GSM系统的控制与管理策略

GSM系统是一种功能较多且设备复杂的通信网络，无论是移动用户与市话用户还是移动用户之间进行通信，都必须涉及系统中的各种设备。

下面重点讨论系统控制与管理中的几个主要问题，包括位置登记与更新、鉴权与保密、呼叫接续和越区切换等。

1．位置登记

所谓位置登记（或称注册）是通信网为了跟踪移动台的位置变化，而对其位置信息进行登记、删除和更新的过程。由于数字蜂窝网的用户密度大于模拟蜂窝网，因而位置登记过程必须更快、更精确。位置信息存储在原籍位置寄存器（HLR）和访问位置寄存器（VLR）中。GSM蜂窝通信系统把整个网络的覆盖区域划分为许多位置区，并以不同的位置区标志进行区别。

当一个移动用户第一次入网时，它必须通过移动交换中心（MSC），在相应的位置寄存器（HLR）中登记注册，把有关的参数（如移动用户识别码、移动台编号及业务类型等）全部存放在这个位置寄存器中，这个位置寄存器称为原籍位置寄存器。

移动台的不断运动将导致其位置的不断变化。这种变动的位置信息由另一种位置寄存器，即访问位置寄存器（VLR）进行登记。移动台可能远离其原籍地区而进入其他地区访问该地区的VLR要对这种来访的移动台进行位置登记，并向该移动台的HLR查询其有关参数。此HLR要临时保存该VLR提供的位置信息，以便为其他用户呼叫此移动台提供所需的路由。

位置区的标志在广播控制信道（BCCH）中发送，移动台开机后，就可以搜索此BCCH，从中提取所在位置区的标志。如果移动台从BCCH中获取的位置区标志就是它原来用的（上一次通信所用）位置区标志，则不需要进行位置更新。如果两者不同，则说明移动台已经进入新的位置区，必须进行位置更新。于是移动台将通过新位置区的基站发出位置更新的请求。

移动台可能在不同情况下申请位置更新。比如，在任一个地区中进行初始位置登记，或者在同一个VLR服务区中进行过区位置登记，或者在不同的VLR服务区中进行过区位置登记等。不同情况下进行位置登记的具体过程会有所不同，但基本方法都是一样的。当移动台进入某个访问区需要进行位置登记时，它就向该区的MSC发出“位置登记请求（LR）”。若LR中携带的是“国际移动用户识别码（IM—SI）”，新的访问位置寄存器（VLR）。在收到MSC“更新位置登记”的指令后，可根据IMSI直接判断出该移动台（MS）的原籍位置寄存器（HLR）。（VLR）。给该MS分配漫游号码（MSRN），并向该HLR查询“MS的有关参数”，获得成功后，再通过MSC和BS向MS发送“更新位置登记”的确认信息。HLR要对该MS原来的移动参数进行修改，还要向原来的访问位置寄存器（VRL）发送“位置信息注销”指令。

如果MS是利用“临时用户识别码”发起“位置登记请求”的，（VLR）收到后，必须先向（VRL）询问该用户的IMSI，如询问成功，（VLR）。再给该MS分配一个新的TMSI，接下去的过程与上面一样。

如果MS因故未收到“确认”信息，则此次申请失败，可以重复发送三次申请，每次间隔至少是10s。

移动台可能处于激活（开机）状态，也可能处于非激活（关机）状态。移动台转入非激活状态时，要在有关的VLR和HLR中设置一个特定的标志，使网络拒绝向该用户呼叫以免在无线链路上发送无效寻呼信号，这种功能称为“IMSl分离”，当移动台由非激活状态转为激活状态时，移动台取消上述分离标志，恢复正常工作，这种功能称为“IMSI附着”。两者统称为“IMSl分离/附着”。

若MS向网络发送“IMSI附着”消息时，因无线链路质量很差，有可能造成错误，即网络认为MS仍然为分离状态；反之，当MS发送“IMSl分离”消息时，因收不到信号，网络也会错认为该MS处于“附着”状态。

为了解决上述问题，系统还采取周期性登记方式，例如要求MS每30min登记一次。这时，若系统没有接收到某MS的周期性登记信息，VLR就以“分离”做标记，称为“隐分离”。

网络通过BCCH通知MS其周期性登记的时间周期。周期性登记程序中有证实消息，MS只有接收到此消息后才停止发送登记消息。

2．鉴权与加密

由于空中接口易受到侵犯，GSM系统为了保证通信安全，采取了鉴权与加密措施。鉴权是为了确认移动台的合法性。其作用是保护网络，防止非法盗用。同时通过拒绝假冒合法客户的“入侵”而保护GSM移动网络的客户。GSM系统中的加密是指无线路径上的加密，是指BTS和MS之间交换客户信息和客户参数时不被非法个人或团体所得或监听，加密的目的是防止第二三者窃听。

（1）签权。

无论是移动台主呼或被呼，都有鉴权过程。鉴权过程主要涉及AUC、HLR、MsC/VLR和MS，它们均各自存储着用户有关的信息或参数。

（2）加密。

GSM系统为确保用户信息（语音或非语音业务），以及与用户有关信令信息的私密性，在BTS与MS之间交换信息时专门采用了一个加密程序。

（3）设备识别。

每一个移动台设备均有一个唯一的移动台设备识别码（IMEI）。在EIR中存储了所有移动台的设备识别码，每一个移动台只存储本身的IMEI。设备识别的目的是确保系统中使用的设备不是盗用的或非法的设备。EIR中使用3种设备清单，如下：

白名单：合法的移动设备识别号；(www.xing528.com)

黑名单：禁止使用的移动设备识别号；

灰名单：是否允许使用由运营者决定，例如有故障的或未经型号认证的移动设备识别号。

（4）用户识别码（IMSI）保密。

为了防止非法监听进而盗用IMSI，在无线链路上需要传送IMSI时，均用临时移动用户识别码（TMSI）代替IMSI。仅在位置更新失败或MS得不到TMSI时，才使用IMSI。

3．呼叫接续

移动用户主呼和被呼的接续过程是不同的，下面分别讨论移动用户向固定用户发起呼叫（即移动用户为主呼）和固定用户呼叫移动用户（移动用户被呼）的接续过程。

（1）移动用户主呼的接续过程。

移动台（MS）在“随机接入信道（RACH）”上，向基站（BS）发出“信道请求”信息，若BS接收成功，就给这个MS分配一个“专用控制信道”，即在“准许接入信道（AGCH）”上，向MS发出“立即分配”指令。MS收到“立即分配”信令后，利用分配的专用控制信道（DCCH）与BS建立起信令链路，经BS向MSC发送“业务请求”信息。MSC向VLR发送“开始接入请求”应答信令。VLR收到后，经MSC和BS向MS发出“鉴权请求”，其中包含一个随机数（RAND），MS按鉴权算法A。进行处理后，向MSC发回“鉴权”响应信息。

若鉴权通过，承认此MS的合法性，VLR就给MSC发送“置密模式”信息，由MSC经BS向MS发送“置密模式”指令。MS收到并完成置密后，要向MSC发送“置密模式完成”的响应信息。经鉴权、置密完成后，VLR向MSC发送“开始接入请求应答”。为了保护IMSI不被监听或盗用，VLR将给MS分配一个新的TMSI。

接着，MS向MSC发出“建立呼叫请求”，MSC收到后，向VLR发出指令，要求它传送建立呼叫所需的信息。如果成功，MSC即向MS发送“呼叫开始”指令，并向BS发出分配无线业务信道的“信息指配”信令。

如果BS有空闲的业务信道（TCH），即向MS发出“信道指配”指令，当MS得到业务信道时，向BS和MSC发送“信道指配完成”的信息。

MSC在无线链路和地面有线链路建立后，把呼叫接续到固定网络，并和被呼叫的固定用户建立连接，然后给MS发送回铃音。被呼叫的用户摘机后，MSC向BS和MS发送“连接”指令，待MS发回“连接”确认后，即转入通信状态，从而完成了MS呼叫固定用户的整个接续过程。

（2）移动用户被呼的呼叫接续。

当固定用户向移动用户拨出呼叫号码后，固定网络把呼叫接续到就近的移动交换中心GMSC。GMSC即向相应的HLR查询路由信息，HLR在其保存的用户位置数据库中，查出被呼MS所在的地区，并向该区的VLR查询该MS的漫游号码（MSRN），VLR把该MS的MSRN送到HLR，并转发给查询路由信息的GMSC。

GMSC即把呼叫接线到被呼MS所在地区的移动交换中心，记为VMSC。由VMSC向该VLR查询有关的“呼叫参数”，获得成功后，再向相关的基站（BS）发出“寻呼请求”。基站控制器（BSC）根据MS所在的小区，确定所用的收发台（BTS），在寻呼信道（PCH）上发送此“寻呼请求”信息。

MS收到寻呼请求信息后，在随机接入信道（RACH）上向BS发送“信道请求”，由BS分配专用控制信道（DCCH），即在公共控制信道（CCCH）上给MS发送“立即指配”信令，MS利用分配到的DCCH与BS建立起信令链路，然后向VMSC发回“寻呼”响应。

VMSC接到MS的“寻呼响应”后，向VLR发送“开始接入请求”，接着启动常规的“鉴权”和“置密模式”的过程。之后，VLR即向VMSC发回“开始接入应答”和“完成呼叫”的请求。VMSC向BS及MS发送“呼叫建立”的信令。被呼MS收到此信令后，向BS和VMSC发回“呼叫证实”信息，表明MS可进入通信状态。

VMSC收到MS的“呼叫证实”信息后，向BS发出信道“指配请求”，要求BS给MS分配无线“业务信道”（TCH）。接着，MS向BS及VMSC发回“指配完成”响应和回铃音，于是VMSC向固定用户发送“连接完成”信息。被呼移动用户摘机时，向VMSC发送“连接”信息。VMSC向主呼用户发送“拨号应答”信息，并向MS发送“连接”确认信息，完成了固定用户呼叫移动用户的整个接续过程。

（3）越区切换。

所谓越区切换是指在通话期间，当移动台从一个小区进入另一个小区时，网络能进行实时控制，把移动台从原小区所用的信道切换到新小区的某一信道，并保证通话不间断（用户无感觉）进行。如果小区采用扇区定向天线，当移动台在小区内从一个扇区进入另一个扇区时，也要进行类似的切换。

GSM系统采用的越区切换方法称为移动台辅助切换（MAHO）法。其主要指导思想是把越区切换的检测和处理等功能部分地分散到各个移动台，即由移动台来测量本基站和周围基站的信号强度，把测得结果送给MSC进行分析和处理，从而进行有关越区切换的决策。

时分多址（TDMA）技术给移动台辅助切换法提供了条件。GSM系统在一帧的8个时隙中，移动台最多占用两个时隙分别进行发射和接收，在剩余的时隙中，可对周围基站的“广播控制信道”（BCCH）进行信号强度的测量。当移动台发现它的接收信号变弱，达不到或已接近于信干比的最低门限值而又发现周围某个基站的信号很强时，它就可以发出越区切换的请求，由此来启动越区切换过程。切换能否实现还应由MSC根据网中很多测量报告进行决定。如果不能进行切换，BS会向MS发出拒绝切换的信令。