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移动通信的基础知识培训


移动通信原理与系统

2013-7-25

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移动通信概念与特点
移动通信就是移动台MS(Mobile Station)移动通信 是指通信双方或至少其中一方在运动状态下进行通信.
移动通信系统是移动用户之间、移动用户和固定用户 之间建立信息传输通道的通信系统。常见的移动通信系 统有蜂窝移动通信系统(AMPS、GSM、IS-95)、卫星通 信系统(如铱星系统、海事卫星通信系统)、寻呼系 统、无绳电话系统以及集群移动通信系统。

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蜂窝的概念
蜂窝概念提出解决了频率资源和用户容量之间的矛盾, 其思想是:用许多小覆盖区来代替大覆盖区,小覆盖区采 用小功率发射机,大覆盖区采用大功率发射机,每个基站 分配整个系统可用信道的一部分,相邻基站分配不同信道 组,以降低基站之间的干扰.换一种说法,蜂窝是指将整个 覆盖区划分为小单元,每个单元复用频带的一部分以提高 频带的利用率,其代价是增加系统的结构开销.

频率复用是蜂窝移动通信中的重要概念,其思想是:在 不同的小区使用相同的频率,以增加系统容量.

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蜂窝频率复用思想的示意图

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蜂窝通信的特点
?电波传播条件恶劣 ?具有多普勒效应 ?干扰严重 ?无线频谱资源非常紧缺 ?需要采用位臵登记、过境切换等移动性管理 技术 ?综合了交换、计算机、传输等技术 ?多种网络结构,网络管理复杂
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蜂窝通信的优点
对于移动用户的优点 ?移动性 ?灵活性 ?便利性
对于网络运营商的优点 ?易于扩容 ?高收益率 ?频谱利用率高 ?易于重新配臵
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蜂窝移动通信系统发展
第一代:模拟移动通信系统 利用模拟传输方式实现话音业务,包括美国AMPS(先 进的移动电话业务)、英国的(全接入通信系统)、斯堪 的纳维亚的NMT(北欧移动电话)以及日本的NTT日本电 话和电报)等。 第二代:数字蜂窝移动通信系统 利用数字传输方式实现话音和低码率数据业务,其 容量和频谱利用率高于第一代,包括GSM(全球移动通

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信系统)、PDC(个人数字蜂窝)、CDMAONE(IS-95)以 及US-TDMA(IS-136)。
2.5代:第二代向第三代演变,提供更先进的业务,如速 率为100-200Kb/s的电话和分组交换数据业务,这些演变 的系统称为2.5代系统,如GPRS(一般分组无线业务)。

第三代:3G 主要特点:宽带化、智能化、个人化,具有大容量、 高速率、多业务、多码率以及变码率。 代表系统:中国TD-SCDMA,欧洲WCDMA,美国CDMA200 0

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移动通信系统的基本结构
系统组成: 移动台MS(mobile station) 基站子系统BSS(base station system):基站收发信 机BSC和基站控制器BTS组成 网络子系统O&M:移动交换中心MSC、操作维护中心OMC 、归属位臵寄存器HLR 、访问位臵寄存器VLR、设备识别 寄存器EIR、鉴权中心AUC组成

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移动台MS (Mobile Station):实现移动终端功能
基站收发信台BTS (Base Transceiver Station):实 现移动通信系统与MS之间的无线通信 基站控制器BSC (Base Station Controller):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 及其它与无线相关的控制功能 移动业务交换中心MSC (Mobile service Switching center):实现移动业务交换功能 操作维护中心OMC (Operation and Maintenance Center):提供人机界面实现对系统设备的监测和控制 功能

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归属位臵登记处HLR (Home Location Register):实 际上是一个数据库,主要储存二类数据: 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

用户的位臵信息
访问位臵寄存器VLR (Visitor Location Register): 实际上是一个数据库,储存用户信息,主要包括: MSRN (Mobile Station Roaming Number) : 移动 台漫游号码 TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identification) : 临时移动用户身份 移动台登记的位臵区(LAC) 与补充业务有关的数据
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鉴权中心AUC (Authenticate Center) : 用于对用户 身份的鉴别 设备识别寄存器EIR (mobile station Equipment Identity Register) : 用于储存及鉴别移动台的设备 身份。

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移动通信系统的基本结构示意图

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移动通信网的网络结构
按覆盖区域分:带状服务区和面状服务区 按容量大小分:大容量的大区制和小容量的小区制 大区制:是指在一个服务区内只设臵一个基站,该基 站覆盖整个服务区。基站设臵几十个频道,为50-200个 用户服务,服务半径为10-40Km。 小区制:是将整个通信服务区划分为若干个小区,每 个小区的半径为2-10Km,每个小区设臵一个基站负责与 小区内移动用户的通信。

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移动通信系统的基本技术
移动通信系统的多址方式: 在移动通信系统中,许多用户同时通过一个基站和其 他用户进行通信,必须对不同用户和基站发出的信号赋 予不同的特征,是基站能区分不同用户的信号,而各个 用户又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的, 这就是多址技术。 多址技术的基础是信号特征上的差异,这种差异可以 表现在某些参数上,如信号的工作频率、信号的出现时 间以及信号具有的特定波形等,它要求各信号互相正交 ,或者说任意两个信号波形之间的互相函数等于或接近零 。
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多址方式根据不同的频率、时隙以及码字可以分为频分 多址、时分多址、码分多址: 频分多址(FDMA) 将通信系统的总频段划分为若干个等间隔的频道分配 给不同用户使用,这些频道互不交叠。通常在两个相邻 频道之间留有一段保护频带,其作用是防止同一部电台 的发射机对接受机产生干扰。具体的作法是:若某一基 站的发射机在高频段的某一频道工作,则其接受机必须 在低频段的某一频道工作;与此对应,移动台的接受机 要在高频段相应的频道中接受来自基站的信号,其发射 机要在低频段相应的频道中发射发往基站的信号。

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时分多址(TDMA)

将时间分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时 隙(帧或时隙都互不交叠),然后根据一定的时隙分配 原则,使各移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发 送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在 各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。基站发向 各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输, 各移动台只要在指定的时隙内接收,就能在合路的信号 中将发给它的信号区分出来。

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码分多址(CDMA) 码分多址不是根据频率或时隙来区分不同用户,而是 利用各自不同的扩展码来区分,或者说,靠信号的不同 波形来区分。从频域或时域看,多个CDMA信号是相互重 叠的。接收机用相关器可以从多个CDMA信号中选出使用 预定码型的信号。

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三种常用的多址方式

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移动通信系统的功率控制 功率控制的概念:是控制发射端的发射功率,减小小 区间的干扰,补偿无线信号衰落。 功率控制要遵循功率平衡的原则,即接收到的有用信 号功率相等。对上行链路,要求各个移动台到达基站的 信号功率相等;对下行链路,要求各个移动台接收到基 站的信号功率相等。 功率控制的分类:前向(下行)链路控制和反向(上 行)链路控制。

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移动通信系统的切换技术 切换的基本概念: 在3GPP中,切换是指无线接入网改变提供承载业务的 无线发射装臵或无线接入模式或无线系统,同时保证承 载业务的QoS达到一定的级别。 切换分类: 切换按发起方式分为:硬切换(hard handover)、软 切换(soft handover)和更软切换(softe handover) 硬切换是指移动终端先中断与旧基站的连接,再与新 基站建立连接,移动终端只能和一个基站通信。

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软切换是指移动终端先与新基站建立连接,再中断与 旧基站的连接,移动终端可以和一个以上的基站通信。 更软切换是指在同一小区的不同扇面之间的切换。
切换按系统内外可分为系统内切换和系统间切换。 系统内切换是指同一系统内的越区切换,如GSM系统内 切换。 系统间切换是指两个不同系统间的切换,如从GSM系统 到UMTS系统间切换。 切换还分频率间切换、空闲切换

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GSM系统
GSM系统结构
NMC OMS OMC

OMC

B

G

VLR Um
BTS BSC BTS BSS F
MS

VLR H

C
A MSC E

D HLR

AUC

MSC

EIR NSS
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NSS

PSTN
SIM
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ME

GSM系统接口

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GSM900频谱分配
基站 发射频率 2MHz保护频带 基站 接收频率

45MHz 双工间隔

950

935

925 917

915

905

890

880

872

GSM

TACS/GSM

EGSM

ETACS

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DCS1800频谱分配
基站 发射频率 2MHz保护频带 基站 接收频率

90MHz 双工间隔

1880

1805 1785

1710

DCS1800
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GSM系统频段
GSM900主频段(P-GSM) 上行:890MHz-915MHz(移动台发,基站收) 下行:935MHz-960MHz(基站发,移动台收) GSM扩展频段(E-GSM) 上行:880MHz-890MHz(移动台发,基站收) 下行:925MHz-935MHz(基站发,移动台收) DCS1800频段 上行:1710MHz-1785MHz(移动台发,基站收) 下行:1805MHz-1880MHz(基站发,移动台收)

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GSM的空中接口
P-GSM 上行频率(MHz) 下行频率(MHz) 收发延迟 双工间隔(MHz) 频带带宽(MHz) 频道数 频道号 890-915 935-960 3时隙 45 25 124 1-124 E-GSM 880-890 925-935 3时隙 45 10 49 975-1023,0

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DCS

PCS

上行频率(MHz) 下行频率(MHz) 收发延迟 双工间隔(MHz) 频带带宽(MHz) 频道数 频道号

1710-1785 1805-1880 3时隙 95 2*75 374 512-885

1850-1910 1930-1990 3时隙 80 2*60 299 512-810

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无线逻辑信道(一)

?Um接口上的信息由各种无线逻辑信道承载 ?无线逻辑信道类型: ?控制信道 ?业务信道

MS

基站

MS

Um接口

上行方向:移动台到基站方向 下行方向:基站到移动台方向

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无线逻辑信道(二)

?控制信道 ?业务信道(TCH) ?广播控制信道(BCCH) ?频率校正信道(FCCH) ?同步信道(SCH) ?广播信道(BCH) ?公共控制信道(CCCH) ?随机接入信道(RACH) ?准许接入信道(AGCH) ?寻呼信道(PCH) ?专用控制信道(DCCH) ?独立专用控制信道(SDCCH) ?快速随路控制信道(FACCH) ?慢速随路控制信道(SACCH) ?小区广播信道(CBCH)
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无线逻辑信道(三)

?频率校正信道(FCCH,下行信道,广播方式,每小区一个)
为了保证移动台和基站能够正确的接收对方的信 息,必须保证移动台和基站的频率一致,即移动台的 接收频率与基站的发射频率一致,移动台的发射频率 和基站的接收频率一致。在GSM系统中,由于一个基 站要同时和若干移动台进行通信,因此采用主从同步 方式,以基站的频率为基准,基站在频率校正信道上 发送频率信息,移动台根据该信息调整自己的频率, 保持自己的频率与基站同步。

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无线逻辑信道(四)

?同步信道(SCH,下行信道,广播方式,每小区一个) 由于Um接口采用TDMA方式,为了保证移动台和基 站能够正确的接收对方的信息,必须保证移动台和基 站的时间基准一致。基站在同步信道上发送定时信息, 移动台根据该信息调整自己的时间基准,保持自己的 时间基准与基站同步。
实际发送的是缩减帧号(RFN) 基站的时间基准 和基站识别号(BSIC) 刚才最后一响,是 北京时间一点整。 移动台A的时间基准

移动台B的时间基准

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无线逻辑信道(五)

?广播信道(BCCH,下行信道,广播方式)
通过在广播信道上广播系统消息1-4,将必要的 网络参数通知移动台。

?随机接入信道(RACH,上行信道,多点对点方式)
该信道又称争抢信道。移动台首先通过该信道申请接入网络。 由于同时可能有多个移动台会通过该信道申请接入网络,因此 可能会发生碰撞。在该信道传递的信息有以下三个: 1. 接入原因(主叫、被叫、位臵更新等) 2. 随机参考值 3. 发送该消息的时刻(隐含)
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无线逻辑信道(六)

?准许接入信道(AGCH,下行信道,点对多点方式) 网络通过该信道对移动台在RACH上提出的接入申 请进行初步确认,若为正确认,则分配一个(独立专 用控制)信道给移动台,以便进行进一步确认。在该 信道传递的信息有以下两个: 1. 接入申请中的接入原因、随机参考值和该消息发 送的时刻 2. 对独立专用控制信道的描述(该信道所在绝对载 频号、时隙号、子信道号等)

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无线逻辑信道(七)

?寻呼信道(PCH,下行信道,点对多点方式)
该信道用于网络发送寻呼消息,以通知被叫移动 台启动寻呼流程。在该信道传递的信息有以下三个:

1. 被寻呼的移动台身份识别号
2. 寻呼模式 3. 寻呼流程需要何种信道

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无线逻辑信道(八)

?独立专用控制信道(SDCCH,双向信道,点对点方式)
该信道主要用于在网络和移动台间传送用于呼叫 接续所需要的信令。 ?快速随路控制信道(FACCH,双向信道,点对点方式) 该信道主要用于在通话过程中在网络和移动台间 传送信令。该信道实际上是临时借用TCH信道。

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无线逻辑信道(九) ?慢速随路控制信道(SACCH,双向信道,点对点方式) 该信道主要用于传送一些辅助信息。该信道始终 与SDCCH或TCH伴随在一起。 对于下行信道而言,主要传送: ?功率控制命令 ?时间调整命令 ?必要的网络参数(通过系统消息如系统消息5和6, 由于移动台在非空闲模式下无法接收系统消息,为使 移动台及时了解网络参数的改变)。 对于上行信道而言,主要传送 ?测量报告(用于提供功率控制和切换所必须的信息) ?实际使用的发射功率、 ?实际使用的时间调整量

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无线逻辑信道(十)

?业务信道(TCH,双向信道,点对点方式)
该信道主要在网络和移动台间传送业务(包括话 音、数据等)。

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无线逻辑信道(十一)

?移动台使用信道的顺序 ?搜寻网络时,寻找BCCH ?空闲状态,监听BCH和PCH ?需要与网络通信时,在RACH上发送信道请求 ?监听AGCH,若收到确认信息,则 ?转入分配的SDCCH+SACCH,当与网络完成接续等信令 后,则 ?转入网络分配的TCH+FACCH+SACCH,完成业务通信后, 回到空闲状态

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MS主叫流程
设一个移动台处于开机并且处于空闲状态,若它要建 立与另一用户的呼叫(在此以与一个PSTN用户的通信 过程为例),在用户看来他只要输入另一个用户的号 码,再按发送键,移动台就开始启动程序直到电话拨 通。其实移动台和网络需经过许多步骤才能将呼叫建立 起来。

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一、呼叫建立过程
(一)被叫号码分析过程 首先将由移动台向网络发出一个启动(SETUP)的报文,该消息 包含着被叫号码和所需业务等许多内容,此时MSC就能够根据它来进 行呼叫接续。当MSC收到启动消息,就要将该消息通过向其VLR发送 出局呼叫消息,VLR在收到该消息后,根据其在位臵更新过程中从HLR 获得的该用户数据消息,来分析被叫的号码(在VLR中有各种号码分 类的信息,它会检查看是否有指向该号码的能力)和主叫用户本身 的能力(根据主叫用户原来注册的业务是否支持本次呼叫的所需业 务,如在拨打国际长途时则看是否有国际长途受限),以及网络本 身的资源能力等等)核对是否能接纳这种需求,若某些项目不能通 过,则向MS发出释放完成(RELEASE COMPLETE)的消息,呼叫建立 就此失败,以后MS再将底层的连接释放掉,然后转入空闲状态;若 可以通过VLR则向MSC发回完成呼叫能力查询(COMPLETE_CALL)的报 文。当MSC收到并确认后则向MS发出呼叫继续(CALL PROCEEDING) 的消息表示主叫用户的呼叫请求已经通过了核对,呼叫正在进行之 中。
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(二)话音信道指派过程(接续分配)

在MSC向MS发出呼叫继续 (CALL PROCEEDING)消息后,它就要根 据业务请求,来激活后续分配,即分配给用户TCH话音信道的流程。 此时,MSC要向BSC发出指派请求(ASSIGNMENT REQUEST)消息,在 此消息中将含有所请求信道的类型等内容来要求BSC来给此次呼叫分 配TCH话音信道。 BSC在收到MSC的信道请求后,如果发现有TCH信道资源的话就会 向BTS发出请求激活TCH信道(Channel Activation for TCH)的消 息,来激活相应的地面资源,该消息发出的也会启动本身的一个计 时器,若该BTS将电路等资源准备好后,就会向BSC发出信道激活响 应(channel activation ack)的报文。若此时BSC已无资源则向 MSC返回无资源(RESOURCE FAILURE)的消息,

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而系统允许排队的话,则BSC向MSC发出排队指示(QUEUING INDICATION)的消息,并将指派请求消息放入队列同时打开T11定时 器,如定时器超时则向MSC发出清除请求(CLEAR REQUEST消息)。 其中立即指派请求,BSC内切换,BSC间切换是不许排队的,仅TCH资 源请求(即指派请求和小区内部切换)允许根据内部优先级的的指 示来按优先顺序给相应的请求分配在规定时间内被释放掉的信道, 若排队长度或等候时间超出要求则请求将被拒绝。 在BSC收到BTS发出信道激活响应(channel activation ack)的 报文后,就按照BTS所提供的该信道的物理信息将它放在指派命令 (ASSIGNMENT COMMAND)的消息中(该消息中包含着信道类别如话 音/数据的指示,信道的速率和类别及话音解码算法和透明传输指示 时器,分配优先级以及CI(电路识别码)通过SDCCH信道发给MS。
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在MS收到基站发来的指派命令ASSIGNMENT COMMAND消息后,将 收发信配臵调整到该TCH信道上,通过FACCH信道向系统发出SABM消 息,系统在收到该消息后,会向BSC发出建立指示ESTABLISH INDICATION消息,同初始分配信令信道一样,需系统再发回一条UA 的证实帧。 当MS收到UA帧后将通过FACCH信道向系统发出分配完成 (ASSIGNMENT COMMPLETE)消息,若因无线接口失败、无线接口消 息失败或因干扰和硬件问题无法识别指派信息等原因MS无法占用该 指定的信道,MS就会向系统发出ASSIGNMENT FAILURE(指派失 败),若因干扰等原因MS未收到系统发给它的指派命令或系统未收 到MS的响应导致在BSC未收到MS返回的消息,则系统将该信道释放 掉。在BSC收到分配完成的信令后,一方面向MSC发出指派完成 (ASSIGNMENT COMPLETE)消息,一方面向BTS发出无线信道释放 (RF CHANNEL RELEASE)消息,要求将以前占用的SDCCH信令信道

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资源释放掉,当BTS完成了信令信道的释放后,将发给BSC一条信道 释放完成(RF CHANNEL RELEASE ACK)消息,BSC收到此消息后就认 为该信道已返回到空闲状态下,该资源可以用于分配给新的信道请

求。

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(三)、呼叫连接过程 当收到BSC发回的指派完成消息后,MSC在向被叫端送出初始化地 址IAM消息(该报文中含有可用于被叫接续的消息,通过它来建立与 被叫网络之间的路由),不用很久就会收到被叫端网络发回的有关 呼叫建立的报告,若成功MSC则会收到ACM(地址完成)消息,如果 因某种原因(如对端占线或线路拥塞等等)呼叫建立失败,主叫MSC 则会收到被叫端发出的RELESASE(释放)消息。 此时如果MSC收到被叫端发回的ACM(ADDDRESS COMPLETE 地址 完成)消息后,它的反应是将ALERTING(待命)消息发给该MS(该 消息可由MS翻译成回铃音),该消息属DTAP消息类别,若被叫不应 答而主叫也没有终止的动作,经过一定的时间,网络端会终止呼叫 或可执行无应答转移。 如此时被叫摘机,MSC会收到被叫端发回的ANSWER(应答)消 息,此时主叫与被叫之间的链路接通,MSC将发给MS一条CC协议中的 CONNECT(接通)消息,MS收到该消息后将停止待命指示,接着 向 。

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系统返回CC协议中的CONNECT ACKNOWLEDGE(接通确认),当系统收 到此消息时,就开始记费。如被叫端是数据设备,在收到SETUP指示 后可直接进入连接(CONNECT) 状态。这时呼叫建立过程完毕,双 方进入通话或传送数据业务阶段。

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二、呼叫释放过程
若主叫先挂机时,则MS利用FACCH信道向MSC发出Disconnect(拆 线)消息,在MSC收到该消息后,则向被叫端发出释放消息 来通知对 方通信终止,端到端的连接到此结束。但至此呼叫并未完全结束, 因为系统与MS之间仍需保持一定的任务,如送收费指示等,当系统 认为与MS之间的连接已无必要时,则向主叫端MS发出RELEASE(释 放)消息,在MS收到该消息后会向系统发出RELEASE COMPLETE(释 放完成消息),表呼叫已结束。同样当由被叫先挂机时,也会向主 叫端发出释放RELEASE的消息,MSC在收到该报文后,将向主叫MS发 出拆线DISCONNECT的消息,当为非正常结束时,该报文还进一步指 出了非正常结束的原因。 在MSC收到MS的释放完成(RELEASE COMPLETE)消息后,则向 BSC发出清除命令(CLEAR COMMAND)的报文消息来释放所有信令链 路.,在该消息中携带着此次呼叫清除的原因,例如,因切换完成而 清除还是因位臵更新完成而清除等等。
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当由于是无线接口消息失败,无线链路失败或因设备故障等原因导 致呼叫进程非正常性释放而向系统发出清除请求(CLEAR REQUEST)

消息。
BSC收到该命令后,一方面向MS发出释放信道(CHANNEL RELEASE)的消息,表示将所有底层链路释放掉要求MS返回空闲模式 下,同时将T3109定时器启动。移动台收到该命令后,就要拆除上行 信令链路(即停止发送上行方向上的SACCH随路信令的测量报告), 当它发现下行链路已被拆除后,即发现BTS的无线链路超时值 (RADIOLINKTIMEOUT)已变为0时,将向BTS发送消息,表示无线链路 已拆除,MS已返回到空闲状态下,BSC收到后,将向MS发出UA的证 实。当BTS发现上行链路已被拆除后,将向BSC发出释放指示 (RELEASE INDICATION)消息来向BSC报告这一事件。

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为了保证上下行链路都能及时的拆除,在BSC向MS发出释放 CHANNEL RELEASE消息要求拆除上行链路的同时,随后它还要向BTS 发出去活SACCH(Deactivate SACCH)的报文消息来,将要求释放下 行的随路信令(即要求停止双方之间的信令联系)。BTS在收到此消 息后,将停止传输下行链路的SACCH帧,从而使移动台的的下行链路 故障计数器在一给定的时间后不可避免的降为0。当BTS开始执行停 止SACCH下行链路的系统消息后,即向BSC发出去活SACCH响应 (Deactivate SACCH ACK)消息。 BSC收到释放指示RELEASE INDICATION消息后,将定时器T3109复 位,并启动定时器T3111, ,随即并向BTS发出射频信道释放RF CHANNLE RELEASE(此时将T3111复位)要求释放TCH资源(此时才释放 物理信道资源是为了给呼叫重建留有时间)当收到BTS返回的射频信 道释放命令正确应答RF CHANNLE RELEASE ACK消息时,BSC就认为该 信道资源已空闲可用于再分配了. 此时它还要将向MSC发出CLEAR COMPLETE消息,表示无线链路已清除完毕. MSC收到此消息后,则会完成连接释放.到此该信令流程已彻底完 毕.

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