1.2.6　各司其职——GSM网元功能介绍

在GSM初期，手机就是手机，只是打电话而已，为了实现手机打电话功能，GSM网络需要具备两方面能力：移动性管理能力和提供语音业务能力。

所谓移动性管理，指的是对移动手机的位置和身份管理。正如前面所说，GSM网络需要精确掌握手机的实时动态，而完成这一功能的主体网元是VLR、HLR和AUC，当然其中也少不了BTS和BSC的友情合作。

而GSM网络提供语音业务则需要BTS、BSC和MSC的无间合作。

为了理解GSM网络中七大网元的具体功能，我们不妨以手机的日常使用为例，具体来看看GSM网络中的网元是如何帮助手机实现入网申请和位置登记功能的。至于进行语音业务，需要在实现位置登记以后才能进行的，而且由于这一过程设计到很多信令流程，在这里就不详述了。

假设你手上现在有一个已经关机的手机和一张新买的手机卡，现在你要把这个手机开机，并进行入网登记，要怎么做呢？听到这个问题估计有些人要笑了，这还不简单？直接把卡插上，按开机键，过一两分钟手机自动就在网络上登记，手机信号不就自动显示出来了？

确实，操作起来是很简单的，但是你可知道在开机的这一分多钟里，手机已经完成信号同步定时、入网申请、身份验证和位置更新等好几个步骤，而且在这短短几十秒钟内手机发起的信号已经走遍整个GSM网络了吗？下面我们来看看无线网络是通过哪几个步骤来实现手机登记这个功能的。

（1）步骤1：手机开机选频和同步定时

手机从关机状态到开机状态，操作系统要从睡眠状态完全被激活。手机被激活以后会开始搜索身边可用的基站信号频点，这些频点的信息是基站BTS通过前面已经介绍过的广播信道BCCH对外发送的。虽然BTS也不知道哪里有手机会开机，但是BTS还是会持续不断地对外发射关于可用频点的信息，以保证在BTS的覆盖范围内的所有手机都能侦听到这部分信息。这个有点像车站里播放车辆信息的广播，虽然它不知道顾客需要哪些路线的信息，但是它知道，只要把所有可用的路线信息播放出来乘客就能从中获取自己想要的路线信息了。

手机根据BCCH信息选定了跟基站通信使用的频率点以后，就会继续寻找基站通过同步信道（SCH）下发的同步信息。所谓同步信息，在这里指的是调整手机时间，让手机时间跟基站时间保持同步的数据。在前面已经说过，GSM的多址接入方式是采用FDMA+TDMA，假设用户A占用的是时隙1，则它会固定在这个时候进行信号的接收和发送，一旦系统的时间不同步，手机极有可能在规定的时隙1里接收到其他不属于它的时隙信号，基站也会在错误的时间里向手机发送错误的信号，这样一来整个系统都乱套了。所以手机必须要跟基站对一下“手表”，大家调好了时间才能做下一步的工作，如图1-23所示。

（2）步骤2：入网申请和身份验证

手机根据基站下发的信息找到可用的频点，调整好收发频率、同步好时间以后，就会通过随机接入信道（RACH）向基站BTS发起接入网络的申请。基站BTS收到手机发送的入网申请经过核实会发现自己其实是没权利处理这份入网申请的，于是下一步就会把申请递交给它的上级基站管理器BSC。BSC也没权利处理这份申请，没办法，只好转手递交给它的大老板MSC了。对于MSC来说，如果看到新用户的入网申请，知道自己网络下又要增加一名用户了，肯定要高兴一阵子。不过话说回来，这个入网申请应不应该批准呢？万一这个用户是个骗子怎么办？为了保险起见，还是得先验证一下用户的身份才行。验证用户身份这种事情交给秘书来办就行了，鉴权中心AUC就是专门干这种事情的。

鉴权中心AUC收到大老板MSC的身份验证请求，回头一看，不用急，因为它早已做好了准备，相应的鉴证准备资料早已寄存在VLR那里。只需要叫VLR转发出来两封信就行，一封信是给用户的，里面随机写有几个数字（RAND）；另一封信给老板MSC的，里面写有通过秘钥Ki根据加密算法A3计算得到的回应答案（SRES）。

大老板MSC收到VLR转发的两封信以后，马上派人把写有随机数字RAND的那封信送到手机用户手中，并开始等待手机用户的回应。

手机用户接到MSC送达的随机数字就知道考验自己的时候到了。这时候它需要根据随机数字和自己手上的秘钥Ki以及加密算法A3计算出相应的答案SRES，把SRES再次发送给MSC，然后静静等待MSC的最终答复。

MSC收到手机用户的回复SRES后就会拆开AUC给它的第二个写有答案的信封，把信封里的答案SRES跟手机用户发送过来的答案进行对比，如果两者一致，说明该用户是合法用户，准许接入网络。那如果结果不一致呢？这时MSC就会认为手机用户是非法用户，从而拒绝手机用户的网络接入请求，如图1-24所示。

大家看这个鉴证的过程是不是很像公司里新员工的入职过程？虽然面试的时候是老板面试并决定我们能否被录取，但是在入职之前，人力部门也往往会对新员工的身份和职业背景先做一番调查。在调查的时候会问员工各种问题，同时也会向员工原所在公司进行核实，如果发现员工存在说谎或者违反职业道德的行为就会拒绝员工的入职请求。由此看来，不管在哪里，不管是作为手机用户还是一名职员，还是要诚实点好，否则早晚会遭到惩罚的。

（3）步骤3：位置更新

手机被允许接入网络后，还有一件非常重要的事情要做，就是进行位置更新。在GSM网络里面，保留手机位置信息的网元有两个，分别是归属位置寄存器HLR和拜访位置寄存器VLR。HLR里面保存的是本地注册过的用户SIM卡的信息，而VLR里面则保存着从外地HLR迁移过来的用户SIM卡信息。这个怎么理解呢？其实HLR就相当于一个人的祖籍所在地，VLR就相当于你现在居住的地址。比如有人问你：你是哪里人啊？云南大理人。现在住哪里？我现在广东广州工作。换个说法就是说你的用户注册信息在云南大理的HLR那里，现在的居住地址登记在广东广州的VLR。

如果是新用户要在网络进来时登记，需要把用户信息在HLR中进行登记。而如果是老用户在网络中迁徙时，GSM会先向用户SIM卡开卡所在地的HLR进行查询，确认该SIM卡用户来源地。一旦确认这个SIM卡用户是异地手机卡，它会把这个SIM卡用户信息写入到现在所在地的VLR里面，并通知SIM卡原来所在登记的HLR，给它报个平安，就说这个用户现在我这里了，HLR您放心！同时也提醒SIM卡用户呆过的上一个地方的VLR把有关该SIM卡用户的信息删掉，毕竟人都不在那边住了，留着这些资料也没用，占空间。

经过这3个步骤以后，手机开机入网总算是完成了。

在上面这个过程里，我们看到了BTS、MSC、VLR、HLR和AUC在其中的作用，相对而言，BSC的出场时间似乎少了点。虽然BSC出场时间短，但并不表示它是可有可无的，BSC的主要作用体现在对BTS的管理上，此外，BSC还能实现手机在同一个BSC下的切换控制功能，为MSC分担部分的工作量。

看完上面的介绍，接下来可以比较官方地来总结一下GSM网络中各个网元的功能了。

MSC（Mobile Service Switch Center，移动交换中心或移动业务交换中心）：对位于它管辖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体。

VLR（Visitor Location Register，拜访位置寄存器）：为MSC所管辖区域中MS的呼叫接续，提供检索位置信息所需的数据库。VLR存储跟呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码，所处位置区的识别参数。

HLR（Home Location Register，归属位置寄存器）：管理用于移动用户管理的数据库。每个移动用户都应在其归属位置寄存器注册登记。HLR主要存储两类信息：有关用户的参数和有关用户目前所处位置的信息。

AUC（Authentication Center，鉴权中心）：为移动用户的认证身份和产生相应鉴权参数（随机数RAND、符号响应SRES、密钥Ki）的功能实体。

BSC（Base Station Controller，基站控制器）：对一个或多个BTS进行控制以及相应呼叫控制的功能实体。

BTS（Base Transceiver Station，基站收发信台）：为一个小区服务的无线收发信设备，也就是常说的基站。

MS（Mobile Station，移动台）：它包括移动设备（ME）和用户识别模块（SIM），就是手机和手机卡两个部分。根据业务的状况，移动设备可包括移动终端（MT），终端适配功能（TAF）和终端设备（TE）等功能部件。