一種基于Femto的GSM網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：GSM網(wǎng)絡(luò)用戶眾多，在GSM接入網(wǎng)中引入Femto架構(gòu)，符合移動通信網(wǎng)絡(luò)扁平化發(fā)展趨勢。在此研究基于Femto架構(gòu)的GSM網(wǎng)關(guān)，作為用戶端數(shù)據(jù)接入核心網(wǎng)的接口，將移動、寬帶和固定業(yè)務(wù)融合在一起，在GSM網(wǎng)絡(luò)中將發(fā)揮重要的作用。采用IP化承載方式，Abis接口完全IP化，用模塊化設(shè)計方法，基于Femto架構(gòu)，在ATCA的平臺上設(shè)計實現(xiàn)了具有信令處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、編碼轉(zhuǎn)換及速率適配、路由等4功能的GSM網(wǎng)關(guān)，通過該網(wǎng)關(guān)已打通電話，語音質(zhì)量達到商用，具有重要的實際應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：Femto；GSM；網(wǎng)關(guān)；Abis接口

0 引言
    在3G已經(jīng)大量商用的時代，GSM網(wǎng)絡(luò)仍然具有大量的用戶，但隨著無線帶寬的不斷提升，人們獲取信息的模式發(fā)生著根本改變，GSM網(wǎng)絡(luò)需與時俱進，迎合現(xiàn)在大量據(jù)業(yè)務(wù)和與移動互聯(lián)網(wǎng)融合的需求，增強網(wǎng)絡(luò)對用戶的粘性。家庭基站(Femto)概念最早由英國Ubiquisys公司提出，是一種小型低功率蜂窩基站，放置在家庭等室內(nèi)環(huán)境中的無線接入設(shè)備，工作于授權(quán)頻段。其發(fā)射功率較小，一般為毫瓦級，覆蓋半徑較小，空中接口符合3GPP／2標(biāo)準(zhǔn)，適用于任何現(xiàn)有的移動終端。Femto將移動、固定、寬帶業(yè)務(wù)都融合在一起，用戶通過一個Femto就能實現(xiàn)其所有的通信需求，它能幫助運營商鞏固用戶規(guī)模并發(fā)展家庭用戶，節(jié)省投資。由于Femto采用扁平化架構(gòu)，符合移動網(wǎng)絡(luò)演進的趨勢，扁平化架構(gòu)由于減少了節(jié)點數(shù)，也更符合全IP網(wǎng)絡(luò)中實時業(yè)務(wù)對時延的嚴(yán)格要求，因此GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)合Femto結(jié)構(gòu)就顯得尤為必要。
    網(wǎng)關(guān)是用戶終端接入核心網(wǎng)的接口，在網(wǎng)絡(luò)中起著重要的作用，如何設(shè)計在Femto架構(gòu)下GSM網(wǎng)關(guān)就是目前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)，本文在研究扁平化Femto架構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)了一種GSM網(wǎng)關(guān)，其中Femto網(wǎng)關(guān)與HNB(Home Node B)之間的接口(Abis口，F(xiàn)emto系統(tǒng)一般稱此接口為Iuh接口，但由于本文設(shè)計的是GSM的網(wǎng)關(guān)，因此借用了GSM系統(tǒng)中的概念，沿用了Abis接口的概念)采用全IP化的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和信令都采用IP化的承載方式；A接口數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)的E1的方式接入，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部融合了路由，信令的處理和速率適配等功能，具有較高的實際應(yīng)用價值。

1 GSM網(wǎng)關(guān)的基本原理
    網(wǎng)關(guān)就是將兩個使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)段連接在一起的設(shè)備。它的作用就是對兩個網(wǎng)絡(luò)段中的使用不同傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)進行互相的翻譯轉(zhuǎn)換，設(shè)計的GSM網(wǎng)關(guān)基本原理如圖1所示。

    網(wǎng)關(guān)作為用戶設(shè)備與核心網(wǎng)互聯(lián)的中介，其中各功能模塊為：
1．1 路由功能
    網(wǎng)關(guān)在GSM系統(tǒng)中是位于基站子系統(tǒng)BSS(Base Station Subsystem)之中的，它要管理不止一個家庭基站HNB，具體管理多少個HNB，取決于Femto系統(tǒng)的設(shè)計容量，在不同的地域會有所不同。正因為一個網(wǎng)關(guān)管理多個HNB，因此它必須具有一定的路由功能，這主要體現(xiàn)在下列業(yè)務(wù)中，網(wǎng)關(guān)必須要知道核心網(wǎng)發(fā)來的數(shù)據(jù)要往哪個HNB發(fā)，才能保證將數(shù)據(jù)發(fā)給正確的HNB。
1．2 信令處理功能
    信令在通信網(wǎng)中發(fā)揮著不可替代的作用，網(wǎng)關(guān)是用戶跟核心網(wǎng)的中介，必須要具有信令的接收，處理和發(fā)送的功能。
1．3 編碼轉(zhuǎn)換和速率適配功能
    在GSM系統(tǒng)當(dāng)中，在空口側(cè)，由于無線頻譜的緊張和無線信道的復(fù)雜性，空口側(cè)的數(shù)據(jù)速率只有幾Kb／s，十幾Kb／s量級，GSM的TCH(Traffic Channel)信道有全速率(Full Rate，F(xiàn)R)，半速率(Half Rate，HR)，增強型全速率(Enhanced Full Rate，EFR)和自適應(yīng)速率(Adaptive Muti-Rate，AMR)等，不同的方法具有不同的速率，也就是說在空口側(cè)，用戶發(fā)過來的數(shù)據(jù)的速率不是固定的，編碼方法也不是固定的，而GSM的A接口現(xiàn)在大部分的運營商還沒有進行IP化的改造，數(shù)據(jù)是通過E1承載的，而系統(tǒng)給每個用戶分配的資源是某一路E1的某個時隙(TimeSlot)，而E1的時隙速率是恒定的(PCM編碼方式，64 Kb／s)，因此網(wǎng)關(guān)要具有編碼轉(zhuǎn)換和速率適配的功能。
1．4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接功能
    網(wǎng)關(guān)Abis口采用的是全IP化的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和信令都是通過IP方式承載的，而A接口，數(shù)據(jù)是通過E1線承載的，因此網(wǎng)關(guān)要具備數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接功能。

2 基于Femto的GSM網(wǎng)關(guān)的設(shè)計
    本文所設(shè)計基于Femto的GSM網(wǎng)關(guān)框圖如圖2所示，可分為接入模塊、信令模塊、編碼轉(zhuǎn)換和速率適配模塊、轉(zhuǎn)換模塊。

2．1 接入模塊
    接入模塊是網(wǎng)關(guān)內(nèi)部與HNB直接相連的惟一模塊，它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的識別和轉(zhuǎn)發(fā)，Abis口傳輸有信令和數(shù)據(jù)，但信令和數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部走的路線不一樣，因此接入模塊必須具備數(shù)據(jù)的甄別能力，再根據(jù)判別的結(jié)果進行轉(zhuǎn)發(fā)，本文設(shè)計的Abis口協(xié)議棧。如圖3所示。

    基于IP化結(jié)構(gòu)上，信令與數(shù)據(jù)是通過不同的傳輸層協(xié)議承載的，信令是通過SCTP協(xié)議承載，而數(shù)據(jù)是通過UDP協(xié)議承載的。因此對每一個HNB發(fā)來的IP包，接入模塊很容易判別出是信令包，還是數(shù)據(jù)包。接入模塊的SCTP是作為服務(wù)端存在的，會在一個固定的端口偵聽，每一個正常的呼叫請求都會建立一個SCTP偶聯(lián)，用來傳輸在整個通話過程中的信令，在接入模塊內(nèi)部，要維護2個映射表，在控制面(信令)，具體到一個用戶(UE)，Abis口側(cè)的SCTP偶聯(lián)與到信令模塊的SCTP偶聯(lián)的對應(yīng)關(guān)系。相當(dāng)于給這個用戶建立Abis口側(cè)的信令的通路；在數(shù)據(jù)面，Abis口側(cè)的HNB的IP地址和UDP端口與到編碼轉(zhuǎn)換速率適配單元的UDP端口的映射，相當(dāng)于給這個用戶建立Abis口側(cè)的數(shù)據(jù)通路，對應(yīng)的映射關(guān)系如圖4所示。

2．2 信令模塊
    信令模塊是整個網(wǎng)關(guān)的“大腦”，指揮著各個模塊的工作，它負(fù)責(zé)信令的處理和生成。A口控制面協(xié)議棧如圖5所示，結(jié)合圖2的Abis口協(xié)議棧可以看出，信令模塊主要處理BSSAP(Base Station Subsystem Application Part)消息，HNBAP(Home Node B Application Part)消息等。

2．3 編碼轉(zhuǎn)換和速率適配模塊
    編碼轉(zhuǎn)換和速率適配模塊是專門用于數(shù)據(jù)處理的一個模塊。由于在GSM系統(tǒng)當(dāng)中，Abis口用戶的語音數(shù)據(jù)有全速率，增強型全速率，半速率和自適應(yīng)速率等類型，且每種類型的數(shù)據(jù)速率也不一樣。而在A接口側(cè)，給每個用戶的信道是一路E1的某一個時隙，它的速率是固定的64 Kb／s，因此需要一個專門的模塊用來處理這個任務(wù)，編碼轉(zhuǎn)換和速率適配模塊就是為此而設(shè)它能根據(jù)信令模塊的通知為一個用戶在兩側(cè)建立好數(shù)據(jù)通路，由信令模塊告知每個用戶的編解碼方式，使得這個模塊能根據(jù)不同用戶的數(shù)據(jù)類型而選擇合適的編解碼算法進行速率的適配。在這個模塊內(nèi)部要維護一個映射表，對每一個UE來說，到接入模塊要用一個端口，到轉(zhuǎn)接模塊要用到一個ITDM的通道，因此，在數(shù)據(jù)面上，存在這兩者之間的映射關(guān)系如圖6所示。

2．4 轉(zhuǎn)接模塊
    轉(zhuǎn)接模塊和編碼轉(zhuǎn)換速率適配模塊之間的數(shù)據(jù)是通過ITDM協(xié)議傳輸，ITDM協(xié)議是一種內(nèi)部的TDM協(xié)議，它以幀的形式傳輸TDM的數(shù)據(jù)，ITDM協(xié)議中有通道的概念，每一個雙向通道可以用來傳輸一個用戶的數(shù)據(jù)，因此，在編碼轉(zhuǎn)換速率適配模塊和轉(zhuǎn)接模塊之間不同用戶之間的數(shù)據(jù)復(fù)用是通過ITDM協(xié)議中的通道實現(xiàn)的。在A接口側(cè)，分配給某一個用戶的資源是某一路E1的某一個時隙(TimeSlot)，因此在轉(zhuǎn)接模塊內(nèi)部要維護一個映射表，它是A口側(cè)的某一路E1的某一個時隙與網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的某一個ITDM通道的對應(yīng)關(guān)系，如圖7所示。A接口上，具體把哪路E1的哪個時隙分配給請求的用戶是由核心網(wǎng)分配的，它們同時存在于一個叫CIC的變量里，會通過信令傳給網(wǎng)關(guān)。轉(zhuǎn)接模塊是網(wǎng)關(guān)與核心網(wǎng)直接相連的模塊，它必須要支持信令的傳輸，從A接口的協(xié)議?？梢钥闯觯珹接口采用的是傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)中非常流行的7號信令系統(tǒng)，因此轉(zhuǎn)接模塊要集成MTP2，MTP3和SCCP協(xié)議。從信令時隙讀取的信令要通過網(wǎng)關(guān)內(nèi)部與信令模塊的連接發(fā)給信令模塊，從而指揮整個系統(tǒng)的工作。

3 GSM網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)
    本文GSM網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)采用ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture)平臺，ATCA是為下一代融合通信及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供的一個高性價比的，基于模塊化結(jié)構(gòu)的、兼容的、并可擴展的硬件架構(gòu)。它是一種開放式標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺，現(xiàn)已被100多家公司采用。
    ATCA機箱通常有5U和12U兩種類型，5U機箱上的槽位有6個，12U機箱上的槽位有14個。不同的機箱由于插上的板卡的數(shù)量不同，運算能力和系統(tǒng)的容量也有很大的差異，需要根據(jù)的具體的需求選用。ATCA上常用的板卡有2210，0040，7220和1200。每種板卡有不同的用途，性能各異。其中2210是交換板，負(fù)責(zé)其他的應(yīng)用板卡之間的數(shù)據(jù)的通信；0040俗稱信令板，主要用于處理與信令相關(guān)的模塊；7220俗稱數(shù)據(jù)板，它有很強大的數(shù)據(jù)處理能力。
    本文采用5U的ATCA機箱來進行GSM網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)，因為本文所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)是基于Femto架構(gòu)下設(shè)計的，因此系統(tǒng)的容量不是很大。所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)各個模塊采用的板卡如下：接入模塊采用7220板；編碼轉(zhuǎn)換速率適配模塊采用1200板；信令模塊采用0040板；轉(zhuǎn)接模塊采用1200板。最后設(shè)計的GSM網(wǎng)關(guān)在實驗室可打通電話，通過主觀評價，語音質(zhì)量達到商用標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語
    本文所設(shè)計實現(xiàn)的基于Femto架構(gòu)的GSM網(wǎng)關(guān)，它的系統(tǒng)容量不是要求很高，但具有扁平化的設(shè)計思想，能充分發(fā)揮Femto架構(gòu)的優(yōu)勢。通過進一步開發(fā)上網(wǎng)功能，可使產(chǎn)品具有較大實際應(yīng)用價值。