GSM-R網(wǎng)絡(luò)分組域仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

張國振，田宏達(dá)，李 杰，郭瑞彬

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070；3.北京郵電大學(xué)，北京 100876；4.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng) (GSM-R) 網(wǎng)絡(luò)的通用分組無線業(yè)務(wù) (GPRS)具有多用戶共享帶寬、傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)勢，可以有效提高頻率復(fù)用率。國內(nèi)高速鐵路使用GPRS 主要承載調(diào)度命令等非安全數(shù)據(jù)，隨著列控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，GPRS 逐漸開始承載車地列控?cái)?shù)據(jù)等安全數(shù)據(jù)的傳輸。歐洲最新發(fā)布的ETCS 列控系統(tǒng)基線3 版本，也優(yōu)先使用GPRS承載車地列控?cái)?shù)據(jù)等安全數(shù)據(jù)傳輸。而用于承載鐵路通信的GSM-R 網(wǎng)絡(luò)，因其應(yīng)用領(lǐng)域獨(dú)特專用，相關(guān)研究和產(chǎn)品較少，由于沒有適合GSM-R 的GPRS 仿真模擬平臺(tái)，導(dǎo)致基于GPRS 的鐵路應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)測試效率較低。

為提高研發(fā)效率，保證鐵路系統(tǒng)的安全性，需要開發(fā)一種可以替代GSM-R 分組域現(xiàn)網(wǎng)的GSM-R分組域仿真網(wǎng)絡(luò)，通過在該仿真網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行測試和試驗(yàn)，提高鐵路應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量和效率。

1 GSM-R分組域仿真系統(tǒng)簡介

鐵路應(yīng)用產(chǎn)品與GPRS 終端之間的數(shù)據(jù)傳送采用GPRS 模式，GPRS 終端在開機(jī)并注冊到GPRS網(wǎng)絡(luò)后，依次進(jìn)行附著、激活等流程，最終獲得網(wǎng)絡(luò)訪問能力，GPRS 終端數(shù)據(jù)發(fā)送的特征主要由應(yīng)用需求決定。發(fā)送的數(shù)據(jù)通過空中接口將數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)交臼?發(fā)信機(jī)(BTS)、基站控制器（BSC）和分組控制單元(PCU)，由PCU 再依次傳輸?shù)椒?wù)GPRS 支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS 支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)，最終送入專網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)中。

GSM-R 網(wǎng)絡(luò)分組域仿真系統(tǒng)的原理如圖1 所示，該系統(tǒng)在原有的GSM-R 電路域仿真系統(tǒng)中增加了PCU、SGSN、GGSN 等單元。其中PCU單元負(fù)責(zé)將分組域數(shù)據(jù)從電路域數(shù)據(jù)中分離出來，SGSN 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)接入控制、移動(dòng)性管理、無線資源管理、用戶數(shù)據(jù)管理、會(huì)話管理及路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，GGSN 負(fù)責(zé)會(huì)話管理、網(wǎng)絡(luò)接入控制、路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、用戶數(shù)據(jù)管理及外網(wǎng)訪問接口等功能。

圖1 GSM-R分組域仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 GSM-R packet domain simulation network system architecture

2 GSM-R分組域仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

GPRS 在GSM 提供的CS-1 信道編碼基礎(chǔ)上，又提供了CS-2、CS-3、CS-4 共3 種信道編碼，以提高網(wǎng)絡(luò)的性能，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動(dòng)態(tài)選擇編碼能夠有效提高傳輸速率，在GPRS 現(xiàn)網(wǎng)中大多采用鏈路適配的方案來進(jìn)行動(dòng)態(tài)選擇編碼方案，在仿真環(huán)境中不存在通信環(huán)境突變情況，因此仿真系統(tǒng)無需實(shí)現(xiàn)所有信道編碼并設(shè)計(jì)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)選擇算法，合理地實(shí)現(xiàn)部分編碼和編碼選擇方案將有效降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。

鐵路應(yīng)用系統(tǒng)中車載電臺(tái)(MS)在開機(jī)注冊GPRS 網(wǎng)絡(luò)后，將向SGSN 發(fā)送附著請求，SGSN確認(rèn)該用戶具備GPRS 業(yè)務(wù)能力后發(fā)送附著成功到終端。在完成附著后，電臺(tái)將發(fā)送分組數(shù)據(jù)協(xié)議(PDP)激活請求以獲取網(wǎng)際互連協(xié)議(IP)地址，由SGSN 將接受到的接入點(diǎn)名稱（APN）信息發(fā)送到專用域名服務(wù)器(DNS)進(jìn)行解析，再由SGSN 發(fā)送激活請求到特定的GGSN，由GGSN 服務(wù)器到認(rèn)證服務(wù)器獲取該MS 對應(yīng)的IP 地址并分配給該MS。已有的GSM-R 網(wǎng)絡(luò)電路域仿真系統(tǒng)為一體化實(shí)現(xiàn)，因此SGSN 和GGSN 網(wǎng)元的實(shí)現(xiàn)數(shù)量越多，仿真系統(tǒng)的性能也將越差。因此在GSM-R 網(wǎng)絡(luò)分組域仿真系統(tǒng)研發(fā)過程中，SGSN 和GGSN 各做一個(gè)實(shí)現(xiàn)，而如何在單個(gè)GGSN 的情況下，按照需求為每個(gè)GPRS 終端分配IP 地址并實(shí)現(xiàn)分組域數(shù)據(jù)通信將成為本系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。

而本系統(tǒng)中不存在移動(dòng)臺(tái)在不同SGSN 間路由切換、GGSN 查找移動(dòng)臺(tái)所在的SGSN 等需求，同時(shí)本系統(tǒng)中BTS、BSC/PCU、GGSN 和SGSN 之間并不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，因此GPRS 協(xié)議中為了方便這些網(wǎng)元通信設(shè)計(jì)的協(xié)議對本系統(tǒng)無應(yīng)用，簡化或舍去GPRS 協(xié)議中的不必要通信協(xié)議將是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一大難點(diǎn)。

3 GSM-R分組域仿真系統(tǒng)關(guān)鍵流程分析

3.1 GPRS附著

GSM 附著分為國際移動(dòng)用戶標(biāo)識(IMSI）附著、GPRS 附著以及聯(lián)合附著，因GSM-R 網(wǎng)絡(luò)分組域仿真系統(tǒng)已經(jīng)具備電路域仿真功能，在此以聯(lián)合附著為例進(jìn)行說明，如圖2 所示。

圖2 GPRS聯(lián)合附著Fig.2 Combined GPRS attach procedure

GSM 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，GPRS 終端附著時(shí)，MS 首先發(fā)送附著請求到New SGSN，然后由New SGSN發(fā)起Identification Request，而由于本仿真系統(tǒng)中只設(shè)有一個(gè)SGSN，因此省略向舊SGSN 發(fā)送Identification Request 消息，并直接向用戶終端發(fā)送Identity Request 消息，要求其上報(bào)IMSI，接著執(zhí)行鑒權(quán)和IMEI 身份檢查，SGSN 通知?dú)w屬位置寄存器（HLR）該MS 位置更新，HLR 將MS的預(yù)約數(shù)據(jù)下發(fā)到SGSN，之后SGSN 需要向拜訪位置寄存器(VLR)發(fā)起位置更新，在本系統(tǒng)中不存在發(fā)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(fā)送至用戶終端并等待用戶終端應(yīng)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(fā)起的PDP 上下文激活和網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的PDP 上下文激活，一般而言為用戶終端主動(dòng)發(fā)起激活流程，如圖3 所示為一般的MS 發(fā)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(fā)出PDP 上下文請求，請求內(nèi)容包括PDP 類型、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接入點(diǎn)(NSAP)、APN 等信息，SGSN 執(zhí)行安全性規(guī)程，接著SGSN 根據(jù)MS 提供的PDP 類型、APN 等信息解析GGSN 地址，但由于仿真系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了單個(gè)GGSN，因此本仿真系統(tǒng)將忽略該解析流程，并直接向GGSN 發(fā)送創(chuàng)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(wù)質(zhì)量（QoS）。最后SGSN 接收GGSN 的PDP 創(chuàng)建上下文響應(yīng)，向MS 返回激活PDP 上下文接收消息，此時(shí)MS 與GGSN 之間已建立起路由，可以進(jìn)行分組數(shù)據(jù)傳送。

4 GSM-R分組域仿真系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 整體結(jié)構(gòu)

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(tǒng)模塊Fig.4 Module of GSM-R packet domain simulation system

BTS 仿真模塊驅(qū)動(dòng)收發(fā)器完成物理射頻子層和物理鏈路子層所有功能，包括時(shí)分復(fù)用技術(shù)（TDM）功能、物理鏈路阻塞檢測、前向糾錯(cuò)碼（FEC）功能、信道編碼、功率控制，可選擇的編碼方案能夠?qū)崿F(xiàn)更高速率數(shù)據(jù)傳輸，BTS 仿真模塊實(shí)現(xiàn)了CS1（單信道9.05 kbit/s）和CS4(單信道21.4 kbit/s)兩種信道編發(fā)方案，用于模擬惡劣環(huán)境和理想環(huán)境下的GPRS 網(wǎng)絡(luò)。

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(yōu)先級處理、RLC 自動(dòng)重傳請求(ARQ)傳輸錯(cuò)誤糾正和邏輯鏈路控制(LLC) PDU分割重組。

GSN 仿真模塊負(fù)責(zé)完成SGSN 和GGSN 功能，包括GPRS 移動(dòng)性管理(附著和分離)和會(huì)話管理（PDP 激活和去激活）。基于本仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只存在1 個(gè)SGSN，因此GSN 仿真模塊不需要實(shí)現(xiàn)SGSN位置管理功能（路由區(qū)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(dòng)態(tài)分配的IP地址訪問外網(wǎng)，GPRS 網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)采用Ubuntu作為仿真系統(tǒng)的載體，GPRS 外網(wǎng)功能通過構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備TUN 和配置網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT 實(shí)現(xiàn)。GPRS 終端在通過仿真系統(tǒng)訪問外網(wǎng)時(shí)，仿真系統(tǒng)將通過源地址轉(zhuǎn)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(wǎng)響應(yīng)時(shí)通過查表的方式重新替換為原來的IP 地址，以實(shí)現(xiàn)正常的網(wǎng)絡(luò)訪問功能。

DNS/防火墻模塊為GPRS 仿真網(wǎng)絡(luò)提供可配置的DNS 解析服務(wù)器，允許GPRS 仿真網(wǎng)絡(luò)借助公眾DNS 服務(wù)器或私有DNS 服務(wù)器進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)為GPRS 仿真網(wǎng)絡(luò)和GPRS 終端提供防火墻保護(hù)，防止網(wǎng)絡(luò)和終端受到惡意攻擊。

4.2 GPRS通信過程

GPRS 控制平面協(xié)議如圖5 所示。協(xié)議類型1 為GPRS 終端所需要實(shí)現(xiàn)的協(xié)議模塊，與GPRS 仿真網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，類型2 和類型3 的協(xié)議為GPRS 協(xié)議規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制平面協(xié)議結(jié)構(gòu)?；诜抡嫘枨蟮奶厥庑裕喕抡嫦到y(tǒng)的復(fù)雜度，提高仿真系統(tǒng)的性能，本仿真系統(tǒng)中只涉及單個(gè)BTS、BSC/PCU、SGSN和GGSN，同時(shí)這些模塊均運(yùn)行在同一服務(wù)器中。因此與GPRS 網(wǎng)絡(luò)中尋址、路由相關(guān)的協(xié)議（協(xié)議類型3）在本系統(tǒng)中無應(yīng)用，因此本系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)類型2 的協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)完整的GPRS 仿真網(wǎng)絡(luò)（以下同理）。

圖5 GPRS控制平面協(xié)議Fig.5 GPRS control plane protocol

控制平面主要用于實(shí)現(xiàn)GPRS 移動(dòng)性管理和會(huì)話管理。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)剛開機(jī)還未連接至GPRS 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，為了使用GPRS 服務(wù)，GPRS 終端必須先向GPRS 網(wǎng)絡(luò)登記自身信息、位置信息（attach），網(wǎng)絡(luò)記錄該信息并更新移動(dòng)臺(tái)的客戶臨時(shí)識別碼（TMSI），使網(wǎng)絡(luò)有能力找到該移動(dòng)臺(tái)，然后移動(dòng)臺(tái)發(fā)送PDP 上下文激活請求以獲得網(wǎng)絡(luò)訪問能力。在本系統(tǒng)中GGSN 不需要記錄SGSN 的位置，因此直接返回響應(yīng)到移動(dòng)臺(tái)，此時(shí)移動(dòng)臺(tái)擁有了連接網(wǎng)絡(luò)的能力。

GPRS 傳輸平面協(xié)議如圖6 所示。移動(dòng)臺(tái)在獲得網(wǎng)絡(luò)能力后，其應(yīng)用程序依靠GPRS 分配的IP地址進(jìn)行通信，GPRS 為了提供與網(wǎng)絡(luò)層無關(guān)的透明傳輸功能，設(shè)計(jì)了SNDCP 協(xié)議，為不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（IP，X.25，ATM）提供服務(wù)。在現(xiàn)網(wǎng)中大量使用基于IP 的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，因此本系統(tǒng)中SNDCP 模塊提供IP 網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn)。為了保證網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)可以在GPRS 網(wǎng)絡(luò)中透明傳輸，LLC 實(shí)現(xiàn)了下層協(xié)議對上層協(xié)議的統(tǒng)一，并對中斷的幀提供錯(cuò)誤檢測和恢復(fù)，本系統(tǒng)中LLC 模塊實(shí)現(xiàn)LLC 協(xié)議的所有功能，RLC 模塊將上層LLC 數(shù)據(jù)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(gè)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(xù)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(dòng)臺(tái)接入到共享邏輯信道中完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 GPRS傳輸平面協(xié)議Fig.6 GPRS transmission plane protocol

5 仿真系統(tǒng)測試

GSM-R 分組域仿真系統(tǒng)要求支持鐵路應(yīng)用產(chǎn)品在真實(shí)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)和仿真GSM-R 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的無感通信，GSM-R 分組域仿真系統(tǒng)只需要完成網(wǎng)絡(luò)信令的正確應(yīng)答和分組數(shù)據(jù)的正確傳輸，不實(shí)現(xiàn)所有協(xié)議分支及內(nèi)容。基于此，針對GSM-R 分組域仿真系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1 所示，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

表1 GPRS仿真系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.1 GPRS simulation system test results

6 結(jié)束語

本文分析了GSM-R 中分組域業(yè)務(wù)當(dāng)前遇到的瓶頸，對GSM-R 分組域協(xié)議進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種滿足研發(fā)測試需求的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)在通信協(xié)議和流程上進(jìn)行了優(yōu)化，使仿真成本和難度大幅度降低，滿足當(dāng)下GSM-R 分組域業(yè)務(wù)研發(fā)的需求。