无线接口信令

8.3.1　无线接口信令

1）物理层（第1层）

GSM系统将无线信道分为两类：业务信道（TCH）和控制信道（CCH）。前者用于传送用户信息，包括话音或数据；后者用于传送信令信息，又称为信令信道。

GSM系统定义了4类控制通道：广播信道、公共控制信道、专用控制信道和随路控制信道。

（1）广播信道（BCH）

广播信道供基站发送单向广播信道，使移动台与网络同步。共有3种广播信道：

①广播控制信道（BCCH）。用于向移动台发送识别和接入网络所需的系统参数，例如：位置区标识码（LAI）、移动网络标识码（MNC）、邻接小区基准频率、接入参数等。

②频率校正信道（FCCH）。用于向移动台提供系统的基准频率信号，以使移动台校正其工作频率。

③同步信道（SCH）。向移动台传送同步训练序列，供其捕获与基站的起始同步；同时广播基站识别号码，以使移动台识别相邻的同频基站。

（2）公共控制信道（CCCH）

公共控制信道用于系统寻呼和移动台接入，共有三种。

①寻呼信道（PCH）：由基站发往移动台。

②随机接入信道（RACH）：由移动台使用，向系统申请入网信道。包含呼叫时移动台向基站发送的第一个消息。

③接入准许信道（AGCH）：基站由此信道通知移动台所分配的业务信道和专用控制信道，同时向移动台发送时间提前量（timing advance）。该提前量的作用是使远离基站的移动台提前发送其指定的时隙信息，以补偿其传输时延，借此保证远端和近端移动台在不同时隙发出的信号抵达基站时不会发生交迭和冲撞。该提前量是根据对移动台的传输时延测量而设定的。

（3）专用控制信道（DCCH）和随路控制信道（ACCH）

这些信道用于在网络和移动台间传送网络消息以及无线设备间传送低层信令消息。网络消息主要用于呼叫控制和用户位置登记，低层信令消息主要用于信道维护。具体包括以下三种信道：

①独立专用控制信道（SDCCH）。基站和移动台间的双向信道，用于传送呼叫控制和位置登记信令信息。所谓“独立专用”指的是该信道单独占用一个物理信道，即某个波道中的某个时隙，不和任何TCH共用物理信道，犹如7号信令中的公共信令信道一样。它的管理和TCH一样，在信令交换过程中可以进行信道切换。

②慢速随路控制信道（SACCH）。该信道总是和TCH或SDCCH一起使用的。只要基站分配了一个TCH或SDCCH，就一定同时分配一个对应的SACCH，它和TCH（SDCCH）位于同一物理信道中，以时分复用方式插入要传送的信息。

SACCH用于信道维护。在下行方向，基站向移动台发送一些主要的系统参数，使得移动台随时知道系统的最新变化。这些参数和BCCH发送的数据类似，另外再加上一些调整时间的提前量或功率电平的控制参数。在上行方向，移动台向网络报告邻接小区的测量值，供网络进行切换时判决使用，同时还向网络报告它当前使用的时间提前量和功率电平。

③快速随路控制信道（FACCH）。该信道传送的信息和SDCCH相同，差别在于SDCCH是独立的信道，而FACCH是寄生于TCH中的，故称为“随路”。其用途是在呼叫进行过程中快速发送一些长的信令消息。例如，在通话中移动台越区进入另一小区需要立即和网络交换一些信令消息，如果通过SACCH传送，因为每26帧才能插入1帧SACCH，速度太慢，所以就“偷用”TCH信道来传送此消息，被偷用的TCH就称为FACCH。一次偷用至少4帧，这是交织编码的需要。这种信令传送方式称为“中断－突发”方式，它必须暂时中断用户信息的传送。为了减小对话音质量的影响，GSM系统采用了数字信号处理技术来估计因为插入FACCH而被删除的话音信号，在接收输出端予以恢复。

表8.1列出上述各类信道的名称及其传送方向。

表8.1　GSM系统无线信道

为了节省无线资源，上述信道按一定方式构成组合信道，每个组合信道占用一个物理信道。常用的三种组合信道为：

●TCH＋FACCH＋SACCH

●BCCH＋FCCH

●SDCCH＋SACCH

2）数据链路层（第2层）

第2层协议称为LAPDm，它是在ISDN的LAPD协议基础上作少量修改形成的。修改原则是尽量减少不必要的字段以节省信道资源。主要不同之处在于取消帧定界标志（flag）和帧校验序列（FCS），因为其功能已由TDMA系统的定位和信道纠错编码完成。此外还定义了多种简缩的帧格式用于各种特定的情况。

图8.13示出LAPDm所定义的5种帧格式。其中，格式B是最基本的一种帧，和LAPD帧基本相同。地址字段增设一个业务接入点标识SAPI＝3，表示是短消息。SAPI＝0的帧优先级高于SAPI＝3的帧。控制字段定义了两类帧：I帧和UI帧，前者用于专用控制信道（SDCCH、SACCH、FACCH），后者用于除RACH外的所有控制信道。帧格式A对应U帧和S帧。

图8.13　LAPDm的帧格式类型

帧格式A′和B′用于AGCH、PCH和BCCH信道。这些下行信道的信息自动重复发送，无需证实，因此不需要控制字段；所有移动台都要守听这些信道，因此不需要地址地段。其中，B′传送UI帧，A′纯粹起填充作用。

帧格式C仅一个字节，专门用于RACH。实际上它并不是LAPDm帧，只是由于接入消息的信息量少，所以就赋予一个最简化的结构。

3）信令层（第三层）

（1）功能

第三层收发和处理信令消息的实体，包括三个功能子层。

①无线资源管理（RR）

其作用是对无线信道进行分配、释放、切换、性能监视和控制，共定义了八个信令过程。

②移动性管理（MM）

定义了移动用户位置更新、定期更新、鉴权、开机接入、关机退出、TMSI重新分配和设备识别等七个过程。

图8.14　无线接口第三层消息结构

③连接管理（CM）

负责呼叫控制，包括补充业务和SMS的控制。由于由MM子层的屏蔽，CM子层已感觉不到用户的移动性。其控制机理继承ISDN，包括去话建立、来话建立、呼叫中改变传输模式、MM连接中断后呼叫重建和DTMF传送等五个信令过程。

（2）消息结构

第三层信令消息结构如图8.14所示。其中，TI为事务标识，用以区分多个并行的CM连接；TI标志指示CM连接的源点，CM消息的源点置其为0。对于RR和MM连接，TI没有意义。协议指示语定义了RR、MM、呼叫控制、SMS、补充业务和测试六种协议，MT指示每种协议的具体消息。消息本体由消息单元（IE）序列组成。

（3）信令过程示例

图8.15示出去话呼叫建立过程中无线接口信令消息的传送顺序。

图8.15　去话呼叫建立信令过程

移动台首先通过RACH发出一个“信道请求”消息，申请一个信令信道。基站经AGCH回送一个“立即分配”消息，指配一个专用信令信道SDCCH。其后移动台就转入此信道和网络联络。先发送“CM服务请求”消息，告诉网络要求CM实体提供服务。但是CM连接必须建立在RR和MM连接完成的基础上，因此首先要执行必需的MM和RR过程。为此先执行用户鉴权（MM过程），然后执行加密模式设定（RR过程）。移动台发出“加密模式完成”消息后就启动加密，该消息本身也已加密。如果不需要加密，则网络发出的“加密模式命令”消息中将指示“不加密”。接着移动台发出“呼叫建立”消息，该消息指明业务类型、被叫号码，也可给出自身的标识和能力（任选信息单元）。网络启动选路进程，同时发回“呼叫进行中”消息。与此同时，网络分配一个业务信道供其后传送用户数据，该RR过程包含两个消息：“分配命令”和“分配完成”。其中“分配完成”消息已经在新指配的TCH/FACCH信道上发送，其后的信令消息转入经由该FACCH发送，原先分配的SDCCH释放，供其他用户使用。由于这时尚未通话，因此FACCH的占用并不影响通信质量。当被叫空闲且振铃时，网络向主叫发送“振铃”消息，移动台发出可闻回铃音。被叫应答后，网络发送“连接”消息，移动台回送“连接证实”消息。这时FACCH任务完成，回归TCH，进入正常通话状态。

最后指出一点，图8.15中的“网络侧”是一个泛指，各信令消息在网络侧的对应实体可能位于基站、基站控制器或移动交换机中。