GSM-R網絡分組域仿真系統關鍵技術研究

張國振，田宏達，李 杰，郭瑞彬

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070；3.北京郵電大學，北京 100876；4.北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044）

鐵路數字移動通信系統 (GSM-R) 網絡的通用分組無線業務 (GPRS)具有多用戶共享帶寬、傳輸數據量大等優勢，可以有效提高頻率復用率。國內高速鐵路使用GPRS 主要承載調度命令等非安全數據，隨著列控系統技術的發展，GPRS 逐漸開始承載車地列控數據等安全數據的傳輸。歐洲最新發布的ETCS 列控系統基線3 版本，也優先使用GPRS承載車地列控數據等安全數據傳輸。而用于承載鐵路通信的GSM-R 網絡，因其應用領域獨特專用，相關研究和產品較少，由于沒有適合GSM-R 的GPRS 仿真模擬平臺，導致基于GPRS 的鐵路應用產品的開發測試效率較低。

為提高研發效率，保證鐵路系統的安全性，需要開發一種可以替代GSM-R 分組域現網的GSM-R分組域仿真網絡，通過在該仿真網絡中進行測試和試驗，提高鐵路應用產品的開發質量和效率。

1 GSM-R分組域仿真系統簡介

鐵路應用產品與GPRS 終端之間的數據傳送采用GPRS 模式，GPRS 終端在開機并注冊到GPRS網絡后，依次進行附著、激活等流程，最終獲得網絡訪問能力，GPRS 終端數據發送的特征主要由應用需求決定。發送的數據通過空中接口將數據依次傳輸到基站收/發信機(BTS)、基站控制器（BSC）和分組控制單元(PCU)，由PCU 再依次傳輸到服務GPRS 支持節點（SGSN）、網關GPRS 支持節點(GGSN)，最終送入專網/互聯網中。

GSM-R 網絡分組域仿真系統的原理如圖1 所示，該系統在原有的GSM-R 電路域仿真系統中增加了PCU、SGSN、GGSN 等單元。其中PCU單元負責將分組域數據從電路域數據中分離出來，SGSN 負責網絡接入控制、移動性管理、無線資源管理、用戶數據管理、會話管理及路由選擇和數據轉發等功能，GGSN 負責會話管理、網絡接入控制、路由選擇和數據轉發、用戶數據管理及外網訪問接口等功能。

圖1 GSM-R分組域仿真網絡系統架構Fig.1 GSM-R packet domain simulation network system architecture

2 GSM-R分組域仿真系統的關鍵技術

GPRS 在GSM 提供的CS-1 信道編碼基礎上，又提供了CS-2、CS-3、CS-4 共3 種信道編碼，以提高網絡的性能，根據網絡環境動態選擇編碼能夠有效提高傳輸速率，在GPRS 現網中大多采用鏈路適配的方案來進行動態選擇編碼方案，在仿真環境中不存在通信環境突變情況，因此仿真系統無需實現所有信道編碼并設計相應的動態選擇算法，合理地實現部分編碼和編碼選擇方案將有效降低系統的復雜度。

鐵路應用系統中車載電臺(MS)在開機注冊GPRS 網絡后，將向SGSN 發送附著請求，SGSN確認該用戶具備GPRS 業務能力后發送附著成功到終端。在完成附著后，電臺將發送分組數據協議(PDP)激活請求以獲取網際互連協議(IP)地址，由SGSN 將接受到的接入點名稱（APN）信息發送到專用域名服務器(DNS)進行解析，再由SGSN 發送激活請求到特定的GGSN，由GGSN 服務器到認證服務器獲取該MS 對應的IP 地址并分配給該MS。已有的GSM-R 網絡電路域仿真系統為一體化實現，因此SGSN 和GGSN 網元的實現數量越多，仿真系統的性能也將越差。因此在GSM-R 網絡分組域仿真系統研發過程中，SGSN 和GGSN 各做一個實現，而如何在單個GGSN 的情況下，按照需求為每個GPRS 終端分配IP 地址并實現分組域數據通信將成為本系統的技術難點。

而本系統中不存在移動臺在不同SGSN 間路由切換、GGSN 查找移動臺所在的SGSN 等需求，同時本系統中BTS、BSC/PCU、GGSN 和SGSN 之間并不需要進行網絡通信，因此GPRS 協議中為了方便這些網元通信設計的協議對本系統無應用，簡化或舍去GPRS 協議中的不必要通信協議將是本系統設計的另一大難點。

3 GSM-R分組域仿真系統關鍵流程分析

3.1 GPRS附著

GSM 附著分為國際移動用戶標識(IMSI）附著、GPRS 附著以及聯合附著，因GSM-R 網絡分組域仿真系統已經具備電路域仿真功能，在此以聯合附著為例進行說明，如圖2 所示。

圖2 GPRS聯合附著Fig.2 Combined GPRS attach procedure

GSM 標準規定，GPRS 終端附著時，MS 首先發送附著請求到New SGSN，然后由New SGSN發起Identification Request，而由于本仿真系統中只設有一個SGSN，因此省略向舊SGSN 發送Identification Request 消息，并直接向用戶終端發送Identity Request 消息，要求其上報IMSI，接著執行鑒權和IMEI 身份檢查，SGSN 通知歸屬位置寄存器（HLR）該MS 位置更新，HLR 將MS的預約數據下發到SGSN，之后SGSN 需要向拜訪位置寄存器(VLR)發起位置更新，在本系統中不存在發生切換的情況，該部分信令交互流程也需要簡化省略。最后SGSN 將Attach Accept 消息發送至用戶終端并等待用戶終端應答完成附著。

3.2 PDP上下文激活

PDP 上下文激活分為用戶終端發起的PDP 上下文激活和網絡發起的PDP 上下文激活，一般而言為用戶終端主動發起激活流程，如圖3 所示為一般的MS 發起PDP 上下文激活流程。

圖3 PDP上下文激活Fig.3 PDP context activation procedure

MS 首先向SGSN 發出PDP 上下文請求，請求內容包括PDP 類型、網絡服務接入點(NSAP)、APN 等信息，SGSN 執行安全性規程，接著SGSN 根據MS 提供的PDP 類型、APN 等信息解析GGSN 地址，但由于仿真系統只設計了單個GGSN，因此本仿真系統將忽略該解析流程，并直接向GGSN 發送創建PDP 上下文請求，GGSN 利用SGSN 提供的信息分配IP 地址，限定服務質量（QoS）。最后SGSN 接收GGSN 的PDP 創建上下文響應，向MS 返回激活PDP 上下文接收消息，此時MS 與GGSN 之間已建立起路由，可以進行分組數據傳送。

4 GSM-R分組域仿真系統架構

4.1 整體結構

如圖4 所示，白框模塊為軟件模塊，灰框模塊為硬件模塊。

圖4 GSM-R分組域仿真系統模塊Fig.4 Module of GSM-R packet domain simulation system

BTS 仿真模塊驅動收發器完成物理射頻子層和物理鏈路子層所有功能，包括時分復用技術（TDM）功能、物理鏈路阻塞檢測、前向糾錯碼（FEC）功能、信道編碼、功率控制，可選擇的編碼方案能夠實現更高速率數據傳輸，BTS 仿真模塊實現了CS1（單信道9.05 kbit/s）和CS4(單信道21.4 kbit/s)兩種信道編發方案，用于模擬惡劣環境和理想環境下的GPRS 網絡。

PCU 仿真模塊完成媒體接入控制（MAC）/無線鏈路控制(RLC)所有功能，包括MAC 接入沖突分解、MAC 優先級處理、RLC 自動重傳請求(ARQ)傳輸錯誤糾正和邏輯鏈路控制(LLC) PDU分割重組。

GSN 仿真模塊負責完成SGSN 和GGSN 功能，包括GPRS 移動性管理(附著和分離)和會話管理（PDP 激活和去激活）。基于本仿真系統網絡只存在1 個SGSN，因此GSN 仿真模塊不需要實現SGSN位置管理功能（路由區更新等流程）。

通過GPRS 附著、PDP 上下文激活等流程后，GPRS 終端最終可以通過使用GGSN 動態分配的IP地址訪問外網，GPRS 網絡仿真系統采用Ubuntu作為仿真系統的載體，GPRS 外網功能通過構建虛擬網絡設備TUN 和配置網絡地址轉換NAT 實現。GPRS 終端在通過仿真系統訪問外網時，仿真系統將通過源地址轉換（SNAT）的方式將GPRS 的源IP 地址替換為Ubuntu 上可用的IP 地址，并在外網響應時通過查表的方式重新替換為原來的IP 地址，以實現正常的網絡訪問功能。

DNS/防火墻模塊為GPRS 仿真網絡提供可配置的DNS 解析服務器，允許GPRS 仿真網絡借助公眾DNS 服務器或私有DNS 服務器進行試驗。同時為GPRS 仿真網絡和GPRS 終端提供防火墻保護，防止網絡和終端受到惡意攻擊。

4.2 GPRS通信過程

GPRS 控制平面協議如圖5 所示。協議類型1 為GPRS 終端所需要實現的協議模塊，與GPRS 仿真網絡無關，類型2 和類型3 的協議為GPRS 協議規定的網絡側控制平面協議結構。基于仿真需求的特殊性，簡化仿真系統的復雜度，提高仿真系統的性能，本仿真系統中只涉及單個BTS、BSC/PCU、SGSN和GGSN，同時這些模塊均運行在同一服務器中。因此與GPRS 網絡中尋址、路由相關的協議（協議類型3）在本系統中無應用，因此本系統只實現類型2 的協議，以實現完整的GPRS 仿真網絡（以下同理）。

圖5 GPRS控制平面協議Fig.5 GPRS control plane protocol

控制平面主要用于實現GPRS 移動性管理和會話管理。當移動臺剛開機還未連接至GPRS 網絡時，為了使用GPRS 服務，GPRS 終端必須先向GPRS 網絡登記自身信息、位置信息（attach），網絡記錄該信息并更新移動臺的客戶臨時識別碼（TMSI），使網絡有能力找到該移動臺，然后移動臺發送PDP 上下文激活請求以獲得網絡訪問能力。在本系統中GGSN 不需要記錄SGSN 的位置，因此直接返回響應到移動臺，此時移動臺擁有了連接網絡的能力。

GPRS 傳輸平面協議如圖6 所示。移動臺在獲得網絡能力后，其應用程序依靠GPRS 分配的IP地址進行通信，GPRS 為了提供與網絡層無關的透明傳輸功能，設計了SNDCP 協議，為不同的網絡層協議（IP，X.25，ATM）提供服務。在現網中大量使用基于IP 的網絡層協議，因此本系統中SNDCP 模塊提供IP 網絡層的實現。為了保證網絡層數據可以在GPRS 網絡中透明傳輸，LLC 實現了下層協議對上層協議的統一，并對中斷的幀提供錯誤檢測和恢復，本系統中LLC 模塊實現LLC 協議的所有功能，RLC 模塊將上層LLC 數據分段，以便在邏輯信道上傳輸，并提供選擇性重傳功能，向上層提供一個可靠的鏈路，并將LLC 包按照信道編碼切割成不同的小塊，方便后續卷積、交織等操作，MAC 定義和分配控制和分配邏輯信道，控制移動臺接入到共享邏輯信道中完成數據傳輸。

圖6 GPRS傳輸平面協議Fig.6 GPRS transmission plane protocol

5 仿真系統測試

GSM-R 分組域仿真系統要求支持鐵路應用產品在真實GSM-R 網絡和仿真GSM-R 網絡環境下的無感通信，GSM-R 分組域仿真系統只需要完成網絡信令的正確應答和分組數據的正確傳輸，不實現所有協議分支及內容。基于此，針對GSM-R 分組域仿真系統進行測試，測試結果如表1 所示，符合設計預期。

表1 GPRS仿真系統測試結果Tab.1 GPRS simulation system test results

6 結束語

本文分析了GSM-R 中分組域業務當前遇到的瓶頸，對GSM-R 分組域協議進行了研究，設計并實現了一種滿足研發測試需求的仿真系統。該系統在通信協議和流程上進行了優化，使仿真成本和難度大幅度降低，滿足當下GSM-R 分組域業務研發的需求。