基于GSM網(wǎng)絡(luò)的多功能基站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祝玉嬌,李遲生

(南昌大學(xué)信息工程學(xué)院,南昌 330031)

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基于GSM網(wǎng)絡(luò)的多功能基站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祝玉嬌,李遲生*

(南昌大學(xué)信息工程學(xué)院,南昌 330031)

針對(duì)目前基站功能單一的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)多功能基站系統(tǒng)。該基站系統(tǒng)增加了一種轉(zhuǎn)發(fā)功能,通過其轉(zhuǎn)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)終端和商用基站的空中接口信令和業(yè)務(wù)傳輸。通過給出該多功能基站設(shè)計(jì)的基本思路,流程設(shè)計(jì),關(guān)鍵技術(shù),軟硬件實(shí)現(xiàn)框圖,以及該系統(tǒng)的位置更新流程的VC多線程仿真結(jié)果和位置更新流程的硬件實(shí)測(cè)結(jié)果來驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。

GSM;多功能基站;空中接口;轉(zhuǎn)發(fā);位置更新

為了加快在地震,泥石流等自然災(zāi)害的救援工作,一種基于手機(jī)信號(hào)的主動(dòng)誘發(fā)探測(cè)技術(shù)的GSM基站系統(tǒng)有很大的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前景[1]。本文提出了一種多功能基站系統(tǒng),增加了一種轉(zhuǎn)發(fā)功能,該基站將終端的空中接口信令與業(yè)務(wù)經(jīng)過處理后向商用基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),反之亦然,這使得基站的功能更完善,使用也更普遍。

1 基本思路

GSM采用的是單向鑒權(quán)體制,即手機(jī)在注冊(cè)或者位置更新過程中,只有網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行身份認(rèn)證,而手機(jī)不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)基站進(jìn)行認(rèn)證。因此,通過假冒網(wǎng)絡(luò)端設(shè)備來要求手機(jī)以明文傳出其IMSI信息[2],來得到手機(jī)的身份信息,并通過特定的交互指令將手機(jī)置于多功能基站系統(tǒng)的區(qū)域中。通常移動(dòng)終端終端處于待機(jī)狀態(tài),多功能基站系統(tǒng)無法獲取移動(dòng)終端的身份信息。要解決這個(gè)問題就必須采取誘發(fā)技術(shù),促使移動(dòng)終端主動(dòng)與多功能基站系統(tǒng)進(jìn)行信令交互。

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的多功能基站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 多功能基站系統(tǒng)框圖

其中,多功能基站系統(tǒng)分為4部分:終端接口主要是完成該系統(tǒng)與終端的數(shù)據(jù)和信令交互;基站接口主要是完成該系統(tǒng)與商用基站的數(shù)據(jù)和信令交互;接入與控制模塊主要指完成手機(jī)的接入過程,其中的主要技術(shù)是位置更新誘發(fā)技術(shù),主要完成手機(jī)的接入功能,并且可以獲取手機(jī)的IMSI等;接入與轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要完成終端的接入以及接入多功能基站系統(tǒng)中的終端和商用基站進(jìn)行業(yè)務(wù)和信令的交互,即該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)信令與業(yè)務(wù)的功能。

2 多功能基站系統(tǒng)的功能流程設(shè)計(jì)

根據(jù)多功能基站的用途,給出細(xì)化的多功能基站的功能,包括:

接入與控制模塊的功能:這部分即完成終端接入的功能,同時(shí)可以對(duì)接入的終端進(jìn)行呼叫提醒和短信提醒功能。該基站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是對(duì)接入該系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)的終端的終端控制。

轉(zhuǎn)發(fā)模塊的功能。完成終端的接入功能,以及接收特定移動(dòng)終端發(fā)起的呼叫或短信,并轉(zhuǎn)發(fā)到實(shí)際運(yùn)營(yíng)的基站,并能夠接收基站下發(fā)的呼叫或短信等,并轉(zhuǎn)發(fā)到特定移動(dòng)終端終端。

根據(jù)上面對(duì)該多功能基站系統(tǒng)的功能描述,給出的該系統(tǒng)的功能流程圖如圖2所示。

圖2 多功能基站的功能設(shè)計(jì)圖

圖2中,給出了該多功能基站的2種功能,其中一種就是接入與控制,即將該多功能基站工作區(qū)域內(nèi)的終端進(jìn)行接入與控制,讓該工作區(qū)形成一個(gè)獨(dú)立的工作小區(qū),不能和外界進(jìn)行聯(lián)系。另外一種是轉(zhuǎn)發(fā)的功能,即將接入該小區(qū)的終端能夠和外界的基站進(jìn)行聯(lián)系,通過接入與轉(zhuǎn)發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)接入該基站的終端和商用基站之間的信令與業(yè)務(wù)交互。

3 多功能基站系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 位置更新誘發(fā)技術(shù)

當(dāng)手機(jī)的位置區(qū)改變時(shí),手機(jī)發(fā)現(xiàn)其存儲(chǔ)器中的LAI與接收到的LAI(位置區(qū)代碼)發(fā)生了變化,便執(zhí)行登記,這一過程就叫位置區(qū)更新[3]。多功能基站系統(tǒng)通過偵測(cè)當(dāng)前小區(qū)的頻率、基站色碼和臨區(qū)頻點(diǎn)等參數(shù),模擬臨區(qū)信號(hào)發(fā)送基站信息,誘發(fā)移動(dòng)終端接入到多功能基站系統(tǒng)控制區(qū)域。具體過程包含以下3個(gè)方面:

(1)觸發(fā)小區(qū)重選[4]

為了使目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的手機(jī)能夠接收到多功能基站系統(tǒng)發(fā)出的信令,就得讓手機(jī)和基站的頻點(diǎn)一樣,這就要觸發(fā)手機(jī)進(jìn)行小區(qū)重選。

處于待機(jī)狀態(tài)下的手機(jī)會(huì)不斷地測(cè)量其相鄰小區(qū)的載波電平。當(dāng)手機(jī)連續(xù)5 s計(jì)算到多功能基站系統(tǒng)仿冒的臨區(qū)載波的C2值超過當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的C2值與小區(qū)重選滯后值之和,即將觸發(fā)小區(qū)重選。此時(shí),調(diào)整多功能基站系統(tǒng)的發(fā)射功率,使其覆蓋目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量高于當(dāng)前服務(wù)小區(qū).并觸發(fā)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的手機(jī)進(jìn)行小區(qū)重選,從而進(jìn)入多功能基站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

(2)誘發(fā)位置更新

多功能基站系統(tǒng)的廣播信道通過下發(fā)不同于當(dāng)前小區(qū)的LAI和BCC的系統(tǒng)消息來仿冒功率最弱的臨區(qū)。

手機(jī)進(jìn)入多功能基站系統(tǒng)后,首先解析該系統(tǒng)廣播的系統(tǒng)消息。當(dāng)手機(jī)從系統(tǒng)消息中獲取的LAI與其存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的不同時(shí)。手機(jī)認(rèn)為位置區(qū)有改變,然后啟動(dòng)位置更新程序向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送位置更新請(qǐng)求。

(3)獲取身份信息

移動(dòng)終端身份信息主要包含了TMSI、IMSI和IMEI。當(dāng)系統(tǒng)無法識(shí)別手機(jī)發(fā)來的移動(dòng)識(shí)別時(shí),該系統(tǒng)就要求手機(jī)發(fā)送系統(tǒng)指定的移動(dòng)識(shí)別。鑒于這個(gè)情況,多功能基站系統(tǒng)在收到手機(jī)發(fā)來的位置更新消息后,即可啟動(dòng)識(shí)別程序,以向手機(jī)發(fā)送識(shí)別請(qǐng)求消息。

圖3 多功能基站系統(tǒng)的硬件框圖

3.2 多功能基站系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖

多功能基站系統(tǒng)硬件平臺(tái)由射頻部分、基帶部分和PC控制終端3個(gè)模塊組成,如圖3所示。

基帶部分中有2片AD6512芯片,其中,一片用于手機(jī)上行信號(hào)的接收和多功能基站系統(tǒng)信號(hào)的發(fā)送,另一片用于接收真基站的下行信號(hào)和多功能基站系統(tǒng)上行信號(hào)的發(fā)送。AD6512內(nèi)部包含有一個(gè)基帶數(shù)據(jù)接收通道、一個(gè)基帶數(shù)據(jù)發(fā)射通道、一個(gè)輔助控制通道和一個(gè)話音通道,主要完成接收數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換、GMSK調(diào)制及D/A轉(zhuǎn)換。FPGA主要完成DSP和AD6512之間的數(shù)據(jù)緩存和時(shí)序控制。DSP是多功能基站系統(tǒng)的核心,主要完成:

(1)接收數(shù)據(jù)的解調(diào)、均衡、解碼等處理,得到基站的配置參數(shù)和手機(jī)的請(qǐng)求消息等;

(2)完成多功能基站系統(tǒng)與終端之間各層信令的交互、資源分配和上下時(shí)隙的匹配;

(3)完成PC之間的應(yīng)用層指令交互和信息上報(bào)。

圖6 LAPDm的程序?qū)崿F(xiàn)框圖

3.3 多功能基站系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文主要研究的是多功能基站的接入與轉(zhuǎn)發(fā)模塊的部分,所以下面主要給出了該基站的轉(zhuǎn)發(fā)部分的軟件設(shè)計(jì)方案。

GSM的Um接口協(xié)議可以分為3層:第1層是物理層,通過無線信道傳輸各種編碼信息,完成空中接口的數(shù)據(jù)傳輸。第2層是數(shù)據(jù)鏈路層,采用LADPm協(xié)議,將數(shù)據(jù)無差錯(cuò)的在第1層和第3層之間傳遞。第3層是網(wǎng)絡(luò)層,主要負(fù)責(zé)控制和管理的協(xié)議層[5]。所以多功能基站系統(tǒng)的Um接口協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)框圖,如圖4所示。

圖4 多功能基站系統(tǒng)軟件框圖

多功能基站的軟件設(shè)計(jì)采用分層的模塊化設(shè)計(jì),分別將物理層,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層的程序設(shè)計(jì)模塊化出來。其中,物理層采用的是TDMA技術(shù),多功能基站將控制信道和業(yè)務(wù)信道合理的進(jìn)行分配,完成信道的資源分配問題。在該多功能基站轉(zhuǎn)發(fā)模塊控制中,物理層的信道分配模塊流程圖如圖5所示。

圖5 多功能基站的信道分配流程圖

圖5中,給出了4個(gè)信道號(hào),分別是商用基站給多功能基站分配的SDCCH信道號(hào)SD_BS,多功能基站給終端分配的SDCCH信道號(hào)SD_MS,以商用基站給多功能基站分配的TCH信道號(hào)TCH_BS,多功能基站給終端分配的TCH信道號(hào)TCH_MS。多功能基站的信道資源管理的主要任務(wù)是:將SDCCH信道號(hào)SD_BS和SD_MS,以及TCH信道號(hào)TCH_BS和TCH_MS能夠?qū)?yīng)起來,實(shí)現(xiàn)信道的合理分配,實(shí)現(xiàn)信令和數(shù)據(jù)的正確傳輸。

在多功能基站的轉(zhuǎn)發(fā)模塊中,數(shù)據(jù)鏈路層采用LAPDm協(xié)議[6],其中LAPDm的程序?qū)崿F(xiàn)框圖如圖6所示。

由于LAPDm是無差錯(cuò)的完成物理層和網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)通信,根據(jù)GSM 04.06協(xié)議,將LAPDm層分成11個(gè)部分。終端物理層接口模塊是完成終端和多功能基站的物理層和網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)緩存,基站物理層接口模塊是完成商用基站和多功能基站的物理層和網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)緩存,網(wǎng)絡(luò)接口模塊[7]只有在收到數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域不為0的數(shù)據(jù)鏈路層幀才會(huì)將緩存的數(shù)據(jù)提交給網(wǎng)絡(luò)層。參數(shù)檢測(cè)模塊對(duì)LAPDm數(shù)據(jù)地址域、控制域和長(zhǎng)度指示域參數(shù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。分類與狀態(tài)檢測(cè)模塊根據(jù)LAPDm幀的控制域區(qū)分不同類型的幀,并根據(jù)鏈路的狀態(tài)參數(shù),調(diào)用不同的處理模塊,其中包括無編號(hào)信心幀處理模塊、鏈路建立處理模塊、鏈路釋放處理模塊和多幀傳輸處理模塊。隊(duì)列控制模塊存儲(chǔ)了多幀操作模式的關(guān)鍵參數(shù),從而決定了信息幀的發(fā)送和重發(fā)。定時(shí)控制模塊主要完成定時(shí)器與重發(fā)計(jì)數(shù)器的置位和等待超時(shí)的相關(guān)處理。

多功能基站轉(zhuǎn)發(fā)模塊網(wǎng)路層支持位置更新、語音主叫、語音被叫、短消息主叫、短消息被叫5種業(yè)務(wù)。所以網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)業(yè)務(wù)來分類,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議分層來模塊化處理。網(wǎng)絡(luò)層分為CC層、MM層、RR層以及短信的SS層。其中轉(zhuǎn)發(fā)模塊網(wǎng)絡(luò)層的程序?qū)崿F(xiàn)框圖如圖7所示。

數(shù)據(jù)鏈路層接口是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)緩存區(qū),業(yè)務(wù)類型判斷主要是根據(jù)RACH業(yè)務(wù)請(qǐng)求消息中的隨機(jī)接入?yún)?shù)和CM業(yè)務(wù)請(qǐng)求消息中的服務(wù)類型參數(shù)確定的。在主被叫業(yè)務(wù)中,區(qū)分語音和短信是根據(jù)SAPI的值判斷的。在LAPDm中定義SAPI=0,是指?jìng)魉偷氖切帕?而SAPI=3是對(duì)應(yīng)著短消息業(yè)務(wù)。

通過SAPI可以判斷出信令消息和短消息2中情況,但不能判斷出消息屬于哪種應(yīng)用協(xié)議,因此需要采用協(xié)議鑒別器(PD)來判別該消息屬于哪一層消息,包括CC,SS(呼叫控制管理和附加業(yè)務(wù)管理)、MM(位置管理和安全管理)、RR(無線資源管理)。多功能基站系統(tǒng)的仿真。

根據(jù)協(xié)議,多功能基站有5種業(yè)務(wù),分別為位置更新、語音主叫、語音被叫、短消息主叫、短消息被叫5種業(yè)務(wù)。

圖7 網(wǎng)絡(luò)層的程序?qū)崿F(xiàn)框圖

4 多功能基站系統(tǒng)的仿真

根據(jù)協(xié)議,多功能基站有5種業(yè)務(wù),分別為位置更新、語音主叫、語音被叫、短消息主叫、短消息被叫5種業(yè)務(wù)。本文以位置更新流程為例。

4.1 位置更新流程的實(shí)現(xiàn)

位置更新業(yè)務(wù)的流程分接入階段、立即指配階段、CM業(yè)務(wù)請(qǐng)求階段、身份識(shí)別階段、鑒權(quán)階段、位置更新成功階段以及鏈路釋放階段[8]。其流程圖如圖8所示。

圖8 多功能基站的正常位置更新流程圖

(1)接入階段

在接入階段,終端首先在RACH上發(fā)送信道請(qǐng)求消息,并且守候在CCCH和BCCH上,等待基站的反饋消息。多功能基站系統(tǒng)收到信道請(qǐng)求消息后,將RACH消息解碼,提取出幀號(hào)和RAND參數(shù),然后重新編碼成RACH并轉(zhuǎn)發(fā)到商用基站中。

(2)立即指配階段

多功能基站系統(tǒng)接收解析出商用基站下發(fā)的AGCH消息,解出商用基站給多功能基站系統(tǒng)分配的SDCCH信道號(hào)。多功能基站系統(tǒng)根據(jù)多功能基站系統(tǒng)的配置情況,給用戶下發(fā)AGCH消息,給用戶分配SDCCH信道號(hào),然后將這兩個(gè)信道號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立起來。

(3)CM業(yè)務(wù)請(qǐng)求階段

在位置更新業(yè)務(wù)中,CM業(yè)務(wù)請(qǐng)求階段,多功能基站系統(tǒng)需解析出用戶上發(fā)的CM請(qǐng)求中的位置區(qū)參數(shù)LAI,并將這個(gè)參數(shù)用多功能基站系統(tǒng)的位置區(qū)參數(shù)替換,然后重新組合,往商用基站發(fā)送。

(4)身份識(shí)別和鑒權(quán)階段

多功能基站系統(tǒng)在這個(gè)階段,完成轉(zhuǎn)發(fā)功能。這個(gè)階段注意鑒權(quán)參數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

(5)位置更新接受階段。

多功能基站系統(tǒng)在這個(gè)階段,只要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

(6)鏈路釋放階段。

多功能基站系統(tǒng)在這個(gè)階段,實(shí)現(xiàn)鏈路的釋放,將用戶和多功能基站系統(tǒng)之間的鏈路以及多功能基站系統(tǒng)和商用基站之間的鏈路都斷掉。

在VC的多線程平臺(tái)上,進(jìn)行仿真,其中一個(gè)用戶是一個(gè)線程,有2個(gè)用戶,一個(gè)基站是一個(gè)線程,有2個(gè)基站,還有一個(gè)主線程,它是多功能基站系統(tǒng)的處理程序,在這個(gè)VC搭建的多線程平臺(tái)進(jìn)行仿真,位置更新流程的運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。

仿真結(jié)果圖中,顯示出了實(shí)現(xiàn)該流程的SDCCH信道號(hào),并且將這個(gè)流程的信令進(jìn)行了確認(rèn)和轉(zhuǎn)發(fā),實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的位置更新流程的仿真過程。在實(shí)際的DSP+FPGA組成的硬件系統(tǒng)中,進(jìn)行實(shí)際信號(hào)的測(cè)試,在OT drive4的軟件中,進(jìn)行的位置更新流程的結(jié)果如圖10所示。并且在這個(gè)位置更新流程中,多功能基站的一些參數(shù)設(shè)置如圖11所示。

圖9 位置更新流程的VC仿真圖

圖10 位置更新流程的實(shí)測(cè)結(jié)果圖

圖11 多功能基站系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置

5 結(jié)論

本文提出了一種多功能基站系統(tǒng),給出了該基站系統(tǒng)的基本組成框圖,對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行了介紹,詳細(xì)描述了接入與控制模塊和接入與轉(zhuǎn)發(fā)模塊的功能,并給出了該系統(tǒng)的功能流程圖。對(duì)接入關(guān)鍵技術(shù)——位置更新誘發(fā)技術(shù)進(jìn)行了介紹,同時(shí)給出了這個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖。然后,重點(diǎn)介紹了這個(gè)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)發(fā)模塊的軟件實(shí)現(xiàn),采用分層的模塊化設(shè)計(jì),將GSM空中接口的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)清楚,充分實(shí)現(xiàn)了多功能基站的轉(zhuǎn)發(fā)功能,最后給出了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的部分仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)合理清晰,具有很好的連接接口。實(shí)測(cè)表明,本基站系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)證明了該系統(tǒng)的正確性和可實(shí)現(xiàn)性,能夠滿足現(xiàn)有的會(huì)議需要以及救援需要。

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祝玉嬌(1988-),女,漢族,江西省九江市人,南昌大學(xué)碩士研究生,主要研究領(lǐng)域?yàn)橐苿?dòng)通信,15070067901@163.com;

李遲生(1963-),男(漢族),江西省南昌市人,教授,南昌大學(xué)信工學(xué)院碩士研究生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)橥ㄐ排c信息技術(shù),chishengli@163.com。

BasedonGSMNetworkMultifunctionalBaseStationSystemDesign

ZHUYujiao,LIChisheng*

(College of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Aiming at the characteristics of the single function of the base station features a multi-station system is designed based on GSM networks. The base station system adds a forward function,to achieve the air interface signalling and businesses transmission of the terminals and commercial base station through its forwarding function. By giving the basic idea of the multi-functional base design,process design,key technologies,software and hardware block diagram,as well as the VC multithreaded simulation results and the hardware measured results about the location update process verify the viability and stability of the system.

GSM;multifunctional base station;air-interface;forwarding;location update

2013-11-02修改日期:2013-12-24

TN929.5

:A

:1005-9490(2014)06-1209-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.040