涂繼輝，蘇麗秋

（1.長江大學 電信學院，湖北 荊州 434023；2.鶴壁職業(yè)技術學院 電子信息工程學院，河南 鶴壁 458030）

全球移動通信系統(tǒng)（GSM）是移動通信中最成熟的系統(tǒng)之一，因此GSM的移動通信實驗平臺的建設與開發(fā)對于提高通信類課程教學質量、讓學生了解移動通信理論和架構以及理論聯(lián)系實際具有重要的意義［1］。目前國內大多數(shù)高校使用的移動通信實驗系統(tǒng)分為3類：第1類是一些教學設備廠家開發(fā)的移動通信實驗箱，移動基站主要靠中國移動或者中國聯(lián)通的基站，而且這類實驗平臺大多都只是停留在移動終端的學習，無法了解移動基站的網(wǎng)絡架構，也無法進行二次開發(fā)，因此不能完全滿足移動通信的實驗教學［2－3］；第2類是由中興、華為公司等開發(fā)的商用移動通信系統(tǒng)構成，該類實驗平臺雖然具有和實際應用結合緊密、功能全面和封閉性好等特點，但價格昂貴，系統(tǒng)部署困難，升級難度大，不利于教學；第3類是高校自己研發(fā)的仿真實驗，雖然能夠讓學生了解通信的原理和編碼，但是與實際的真實通信系統(tǒng)有一定差別，學生無法了解真正的移動通信的架構和原理［4－5］。針對目前的現(xiàn)狀，本文在深入分析移動通信理論的基礎上，提出了符合實際教學需要、基于OpenBTS和Asterisk的移動通信實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)具有完整的移動通信的體系架構和完善的二次開發(fā)功能，學生可以直觀了解移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構并可進行二次開發(fā)。同時由于該實驗系統(tǒng)相對于商用移動通信系統(tǒng)價格低廉，整個實驗平臺通過web進行管理，每個實驗小組都可以單獨對移動基站進行配置和管理，這也增加了每個學生參與實驗的機會。因此該實驗系統(tǒng)為學生學習移動通信提供了很重要的實驗環(huán)境。

1 OpenBTS和Asterisk簡介

OpenBTS［6－8］是 在 開 源 軟 件 無 線 電 GNU Radio基礎上開發(fā)的一種軟件GSM基站系統(tǒng)，它能夠通過通用軟件無線電設備（USRP）來實現(xiàn)與GSM手持端的空中接口（Um），并通過開源的軟交換系統(tǒng)Asterisk進行語音業(yè)務的數(shù)據(jù)交換。目前，OpenBTS已經(jīng)作為移動通信系統(tǒng)在美洲一些人口密度低的地區(qū)商用化，未來OpenBTS在移動定位技術、3G技術等方面有很強的擴展性。

Asterisk［9－10］是 Digium 公司贊助開源開發(fā)的、運行在Linux環(huán)境下的軟交換解決方案，是為企業(yè)通信量身定做的“媒體交換機”。它的主要特點有［9－10］：一是支持多種主流的VoIP協(xié)議，包括會話初始協(xié)議（session initiation protocol，SIP）、H.323（國際電信工業(yè)會的一種標準）、IAX（Inter－Asterisk x－Change）、媒體網(wǎng)關控制協(xié)議（MGCP－Media Gateway Control Protocol）等；二是提供了完善的PBX功能，可以連接普通電話機、IP電話機和軟電話等多種不同的電話終端，支持多種主流的IP電話協(xié)議的語音網(wǎng)關，提供如語音信箱、會議電話、交互式語音提示和自動電話轉接等以前只有昂貴的專業(yè)PBX系統(tǒng)才支持的功能；三是提供了強大的二次開發(fā)功能，提供了豐富的底層接口函數(shù)和二次開發(fā)的框架，用戶能很方便在此基礎上進行靈活的二次開發(fā)，實現(xiàn)極具個性的軟交換增值業(yè)務功能。

利用OpenBTS和Asterisk實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)有如下考慮：

（1）OpenBTS是個基于GSM的開源移動基站解決方案，在實驗教學中有利于學生對移動基站的網(wǎng)絡架構和原理有直觀的了解。另外，開源的解決方案既不會涉及版權問題，也大大降低實驗系統(tǒng)的費用；

（2）OpenBTS用于信令和語音交換的開源交換系統(tǒng)Asterisk提供了強大的完善的PBX功能，有利于學生了解移動交換的網(wǎng)絡結構、基本通話流程和實用有趣的增值業(yè)務功能，有利于調動學生實驗的積極性；

（3）OpenBTS用于信令和語音交換的開源交換系統(tǒng)Asterisk具有強大的二次開發(fā)功能，實驗中學生可以充分發(fā)揮自己的想象力，實現(xiàn)一些豐富多彩的增值業(yè)務，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

2 實驗系統(tǒng)的設計

2.1 移動通信實驗系統(tǒng)整體結構

OpenBTS和Asterisk作為開源移動通信的解決方案，雖然具有完善的體系結構和強大的功能，但直接作為移動通信實驗系統(tǒng)會存在如下問題：一是作為開源系統(tǒng)的OpenBTS和Asterisk系統(tǒng)配置參數(shù)較多且復雜，不利于使用；二是處于Linux運行環(huán)境的Asterisk沒有完善的二次開發(fā)環(huán)境，進行二次開發(fā)較為困難。因此，如果用它來面向移動通信實驗課程的教學，需要對其進行改造，添加一些人性化的外圍控制和管理界面，同時配備實驗需要的輔助軟件。

本文基于OpenBTS和Asterisk設計的實驗系統(tǒng)整體結構如圖1所示，由移動交換系統(tǒng)、網(wǎng)絡交換機、基站和手機等組成，包含了移動通信終端的入網(wǎng)、呼叫控制、管理、計費和各種增值業(yè)務等功能。整個實驗系統(tǒng)通過Web頁面進行配置和管理，操作起來簡單方便。同時為了讓學生更加直觀地理解GSM中的通信流程，實驗系統(tǒng)利用Wireshark監(jiān)聽和分析GSM協(xié)議。為了便于學生進行二次開發(fā)，對Asterisk中常用于二次開發(fā)的函數(shù)進行了歸納和說明，搭建出了二次開發(fā)模塊的框架，并實現(xiàn)了一個獨立編譯二次開發(fā)模塊的腳本文件。本文只畫出了單個移動交換系統(tǒng)下帶有多個基站的情況，如果需要，可以擴展為多個移動交換系統(tǒng)并互聯(lián)，移動交換系統(tǒng)下帶有多個基站。

圖1 移動通信實驗系統(tǒng)整體結構圖

2.2 移動系統(tǒng)的設計

移動通信系統(tǒng)分為兩部分：一部分是移動基站系統(tǒng)，另一部分是移動交換系統(tǒng)。移動基站系統(tǒng)通過OpenBTS軟件部分和軟件無線電外設USPR來實現(xiàn)。OpenBTS主要模塊有無線電收發(fā)器、OpenBTS協(xié)議棧、短信平臺和系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫。移動交換系統(tǒng)通過Asterisk來實現(xiàn)，Asterisk多數(shù)模塊都可以在運行時通過動態(tài)模塊加載器加載并初始化，用戶可以根據(jù)實際需要動態(tài)增加和減少相應的模塊。Asterisk系統(tǒng)主要分為4個部分：Asterisk內核部分、文件管理部分、編碼部分和上層應用部分。

OpenBTS已經(jīng)能完成移動通信基站的基本功能，為了使OpenBTS滿足移動通信實驗的需要，本文對OpenBTS做了如下改造：OpenBTS的數(shù)據(jù)配置和管理主要是利用SQLite數(shù)據(jù)庫，本文通過增加Web模塊部分主要面向用戶使用，用戶可以通過Web界面對OpenBTS進行配置和控制；OpenBTS缺少中文短信編碼，因此在OpenBTS中添加中文短信編碼來方便通過Web進行中文短信的收發(fā)，或者在手機入網(wǎng)時，發(fā)送中文短信歡迎詞。OpenBTS改造后的系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 OpenBTS的系統(tǒng)結構

Asterisk整體結構和功能比較完整，為了便于移動通信實驗的需要，本文對Asterisk做出了如下改造：

（1）外圍添加了如圖3所示的模塊，Asterisk早期版本數(shù)據(jù)配置和管理主要是文本方式，通過添加數(shù)據(jù)庫接口模塊把數(shù)據(jù)配置和管理變?yōu)閿?shù)據(jù)庫方式，DB數(shù)據(jù)庫主要利用MySQL數(shù)據(jù)庫幫助存儲系統(tǒng)相關的配置和數(shù)據(jù)，Web模塊部分主要面向用戶使用，用戶可以通過Web界面對Asterisk進行配置和控制。

圖3 Asterisk系統(tǒng)結構圖

Web模塊結構圖如圖4所示：控制模塊主要負責系統(tǒng)的的啟動、關閉和重啟；號碼管理模塊主要負責移動通信系統(tǒng)的號碼的管理；狀態(tài)顯示模塊負責移動號碼的各種狀態(tài)的實時顯示；話單記錄模塊負責話單記錄的管理；系統(tǒng)對接模塊負責移動交換系統(tǒng)之間的互通；短信功能負責通過web向某個手機發(fā)送短信。

（2）為了實現(xiàn)和真實移動通信網(wǎng)絡中相同的業(yè)務，本文利用Asterisk模塊化的特點，在它的基礎上實現(xiàn)了3個增值業(yè)務模塊，分別是：呼叫控制管理模塊、短信查詢話費模塊、IVR導航模塊。其中呼叫控制管理模塊負責用戶預付費認證、通話控制、呼叫轉移和記錄話單；短信查詢話費模塊實現(xiàn)了利用特服號碼查詢用戶的話費余額，并以短信方式發(fā)送給用戶；IVR導航模塊負責自動人工臺的服務。3個增值業(yè)務模塊的設計流程如圖5—圖7所示。

圖4 Web模塊結構

圖5 呼叫控制流程圖

2.3 信令分析設計

OpenBTS有比較完善的日志信息，方便用戶在使用的過程中了解系統(tǒng)運行情況。這些日志信息中包含了系統(tǒng)的狀態(tài)信息、錯誤信息和信令信息，其中的信令信息可以用于學生在做實驗的過程中了解移動通信中GSM信令的流程。但是由于OpenBTS的日志信息只能在本地輸出，不利于學生的查看。為了方便學生查看OpenBTS中的GSM 信令流程［11］，對OpenBTS做了如下修改：把OpenBTS的GSM信令通過UDP的方式向遠程某個主機進行遠程輸出；在遠程GSM信令主機上裝上Wireshark抓包軟件，在主機的特定端口上進行監(jiān)聽。通過這樣修改，學生在實驗中就可以很方便地在遠程主機上查看移動通信過程中GSM信令，并進行分析。

圖6 短信查費流程圖

圖7 IVR導航流程圖

2.4 二次開發(fā)的設計

移動通信的增值業(yè)務主要通過移動交換系統(tǒng)來完成，作為移動交換系統(tǒng)的Asterisk是一個模塊化很強的系統(tǒng)，允許第三方廠商開發(fā)基于Asterisk的應用程序，如電話會議以及語音郵件系統(tǒng)等，用戶可以根據(jù)自己的需要開發(fā)出許多新的應用程序，但它沒有完善的開發(fā)環(huán)境，如果讓學生直接在上面開發(fā)，會有很大的困難，為了讓學生在不了解Asterisk本身架構的前提下根據(jù)自己的想法開發(fā)出應用模塊，本實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了一個較為完善的開發(fā)環(huán)境，具體實現(xiàn)過程如下：

（1）對Asterisk的常用應用功能函數(shù)進行了歸納和總結，生成用于二次開發(fā)的函數(shù)庫的說明文檔。

（2）根據(jù)Asterisk的開發(fā)模式設計了應用程序開發(fā)的框架。應用程序包括應用申明和定義模塊、初始化加載模塊、應用執(zhí)行模塊和卸載模塊。應用申明和定義模塊主要是定義應用程序的應用名稱和說明，初始化加載模塊是在系統(tǒng)啟動的時候對其進行初始化，應用執(zhí)行模塊是在系統(tǒng)調用應用程序時完成執(zhí)行過程，卸載模塊是在系統(tǒng)退出的時候歸還所占用系統(tǒng)資源。為了能夠方便編譯出Asterisk特有的應用動態(tài)鏈接庫模塊，開發(fā)出用于獨立編譯應用模塊的Makefile［12］腳本文件。

（3）定義了如圖8所示的二次開發(fā)流程，要求學生：①根據(jù)自己的想法畫出二次開發(fā)的設計流程圖；②學生按照設計思路根據(jù)已有的程序框架和函數(shù)庫完成自己的設計程序代碼；③學生利用Makefile腳本對代碼進行編譯；④學生上傳自己功能模塊所需要的語音文件；⑤利用web頁面上的撥號規(guī)則配置頁面設置應用模塊對應的特服號碼；⑥重啟移動交換系統(tǒng)，對自己的程序進行測試和運行。

圖8 二次開發(fā)流程圖

3 實驗系統(tǒng)的測試

3.1 測試環(huán)境

（1）測試環(huán)境配置條件：①Asterisk 1.4.9，操作系統(tǒng) CentOS 5.2，數(shù)據(jù)庫 MySQL 5.0；②OpenBTS 2.6，操作系統(tǒng) Ubuntu 10.04，數(shù)據(jù)庫 SQLite 3.0；③用于組建局域網(wǎng)的神州交換機；④USRP軟件無線電硬件板；⑤手機3部，即三星（智能機）、HTC（智能機）和諾基亞（非智能機）。

（2）測試環(huán)境搭建：按照上述配置搭建測試環(huán)境，其結構如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)測試環(huán)境

3.2 測試結果

由于文章篇幅關系，只羅列出部分測試結果。圖10（a）為基站系統(tǒng)的web管理界面，可以通過web對系統(tǒng)進行控制（見圖10（b））。如圖10（c）所示，可以通過本實驗平臺設計的信令分析模式對GSM通信數(shù)據(jù)包的截獲。圖11（a）為移動交換系統(tǒng)的web管理界面圖，通過圖11（b）的頁面啟動移動交換系統(tǒng)，然后通過圖11（c）的頁面對實驗平臺的號碼進行配置，并對移動交換系統(tǒng)下的基站進行配置，最后實驗系統(tǒng)下的手機之間就可以互相通信，同時也可以互相發(fā)送短信，通話結束后如圖11（d）所示查看通話的記錄信息。

圖11 移動交換系統(tǒng)的管理截面圖

通過測試表明，學生可以通過web界面動手配置和控制移動基站及移動交換系統(tǒng)，然后完成手機的各種終端之間的互通以及短信收發(fā)等實驗，最后通過信令分析軟件了解GSM的通信流程。編程能力較強的學生也較為順利地在實驗系統(tǒng)上實現(xiàn)了二次開發(fā)。使用表明，系統(tǒng)功能正確，性能較好，能滿移動通信實驗教學的需要。

4 結束語

針對目前移動通信實驗的需要和存在的問題，本文提出了一種基于OpenBTS和Asterisk的移動通信實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)功能齊全，運行可靠，符合通信網(wǎng)絡的標準接口，不但可以讓學生完成移動通信實驗基本配置實驗、移動電話入網(wǎng)和通話、移動電話的短信通信、GSM信令的分析等基礎性實驗，而且可以完成如呼叫轉移、呼叫中心和短信查詢話費等智能業(yè)務的綜合性二次開發(fā)實驗。同時，相對于商用的移動通信設備具有價格相對較低，節(jié)省教學經(jīng)費。本實驗平臺已經(jīng)在長江大學電信學院的通信實驗室投入使用，收到了良好的效果。

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