多功能基站移動終端分組數據業務研究

葉　萌，萬國金

（南昌大學信息工程學院，南昌330031）

多功能基站移動終端分組數據業務研究

葉萌，萬國金*

（南昌大學信息工程學院，南昌330031）

在GSM多功能基站的基礎上增加了實現移動終端分組數據業務的功能，使得多功能基站的功能更加完善，相比于商用基站簡化了終端分組數據業務實現的過程且能夠在控制端對網絡數據的交互進程實施管控。通過對多功能基站的系統參數配置，與終端之間的信令交互，以及對網絡層的數據處理之后終端可以在多功能基站下實現分組數據業務，最后在控制終端對網絡數據的交互進程進行管控。經過測試證明多功能基站系統能夠有效的實現終端分組數據業務。

GSM；多功能基站；移動終端；分組數據業務；信令；管控

多功能基站是一種基于誘發技術的移動終端主動探測設備［1-2］，應用于地震救援、防止考試舞弊、會議安全等領域［3-5］。為了完善多功能基站對終端多方面的功能，本文在原來GSM網絡多功能基站［6］的基礎上增加了針對終端無線分組數據業務的實現功能，能夠為移動終端創造安全可控的網絡環境，也使得多功能基站的應用領域更加廣泛。

1　基本思路

由于GSM系統中采用的是單向認定的機制，故在目標場所中對多功能基站進行系統參數的配置，在終端鄰區中通過發送廣播控制信號來觸發終端小區重選［7］，這樣就可以把終端與原來的商用基站斷開繼而連接到多功能基站下，再通過多功能基站系統連接到網絡。

為簡化終端的分組數據業務的實現功能，通過將商用基站網絡系統中的核心網 SGSN（Serving GPRS Support Node）和 GGSN（Gateway GPRS Support Node）的功能簡化，并將兩部分的功能合為一體利用DSP處理平臺與PC控制終端軟件相結合的辦法來代替這部分的功能，具體來講就是DSP處理平臺主要負責完成終端與多功能基站之間的移動性管理和會話管理以及將終端過來的數據經過處理之后發給PC機，在PC機上通過對數據做進一步的處理之后，再經過PC機發送到網絡上，反之亦然。而通過PC機的抓包軟件可以對終端的網絡訪問數據實時地查看以及管控軟件可以對終端網絡數據的訪問進程實施管控。

收稿日期：2015-07-25修改日期：2015-09-08

2　多功能基站系統的結構

2.1多功能基站系統的硬件結構

多功能基站系統硬件結構如圖1所示，本系統是由射頻模塊、基帶處理模塊和PC網絡控制終端模塊3個模塊組成，射頻模塊由接收射頻和發送射頻2個模塊組成，主要是完成模擬信號放大，并將射頻信號轉換成中頻信號，使接收信號帶寬與AD/DA轉換器的帶寬相匹配?；鶐幚砟K是以DSP與FPGA相結合為核心處理器的系統模塊，FPGA作為DSP的外部擴展接口，主要是完成DSP與AD/DA轉換器以及射頻之間的數據通道和邏輯控制的作用，而DSP作為主要的核心處理部分，完成對基站系統參數的配置以及信令和數據的處理，同時接受PC網絡終端控制的命令。PC網絡終端控制模塊一方面充當商用基站下GGSN的部分作用，主要是實現Tunnel隧道和路由的功能，另一方面也實現了控制終端訪問網絡數據的功能。

2.2多功能基站系統的軟件結構

多功能基站系統的軟件設計框圖如圖2所示。

圖1　多功能基站的硬件框圖

圖2　多功能基站的軟件設計流程框圖

多功能基站首先在公共信道對目標小區進行頻點搜索，并在公共控制信道上廣播與商用基站格式相同的系統消息，通過合理設置小區頻點、位置區標識LAI（Location Area Code）、路由區標識RAI （Routing Area Identity）、發射功率和小區重選參數來誘發手機進行小區重選［7］，繼而完成終端的位置更新過程并獲得終端的身份信息。終端通過解析系統消息中的路由區標識，通過與保存的舊RAI進行對比以確認路由區是否發生了改變，如果對比的結果不一樣，終端將會啟動路由區更新程序向網絡發送路由區更新請求。但如果終端在進入多功能基站區域之前沒有附著，則終端就會首先發起附著請求流程，使終端附著到多功能基站網絡，完成終端到該網絡的注冊登記。在終端完成路由區更新流程或附著流程后，網絡側將能夠感知到終端的存在，但若要訪問外部PDN（Packet Data Network）的數據業務，則需要終端對網絡發起PDP（Packet Data Protocol）上下文激活請求流程，通過創建一個PDP的上下文就可以使終端與GGSN之間建立一條通往外部PDN的會話連接［8］。PDP上下文建立成功之后，終端就可以訪問網絡數據，此時還需將終端的請求數據通過處理之后才能發到網絡上，而在終端對網絡訪問的進程中，可以使用管控軟件來管控，實施管控之后表明終端管控在該多功能基站系統下，因此就處理終端過來的請求數據，應答用戶終端的請求，否則就拒絕用戶終端的請求。

3　多功能基站系統中分組數據業務功能的實現

多功能基站系統中分組數據業務功能的實現，一方面需要實現終端與多功能基站之間信令流程的交互，另一方面還需要對多功能基站系統網絡層數據進行處理。其中分組數據業務中主要的信令流程包括附著、路由區更新、PDP上下文激活等。

3.1附著流程和路由區更新流程的實現

附著和路由區更新過程都是屬于分組域核心網中的移動性管理功能的一部分，附著流程主要是完成終端到網絡的注冊登記，使終端的移動性管理狀態從Idle狀態進入到Ready狀態，而路由區更新流程主要是在Standby狀態下進行路由區切換的過程，兩者雖然是在終端不同的移動性管理狀態下發起的，但最終的目的都是使終端能夠完全依附于該多功能基站的網絡并存儲移動性管理相關數據，下面以附著流程為例詳細說明實現的過程。

附著流程一般都是在開機階段進行的過程，附著按類型分為常規GPRS附著和聯合GPRS附著兩種［9］，而實際中的附著過程根據不同的情況分成四種不同的場景［9］，在該多功能基站下的附著過程是屬于在不同路由區下的常規GPRS附著，因為多功能基站不會與其它商用基站之間進行交互，所以就不會發生正常附著流程中新SGSN與舊SGSN之間的交互，相比于商用基站簡化了附著流程的交互過程，簡化后的附著流程如圖3所示，并對其每一步驟作如下說明。

圖3　多功能基站下附著流程框圖

（1）終端進入到該多功能基站下后開機啟動，首先向基站發起Attach Request消息，該消息中含有Old RAI（終端原來的路由區標識）、附著類型、終端的無線接入能力、P-TMSI（Packet-Temporary Mobile Subscriber Identity）簽名（驗證P-TMSI的合法性）以及PDP上下文的狀態（通知網絡側當前是否仍有激活的PDP上下文）。

（2）基站中沒有終端用戶的身份信息，故向終端發起Identity Request消息要求終端提供自己的IMSI （International Mobile Subscriber Identity）。

（3）終端回復Identity Response消息給基站，消息中包含自己的IMSI。

（4）鑒權加密可選，本系統為流程簡潔化就沒做鑒權加密處理。

（5）基站獲得了終端的IMSI之后就可以發送Attach Accept消息到終端，并給終端分配了新的PTMSI，用于在當前路由區唯一的標識這個終端，除此之外還有當前路由區的RAI以及Reader Time計時器值。

（6）終端將保存這些參數并發送Attach Complete消息來對新分配的P-TMSI值進行確認，至此完成整個附著流程。

在實際傳輸過程中，不管是信令還是用戶數據都要被封裝成RLC/MAC（Radio Link Control/Medium Access Control）數據塊，然后送到物理層進行處理組成無線塊發送出去，在數據或信令發送之前都要建立相應的 TBF（Temporary Block Flow）通道，這樣終端就可以得到基站為其分配的信道、時隙等資源來傳送數據。圖4是TEMS Investigation軟件中索尼手機在多功能基站下實際測試中的附著流程結果圖，圖中①、②、③表示建立TBF來發送相應的信令消息以及發送完消息后釋放 TBF的過程，圖中①所示終端在 CCCH （Common Control Channel）上利用 2次接入的方式來建立上行 TBF，發送完 Attach Request消息后，為了縮短②中下行TBF的建立時間，采用延遲釋放上行TBF的方法，基站不立即釋放①中上行TBF，而是通過發送Packet Downlink Assignment在PACCH（Packet Associated Control Channel）上來建立②中下行 TBF來發送 Identity Request消息，之后如④所示發送參數 FAI（Final Block Indication）=1、ES/P=1的 Packet Uplink Ack/Nack消息釋放①中的上行TBF，基站發送身份請求消息后，如⑤所示終端會回復參數FAI（Final Block Indication）=1的EGPRS Packet Downlink Ack/Nack消息確認發送的數據全部成功收到且攜帶有信道請求參數，指示基站可以釋放下行TBF以及建立上行TBF來傳送 Identity Response消息，在基站收到消息之后通過 Packet Uplink Ack/Nack來釋放上行TBF，隨后的過程③也是在PACCH上建立TBF，重復②的過程。

圖4　附著流程的實測結果圖

3.2PDP上下文激活流程的實現

終端附著完成之后，其移動性管理狀態就會從Idle狀態進入到Standby狀態或是Ready狀態，但如果終端需要和外部數據網絡進行數據傳輸，就必須通過完成PDP上下文激活流程來建立分組數據連接，利用這個分組數據連接就可以訪問外部PDN數據業務，終端發起的PDP上下文激活流程［10］如圖5所示。

圖5　PDP上下文激活流程框圖

（1）首先終端發送Activate PDP Context Request消息給SGSN，該消息中包含了一組會話管理相關參數的集合，具體的相關參數及意義如表1所示。

表1　PDP上下文激活請求消息中的相關參數及意義

通過這些參數，基站就可以得知終端需要訪問哪個PDN網絡及其地址，以及根據具體的需要分配給終端的QoS（Quality of Service）保障。

（2）鑒權加密可選，本系統為流程簡潔化就沒做鑒權加密處理。

（3）和（4）的步驟中，主要的任務就是通過這部分的信令交互來獲得終端訪問外部PDN網絡的所需要QoS以及GGSN給終端所分配的PDP地址，在多功能基站系統中將這部分的功能簡化并用DSP平臺來代替這部分的功能如圖5虛線所示，基站會給終端分配固定的QoS參數值以及PDP地址。

（5）SGSN收到GGSN的響應之后，把最終協商好的QoS Profile以及分配的PDP地址通過 Activate PDP Context Accept消息發送給終端，最終完成整個PDP上下文激活流程。

在TEMS Investigation軟件中索尼手機在多功能基站下實際測試中的PDP上下文激活流程如圖6所示，具體的相關實現過程與圖4類似。

圖6　PDP上下文激活的實測結果圖

3.4多功能基站系統的網絡層數據處理及管控技術的實現

終端與多功能基站經過一系列的網絡信令交互之后，這時候基站只能說明已經為終端的網絡訪問請求準備好了基礎，但要是把請求的數據送到外部網絡上，還得對終端的請求數據進行適當的處理，具體過程如圖7所示。

圖7　多功能基站系統對網絡層數據的處理框圖

（1）首先終端的請求數據送到DSP上進行處理，通過解調、解碼、解封裝之后得到TCP報文（包括IP首部、TCP首部、TCP數據）。（2）DSP得到終端的網絡請求數據之后，把TCP報文作為UDP數據發給PC機。（3）PC機收到DSP發過來的數據之后，為了不經過PC機主機各層協議的封裝，可以通過Vmware虛擬機上的LINUX系統利用Tunnel隧道方法直接把應用層的數據送到物理層，但此時的源IP地址是專網的地址，不能通過路由器發送出去，因此又利用網絡地址轉換NAT（Network Address Translation）技術［11］把源IP地址轉換成全球IP地址，最后再把數據發送到網絡上。

反過來，網絡給終端回應的數據經過上面的相反步驟，最后發送到終端上。

多功能基站的管控技術的實現主要是依靠管控軟件，包括多功能基站的參數配置、基站和終端的信息列表以及管控按鈕3個部分，多功能基站的參數配置主要就是對基站的位置區以及頻點的配置，基站和終端的信息列表主要就是含有基站和終端的網絡標識、對應的基站色碼以及鄰區等相關信息，多功能基站的管控按鈕中的參數配置按鈕主要作用是對基站參數的重新配置，而當按下多功能基站管控按鈕中的開始管控按鈕后，表示終端已經處于該多功能基站的管控下，因此就允許終端對該多功能基站的網絡訪問，反之按下停止管控按鈕時，多功能基站就不會對終端發過來的數據進行處理，自然也就不響應終端的網絡請求。多功能基站的管控軟件如圖8所示。

圖8　多功能基站的管控軟件界面圖

4　終端在多功能基站下的分組數據業務測試結果

以索尼手機終端訪問百度首頁測試為例，首先終端在通過小區重選切換到多功能基站下以及完成位置更新流程之后，終端會發起附著或是路由區更新流程，這里以附著為例如圖4所示，隨后終端發起訪問百度首頁請求，如圖6所示終端會通過請求PDP上下文激活流程來建立連接通道，如圖7所示還需要對請求的數據進行處理之后，此時終端的請求數據就可以發到網絡上，通過PC機Vireshark抓包工具可以很清晰的查看手機和網絡之間的TCP數據交互流程，索尼手機訪問百度首頁的網絡數據抓包具體如圖9所示。

圖9　索尼手機訪問網絡的抓包數據

從圖9可以看出首先要經過3次握手連接，然后是索尼手機訪問百度首頁發起的GET HTTP的請求，接下來網絡回復終端的網絡數據，終端收到網絡數據之后回應TCP確認，最后通過四次握手斷連結束訪問。

5　結論

本文在原來多功能基站的基礎上增加了實現終端分組數據業務的功能，通過對多功能基站系統的結構，包括硬件結構和軟件結構的設計，以及在

DSP平臺上對分組數據業務上的系統參數配置，與終端之間進行一系列的信令交互，最后對網絡層的數據進行處理之后終端可以在多功能基站下實現分組數據業務，利用Vireshark抓包軟件可以對終端的網絡數據實時查看和監測，在控制終端利用管控軟件可以對終端的網絡請求數據的交互進程進行管控，使其請求的網絡具有可控性，最后通過對索尼手機終端的實際測試表明多功能基站系統能夠實現終端的分組數據業務。

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［10］3GPP TS 23.060 v13.3.0（2015-06）3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Services and System Aspects；General Packet Radio Service（GPRS）；Service description；Stage 2（Release 13）.

［11］謝希仁.計算機網絡［M］.第5版.北京：電子工業出版社，2003：173-175.

葉萌（1989-），男，漢族，安徽省宿州市人，現為南昌大學碩士研究生，主要研究方向為信號與信息處理、通信與通信對抗，ymark_email@163.com；

萬國金（1955-），男，漢族，江西南昌人，現為南昌大學教授、碩士研究生導師。主要研究方向信號處理、通信與通信對抗，wanguojin@ncu.edu.cn。

Research on Packet Data Service for Mobile Terminal of Multifunction Base Station

YE Meng，WAN Guojin*
（College of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

On the basis of the GSM multifunction base station increased the function to realize mobile terminal packet data service，the function of multifunction base station will be more perfect.Compared with commercial base station this method simplifies the process of terminal packet data service and enables to control network data interaction process.Through to the multifunction base station system parameter configuration，with the terminal for signaling interaction，as well as the terminal packet data service can be achieved under the multifunction base station after on the network layer data processing carried out.Finally in control terminal network data interaction process can be controled.Aftertestsprovedthatmultifunctionbasestationsystemcaneffectivelyachieveterminalpacketdataservice.

GSM；multifunction base station；mobile terminal；packet data service；signaling；control

TN929.5

A

1005-9490（2016）03-0611-06

EEACC：6150P10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.022