的接口，用于BSC与BTS之间传输业务信息和信令信息。通常采用2Mbit/sPCM链路，符合CCITTG.703和G.704要求。3.2PhysicalLayer(2)Um接口被定义为MS与BTS之间的通信接口，我们也可称它为空中接口，在所有GSM系统接口中，Um接口是最重要的。首先，它实现了各种制造商的移动台与不同运营者的网络间的兼容性，从而实现了移动台的漫游。其次，它的制定解决了蜂窝系统的频谱效率，采用了一些抗干扰技术和降低干扰的措施。很明显，Um接口实现了MS到GSM系统固定部分的物理连接，即无线链路，同时它负责传递了无线资源管理、移动性管理和接续管理等信息。BTS和MS之间传递着大量的信息，根据传送的信息种类的不同，我们将信道定义为不同的逻辑信道。这些逻辑信道根据一定的规则映射到不同的物理信道进行传输。逻辑信道可分为两类：业务信道（TCH）和控制信道（CCH）(1)业务信道。(2)控制信道。控制信道(CCH)用于传送信令和同步信号。它主要有三种：广播信道(BCH)、公共控制信道(CCCH)和专用控制信道(DCCH)。①广播信道(BCH)。②公用控制信道(CCCH)。③专用控制信道(DCCH)。3.2DataLinkLayer数据链路(datalink)：要在一根线路上传送数据，除了要有一条物理线路外，还要有一些必要的规程来控制这些数据的传输。将实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。主要功能通过数据链路协议，在不太可靠的物理链路实现可靠的数据传输(物理链路：噪声干扰，失真，不可靠)具体功能为网络层提供数据传输服务3.2DataLinkLayer－InterfaceandProtocolUm接口LapDm协议(LinkAcessProcedureonDmchannels)Dm信道链路接入协议。LAPDm将L3信息转换成帧，并处理L1来的应答帧。Abis接口LapD协议其帧格式符合固定网ISDN标准，将高层信息组装成LAPD帧经D通道传输，信令消息使用64kbit/s速率传输。A接口MTP协议分为MTP2和MTP3两部分，MTP2集中了MTP中全部的链路层协议，MTP3则包含了网络层的部分协议3.2DataLinkLayer－Frame（1）LapD及MTP2都使用的是HDLC的帧定义方式；flag：01111110为了保证帧开始和结尾的唯一性，如果内容中出现5个连续的1时，需要在发端自动插入一个0，同时在收端自动删除这个0，恢复信息的原貌，引入flag的好处：帧的长度可变；不必指示实际长度。上一帧的结束标志同时也是下一帧的开始标志。LapDm，利用无线接口的同步方式传送定义帧的方式的信息。LapDm中不使用flag，而是使用物理层上已有的块的概念。长度等于一个物理层的块的大小，23个字长，如果信息长度小于这个最大值，对空闲字节填上缺省值“00101011”如果信息的长度大于帧长度限制时，就要把信息分组，分成几帧，收端再重组。分组时，每帧加一个bit（加头信息），1表示还有后续帧，0表示最后一帧。3.2DataLinkLayer－误码检测及纠错（1）错误检测目的其一，最大似然的对帧中的错误进行捕捉，以便要求网络使用重发机制覆盖这个错误；其二，监视链路的质量，当误码率超过门限时，产生报警。检测方法HDLC每帧包括16bit的冗余，称为帧校验序列（FCS），用于误码检测。无线路径上由于物理层已经提供了具有检验功能的传输编码方案，所以不需要额外的误码检测方式。3.2DataLinkLayer－误码检测及纠错（2）覆盖误帧方法帧证实和重复功能。三种协议都使用了类似HDLC的反向纠错机制，有下列两种模式同时存在：（1）非证实模式（Unacknowledgedmode），无论收端收到与否，每帧只发一次；因为在系统中并不是所有的信令都要求同样的级别，且侧重面各不相同，例如MS向BSS报告的测试结果消息时，以非证实方式传输更加简捷便利。（2）证实模式（Acknowledgedmode），以重复方式纠正错误帧。LapDm及LapD，证实是通过接收端发送发端下一帧的帧号来实现的。LapD和LapDm中引入窗口的概念，窗口的大小决定了有待证实的保持数量，需要足够大，避免发端不必要的等待证实延时。窗口的尺寸决定有待证实的保持数量，这个尺寸要足够大，以避免发端出现不必要的等待证实延时。其中LapD的窗口是可变的，在LapDm中固定为1，就是简单的发送等待协议。LapD跟MTP中的循环次数为128，而LapDm是8,为了减少帧号所占字节数。MTP2中，收端把上一次的正确的帧号回传到发端。3.2DataLinkLayer－误码检测及纠错（3）同步当证实模式建立时，首先要建立两端的计数同步，结束时还需要有一个释放过程，释放所占资源。例如：在LapD和LapDm消息中使用SABM和UA消息对建立两端同步，使用DISC和UA消息对，释放已建立的证实模式；非证实模式可以随时发送。SetAsynchronousBalancedMode3.2DataLinkLayer－复用一个链路层可以处理同一信道的多个独立的消息流，为了使收端区别这些混在一起的消息，必须加入一个地址段，这种设计源于ISDN的LapD协议中点到多点的通信应用。虽然无线路径是点到点的应用，但是仍然保持这个机制。无线接口上同时存在两种消息流，即信令跟短消息。在一条链路上使用标志SAPI（业务接入点标志）加以区别.GSM中定义SAPI是指不同的应用协议。Um接口，LapDm中定义的SAPI0对应信令应用，SAPI3对应短消息业务；Abis接口，LapD中复用有两个方面，其一是不同功能之间的区别；其二是不同设备之间的区别。A接口，MTP2上没有链路级的复用。3.2DataLinkLayer－流量控制因为资源经常是由几个信息流共享的，并控制其总和不超过最大的容限。所以有必要防止阻塞，防止系统中由于一处过载而引起整个系统的崩溃。使用类似HDLC协议中的流量控制，仅仅是延时证实消息的传送，但这是很有限的，因为如果延时过长，发端就会不断的重发，造成更加得到阻塞。另一个附加的方法就是使用两个指令实现”停发“控制，这个方法在LapDm及MTP2中使用。3.3NetworkLayer网络层的基本概念就是编址，网络层协议就是把标记附加在每个消息上，用于区别不同的信息流。这个标志可以通过编址的方式对应于某个源点，某个宿点，连接參考或路由参考。可以通过这个标志为消息选择路由，把消息送到下一个适当的路段，或者把它分配到适当的程序上。GSM网络层是信令功能层，执行控制和管理协议，是收发信令信息的实体。信令层3分成CC、MM和RM三个子层。3.3NetworkLayer－BSS（1）无线接口（Um接口）上的链路标识，可以在MS上区别消息信令和短消息，但是为了判断消息的源点及宿点，即需要判断属于哪个应用协议，因而需要一个网络编址加以补充，这就是协议鉴别器PD的功能。按照PD与应用协议的关系，源点把PD插入消息，在MS到设备方向上，BSC利用PD判断收到的信息是终点消息（RR）还是要传向MSC的消息，MS和MSC根据收到的消息的PD标识把他们分配到正确的软件模块。但是CC与SS的源点及宿点，都是MS←→MSC(HLR)，相同PD，使用事件区别，记为标识TI,TransactionIdentifier,由源点MS跟MSC插入，宿点MS跟MSC可以根据收到的的PD和TI把消息分配到正确的子集。RM(无线资源管理)RM在公共信道上的信令过程有：寻呼、随机接入、分配专用控制信道、系统信息广播；RM在专用控制信道上的信令过程有：信道分配和释放、加密操作、定期测量无线链路性能、切换处理。MM(移动性管理)MM提供下述控制：TMSI重新分配、用户鉴权、位置登记、IMSI的附着／分离、周期更新。CC(呼叫控制管理)呼叫控制管理包括几个独立的协议实体，如CC、SMS（短消息业务）。CC协议实体负责呼叫建立、呼叫释放等交换控制，其它控制程序提供补充业务及SMS。3.3NetworkLayer－BSS（2）Abis接口信令链路上的消息，从功能上分两类：一类用于BTS和BSC；另一类用于MS与其它设备包括BSC。进一步看，我们还需要识别不同的MS，BSC可以通过对MS与无线信道之间的关系管理来区别每个MS，每个BTS又包括一个或几个TRX，同时每个TRX又都对应一个或几个信令链路，所以又定义一个标识TEI，终端设备标识，用于Abis接口上区别TRX上信令链路。MS在每一个TRX与BSC链路上还需要区别一般管理消息与专用无线信息消息，对于专用无线消息，我们还要分配他们到TRX管理的不同信道。为了达到这个目的，需要在Abis接口上加上鉴别（MD）单元以及一些附加数据,以保证BSC能够理解这个消息要做什么。无线链路管理的MD指示这个消息来自或传向MS，在Abis接口上还带有两个连个參考数据，分别表示该MS所在的无线信道以及该无线信道上的某条链路。它体现了Abis接口支持多用户通信时，对指定MS的描述。因此在各接口上需要有专门的协议鉴别器（PD）和报文鉴别器（MD）来区分信令信息和哪个应用协议有关。3.3NetworkLayer－BSS（3）A接口承载有BSC/MSC之间的消息，以及MS/MSC之间的消息类型，如CC或MM类消息。把BSC/MSC