TDD-LTE網絡SGs接口解碼方案研究

席 兵，韓盈盈

(重慶郵電大學通信網測試技術工程研究中心，重慶400065)

TDD-LTE網絡SGs接口解碼方案研究

席 兵，韓盈盈

(重慶郵電大學通信網測試技術工程研究中心，重慶400065)

以TD-LTE網絡信令反查系統(tǒng)為研究背景，分析了SGs接口功能及SGsAP協(xié)議特點，在此基礎上提出了一種符合常規(guī)測試規(guī)范的SGsAP協(xié)議解碼模塊的設計方案。此方案重點研究利用方法封裝、插件式設計思想實現SGsAP協(xié)議的簡單解碼和詳細解碼等功能。結合現網數據，在TD-LTE網絡信令反查系統(tǒng)中測試驗證該方案。測試結果表明，解碼準確有效，這為實現TD-LTE網絡監(jiān)測系統(tǒng)SGs接口監(jiān)測提供了重要依據。

SGs接口;SGsAP協(xié)議;TD-LTE網絡;信令反查;協(xié)議解碼

隨著TD-LTE國際標準、關鍵技術及產業(yè)鏈的不斷成熟，TD-LTE網絡的部署和運營也得到不斷推進和發(fā)展。TD-LTE系統(tǒng)呈現統(tǒng)一、扁平的網絡架構，且是基于全IP的分組交換系統(tǒng)，不支持傳統(tǒng)的電路交換業(yè)務［1］。就基于電路域的短消息業(yè)務(Short Message Service，SMS)而言，在運營商提供的服務中僅次于語音業(yè)務，所以必須解決TD-LTE網絡與2G/3G網絡短消息業(yè)務互通的問題。目前主要有4種方案可以解決上述問題:雙模雙待手機方案、SMS over SGs接口方案、SMS over IMS方案及SMS over PS方案［2］。為了減少MME和SSC的接口復雜度，減少建設成本，提高經濟效益，現網采用SMS over SGs接口方案，但目前針對此接口的監(jiān)測方案［3-4］尚處于開發(fā)研究階段。本文的主要研究內容是根據Gs接口協(xié)議和SGs接口SGsAP(SGs Application Part)協(xié)議規(guī)范［5-6］進行解碼并以可視化界面顯示解碼結果，以實現接口數據的信令反查功能，進而完善TDD -LTE網絡接口監(jiān)測覆蓋面。

1 SGs接口短消息業(yè)務傳輸流程

SGs接口是移動性管理實體(Mobility Management Entity，MME)和移動服務中心(Mobile Service Center，MSC)之間的接口，3GPP規(guī)范中明確規(guī)定了當TD-LTE終端駐留在LTE網絡時，可直接通過SGs接口實現短消息業(yè)務的收發(fā)工作［7-8］。而MSC則是實現TD-LTE網絡與2G/3G網絡SMS互通的轉接點。在融合網絡中實現SMS過程［9］如圖1所示。

圖1 融合網絡中SMS工作流程圖

首先，終端UE附著時，在attach request消息中攜帶“聯(lián)合EPS/IMSI附著”指示，MME收到UE的請求后，從收到的GUTI或從缺省的LAI中解析出MSC號碼，并向此MSC發(fā)起位置更新請求，MSC將該UE標記為已完成附著，并保存MME的IP地址等相關消息，即MSC完成UE的SGs關聯(lián);再者，MSC向HLR 進行位置更新并將該用戶的TMSI等信息發(fā)送給MME，從而在MME中建立SGs關聯(lián);最后MME再將TMSI及LAI等信息在attach accept消息中轉發(fā)給UE，完成UE的聯(lián)合附著。由于通過MSC接入到2G/3G網絡的SMS傳輸方式不變，此處不再累述。

2 SGsAP協(xié)議的解碼實現

2.1 解碼模塊設計

隨著網絡的發(fā)展，不斷有新的協(xié)議產生，而這些實現90%需要現有協(xié)議來承載，所以為了避免協(xié)議模塊重復開發(fā)，同時也為了提高代碼的可靠性、可重用性和可維護性，本文采用插件式設計方案實現SGsAP協(xié)議的解碼。解碼設計框架如圖2所示。

圖2 SGsAP協(xié)議解碼設計框架圖

解碼的目標是把信令二進制流中的數據翻譯為有邏輯意義的信息，供協(xié)議分析模塊調用。首先，從緩沖區(qū)中取出原始數據送入SGsAP協(xié)議解碼模塊，通過解碼接口(簡單解碼接口和詳細解碼接口)分別調用相應解碼模塊。由圖2可知，SGsAP協(xié)議解碼分兩種:基礎解碼和詳細解碼?；A解碼是指分析原始PDU數據，提取關鍵信息和上層SDU信息并為上層的呼叫合成解碼、消息概要解碼提供支持，使上層協(xié)議分析不必再重新解碼。而詳細解碼是對原始數據逐字節(jié)逐比特的解碼，并生成一些解釋說明信息。詳細解碼的作用是為上層詳細解碼提供服務。最后，解碼結果都將發(fā)送給顯示界面以供用戶查閱。其中詳細解碼結果通過函數封裝后在顯示界面上呈現數據代表的詳細信息;簡單解碼結果則用于消息過濾和顯示;合成解碼封裝后用于呼叫詳細記錄(Call Detail Record，CDR)的合成。

2.2 SGsAP協(xié)議簡單解碼的實現

SGsAP協(xié)議簡單解碼是上層協(xié)議分析和TD-LTE網絡接口監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，從采集卡捕獲到的原始數據，保存在消息緩存區(qū)中，添加文件頭、cap頭等預處理后獲取協(xié)議消息ID、開始時間、結束時間等信息，通過簡單解碼接口調用簡單解碼函數，完成簡單解碼過程。

2.2.1 簡單解碼原理分析與實現

在3GPP中規(guī)定了SGs接口共有25種消息類型(如尋呼請求消息、重置消息等)，首先根據消息類型進行分類處理，再根據各消息簡單解碼需顯示的關鍵字段逐步解碼。下面以尋呼請求消息為例，進一步解釋簡單解碼原理。

SGsAP協(xié)議層的第一個字節(jié)代表消息類型SGsAP Message Type。本方案定義了以消息類型SGsAP_Msg-Type為索引的一維函數數組SDecMsgTypeFun［］，改進了之前3G監(jiān)測系統(tǒng)中使用的宏定義消息類型，并用switch開關語句匹配的方案，如此不僅節(jié)省了代碼空間，降低了內存占用率，提高了運行效率，更便于代碼測試和性能維護。

2.2.2 SGsAP協(xié)議簡單解碼結果驗證

根據信令反查系統(tǒng)設計要求，SGsAP協(xié)議簡單解碼部分只需根據消息類型分別提取SGsAP的IMSI、TMSI、IMEI、LAC等消息關鍵字段，并將字段封裝到解碼結構體中，以供信令反查時準確、快速地定位消息，并顯示消息流程。簡單解碼結果界面如圖3所示。

圖3 SGsAP協(xié)議簡單解碼示意圖(截圖)

與wireshark的解碼結果(見圖4)相對比，均提取源和目的IP地址、消息類型、時間戳等，且兩者數據相同，則可推知SGsAP協(xié)議在信令反查中依據消息類型進行解碼，其結果是完全正確的，從而驗證本方案的可行性。

圖4 wireshark對SGsAP協(xié)議簡單解碼截圖(截圖)

2.3 SGsAP協(xié)議詳細解碼的實現

2.3.1 詳細解碼原理分析與實現

在信令反查系統(tǒng)中，詳細解碼根據信令結構對各層各關鍵字進行指針的移動和取值操作，再由3GPP協(xié)議規(guī)范定義將其所代表的的含義以中英文方式描述出來并以界面形式展現出來。詳細解碼設計方案具體如圖5所示。

圖5 SGsAP協(xié)議詳細解碼流程圖

當下層SCTP協(xié)議解碼結果獲得的上層SDU信息是SGs接口數據時，將數據送入詳細解碼函數SGsAP_ fdecode()進行逐字節(jié)逐比特翻譯。如果數據長度正確，則移動指針解出消息類型，根據協(xié)議規(guī)定提取消息中的關鍵字段。此關鍵字段可以分為必備固定元素、條件可選元素和任選元素，分別調用關鍵字段解碼函數，進行相應的解碼實現。

詳細解碼接口函數聲明如下:

參數說明:pData，待解碼消息數據首指針;nBitLen，解碼數據長度，以比特(bit)為單位;pContext，解碼參數，為各協(xié)議所需求的不同的解碼參數;pDetail，詳細解碼結果;ppSduInfo，上層協(xié)議信息。關鍵字段簡單解碼函數與詳細解碼函數的主要區(qū)別是后者不必知道各協(xié)議模塊是什么結構，每解出一個詳細解碼項，詳細解碼函數只需要調用公共模塊中的輔助函數 FillTreeBuf向pDatail指向的結果中添加詳細解碼結果。

2.3.2 詳細解碼結果驗證

在信令反查系統(tǒng)中SGsAP協(xié)議詳細解碼結果和wireshark對SGsAP協(xié)議的解碼如圖6、圖7所示，經過結果對比可得出解碼完全正確。詳細解碼邏輯上是一棵樹，為了表示結點的層次關系，給每個詳細解碼結點分配一個編號，用這個編號來表示結點之間的父子關系。

圖6 SGsAP協(xié)議詳細解碼示意圖(截圖)

圖7 wireshark對SGsAP協(xié)議詳細解碼截圖(截圖)

詳細解碼每個結果項中，內容有字段名、字段值、解釋、掩碼等。BitMask用來詳細表示某個詳細解碼結果項對應的二進制bit的有效數據，因為不是所有的解碼項都是字節(jié)。為了便于表示，把這些內容用如下函數sprintf(NText，"%s|%d||%s"，pszsgsap IMSIText［0］［nlang］，identityDigit，DumpMLDB(pDec，1，text，0，3，0))組成格式化的字符串，再添加到輔助函數中。

3 結束語

針對現網中缺乏此接口的監(jiān)測方案，本文創(chuàng)新性地提出了TDD-LTE網絡SGsAP協(xié)議解碼模塊設計的總體方案。此方案的創(chuàng)新點在于:1)簡單解碼和詳細解碼模塊采用并行線程，可以獨立執(zhí)行、互不干擾，從而提高解碼效率;2)根據配置文件寫入的協(xié)議ID號和下層解碼獲取的SDU來判斷上層協(xié)議類型，改進了原來通過端口判斷協(xié)議并將其以協(xié)議判別函數IsMe()固化到代碼中的處理方法，這不僅提高了解碼模塊的可移植性、靈活性，更減少代碼間的耦合性。將此方案應用于LTE網絡信令反查系統(tǒng)中，最終測試結果表明，該設計方案具有可行性，從而填補了SGs接口監(jiān)測方案空白的現狀，對研究LTE網絡中其他協(xié)議也具有指導和推廣意義。

［1］程鴻雁.LTE核心網 EPC融合演進解決方案［J］.電信技術，2013(4):30-33.

［2］張燕，彭鵬.TD-LTE中短消息業(yè)務連續(xù)性實現方案［J］.電信快報:網絡與通信，2013(4):34-37.

［3］陳玉華，張治中，杜西亞.TD-SCDMA網絡Iu-PS口CDR合成方案［J］.電視技術，2009，33(11):53-56.

［4］李艷，張治中.LTE網絡S1AP監(jiān)測方案的研究與實現［J］.電信科學，2013，29(1):31-38.

［5］3GPP TS29.018 v12.3.0(2013-12)，3rd generation partnership project;technical specification group core network and terminals;general packet radio service(GPRS);serving GPRSsupportnode(SGSN)visitors location register(VLR);Gs interface layer3 specification(Release 12)［S］.2013.

［6］3GPP TS29.118 v12.3.0(2013-12)，3rd generation partnership project;technical specification group core network and terminals;mobility management entity(MME)–visitor location register(VLR)SGs interface specification［S］.2013.

［7］ TANAKA I，KOSHIMIZU T，NISHIDA K.CS fallback function for combined LTE and 3G circuit switched services［J］.NTT DOCOMO Technical Journal，2009，11(3):13-19.

［8］OREDOPE A，PHAM V，EVANSB.Deploying IPMultimedia Subsystem(IMS)services in futuremobile networks［C］//Proc.2011 National Conference on Communications(NCC).［S.l.］:IEEE Press，2011:1-5.

［9］蓋劍，盧玢鑫，趙瑞.LTE網絡中SGs接口短消息容災方式研究［J］.電子世界，2013(16):130.

Decoding Scheme of SGs Interface in TDD-LTE Network

XIBing，HAN Yingying
(Communication Network Testing Technology Research Center，Chongqing University of Postsand Telecommunications，Chongqing 400065，China)

Based on the TD-LTE network signaling anti-check system，the functions of SGs interface and SGsAP protocol features are analyzed.Based on the research，a kind of design scheme of the SGsAP protocol decoding module lined with conventional test specification is proposed.Usingmethods encapsulation and plug-in design concept，how to achieve the simple decoding and detailed decoding functions of SGsAP protocol is focused on.Finally，the scheme is applied to the signaling anti-check system for testing.Test results show that decode accurately and validly，which provides an important basis for SGs interfacemonitoring in the TD-LTE network monitoring system.

SGs interface;SGsAP protocol;TD-LTE network;signaling anti-check;protocol decoding

TN929.23

A

?? 京

2014-05-04

【本文獻信息】席兵，韓盈盈.TDD-LTE網絡SGs接口解碼方案研究［J］.電視技術，2014，38(23).

國家新一代寬帶無線移動通信網重大專項(2012ZX03005008);重慶高校創(chuàng)新團隊建設計劃項目(KJTD201312)

席 兵(1972—)，副教授，主研光通信與網絡;

韓盈盈(1989—)，女，碩士生，主研通信網測試技術。