基于GMR-1 3G的信關(guān)站信令分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

陳悅林，楊喜寧

0 引 言

近年來，移動通信技術(shù)迅猛發(fā)展[1-3]。作為實現(xiàn)全球移動通信的一種重要手段，衛(wèi)星移動通信比地面移動通信具有覆蓋范圍更廣、不受地理條件和通信距離限制等優(yōu)勢。GMR-1 3G標(biāo)準(zhǔn)是面向地面的3G標(biāo)準(zhǔn)，是為實現(xiàn)GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與地面3G核心網(wǎng)互聯(lián)而制定的[4]。信關(guān)站無線接入網(wǎng)作為GME-1 3G無線空中接口的核心節(jié)點，包含協(xié)議轉(zhuǎn)換、連接控制和資源分配等復(fù)雜功能。對于信關(guān)站協(xié)議棧的開發(fā)者來說，隨著系統(tǒng)的不斷升級，為了保證軟件質(zhì)量和可靠性，控制項目開發(fā)的風(fēng)險，需要對信關(guān)站軟件進行大量測試。一方面，在系統(tǒng)整體功能趨于完整時，需要對多個協(xié)議處理單元協(xié)作的信關(guān)站無線接入網(wǎng)部分的協(xié)議處理功能進行整體測試驗證，同時后續(xù)的軟件版本更新需要進行回歸測試；另一方面，為了保證信關(guān)站無線接入網(wǎng)系統(tǒng)的健壯性，需要檢驗其達到或超過其設(shè)計的最大負(fù)載情況下的特性表現(xiàn)。

本文介紹的衛(wèi)星移動通信信關(guān)站信令分析系統(tǒng)，是針對衛(wèi)星移動通信信關(guān)站的研發(fā)測試而設(shè)計開發(fā)的一款測試軟件，應(yīng)用于信關(guān)站的整體協(xié)議流程測試和壓力測試。使用該信令分析系統(tǒng)，將減小信關(guān)站軟件在集成測試時的測試難度，縮短研發(fā)周期。

1 衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1介紹了GMR-1 3G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)包括了地球同步軌道衛(wèi)星、信關(guān)站GS（Gateway Station）、核心網(wǎng)、移動地面終端MES、衛(wèi)星操作中心SOC（Satellite Operation Center）等。信關(guān)站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心構(gòu)件，由信關(guān)站收發(fā)子系統(tǒng)GTS（Gateway Tranceiver Subsystems）和信關(guān)站控制器GSC（Gateway Station Controller）構(gòu)成[5]。GSC作為一個強大的業(yè)務(wù)控制點，包含無線信道管理、呼叫實施等功能，并管控著多個GTS實體。GTS則主要完成無線傳輸、無線與有線的轉(zhuǎn)換等功能。

圖1 GMR-1 3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 信關(guān)站信令分析系統(tǒng)設(shè)計

衛(wèi)星移動通信信關(guān)站信令分析系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信關(guān)站信令分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信關(guān)站GSC模塊作為信關(guān)站信令分析系統(tǒng)的被測對象，其協(xié)議流程的驗證通過模擬終端來實現(xiàn)對等通信。GMR-1 3G協(xié)議棧分為用戶面和控制面，傳輸內(nèi)容分別為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（如通話、上網(wǎng)數(shù)據(jù)）和控制信令（如入網(wǎng)流程信令）[6]。對于單個終端來說，驗證信關(guān)站的相關(guān)協(xié)議處理功能，主要體現(xiàn)為能否支持該終端接入到網(wǎng)絡(luò)以及正常進行業(yè)務(wù)流程。壓力測試主要是驗證被測試對象處于重壓下的特性表現(xiàn)。對于無線產(chǎn)品負(fù)荷，主要由呼叫強度（單位時間內(nèi)發(fā)生的呼叫次數(shù)）、話務(wù)量（相同時間內(nèi)單位內(nèi)呼叫強度與呼叫保持時間的乘積）等方面來決定[7]。因此，對信關(guān)站信令分析系統(tǒng)來說，支持對信關(guān)站的協(xié)議流程分析和壓力測試所要實現(xiàn)的功能，可以歸結(jié)為實現(xiàn)多個模擬終端的接入和正常通話流程。

整個信關(guān)站信令分析系統(tǒng)包含三大模塊，分別為模擬終端、系統(tǒng)同步模塊以及模擬GTS模塊。

2.1 模擬終端

模擬終端模塊實現(xiàn)終端協(xié)議處理的軟件功能。模擬終端模塊由三個子模塊組成，分別為業(yè)務(wù)觸發(fā)子模塊、協(xié)議處理子模塊和物理層控制子模塊。每個子模塊為一個進程。

2.1.1 業(yè)務(wù)觸發(fā)模塊

對移動地面終端MES來說，AT（Attention）命令是應(yīng)用操作系統(tǒng)與終端協(xié)議棧進行交互的指令。用戶通過AT命令控制終端進行呼叫、短消息、分組數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的操作[8]。終端在開機入網(wǎng)后，若沒有用戶的業(yè)務(wù)發(fā)起，則會保持空閑模式，處理控制面的協(xié)議流程。因此，對于信關(guān)站信令分析系統(tǒng)來說，要驗證終端的業(yè)務(wù)流程，需要設(shè)計一個模塊模擬相應(yīng)的AT命令觸發(fā)終端的業(yè)務(wù)。

業(yè)務(wù)觸發(fā)模塊是測試者與模擬終端進行交互的模塊。測試者通過鍵盤輸入對模擬終端進行相應(yīng)的業(yè)務(wù)控制。

2.1.2 協(xié)議處理模塊

協(xié)議處理子模塊是模擬終端部分的核心模塊，是按照GMR-1 3G終端協(xié)議搭建的模塊，包含終端協(xié)議棧物理層以上（MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS）的協(xié)議處理功能。接收到業(yè)務(wù)觸發(fā)子模塊命令后，協(xié)議處理子模塊通過其內(nèi)部相應(yīng)子模塊的協(xié)作處理，將相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過層層封裝交付給物理層控制模塊。

2.1.3 物理層控制模塊

物理層控制模塊是模擬終端與信關(guān)站的接口適配模塊，其與終端上層的交互采用PHY-MAC接口。對于實際終端來說，上層下發(fā)的數(shù)據(jù)經(jīng)過物理層的編碼調(diào)制等過程后，通過調(diào)度在特定時刻從射頻天線發(fā)送出去。對于上層信令的傳輸來說，物理層提供的僅是傳輸?shù)耐ǖ?。因此，從信令分析驗證來的角度來說，基帶處理過程可以簡化。該模塊在設(shè)計上采用抽象物理層的方式，省略了基帶處理過程，并重新定義與信關(guān)站側(cè)的接口，通過IP傳輸協(xié)議與信關(guān)站側(cè)交互。

2.2 系統(tǒng)同步模塊

GMR-1 3G系統(tǒng)是一個TDMA（Time Division Mutiple Access）系統(tǒng)，其幀結(jié)構(gòu)為每個時隙5/3 ms，每個幀40 ms（24個時隙）[9]。啟動階段，MES首先要進行與網(wǎng)絡(luò)的同步過程，具體為尋找和接收每個點波束發(fā)送的FCCH（Frequency Correction Channel）進行粗同步，然后監(jiān)聽BCCH（Broadcast Control Channel）將終端的本地時間同步到系統(tǒng)時間，并獲得初次接入網(wǎng)絡(luò)的指引信息。

真實環(huán)境中，由于無線傳輸環(huán)境較為復(fù)雜和數(shù)據(jù)傳輸具有較大的時延性，同步過程的實現(xiàn)較為復(fù)雜。相比真實的傳輸環(huán)境，有線傳輸環(huán)境在以上兩個方面具有明顯優(yōu)勢。因此，信關(guān)站信令分析系統(tǒng)在設(shè)計上遵循簡化的思路，采用一個系統(tǒng)同步模塊來實現(xiàn)信關(guān)站模塊與模擬終端模塊的同步。它的作用是按照協(xié)議的規(guī)定，產(chǎn)生幀定時和時隙定時作為系統(tǒng)時間，廣播給信關(guān)站模塊和模擬終端模塊。獲得統(tǒng)一時間的信關(guān)站模塊和模擬終端模塊，可以依照協(xié)議的規(guī)定和資源的分配，在特定的時間點上收發(fā)數(shù)據(jù)完成交互。

2.3 模擬GTS模塊

模擬GTS模塊是對信關(guān)站GTS的模擬，主要是作為信關(guān)站GSC對模擬終端的接口適配模塊。在設(shè)計與終端模塊的交互部分時，需要考慮支持多個終端接入和區(qū)分不同終端的問題。對于多個終端接入問題，首先要對真實環(huán)境中信關(guān)站發(fā)送給不同終端的消息進行區(qū)分。系統(tǒng)廣播消息是信關(guān)站以固定的時間間隔發(fā)送給點波束內(nèi)所有終端的消息，對所有終端用戶都可見；而單用戶消息則是信關(guān)站發(fā)送給特定終端用戶的消息，主要是用戶在進行業(yè)務(wù)流程時從網(wǎng)絡(luò)獲得的消息。對模擬真實環(huán)境的信關(guān)站信令分析系統(tǒng)來說，為了滿足系統(tǒng)廣播消息和單用戶消息區(qū)分發(fā)送的需求，將模擬GTS模塊與模擬終端模塊的交互接口設(shè)計為兩個，其中針對系統(tǒng)廣播消息的接口設(shè)計為一對多的交互接口，如圖3所示。對于區(qū)分不同終端的問題，終端在需要發(fā)送上行數(shù)據(jù)（一般為發(fā)起業(yè)務(wù)）時，會先向信關(guān)站發(fā)起隨機接入請求。信關(guān)站在接收到請求后，調(diào)用相應(yīng)算法為終端分配物理資源，然后通過廣播信道告訴該終端可以上發(fā)數(shù)據(jù)的時間。在滿足定時和同步的條件下，信關(guān)站可以分割在各個時隙中接收到各移動終端的信號而不干擾。因此，信關(guān)站信令分析系統(tǒng)在基于系統(tǒng)同步模塊實現(xiàn)同步的情況下，終端上發(fā)數(shù)據(jù)的時間通過信關(guān)站GSC的調(diào)度分配，GSC可以區(qū)分不同終端。

圖3 模擬GTS模塊接口結(jié)構(gòu)

2.4 ZeroMQ模塊交互

ZeroMQ像一個對用戶友好的socket編程庫，提供了進程通信的API、套接字和模式，使得socket編程更加簡單、簡潔和高性能。相比于傳統(tǒng)的端到端的socket編程，ZeroMQ提供的四種編程模式不僅可以支持一對一通信，還能實現(xiàn)一對多甚至多對多通信[10]。

ZeroMQ的socket類型按照消息通信模式來劃分，常用的通信模式為請求回應(yīng)模型、發(fā)布訂閱模型、管道模型和PAIR模式。另外，ZeroMQ提供了1組單播協(xié)議（inproc，ipc，tcp）和2個廣播協(xié)議（epgm，pgm）。每種通信模式可以支持一到多種通信協(xié)議，使用者可以根據(jù)需求進行選擇。

在衛(wèi)星移動通信信關(guān)站信令分析系統(tǒng)中，系統(tǒng)同步模塊和模擬GTS模塊在與被測的信關(guān)站GSC模塊交互部分，采用GSC模塊提供的接口。衛(wèi)星移動通信信關(guān)站信令分析系統(tǒng)的其他模塊間交互，統(tǒng)一采用ZeroMQ的交互方式。模擬GTS模塊對終端發(fā)送廣播消息和系統(tǒng)同步模塊進行定時消息廣播，兩部分接口采用了ZeroMQ的發(fā)布訂閱模型。這種模式用于一對多的單向數(shù)據(jù)發(fā)布，好處是如果訂閱端尚未連接，則廣播消息會被直接丟棄，不會造成消息堆積。由于要對多個終端進行系統(tǒng)消息的廣播，該接口使用組播協(xié)議epgm作為傳輸協(xié)議，只要終端加入了該多播組，就能接收到系統(tǒng)消息。其他模塊間交互接口采用ZeroMQ的PAIR套接字。該模式僅能支持傳統(tǒng)的一對一通信，但使用較為簡單，且能滿足模塊之間的交互需求，協(xié)議采用支持進程間通信的TCP。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境

系統(tǒng)模擬終端側(cè)的業(yè)務(wù)觸發(fā)模塊采用Python語言編寫而成，其他模塊用C語言進行開發(fā)。系統(tǒng)整體運行在安裝了Linux操作系統(tǒng)的通用處理器平臺上，模擬終端模塊和系統(tǒng)同步模塊運行在CPU頻率為2 000 MHz的雙核服務(wù)器上。系統(tǒng)同步模塊的實現(xiàn)，對系統(tǒng)的實時性具有一定要求。因此，該服務(wù)器使用的Linux內(nèi)核版本為3.19。該版本具有低時延特性，能滿足信關(guān)站信令分析系統(tǒng)的要求。模擬GTS模塊由于要滿足與多個終端交互的需要，對硬件平臺并行處理的要求較高，因此其運行環(huán)境為四核心的主頻為3.6 GHz的服務(wù)器。

4 功能驗證

這里對多個終端的入網(wǎng)流程和終端間的通話業(yè)務(wù)流程進行驗證。測試結(jié)果通過測試者使用wireshark軟件從GSC模塊的以太網(wǎng)口捕獲數(shù)據(jù)，并解析顯示進行分析。

4.1 終端入網(wǎng)驗證

首先，驗證多個模擬終端的入網(wǎng)流程。這里以兩個終端為例。模擬GTS模塊先讀入配置文件（包含終端個數(shù)，使用端口），建立相應(yīng)的套接字進行監(jiān)聽。其次，啟動模擬終端進程，其接入過程如圖4所示。信關(guān)站與終端進行隨機接入的交互流程后，建立起RRC連接，然后終端與核心網(wǎng)進行NAS層的位置更新等交互流程，隨后釋放RRC連接完成終端入網(wǎng)過程。圖4的前16條語句展示了該流程，其為終端1的入網(wǎng)流程；終端2的入網(wǎng)流程為后16條語句，與終端1的一致。

圖4 終端入網(wǎng)流程

4.2 通話業(yè)務(wù)驗證

兩個終端入網(wǎng)后，通過向業(yè)務(wù)觸發(fā)模塊輸入命令，控制其中一個終端向另一個終端發(fā)起通話。發(fā)起通話到通話結(jié)束的信令流程，依次如圖5、圖6和圖7所示。首先，終端1通過業(yè)務(wù)觸發(fā)模塊向終端2發(fā)起呼叫，到圖5的RADIO BEARER SETUP COMPLETE語句，說明了終端1與信關(guān)站建立起RRC連接，并且獲得了無線資源，然后終端通過核心網(wǎng)發(fā)起尋呼。圖6的前兩條語句說明，核心網(wǎng)收到了終端2的尋呼回復(fù)消息。然后，信關(guān)站為終端2分配無線資源，到圖6的最后一條語句，說明終端2振鈴。此時，測試人員通過終端2的業(yè)務(wù)觸發(fā)模塊控制接聽，通話建立完成。圖7的第一條CC Disconnect語句表明，通話中的其中一方發(fā)起了掛斷，到最后資源釋放完成，至此通話流程結(jié)束。

圖6 尋呼到振鈴

圖7 連接然后釋放

5 結(jié) 語

本文給出了衛(wèi)星移動通信信關(guān)站信令分析系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程，通過模擬終端和模擬信關(guān)站GTS對信關(guān)站GSC進行信令分析，最后通過多個終端的入網(wǎng)流程，驗證和終端間的通話業(yè)務(wù)流程，說明該信令分析系統(tǒng)對信關(guān)站進行功能測試（協(xié)議處理）和性能測試（壓力測試）具有可行性。因此，衛(wèi)星移動通信信關(guān)站信令分析系統(tǒng)的成功搭建，將給信關(guān)站軟件的后續(xù)研發(fā)帶來極大便利。

[1] Zhou Y,Liu H,Pan Z,et al.Spectral and Energy Efficient Two-Stage Cooperative Multicast for LTE-A and Beyond[J].IEEE Wireless Magazine,2014(04):34-41.

[2] Liu L,Zhou Y,Tian L,et al.Load Aware Joint CoMP Clustering and Inter-cell Resource Scheduling in Heterogeneous Ultra Dense Cellular Networks[J].IEEE Trans. Vehicular Technology,Early Access,2017,99(11):1-14.

[3] Garcia V,Zhou Ya,Shi J L.Coordinated Multipoint Transmission in Dense Cellular Networks with User-Centric Adaptive Clustering[J].IEEE Trans. Wireless Comm.,2014,13(08):4297-4308.

[4] 夏雷,施揚,徐子平等.基于GMR-1 3G系統(tǒng)的RRC層研究[J].電子質(zhì)量,2014(11):1-4,8.XIA Lei,SHI Yang,XU Zi-ping,et al.Study on RRC Layer Based on GMR-1 3G System[J].Electronic Quality,2014(11):1-4,8.

[5] 劉鴻展.GMR通信系統(tǒng)無線資源控制層協(xié)議軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.LIU Hong-zhan.GMR Communication System Wireless Resource Control Layer Protocol Software Design and Implementation[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2014.

[6] 李恒銳.基于多核處理器的GMR協(xié)議棧數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2016.LI Heng-rui.Design and Implementation of Data Link Layer of GMR Stack Based on Multi-core Processor[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2016.

[7] 鄧慶.軟件測試在基站話務(wù)量上的應(yīng)用[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.DENG Qing.Software Testing in the Base Station Traffic Volume Application[D].Xi’an:Xidian University,2013.

[8] 范林濤.基于正則表達式的AT命令協(xié)議棧設(shè)計[J].計算機與網(wǎng)絡(luò),2015,41(15):44-47.FAN Lin-tao.Design of AT Command Protocol Stack Based on Regular Expression[J].Computer and Network,2015,41(15):44-47.

[9] 程宇新.新一代GEO衛(wèi)星移動通信新標(biāo)準(zhǔn)GMR-1 3G簡介[C].第六屆衛(wèi)星通信新業(yè)務(wù)新技術(shù)學(xué)術(shù)年會論文集,2010:6.CHENG Yu-xin.A New Generation of GEO Satellite Mobile Communication Standard GMR-1 3G[C].Sixth Symposium on Satellite Communication New Business Technology,2010:6.

[10] 劉號,張新晨,李中年.基于LCM與ZeroMQ的進程間通信研究[J].電子科學(xué)技術(shù),2016,3(04):480-483.LIU Hao,ZHANG Xin-chen,LI Zhong-nian.Research on Interprocess Communication Based on LCM and ZeroMQ[J].Journal of Electronics Science and Technology,2016,3(04):480-483.