基于GMR-1 3G的信關站信令分析系統設計與實現*

陳悅林，楊喜寧

0 引 言

近年來，移動通信技術迅猛發展[1-3]。作為實現全球移動通信的一種重要手段，衛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勢。GMR-1 3G標準是面向地面的3G標準，是為實現GEO衛星移動通信系統與地面3G核心網互聯而制定的[4]。信關站無線接入網作為GME-1 3G無線空中接口的核心節點，包含協議轉換、連接控制和資源分配等復雜功能。對于信關站協議棧的開發者來說，隨著系統的不斷升級，為了保證軟件質量和可靠性，控制項目開發的風險，需要對信關站軟件進行大量測試。一方面，在系統整體功能趨于完整時，需要對多個協議處理單元協作的信關站無線接入網部分的協議處理功能進行整體測試驗證，同時后續的軟件版本更新需要進行回歸測試；另一方面，為了保證信關站無線接入網系統的健壯性，需要檢驗其達到或超過其設計的最大負載情況下的特性表現。

本文介紹的衛星移動通信信關站信令分析系統，是針對衛星移動通信信關站的研發測試而設計開發的一款測試軟件，應用于信關站的整體協議流程測試和壓力測試。使用該信令分析系統，將減小信關站軟件在集成測試時的測試難度，縮短研發周期。

1 衛星移動通信網絡結構

圖1介紹了GMR-1 3G系統的網絡結構。整個系統包括了地球同步軌道衛星、信關站GS（Gateway Station）、核心網、移動地面終端MES、衛星操作中心SOC（Satellite Operation Center）等。信關站是衛星通信系統的核心構件，由信關站收發子系統GTS（Gateway Tranceiver Subsystems）和信關站控制器GSC（Gateway Station Controller）構成[5]。GSC作為一個強大的業務控制點，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、無線與有線的轉換等功能。

圖1 GMR-1 3G網絡結構

2 信關站信令分析系統設計

衛星移動通信信關站信令分析系統的整體結構如圖2所示。

圖2 信關站信令分析系統結構

信關站GSC模塊作為信關站信令分析系統的被測對象，其協議流程的驗證通過模擬終端來實現對等通信。GMR-1 3G協議棧分為用戶面和控制面，傳輸內容分別為業務數據（如通話、上網數據）和控制信令（如入網流程信令）[6]。對于單個終端來說，驗證信關站的相關協議處理功能，主要體現為能否支持該終端接入到網絡以及正常進行業務流程。壓力測試主要是驗證被測試對象處于重壓下的特性表現。對于無線產品負荷，主要由呼叫強度（單位時間內發生的呼叫次數）、話務量（相同時間內單位內呼叫強度與呼叫保持時間的乘積）等方面來決定[7]。因此，對信關站信令分析系統來說，支持對信關站的協議流程分析和壓力測試所要實現的功能，可以歸結為實現多個模擬終端的接入和正常通話流程。

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

2.1 模擬終端

模擬終端模塊實現終端協議處理的軟件功能。模擬終端模塊由三個子模塊組成，分別為業務觸發子模塊、協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 業務觸發模塊

對移動地面終端MES來說，AT（Attention）命令是應用操作系統與終端協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、分組數據等業務的操作[8]。終端在開機入網后，若沒有用戶的業務發起，則會保持空閑模式，處理控制面的協議流程。因此，對于信關站信令分析系統來說，要驗證終端的業務流程，需要設計一個模塊模擬相應的AT命令觸發終端的業務。

業務觸發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的業務控制。

2.1.2 協議處理模塊

協議處理子模塊是模擬終端部分的核心模塊，是按照GMR-1 3G終端協議搭建的模塊，包含終端協議棧物理層以上（MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS）的協議處理功能。接收到業務觸發子模塊命令后，協議處理子模塊通過其內部相應子模塊的協作處理，將相關數據經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，上層下發的數據經過物理層的編碼調制等過程后，通過調度在特定時刻從射頻天線發送出去。對于上層信令的傳輸來說，物理層提供的僅是傳輸的通道。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，并重新定義與信關站側的接口，通過IP傳輸協議與信關站側交互。

2.2 系統同步模塊

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

真實環境中，由于無線傳輸環境較為復雜和數據傳輸具有較大的時延性，同步過程的實現較為復雜。相比真實的傳輸環境，有線傳輸環境在以上兩個方面具有明顯優勢。因此，信關站信令分析系統在設計上遵循簡化的思路，采用一個系統同步模塊來實現信關站模塊與模擬終端模塊的同步。它的作用是按照協議的規定，產生幀定時和時隙定時作為系統時間，廣播給信關站模塊和模擬終端模塊。獲得統一時間的信關站模塊和模擬終端模塊，可以依照協議的規定和資源的分配，在特定的時間點上收發數據完成交互。

2.3 模擬GTS模塊

模擬GTS模塊是對信關站GTS的模擬，主要是作為信關站GSC對模擬終端的接口適配模塊。在設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，首先要對真實環境中信關站發送給不同終端的消息進行區分。系統廣播消息是信關站以固定的時間間隔發送給點波束內所有終端的消息，對所有終端用戶都可見；而單用戶消息則是信關站發送給特定終端用戶的消息，主要是用戶在進行業務流程時從網絡獲得的消息。對模擬真實環境的信關站信令分析系統來說，為了滿足系統廣播消息和單用戶消息區分發送的需求，將模擬GTS模塊與模擬終端模塊的交互接口設計為兩個，其中針對系統廣播消息的接口設計為一對多的交互接口，如圖3所示。對于區分不同終端的問題，終端在需要發送上行數據（一般為發起業務）時，會先向信關站發起隨機接入請求。信關站在接收到請求后，調用相應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數據的時間。在滿足定時和同步的條件下，信關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，信關站信令分析系統在基于系統同步模塊實現同步的情況下，終端上發數據的時間通過信關站GSC的調度分配，GSC可以區分不同終端。

圖3 模擬GTS模塊接口結構

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模型、發布訂閱模型、管道模型和PAIR模式。另外，ZeroMQ提供了1組單播協議（inproc，ipc，tcp）和2個廣播協議（epgm，pgm）。每種通信模式可以支持一到多種通信協議，使用者可以根據需求進行選擇。

在衛星移動通信信關站信令分析系統中，系統同步模塊和模擬GTS模塊在與被測的信關站GSC模塊交互部分，采用GSC模塊提供的接口。衛星移動通信信關站信令分析系統的其他模塊間交互，統一采用ZeroMQ的交互方式。模擬GTS模塊對終端發送廣播消息和系統同步模塊進行定時消息廣播，兩部分接口采用了ZeroMQ的發布訂閱模型。這種模式用于一對多的單向數據發布，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消息的廣播，該接口使用組播協議epgm作為傳輸協議，只要終端加入了該多播組，就能接收到系統消息。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，協議采用支持進程間通信的TCP。

3 系統實現環境

系統模擬終端側的業務觸發模塊采用Python語言編寫而成，其他模塊用C語言進行開發。系統整體運行在安裝了Linux操作系統的通用處理器平臺上，模擬終端模塊和系統同步模塊運行在CPU頻率為2 000 MHz的雙核服務器上。系統同步模塊的實現，對系統的實時性具有一定要求。因此，該服務器使用的Linux內核版本為3.19。該版本具有低時延特性，能滿足信關站信令分析系統的要求。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，因此其運行環境為四核心的主頻為3.6 GHz的服務器。

4 功能驗證

這里對多個終端的入網流程和終端間的通話業務流程進行驗證。測試結果通過測試者使用wireshark軟件從GSC模塊的以太網口捕獲數據，并解析顯示進行分析。

4.1 終端入網驗證

首先，驗證多個模擬終端的入網流程。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，使用端口），建立相應的套接字進行監聽。其次，啟動模擬終端進程，其接入過程如圖4所示。信關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連接完成終端入網過程。圖4的前16條語句展示了該流程，其為終端1的入網流程；終端2的入網流程為后16條語句，與終端1的一致。

圖4 終端入網流程

4.2 通話業務驗證

兩個終端入網后，通過向業務觸發模塊輸入命令，控制其中一個終端向另一個終端發起通話。發起通話到通話結束的信令流程，依次如圖5、圖6和圖7所示。首先，終端1通過業務觸發模塊向終端2發起呼叫，到圖5的RADIO BEARER SETUP COMPLETE語句，說明了終端1與信關站建立起RRC連接，并且獲得了無線資源，然后終端通過核心網發起尋呼。圖6的前兩條語句說明，核心網收到了終端2的尋呼回復消息。然后，信關站為終端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的業務觸發模塊控制接聽，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起了掛斷，到最后資源釋放完成，至此通話流程結束。

圖6 尋呼到振鈴

圖7 連接然后釋放

5 結 語

本文給出了衛星移動通信信關站信令分析系統的設計和實現過程，通過模擬終端和模擬信關站GTS對信關站GSC進行信令分析，最后通過多個終端的入網流程，驗證和終端間的通話業務流程，說明該信令分析系統對信關站進行功能測試（協議處理）和性能測試（壓力測試）具有可行性。因此，衛星移動通信信關站信令分析系統的成功搭建，將給信關站軟件的后續研發帶來極大便利。

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