基于GSM網絡的多功能基站系統設計

祝玉嬌,李遲生

(南昌大學信息工程學院,南昌 330031)

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基于GSM網絡的多功能基站系統設計

祝玉嬌,李遲生*

(南昌大學信息工程學院,南昌 330031)

針對目前基站功能單一的特點,設計了一種基于GSM網絡多功能基站系統。該基站系統增加了一種轉發功能,通過其轉發功能實現終端和商用基站的空中接口信令和業務傳輸。通過給出該多功能基站設計的基本思路,流程設計,關鍵技術,軟硬件實現框圖,以及該系統的位置更新流程的VC多線程仿真結果和位置更新流程的硬件實測結果來驗證該系統的可行性和穩定性。

GSM;多功能基站;空中接口;轉發;位置更新

為了加快在地震,泥石流等自然災害的救援工作,一種基于手機信號的主動誘發探測技術的GSM基站系統有很大的應用市場和發展前景[1]。本文提出了一種多功能基站系統,增加了一種轉發功能,該基站將終端的空中接口信令與業務經過處理后向商用基站進行轉發,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采用的是單向鑒權體制,即手機在注冊或者位置更新過程中,只有網絡對移動終端進行身份認證,而手機不會對網絡基站進行認證。因此,通過假冒網絡端設備來要求手機以明文傳出其IMSI信息[2],來得到手機的身份信息,并通過特定的交互指令將手機置于多功能基站系統的區域中。通常移動終端終端處于待機狀態,多功能基站系統無法獲取移動終端的身份信息。要解決這個問題就必須采取誘發技術,促使移動終端主動與多功能基站系統進行信令交互。

基于GSM網絡的多功能基站系統實現框圖如圖1所示。

圖1 多功能基站系統框圖

其中,多功能基站系統分為4部分:終端接口主要是完成該系統與終端的數據和信令交互;基站接口主要是完成該系統與商用基站的數據和信令交互;接入與控制模塊主要指完成手機的接入過程,其中的主要技術是位置更新誘發技術,主要完成手機的接入功能,并且可以獲取手機的IMSI等;接入與轉發模塊主要完成終端的接入以及接入多功能基站系統中的終端和商用基站進行業務和信令的交互,即該系統的轉發信令與業務的功能。

2 多功能基站系統的功能流程設計

根據多功能基站的用途,給出細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,同時可以對接入的終端進行呼叫提醒和短信提醒功能。該基站系統實現的是對接入該系統工作區域內的終端的終端控制。

轉發模塊的功能。完成終端的接入功能,以及接收特定移動終端發起的呼叫或短信,并轉發到實際運營的基站,并能夠接收基站下發的呼叫或短信等,并轉發到特定移動終端終端。

根據上面對該多功能基站系統的功能描述,給出的該系統的功能流程圖如圖2所示。

圖2 多功能基站的功能設計圖

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域內的終端進行接入與控制,讓該工作區形成一個獨立的工作小區,不能和外界進行聯系。另外一種是轉發的功能,即將接入該小區的終端能夠和外界的基站進行聯系,通過接入與轉發模塊實現接入該基站的終端和商用基站之間的信令與業務交互。

3 多功能基站系統的實現

3.1 位置更新誘發技術

當手機的位置區改變時,手機發現其存儲器中的LAI與接收到的LAI(位置區代碼)發生了變化,便執行登記,這一過程就叫位置區更新[3]。多功能基站系統通過偵測當前小區的頻率、基站色碼和臨區頻點等參數,模擬臨區信號發送基站信息,誘發移動終端接入到多功能基站系統控制區域。具體過程包含以下3個方面:

(1)觸發小區重選[4]

為了使目標區域內的手機能夠接收到多功能基站系統發出的信令,就得讓手機和基站的頻點一樣,這就要觸發手機進行小區重選。

處于待機狀態下的手機會不斷地測量其相鄰小區的載波電平。當手機連續5 s計算到多功能基站系統仿冒的臨區載波的C2值超過當前服務小區的C2值與小區重選滯后值之和,即將觸發小區重選。此時,調整多功能基站系統的發射功率,使其覆蓋目標小區的信號質量高于當前服務小區.并觸發目標區域內的手機進行小區重選,從而進入多功能基站系統網絡。

(2)誘發位置更新

多功能基站系統的廣播信道通過下發不同于當前小區的LAI和BCC的系統消息來仿冒功率最弱的臨區。

手機進入多功能基站系統后,首先解析該系統廣播的系統消息。當手機從系統消息中獲取的LAI與其存儲器中存儲的不同時。手機認為位置區有改變,然后啟動位置更新程序向網絡發送位置更新請求。

(3)獲取身份信息

移動終端身份信息主要包含了TMSI、IMSI和IMEI。當系統無法識別手機發來的移動識別時,該系統就要求手機發送系統指定的移動識別。鑒于這個情況,多功能基站系統在收到手機發來的位置更新消息后,即可啟動識別程序,以向手機發送識別請求消息。

圖3 多功能基站系統的硬件框圖

3.2 多功能基站系統的硬件設計框圖

多功能基站系統硬件平臺由射頻部分、基帶部分和PC控制終端3個模塊組成,如圖3所示。

基帶部分中有2片AD6512芯片,其中,一片用于手機上行信號的接收和多功能基站系統信號的發送,另一片用于接收真基站的下行信號和多功能基站系統上行信號的發送。AD6512內部包含有一個基帶數據接收通道、一個基帶數據發射通道、一個輔助控制通道和一個話音通道,主要完成接收數據的A/D轉換、GMSK調制及D/A轉換。FPGA主要完成DSP和AD6512之間的數據緩存和時序控制。DSP是多功能基站系統的核心,主要完成:

(1)接收數據的解調、均衡、解碼等處理,得到基站的配置參數和手機的請求消息等;

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

(3)完成PC之間的應用層指令交互和信息上報。

圖6 LAPDm的程序實現框圖

3.3 多功能基站系統的軟件設計

本文主要研究的是多功能基站的接入與轉發模塊的部分,所以下面主要給出了該基站的轉發部分的軟件設計方案。

GSM的Um接口協議可以分為3層:第1層是物理層,通過無線信道傳輸各種編碼信息,完成空中接口的數據傳輸。第2層是數據鏈路層,采用LADPm協議,將數據無差錯的在第1層和第3層之間傳遞。第3層是網絡層,主要負責控制和管理的協議層[5]。所以多功能基站系統的Um接口協議軟件實現框圖,如圖4所示。

圖4 多功能基站系統軟件框圖

多功能基站的軟件設計采用分層的模塊化設計,分別將物理層,數據鏈路層,網絡層的程序設計模塊化出來。其中,物理層采用的是TDMA技術,多功能基站將控制信道和業務信道合理的進行分配,完成信道的資源分配問題。在該多功能基站轉發模塊控制中,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個信道號,分別是商用基站給多功能基站分配的SDCCH信道號SD_BS,多功能基站給終端分配的SDCCH信道號SD_MS,以商用基站給多功能基站分配的TCH信道號TCH_BS,多功能基站給終端分配的TCH信道號TCH_MS。多功能基站的信道資源管理的主要任務是:將SDCCH信道號SD_BS和SD_MS,以及TCH信道號TCH_BS和TCH_MS能夠對應起來,實現信道的合理分配,實現信令和數據的正確傳輸。

在多功能基站的轉發模塊中,數據鏈路層采用LAPDm協議[6],其中LAPDm的程序實現框圖如圖6所示。

由于LAPDm是無差錯的完成物理層和網絡層的數據通信,根據GSM 04.06協議,將LAPDm層分成11個部分。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絡層的數據緩存,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絡層的數據緩存,網絡接口模塊[7]只有在收到數據長度域不為0的數據鏈路層幀才會將緩存的數據提交給網絡層。參數檢測模塊對LAPDm數據地址域、控制域和長度指示域參數進行差錯檢測。分類與狀態檢測模塊根據LAPDm幀的控制域區分不同類型的幀,并根據鏈路的狀態參數,調用不同的處理模塊,其中包括無編號信心幀處理模塊、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。隊列控制模塊存儲了多幀操作模式的關鍵參數,從而決定了信息幀的發送和重發。定時控制模塊主要完成定時器與重發計數器的置位和等待超時的相關處理。

多功能基站轉發模塊網路層支持位置更新、語音主叫、語音被叫、短消息主叫、短消息被叫5種業務。所以網絡層根據業務來分類,根據網絡層的協議分層來模塊化處理。網絡層分為CC層、MM層、RR層以及短信的SS層。其中轉發模塊網絡層的程序實現框圖如圖7所示。

數據鏈路層接口是存儲數據鏈路層的數據緩存區,業務類型判斷主要是根據RACH業務請求消息中的隨機接入參數和CM業務請求消息中的服務類型參數確定的。在主被叫業務中,區分語音和短信是根據SAPI的值判斷的。在LAPDm中定義SAPI=0,是指傳送的是信令;而SAPI=3是對應著短消息業務。

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用協議,因此需要采用協議鑒別器(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務管理)、MM(位置管理和安全管理)、RR(無線資源管理)。多功能基站系統的仿真。

根據協議,多功能基站有5種業務,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種業務。

圖7 網絡層的程序實現框圖

4 多功能基站系統的仿真

根據協議,多功能基站有5種業務,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種業務。本文以位置更新流程為例。

4.1 位置更新流程的實現

位置更新業務的流程分接入階段、立即指配階段、CM業務請求階段、身份識別階段、鑒權階段、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上發送信道請求消息,并且守候在CCCH和BCCH上,等待基站的反饋消息。多功能基站系統收到信道請求消息后,將RACH消息解碼,提取出幀號和RAND參數,然后重新編碼成RACH并轉發到商用基站中。

(2)立即指配階段

多功能基站系統接收解析出商用基站下發的AGCH消息,解出商用基站給多功能基站系統分配的SDCCH信道號。多功能基站系統根據多功能基站系統的配置情況,給用戶下發AGCH消息,給用戶分配SDCCH信道號,然后將這兩個信道號的對應關系建立起來。

(3)CM業務請求階段

在位置更新業務中,CM業務請求階段,多功能基站系統需解析出用戶上發的CM請求中的位置區參數LAI,并將這個參數用多功能基站系統的位置區參數替換,然后重新組合,往商用基站發送。

(4)身份識別和鑒權階段

多功能基站系統在這個階段,完成轉發功能。這個階段注意鑒權參數的轉發。

(5)位置更新接受階段。

多功能基站系統在這個階段,只要實現轉發功能。

(6)鏈路釋放階段。

多功能基站系統在這個階段,實現鏈路的釋放,將用戶和多功能基站系統之間的鏈路以及多功能基站系統和商用基站之間的鏈路都斷掉。

在VC的多線程平臺上,進行仿真,其中一個用戶是一個線程,有2個用戶,一個基站是一個線程,有2個基站,還有一個主線程,它是多功能基站系統的處理程序,在這個VC搭建的多線程平臺進行仿真,位置更新流程的運行結果如圖9所示。

仿真結果圖中,顯示出了實現該流程的SDCCH信道號,并且將這個流程的信令進行了確認和轉發,實現了一個完整的位置更新流程的仿真過程。在實際的DSP+FPGA組成的硬件系統中,進行實際信號的測試,在OT drive4的軟件中,進行的位置更新流程的結果如圖10所示。并且在這個位置更新流程中,多功能基站的一些參數設置如圖11所示。

圖9 位置更新流程的VC仿真圖

圖10 位置更新流程的實測結果圖

圖11 多功能基站系統的系統參數的設置

5 結論

本文提出了一種多功能基站系統,給出了該基站系統的基本組成框圖,對系統的各個功能模塊進行了介紹,詳細描述了接入與控制模塊和接入與轉發模塊的功能,并給出了該系統的功能流程圖。對接入關鍵技術——位置更新誘發技術進行了介紹,同時給出了這個系統的硬件設計框圖。然后,重點介紹了這個系統中轉發模塊的軟件實現,采用分層的模塊化設計,將GSM空中接口的物理層、數據鏈路層、網絡層的程序結構設計清楚,充分實現了多功能基站的轉發功能,最后給出了該系統設計的部分仿真和實測結果。系統各部分設計合理清晰,具有很好的連接接口。實測表明,本基站系統的模塊化設計證明了該系統的正確性和可實現性,能夠滿足現有的會議需要以及救援需要。

[1]陳川,郭勇. 利用手機信號進行生命探測的研究與系統設計[J]. 儀器與儀表終端,2008,3(15):12.

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[3]張萌,朱海濤,朱大立. 基于虛擬基站的手機管控技術研究[J]. 保密科學與技術,2011(6):60-63.

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[5]韓斌杰. GSM原理及網絡優化[M]. 2版. 北京:機械工業出版社,2010:89.

[6]GSM 04. 06 version 5. 4. 1 Release 1996. Digital Cellular Telecommunications System(Phase 2+);Mobile Station-Base Station System(MS-BSS)Interface;Data Link(DL)Layer Specification.

[7]Realization Scheme for LAPDm on GSM Virtual Base Station[C]//2nd International Conference on GreenCommunicationsand Networks(GCN2012),12th-14th December,2012,Chongqing,CHINA:1600-1604.

[8]孫宇彤. TDMA空中接口技術[M]. 北京:人民郵電出版社,2002:156-158.

祝玉嬌(1988-),女,漢族,江西省九江市人,南昌大學碩士研究生,主要研究領域為移動通信,15070067901@163.com;

李遲生(1963-),男(漢族),江西省南昌市人,教授,南昌大學信工學院碩士研究生導師,主要研究領域為通信與信息技術,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