張萃珍，劉敬盼，劉 莉，饒連周

（1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.中國移動（深圳）有限公司，廣東 深圳 518048；3.三明學(xué)院 信息工程學(xué)院，福建三明 365004）

基于開源項目的GPRS系統(tǒng)的設(shè)計研究

張萃珍1，劉敬盼2，劉 莉3，饒連周1

（1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.中國移動（深圳）有限公司，廣東 深圳 518048；3.三明學(xué)院 信息工程學(xué)院，福建三明 365004）

設(shè)計了一個基于開源項目GPRS系統(tǒng)。主要是基于升級的OpenBTS項目，并且引入OpenBSC和OpenGGSN的項目來處理分組業(yè)務(wù)。對現(xiàn)有OpenBTS系統(tǒng)進行了軟件升級，包括實現(xiàn)具有全功能的軟件PCU，重新配置通道資源，添加或修改必要的控制消息等。本工作有助于OpenBTS項目的開發(fā)和其應(yīng)用程序的擴展。

GPRS;PCU;OpenBTS;OpenBSC;OpenGGSN

GPRS（general packet radio service）是通用無線分組服務(wù)系統(tǒng)的簡稱，其涵蓋從56～114 kbps的數(shù)據(jù)速率和用于移動電話和計算機用戶到因特網(wǎng)的持續(xù)連接。GPRS是基于GSM(global system for mobile communications全球移動通信系統(tǒng))并對現(xiàn)有服務(wù)進行補充。它用于移動互聯(lián)網(wǎng)，多媒體消息服務(wù)和其他數(shù)據(jù)通信。在理論上，自從通信信道共享使用以來，用戶使用GPRS分組服務(wù)比電路交換服務(wù)更便宜。由于數(shù)據(jù)速率更快，因此移動用戶可以更輕松地使用應(yīng)用程序。 隨著GPRS已經(jīng)變得更廣泛可用，連同其他2.5G和3G服務(wù)，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的移動用戶已經(jīng)能夠通過無線訪問專用網(wǎng)絡(luò)，而不用通過固定的撥號連接。

基于OpenBTS(ppen base transceiver station）項目和其他開源項目，構(gòu)建了一個基于軟件的GPRS系統(tǒng)，它可以作為一種新型蜂窩網(wǎng)絡(luò)安裝和操作，相比當(dāng)前技術(shù)，大大降低了成本（約1/10），并且仍然與當(dāng)前市場上的部分手機兼容。由于比傳統(tǒng)GPRS系統(tǒng)低得多的成本和更低復(fù)雜性的原因[1]，本研究可以應(yīng)用于在發(fā)展中國家的偏遠(yuǎn)地區(qū)和蜂窩部署中的專用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。此外，OpenBTS可以很好地支持GPRS和EDGE（enhanced data rate for GSM evolution），這也是通過通用軟件無線電外設(shè)與Unix應(yīng)用程序來實現(xiàn)完整的GPRS系統(tǒng)。

1 技術(shù)基礎(chǔ)介紹

OpenBTS項目是工作的核心組件，它是一個開源的Unix應(yīng)用程序，使用軟件定義的無線電（如USRP,universal software radio peripheral，通用軟件無線電外設(shè)）向標(biāo)準(zhǔn)GSM手機提供GSM空中接口。它運行在 GNU Radio(開源軟件無線電)上，并使用軟件用戶交換機（如Asterisk）連接呼叫。OpenBTS是具有會話發(fā)起協(xié)議（SIP）網(wǎng)絡(luò)接口和集成的無線電資源管理功能的GSM網(wǎng)絡(luò)側(cè)協(xié)議棧，與傳統(tǒng)的GSM系統(tǒng)相比，OpenBTS將其運營商網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施從基站收發(fā)信機（BTS，base transceiver station）向上取代。代替將呼叫流量轉(zhuǎn)發(fā)到運營商的移動交換中心（MSC,mobile switching centre），通過經(jīng)由SIP和IP語音（VoIP）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到Asterisk PBX上，在同一個終端上終止呼叫。OpenBTS是一個全軟件系統(tǒng)，包括一個軟件定義的無線電，提供了完整的源代碼并可移植到任何POSIX(portable operating system interface of UNIX，可移植操作系統(tǒng)接口),環(huán)境，它是高度可配置的，并允許客戶通過其他接口實現(xiàn)定制功能。標(biāo)準(zhǔn)的OpenBTS是基于修改的USRP無線電硬件和安裝了軟件GNU Radio和Astersik PBX的個人計算機來實現(xiàn)。

USRP是一種硬件設(shè)備，使工程師能夠快速設(shè)計和實施強大、靈活的軟件無線電系統(tǒng)。整個USRP設(shè)計是開源的，包括原理圖、固件、驅(qū)動程序，甚至FPGA和子板設(shè)計。用于GPRS系統(tǒng)實現(xiàn)的USRP設(shè)備是能夠托管多個子板的通用主板。對于實現(xiàn)在900MHz頻帶中進行發(fā)射是必要的。因此，需要兩個RFX900子板，一個用于發(fā)射，另一個用于接收。這兩個板都連接到帶有VERT-900天線的雙工器上。

GNU Radio是一個開源的軟件無線電平臺。這個項目的主要思想是將所有硬件問題轉(zhuǎn)換為軟件問題。當(dāng)與開源USRP硬件結(jié)合時，它提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境來創(chuàng)建自己的無線電，處理所有的硬件接口，多線程和可移植性問題。

Asterisk是用于構(gòu)建通信應(yīng)用的開源框架。Asterisk將普通計算機變成通信服務(wù)器，它可以配置為IP或混合PBX的核心，切換呼叫，管理路由，啟用功能，以及將呼叫者與外部世界連接。

此外，為了構(gòu)建GPRS系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)，需要開源項目OpenBSC和OpenGGSN。OpenBSC是BSC（Base Station Controller，基站控制器）的A-bis協(xié)議實現(xiàn)。Osmo SGSN(serving GPRS support node, GPRS服務(wù)支持節(jié)點)也可拼寫成osmo-sgsn，它是OpenBSC分布式版本控制系統(tǒng)存儲庫的一部分[2]。它是GPRS服務(wù)GPRS支持節(jié)點（SGSN）的自由軟件實現(xiàn)。因此，它實現(xiàn)了GPRS移動性管理和會話管理（SM,session management）。

會話管理OpenGGSN(gateway GPRS support node，網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點)是GPRS支持節(jié)點的開源實現(xiàn)。它被移動運營商用作互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的其余部分之間的接口。OpenGGSN提供3個組件：gtplib，ggsn和sgsnemu。gtplib是包含與GPRS通道協(xié)議（GTP）協(xié)議相關(guān)的所有功能的庫。ggsn實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點（GGSN），但是缺少諸如計費和管理的功能。但是，它不會影響使用此應(yīng)用程序來構(gòu)建自己的GGSN[3]。本實驗沒有使用sgsnemu模擬一個SGSN。

在研究中，USRP2是更合適的，因為與以太網(wǎng)連接它能提供高帶寬，高動態(tài)范圍處理能力。

2 設(shè)計過程

2.1 全局協(xié)議棧

基于現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)，為了構(gòu)建基于分組的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，引入了幾個新的網(wǎng)絡(luò)元件，例如PCU，SGSN和GGSN來處理分組業(yè)務(wù)。基本的GPRS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。用于用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)腉PRS協(xié)議棧如圖2所示。

圖1 基本的GPRS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

圖2 GPRS傳輸平面協(xié)議棧

本研究中，BSS（base station subsystem）僅包括一個BSC（base station controller），并且BSC現(xiàn)在僅管理一個BTS。BSS是基于OpenBTS實現(xiàn)的，因為OpenBTS包含BSS具有的必要功能。在常規(guī)GPRS系統(tǒng)中，分組控制單元（PCU）是BSC的硬件升級，其為BSS分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供物理和邏輯數(shù)據(jù)接口。然而，我們希望通過OpenBTS的軟件升級來實現(xiàn)軟件PCU。對于PCU的實現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)添加RLC/ MAC功能，并且BSSGP（BSS-GPRS Protocol）和NS層可以從SGSN移動，如圖2所示。

GPRS核心網(wǎng)[4]由兩個新的組件SGSN和GGSN組成。SGSN可以被視為分組交換MSC（Mobile Switching Centre)，它執(zhí)行移動性管理功能，例如移動用戶連接/分離和位置管理。GGSN充當(dāng)GPRS系統(tǒng)和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。SGSN和GGSN分別由第1節(jié)中介紹的OsmoSGSN和OpenGGSN實現(xiàn)。

Gb[5]和Gn是位于BSS和 SGSN，SGSN和GGSN之間的接口。對于OpenBTS，OsmoSGSN，OpenGGSN可以安裝在普通的個人計算機上，筆者使用UDP來模擬Gb和Gn接口。

2.2 空中接口

在GSM中，業(yè)務(wù)信道(TCH,traffic channel)旨在在電路交換模式中攜帶編碼的語音或用戶數(shù)據(jù)。如在GPRS中，分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道（PDTCH,packet data traffic channel）類似于TCH，因為它也使用一個物理時隙。GPRS使用52復(fù)幀結(jié)構(gòu)。空閑幀24和51用于允許移動臺執(zhí)行對相鄰小區(qū)的信號強度測量。幀12和38用于定時提前計算。52復(fù)幀中的所有其他幀被收集到12個四個幀（每幀一個突發(fā)）的塊中，這是發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的最小單位。

在OpenBTS項目中，可以靈活配置通道。在8個時隙中，時隙0被配置為信道組合類型5，時隙1被配置為信道組合類型7，時隙2至6被配置為信道組合類型1，時隙7是空閑的。將空閑時隙配置為信道組合類型13。信道組合類型13是PDTCH，PACCH(packet associated control channel，分組隨路控制信道)和PTCCH(Packet Timing Control Channel，分組定時控制信道)的組合。PDTCH用于在上行鏈路或下行鏈路傳輸期間傳輸分組數(shù)據(jù)。PACCH用于在上行鏈路或下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸期間攜帶信令消息。PTCCH用于發(fā)送定時提前信息。對于簡化的GPRS系統(tǒng)，諸如PCCCH（packet common control channel，分組公共控制信道），PBCCH（packet broadcast control channel，分組廣播控制信道）的其它邏輯信道不需要配置。

使用GMSK(gaussian filtered minimum Shift Keying，高斯最小頻移鍵控)調(diào)制的全速率PDTCH以對應(yīng)于4種編碼方案的9.05～21.04 kbps的瞬時比特率攜帶信息。CS-1提供最低數(shù)據(jù)速率，而CS-4提供最高數(shù)據(jù)速率。CS-2和CS-3分別提供13.4和15.6 kbps的數(shù)據(jù)速率。編碼方案CS-2到CS-4對于GPRS網(wǎng)絡(luò)不是強制性的。通過在下行鏈路消息立即分配中配置CHANNEL_CODING_COMMAND參數(shù)來使用CS-1編碼方案來設(shè)置物理層。因此，基于OpenBTS項目的物理層，實現(xiàn)了GPRS，而不改變編碼方案的任何部分。為了進一步研究，將編碼方案CS-2固定到CS-4。

2.3 RLC/MAC功能

如圖2所示，希望構(gòu)建一個基于OpenBTS的GPRS支持的BSS項目，已經(jīng)配置了上面的物理層，需要做的是添加RLC/MAC功能。

無線電鏈路控制（RLC，radio link control）功能用作允許在LLC(logical link control，邏輯鏈路控制)層和MAC功能之間傳送邏輯鏈路控制（LLC）層PDU(protocol data unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)的接口原語。RLC功能定義了將LLC PDU分割為RLC數(shù)據(jù)塊和通過RLC數(shù)據(jù)塊重新組裝LLC PDU的過程，并且類似地定義了將RLC/MAC控制消息分割為RLC/MAC控制塊和重組RLC/來自RLC/MAC控制塊的MAC控制消息。分段和重組操作過程嚴(yán)格根據(jù)3GPP TS 04.60第9章的規(guī)范來實現(xiàn)。

此外，反向糾錯過程使得能夠在RLC功能中重傳RLC數(shù)據(jù)塊。RLC ARQ(automatic repeat request，自動重復(fù)請求協(xié)議)功能支持兩種操作模式：RLC確認(rèn)模式和RLC非確認(rèn)模式。RLC確認(rèn)模式操作使用RLC數(shù)據(jù)塊的重傳，并且RLC非確認(rèn)模式操作不使用。本研究RLC模式默認(rèn)為RLC確認(rèn)模式，以實現(xiàn)RLC數(shù)據(jù)塊的高可靠性傳輸。根據(jù)該規(guī)范，上行鏈路TBF的RLC模式通過配置分組資源請求或分組下行鏈路ACK/NACK消息中的RLC_MODE位來設(shè)置;通過配置分組下行鏈路指配或分組時隙重構(gòu)消息中的RLC_MODE位來設(shè)置下行鏈路TBF的RLC模式。

MAC功能定義了使多個移動站共享公共傳輸介質(zhì)的過程，其可以由幾個物理信道組成。它使用時隙ALOHA原理用于同時嘗試接入BTS的多個移動站的競爭解決。為了使MS（或BSS）在上行鏈路（或下行鏈路）方向上傳送數(shù)據(jù)，在兩個RLC/MAC實體之間建立稱為臨時塊流（TBF，Temporary Block Flow）的物理連接。GPRS采用兩種機制建立上行鏈路TBF：一階段接入和兩階段接入過程。PCU決定用于TBF建立的接入過程，即使MS可以請求這兩個過程中的任一個。當(dāng)使用RLC確認(rèn)模式時，兩階段接入過程在工作中不是必需的。分組接入應(yīng)在CCCH（common control channel，公共控制信道）上進行，因為我們還沒有配置PCCCH。

GPRS系統(tǒng)支持3種媒體接入模式：動態(tài)分配，擴展動態(tài)分配和固定分配。根據(jù)規(guī)范，所有支持GPRS的網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)支持動態(tài)分配模式和固定分配模式。在工作中，我們選擇使用動態(tài)分配模式。在動態(tài)分配模式中，移動臺解析每個下行鏈路RLC/MAC塊的USF（uplink state flag，上行鏈路狀態(tài)標(biāo)志）值，以作出是否允許在分配的PDCH上的下一個塊或下一個四個塊的組上發(fā)送數(shù)據(jù)的決定。通過在PACKET DOWNLINK ASSIGNMENT中配置MAC_MODE參數(shù)或在我們的工作中配置PACKET UPLINK ASSIGNMENT消息，將介質(zhì)訪問模式設(shè)置為動態(tài)分配。

2.4 BSSGP和NS層

BSSGP控制在SGSN和MS之間交換的LLC PDU的傳送。它還提供SGSN和BSS之間的功能管理。如圖2所示，可以看到BSS和SGSN都有BSSGP和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層。在SGSN中，BSSGP層與LLC層上行連接，而PCU中的BSSGP層通過中繼與RLC連接。這兩個BSSGP層的接口定義是不同的，但是BSSGP和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層在兩側(cè)的功能是相同的，因為對等層的功能在計算機網(wǎng)絡(luò)中幾乎相等。在我們的工作中，OsmoSGSN用于實現(xiàn)簡化的SGSN。因此，可以簡單地通過簡單的接口修改從OpenBSC移植BSSGP和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的代碼。

3 測試結(jié)果

本文設(shè)計的GPRS系統(tǒng)主要的硬件設(shè)備就是Ettus的通用軟件無線電平臺USRP（universal softwareradio peripheral），如圖3。USRP通過USB接口與標(biāo)準(zhǔn)PC機連接，并在PC機上運行系統(tǒng)。軟件平臺采用Ubuntu Server 14.04的Linux系統(tǒng)，內(nèi)核版本是3.13。GPRS系統(tǒng)的軟件運行在通用雙核CPU和雙網(wǎng)卡。雙網(wǎng)卡中一塊與硬件USRP板相連，另一塊與Internet網(wǎng)絡(luò)相連。測試環(huán)節(jié)，本文使用三星GT-S7520U作為測試手機，可以輸出RLC/MAC層數(shù)據(jù)，使用TEMS工具進行獲取，可隨時監(jiān)測MS數(shù)據(jù)發(fā)送和接收情況；筆記本可通過手機藍(lán)牙功能連接Internet。手機開機后，首先進行IMSI附著過程，然后觸發(fā)GPRS附著規(guī)程，GPRS附著流程成功后，手機上將會顯示G的標(biāo)志，GPRS附著流程如圖4。手機進行GPRS附著后，進行了周期性RA更新（SGSN網(wǎng)元運行結(jié)果）如圖5所示。

圖3 USRP硬件板

圖4 GPRS附著流程

圖5 路由更新過程

筆記本連接手機，通過手機連接Internet，想要登錄wap.baidu.com，在這個過程中，手機需要進行GPRS附著規(guī)程、PDP上下文激活規(guī)程、路由更新規(guī)程，最終，可以打開網(wǎng)頁，進行網(wǎng)上沖浪。 測試過程把整個系統(tǒng)運行起來，使用測試手機，進行正常狀態(tài)下的GPRS系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程測試。最終筆記本連接測試手機，通過GPRS系統(tǒng)順利與Internet進行通信。

4 結(jié)語

設(shè)計了一個基于幾個開源項目的GPRS系統(tǒng)，系統(tǒng)包含GPRS系統(tǒng)的基本功能。實現(xiàn)了一個軟件PCU，通過軟件升級到現(xiàn)有的OpenBTS系統(tǒng)以支持GPRS接入。此外，還引入了OpenBSC和OpenGGSN項目來構(gòu)成GPRS核心網(wǎng)絡(luò)。測試結(jié)果驗證了驗證了系統(tǒng)的實用性和魯棒性。由于它的低成本和低復(fù)雜性，但服務(wù)卻是有效的，可廣泛應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的個人網(wǎng)絡(luò)和發(fā)展中國家的蜂窩部署。

［1］袁峰．基于ip網(wǎng)絡(luò)的集群調(diào)度系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］．長沙：湖南大學(xué)，2009．

［2］石增輝，亓富軍，牟軍，等．GPRS無線通信系統(tǒng)設(shè)計［J］．通信電源技術(shù)，2014，31（5）：:58-60.

［3］張德宇．基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計研究［J］．通信設(shè)計與應(yīng)用，2016（17）：15．

［4］彭文英.GPRS核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信令優(yōu)化方法的研究與實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2011.

［5］羅鵬，向程超，胡汝榮.GPRS網(wǎng)絡(luò)中Gb接口信令監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].廣東通信技術(shù)，2013（7）：23-27.

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Research on the Design of GPRS System Based on Open Source Projects

ZHANG Cui-zhen1，LIU Jing-pan2，LIU Li3，RAO Lian-zhou1
（1.School of Mechanical and Electronic Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China 2.China Mobile(Shenzhen)Corporation,Shenzhen 518048,China 3.School of Information Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China）

A GPRS system based on several open source projects is designed in this paper.The traditional GPRS system is an upgrade to the GSM network,while our GPRS system is mainly based on an upgraded OpenBTS project.Meantime,projects of OpenBSC and OpenGGSN are introduced to handle packet traffic.In this paper,a software-only upgrade to the existing OpenBTS system is made,including implementing a software PCU with full function,reconfiguring channel resources,adding or modifying necessary control messages,etc.The work conducted in this paper is helpful to the development of OpenBTS project and expansion of its applications.

GPRS;PCU;OpenBTS;OpenBSC;OpenGGSN

TN929.5

A

1673-4343（2017）02-0042-05

10．14098／j．cn35－1288／z．2017．02．008

2017-02-17

福建省科技廳重點項目（2014H0004）

張萃珍，女，福建三明人，助教。主要研究方向：無線通信技術(shù)。