GSM通信协议-链路层
GSM基础知识介绍--GOOD
1、专业基础1.1GSM基础1.1.1GSM综述1、GSM的概念GSM是Global System for Mobile Communication“全球移动通信系统”的简称。
它是一种数字移动通信，较之以往的模拟移动通信，有较多的优点。
GSM的起源：泛欧数字蜂窝移动通讯网简称GSM系统，GSM原意为“移动通信特别小组”（Group Special Mobile），是1982年欧洲邮电主管部门会议（CEPT）为开发第二代数字移动蜂窝移动系统而成立的机构。
1987年GSM 成员国经现场测试和论证比较，就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励长期预测RPE-LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控（GMSK）调制方式达成一致意见。
1988年十八个欧洲国家达成GSM谅解备忘录（MOU）。
1989年GSM标准生效。
1991年GSM系统正式在欧洲问世，网路开通运行。
1992年世界上第一个GSM网在芬兰投入使用。
从此，移动通信跨入了第二代。
GSM的组织结构：ETSI（欧洲电信标准协会）增设了“特别移动小组”（TC-SMG），用以负责有关数字移动业务标准的制定。
2、GSM系统的技术性能1）使用频段、双工间隔：√GSM900：890~915MHz（上行）、935~960 MHz（下行）。
双工间隔：45 MHz，带宽：200KHzGSM1800：1710~1785 MHz（上行）、1805~1880 MHz（下行）。
双工间隔：95 MHz，带宽：200KHzGSM1900：1850~1910 MHz（上行）、1930~1990 MHz（下行）。
双工间隔：80 MHz，带宽：200KHz2）、选址方式√FDMA/TDMA：Freq division multiple access /Time division multiple access（频分/时分多址）3）、调制类型：√GMSK（BT=0.3）实际应用3、GSM系统的技术规范及主要应用范围GSM规范共有12章规范系列：01系列：概述02系列：业务方面03系列：网络方面04系列：MS-BS接口和规范（空中接口第2、3层）05系列：无线路径上的物理层（空中接口第1层）06系列：话音编码规范07系列：对移动台的终端适配08系列：BS到MSC接口（A和Abis接口）09系列：网络互连10系列：暂缺11系列：设备和型号批准规范12系列：操作和维护重点掌握04、05、08系列4、GSM的主要特点：√1）频谱效率由于采用了高效调制器，信道编码、交织、均衡和话音编码技术，使系统更具高频谱效率。
GSM协议导读
GSM协议导读1 Um接口相关协议在无线接口上涉及到很多重要的ETSI（欧洲电信标准协会）GSM协议。
在最底层，所有的传输功能使用MS和BTS之间的协议。
然后，RIL3-RR使MS和BSC为无线资源的管理协同工作（按照TS GSM 04.08,RIL3-RR与另外两个协议一起定义）：它是RR功能平面在无线接口上的具体实现。
这一协议还出现在Abis口上。
上层协议（RIL3-MM,RIL3-CC）定义了在MS和NSS实体间信令交换的规则，他们也出现在Abis口和A接口中。
以最后一个情况为例，BTS和BSC对这些信令的交换是透明的，既它们只作为信息的载体，而与信息的语义无关。
TS GSM 05.01是概述，介绍主要概念；TS GSM 0502从时间和跳频特性方面描述信道，并给出了突发脉冲的数字结构；TS GSM 05.03规定了使用于各种信道应用的不同纠错和检错码；TS GSM 05.04规定GMSK调制；TS GSM 05.05与“无线传输和接收”相关；TS GSM 05.08和05.10主要涉及无线资源管理；TS GSM 04.03从应用的角度定义了信道，并涉及蜂房信道配置的概念；TS GSM 04.05规定了LAPDm的一般方案；TS GSM 04.06规定了LAPDm协议规范的细节；TS GSM 04.07处理协议层之间的交互作用的建模；TS GSM 04.08描述了RIL3相关的协议和报文及信息元的编码；TS GSM 03.09处理切换功能；TS GSM 05.08描述了切换准备，功率控制和测量报告；TS GSM 08.58是RSM协议；Um接口的信令消息内容：2 Abis接口相关协议Abis接口由一系列规范约定组成，这些规范包括以下方面的内容：•物理电气参数•信道结构•信令传输规程•配置和控制规程•操作和维护支持Abis 接口的相关协议如下：GSM 08.52，给出Abis接口其余规范的基本原理和原则，并给出BSC和BTS在业务功能上的功能分割。
GSM协议讲解
GSM信令系统在网络侧，即MSC、HLR、VLR、EIR之间均采用和OSI 7层结构一致的7号信令系统。
在用户接入侧，即MSC和基站间及空中接口均采用和ISDN用户－网络接口（UNI）一致的三层结构；网络侧信令着眼于系统互连。
由7号信令支持的统一的MAP信令使GSM系统可以容易地实现广域联网和国际漫游；灵活的智能网结构便于系统引入智能业务，实现快速增值；用户侧信令着眼于业务综合接入，便于未来各类ISDN业务的引入，为向个人通信发展奠定基础。
1、层次结构GSM中采用了OSI的分层协议结构。
其中下一层协议为上一层协议提供服务，上一层协议利用下一层所提供的功能，上下层之间通过原语进行通信。
在建立连接之后，对等层之间形成逻辑上的通路。
2、Um接口信令系统Um接口是MS与BTS之间的接口。
从表1可以得知，Um接口的链路层为LAPDm，它是在固定网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。
由于TDMA系统提供了定位和信道纠错编码，因此取消了帧定界标志和帧校验序列。
另外，还定义了许多简短的帧格式用于各种特定的情况。
Um接口的网络层是收发和处理信令消息的实体。
它包括了RR（无线资源管理）、MM（移动管理）、CM（呼叫管理）三个子层;其中RR层指的是在无线电接口上的传输进行管理的规约，并提供MS和BSC之间的稳定链路。
BSS实现RR的大部分功能，主要涉及无线接口、Abis接口和A接口，其它功能模块还涉及七号信令接口。
MM层一是管理包括位置数据在内的用户数据库，二是管理鉴权操作，SIM，HLR和AUC。
NSS(主要是MSC)是CM层的一个重要要素。
3、A接口信令系统A接口是BSC与MSC之间的接口。
物理层是数字传输2048KBIT/S的E1线路，具体标准见G.703，G.704。
数据链路层基于7号信令系统MTP2。
网络层为MTP3和SCCP共同组成。
提示使用SCCP的识别负责识别高层消息。
GSM中MSC之间的通信协议
1、传统的电话网络移动交换中心之间（MSC-MSC）之间通过通信协议七号信令(SS7信令),4层，与计算机网络有些不同；CCITT在80年代提出的SS7技术规范黄皮书中对SS7协议的分层方法没有和OSI七层模型取得一致，对SS7协议只提出了4个功能层的要求。
这4个功能层如下：物理层：就是底层，具体是DS0或V.35。
数据链路层：在两节点间提供可靠的通信。
网络层：提供消息发送的路由选择.。
用户部份／应用部份：就是数据库事务处理，呼叫建立和释放。
协议栈如下：MTP1(消息传递部分第一层)：即物理层。
MTP1(消息传递部分第二层)：即数据链路层。
MTP1(消息传递部分第三层)：即网络层。
SCCP（信令连接控制部分）TCAP（事务处理应用部分）ISUP（ISDN用户部分）ISUP（ISDN用户部分）在交换局提供基于电路的连接，它直接和MTP3层通信。
ISUP提供基础电信业务，包括连接建立，监示和释放。
TUP（电话用户部分）在ITU－TS标准里，TUP和ISUP功能相似，提供相似的业务（如：呼叫建立和拆除）。
TUP提供的业务比ISUP少，不支持ISUP中某些业务类别，比如：非话音业务和补充业务，还有，TUP不传递与电路无关的消息包。
TUP（电话用户部分）2、软交换架构下MSC和MSC之间通过BICC协议：与承载无关的呼叫控制协议BICC(Bearer Independent Call Control protocol）协议是ITU-TSG11小组制订的与承载无关的呼叫控制协议。
BICC协议的主要目的是解决呼叫控制和承载控制分离的问题，使呼叫控制信令可在各种网络上承载，包括MTP(消息传递部分)、SS7网络、ATM网络、IP网络。
BICC协议由ISUP(ISDN用户部分)演变而来，是传统电信网络向综合多业务网络演进的重要支撑工具。
BICC集合信道独立调用控制器是基于N-ISUP是信号协议。
它支持在宽带主骨干网上的窄带ISDN服务，并且不会干扰现有网络与终端对终端服务之间的接口。
《GSM系统的结构》课件
GSM系统具有全球通用性、 覆盖范围广和通信质量高 等特点，为用户提供了便 利和高效的通信服务。
未来GSM系统将注重提高通 信速度、增加容量和提升网 络安全等方面的发展。
总结
1 GSM系统的重要性及 2 GSM系统的发展历程 3 GSM系统的主要特点
应用价值
及未来趋势
及优势
GSM系统在现代通信中起 到至关重要的作用，促进 了全球通信的发展。
GSM系统经历了多年的发 展，未来将继续发展新的 无线技术和应用领域。
物理层负责无线信号的传输；数 据链路层负责数据的传输和错误 检测等。
GSM系统的安全机制
1
GSM系统的安全机制简介
GSM系统采用加密算法和身份验证等安全机制，确保通信内容不被窃听和篡改。
2
GSM系统的加密算法
GSM使用A5家族的加密算法，包括A5/系统的身份验证方式
移动设备通过与基站建立连接，实现与其他设备的通信，包括语音通话和短信交互。
GSM系统的通信协议
GSM系统的通信协议简介
GSM系统的通信协议是一组规定 了通信格式和协议的标准，确保 不同设备之间的互通。
通信协议的分层结构
各层协议的功能及作用
通信协议分为物理层、数据链路 层、网络层和应用层等不同层级， 每层负责不同的功能。
GSM系统通过SIM卡中的密钥和设备识别码进行身份验证，确保通信安全。
GSM系统的未来发展
GSM系统的无线技术发 展趋势
GSM系统将继续发展新的无 线技术，如5G和物联网，以 满足不断增长的通信需求。
GSM系统未来的应用领 域
未来GSM系统将应用于更多 领域，如智能交通、智能家 居和工业控制等。
GSM系统的未来发展方 向
GSM协议剖析全球系统移动通信的通信标准
GSM协议剖析全球系统移动通信的通信标准全球系统移动通信（Global System for Mobile Communications，简称GSM）是一种用于手机通信的国际标准。
GSM协议是GSM网络的核心部分，它规定了移动通信设备之间的通信规则和数据传输方式。
本文将对GSM协议进行详细的剖析，以了解全球系统移动通信的通信标准。
1. GSM协议的基本概念GSM协议是一套通信协议，用于在GSM网络中控制和管理通信。
它定义了从手机到基站、基站到网络控制中心之间的通信协议。
GSM协议包括语音信号传输、短信传输、数据传输等方面的规范，确保了手机用户之间的无缝通信。
2. GSM协议的组成部分GSM协议由多个子协议组成，包括物理层协议、数据链路层协议、网络层协议、移动设备管理协议等。
这些协议共同工作，实现了移动通信设备之间的高效通信和数据传输。
2.1 物理层协议物理层协议定义了无线信号的传输方式和频率规范。
它负责将数字信号转化为无线电信号，并在手机和基站之间进行信号传输。
2.2 数据链路层协议数据链路层协议负责将物理层传输的无线信号转化为数据包，并进行流量控制和差错校验。
它还负责对数据进行分段和重新组装，并确保数据的准确无误地传输。
2.3 网络层协议网络层协议是GSM协议中最重要的一部分。
它负责寻址、路由和转发数据包，并实现了移动设备与网络之间的连接。
网络层协议还负责用户鉴权、信息传递等功能，确保用户可以顺畅地进行通信。
2.4 移动设备管理协议移动设备管理协议用于管理移动设备的注册、注销、控制等操作。
它负责管理手机用户的状态信息，包括用户的位置信息、服务状态等。
3. GSM协议的优势和应用GSM协议作为全球系统移动通信的通信标准，具有以下优势：3.1 全球应用GSM协议是一种全球通用的通信标准，几乎所有的国家和地区都支持GSM网络。
用户可以在不同国家之间切换使用手机，享受到便捷的国际通信服务。
3.2 高质量通信GSM协议提供了高质量的语音通信和数据传输服务。
1、GSM网络结构和接口
一、GSM网络结构和接口本部分内容包括：⏹GSM网络结构和相关接口⏹OSI模型，七号信令系统的层次结构对应。
GSM的网络结构如图所示。
网元包括HLR、AUC、MSC、VLR、SC、BSC、BTS、MS、OMC等。
其中HLR/VLR构成了一个两级的用户数据库系统，AUC是鉴权中心，SC是短消息中心，MSC是交换/互通的中心，BSC/BTS构成的无线子系统决定了网络的覆盖，MS是智能化的移动用户终端。
另外，OMC是操作维护中心，起始于各网元的操作维护平台，如OMC_R、OMC_S等，而后纳入网管。
（一）网络结构网元功能HLR：归属位置寄存器，存储用户的签约数据和位置信息AUC：鉴权中心MSC：移动交换中心VLR：拜访位置寄存器，包含它所管辖区域内出现的移动用户的数据SC：短消息中心，存储转发短消息BSC：基站控制器BTS：基站，提供与移动台的空中接口MS：移动台OMC：操作维护中心GSM 系统网络构成接口 / 连接（二）接口和协议GSM网络是一个分布式的处理系统。
各个网元具有不同的功能，分布在各个地方，它们通过接口协议组成网络，配合工作，来完成网络的各种功能。
如用户移动性管理、电话业务、短消息业务等。
网元间的接口包括功能的分工界面，和实现功能所需的协议；或者说，网元间信息的交互，和信息交互引起的一系列动作。
各网元有自己的程序和DATABASE，象等待指令的机器人。
接收到信息、消息、人机接口命令时，执行对应的动作。
这个’’动作’’由它内部的程序和DATABASE 决定。
在空中接口的BCCH中，BTS用广播的方式向移动台发送信息。
大部分的情况下，网元间的信息交互是用点到点的消息交互来实现的。
GSM网络接口【1】BTS－MS ：空中接口【2】BSC－BTS：A _bis接口，多采用厂家内部协议。
【3】MSC－BSC：A接口，BSSAP协议。
【4】MSC－VLR：B接口，内部协议。
【5】MSC－HLR：C接口，当移动台被叫或向移动台发送短消息时，入口MSC询问移动台的HLR，以获得MSRN。
GSM网络及协议
ET9103
Immediate Assignment Command
（Rnd Nbr，TDMA Frame Nbr，Chan ，TA） ， ， ） Req， Res， 如CM Serv Req，Pag Res， Loc Update Req等 Req等
ST3101
UI Imm Assignment / Imm Ass Ext SABM [L3 Info]（SDCCH） ） UA [L3 Info]
GSM网络及协议 网络及协议
一、GSM网络结构 二、GSM协议结构 三、空中接口协议 四、A接口协议 五、MAP协议 六、智能网(CAMEL) 七、通用分组无线业务（GPRS） 八、新业务 九、向3G的过渡
一、GSM网络结构
EIR
GCR
中继交换机 MS BTS BSC MSC 或GMSC
CBC
专用控制信道 SACCH（慢速随路控制信道） FACCH（快速随路控制信道） SDCCH（独立专用控制信道） 小区广播信道CBCH
2、空中接口协议 04.02:：GSM Public Land Mobile Network (PLMN) access reference configuration 04.03 ：Mobile Station - Base Station System (MS - BSS) interface Channel structures and access capabilities 04.04： layer 1 General requirements 04.05： Data Link (DL); layer General aspects 04.06： Mobile Station - Base Station System (MS - BSS) interface Data Link (DL) layer specification 04.07 ：Mobile radio interface signalling layer 3; General aspects 04.08 ： Mobile radio interface layer 3 specification 04.10 ： Mobile radio interface layer 3; Supplementary services specification; General aspects 04.11 ： Point-to-Point (PP) Short Message Service (SMS) support on mobile radio interface 04.12 ： Short Message Service Cell Broadcast (SMSCB) support on the mobile radio interface".
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GSM系统信令协议－链路层
•概述 •结构特性 •LAPD和LAPDm协议分析 •MS在LAPDm层的相关操作
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一、概述（一）
协议类型 GSM的链路层协议主要有三种：LAPD，LAPDm和MTP LAPD是用于BTS 和BSC之间的Abis口的协议 LAPDm是用于BTS和MS之间的Um口的协议 MTP是用于BSC和MSC之间的A口的协议、以及MSC、VLR、
Inter-MSC Interface
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二、结构特性
•帧结构 •分段和重组 •检错和纠错 •复用 •流量控制
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二、基本帧结构
01111110
信息比特
01111110
起始标志
终止标志
帧
：将要传送的信息构造成比单个比
特大的单位
关键问题：比特的起止位置
插“0”技术，帧长度可变，头尾标志可共用。
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1、基本帧结构
HLR、SS7网络中间
LAPD：D信道的链路接入协议（从ISDN修改） LAPDm：m代表移动，为GSM特有。 MTP：消息传输协议
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一、概述（二）
链路支撑速率 LAPD和MTP：在64Kb/s的电路上传送 LAPDm：有两种传递方式，与使用的无线信道有关 强占方式，FACCH；9.2Kb/s 慢速随路方式：SACCH；0.368Kb/s
SCCP Signalling Connection Control Part MAP Mobile Application Part TCAP Transaction Capability Application Part ISUP ISDN User Part MTP Message Transfer Part
Um Interface
Abis Interface
A-interface
DTAP Direct Transfer Application Part BSSMAP BSS Management Application Part CM Call Management MM Mobile Management RR Radio Resource Management BTSM BTS Management
重组 利用帧中的附加信息，该信息表示当前帧是否是最后一段。
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3、检测和纠错
检测手段： LAPD和MTP：16位CRC校验；BER>4*10E-3时 LAPDm：物理层已提供这一功能；
用途： 1、检测错误，请求重发； 2、监视链路质量，通知OMC。
有线：填充帧，BER>4*10E-3时 无线：利用SACCH定时传送，计算无效帧数。 （RADIO-LINK_TIMEOUT）
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5、流量控制
目的：控制每个信息流，使局部过载不会导致全局灾害。 手段：向信息流的实际源通知出错情况；
简化处理：延迟发送确认； 停－走控制：只LAPD和MTP有此功能。 真正的控制是通过高层对呼叫的控制，达到减少系统 流量。
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LAPD 功能
LAPD包括下列功能 a) 在D信道上提供一个或多个数据链路连接。数据链路连接之间
01111110
信息比特
01111110
起始标志
终止标志
LAPDm的特点：不需要头尾标志
原因
：无线定时
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2、分段和重组
帧长度 • A接口：272字节，直接沿用于SS7，能满足所有信令需要，
不用分段； • Abis接口：264字节，对应于上层消息的260字节； • LAPDm：需要分段，受限于无线接口最大帧长（23字节）。
BSC
(CM)
DTAPΒιβλιοθήκη (MM) (CM+MM)RR
BTSM
Sig. layer 2 (LAPD)
BSSMAP SCCP
MTP
Sig. layer 1 Sig. layer 1
MSC
CM MM
BSSMAP SCCP
I S MAP U TCAP P
SCCP
MTP
MTP
Sig. layer 1 Sig. layer 1
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3、检测和纠错
消息传递的方式 确认式：重发； 非确认式：只发送一次； e.g：系统消息、测量报告
循环计数器：检测帧重复和丢失 发送窗长：K，应答足够大。 Lapdm：K＝1，即发送－等待。不会造成过大影响。无线信
道是交替编排，信令帧通常一次只有一帧。（在FACCH情 况下有影响）。
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3、检测和纠错
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LAPDm 功能
LAPDm包括下列功能 a) 在Dm信道上提供一个或多个数据链路连接。数据链路
连接只间是利用包含在各帧中的数据链路连接标示符来加 以区别；
b) 允许信道类型的识别； c) 顺序控制，以保持通过数据链路连接的各帧的次序； d) 检测一数据链路连接上的帧格式差错和操作差错； e) 把不能修复的差错通知管理实体； f) 流量控制 g) 竞争建链
如何进入确认操作方式：
SABM、UA
如何退出确认操作方式：
DISC、UA
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4、复用
功能不同而又相互独立的消息流在同一条数据链路上传递的 可能性。
SAPI：业务接入点识别 源于ISDN DLCI：数据链路连接识别 OSI的正式术语
LAPD SAPI＝0、62、63 TEI：对应不同的TRX单元
LAPDm SAPI＝0、3
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帧结构
LAPD、LAPDm
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LAPD 的帧结构（一）
LAPD的帧结构
FCS：帧校验序列 HDLC：高级数据链路协议， 主要用于定界。 LAPD的消息长度限制在 260个Byte。
HDLC协议 18
FLAG
87654321 01111110
是利用包含在各帧中的数据链路连接标识符来加以区别； b) 帧的定界和透明性，从而允许识别在D信道上以帧形式发送的
一串比特； c) 顺序控制，以保持通过数据链路连接的各帧的次序； d) 检测一数据链路连接上的传输差错，格式差错和操作差错； e) 根据检测到的传输差错，格式差错和操作差错进行恢复； f) 把不能修复的差错通知管理实体； g) 流量控制
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GSM系统链路层协议示意图
MS
CM MM
RR
Sig. layer 2 (LAPDm) Layer 1 (air)
BTS
(CM)
(CM)
(MM)
(MM)
(RR)
(RR)
RR'
Sig. layer 2 (LAPDm)
BTSM
Sig. layer 2 (LAPD)
Layer 1 (air) Sig. layer 1