移动性管理

用户的移动性管理活动用三个不同的MM状态来描述。每个状态描述了一定层次的功能和信息分配。这些信息存储在MS和SGSN的MM上下文中。

MM上下文也即移动性管理上下文，用户首次附着到GPRS网络中，SGSN就要建立一个MM上下文，如果用户再次附着，SGSN会搜索SDB中已有的数据重建MM上下文。MM上下文包括用户移动性管理的一些内容：IMSI、MM状态、P-TMSI、MSISDN、Routeing Area、Cell identity、New SGSN Address、VLR Num等。

三种不同的MM状态是：IDLE状态、STANDBY状态和READY状态。

1. IDLE状态

在IDLE状态（空闲状态）下，MS和SGSN的MM上下文中不包含该用户的有效位置及路由信息。

在IDLE状态下，MS可以接收PTM-M传输，但PTP和PTM-G业务不能进行。

在MS和SGSN之间为了建立MM上下文，MS应执行PLMN选择、小区选择与重选以及GPRS附着程序。

2. STANDBY状态

在STANDBY状态（待命状态）下，用户附着到移动性管理，MS和SGSN中建立了该用户的、以IMSI标识的MM上下文。

MS可以接收PTM-M和PTM-G业务数据，经SGSN的电路交换业务也可以接收。但是PTP业务的接收和发送、PTM-G数据的发送在此状态下不能执行。MS可执行GPRS路由区（RA）功能、GPRS小区选择和本地小区重选功能。当MS进入新的RA时，MS执行移动性管理程序通知SGSN。当MS在同一RA的小区间移动时，MS不通知SGSN。因此MS工作在STANDBY状态时，SGSN MM上下文中的位置信息仅包含路由区域信息。

在STANDBY状态下，MS可以启动PDP上下文激活或PDP上下文去激活规程。在PDP上下文收发数据前，必须要激活该PDP上下文。

在网络需要给出处于STANDBY状态的MS发送数据或信令时，SGSN在MS所在路由区内送寻呼请求。在MS对寻呼进行响应后，MS中MM状态从STANDBY状态转变为READY状态；同时，当SGSN接收到寻呼响应后，SGSN中MM状态也从STANDBY状态转变为READY状态。

与此类似的是，以及当MS发送数据和信令信息后，MS的MM状态从STANDBY状态转变为READY状态；当SGSN收到MS送出的数据和信令信息时，SGSN的MM状态从STANDBY状态转变为READY状态。

无论是MS还是SGSN都可以通过启动GPRS分离规程来将MM状态迁移到IDLE状态。如果MS可及定时器超时，SGSN发起隐含的GPRS分离规程，SGSN和MS中的MM上下文将被删除，MM状态进入IDLE状态。

3. READY状态

在READY状态（就绪状态）下，SGSN中对应于该MS的MM上下文中扩展了一项信息——MS所驻留的小区位置信息。这项信息是由MS执行相关的移动性管理规程（PDP上下文激活规程）来向网络提供的。

GPRS小区的选择和重选是由MS在本地完成的，也可以由网络来控制。

在这种状态下，MS可以发送和接收PTP PDUs，网络侧不对MS发起PS寻呼，对其他业务的寻呼可以通过SGSN实现。

无论是否为该MS分配无线资源，MM状态仍保持在READY状态，直到MM READY定时器超时。MM READY定时器超时后，MM状态转变为STANDBY状态。为了从READY状态进入IDLE状态，MS需要启动PDP去激活规程。

1. MM状态迁移

移动性管理三种工作状态转换工作模型如图2-8-1所示。

图2-8-1　移动性管理状态迁移模型

2. 就绪定时器功能

就绪定时器功能维护MS中和SGSN中的就绪定时器，该功能是为了避免SGSN中的MM上下文和PDP上下文无限制积累而消耗有限的存储空间。就绪定时器控制MS和SGSN中MM上下文保持在MM READY状态的时间。当该定时器超时后，MS中和SGSN中的MM上下文应该迁移到STANDBY状态。在MS发送LLC PDU后，MS中的该定时器需要重启；在SGSN收到一个正确的LLC PDU后，相应的就绪定时器需要重启。

就绪定时器的长度在MS中和SGSN中一样，由SGSN通过Attach Accept、Routeing Area Update Accept等消息来控制。

当就绪定时器设置为0时，MS应该回到STANDBY状态；当就绪定时器全1编码时，就绪定时器功能被禁止。

3. 周期性路由区更新定时器功能

周期性路由区更新定时器功能检视MS中的周期性RA更新规程，其功能是使MS尽量可靠地附着在GPRS网络上。

周期性RA更新的时长在一个路由区中是唯一的，由SGSN通过Attach Accept、Routeing Area Update Accept等消息来通知MS。在该定时器超时后，MS应该主动发起周期性RA更新规程。

对于MS离开GPRS覆盖区后，又回到GPRS覆盖区的情形：如果回到GPRS覆盖区前，周期性RA更新定时器超时了，MS应该立即执行周期性RA更新规程；如果该定时器没有超时，MS不得发起周期性RA更新规程。

如果将GSM覆盖区和GPRS覆盖区结合起来考虑，MS离开覆盖区一段时间后又回到覆盖区的行为相当复杂，在这儿不详细介绍。

4. 用户可及定时器功能

用户可及定时器功能监视SGSN中的周期性RA更新规程，其功能是减少系统在寻呼方面的信令开销。用户可及定时器时长比周期性路由区更新定时器要稍微长些。该定时器超时意味着用户要么不在覆盖区，要么是关机、MS故障、电池耗尽或人为掉电状态，此时再对该用户进行寻呼是必然没有响应的。没有响应又会导致寻呼重发，无谓地增加了系统的信令开销。

为了让用户不可及原因消除后，用户能够尽快恢复到不可及原因发生前的GPRS业务能力，同时又不增加系统的信令负荷，SGSN中的MM上下文和PDP上下文应该维持不变。

用户可及定时器在进入READY状态后停止，在回到STANDBY状态后重启。

在该定时器超时后，SGSN应该清除相应的PPF标志，此后SGSN不再对该MS进行寻呼。在检测到MS的下次活动后SGSN中相应的PPF置位。在用户首次注册到SGSN时，相应的PPU是置位的。

为了提高系统的效率（主要是无线资源的利用率），通过一种特定的、在SGSN和相关MSC/VLR之间的关联，提高SGSN与相应的MSC/VLR的交互是有吸引力的想法。在SGSN和MSC/VLR都支持可选的Gs接口时，这种想法就实现了。

当SGSN存储了相应的VLR号，VLR存储了相应的SGSN号，这样关联机就建立起来了。这种关联主要是要协调同时GPRS附着和IMSI附着的MS。

通过这种关联，GSM/GPRS系统可以支持如下功能：

（1）通过SGSN实现IMSI附着和IMSI分离。这使得组合GPRS/IMSI附着和组合GPRS/IMSI分离成为可能，这样可以节省无线资源。

（2）通过SGSN来实现LA更新（包括周期性LA更新）。这使得组合LA/RA更新成为可能，这样可以节省更多的无线资源。

（3）通过SGSN实现CS寻呼，提高系统电路交换接通率。

（4）非GPRS业务提醒规程。

（5）身份识别规程。

（6）MM信息规程。

后面三个功能意义不大，第一个比较简单，重点介绍第二和第三个功能。

1. 组合RA/LA更新

当同时处于IMSI附着和GPRS附着的MS进入一个工作在网络操作模式Ⅰ的路由区时，该MS发起组合RA/LA更新规程。对于进入其他网络操作模式的路由区，由于不支持寻呼协调，MS发起组合RA/LA更新规程没有任何意义。

A类的MS在进行电路交换业务时只进行路由区更新，不进行组合路由区/位置区更新。

B类的MS在进行电路交换业务时，不进行任何更新。

C类的MS从不进行组合路由区/位置区更新。

2. CS寻呼协调及网络操作模式

如果一个MS既附着在GPRS网络又附着在GSM网络，而且网络工作在操作模式Ⅰ，则MSC/VLR可以通过SGSN来进行电路业务寻呼。如果该MS处于STANDBY状态，则寻呼在路由区级别进行；如果该MS处于READY状态，则寻呼在小区级别进行。

通过SGSN进行电路寻呼的示意图如图2-8-2所示。

图2-8-2　电路寻呼

根据网络对电路业务和GPRS业务的寻呼方式及其配合关系，可将网络划分为表2-8-1所示的三种网络工作模式。

表2-8-1　网络工作模式

GPRS的MM规程通常与附着、用户鉴权、标识校验、加密等接入控制与安全性管理一起执行。

1. GPRS附着功能

当MS完成GPRS附着规程后，MS就处于READY状态，在MS和SGSN中建立了该MS的MM上下文。此后，MS可以通过PDP上下文激活规程激活其PDP上下文。

如果网络操作模式为Ⅰ，已经GPRS附着的MS，通过组合RA/LA更新规程完成IMSI附着。

如果网络操作模式为Ⅱ或Ⅲ，或者MS没有附着在GPRS，则MS按照GSM规范中规定的IMSI附着规程进行。

在附着规程中，MS向网络指示其附着类型（IMSI附着、GPRS附着或组合的IMSI/GPRS附着）和身份识别。身份识别应优先使用P-TMSI（如果有有效的P-TMSI条件下），然后才使用IMSI。

对于C类的MS，在进行IMSI附着前必须处于GPRS分离状态；在进行GPRS附着前，必须处于IMSI分离状态。

单纯的GPRS附着规程比较简单，图2-8-3是组合GPRS/IMSI附着规程示意图。

图2-8-3　GPRS/IMSI附着规程

对上述规程的可选流程说明如下：

第2步，如果MS的身份标识是P-TMSI，而且其驻留的SGSN在GPRS分离后已经改变，则新SGSN向旧SGSN请求该MS的IMSI。

第3步，如果第2步未成功，则新SGSN向MS要求其上报IMSI。

第4步，是可选的。但是如果网络没有该MS的MM上下文，则该过程必须执行。

第5步，完全是可选的。

第6步，如果MS驻留的SGSN在GPRS分离后已经改变，或者是它第一次附着，则SGSN需要通知HLR该MS的位置已经更新，HLR需要将该MS的预约数据下发到该SGSN。

第7步，如果第1步指示的附着类型是在IMSI附着前提下的GPRS附着或组合GPRS/IMSI附着，并且SGSN和VLR都支持Gs接口，则SGSN需要向（新）MSC/VLR发起位置更新，以维持SGSN与MSC/VLR的关联。7c和7d步骤是针对MSC间位置更新的情形。

第9步，如果P-TMSI或/和TMSI发生改变，则MS应该确认其已经接受该TMSI。

第10步，如果TMSI发生改变，则SGSN应向VLR确认MS已经接受新TMSI。

2. GPRS分离规程

通过分离规程，用户断开与GPRS/GSM网络的连接，GPRS分离后，MS进入MM IDLE状态。分离类型包括以下几种：

• IMSI分离。

• GPRS分离。

• 联合IMSI/GPRS分离（只支持MS发起）。

MS从GPRS网络中分离可以采用显式分离和隐式分离两种方式。所谓显式分离方式就是由MS或SGSN发送一个分离请求；后者则是在一个已经存在的逻辑链路上，由于就绪定时器超时或者由于无线链路上发生不可恢复的错误而造成的分离。

MS实现IMSI分离的方式要随着是否存在着GPRS附着而不同。已经处于GPRS附着状态的MS，可以通过SGSN来发起IMSI分离，而且可以与GPRS分离组合进行；没有附着在GPRS的MS通过与GSM IMSI分离规程一样的规程来进行IMSI分离。

GPRS分离功能一般由MS来发起，网络也能发起GPRS断开功能。

下面给出几种分离的规程示意图。

1）MS发起的GPRS分离规程（见图2-8-4）

图2-8-4　MS发起的GPRS分离规程

对MS发起的分离规程说明如下：

（1）MS向SGSN发出分离请求（分离类型、切断）。

（2）如果是GPRS分离，则SGSN收到该请求后向GGSN发出删除PDP上下文请求（TID），GGSN返回删除PDP上下文响应（TID）。

（3）如果是IMSI分离，SGSN则向MSC/VLR发出IMSI分离指示。

（4）如果是GPRS分离，则SGSN向MSC/VLR发出GPRS分离指示。

（5）SGSN向MS发送分离确认。

2）SGSN/HLR发起的GPRS分离规程

（1）网络（SGSN）发起分离，其分离规程如图2-8-5所示。

图2-8-5　SGSN发起的GPRS分离规程

对SGSN发起的分离规程说明如下：

①SGSN向MS发出分离请求（分离类型）。

②SGSN向GGSN发出删除PDP上下文请求（TID），GGSN返回删除PDP上下文响应（TID）。

③SGSN向MSC/VLR发出GPRS分离指示（IMSI）。

④MS向SGSN返回分离确认。

（2）网络（HLR）发起分离，其分离规程如图2-8-6所示。

图2-8-6　HLR发起的GPRS分离规程

HLR可以从运营目的出发要求从SGSN中删除一个用户的MM和PDP上下文。对HLR发起的分离规程说明如下：

①HLR向SGSN发送一个位置取消（IMSI、取消类型）消息。

②SGSN收到该消息之后向MS发出分离请求（分离类型）。

③SGSN向GGSN发出删除PDP上下文请求（TID），GGSN返回删除PDP上下文响应（TID）。

④SGSN向MSC/VLR发出GRPS分离指示（IMSI）。

⑤MS返回分离确认。

⑥SGSN向HLR返回位置取消确认（IMSI）。

3. 清除功能

清除功能允许SGSN通知HLR它已经将一已经处于GPRS分离状态的MS的MM上下文和PDP上下文删除。事实上，在MS显式或隐式地分离后，SGSN有两种选择，一是立即删除MS的MM和PDP上下文；另外一种选择是SGSN将该MS的MM上下文、PDP上下文和鉴权三元组保留一定时间，以备稍后该MS可能的GPRS附着使用，以减少访问HLR的次数。

安全性功能包括以下三个方面：

• 防止未授权使用GPRS业务（鉴权和服务请求确认）。

• 保持用户身份机密性（临时身份和加密）。

• 保持用户数据的机密性（加密）。

下面从这三个方面对GPRS的安全性功能做简要介绍。

1. 用户鉴权

GPRS鉴权流程和GSM原有的鉴权流程是相似的，不同点在于GPRS鉴权流程是由SGSN发起的，GPRS鉴权三元组存储在SGSN中，同时在开始加密时，将对所采用的加密算法进行选择。图2-8-7给出了GPRS用户鉴权流程。

图2-8-7　用户鉴权流程

对该流程说明如下：

（1）SGSN向HLR发出发送鉴权信息（IMSI），HLR返回鉴权信息确认（包含鉴权三参数组：RAND、SRES和Kc）。

（2）SGSN向MS发出鉴权请求（RAND、CKSN、加密算法），MS返回鉴权响应（SRES），完成鉴权过程。

2. 用户身份机密性

临时逻辑链路标志（TLLI）用来唯一表示一个用户，在同一路由区，IMSI和TLLI具有一一对应关系，这种对应关系只有MS和SGSN知道。TLLI的地址范围可以分为三部分：本地地址、外部地址以及随机地址，其中本地地址是由SGSN分配的，并且只在地址分配时所在路由区有效；外部地址是由MS分配的，源于旧路由区中的本地地址；当MS不具备本地地址和外部地址或MS发起一个匿名接入时，MS将随机选择一个TLLI。当MS处于READY状态时，SGSN可随时为MS重新分配TLLI，可以通过一个TLLI再分配流程或在连接流程、路由区更新流程时进行。

与TLLI相联系的还有TLLI标记这个概念，TLLI标记用来对用户的身份进行验证。在SGSN向MS发送Attach Accept和Area Update Accept消息时，可以将TLLI标记作为一个可选的参数，如果MS接收到TLLI标记，将在下一个连接请求或路由区请求中附加TLLI标记，供SGSN验证。图2-8-8给出了TLLI再分配的流程。

图2-8-8　P-TMSI重新分配流程

P-TMSI的分配：

P-TMSI由SGSN分配。

• SGSN：向MS发出P-TMSI重新分配命令消息（新P-TMSI，P-TMSI签名，RAI）。

• MS：向SGSN返回P-TMSI重新分配完成消息。

注：P-TMSI签名是一个与P-TMSI相关的可选参数，用于附着和位置更新等规程。

3. 用户数据和GMM/SM信令机密性

在GPRS中，加密的范围在MS和SGSN之间，而与此对应，GSM加密的作用范围在MS和BTS之间，如图2-8-9所示。加密操作是由LLC层完成的。

图2-8-9　用户数据和GMM/SM信令机密性

GPRS增加了一个新的加密算法，另外由于SGSN不知道TDMA的帧数，因此在加密算法中，用逻辑链路控制帧数量来代替TDMA帧号。

4. 用户身份检查

GPRS的用户身份检验规程基本等同于GSM，不同点在于检验的执行者是SGSN。

如图2-8-10所示，用户身份检验规程如下：

图2-8-10　用户身份检验规程

• SGSN：向MS发出标识请求（标识类型）。

• MS：向SGSN返回标识响应（移动标识）。

• SGSN：如果需要校验IMEI，则向EIR发出校验IMEI消息。

• EIR：向SGSN返回校验IMEI确认。

位置管理功能包括以下几个方面：

• 提供小区和PLMN选择的机制。

• 为网络提供一种获取处于STANDBY和READY状态下MS的路由区机制。

• 为网络提供一种获取处于READY状态下MS的小区标志机制。

MS定时地分别比较MM上下文中的小区标识和路由区标识，并分别与从系统消息中接收到的小区标识和路由区标志相比较，从而产生小区更新和路由区更新请求。另外，MS会定时发起周期性路由区更新请求。位置管理的规程可以分为以下三种：

• 小区更新规程。

• 路由区更新规程。

• 组合路由区和位置区更新规程。

1. 小区更新规程

当MS处于READY状态时由一个小区进入同一路由区中的另一个小区，该MS会发起小区更新规程。对小区更新规程的描述如下：

（1）MS通过发送一个任意类型的、包含其ID的上行LLC帧给SGSN来启动小区更新规程。

（2）BSS收到该LLC帧后，在相应的BSSGP帧头带上新小区的CGI给SGSN。

（3）SGSN收到该BSSGP帧后，将MS驻留的新小区的CGI保留到该MS的MM上下文中，以后给该MS的业务都直接发向该新小区。

2. 路由区更新规程

当处于GPRS附着状态的MS检查到进入了一个新的路由区，或当它的周期性路由区更新定时器超时后，该MS发起RA更新规程。

SGSN通过检查路由区更新请求消息是否携带老路由区标识来确定执行SGSN内部的RA更新规程或SGSN间的RA更新规程。周期性RA更新规程总是SGSN内部RA更新规程。

3. SGSN内部的路由区更新

SGSN内部的路由区更新规程如图2-8-11所示。对该规程说明如下：

图2-8-11　SGSN内部的路由区更新规程

（1）MS向SGSN发出路由区更新请求（包含原RAI、原P-TMSI签名、更新类型等），BSS在其中加上包含RAC和LAC的小区全球标识（CGI）。

（2）可选地启动安全性规程。

（3）SGSN更新该MS的MM上下文，必要时给它分配一个新的P-TMSI，然后向MS返回路由区更新接受消息（P-TMSI、P-TMSI签名）。

（4）如果分配了新的P-TMSI，则MS应返回路由区更新完成消息（P-TMSI）。

4. SGSN间的路由区更新

SGSN间的路由区更新规程如图2-8-12所示。对该规程说明如下：

图2-8-12　SGSN间的路由区更新规程

（1）MS向新SGSN发送路由区更新请求（包含原RAI、原P-TMSI签名、更新类型等），BSS在其中加上包含RAC和LAC的小区全球标识（CGI）。

（2）新SGSN向旧SGSN发出SGSN上下文请求（原RAI、TLLI、原P-TMSI签名、新SGSN地址），以获得该MS的MM上下文和PDP上下文。

（3）可选地执行加密功能。

（4）新SGSN向旧SGSN返回SGSN上下文确认；旧SGSN收到该确认后，标记该MS的上下文中的MSC/VLR关联等其他信息无效。如果前面的鉴权未通过，则新SGSN应该拒绝该MS的路由区更新请求，旧SGSN应该当作什么也没有发生。

（5）在收到新SGSN的SGSN上下文确认消息后，旧SGSN在一定的时期内将相关的N-PDU转发给新SGSN。

（6）新SGSN向GGSN发出更新PDP上下文请求（新SGSN地址、TID、商定的QoS），GGSN返回更新PDP上下文响应（TID）。

（7）新SGSN向HLR发出位置更新消息（SGSN编号、SGSN地址、IMSI）。

（8）HLR向旧SGSN发出位置取消消息（IMSI、取消类型），旧SGSN删除相应的MM和PDP上下文后返回位置取消确认（IMSI）。

（9）HLR通知新SGSN插入用户数据（IMSI、GPRS签约数据），新SGSN创建相应的MM上下文后返回插入用户数据确认（IMSI）。

（10）HLR向新SGSN返回位置更新确认（IMSI）。

（11）新SGSN重建该MS的MM上下文和PDP上下文，为该MS分配新的P-TMSI，向MS返回路由区更新接受消息（P-TMSI、LLC确认、P-TMSI签名）。

（12）MS返回路由更新完成消息（P-TMSI、LLC确认）。

5. 组合RA/LA更新规程

当MS进入一个新路由区或一个GPRS附着状态的MS进行IMSI附着时，MS发起路由区和位置区更新规程，但这仅限于网络操作模式Ⅰ方式下的GPRS网络。

6. SGSN内部的组合RA/LA更新规程（见图2-8-13）

图2-8-13　SGSN内部的组合RA/LA更新规程

7. SGSN间的组合RA/LA更新规程（见图2-8-14）

图2-8-14　SGSN间的组合RA/LA更新规程

8. 周期性路由区更新和位置区更新

所有处于GPRS附着状态的MS（除了在进行电路交换业务的B类MS外），都应该进行周期性RA更新。周期性RA更新规程相当于SGSN内部的RA更新（除了更新类型不一样外）。

IMSI附着而GPRS分离状态的MS应该发起周期性LA更新规程。

对于同时IMSI附着和GPRS附着状态的MS，其周期性更新行为取决于网络操作模式：

（1）如果网络操作模式是Ⅰ，则MS只进行周期性RA更新。

（2）如果网络操作模式是Ⅱ或Ⅲ，则MS应该分别进行周期性RA更新和周期性LA更新。

如果HLR中的用户签约数据改变（如QoS文件、允许的VPLMN地址等改变）或删除，则可通过下述插入用户数据规程和删除用户数据规程通知相关的SGSN。

此外，HLR可以通过插入用户数据规程来通知SGSN对插入一个或多个新的PDP上下文，或修改已存在的一个或多个PDP上下文。

1. 插入用户数据规程

对该规程描述如下：

（1）HLR向SGSN发出插入用户数据（IMSI、GPRS签约数据）消息。

（2）SGSN更新其GPRS签约数据并且确认来自HLR的消息。

①如果相关的PDP上下文是新的或未激活，则存储HLR发来的数据即可。

②如果相关的PDP上下文激活，则将新的QoS与商定的QoS进行比较，不一样时发起“PDP上下文修改规程”；如果MS目前驻留的VPLMN与新的允许VPLMN地址不符，则发起“PDP上下文去激活规程”。

2. 删除用户数据规程

对该规程描述如下：

（1）HLR向SGSN发出删除用户数据（IMSI、PDP上下文标识表）。

（2）SGSN向HLR返回删除用户数据确认（IMSI）。

①如果相关的PDP上下文未激活，则删除该PDP上下文即可。

②如果相关的PDP上下文激活，则发起“PDP上下文去激活规程”。

GPRS对MS的类别标志的处理与原GSM不同，当MS附着到GPRS上时，其类别标志在MM消息中发送给网络并存储在网络中，直至该MS转移到GPRS分离状态。这是为了避免MS类别在无线接口上传输，从而节约无线资源。

MS的级别标志分两部分：无线接入类标和SGSN类标。无线接入类标表示MS的无线能力，如频段能力、多时隙能力、功率等级能力以及BSS进行无线资源管理所需的其他信息等。无线接入类标在发送给SGSN之后，由SGSN提供给BSS。SGSN类标表示与无线无关的其他能力，如加密能力等。

SGSN应该将无线接入类标作为一个信息域在每个下行的BSSGP PDU中提供给BSS；而BSS随时可以向SGSN请求某MS的无线接入类标。

为了提高效率，规范中也提高了在初始接入阶段，BSS从MS直接得到简化无线接入类标的机制。