VoLTE端到端业务详解 | 传统移动通信网络

书籍来源：艾怀丽《VoLTE端到端业务详解》

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附上汇总贴：VoLTE端到端业务详解 | 汇总_COCOgsta的博客-CSDN博客

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20世纪80年代末，我们经常从影片里看到一款拿在手里随处都可以接打的电话，那就是第一代移动通信的终端“大哥大”，只不过不像现在人手至少一部手机这样普及，因为那个时代的移动通信还是模拟技术，一个基站的容量是有限的，终端和通话费用都是昂贵的，而随着网络数字化和芯片技术的发展以及资费的降低，才有了我们今天这样随处可见的无线通信网。

1.1.1 发展历程

第一代移动通信是在20世纪70年代中期至80年代中期，以模拟技术为主，只提供语音业务，没有国际性标准。

第二代移动通信是从80年代中期开始，已经全数字化，除语音业务外，可传输低速的数据业务，可以漫游，主要有两大国际标准（GSM和CDMA）；第二代移动通信以传输语音和低速数据业务为目的，从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了2.5代的移动通信系统，如GPRS和IS-95B。

第三代移动通信将无线通信与多媒体技术结合到一起，能比较快速地处理声音、图像、视频流等多种形式的数据，并提供与互联网连接的多种信息服务，主要有WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA三大主流国际标准。

第四代移动通信能满足移动用户数据通信与多媒体业务的需求，能够快速传输数据、音频、视频和图像等，能够以100Mbit/s以上的速度下载，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求，包括TD-LTE和LTE-FDD两种制式。

1.1.2 总体架构

数字公用陆地移动通信网（PLMN）的网络结构如图1-1所示。从物理实体来看，数字PLMN网包括移动终端、BSS子系统和MSS子系统等部分。移动终端与BSS子系统通过标准的Um无线接口通信，BSS子系统与MSS子系统通过标准的A接口通信。

1.移动交换子系统（MSS）

MSS完成信息交换、用户信息管理、呼叫接续、号码管理等功能。

2.基站子系统（BSS）

BSS是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，完成信道的分配、用户的接入和寻呼、信息的传送等功能。

3.移动台（MS）

MS是GSM系统的移动用户设备，它由两部分组成，移动终端和客户识别卡（SIM卡）。移动终端就是“机”，它可完成语音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息的发射和接收。SIM卡就是“人”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网络。SIM卡还存储与网络和客户有关的管理数据，只有插入SIM卡后移动终端才能接入网络。

4.操作维护子系统（OMS）

GSM子系统还包括操作维护子系统（OMS），对整个GSM网络进行管理和监控，通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。

1.1.3 逻辑功能

1.1.3.1 基站子系统

1.基站收发信台（BTS）

BTS实现移动通信系统与MS之间的无线通信。

2.基站控制器（BSC）

BSC实现无线系统到交换系统的集线功能、无线资源管理功能以及其他与无线相关的控制功能。

1.1.3.2 移动交换子系统

1.移动交换中心（MSC）

MSC是PLMN的核心，实现移动业务交换功能。

2.拜访位置寄存器（VLR）

VLR实际上是一个数据库，存储用户信息，主要包括以下几部分。

（1）MSRN (Mobile Station Roaming Number)：移动台漫游号码。

（2）TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identification)：临时移动用户身份。

（3）移动台登记的位置区（LAC）。

（4）与补充业务有关的数据。

3.归属位置寄存器（HLR）

HLR实际上是一个数据库，主要存储两类数据。

（1）用户数据，主要包括：

· 用户的身份IMSI（International Mobile Subscriber Identification）；

· 用户ISDN号码；

· VLR地址。

（2）用户的位置信息。

4.鉴权中心（AUC）

AUC属于HLR的一个功能单元部分，专门用于GSM系统的安全性管理，用于对用户身份的鉴别。

5.设备识别寄存器（EIR）

EIR存储有关移动台设备参数，用于存储及鉴别移动台的设备身份。

注：当前国内各运营商均未使用。

6.短消息中心（SC）

SC提供短消息业务功能。

1.1.3.3 操作维护子系统（OMS）

OMS包含两个部分，一个是OMC，即操作维护中心，提供人机界面实现对系统设备的监测和控制功能；另一个是NMC，即网络管理中心，提供全局性网络管理功能。

1.1.4 接口功能

PLMN网络的各个接口如图1-2所示，了解一个网络的前提就是对网络中各个接口的功能做全面的了解。

其中：

BSC　Base Station Controller　基站控制器

BTS　Base Transceiver Station　基站收发信机

MSC　Mobile Switching Center　移动交换中心

OMC　Operation and Maintenance Center　操作维护中心

AUC　Authentication Center　鉴权中心

EIR　Equipment Identification Register　设备识别登记器

HLR　Home Location Register　归属位置登记器

VLR　Visitor Location Register　拜访位置登记器

MS　Mobile Station　移动台

ISDN　Integrated Service Digital Network　综合业务数字网

PSTN　Public Switched Telephone Network　公用交换电话网

PSDN　Public Switched Data Network　公用交换数据网

PLMN　Public Land Mobile Network　公用陆地移动网

接口主要包括以下几种。

1.A接口：MSC与BSC间的接口

A接口用于BSC和MSC之间的报文和进/出移动台的报文。

2.Abis接口：BSC与BTS间的接口

在Abis接口上BSC提供BTS配置、BTS监测、BTS测试及业务控制等信令控制信息。

3.Um接口：BTS与MS间的接口

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。

4.C接口：MSC与HLR间的接口

（1）GMSC经C接口从HLR获得被叫MS的路由信息MSRN。

（2）向MS前转短消息时，C接口用于SMS-GMSC从HLR获得MS目前所在MSC号码。

5.D接口：HLR与VLR间的接口

（1）VLR与HLR之间交换MS相关的位置信息。

如VLR需要向MS的归属HLR报告MS当前的位置信息，HLR则需要把与MS有关的签约数据发送给VLR；如果MS所在的VLR区域发生了改变，HLR还需要到PVLR删除移动用户的相关数据。

（2）用户对所使用业务的修改请求（如补充业务操作）。

（3）运营者对用户签约数据的修改信息传送与交换。

6.E接口：MSC与MSC间的接口

（1）控制相邻区域不同的MSC之间进行切换的接口。

MSC间切换时，MSC之间通过E接口交换数据以实现启动和切换操作。

（2）E接口也用于前转短消息。

7.G接口：VLR与VLR间的接口

当MS漫游到新的VLR控制区域并且采用TMSI发起位置更新时，当前VLR通过G接口从邻近的PVLR取得MS的IMSI及鉴权集。

1.1.5 信令协议

了解了通信网络的各个接口之后就要对这个接口的协议进行说明，以便大家知道各个接口是如何完成那些功能的，GSM系统的各个接口协议如图1-3所示。

其中，

TDMA　Time Division Multiple Access　时分多址

LAPDm　Link Access Protocol for Dm Channel　Dm信道链路接入协议

RR　Radio Resource　无线资源

MM　Mobility Management　移动性管理

CM　Connection Management　连接管理

PCM　Pulse Code Modulation　脉冲编码调制

LAPD　Link Access Protocol for D channel　D信道接入协议

BTSM　Base Transceiver Station Management　基站收发站管理

MTP　Message Transfer Part　消息传递部分

SCCP　Signaling Connection & Control Part　信令连接控制部分

BSSMAP　Base Station System Mobile Application Part　基站系统移动应用部分

L1　Layer 1　层1

L2　Layer 2　层2

L3　Layer 3　层3

1.L1（也称物理层）

L1层是无线接口的最底层，提供传送比特流所需的物理链路，为高层提供各种不同功能的逻辑信道，包括业务信道和逻辑信道。

2.L2

L2层主要目的是在移动台和基站之间建立可靠的专用数据链路，基于ISDN的D信道链路接入协议（LAPD），但做了改动，在Um接口的L2协议称为LAPDm。

3.L3

L3层实际负责控制和管理的协议层，包括三个基本子层：RR（无线资源）、MM（移动性管理）和CM（接续管理），其中一个接续管理层中包含多个呼叫控制（CC）单元，提供并行呼叫处理，支持补充业务和短消息业务，在CM子层中还包括补充业务管理（SS）单元和短消息业务管理（SMS）单元。

对于移动通信网的维护优化人员来说，更多的是要去关注L3层的协议。

比如：

（1）RR层是终止于基站子系统，这意味着RR层的消息不可能会通过A接口发送到MSC去处理；

（2）MM和CM层都是终止于MSC，在A接口中是采用直接转移应用部分（DTAP）传递，BSS则是不处理MM和CM消息。

从事通信专业工作的人员对于信令消息并不陌生，因为在日常工作中处理用户投诉和网络优化工作中做得最多的就是分析信令。信令协议和接口像一对孪生兄弟一样经常在一起出现，协议是有接口的两个设备之间通信的语言，就比如两个中国人对话用汉语、两个美国人对话用英语。

RR、MM、CM消息都是什么样子呢，我们下面以GSM用户做主叫的部分流程（见图1-4）为示例进行解读，以便读者对信令协议分层有感性的认识，后续有很多地方都会有对信令的解读，还需要读者慢慢消化。

流程1：当一个空闲态用户想打电话的时候，发出的第一条消息是信道请求，要求网络提供一条SDCCH，有两个参数：建立原因和RAND。这里的原因是MS发起呼叫，其他原因有紧急呼叫、呼叫重建和呼叫响应等。

流程2：BTS收到用户的信道请求，由于无线资源管理职责在BSC上，所以BTS会将Channel Request（信道请求）发给BSC进行处理。

流程3：BSC收到此消息后，则根据对现有系统中无线资源的判断，为该次请求选择一条相应的空闲信道供MS使用，但所分配的信道及其地面资源是否可用，还需BTS做应答证实，这个程序的执行是通过BSC向BTS发送一条Channel Activation（信道激活）报文来查询相应的地面资源是否可用。

流程4：BTS在准备好相应资源后回送Channel Activation ACK。

流程5：BSC为其分配相应的信道成功后，在接入允许信道（AGCH）中通过Immediate Assign Command（立即指配）消息通知MS为其分配的SDCCH。在立即指配中，除包含SDCCH信道相关信息外，还包括RAND、缩减帧号（T）、时间提前量（TA）等。

流程6：BTS在收到BSC的立即指配消息后转发给UE。

立即指配的目的是在Um接口建立MS和系统间的无线连接，即RR连接，这就是L3中RR层无线资源管理的功能。

流程7：MS收到立即指配消息后，如果RAND和T都符合要求，就会转换到指定的SDCCH信道上，然后在该信道上发送SABM（设定异步模式）帧，其中包含一个完整的L3（RR）消息（CM Service Request）。

根据“信道申请”的原因不同，SABM携带的初始化报文分为如下四种。

· CM业务请求（呼叫建立、短消息、附加业务管理等）；

· 位置更新请求（正常位置更新、周期性位置更新、IMSI附着）；

· IMSI分离；

· 寻呼响应。

流程8-1：在Abis接口上，这条消息是建立指示（Establish Indication)，用来通知已建立LAPDm连接，作为对立即指配消息的应答。

流程8-2：BTS在收到SABM帧后，不经过任何修改地向MS发一个内容与SABM完全一样的UA帧（无编号证实）（SABME），作为对SABM帧的应答，表明在MS和系统之间已建立了一条LAPDm的L2无线链路，在SABM中MS向BSS表明请求的服务类型，如位置更新、主叫通话、寻呼响应等。MS将UA帧与本身所发送的SABM帧的信息内容相比较，只有当两者完全一样时，才会继续接入，否则放弃这个信道，并重复立即指配程序（相当于重新分配SDCCH信道）。

流程9：L3消息包含在A接口上SCCP的确认请求（CR）中传递。

流程10：为建立SCCP连接，MSC向BSC回送连接确认消息，对SCCP层来说，CR与CC的交换是源参考地址与目的地址的交换。

流程11：MSC通知VLR处理此次MS的接入业务请求。

后续将会进行鉴权、加密等信令流程完成用户的主叫业务，从上面这段信令流程可以看到，RR无线资源管理层是UE和基站设备之间的空口连接管理功能，BSS会将空口RR层消息映射为BSS移动应用部分（BSSMAP）的A接口消息传递给MSC进行处理。空口的RR层消息是承载在GSM空口信道上，主要包含RACH（随机接入信道）、AGCH（准许接入信道）、SDCCH（独立专用控制信道）。

流程12：VLR接收到MSC本次呼叫接入请求之后，首先对移动用户身份进行鉴定，VLR首先查看在数据库中是否有该MSC的鉴权三参数组，如果有，将直接向MSC下发鉴权命令；否则，向相应的HLR/AC请求鉴权参数，从HLR/AC得到三参数组，然后下发鉴权命令。

流程13：MSC收到VLR发送的鉴权命令后，通过BSC向MS下发鉴权请求，该命令属于DTAP消息，因此被直接传送给MS。

流程14：MS收到鉴权请求后，利用SIM卡中的Ki、RAND和鉴权算法得出SRES，并通过Auth Response（鉴权响应）消息传送给MSC。

流程15：VLR核对MS上报的SRES与从HLR取到的SRES是否相同，相同的话，则允许接入。

从上面的流程我们可以看到MM层（移动性管理）消息用于MSC和MS之间进行交互，BSS做透明处理，A接口是用于DTAP消息传送给MSC的，空口同样是承载在各个物理信道上的。

在通信专业的书籍中我们都会看到协议栈的图谱，为的是了解一个通信业务的实现过程都要经过哪些设备，设备之间的通信协议是什么，不直连的设备之间的信息是如何传递的，这个章节为我们普及了传统移动通信网络的业务大致是怎样的网络架构，网络中设备之间的通信是怎么进行的。