GSM开机驻网流程分析

Posted 2023-02-18 知不足而奋进

1.GSM开机驻网流程分析

1.1 GSM驻网流程介绍

当移动台开机后，它会试图与SIM卡允许的PLMN取得联系，随后移动台将选择一个合适的小区，并从中提取控制信道的参数和其它系统信息。

如果移动台并无存储的BCCH消息，它将搜索所有的124个RF信道（如果为双频手机还应搜索374个GSM1800的RF信道），并在每个RF信道上读取接收的信号强度，计算出平均电平，整个测量过程将持续3~5s，在这段时间内将至少分别从不同的RF信道上抽取5个测量样点。

MS将调谐到接收电平最大的载波上，判断该载波是否为BCCH载波（通过搜寻FCCH突发脉冲），若是，移动台将尝试解码SCH信道来与该载波同步并读取BCCH上的系统广播消息。若MS可正确解码BCCH的数据，并且该小区属于所选的PLMN、参数C1值大于0、该小区未被禁止接入、移动台的接入等级未被该小区禁止时，移动台方可选择该小区。否则，MS将调谐到次高的载波上直到找到可用的小区。

如MS在上次关机时，存储了BCCH载波的消息，它将首先搜索已存储的BCCH载波，若未找到则执行以上过程。

参数C1为供小区选择的路径损耗准则，服务小区的C1必须大于0，其公式如下：

C1=RXLEV-RXLEV_ACCESS_MIN - MAX ((MS_TXPWR_MAX_CCH - P), 0)  单位：dBm

其中RXLEV为移动台接收的平均电平; RXLEV_ACCESS_MIN 为允许移动台接入的最小接收电平; MS_TXPWR_MAX_CCH为移动台接入系统时可使用的最大发射功率电平;P为移动台的最大输出功率。

如MS在上次关机时，存储了BCCH载波的消息，它将首先搜索已存储的BCCH载波，若未找到则执行以上过程。

1.1.1 开机扫频过程

     对于高通平台GSM扫频过程，在QXDM中搜索scan，会搜索到手机扫的频点数、扫频总共用时、以及各频段都扫到了多少个频点。

扫频电平门限：

07:58:59.660   l1_null_if.c  01303  gs1:Power scan threshold set to -107dBm

将扫描到的频点添加到频点列表中：

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 588 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 575 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 571 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 565 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 560 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 558 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 93 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 91 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 90 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 89 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 88 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 84 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 83 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 81 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 80 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 78 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 76 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 71 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 68 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 62 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

07:58:59.660  gs1:Adding ARFCN 53 (PLMN 460-0) to power scan request (requested PLMN)

总共搜索到的频点数：

07:58:59.660  rr_acq_db.c  01045  gs1:rr_acq_db_populate_pscan_db: found 64 freqs

扫描完成：

07:58:59.838   l1_pscan.c  00907  gs1:Power Scan Complete ... 

1.1.2 Location Update Request过程

扫频结束后，终端会按照扫频的频点信号强度，首先在强度最高的频点上尝试解码FCCH、同步、以及接收BCCH等动作，尝试看能否注册到该频点网络，高通平台注册网络过程如下：

解码FCCH：

07:59:00.133  gl1_msg_acq.c  gs1:GL1_XO_ACQ: New FCCH Tone Seen: ARFCN=93, RSSI_dBm=-88

收SCH进行同步：                                                           

07:59:00.138  gl1_msg_acq.c  gs1:GL1_XO_ACQ: SCH success: ARFCN=93 fine_freq=-546Hz afc_freq=2028XO

手机发起RACH，RACH的原因为LAU（location update request）

07:59:02.522   rr_conn_establish.c  01565  gs1:StartRA(0x10) for LAU (reason=7)

手机收到立即指派消息，表示网络给手机准备好了一条用于专门传输信令的SDCCH信道，手机准备在这条信道上传输信令消息

07:59:02.767 rr_conn_establish.c  02455  gs1:Immediate Assignment (CS) is for mobile                                                     

手机向网络发送SABM帧，建立层二链路

07:59:02.777  [91]  0x5AC8  GSM DSDS L2 States

L2 Event = EV_ESTABLISH_REQUEST

手机收到网络发送的UA帧，层二链路建立完成

07:59:02.979  [3F]  0x5AC8  GSM DSDS L2 States

L2 Event = EV_UA_RECEIVED

1.1.3 位置更新信令流程

1. MS在空中接口的接入信道上向BTS发送channel request(该消息内含接入原因值为位置更新)；
2. BTS向BSC发送channel required消息；
3. BSC收到channel required后，分配信令信道，向BTS发送channel activation；
4. BTS收到channel activation后，如果信道类型正确，则在指定信道上开工率放大器，上行开始接收信息，并向BSC发送channel activation acknowledge；
5. BSC通过BTS向MS发送Immediate Assignment Command；
6. MS发SABM帧接入；
7. BTS回UA帧进行确认；
8. BTS向BSC发Establishment Indication，该消息中包含了Location Update Request消息内容；
9. BSC建立A接口SCCP链接，向MSC发送Location Update Request，该消息中包含了当前小区的CGI信息；
10. MSC向BSC回链接确认消息；
11. MSC向MS回位置更新接受消息，表明位置更新成功；
12. 在网络侧拒绝本次位置更新时，网络侧下发消息给MS；
13. 若MSC侧选择“位置更新时分配TMSI”为否，则在位置更新的过程中，MS没有“TMSI Reallocation Complete”消息的上报。

1.1.4 PS注册流程

高通平台日志中，PS注册终端首先要给网络发送ATTACH  REQUEST消息，该消息中携带有终端的TMSI、旧的PLMN信息、支持的A5算法种类以及一些其他的终端能力信息：

2015 Aug 19  08:27:19.734  UMTS UE OTA  --  GMM_ATTACH_REQUEST

网络收到ATTACH REQUEST后，会向终端发送鉴权加密请求，该消息中携带有发送给终端的鉴权随机序列数以及鉴权参数：

2015 Aug 19  08:27:22.093  [3F]  0x713A  UMTS UE OTA  --  GMM_AUTHENTICATION_AND_CYPHERING_REQUEST

auth_param_rand

        rand_val[0] = 82 (0x52)

        rand_val[1] = 160 (0xa0)

        rand_val[2] = 214 (0xd6)

        rand_val[3] = 173 (0xad)

        rand_val[4] = 88 (0x58)

        rand_val[5] = 52 (0x34)

        rand_val[6] = 78 (0x4e)

        rand_val[7] = 79 (0x4f)

        rand_val[8] = 99 (0x63)

        rand_val[9] = 61 (0x3d)

        rand_val[10] = 206 (0xce)

        rand_val[11] = 143 (0x8f)

        rand_val[12] = 231 (0xe7)

        rand_val[13] = 209 (0xd1)

        rand_val[14] = 245 (0xf5)

        rand_val[15] = 130 (0x82)

        key_sequence = 2 (0x2)

      auth_param_autn_incl = 1 (0x1)

      auth_param_autn

        autn_len = 16 (0x10)

        autn[0] = 238 (0xee)

        autn[1] = 125 (0x7d)

        autn[2] = 70 (0x46)

        autn[3] = 173 (0xad)

        autn[4] = 235 (0xeb)

        autn[5] = 151 (0x97)

        autn[6] = 0 (0x0)

        autn[7] = 0 (0x0)

        autn[8] = 98 (0x62)

        autn[9] = 74 (0x4a)

        autn[10] = 121 (0x79)

        autn[11] = 137 (0x89)

        autn[12] = 240 (0xf0)

        autn[13] = 98 (0x62)

        autn[14] = 89 (0x59)

autn[15] = 201 (0xc9)

终端收到随机序列数和鉴权参数后，SIM卡上的用户密钥KI与随机序列数RAND经过A3算法，产生一个32bit的应答数，终端再通过鉴权响应将该应答数和IMEI送回网络：

2015 Aug 19  08:27:22.264  [C0]  0x713A  UMTS UE OTA  --  GMM_AUTHENTICATION_AND_CYPHERING_RESPONSE

      imeisv

        ident_type = 3 (0x3)

        odd_even_ind = 0 (0x0)

        num_ident = 17 (0x11)

        ident[0] = 8 (0x8)

        ident[1] = 6 (0x6)

        ident[2] = 6 (0x6)

        ident[3] = 2 (0x2)

        ident[4] = 8 (0x8)

        ident[5] = 8 (0x8)

        ident[6] = 0 (0x0)

        ident[7] = 2 (0x2)

        ident[8] = 0 (0x0)

        ident[9] = 0 (0x0)

        ident[10] = 0 (0x0)

        ident[11] = 1 (0x1)

        ident[12] = 1 (0x1)

        ident[13] = 8 (0x8)

        ident[14] = 0 (0x0)

        ident[15] = 0 (0x0)

        ident[16] = 15 (0xf)

        resp_len = 4 (0x4)

        resp[0] = 145 (0x91)

        resp[1] = 93 (0x5d)

        resp[2] = 139 (0x8b)

        resp[3] = 41 (0x29)

终端给网络发送ATTACH COMPLETE，表示ATTACH完成。

2015 Aug 19  08:27:25.561  [57]  0x713A  UMTS UE OTA  --  GMM_ATTACH_COMPLETE

  gprs_mob_man_prot

    GMM_ATTACH_COMPLETE

      inter_rat_handover_info_incl = 0 (0x0)

      eutran_inter_rat_info_incl = 0 (0x0)

网络收到IMEI和响应数后，会将该响应数和网络侧算出的响应数进行比对，若一致，则鉴权验证通过，网络给终端发送ATTACH ACCEPT，该消息携带路由区ID、LAC区、TMSI等信息。

2015 Aug 19  08:27:25.561  [24]  0x713A  UMTS UE OTA  --  GMM_ATTACH_ACCEPT

      routing_area_id

        mcc_1 = 4 (0x4)

        mcc_2 = 6 (0x6)

        mcc_3 = 0 (0x0)

        mnc_3 = 15 (0xf)

        mnc_1 = 0 (0x0)

        mnc_2 = 0 (0x0)

        lac = 37333 (0x91d5)

      p_tmsi_sig

        num_tmsi_ident = 4 (0x4)

        tmsi_ident[0] = 230 (0xe6)

        tmsi_ident[1] = 219 (0xdb)

        tmsi_ident[2] = 176 (0xb0)

        tmsi_ident[3] = 2 (0x2)

终端给网络发送ACTIVATE PDP CONTEXT REQUEST消息，该消息中携带有NSAPI、PDP类型、APN等内容。

2015 Aug 19  08:27:31.174  UMTS UE OTA  --  SM_ACTIVATE_PDP_CONTEXT_REQUEST

    SM_ACTIVATE_PDP_CONTEXT_REQUEST

      req_nsapi

        nsapi_value = 5 (0x5)

req_pdp_addr

        len_pdp_address = 2 (0x2)

        pdp_type_org = 1 (0x1)

        pdp_type_num = 33 (0x21)

acc_pt

        num_acc_pt_val = 6 (0x6)

        acc_pt_name_val[0] = 5 (0x5) (length)

        acc_pt_name_val[1] = 99 (0x63) (c)

        acc_pt_name_val[2] = 109 (0x6d) (m)

        acc_pt_name_val[3] = 110 (0x6e) (n)

        acc_pt_name_val[4] = 101 (0x65) (e)

        acc_pt_name_val[5] = 116 (0x74) (t)

网络收到ACTIVATE PDP CONTEXT REQUEST消息后，根据PDP上下文签约记录中相关内容来对终端提供的PDP类型、PDP地址、APN进行验证。验证完成后，网络给终端发送ACTIVATE PDP CONTEXT ACCEPT消息，消息中携带有PDP类型、PDP地址、PAP确认消息等内容。

2015 Aug 19  08:27:32.411  UMTS UE OTA  --  SM_ACTIVATE_PDP_CONTEXT_ACCEPT

    SM_ACTIVATE_PDP_CONTEXT_ACCEPT

      pdp_addr

        pdp_type_org = 1 (0x1)

        pdp_type_num = 33 (0x21)

        addr_info[0] = 10 (0xa)

        addr_info[1] = 226 (0xe2)

        addr_info[2] = 209 (0xd1)

        addr_info[3] = 243 (0xf3)

          pap_prot

            rfc1334_pap_auth_ack

              msg_len = 9 (0x9)

              message[0] = 87 (0x57)

              message[1] = 101 (0x65)

              message[2] = 108 (0x6c)

              message[3] = 99 (0x63)

              message[4] = 111 (0x6f)

              message[5] = 109 (0x6d)

              message[6] = 101 (0x65)

              message[7] = 33 (0x21)

              message[8] = 10 (0xa)

至此，终端可以开始使用数据业务。