一种基于Femto的GSM网关设计与实现

摘要：GSM网络用户众多，在GSM接入网中引入Femto架构，符合移动通信网络扁平化发展趋势。在此研究基于Femto架构的GSM网关，作为用户端数据接入核心网的接口，将移动、宽带和固定业务融合在一起，在GSM网络中将发挥重要的作用。采用IP化承载方式，Abis接口完全IP化，用模块化设计方法，基于Femto架构，在ATCA的平台上设计实现了具有信令处理、数据转换、编码转换及速率适配、路由等4功能的GSM网关，通过该网关已打通电话，语音质量达到商用，具有重要的实际应用价值。
关键词：Femto；GSM；网关；Abis接口

0 引言
    在3G已经大量商用的时代，GSM网络仍然具有大量的用户，但随着无线带宽的不断提升，人们获取信息的模式发生着根本改变，GSM网络需与时俱进，迎合现在大量据业务和与移动互联网融合的需求，增强网络对用户的粘性。家庭基站(Femto)概念最早由英国Ubiquisys公司提出，是一种小型低功率蜂窝基站，放置在家庭等室内环境中的无线接入设备，工作于授权频段。其发射功率较小，一般为毫瓦级，覆盖半径较小，空中接口符合3GPP／2标准，适用于任何现有的移动终端。Femto将移动、固定、宽带业务都融合在一起，用户通过一个Femto就能实现其所有的通信需求，它能帮助运营商巩固用户规模并发展家庭用户，节省投资。由于Femto采用扁平化架构，符合移动网络演进的趋势，扁平化架构由于减少了节点数，也更符合全IP网络中实时业务对时延的严格要求，因此GSM网络结合Femto结构就显得尤为必要。
    网关是用户终端接入核心网的接口，在网络中起着重要的作用，如何设计在Femto架构下GSM网关就是目前急需解决的关键技术，本文在研究扁平化Femto架构的基础上，设计实现了一种GSM网关，其中Femto网关与HNB(Home Node B)之间的接口(Abis口，Femto系统一般称此接口为Iuh接口，但由于本文设计的是GSM的网关，因此借用了GSM系统中的概念，沿用了Abis接口的概念)采用全IP化的结构，数据和信令都采用IP化的承载方式；A接口数据采用传统的E1的方式接入，网关内部融合了路由，信令的处理和速率适配等功能，具有较高的实际应用价值。

1 GSM网关的基本原理
    网关就是将两个使用不同协议的网络段连接在一起的设备。它的作用就是对两个网络段中的使用不同传输协议的数据进行互相的翻译转换，设计的GSM网关基本原理如图1所示。

    网关作为用户设备与核心网互联的中介，其中各功能模块为：
1．1 路由功能
    网关在GSM系统中是位于基站子系统BSS(Base Station Subsystem)之中的，它要管理不止一个家庭基站HNB，具体管理多少个HNB，取决于Femto系统的设计容量，在不同的地域会有所不同。正因为一个网关管理多个HNB，因此它必须具有一定的路由功能，这主要体现在下列业务中，网关必须要知道核心网发来的数据要往哪个HNB发，才能保证将数据发给正确的HNB。
1．2 信令处理功能
    信令在通信网中发挥着不可替代的作用，网关是用户跟核心网的中介，必须要具有信令的接收，处理和发送的功能。
1．3 编码转换和速率适配功能
    在GSM系统当中，在空口侧，由于无线频谱的紧张和无线信道的复杂性，空口侧的数据速率只有几Kb／s，十几Kb／s量级，GSM的TCH(Traffic Channel)信道有全速率(Full Rate，FR)，半速率(Half Rate，HR)，增强型全速率(Enhanced Full Rate，EFR)和自适应速率(Adaptive Muti-Rate，AMR)等，不同的方法具有不同的速率，也就是说在空口侧，用户发过来的数据的速率不是固定的，编码方法也不是固定的，而GSM的A接口现在大部分的运营商还没有进行IP化的改造，数据是通过E1承载的，而系统给每个用户分配的资源是某一路E1的某个时隙(TimeSlot)，而E1的时隙速率是恒定的(PCM编码方式，64 Kb／s)，因此网关要具有编码转换和速率适配的功能。
1．4 数据转接功能
    网关Abis口采用的是全IP化的结构，数据和信令都是通过IP方式承载的，而A接口，数据是通过E1线承载的，因此网关要具备数据的转接功能。

2 基于Femto的GSM网关的设计
    本文所设计基于Femto的GSM网关框图如图2所示，可分为接入模块、信令模块、编码转换和速率适配模块、转换模块。

2．1 接入模块
    接入模块是网关内部与HNB直接相连的惟一模块，它主要负责数据的识别和转发，Abis口传输有信令和数据，但信令和数据在网关内部走的路线不一样，因此接入模块必须具备数据的甄别能力，再根据判别的结果进行转发，本文设计的Abis口协议栈。如图3所示。

    基于IP化结构上，信令与数据是通过不同的传输层协议承载的，信令是通过SCTP协议承载，而数据是通过UDP协议承载的。因此对每一个HNB发来的IP包，接入模块很容易判别出是信令包，还是数据包。接入模块的SCTP是作为服务端存在的，会在一个固定的端口侦听，每一个正常的呼叫请求都会建立一个SCTP偶联，用来传输在整个通话过程中的信令，在接入模块内部，要维护2个映射表，在控制面(信令)，具体到一个用户(UE)，Abis口侧的SCTP偶联与到信令模块的SCTP偶联的对应关系。相当于给这个用户建立Abis口侧的信令的通路；在数据面，Abis口侧的HNB的IP地址和UDP端口与到编码转换速率适配单元的UDP端口的映射，相当于给这个用户建立Abis口侧的数据通路，对应的映射关系如图4所示。

2．2 信令模块
    信令模块是整个网关的“大脑”，指挥着各个模块的工作，它负责信令的处理和生成。A口控制面协议栈如图5所示，结合图2的Abis口协议栈可以看出，信令模块主要处理BSSAP(Base Station Subsystem Application Part)消息，HNBAP(Home Node B Application Part)消息等。

2．3 编码转换和速率适配模块
    编码转换和速率适配模块是专门用于数据处理的一个模块。由于在GSM系统当中，Abis口用户的语音数据有全速率，增强型全速率，半速率和自适应速率等类型，且每种类型的数据速率也不一样。而在A接口侧，给每个用户的信道是一路E1的某一个时隙，它的速率是固定的64 Kb／s，因此需要一个专门的模块用来处理这个任务，编码转换和速率适配模块就是为此而设它能根据信令模块的通知为一个用户在两侧建立好数据通路，由信令模块告知每个用户的编解码方式，使得这个模块能根据不同用户的数据类型而选择合适的编解码算法进行速率的适配。在这个模块内部要维护一个映射表，对每一个UE来说，到接入模块要用一个端口，到转接模块要用到一个ITDM的通道，因此，在数据面上，存在这两者之间的映射关系如图6所示。

2．4 转接模块
    转接模块和编码转换速率适配模块之间的数据是通过ITDM协议传输，ITDM协议是一种内部的TDM协议，它以帧的形式传输TDM的数据，ITDM协议中有通道的概念，每一个双向通道可以用来传输一个用户的数据，因此，在编码转换速率适配模块和转接模块之间不同用户之间的数据复用是通过ITDM协议中的通道实现的。在A接口侧，分配给某一个用户的资源是某一路E1的某一个时隙(TimeSlot)，因此在转接模块内部要维护一个映射表，它是A口侧的某一路E1的某一个时隙与网关内部的某一个ITDM通道的对应关系，如图7所示。A接口上，具体把哪路E1的哪个时隙分配给请求的用户是由核心网分配的，它们同时存在于一个叫CIC的变量里，会通过信令传给网关。转接模块是网关与核心网直接相连的模块，它必须要支持信令的传输，从A接口的协议栈可以看出，A接口采用的是传统电信网络中非常流行的7号信令系统，因此转接模块要集成MTP2，MTP3和SCCP协议。从信令时隙读取的信令要通过网关内部与信令模块的连接发给信令模块，从而指挥整个系统的工作。

3 GSM网关的实现
    本文GSM网关的实现采用ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture)平台，ATCA是为下一代融合通信及数据网络应用提供的一个高性价比的，基于模块化结构的、兼容的、并可扩展的硬件架构。它是一种开放式标准硬件平台，现已被100多家公司采用。
    ATCA机箱通常有5U和12U两种类型，5U机箱上的槽位有6个，12U机箱上的槽位有14个。不同的机箱由于插上的板卡的数量不同，运算能力和系统的容量也有很大的差异，需要根据的具体的需求选用。ATCA上常用的板卡有2210，0040，7220和1200。每种板卡有不同的用途，性能各异。其中2210是交换板，负责其他的应用板卡之间的数据的通信；0040俗称信令板，主要用于处理与信令相关的模块；7220俗称数据板，它有很强大的数据处理能力。
    本文采用5U的ATCA机箱来进行GSM网关的实现，因为本文所设计的网关是基于Femto架构下设计的，因此系统的容量不是很大。所设计的网关各个模块采用的板卡如下：接入模块采用7220板；编码转换速率适配模块采用1200板；信令模块采用0040板；转接模块采用1200板。最后设计的GSM网关在实验室可打通电话，通过主观评价，语音质量达到商用标准。

4 结语
    本文所设计实现的基于Femto架构的GSM网关，它的系统容量不是要求很高，但具有扁平化的设计思想，能充分发挥Femto架构的优势。通过进一步开发上网功能，可使产品具有较大实际应用价值。