（通信与信息系统专业论文）tetra数字集群系统分组数据交换网关的研究与开发.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：t e t r a 数字集群系统提供安全、可靠以及高效率的语音和数据通信，在全 球范围得到了广泛应用。目前，我国所使用的t e t r a 数字集群设备全部依赖国 外进口，不但价格昂贵，而且给国家安全埋下了隐患。因此，开发我国自主知识 产权的t e t r a 数字集群系统具有重要意义。 t e t r a 数字集群系统分组数据交换网关系统完成了t e t r a 数字集群系统分 组数据功能，为t e t r a 数字集群系统用户提供通用的分组无线接入服务，在整 个t e t r a 数字集群系统中有着重要的作用。t e t r a 分组数据交换网关提供了一 种处理高速传输数据的方法，是一种基于分组数据承载业务的数据交换实体，为 无线用户提供图片传输、电子邮件、网页浏览、全球定位系统等多种分组数据业 务，以及丰富的无线指挥调度应用。因此，分组数据交换网关系统的开发是t e t r a 数字集群系统开发的关键。 本文综述了t e t r a 数字集群通信系统技术特点及其在国内外的发展状况， 结合t e t r a 数字集群系统的发展趋势。在t e t r a 数字集群系统的软交换架构基 础上，详细地分析了t e t r a 数字集群系统分组交换网关设计与实现原理。基于 t e l e l o g i ct a ug 2 集成开发环境和l i n u x c 开发环境，利用u m l 语言和c 语言编 程实现了t e t r a 分组数据交换网关实体的功能过程。分别开发了g t p 的路径管 理程序、移动台发起的p d p 上下文激活和去激活、网络发起的p d p 上下文激活 和去激活、分组数据的发送和接收等功能。完成了协议一致性测试的部分测试用 例，测试结果与t e t r a 数字集群系统空中接口协议标准和g t p 协议标准描述一 致，满足设计需求。本论文包含图5 2 幅，表l o 个，参考文献3 8 篇。 关键词：t e t r a 数字集群；分组数据交换网关；o t p 协议 分类号：t n 9 2 9 5 2 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：b a s e do ni t ss a f e ，s t a b l ea n dh i g h l ye f f i c i e n tv o i c ea n dd a t at r a f f i c ， t e t r a d i g i t a lt r u n k e ds y s t e mi sb r o a d l ya p p l i e di nw o r l dw i d e a tt h ep r e s e n tt i m e ， a l lt h et e t r ad i g i t a lt n m k e ds y s t e me q u i p m e n t sb e i n gu s e di nc h i n aa r ei m p o r t e d r n l e ya r en o to n l ye x p e n s i v eb u ta l s oc a u s eh i d d e nt r o u b l ef o rt h en a t i o n a ls e c u r i t y t h e r e f o r e ，i tm a k e sg r e a ts e n s et od e v e l o pt e t r ad i g i t a lt r u n k e ds y s t e mw i t ho u r o w ni n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t t h ep a c k e td a t at r a n s f f e r i n gf u n c t i o no ft e t r ad i g f f a lt r u n k e ds y s t e mi s c o m p l e t e db yt e t r ad i g i t a lt r u n k e ds y s t e mp a c k e td a t as w i t c h i n gg a t e w a ys y s t e m p r o v i d i n gt h ec u s t o m e r so ft e t r aw i t hc u r r e n tp a c k e tr a d i oa c c e s s i n gs e r v i c e ，i t p l a y s a l li m p o r t a n tr o l e i n t h ew h o l et e t r ad i g i t a lm m k e ds y s t e m t e t r a p a c k e t d a t as w i t c h i n gg a t e w a yp r o v i d e saw a yo fp r o c e d u r e i n gd a t at r a n s m i s s i o ni n h i g h - s p e e d i ti sad a t as w i t c h i n ge n t i t yb a s e do np a c k e td a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c e i t p r o v i d e st h ew i r e l e s ss u b s c r i b e r sw i t ht h ep a c k e td a t as e r v i c e so fp h o t ot r a n s m i s s i o n , e - m a i l ，w e bb r o w s e r ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，e r e a n da l s oa b u n d a n tw i r e l e s s c o n t r o la n dd i s p a t c ha p p l i c a t i o n t h e r e b y , t h ed e v e l o p m e n to fp a c k e t d a t as w i t c h i n g g a t e w a ys y s t e mi st h ek e yp o i n ti nt e t r ad i g i t a lt r u n k e ds y s t e m t h i sa r t i c l eg i v e sa l lo v e r v i e wo ft e t r ad i g i t a lt r u n k e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t e c h n i c a lf e a t u r e sa n dd e v e l o p m e n tc o n d i t i o ni nt h ec o u n t r y c o m b i n e dw i t ht e t r a d i g i t a lm m k e ds y s t e m sd e v e l o p m e n tt r e n da n di t ss o f t s w i t c h i n ga r c h i t e c h t u r e ，t h e a r t i c l ea n a l y s e st h ed e s i g na n dp r i n c i p i u mo ft e t r a d i g i t a lt n m k e ds y s t e mp a c k e t d a t as w i t c h i n gg a t e w a yi nd e t a i l b a s e do nt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to f t e l e l o g i ct a n ( 3 2a n dl i n u x c ，i ta c h i e v e st h ef u n c t i o n so ft e t r ap a c k e td a t a s w i t c h i n gg a t e w a ye n t i t yb yp r o g r a m m i n gi nl a n g u a g e su m la n dc a n di ta l s o d e v e l o p e sp a t hm a n a g e m e n tp r o g r a mo fg t p , m si n i t i a t e dp d pc o n t e x ta c t i v a t i o n a n dd e a c t i v a t i o n ，n e t w o r ki n i t i a t e dp d pc o n t e x ta c t i v a t i o na n dd e a c t i v a t i o n , r e c e i v i n ga n ds e n d i n go fp a c k e td a t a i nt h et e s t so fp r o t o c o lc o n f o r m a n e e t ，t h e r e s u l t sa r ec o n f o r m e dt ot h et e t r ad i g i t a lm m k e ds y s t e ma i ri n t e r f a c ep r o t o c o l s t a n d a r da n dg t p p r o t o c o ls t a n d a r d ，w h i c hm e a n si tm e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i s p a p e rc o n t a i n s5 2f i g u r e s ，10t a b l e sa n d38r e f e r e n c e s k e y w o r d s ：t e t r ad i g i t a lt m n k e d ；p a c k e td a t as w i t c h i n gg a t e w a y ；g t p p r o t o c o l c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 2 图 图 图2 1 ：基于软交换的基础设施网络构架6 图2 2 ：空中接口分组协议栈结构1 0 图2 3 ：t e t r a 分组数据网关在软交换网络中的配置1 2 图2 4 ：s g s n 协议结构1 2 图2 5 ：分组交换域协议栈1 3 图2 6 ：s n d c p 实体的功能1 4 图2 7 ：g t p 协议的传输层协议栈1 6 图2 8 ：g t p 协议的信令层协议栈1 7 图3 1 ：问题循环解决的各个阶段2 5 图3 2 ：软件开发流程结构图2 6 图3 3 ：分组数据交换网关的开发流程2 7 图3 4 ：g t p 的程序模块划分2 8 图4 1 ：t e t r a 分组数据交换网关的实体架构模型2 9 图4 2 ：s n d c p 与上下层之间的接口3 0 图4 3 ：t m l 与操作系统的集成模型3 1 图4 5 ：g r p 字头的格式3 9 图4 6 ：g t p 消息的格式4 0 图4 7 ：t v 和t l v 格式的类型域4 2 图4 8 ：路径管理程序的过程4 4 图4 9 ：g t p _ e c h o _ r e q 函数的调用关系4 5 图4 10 ：g t p _ e c h or e s p 的调用关系4 5 图4 11 ：p d p 上下文信息元素。4 7 图4 1 2 ：移动台发起的p d p 上下文激活过程( 激活成功) 4 8 图4 13 ：s w m i 收到激活请求后的处理过程5 0 图4 1 4 ：c r e a t ep d pc o n t e x tr e q u e s t 消息的封装过程5 1 图4 15 ：g s n 实例的存储内容5 2 图4 。1 6 ：c bc r e a t e 知砸函数的调用关系5 3 图4 1 图4 1 图4 1 图4 2 g g s n 模块的运行过程5 3 s g s n 模块的运行过程5 4 移动台发起的p d p 去上下文激活的信令流程5 5 移动台发起的p d p 上下文去激活过程的启动5 6 北京交通大学硕士学位论文 图4 2 1 ： 图4 2 2 ： 图4 2 3 ： 图4 2 4 图4 2 5 ： 图4 2 6 ： 图4 2 7 ： 图4 2 8 ： 图 图 图 图 移动台发起的p d p 上下文去激活过程的结束5 7 网络发起的p d p 上下文去激活的信令流程( 激活成功) 5 8 网络发起的p d p 上下文去激活的信令流程( 激活不成功) 5 8 网络发起的p d p 上下文激活过程6 0 g g s n 发起的p d p 上下文去激活过程6 1 s g s n 发起的p d p 上下文去激活过程。6 l 网络发起的p d p 上下文去激活过程的启动6 3 网络发起的p d p 上下文去激活过程的结束6 4 从网络到移动台的确认数据传输6 5 从移动台到网络的确认数据传输6 5 分组数据的传输过程6 7 u m l 软件开发流程图。6 9 图4 3 3 ：环境函数的功能7 0 图4 3 4 ：g t pc r e a t ep d pc o n t e x t 信号的定义70request 图4 3 5 ：g t pc r e a t ep d pc o n t e x tr e s p o n s e 信号的定义7 1 图5 1 ：协议测试模型。7 5 图5 2 ：t t c n 的测试模型7 6 图5 3 ：g t p _ c r e a t e _ p d p _ c o n t e x t _ r e q u e s t 信号中的信息元素8 0 图5 4 ：移动台发起的p d p 上下文激活过程的测试序列图。8 1 图5 5 - e t h e r e a l 网络分析结果8 2 表 表 表3 1 ：典型的软件工程方法2 5 表4 1 ：s w m i 侧s n d c p 状态转换模式3 2 表4 2 ：s ns a p 接入点上的业务原语3 5 表4 3 ：s n d c p 模块中的p d u 3 6 表4 4 ：s n a c t i 啪p d uc 0 1 唧td e m a n dp d u 的内容3 7 表4 5 ：信令消息。4 l 表4 6 ：p d p 上下文的管理函数。5 l 表4 ，7 ：t a u ( 3 2 中五大环境处理函数6 9 表4 8 ：排队程序包含的关键函数7 2 表5 1 ：四种协议测试7 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 乞- 导师签名： g 昕 i 签字日期：扫衫年易月皿日签字日期：幽谚年乡月坟日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 勿去 签字日期：如订年多月ae l 致谢 本论文的工作是在我的导师孙听副教授的悉心指导下完成的，从课题的选择 到论文的成稿无不凝聚了导师的心血。孙听老师严谨的治学态度、丰富渊博的知 识、精益求精的工作态度、积极进取的科研精神以及诲人不倦的师者风范是我终 生学习的典范。 孙老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习和生活上都给予了我 很大的关心和帮助，在此向孙老师表示衷心的谢意。 北京理工大学李海副教授、北京交通大学黄清老师在学术给予我悉心指导。 梁海涛、姚奇和辛敏师兄也给予我极大的帮助，左一平、张绍景、仲达帆、张林 等同学也在我的研究中给予了很多帮助和重要的意见，在此一并表示感谢。 再次还要感谢我的家人，他们的理解和支持是我学习的不竭动力。 最后，还要向在百忙之中抽出时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答 辩的各位师长表示衷心的感谢。 序 序 随着我国经济的发展，t e t r a 数字集群系统在我国的应用越来越广泛，需求 不断加大，具有广阔的市场前景。目前，我国所使用的t e t r a 数字集群设备全 部依赖国外进口，不但价格昂贵，而且给国家安全埋下了很大隐患。因此，开发 我国自主知识产权的t e t r a 数字集群系统具有重要意义。 本文所研究与开发的t e t r a 分组数据交换网关是t e t r a 数字集群系统协议 栈开发项目中的一部分。本项目由北京交通大学和北京理工大学合作开发。本项 目主要目的开发一套具有较强的通信处理能力，系统扩展能力以及数据处理能力， 并能够满足军队、公安以及交通等特种行业应用的t e t r a 数字集群系统。该系 统可以降低专网的组网成本，排除国家安全隐患，在军队、公安以及交通等特种 行业的日常工作和紧急事件处置中发挥重要作用。 l 引言 l 引言 1 1 概述 集群通信是专用调度通信系统，是一种共享资源、分担费用、共用信道设备 及服务的多用途、高效能的无线通信系统。与公众网相比较，集群通信专用网更 强调组呼、广播呼叫、紧急呼h q 、强插强拆和不同的呼叫优先级别等调度指挥功 能，更强调缩短呼叫的建立时间。集群通信是专业移动通信系统的高级发展阶段， 它可以解决模拟系统存在的频谱效率低、功能弱、不易联网和不便加密等技术问 题，适应广域全程通信调度的需要。近年来，国际上已陆续推出了t e t r a 、i d e n 、 a p c o - - 2 5 和f h m a 等7 种数字集群通信系统【l 】圆。 集群通信系统分为模拟集群通信和数字集群通信。目前，由于数字通信的迅 速发展，模拟集群通信系统显示出了频带利用率低、传输数据速率低、保密性差、 移动设备成本高等诸多缺点，已经不能满足信息时代人们对通信的需求，所以目 前国际上广泛研究和应用的均是数字集群移动通信系统。数字化具有如下优点： 抗干扰能力强，可实现高质量的远距离通信，容易实现高保密度的加密，数字电 路集成化提高了设备的可靠性，可灵活地适应各种业务需要以及容易与计算机连 接等。真正的数字集群通信系统应在各个环节上都实现数字处理，除数字信令外， 还包括多址方式、话音编码技术、调制技术等 2 1 1 3 。 t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ，陆地集群无线通信) 数字集群系统是欧 洲电信协会( e t s i ) 制定的数字集群标准，是一种基于数字时分多址技术的无线 集群移动通信系统。该系统是e t s i 联合使用部门、制造商、检测部门和政府部 门，为了满足欧洲各国专业部门对移动通信的需要而设计、制订统一标准的开放 性系统。t e t r a 数字集群通信系统可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输 以及电话服务，它不仅提供多群组的调度功能，还可以提供短数据信息服务、分 组数据服务以及数字化的全双工移动电话服务。t e t r a 数字集群系统还支持功能 强大的移动台脱网直通( d m o ) 方式，可实现鉴权、空中接口加密以及端对端加 密。t e t r a 数字集群系统同时还具有虚拟专网功能，可以使一个物理网络为互不 相关的多个组织机构服务。t e t r a 数字集群系统具有丰富的业务种类、更高的频 率利用率和通信质量以及灵活的组网方式。许多新的应用( 例如：车辆定位、图 像传输、移动互联网、信息查询与数据检索查询以及电子信箱业务等) 都已在 t e t r a 数字集群系统中得到实现。 4 - 0 3 北京交通大学硕士学位论文 1 2t e t r a 数字集群系统的特点 t e t r a 数字集群系统主要拥有以下集群特点：共用频率、共用设施、共享覆 盖区、共享通信业务、改善服务、共同分担费用等。 t e t r a 数字集群系统的技术特性归纳如下： ( 1 ) 快速反应 t e t r a 数字集群通信系统的呼叫建立时间非常短，实际小于0 3 秒，用户可 以在按下p 订键后立刻通话。而g s m 蜂窝电话呼叫建立时间为1 0 秒。当遇到突 发事件时，反应速度尤其重要，指挥调度1 秒之差，便可能造成严重后果。 ( 2 ) 调度业务丰富 t e t r a 数字集群通信系统具有多种指挥调度功能，例如：动态重组和多种优 先级配置等。t e t r a 数字集群通信系统可以按需选配，既可配置最基本的调度业 务，也能配置为适应公共安全多种需求的复杂系统，满足一般民用和公共安全等 不同用户的需求。t e t r a 数字集群通信系统具有单呼、组呼以及广播等多种功能， 多个单位可组成共同的通话组以实施联合指挥。 ( 3 ) 加密方式灵活 t e t r a 数字集群通信系统除具有空中接口加密外，还有端到端加密等方式， 可满足普通、商业、秘密以及机密等不同级别的需要r 7 1 。 ( 4 ) 可脱网直通 在t e t r a 数字集群通信系统直通工作方式( d m o ) 中，无线用户可以不经 过网络基础设施，使用不受s w m i 和交换机控制的无线频率，直接使用移动台进 行相互通信。直通工作方式包括双监视操作、转发操作以及网关操作等i s 。 ( 5 ) 系统组网灵活 t e t r a 数字集群系统通过逐步增加模块来扩容，可以适用于小、中、大型调 度系统。特别是，t e t r a 数字集群系统适合组建虚拟专用网，便于市政府、公安、 武警、消防、医院、交通、新闻、体委、旅游、宾馆等各自组成虚拟专用网。t e t r a 数字集群网络基础设施没有i d e n 数字集群网络基础设施那么复杂，建网投资较 少，设计组网灵活，既适合组建集群通信专网( p m r ) ，也适合组建集群通信共 网( p a m r ) 阴。根据不同的用户需求，t e t r a 数字集群系统既可以由最小的网 络配置组成( 即由一个交换机和一个s w m i 组成) ，也可以是由一个交换机和几个 s w m i 构成的小型本地网络，甚至可以是上百个交换机和数千个s w m i 构成的大 型网络。小型的本地网络可以平滑地升级并扩展到大型网络，乃至全国性的网络。 一个大型网络由多个交换机互联并组成两层体系，可以提供灵活的路由和快速的 呼叫建立，这种体制适合分期组建数字集群网。【l o 】 l 引言 1 3t e t i 认数字集群系统的发展 目前，国外在数字集群通信系统的建设和应用方面已经很成熟。国外t e t r a 数字集群系统设备研制公司主要有：e a d s 、马克尼、摩托罗拉、r & s b i c k 、n i r o s 、 t e l e t r o n i c 、r o h i l l 、n i a l e s - - i s r 等公司：终端设备研制公司主要有：e a d s 、马 克尼、摩托罗拉、d e t e w e 、n i r o s 、t e l e t r o n i c 、s e p u r a 等公司。这些知名的国外 大型公司已经开发出了多种型号的数字集群全套系统，而我国在数字集群系统的 研制方面还刚刚起步。国外各大厂商研制出的t e t r a 数字集群系统，除了具有 传统专业移动通信网上的组呼、广播呼叫、紧急呼叫、强拆强插、优先呼叫和动 态重组等调度指挥功能外，还具有数据传输功斛1 1 】【1 2 1 。在t e t r a 数字集群系统 上已经开发了基于电路方式的数据传输功能，无保护传输速率为7 2 k b i t s ，低保 护传输速率为4 8 k b i t s ，高保护传输速率为2 4 k b i t s 。同时还开发了四个时隙同时 传输的数据传输业务，可以实时地传输动态图像。国外各大厂商还在t c p i p 协议 的基础上开发数据传输业务，例如：无线应用协议( w i r e l c s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ： w a p ) 应用、企业内部网应用、电子邮件、数据库查询、遥测、监视、自动车辆 定位、导航以及文件传递等业判1 3 - 1 5 。 在中国，t e t r a 数字集群系统有巨大的市场，而我国对t e t r a 数字集群系 统的开发还处于起步阶段，没有自主知识产权的t e t r a 数字集群系统。目前所 用的t e t r a 数字集群系统基本依靠进口，由于国外生产的t e t r a 数字集群系统 价格昂贵，阻碍了t e t r a 数字集群系统在我国的发展。 我国的数字集群通信系统开发和使用起步于二十世纪九十年代，2 0 0 0 年国家 信息产业部推荐了两种数字集群的标准一卿a 和i d e n ，其中t e t r a 具有开放 性较好和调度功能强的特点，被广泛地使用【l o 】。已经投入使用的北京数字集群指 挥调度通信系统，根据“数字北京一和“数字奥运的要求，被列为北京市重大 信息化工程。该项目已经成为北京市调度信息传送的最重要的共用信息平台。北 京的党政机关、公安政法、交通运输等部门和行业以及武警、部队指挥机构等， 加入该网，都可以运行在该网络平台上，利用系统提供的独特的“虚拟专网”功 能，为各单位建立一个虚拟专业网络。在这个虚拟专网上，各用户成员不仅可以 单独下达指令，完成指挥调度通信任务，还可以对自己的成员进行管理，提供以 指挥调度为主的调度电话、调度数据、双工电话、m 分组数据等基本业务和自动 车辆定位、遥测遥控等多种增值业务服务。该通信网是我国目前规模最大、技术 最先进、功能最强大的调度指挥通信网。此外，江苏、浙江、广东以及上海等省( 市) ， 正在进行或者已经建成自己t e t r a 数字集群网络。至今，公安、铁路、地铁以 及机场等领域出现多个t e t r a 数字集群网络。截至2 0 0 6 年1 0 月底，我国已建 北京交通大学硕士学位论文 成并运行的t e t r a 数字集群系统有4 2 个网络、3 9 个交换机、8 6 0 个s w m i 、6 2 0 5 0 个用户终端。此外，至2 0 0 8 年我国北京奥运会开幕前，t e t r a 数字集群终端数 量预计将会增加近一倍，也就是说，在2 0 0 8 年奥运会的时侯，t e t r a 数字集群 用户数将达1 2 万 - - 1 3 万【1 6 瑚。 1 4 论文的选题意义和主要工作 目前在国内t e t r a 数字集群系统的应用每年都在增加，然而。到目前为止 我国还没有掌握集群通信的核心技术，没有自己的知识产权。随着中国通信行业 向掌握核心技术的知识集约型产业转换，越来越多的国内厂商致力于开发自主产 权的协议栈软件；国内所采用的t e t r a 数字集群系统全部依赖进口，价格比较 昂贵，这在一定程度上也阻碍了t e t r a 数字集群系统在我国更广泛地应用。此 外，t e t r a 数字集群系统主要用于公安、消防、军队以及交通等一些关系国家安 全的部门，采用国外厂家生产的通信系统给国家安全埋下很大隐患。因此，研发 具有自主知识产权的t e t r a 数字集群系统势在必行。该选题也是在这样的环境 推动下展开的，因此具有重要的意义。 同时，随着t e t r a 数字集群传输技术的不断发展，t e t r a 数字集群系统能 够为用户提供更加丰富的无线数据指挥调度业务和应用，分组数据业务将成为未 来数字集群通信的发展趋势f 1 9 】。分组数据网关的开发对t e t r a 数字集群技术的 发展有重要的参考价值，为我国自主知识产权的数字集群系统的开发提供经验。 本论文主要讨论t e t r a 数字集群系统分组数据交换网关的研究与开发。第 一章综述了t e t r a 数字集群通信系统特点以及国内外t e n 认数字集群系统开发 现状。第二章详细分析了t e t r a 数字集群系统软交换网络框架和分组网关的软 硬件设计与实现原理。第三章说明了网关软件的开发环境和开发流程。第四章重 点阐述了分组数据交换网关的模块设计、编程实现以及程序设计中关键技术的开 发。第五章给出了软件测试过程与结果。第六章对全文进行总结。 2t e t r a 数字集群系统软交换网络的分组域 2t e t r a 数字集群系统软交换网络的分组域 2 1t e t r a 数字集群系统软交换网络框架结构 随着t e t r a 数字集群分组数据传输技术的不断发展，t e t r a 数字集群系 统能够为用户提供更加丰富的无线数据指挥调度业务和应用。由于信息时代的高 速发展，专网用户对分组数据业务的需求越来越强烈，为了满足专网用户对无线 分组数据业务日益增长的需求，为无线用户提供诸如图片传输、电子邮件、网页 浏览、全球定位系统( g p s ) 数据传输等多种分组数据业务，t e t r a 需要提供 分组数据处理业务，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。 本课题所开发的系统是基于e t s i 规范和建议开发的数字集群通信系统，既 要实现语音通信、短信息和网络管理等基本功能，又包含强大的坤分组数据传 输和调度功能，既要实现网内通信，还要实现会话初始协议( s i p ，s e s s i o ni n i t i a t i o n p r o t o c 0 1 ) 接入。所开发的系统充分考虑了v o i p 的技术特点，汲取了下一代网络 ( n g n ) 软交换的先进思想，提出了一套完全基于e t h e m e t i p 的基础网络系统， 实现了控制与承载相分离。所开发的系统有效地解决了目前时分多路复用 ( 1 d m ) 汇接网络在发展过程中遇到的容量偏小，拓扑复杂，维护成本较高等 问题。这符合传统电信网络与分组网络融合的大趋势。 如果在t e t r a 系统中引入分组数据单元提供无线系统上的数据业务，必须 引入新的承载网络和网络单元。我们在t e t r a 数字集群系统软交换方案中加入 两个网络单元以实现业务接入和数据承载。它们分别是g p r s 业务支持节点 ( s g s n ，s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 和g p r s 网关支持节点( g g s n ，g a t e w a y g p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 。s g s n 即是对中心节点控制器( c n c ，c e n t r en o d e c o n t r o l l e r ) 进行的软件升级部分，在网络中添加g g s n 从而将t e t r a 内部的分 组业务实现更广泛的互连。在本文后面章节将详细介绍s g s n 和g g s n 的具体 软件实现过程。图2 1 示出了基于软交换的交换和管理基础设施( s w m i ，s w i t c h a n dm a n a g e m e n ti n f r a s t r u c t u r e ) 网络构架。 5 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 ：基于软交换的基础设施网络构架 f i g u r e2 1 ：s w m in e t w o r ka r c h i t e c t u r eb a s e do ns o f ts w i t c h 在图2 1 中，t e t r a 数字集群核心网采用的是基于d 的传输技术。s w m i 与网络交换和控制设备之间采用m 连接的方式，连接网络的互连设备包括路由 器和各种网关。网络上的传输采用t c p h p 协议，各节点上的交换设备采用以太 网交换机。口网络结构有效地节省了成本，对于s w 】较少的本地网络，可以 采用一台交换控制设备集中交换的网络结构。对于s w m i 数量较多、覆盖范围较 广、业务量较大的区域网络，也可以采用多台交换控制设备进行分散控制的网络 结构。各交换设备之间的连接能够灵活设置，可采用树型、星型、网型或环型连 接，也可采用同步和异步混合的链路结构【2 0 】【2 1 1 。如果需要与其他网络( 例如： i n t e m e t 或p s t n 网络) 互联，只需添加网关，以实现互连互通。同时网络管理 平台、有线调度台和数据库服务器等都可以接入到网络中来，而无需考虑其网络 位置。 基于软交换构架的移动交换网络，由下至上可以分为四个逻辑平面：接入层、 承载层、控制层和业务层。 ( 1 ) 接入层：为用户接入软交换网络提供接入手段，将空中接口原语信息转 换成能够在i p 网上传递的信息格式。 6 2t e t r a 数字集群系统软交换网络的分组域 c 2 ) 承载层：承载层的任务是将接入层设备与控制层中的软交换机( 中心节 点控制器) 、业务层中的各种服务器平台等各个软交换网网元连接起来。 所开发的系统采用基于口的分组交换网络，同时利用现有t d m 网络， 采用可靠e 1 传输，保证了通信的q o s 。 ( 3 ) 控制层：处理呼叫、短数据以及分组数据等业务，负责移动台注册、小 区越区切换以及移动台移动性管理等功能，支配网络资源。 ( 4 ) 业务层：业务层主要面向用户应用，包括调度服务器、网管服务器、动 态主机配置协议( d h c p ，d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 服务器、 w a p 服务器等设备。 2 2t e t r a 数字集群系统软交换网络节点功能 t e t r a 数字集群系统软交换网络各节点功能如下： ( 1 ) 节点控制器 s w m i 处于网络的接入层面，与各个移动台之间通过空中接口进行通信。 s w m i 负责实现通信协议中物理层和数据链路层的功能瞄】，将第l 、2 层协议数 据及参数打成m 包传送至上级中心节点控制器。中心节点控制器负责实现3 层 协议的功能。 ( 2 ) 业务接入点 业务接入点将e t h e m e t 接口与采用g 7 0 3 标准的e 1 接口相连，确保s w m i 与交换中心的数据高质量传输。 ( 3 ) 多路复用器 多路复用器可用于e 1 中继或e 1 复用业务，具有若干条e l 同步数据与一条 e l 子线路互连的功能。 ( 4 ) 以太网交换机 所开发的系统采用了软交换组网，使得上层网络设备具有很强的可扩展性。 以太网交换机的作用是将交换控制中心的各种服务器、路由器和s w m i 等设备连 接成一个局域网，同时对下层的话音业务进行路由转发。 基于p 的分布式结构解决了由电路交换机的物理限制带来的瓶颈。点对点 的通信业务采用m 单播传输模式，点对多点的组呼业务采用m 多播传输模式。 由于多播可将数据从一个源一次性发送到多个目的，而不需要将数据进行重复拷 贝，这对于实现集群的呼叫快速建立是非常理想的。 ( 5 ) 虚拟专用网路由器 v p n 是一种在共用网络上建立专用网络的技术，它被称为虚拟网的主要原 7 北京交通大学硕士学位论文 因是整个v p n 网络的任意两个结点之间的连接没有传统专网建设所需的点到点 的物理链路，而是架构在公用网络服务商( i s p ) 所提供的网络平台之上的逻辑 网络。用户的数据是通过i s p 在公共网络中建立的逻辑隧道( 即点到点的虚拟专 线) 进行传输的。 ( 6 ) 中心节点控制器( c n c ) 中心节点控制器是网络的核心控制设备，负责语音和数据信令的处理，其主 要功能为：完成t e t r a 数字集群系统空中接口第3 层协议，与操作维护中心通 信，查询和维护各种数据库，处理和产生与呼叫、短消息以及分组数据业务有关 的信令，处理移动台单用户注册和组注册，实现移动台的移动性管理，提供通信 网内用户终端之间信息交换和路由等功能。 分组数据网关的部分功能由c n c 中的s g s n 实体完成，主要实现：利用网 际协议( p ) 在第三层传输分组数据；会话管理功能；临时存储功能；鉴权，加 密，压缩等功能。 ( 7 ) 中心数据库 中心数据库由归属位置寄存器( h l r ) 、拜访位置寄存器( v l r ) 以及短消 息中心( s m c ) 组成。h l r 是移动通信系统中处于中心地位的静态数据库，保 存着所有该归属地内移动用户的相关登记信息。v l r 是保存有移动用户当前位 置信息的动态数据库。s m c 存储中心节点控制器已接收但未发出的短消息，避 免因系统繁忙而导致短消息丢失。 ( 8 ) 网络管理子系统 网络管理子系统的基本功能包括监视网络性能、检测分析网络差错和配置网 络设备等。在网络正常工作时，网络管理子系统可实现统计、配置和测试等功能。 当网络出故障时，可实现各种差错检测和恢复功能。 ( 9 ) d h c p 服务器脚服务器 分组数据网关实现与外部分组交换网络互通、网络屏蔽和分组路由等功能。 分组数据网关支持动态主机配置协议，d h c p 服务器可将m 地址动态分配给分 组数据业务的使用者。w a p 提供了通过手机访问互联网的途径。 0 0 ) s i p - t e t r a 网关 s i p 是由i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 定义，基于p 的应用层控 制协议。s i p 用于建立、更改和终止i n t e m e t 主机之间的会话( s e s s i o n ) 。它以i n t e m e t 协议( h 1 m ) 为基础，遵循i n t e m e t 的设计原则，因此很容易增加新业务，扩 展协议，而不会引起互操作问题。 s i p - t e 吼网关包括信令网关和媒体网关。信令网关实现t e t r a 数字集群 系统信令到s i p 的转换。媒体网关将语音信号进行编解码，实现空中接e l 上的 2 t e t r a 数字集群系统软交换网络的分组域 a c e l p 编码与i n _ 衄删上所使用的g 7 2 9 编码格式的转换。 ( 11 ) 调度子系统 调度子系统是数字集群系统的关键部分，它不仅负责调度通信工作，还负责 管理用户。调度子系统具有如下四大功能：鉴别调度员权限、记录查询功能、通 信功能和管理功能。 ( 1 2 ) 系统鉴权 鉴权中心( a u c ，a u t h e n t i c a t i o nc e n t r e ) 主要实现两大功能：一是对用户的 i t s i 号进行鉴权；二是为移动台和网络之间的通信进行加密。 ( 1 3 ) 分组数据网关 分组数据网关( g g s n ，g a t e w a yg s n ) 实现与外部分组交换网络互通、网 络屏蔽和分组路由等功能。移动台通过t e t r a 分组数据交换网关连接外部分组 数据网。o g s n 内部接口通过以太网交换机连接至c n c ，外部接口与p d n ( 外 部数据网络) 连接。s g s n 设置在c n c ( 节点控制器) 中，逻辑上下行与s w m i 相连接，上行与g