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3G移动性管理MAP应用协议研究

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前 言 I
一、 MAP概述 1
1. MAP接口定义 1
1.1 C接口 1
1.2 D接口 1
1.3 E接口 2
1.4 F接口 2
1.5 G接口 2
1.6 Lg接口 2
1.7 L接口 2
2. MAP 接口功能 2
3. MAP 协议栈结构 3
二、 MAP协议介绍 4
1. MAP 消息结构 4
2. MAP 对话过程 4
2.1 MAP协议分层 4
2.2 服务原语 5
2.3 MAP会话过程 5
2.4 原语间的映射 6
3. 操作类型 7
三、 MAP主要流程分析 11
1. 位置更新流程 11
2. 取路由信息和漫游号码的MAP流程 12
3. 取鉴权参数的MAP流程 13

前 言
MAP即移动应用部分，MAP协议定义了为实现移动台漫游功能而在移动系统通信网络实体之间进行的信息交换方式，这里的网络实体包括MSC Server、VLR、SGSN、HLR、SMC和GMLC等，为了满足移动用户的移动要求和实现移动用户业务，需要在这些实体之间交互信息，协调一致地运作。MAP就是这些实体之间交换信息所需要的。本文根据文献3GPP TS 29.002 V5.13.0 (2007-09)，对R5版本的MAP协议进行详细论述，做出结构性的归纳。

一、 MAP概述
1. MAP接口定义
MAP即移动应用部分，MAP协议定义了为实现移动台漫游功能而在移动系统通信网络实体之间进行的信息交换方式，这里的网络实体包括MSC Server、VLR、SGSN、HLR、SMC和GMLC。UMTS网络中，C、D、E、F、G、Lg、L接口都可以传递MAP消息，在这里统称为MAP接口。图1-1 所示为Map接口在系统中的位置：

图1-1 Map接口在系统中的位置
1.1 C接口
C接口指MSC SERVER与HLR之间的接口。在此接口上，MSC Server使用No.7信令系统中的MAP协议传递信令，MSC Server实现以下功能：
1) 在移动终结呼叫（MTC）中，MSC/GMSC Server通过C接口向HLR取路由信息，HLR通过C接口向MSC/GMSC Server提供路由信息和用户管理信（包括用户状态、用户位置、用户签约信息等）
2) 短消息业务（移动终止的短消息取路由过程）
3) 对于CAMEL应用，本接口用于获取移动用户终呼时的路由信息，用户状态、签约信息等。
1.2 D接口
D接口指VLR与HLR之间的接口。此接口用于在HLR与VLR之间交换有关移动台位置信息及用户管理信息。在此接口上，VLR使用No.7信令系统中的MAP协议传递信令，支持如下功能：
1) 取鉴权集：VLR没有可用的鉴权集时，发MAP消息到HLR/AuC中获取；
2) 位置更新：VLR发Location Update消息到HLR，更新HLR中的用户位置信息；
3) 位置取消：HLR发Cancel Location 到VLR，要求VLR删除用户数据；
4) 清除用户：当VLR删除用户数据后，将通过Purge MS消息通知HLR；
5) 在移动被叫时提供漫游号码；
6) 补充业务：在VLR和HLR中登记、注销补充业务；
7) VLR恢复；
8) 用户数据管理功能；
9) 短消息业务：短消息准备就绪通知。
为保证移动用户在整个服务区内能够建立和接受呼叫，必须在VLR与HLR之间交换数据，如VLR需要告知HLR移动用户当前的位置信息；HLR需要把所有与该用户有关的业务数据发送给VLR。如果用户所在的VLR区域已经发生改变，HLR还需要删除移动用户在先前漫游VLR中的位置信息及业务数据；另外，用户对所使用业务的修改请求（如补充业务操作）及运营商对用户数据的修改都要通过D接口交换数据。
1.3 E接口
MSC Server与MSC Server，MSC Server与SMC之间的MAP接口都定义为E接口。信令互通由No.7信令系统中的MAP协议来完成。MAP协议主要完成以下功能：
1) 切换：MSC与MSC之间、MSC与MSC Server之间、MSC server之间切换时交互MAP消息；
2) 短消息业务：MSC与短消息中心SMSC之间用MAP消息转发短信（SMMO，SMMT）。
MAP控制相邻区域不同的MSC Server之间进行切换。当移动台（MS）在呼叫进行过程中，从一个MSC Server控制的区域移动到另一个MSC Server控制的区域时，为了不中断通信，必须在两个MSC Server之间启动和实现切换操作。
1.4 F接口
F接口指MSC Server与EIR之间的接口。当MSC Sever需要检查国际移动设备识别码（IMEI）的合法性时，需要通过F接口与EIR交换与IMEI有关的信息。
1.5 G接口
G接口是VLR与VLR之间的接口。信令互通由No.7信令系统中的MAP协议来完成，通过此接口实现的相关功能包括：当移动用户漫游到一个新的VLR控制区，当前VLR向先前的VLR索取IMSI和鉴权集（如果还有没使用完的鉴权集）。
1.6 Lg接口
Lg接口是MSC Server与GMLC（Gateway Mobile Location Center）之间的接口，用于支持LCS（定位业务）功能。信令互通由No.7信令系统中的MAP协议来完成，通过此接口实现的相关功能包括：
1) GMLC向当前服务的MSC Server发起目标用户的定位请求消息；
2) MSC Server向GMLC返回定位请求的结果；
3) MSC Server向GMLC报告目标用户的定位信息；
4) 网络侧发起的紧急呼叫定位请求。
1.7 L接口
L接口是SSP和SCP之间的MAP接口，用于上报补充业务调用通知。
2. MAP 接口功能
MAP消息处理模块严格遵循3GPP TS 29.002 V3.9.0 （2001-06）规范的规定，提供3GPP TS 29.002规定的所有基本功能，包括：
1) 版本协商功能；
2) 移动性管理，同时支持对2G用户和3G用户的移动性管理，还支持移动性事件通知SCP功能。
3) 签约数据管理，包括普通业务签约数据、LCS和CAMEL签约数据的管理；
4) 错误恢复，包括数据恢复和HLR重启通知处理；
5) 安全性管理，包括鉴权、加密和一致性检查、TMSI重分配；
6) 呼叫处理，包括主被叫接入、获取路由信息及提供漫游号码；
7) 切换控制，包括UMTS系统内局间切换、UMTS和GSM系统间的局间切换；
8) 补充业务，包括呼叫相关和呼叫无关的补充业务以及补充业务事件通知SCP功能；
9) 短消息，包括移动始发和移动终结短消息以及短消息智能触发功能；
10) 定位业务，包括移动始发和移动终结的定位、紧急呼叫定位和操作维护定位。
3. MAP 协议栈结构
目前有两种可传输MAP协议的方式：一是基于TDM，利用消息传递部分（MTP）提供的服务来进行消息传递；一是基于IP，利用信令传输协议(SIGTRAN)提供的服务进行传输，其协议栈如图1-2所示。

图1-2 MAP接口在协议栈中的位置
每个MAP 包括若干个信息元，而每个信息元由标记、长度、内容三个字段组成，并按如图1-3所示顺序出现。若内容字段中仅为一个数值，则为基本式;若其本身又包含一个或多个信息单元，则为构成式。

图1-3 信息元结构
一条MAP 消息包含一个或多个成份，一个成份从属于一个操作，它可以是关于某一操作执行的请求，也可以是某一操作执行的结果，即对操作请求的响应。每个成份利用操作调用标识号指示与它相关联的操作序号。这个ID 仅供成份子层区分并发执行的各个操作，以便对各个操作的执行过程进行监视和管理，它并不表示这是一个什么样的操作。具体操作种类视具体应用业务而定，并由成份中操作码及其对应的参数指明。
虽然成份内容与应用有关，但是从操作过程来看，无论是什么应用系统，总可以归结为如下五种成份类型:
1) 调用成份。
2) 最终返回结果成份。
3) 返回错误成份。
4) 拒绝成份。
5) 非最终返回结果成份。
二、 MAP协议介绍
1. MAP 消息结构
在No.7信令系统中，MAP消息作为TCAP消息的成分部分传递，MAP消息的编码采用ASN.1格式，其在链路消息中的位置如图2-1所示。

图2-1 MAP消息在链路消息中的位置
MAP消息的类型和TCAP成分中的操作码（operation code）一一对应，在消息传递过程中，每发起一个操作就需要分配一个调用识别（Invoke ID），一个调用识别在其MAP对话过程中是对某个操作的唯一识别，通过区分操作码，可以将一个成分“翻译”成对应的MAP消息，MAP与TCAP之间的消息转换由MAP协议状态机（MAP PM）来完成。
2. MAP 对话过程
2.1 MAP协议分层
MAP协议又被分成两个子层：MAP业务提供者子层和MAP业务用户子层，由MAP业务提供者向其用户提供各种专门的业务，其协议模型结构如图2-2所示。

图22 MAP原理结构模型
MAP业务用户与MAP业务提供者在业务接口通过发/收MAP业务原语而互相作用。两个MAP用户之间为了进行一个公共任务必须交换信息，我们称之为一次MAP对话，亦即一次MAP PM (MAP Protocol Machine)的调用。
2.2 服务原语
MAP公共业务包括MAP-OPEN、 MAP-CLOSE、MAP-DELIMITER、MAP-U-ABORT、MAP-P-ABORT和MAP-NOTICE。MAP用户发出MAP-OPEN请求原语时开启一个对话，MAP-OPEN请求原语后紧随MAP业务请求，并用MAP-DELIMITER请求表示MAP请求的结束，用它来通知TC可以转发数据单元了。MAP-CLOSE业务则用来结束一个对话。具体业务如下所述：
1) MAP公共服务原语
l MAP-OPEN service：该原语用来在两个MAP service-users之间建立一个会话。
l MAP-CLOSE service：该原语用来释放先前建立MAP会话。
l MAP-DELIMITER service：该原语用来显式的要求传送MAP协议数据单元到对端实体。
l MAP-U-ABORT service：MAP service-users通过该原语请求MAP会话异常结束。
l MAP-P-ABORT service：该原语使MAP service-provider可以异常接受MAP会话。
l MAP-NOTICE service：该原语用来通知MAP service-user在MAP会话中发生的不影响协议状态机的异常情况。
2) MAP 用户专用服务原语，只适用于一个或几个MAP Service User而非全部。
2.3 MAP会话过程
1) MAP会话开启

在任何用户专用服务原语开始之前由MAP-OPEN开启一个对话，随后可能包括一个或多个或者没有任何用户专用服务原语，且都以MAP-DELMITER作为结束。
2) MAP会话继续

3) MAP会话结束

该流程仅仅只在一个启动流程或者一个延续流程后出现，它可能包含一个，多个或者没有用户专用服务原语。MAP-CLOSE原语必须在所有用户专用服务原语传输完毕以后才能被送出。
4) 会话失败

一个MAP用户可以在一个MAP对话开启后，或者一个MAP对话试图开启后的任意时刻发出MAP-U-ABORT原语来终结一个MAP对话，或者作为对试图发起会话的响应。
如果一个MAP对话失败，MAP服务提供者可以在任意时刻发出MAP-P-ABORT原语给MAP服务用户。
MAP-U-ABORT和MAP-P-ABORT原语用于终结一个MAP对话。
2.4 原语间的映射
1) MAP公共原语到TC原语的映射
MAP公共原语
TC原语
MAP-OPEN 请求(+ 任何用户专用服务原语)　MAP-DELIMITER 请求
TC-BEGIN 请求(+ 成份处理原语)（注）
MAP-OPEN 响应(+任何用户专用服务原语)　MAP-DELIMITER 请求
TC-CONTINUE 请求(+成份处理原语)
(任何用户专用服务原语)　+ MAP-DELIMITER 请求
TC-CONTINUE 请求(+成份处理原语)
(任何用户专用服务原语)　+ MAP-CLOSE 请求
TC-END 请求(+成份处理原语)
MAP-U-ABORT 请求
TC-U-ABORT 请求
注：如果在MAP-DELIMITER请求之前收到MAP-CLOSE 请求则对应TC-END。
2) TC原语到MAP公共原语的映射
TC原语
MAP公共原语
TC-BEGIN 指示（+成份处理原语)
MAP-OPEN 指示（+ 用户专用服务原语）+ MAP-DELIMITER 指示（注 1)
TC-CONTINUE 指示（+成份处理原语）
首次：MAP-OPEN 确认（＋用户专用服务原语）+ MAP-DELIMITER　指示（注 1）
以后各次：（用户专用服务原语）+ MAP-DELIMITER 指示 （注 1)
TC-END 指示（成份处理原语）
MAP-OPEN 确认（注 6）（用户专用服务原语）+ MAP-CLOSE 指示
TC-U-ABORT 指示
MAP-U-ABORT 指示 或　MAP-P-ABORT 指示（注 2）或MAP-OPEN 确认（注 3）
TC-P-ABORT 指示
MAP-P-ABORT 指示（注4）
MAP-OPEN 确认（注5）
注 1：对于MAP Phase2的应用可以不包含该原语。
注 2：取决于TC-U-ABORT原语中是否包括来自远端MAP service-provider的MAP-abort-PDU，或是否包含来自远端MAP service-user的MAP-user-abort-PDU 。
注 3：这种情况只适用于会话建立过程中收到TC-U-ABORT，且“中止原因为”为“不支持该应用上下文”的情况。
注 4：当且仅当TC-P-ABORT中携带的“中止原因”不是“不正确的事务处理子层”时。
注 5：当且仅当会话建立过程中，如果TC-P-ABORT携带的“中止原因”为“不正确的事务处理子层”。
注 6：只适用于会话建立过程中。
3) Map用户专用原语到TC原语的映射
MAP服务原语
TC原语
MAP-xx 请求
TC-INVOKE 请求
MAP-xx 响应（注1)
TC-RESULT-L 请求

TC-U-ERROR 请求

TC-U-REJECT 请求

TC-INVOKE 请求（注 2）
4) TC原语到Map用户专用原语的映射
TC原语
MAP服务原语
TC-INVOKE 指示
MAP-xx 指示
TC-RESULT-L 指示（注 3）
MAP-xx 确认
TC-U-ERROR 指示

TC-INVOKE 指示（注2）

TC-L-CANCEL 指示

TC-U-REJECT 指示
MAP-xx　确认　或
TC-L-REJECT 指示
MAP-NOTICE 指示
TC-R-REJECT 指示

注1：映射关系取决于MAP-xx响应原语中携带的参数。
注 2：该映射用于通过一个四类TCAP操作传递另外一个二类或四类TCAP操作的结果。
注 3：如果成分部分为RESULT-NL，同样映射卫MAP-xx 确认。
3. 操作类型
在3GPP 29.002 中规定了数目种类繁多的操作类型，大体上分为七大类服务类型：Mobility services、Operation and maintenance services、Call handling services、Supplementary services related services、Short message service management services、Network-Requested PDP Context Activation services和Location Service Management Services。
在这七大类型的服务中又分为不同类型的子服务类型，在此给出其关系结构图。

在每个子服务类型中又包含着若干服务原语，现列表如下：

在定义业务原语中，用到下列符号来为参数分类：
M：参数内容为必选项。可用于任何原语类型和指示中，其相应的参数必须在指示原语类型中出现；
O：参数内容为业务提供者任选项。可用于指示与确认类型原语中，业务提供者对其中的参数可任选；
U：参数内容为业务用户任选项。可用于请求和响应类型原语中，业务用户可选择参数之一;
C：参数内容是有条件的。可用于下列目的：
—表示如果参数来自于其他实体，还需在有关业务中包括该参数；
—表示业务用户必须基于所使用业务的上下文决定是否包含该参数；
—表示必须包含许多相互关联的独特参数之一；
—表示业务用户在请求与响应类型原语中出现的任选参数(以“U”标记)或条件参数(以“C”标记)将在相应的指示或确认类型原语中呈现给业 务用户；
（=）：该符号附加在上面标记之后，表示参数取与左边显示的参数相同的值；
空白：表示没有参数。
下面仅摘出MAP_UPDATE_LOCATION业务和MAP_CANCEL_LOCATION业务原语的具体定义进行说明：
MAP_UPDATE_LOCATION业务用于VLR更新HLR中存储的位置信息。此业务是确认型业务，所用原语见表2-1。
表2-1 MAP_UPDATE_LOCATION
参数名
请求
指示
响应
确认
调用ID
PSID
IGW号码
支持的CAMEL阶段
HLR号码
用户错误
提供者错误
M
M
M
C
M(=)
M(=)
M(=)
C(=)
M(=)

C
C

M(=)

C(=)
C(=)
O
MAP_CANCEL_LOCATION业务用于HLR从VLR中删除用户记录。当一个MS从某一VLR区移到另一个VLR区时，此业务可被自动调用从旧VLR中删除用户记录，也可由HLR运营者强迫VLR向HLR进行位置更新，例如，取消签约。此业务是确认型业务，所用原语见表2-2。
表2-2 MAP_CANCEL_LOCATION
参数名
请求
指示
响应
确认
调用ID
PSID

用户错误
提供者错误
M
M

M(=)
M(=)

M(=)

C
M(=)

C(=)
O
三、 MAP主要流程分析
文档3GPP TS 29.002中列出了大量的MAP协议流程的信令流，其中位置更新流程和取路由信息流程是MAP所支持的移动用户进行网间漫游的最基本流程，另外还有补充业务处理、短消息、切换处理、鉴权等流程。在此仅举两个例子来说明MAP的信令过程。
1. 位置更新流程
当接收到位置更新请求消息后，VLR将对位置区进行判断。如果是跨VLR位置区内的更新，将向HLR发送位置更新请求。HLR向VLR返回证实消息时，将携带HLR号码。位置更新流程可能涉及到向前VLR（PVLR）取用户识别流程、到HLR取鉴权集流程、位置删除流程、插入用户数据流程。
1) 如果MSC Server/VLR接收到用户采用TMSI发起的位置更新请求，且位置更新请求消息携带的前位置区信息属于临近VLR的位置区，则本VLR发起向PVLR取用户IMSI和鉴权集的流程。
2) MSC Server/VLR接收到用户的位置更新请求后，如果发现数据配置需要进行鉴权且没有可用鉴权集，将发起到HLR取鉴权集的请求。
3) HLR接收到MSC Server/VLR的位置更新请求后，如果发现用户漫游的MSC/VLR号码发生改变，将向PVLR发起位置删除流程，删除PVLR中的用户信息。
4) HLR向VLR插入用户数据。
向前VLR的取用户标识和鉴权集流程、到HLR的取鉴权集流程、到前VLR的位置删除流程、插入用户数据以及D接口位置更新流程都是相对独立的流程，这几个独立流程协调工作完成用户到HLR的位置更新过程。在这几个独立流程中，D接口位置更新流程和插入用户数据是必须的，其它三个流程只有在条件具备时才触发。位置更新流程示意图如图3-1所示。

图3-1 位置更新流程
2. 取路由信息和漫游号码的MAP流程
对被叫用户取路由信息流程需要取漫游号码流程的配合。HLR接收到GMSC Server的取路由信息请求后，如果用户处于非活动状态，将直接返回前转号码或缺席用户；否则将向用户漫游所在的VLR发起取漫游号码请求，根据VLR返回结果向GMSC Server返回相应的响应。取路由信息和漫游号码的MAP流程示意图如图3-2所示。

图3-2 取路由信息和漫游号码的MAP流程
3. 取鉴权参数的MAP流程
MAP_SEND_AUTHENTICATION_INFO ：在电路域，用在VLR和HLR之间，向HLR取鉴权集。一次最多取5组鉴权向量。在分组域，用在SGSN和HLR之间，向HLR取鉴权集。一次最多取5组鉴权向量。如果用户是UMTS用户，HLR返回的是五元组；如果是GSM用户，则返回三元组。如果HLR无法提供鉴权参数，则返回的鉴权集为空值。取鉴权参数的MAP流程示意图如图3-3所示。

图3-3 取鉴权参数的MAP流程

参考文献
1. 3GPP TS 29.002 V5.13.0 (2007-09) 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Core Network ;Mobile Application Part (MAP) specification; (Release 5),2007.
2. 王琼，MAP协议在PHS网络互通中的应用，武汉理工大学硕士学位论文，2006
3. 何伟，GSM系统中七号信令集中监测系统的技术研究，重庆大学硕士学位论文，2004
4. 刘焕林、陈勇、张云麟，移动通信网的MAP信令测试技术研究，仪器仪表学报，2005.08
5. 华为MSOFTX3000移动软交换中心技术手册信令与协议分册.
6. 华为TD-SCDMA/WCDMA移动应用部分(MAP)测试方法.
7. 中兴通讯PHS MAP技术规范.