GSM信令分析设备研制及GSM网络优化的研究.doc

gsm信令分析设备研制及gsm网络优化的研究摘要：信令分析设备是网络维护优化的一个平台，包括三个子系统：信令分析设备硬件平台、信令采集软件(信令提取软件相当于低层，信令解释软件相当于高层)和网络维护优化参数的提取。其中，信令分析设备的硬件平台和信令采集软件合起来就是一个信令采集设备。本文讨论了研制gsm信令分析设备的必要性及其应具备的基本功能，并提出了一种实现方案。在此基础上设计和实现了信令分析设备的硬件平台和信令提取软件。信令分析设备的基本功能满足广东移动通信局在运营过程中的实际需要。其硬件平台设计和软件设计是在对gsm移动网的网络结构和信令过程的研究的基础上提出的。文章也讨论了涉及到仪器实现的若干重要问题并给出解决方法。所有的这些问题都是在实践中遇到的，其解决方案也是在实践中得到了验证。网络的维护和优化必须有相关参数作为参考。文章提出了一些涉及网络维护优化参数的概念，给出了用于gsm网络维护优化的若干参数，并在对网络结构和信令过程研究的基础上，给出参数的提取途径、提取算法、软件的数据结构、软件系统组织和输出数据文件的组织。参数的提取是以信令采集设备为平台和在采集到的现场信令数据分析的基础上实现的。通过对现场场采集的数据进行处理，其结果基本反映了网络行为和用户的行为，对网络的维护优化有参考价值。现正在研制的gsm监视系统，是参数提取的一个典型的应用，现在已取得了阶段性的成果。gsm信令分析设备作为gsm移动通信网维护优化的平台，被清华大学电子工程系在国内率先研制成功，已经通过了广东移动通信局的鉴定，并开始在广东省gsm移动通信网得到应用。该仪器满足gsm系统的测试接口规范，具有低成本高性能的特点。在正常情况下，在连续4小时的测试中，其丢包率为0，优于国外的同类产品。关键词: 全球移动通信系统;信令测试;网络优化abstract:the paper gives a description of the implementation of a gsm signaling analyzing instrument, which is divided into three subsystems-the hardware platform, signaling gathering software and the extraction of the parameters of the maintenance and optimization of gsm networks. the solution of the whole system, the hardware platform design and gathering software design are presented on the basis of the research of gsm network architecture and signaling procedures. the article also supplies the resolution of the problems involved in the instrument implementation. the instrument meets the test interface requirements of the network and possesses the low cost. the loss rate of signaling messages reaches 0 in 4 hours under normal condition and is better than the foreign substitute in the market.the extraction of the parameters of the maintenance and optimization of gsm networks covers the notions, the extraction points, the extraction algorithms, data structures, software system architecture and the organization of output data files. all those are acquired by the research of the network architecture and the analysis of the signaling procedures and on the platform mentioned above. enough signaling data, gathered via the platform, are employed in the research of the extraction method. in addition, by feeding those data into the implemented software, some satisfied results have been obtained.the instrument is the leading instance in china and has achieved wide and highly effective application in gsm systems. zhao,wenheng directed by wang,jingkey words: gsm;signaling;network 目 录： 第一章 引言 11 gsm信令分析设备实现和网络维护优化参数提取的意义 12 从网络维护的角度看实现gsm信令分析设备和网络维护参数提取的必要性 13 论文的技术关键 14 论文所作的工作 第二章 gsm信令系统与接口 2-1 gsm系统的子系统 2-2 gsm系统各部分间的接口与协议 2-3 no.7号信令系统 第三章 gsm信令分析设备的实现方案和论证 31 gsm信令分析设备的功能要求 32 gsm数字移动系统的测试接口 33 信令分析设备的处理速度问题 34 gsm信令分析设备实现方案 35 gsm信令分析设备方案的论证 第四章 gsm信令分析设备硬件的设计 41 硬件设计的依据 42 硬件的电路设计 421信令测试卡应具备的功能及实现的方框图 422控制电路、信令缓存、与pc机接口的设计 423 e1接口电路的设计 43 问题讨论 第五章 gsm信令分析设备驻留在信令测试卡上的软件设计 51 软件结构的设计过程 52 软件的数据结构设计 53 软件设计中若干问题的讨论 第六章 网络维护优化参数的研究和提取 61 概述 62 参数的表征和分类 63 参数提取软件以及输出文件的组织 64 abis接口参数提取 65 a口参数提取 66 参数提取途径讨论 67 参数提取的结论和应用 第七章 信令分析设备的调试 第八章 系统的结论和应用 附录 参考文献第一章 引言 信令分析设备是网络维护优化的一个平台，包括三个子系统：信令分析设备硬件平台、信令采集软件(信令提取软件相当于低层，信令解释软件相当于高层)和网络维护优化参数的提取。 1.1 信令分析设备的实现和参数提取的意义 随着移动通信网的发展，对移动通信网的要求有了新发展。一方面，要求业务上能支持多媒体的业务；另一方面，要求网络上把无线接入网（ran）和核心网（cn）分开，使核心网与无线接入方式无关。作为移动网，它必须具备移动管理（如鉴权、加密、位置管理和越区切换等）、呼叫控制和维护管理等功能。由于用户数和业务量剧增，网络的规模也再增大，这就要求提高业务传输信道传输能力和利用率。对于有线传输能力的提高关系到固定网运营者的利益，而提高传输信道的利用率则关系到移动网运营者的利益，它与降低控制信道的开销有关。移动通信网发展必须考虑如何合理分配和利用无线资源、提高传输信道利用率和降低控制信道开销等问题。影响这些问题的一个关键因素是移动管理。gsm移动管理的现状是：对无线部分（ran）来说，位置区是由固定的小区构成，位置登录以位置区为单位进行。对一手机的一次寻呼在一个位置区内进行。移动交换机（msc）负责固定的若干个位置区内的所有移动通信进程，msc的管辖范围很大，多数的越区切换都在同一个msc的管辖下进行。手机被呼叫时的接续，无线部分的连接也在同一msc控制下完成。这样做的优点是设备与位置区固定对应，实现起来简单。缺点是无线控制信道的利用率不高，设备的有效利用率不高。首先，位置登录只在位置区内的边缘小区的bts进行，空间分布不均匀，导致有些小区的bts过忙，有些过空闲；其次，不管用户的移动性如何，寻呼总在固定大小的位置区内进行，开销较大。对有线部分（cn来说，手机被叫时，电信网首先把主呼叫方接到gmsc，由gmsc从数据库查询用户当前位置，经由hlr、vlr、msc、得到msrn（移动用户漫游码）。然后gmsc通过msrn把呼叫接到msc。此后呼叫由msc通过呼叫过程接通到手机。其中hlr、vlr构成两级数据库结构，msc和vlr常合二为一。为了适应未来移动通信网的发展要求，学术上有许多关于移动管理的最新方法。无线方面的新方法有：1位置区不是简单地在内地理区域固定划分，而是根据每一个用户的移动情况动态确定，即每个用户有自己特定的位置区，而且随时间变化，使得每个用户位置登录和寻呼的总开销最小；2寻呼由位置区的中心往外逐层进行，在得到手机响应后结束。这样常常不必寻呼整个位置区从而减少平均寻呼开销。这样的方法是以增加呼叫响应时间为代价的；3位置登录可以按特定门限进行。门限可以是前一次位置登录后的时间、越区次数或到前一次位置登录小区的距离。手机在移动中记录其中一个参数，当它超出给定门限后即进行一次位置登录。每个手机根据移动和呼叫的统计参数确定最佳门限，可以使位置登录和寻呼的平均开销最小。在有线方面的新方法有：1分布式数据库设在no.7信令系统的各个节点上；2在树形层次结构的网络上，从树根到移动用户所在处的每一个节点上都设有该用户的位置指针。移动台被叫时，接续从主叫节点循树由枝往根进行，遇到被叫位置指针后再由根往枝进行，直接接通用户当前所在的ran。3在一个手机经常被叫的主叫区域，增加该手机的位置指针，减少数据库的远程查询；4随着cn的传输带宽和速率的提高，可以用传输换取数据库查询次数的减少，提高服务性能；5移动通信的各类过程（鉴权加密、位置管理、越区切换、呼叫接续、维护管理等）有各种专用服务器分别控制，而不是由交换设备统一控制。一些学者建立了用户移动和呼叫的理论模型，并分析了在这些模型及其参数下采用新的移动管理方法后，网络性能所得到的改善。但由于缺少实用的研究平台，理论工作常常停留在假设和一些运营者的经验的基础上。为了使这些理论工作系统地深入下去，并把这些理论用于未来的移动通信系统的网络规划和移动管理，许多实际的工作必须去作： 1一个用于网络维护和优化的平台必须被建立。这个平台能够捕捉标志用户和网络行为的、在网络中传输的信令单元。 2一个体系完整的表征用户和网络行为的参数必须被提取。这些参数的研究途径,一是来源于网络运营商的信息;二是来源于对现有的移动通信系统的研究,特别是对无线资源的管理、移动管理和呼叫管理的研究；三是对现有的学术上的网络优化的新进展的研究；四是在1中提到的网络维护优化平台的基础上，实现对这些参数的软件提取；然后，把它用于网络的维护优化；在实践的基础上，过去的参数的模型和提取方法会不断地改进，新的参数会进一步被提取，逐渐形成网络维护优化参数的完整体系。 3系统的完备的反映网络行为和用户行为的数据必须被采集。这里的数据包括两个层次，一是未经处理的原始信令数据，如1中提到的平台采集的数据；二是用2中提到的参数提取软件对原始信令数据进行处理后而得到的统计数据网络维护优化参数。1中的平台和2的参数提取软件合起来就是一个功能强大的用于网络维护优化的理论研究和实践的工具。4建立适合我国实际的用户行为的统计模型及其参数以及设计适合我国实际的网络结构的统计模型，然后进一步研究适合我国实际的移动管理、呼叫管理和资源管理的方法，特别是移动管理的新方法。这些工作是建立在3中的工作的基础上。通过对采集到的系统的完备的统计参数进行进一步的统计分析才能得到合理的用户行为和网络行为的统计模型，然后才能提出合理的移动管理等方法。5当然，在此基础上可以进行更深入的研究，对第三代移动通信网的发展作出贡献。 本文的工作主要是第一和第二部分的工作，当然为了研究参数的提取，也必须采集一些数据（第三部分工作）。1.2从网络维护的角度看实现gsm信令分析设备的迫切性和网络运营参数提取的必要性 1中国gsm蜂窝系统网络规模庞大、未来前景广阔中国的移动通信起步较晚，但发展很快。至98年底，中国电信的用户数为2300万，用户总量居世界第三位。虽然如此，我国的移动通信还有很长的路要走，我国的人均普及率仅0.5%，市场潜力巨大。中国的广东省于1994年引入中国第一个gsm蜂窝系统。到1996年底，gsm蜂窝系统的用户数已达164万，其中1996年净增150万户。gsm蜂窝系统已遍及全国28个省，市，区，覆盖了271个地市，1173个县，交换容量达520多万，基站数4780个，信道数15万个，截止1997年3月，用户数达250万。2庞大的网络要求有效的维护管理面对如此庞大的网络规模和发展趋势，gsm网络的维护管理和优化十分重要，包括通信质量监测、验收测试、性能分析、故障定位和分析、话务统计和分析、用户追踪、资源调配、网络优化等。3传统的维护管理方法的局限性目前的维护管理手段有两种，一是从系统的网管获得运行参数，二是通过专用测量仪表。两种手段都有一定的局限性：系统的网管，它所能获取的信息有限，而且最为致命的是，网管的统计功能占用系统中各级处理机的处理能力和传输信道，在系统负荷较大时不宜启动。我国的gsm网络负荷较满，网管统计一般不启动。专用测量仪器，功能很强，但价格昂贵,作为维护管理和优化用的常备设备不太合适。而且，使用不够灵活，一般只有有限的选择，不能按照用户的意愿，统计用户所关心的数据，按用户希望的格式提供报表。因此，有必要研制一种适合中国国情和gsm网络特点的设备，用于网络的维护管理和优化。4gsm信令分析设备是一个重要的平台，可以进行如下的维护工作： * 通信质量监测 * 故障定位和分析 * 验收测试 * 资源调配、网络优化 * 性能分析 我国的拥有世界最大的移动通信网，网络的维护优化是一个关键的问题。此外，我国的经济相对落后，研制经济而且功能相对完善的信令测试分析设备是必要的。1.3 论文涉及的关键技术由上节可知信令分析设备是用于实际网络的运营维护中，是与实际的网络的物理结构有密切的关系。同时，信令分析设备是直接用于生产中的仪器。所以，其总体方案的设计必须满足灵活的配置，方便的使用，和低成本等特点。鉴于此，论文提出一种分布式和插卡式的方案。gsm信令分析设备的可靠工作是与其硬件平台有直接的关系，它的快速、安全可靠、低成本是信令分析设备的关键。gsm信令分析设备的低层软件直接关系到整个系统的性能，它和硬件平台配合，实现长时间测试的低信令丢失率，此外，低层软件提供的丰富的链路信息状态信息为整个系统的调试网络维护提供基础。信令分析设备是在信令采集设备的基础上加入网络维护优化参数的提取模块而形成的，没有参数的提取就不能进行信令分析，不能实现网络的维护和优化。参数的提取是在对网络的结构功能和信令过程的研究的基础上实现的。一定数量的现场采集的数据在研究参数提取过程中是必需的。1.4论文所作的工作论文工作是在清华大学微波与数字通信国家重点实验室王京教授的指导下开始的。整个论文工作由如下几个部分组成：1 阅读理解gsm系统的标准和no.7信令系统的相关文献。查阅选择相关专用芯片材料及微机控制相关材料。2 系统方案的提出。3 硬件平台的实现。4 低层软件的实现。5 网络维护优化参数的提取。第二章gsm信令系统与接口在通信系统中，把协调不同实体所需的信息称为信令信息。在所有情况下，信令信息都以报文形式组织。报文的发送由一些事件触发，报文的接收又触发一系列事件。gsm的信令系统的特点为: * 统一的接口定义，可适应多厂商环境，特别是统一的a接口，可以使运营公司选用不同厂商生产的msc和bss组成系统； * 信令系统严格分层，支持业务开放和系统互连。在网络侧，即msc、hlr、vlr、eir之间均采用和osi 7层结构一致的7号信令系统。在用户接入侧，即msc和基站间及空中接口均采用和isdn用户网络接口（uni）一致的三层结构； * 网络侧信令着眼于系统互连。由7号信令支持的统一的map信令使gsm系统可以容易地实现广域联网和国际漫游；灵活的智能网结构便于系统引入智能业务，实现快速增值； * 用户侧信令着眼于业务综合接入，便于未来各类isdn业务的引入，为向个人通信发展奠定基础。2.1 gsm系统的子系统gsm系统可以划分成子系统,这些子系统是移动台（ms）、基站子系统（bss）、网络和交换子系统（nss）、操作维护子系统（oss）等四个部分。 如下图所示:gsm的子系统移动台ms（mobile station）：ms是用户通信使用的设备，包括移动设备（me）和用户身份识别模块（sim）。me包括发射和接收设备，并不需要特指定某一具体用户，只提供一定的业务或支持外部终端的连接。sim是一个用户模块，它存储了该用户的所有信息。当把一个用户的sim插到了移动站的me中，该移动站就属于这个用户了。me与被呼号码没有关系，该号码连到sim。也就是说，当sim插入me时，该me就能被这个用户使用。可移走的sim卡简化了许多问题。一个潜在的用户当然可以买一台移动设备，但他也可以在任何时间租用或借用一台，并可以随意更换，无需很多管理，他需要的只是他的sim卡。基站子系统bss(base station system)：bss通过无线接口与ms相连，是ms的控制部分。包括位于天线处的基站收发台（bts）和可控制数个bts的基站控制器（bsc）。与移动站的me类似，bts包括发射和接收设备。一个代码变换器/速率适配单元（trau）完成编码、话音解码和传输数据的速率适配。作为基站收发信机的一个子部分，trau可以不放在基站收发信机处而通常放在移动服务交换中心。在这种情况下，在bts和trau之间的话音编码信道的低速传输信道可进一步压缩。一台bsc实际上是一台具有重要计算能力的小型交换机，它的主要作用是管理无线接口上的信道和切换过程。网络和交换子系统nss（network and switch system）：nss包括gsm的主要交换功能以及管理用户数据和移动性所需的数据库。nss的主要作用是gsm用户和其他用户之间的通信，包括移动业务交换中心（msc）、归属位置寄存器（hlr）、访问位置寄存器（vlr）、msc网关（gmsc）。其中：msc协调来自和发至gsm用户的呼叫的建立。一个移动业务交换中心可控制几个基站控制器。msc一侧与bss接口，另一侧与外部网络接口。为与gs外部的用户通信，msc与外部网络的接口可能需要一个适配的网关（交互工作功能iwf）。iwf的作用或多或少要依赖用户的数据类型和它要与之接口的网络类型。nss还要利用与外部网络接口的能力，在gsm实体之间传输用户数据和信令。特别地，nss利用一个遵循ccitt no.7信令系统协议的信令支持网络；这个信令网使得位于一个或几个gsm网络内部的nss设备协调交互工作。msc控制几个bsc，通常是一台相当大的交换机。hlr由一个不含交换能力的独立计算机和一个含有用户信息的数据库组成。用户信息与用户的现行位置有关，但并不是用户的实际位置。hlr的一个子部分是身份鉴别中心（auc），它管理用于鉴别用户合法性的保密数据。hlr的另一个子部分是设备识别码记录器（eir），它存储了移动设备（me）的数据或与me有关的数据。vlr连接到一个或多个移动业务交换中心，临时存储由移动业务交换中心服务的当前用户的签署数据，它的数据要比hlr详细的多。nss内部的信令交换是通过ss7网络来完成的，nss的各个组成部分都有与ss7网相连的信令接入点。oss（operating subsystem ）：负责网络操作和维护、用户管理、移动设备管理功能。2.2 gsm系统各部分间的接口与协议gsm中采用了osi的分层协议结构。其中下一层协议为上一层协议提供服务，上一层协议利用下一层所提供的功能，上下层之间通过原语进行通信。在建立连接之后，对等层之间形成逻辑上的通路。在信令系统中，可简单分为物理层、链路层、网络层和各种高层应用。物理层定义了信令数据链路的物理、电气和功能特性以及链路接入方法信令数据链路是由两个数据信道组成的信令传输双向通路。这两个信道传输方向相反，在数字环境下，通常采用64kbit/s的数字信道。原则上可利用pcm系统中的任一时隙作为信令数据链路。实际系统中，常常在pcm一次群中采用ts16，在二次群中，按优先级下降次序选用ts67-ts70。这些数字通路可以通过交换网络的半固定连接通路和信令终端相连接，这种方式易于实现数据链路和数据终端设备的自动重新分配。信令数据链路也可以采用模拟通路，其传输速率不低于4.8kbit/s.通常经过调制解调器和信令终端设备之间相连，不通过交换网络连接。物理层是是信令的载体，如前所述，它可以是多种多样的，如光纤、pcm传输线、数字微波等，但是第一级的功能规范并不涉及具体的传输媒体，它只是规定传输速率、接入方式等信令链路的一般特性要求。实际采用的传输媒体的电特性、误差特性、可利用度等指标要求仍由相应的ccitt g系列建议规定。另外必须注意的是，信令数据链路的一个十分重要的特性是链路应该是透明的，即在它上面传送的数据不能有任何的改变，因此，在信令链路中不能接入回声抑制器、数字衰减器、a/u律变换器等设备。链路层负责把约定的消息变成码流，并提供一定的纠错能力和流量控制。它定义信令消息沿信令数据链路传送的功能和过程。它和物理层一起为两信令点之间的消息传送提供了一条可靠的链路。链路层的功能包括：-信号单元的定界和定位-信号单元的差错检测-通过重发机制实现信号单元的差错校正-通过信号单元差错率监视检测信令链路的故障-故障信令链路的恢复过程-信令链路流量控制网络层负责消息流的组织和路由，并行处理几个对话，保证提供多用户服务。高层主要是指在在前三层所提供的可靠传输的基础上所进行的各种应用。接口是指两个相邻实体间的连接点，它可以承载与不同实体对有关的消息流，即几种协议。 对于移动通信来说，大部分的信令都是和移动台（ms）相关。移动台虽然只和bts有接口，但发往bts和从bts发往ms的信令消息中还包括了ms与gsm网中其他设备之间的通信信息，即要在无线接口上传输各种不同的协议。因此在各接口上需要有专门的协议鉴别器（pd）和报文鉴别器（md）来区分信令信息和哪个应用协议有关。这在信令的分析和处理时尤其要注意区分。gsm系统的各组成部分之间的接口如下图所示:gsm各部分组成和接口协议其中：* ms与bts之间是无线接口um，信令传输协议是gsm特有的lapdm。um接口的链路层为lapdm，它是在固定网isdn的lapd协议基础上作少量修改形成的。修改原则是尽量减少不必要的字段以节省信道资源。由于tdma系统提供了定位和信道纠错编码，因此取消了帧定界标志和帧校验序列。另外，还定义了许多简短的帧格式用于各种特定的情况。um接口的网络层是收发和处理信令消息的实体。它包括了rr（无线资源管理）、mm（移动管理）、cm（呼叫管理）三个子层。* bts与bsc之间是abis接口，信令传输协议是lapd,分为物理层、数据链路层和网络层。物理层提供信令的物理通路，包括时钟提取。二进制码流传输码型的成形和恢复、帧结构的复接分接等。数据链路层包括lapd帧分界定位、打包拆包、差错控制、流量控制等。网络层包括消息路由、识别、分配等功能。* bsc与msc之间是a接口，信令传输协议是七号信令。第1层是数字传输2048kbits/s的e1线路，具体标准见g.703，g.704。第2层基于no.7信令系统ssno.7的mtp,见q.703，q.704。第3层大部分基于无线接口技术规范，加上无线资源的控制程序和使用sccp时处理的识别。mtp包括信号数据链路（相当于物理层）、信号链路功能（相当于数据链路层）、信号网功能（相当于网络层）。sccp加强信号网功能，仍相当于网络层。网络层以上的高层协议为bssmap（bss管理应用部分）和dtap（直接传送应用部分）。* nss内部、nss与外部电信网之间，都是通过七号信令连接（下文统称七号信令接口）.* 除了无线接口外，其它设备间的信令传输协议最底层（物理层和数据链路层的一部分）都是相同或相近的。常见的是e1接口，速率为2.048mb/s。gsm各接口的分层协议结构可由下图来表示： 各接口协议分层表达2.3 no.7号信令系统no.7是一种适合于数字通信网的共路信令系统（ccs common channel signaling system），充分考虑了7号信令与osi模型的一致性。7号信令系统区别于其它任何信令系统的一个重要特点就是采用了模块化的功能结构，实现在一个系统框架内多种应用并存的灵活性。对于一种应用来说，只用到系统的一个子集。no.7信令可划分成一个公共的消息传递部分（message transfer part-mtp）和若干个用户部分（user part-up）。mtp的功能是提供一个可靠的传递系统，保证两个不同地点up之间传递的信令消息无差错、不丢失、不错序、不重复。mtp只负责消息的传递，不负责消息内容的检查和解释，用户部分则是为各种不同电信业务应用设计的功能模块，负责信令的生成、语法检查、语义分析和信令过程控制。这体现了7号信令系统对不同应用的适应性和可扩充性。这里“用户”一词指的是任何up都是公共的mtp用户，都要用到mtp传递功能的支持。具体模块及各模块之间的关系见下图。mtp：消息传递部分sccp：信令连接控制部分isp：中间服务部分tcap：事务处理能力部分omap：操作维护应用部分map：移动应用部分isup：isdn用户部分tup：电话应用部分dup：数据用户部分tc：事务处理能力（isp和tcap）no.7信令分层协议模块7号信令系统是以不等长消息的形式传送信令的。7号信令系统定义了三种基本的信号单元格式：信号消息单元（msumessage signal unit）、链路状态信号单元（lssulink status signal unit）、和填充信号单元（fisufill-in signal unit），它们的消息格式见图2-10。其中msu为真正携带消息的信号单元，消息包含在sif和sio中；lssu为传送网络链路状态的信号单元，链路状态由sf字段指示；fisu不含任何消息，是在网络节点没有链路状态信息可以传送时，向对方发送的空信号，其作用是使信令链路保持通信状态，同时可以证实收到对方发送来的消息。bib：后向指示比特li：长度bsn：后向序号sf：状态字段fib：前向指示比特sif：序号信息字段fsn：前向序号ck：校验位f：标志符sio：业务信息八位位组7号信令的三种信号单元格式mtp（消息传递部分）第一级（mtp1）：信令数据链路级。它定义了信令数据链路的物理、电气和功能特性以及链路接入方法。mtp1的物理组件是信号链路的信号消息载体。一条信号数据链路由采用同一数据传输速率在相反方向工作的两个数据通路组成，完全符合osi物理层的定义要求。 信号数据链路可以是数字的也可以是模拟的。数字传输通路采用64kb/s的速率。可以从多路复用码流中提取，其帧结构与pcm的帧结构相同，模拟信号数据链路由模拟音频传输通路和调制解调器组成，通常采用4.8kb/s。 第二级（mtp2）：信令链路功能级。mtp2规定了为在两个直接连接的信号点之间传送信号消息提供可靠的信号数据链路所需的功能。通过mtp2将把mtp3来的信号消息及本级生成的信号链路状态信息送往mtp1传送出去。或接收mtp1传送来的信号消息送往mtp3或在本级处理。在七号信令系统中，信令消息是以不等长的信号单元的形式传送的。mtp2的功能为：-信号单元的收发控制，包括分界、定位、差错监测和校正；-信号链路的状态监视，包括差错率监视、故障处理、流量控制；-信号链路的启用和恢复；-必要的网络管理功能。 第三级：（mtp3）信令网络功能。mtp3定义的是关于信令网操作和管理的功能和信令过程。这些过程独立于各个信令链路，是个信令链路操作公共的控制过程。具体来说，第三级功能由两部分组成:信令消息处理(signaling message handling-smh)功能:其作用是当本节点为消息的目的地点时，将消息送往指定的用户部分;当本节点为消息的转接节点时，将消息转送至预先确定的信令链路。信令网络管理(signaling network management-snm)功能:其作用是在信令网发生故障的情况下，根据预定数据和信令网状态信息调整消息路由和信令网设备配置，以保证消息传递不中断，这是七号信令系统中最为复杂的一部分，也是直接影响消息传送可靠性的极为重要的一部分。 mtp3各个功能之间以及和其它级功能之间通过指示和控制信号交换联系，同时，mtp还包括必要的测试和维护功能，它和mtp3的信令网络管理功能均有需要和远端节点交换的单独的信令消息，从这点来看，它们由如mtp的用户部分。 在gsm系统中，mtp3用msu的sio字段（service information octet见图2-10）来指示不同的高层消息类别（用sio的低4位si）和区分国际和国内网（用sio的高2位ssf）。gsm系统中共定义了四种高层消息： signaling network management (snm)、signaling network testing (snt)、signaling connection control part (sccp)、telephone user part (tup) ，其中snm和snt是mtp3的管理功能。tup为电话用户部分，是与呼叫有关的信令协议。sccp为信令连接控制部分是与呼叫无关的信令协议，它的高层还有tcap和map协议。下图是不同高层消息类别的消息msu格式比较： 不同高层消息类别的msu消息格式比较其中dpc（dsetination point code）是目的地信令点编码，opc（original point code）为起源信令点编码。dpc和opc有14比特和24比特编码两种，在我国目前的gsm系统中，a接口使用14比特编码，而在map接口上，为和国际上相适应，使用24比特编码。cic（circuit identification code）是电路识别码，用来指示消息和哪一个电路有关。sls（signaling link selection）是信令链路选择码。系统根据cic和sls来选择有哪一条信令链路来发送消息。 sccp（信令连接控制部分）sccp为mtp通过附加功能,以便通过7号信令网,在电信网的交换局和专用中心之间建立无连接和面向连接的网络业务，传送电路相关和非电路相关的信令消息和其它类型的消息，如用于维护和管理的消息等。对于7号信令功能级来说，sccp是第四级，是mtp的一个用户，而sccp又和mtp结合构成网络业务（nsp），完成osi参考面向的一三层的功能。sccp也有自己的用户，为isup和tcap。这样，7号信令网中具有sccp的信令点可在任意信令点之间端到端地传送各种信令消息，而不具有sccp的部分的信令点只能在相邻信令点之间以逐段转发方式传递这些消息。sccp的主要功能如下：-在7号信令网中建立逻辑信令连接；-在建立或不建立逻辑连接的情况下，均能传送信令数据单元；-sccp具有编路和译码功能。可将总称码转变成一个信令点编码和一个子系统号码；-sccp具有管理功能，可以管理sccp子系统状态。sccp可以提供4类业务，0类是基本的无连接型业务，1类是有序无连接型业务，2类是基本的面向连接型业务，3类是流量控制面向连接型业务。sccp的消息格式如下:选路标记消息类型必备参数a必备参数f参数m指针参数p指针任选部分起始指针参数m长度指示语参数m参数p长度指示语参数p参数名为x参数x长度指示语参数x参数名为z参数长度指示语参数z任选参数结束八位位组第三章 gsm信令分析设备的实现方案和论证 在设计gsm信令分析设备的总体方案时必须考虑如下几个因素: * gsm信令分析设备是直接商用的产品,它的设计与用户的需求(这里的需求指的是功能的需求非市场的需求)有直接的关系,所以设计时必须进行用户需求的调研. * gsm信令分析设备是与实际的网络的运营方式及网络的物理结构有直接的关系,所以设计时必须考虑这些因素. * gsm信令分析设备的信令处理能力的问题,特别是它的处理速度的问题.gsm信令分析设备的商用的性质和中国的国情决定了gsm信令分析设备低成本这一特征,设计时必须予以考虑。 * 同时也要考虑开发的周期和开发难易程度.3.1 gsm信令分析设备的功能要求 gsm信令分析设备要成为一个网络维护优化的平台应具备一定的功能，这些功能直接与网络运营商的需求有关. gsm信令分析设备的功能可以做到特别的庞大,但考虑到实际的开发时间,那是不现实的,所以必须分阶段地开发.最重要的是实现其作为一个平台所必需的基本功能.下面将对这些功能进行探讨: * 规程分析：完成信令单元的捕捉，解码和显示。捕捉下来的信令单元在存储器中加上毫秒级的时间标签。信令分析设备从所连接的所有信令链路中整理相关的信令信息进行存储。这个功能是仪器的最基本的功能.gsm信令系统的协议很多,包括空中接口的协议,abis接口的协议,a接口的协议,map接口协议等.根据用户的要求,我们首先实现a结口,abis接口以及map/e接口的协议.也就是,基站与基站控制器之间的接口, 基站控制器与移动交换机之间的接口以及移动交换机与移动交换机之间的接口的协议. * 过滤：过滤决定哪些事件会被存储。允许用户查找有特殊内容的信令消息。使用序列过滤可组成事件处理的完整序列。事件识别和序列识别可作为滤波器的条件，用户可从预定义的多个事件和序列识辨中进行选择。 * 自动错误识别：信令测试仪自动识别所有非法信令消息和序列，如果出现了信令错误，错误消息将和事件一起进行存储。 * 统计：统计涉及内容较多，如fisu，lssu，msu和状态监视消息的计数和比率，消息类型统计等。统计分实时的统计和后台统计。一般较耗时的统计放到后台软件中去处理。统计功能建立在网络维护优化参数的研究的基础上。一个运营网络的维护优化(如资源的配置)需要合理的参数去衡量。这些参数涉及各个接口各层协议。可以按接口分有:abis接口(基站与基站控制器之间的接口)的参数，如tch/sdcch负荷，每tn上的空闲tch及sdcch检测到的干扰电平等；a结口(基站控制器与移动交换机之间的接口)的参数，如呼损率，本bcs下的位置更新成功/失败率等；map结口(如交换机与交换机之间的接口)的参数，如切换成功/失败率，位置更新成功/失败率等。也可以按协议层分：如与呼叫管理有关的参数，与移动管理有关的参数，和与无线资源管理有关的参数等（无论是哪种分法都不尽完善，有许多参数在几个口都能测到，如切换成功/失败率，也有许多参数涉及不只一层协议）。无疑这些参数是通向蜂窝系统网络维护优化的桥梁。有了这些参数，一个功能强大的用于网络维护优化的软件包才能实现。 * 状态监视：状态监视主要用于信令分析设备的自身的状态、信令链路的状态和数据包的透明性的监视，包括frame alignment loss,remote alarm,loss of signal,slip,receiver overflow, 16-slot crc,16-slot invalid frame等。这个功能在应用中和调试过程中是必需的。3.2 gsm数字移动系统的测试接口：gsm信令分析设备用于测试分析统计gsm系统的信令的仪器，它必须能满足gsm系统的组网方式。正如第二章所陈述的，gsm系统是由移动台（ms）、基站子系统（bss）、网络和交换子系统（nss）、操作维护子系统（oss）等四个部分。 其中，ms与bts之间是无线接口um，信令传输协议是gsm特有的lapdm。bts与bsc之间是abis接口，信令传输协议是lapd。bsc与msc之间是a接口，信令传输协议是七号信令。nss内部、nss与外部电信网之间，都是通过七号信令连接。鉴于此，gsm信令分析设备的测试接口如下示： gsm信令分析设备的测试接口 仪器应能测上图所示的各接口的信令，考虑到开发周期，首先实现a接口，abis接口和map/e接口上的信令测试。 除了无线接口外，其它设备间的信令传输协议最底层（物理层和数据链路层的一部分）都是相同或相近的。常见的是e1接口，速率为2.048mb/s。根据系统的容量的不同，e1接口的数量不同，有的多达十几条e1接口，因此，gsm信令分析设备应具备多链路的测试功能,能满足gsm系统的组网方式的测试。 3.3信令分析设备的处理速度问题 3.3.1被提取的数据的组织格式： 数据提取出以后必须放在内存中，然后再存盘。这些存在内存和磁盘上的数据有一定的组织格式。每一个数据项由数据头和数据内容组成。数据头是用来记录数据的时间、数据的类型、数据的长度、数据的上下行等，数据内容就是采集下来的数据。 3.3.2信令分析设备的处理速度问题： 信令分析设备的处理速度问题是指信令分析设备的处理能力应来得及应付n条e1接口的信令数据流量。这里的n由交换局的容量决定，我国一般不超过10。每条e1的32个时隙只有1个时隙用来传共路 信令.所以n条e1接口的最大数据流量按如下方法计算： n条e1接口最大的信令数据流量n*2048/32/8 =n*8kbytes/s (式31）n 信令分析设备的应具备的最低处理能力的估计： 信令分析设备的软件分初始化部分和例行处理部分(包括消息的提取和识别等)。当程序经过初始化以后就进入了不断循环的例行处理部分，例行处理每处理一条消息就循环一次。每一次循环的时间因消息的不同而不同，一般的来说这个时间包括对数据项头的处理和数据内容的处理。其中，前者所耗用的时间是固定的，设为t；后者所耗用的时间是可变的，正比于数据内容的长度也就是消息的长度l字节。因此，每次循环的时间t的估计如下： tta*l毫秒(ms)ms这里的a就是搬运一字节数据所耗用的时间。而e1接口上的一条消息的时间长度为l*8*1/2048毫秒（ms）。因此得出信令分析设备的应具备的最低处理能力如下：t=t+a*l=l*8*1/2048 （式32）即:t=l*(8*1/2048-a) （式33）这个限定是严格的。其中t，a与处理器的速度和软件的数据结构及算法有关（可粗略地从程序流图，估计所需的代码，去估计a的值）。这就给出了选定处理器和设计软件的依据。由上式可以发现，a必须不大于8*1/20483.9ms，否者，程序根本不能运行。另一个结论是信令分析设备的处理能力的下限由最短的消息决定，如果信令分析设备来得及处理全部由最短消息组成的满荷的数据流的话，那末信令分析设备的处理能力满足实际的要求。n 为满足上述的处理速度的要求采取的措施：* 负荷分担：就是用信令测试卡上cpu去完成低层的功能。以缓减微机的负担。卡上cpu的处理速度：由最大数据比特率和例行处理量决定。当链路中都是最短的消息时，cpu的负荷最大。* 把测试卡的地址映射在微机的上位内存。* 合理的数据结构和算法。n isa的上限流量在设计中也是一个应考虑的因素。它有可能成为仪器的处理速度的一个瓶颈.3.4 gsm信令分析设备实现方案3.4.1 方案的提出信令分析仪由如下几个子系