（通信与信息系统专业论文）tetra数字集群系统子网相关汇聚协议层的研究与开发.pdf

中文摘要 中文摘要 随着我国t e t r a 数字集群通信的发展，t e t r a 数字集群系统设备的需求量 不断上升。目前，国内所使用的t e t r a 数字集群系统设备均为国外生产，价格昂 贵，超出了一般用户可承受的能力。因此，开发具有自主知识产权的t e t r a 数字 集群系统设备具有实际意义 子网相关汇聚协议层( s n d c p ) 是t e t r a 数字集群系统协议栈网络层协议， 是t e t r a 数字集群系统分组交换域的核心。s n d c p 负责将网络中的分组数据业 务映射到空中接口，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，s n d c p 协议层 的开发是t e t r a 数字集群系统协议栈开发的关键。 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，给出了t e t r a 数字集群系统的软交换架构， 并详细分析了t e t r a 数字集群系统分组交换域的设计与实现原理。基于t e l e l o g i c t a ug 2 集成开发环境，利用u m l 语言和c 语言混合编程，实现了s n d c p 从模块 设计到编程实现的过程。分别开发了s n d c p 层p d p 上下文激活和去激活、分组 信道的建立、分组数据的压缩与传输以及分组数据业务寻呼等功能，完成了协议 一致性测试，测试结果与( e t s3 0 03 9 2 2t e t r av _ 巾p a r t2 ：a i ri n t e r f a c e ) 描述 一致满足设计需求。 关键词：t e t r a 数字集群；空中接口协议栈；分组交换域；子网相关汇聚协议 分类号：t n 9 2 9 5 2 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e t r a d i g i t a lm m k o dc o m m u n i c a t i o ni no t l re o u n t a 3 1 , t h er e q u i r e m e n tf o rt e t r a d i g i 协lm m k e ds y s t e me q u i p m e n tw i l lb ei n c r e a s i n gs t e pb y s t e p t h et e t r ad i g i t a lt r u n k e ds y s t e me q u i p m e t w h i e l a 肿m a d eb yf o r e i g n m a n u f a c t u r e s 啪t o oe x p e m i v e , a n do r d i n a r yp e o p l e 啪n o ta f f o r dt h e m t h e r e f o r e , i t h a sp r a c t i c a ls i 鲥f i e a n e ct 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 me q a l i p m c a tw l a i e hh 勰 i n d e p e n d e n ti n t c l t e e t u a lp r o p e r t yr i g r a t s s u b n e t w o r kd e p e a d e n tc o n v e r g e n c el r o t o e o li s t l a en e t w o r kl a y e rp r o t o c o lo f t e t r a d i g i t a lt r u n k e ds y s t e m , a n di sa l s ot h ec o f eo ft e t r ad i g i t a lt n m k e ds y s t 翻a p a c k e ts w i t c h e dd o m a i ns n d c p i sr e s p o n s i b l ef o r t h em a p p i n go f p a c k e td a t as e r v i c e s i nn e t w o r ko n t ot l a ca i ri n t e r f a c e i tp r o v i d e sm a n yp a c k e td 砒as l 曩 v i c c s s u e l aa s p h o t o g r a p h st r a n s f e r , 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 ns y s t c ms c i v i a n dp r o v i d e s r a d i od i s p a t c h i n ga p p l i c a t i o n s 细w i r e l e s ss l t l l ：桃- l j b e t s 1 l l e r c f o r c , t l a cd c v e l o p m e n to f $ n d c p l a y e ri st h ek e yo f t h ed e v e l o p m e n to f p r o t o c o ls t a c ki nt e t r ad i g i t a lm m k e d s 弘缸 t h ot h e s i ss u m m a r i z e st h et h n o l o g i e a le h a r a e t 枷e so f t e t r a d i g i t a ll r u n k c d e o m m t m i e a t i o ns y s t e mm ti t s 洲0 l 她s i t u a t i o na th o m e 锄da b r o a d , a n dt e t r a d i g i t a lt r t m k e ds y s t e ms o t t s w i t d aa t c t l i t e e t t 眦i sg i v e na , = c o r d i n gt ot h et r e n do f t e t r a d i g i t a lt r u n k o ds y s t 咖t h et i l c s i sa m l y z e st h ed e s i g na n di m p l c m e l n a t i o np r i n e i p l eo f t e t r ad i g i t a lm m k o di , a e k e t $ y s t l 湘l ld o m a i ni nd e t a i l b a q 班lo nt e l e l o g i et a l lg 2 i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te a v i r o n m t , t h ep r o c e d l l l t eo f i m p l e m e a t a i i o nf r o mt h es n d c p m o d u l ed e s i g nt ot l a ep r o g r a m m i n gi sf u l f i l l e db yu s i n gm c l h o do fm i x e d - l a n g u a g e p r o g r a m m m sb l t w c c l ll r m la l l dc t h ef t m e t i o ms u c h 鹅p d i c o n 嘁a c t i v a t i o na n d d e a c t i v a t i o n , p a c k e td a t ac h a n n e ls e t - u p ，p a c k e td mo o m p r c s s i o i la n dp a c k e td a t a p a g i n gm e l t , h f l n i s ma r cc l c v c l o l c c li n d e p e f l d e l a f l y , a n dt h ep r o t o c o lc o n f o r m a n c 宅t e s t sl l l e a c e o m p l i 曲e d t h et e s tr e s u l t s i na c c o r d a n c ew i t h “e r s3 0 03 9 2 - 2t e t r a v + d p 叭2 ：a i ri n t e r f a c e a n ds a t i s f yt l a ed e s i g nr e q u i r e m e n tc o m p l e t e l y k e y w o r i o $ ：t e t r ad i g i t a lt r u n k e d ：a i ri n t e r f a c ep r o t o c o ls t a c k ： p a c k e ts w i t c h e dd o m a i n ；s u b n e t w o r kd e p e n d e i a tc o n v e r g e n e op r o t o c o l c l a s s n 0 ：t n 9 2 9 5 2 图 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 圈4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图 基于软交换的交换和管理基础设施网络构架6 空中接口分组交换域体系结构1 0 以太网接口单元1 l 中心节点控制器与g g s n 接口协议栈。1 2 分组交换域协议栈1 3 传统协议软件开发过程 。1 7 增量迭代式开发过程1 8 集成开发环境的组成 s n d c p 协议开发流程 。1 9 s n d c p 子模块的划分 s n i ) c p 模块与接口 成功的p d p 上下文激活过程 被拒绝的p d p 上下文激活过程 2 3 一2 7 未响应的p d p 上下文激活过程。2 8 移动台发起的p d p 上下文去激活过程2 9 s w m i 发起的上下文去激活过程3 0 移动台申请静态i p v 4 地址的过程3 2 移动台静态l p v 4 地址不合法导致拒绝激活的过程3 3 移动台发起的p d p 上下文激活的过程3 4 s w m i 发起的p d p 上下文去激活3 4 移动台发起的p d p 上下文去激活3 5 成功的分组信道建立过程 在最后一个p d p 上下文去激活前高级链路的断开3 9 移动台发起的数据传输请求 4 0 s w m i 发起的数据传输请求的过程4 l 压缩后的数据报格式 压缩字典 4 4 4 5 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5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 s w m i 至移动台确认数据的传输 移动台至s w m i 确认数据传输 上行确认分组数据传输 下行确认分组数据传输 s w m i 寻呼移动台的过程 s w m i 发起的寻呼 移动台s n d c p 的响应 协议测试模型。 t t c n 测试模型。 移动台发起动态i p v 4 地址激活的序列图。 s w m i 发起的分组信道建立序列图 双向确认分组数据传输序列图。 5 0 5 2 没有高级链路时s w m i 发起的p d p 上下文去激活序列图。7 2 舛舛卯卯鼹锣甜铂 表 表2 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表 数据类型与协议类型的映射 s w m i 侧s n d c p 状态转换模式 移动台类型 资源请求元素的内容 s n - p d u 的p d u 优先级。 4 2 5 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) 学位论文作者签名凛潘 签字日期：卅年f 2 月姐日 导师签名：“硒彳 签字日期：汕1 年，月7 蝈 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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：埭齿涪 签字日期：如。7 年f 上月工土日 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。孙昕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、张钦博士、北京交通大学黄清老师在学术给予我 悉心指导。陈杰、马浩师兄、陈妍师姐也给予我极大的帮助，彭湃师弟协助我做 了大量的工作，在此一并表示感谢。 另外还要感谢我的家人，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 辩的各位师长表示忠心的感谢 序 序 目前，集群通信在国内发展势头强劲，各地都在建设自己的集群通信网，国 家信息产业部也为此制定了相关标准。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，此选 题也是在这样的环境推动下展开的，因此，具有重要的实际意义。 随着t e t r a 数字集群系统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，分组数据业务成为未来 数字集群通信的发展趋势。因此，s n d c p 协议的开发对t e t r a 数字集群系统协 议栈的开发具有一定的参考价值，也为我国自主知识产权的数字集群移动通信系 统的开发提供了经验 该项目得到了北京理工大学和中电集团电子1 5 所等单位的大力协助。所设 计的t 曰r r a 数字集群系统应具备较强的通信处理能力、系统扩展能力和数据处 理能力，以满足公安、交通、部队等特种行业的需求，将在日常工作和应急事件 中发挥重要作用。 引言 1 引言 1 1 概述 集群通信诞生于2 0 世纪7 0 年代，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、紧急呼叫、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。一个公众网的电话用户，打通一个电话所需 要的时间( a 拨号到接通) 一般为几秒甚至更长。对于专业移动用户来说这个时 间就太长了，在紧急情况下，用户希望一按即通，否则会造成严重的后果。 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【l x 2 1 。 t e t r a ( t e n 倒r i a lt n m k e dr a d i o ，陆地集群无线通信) 数字集群系统是一 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 数字集群系统主要具有如下技术 特性3 l 4 l ： 信道间隔：2 5 k h z 调制方式： 耳4 d q p s k 调制信道比特率：3 6 k b s 语音编码速率：4 8 k b s ( a c e l p ) 接入方式t d m a ：( 4 个时隙) 用户数据速率：7 2 曲妇( 每时隙) 数据速率可变范围：2 4 k b s 2 8 8 k b s 接入协议：时隙a i o h a t e t r a 数字集群系统可提供集群、非集群以及具有话音、电路数据、短数据 北京交通大学硕士学位论文 信息、分组数据业务、直通模式( 移动台对移动台) 的通信，并支持多种附加业 务。t e t r a 数字集群系统主要优点是兼容性好、开放性好、频率利用率高、保密 功能强。在数字集群移动通信系统体制中，t e t r a 数字集群移动通信系统的网络 结构在容量上有较大灵活性，适用于大、中、小容量系统。t e t r a 数字集群系统 大量借鉴了g s m 概念，基于t d m a 方式，采用与g s m 类似的逻辑信道，载波 带宽2 5 k h z ，分4 个时隙，工作频段为4 0 0 m h z 和8 0 0 m h z 。它采用较先进的a c e l p 话音编码和4 - d q p s k 调制，支持蜂窝式连续覆盖。t e t r a 数字集群系统可在 同一技术平台上提供指挥调度、数据传输及电话服务。它不仅提供多群组的调度 功能，还可以提供短消息服务、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模式。可实现鉴权、空中 接口加密和端对端加密等功能。同时，t e t r a 数字集群系统还具有虚拟专网功能， 可以用一个物理网络为多个组织机构服务l 剐 1 2 国内外t e t r a 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热。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 , 、 t e l e t r o n i c 、r o l l 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：勘岫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，还具有数据传输功能 6 1 1 7 。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 t t e l e 鹊a 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务降“ 数字集群在中国有巨大的市场，然而目前国内所使用的t e t r a 数字集群系 统设备均为国外生产，且价格昂贵，超出了一般用户可承受的能力，这样就无形 地阻止了国内对集群产品的使用。国外的厂商为保护自己的利益，在与国内厂商 进行合作时，大多以二进制目标码的形式提供t e t r a 数字集群系统空中接口协 议栈软件，很少提供源代码，s w m i 侧的协议栈软件更是严格保密。这不但影响 2 引言 到国家的经济利益，对国家安全更是添加隐患。日前，我国哈工大通信所完成了 t e t r a 数字集群系统总体方案的设计，进行了简易系统与国外移动台的联调测 试：深圳好易通公司也正在研发t e t r a 数字集群系统终端设备，然而与国外先 进水平还存在很大的差距。因此，研制具有自主知识产权的数字集群系统具有重 要的意义。 1 3 论文的选题意义和主要工作 目前，集群通信在国内的发展势头强劲，各地都在建设自己的集群通信网， 国家信息产业部也为此制定了相关标准。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，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判1 1 】。子网相关汇聚协议层的开发对t e t i 认数字集群 协议栈的开发具有重要的参考价值，为我国自主知识产权的数字集群系统自研发 提供经验。 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 t r a 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交 换域的设计与实现原理。第三章说明了协议栈软件的开发环境和开发流程。第四 章重点阐述了s m ) c p 的模块设计、编程实现以及程序设计中关键技术的开发 第五章给出了协议栈测试过程与结果。第六章对全文进行总结。 3 t e t r a 数字集群系统分组域的设计与实现 2t e t r a 数字集群系统分组交换域的设计与实现 2 1 软交换网络框架结构 随着现代通信和网络技术的发展，口交换技术在公网和专网通信中得到了广 泛的应用。基于口技术的t e t r a 数字集群通信系统已经成为发展的趋势，通过 将信息的数据包在有线网络和无线网络中传输，实现信息的m 化，从而支持更为 灵活盼组两方式和更为丰富的数据业务1 1 2 j 【”j 。 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，又包含强大的口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 e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ： s 口) 接入。所开发的系统充分考虑了的技术特点，汲取了下一代网络软交 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( t u n ed i v i s i o n m u l t i p l e x ：t 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。软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从传输层中分离出来，通过 软件实现基本呼叫控制功能，从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离，这符合传统 电信网络与分组网络融合的大趋势，图2 1 示出了基于软交换的交换和管理基础 设施( s w i t c ha n dm a n a g e m e n t 珊晒曲u c n 珊：s w m i ) 网络构架 5 北京交通大学硕士学位论文 业务层 控翻层 承筑层 接入层 图2 1 基于软交换的交换和管理基础设施网络构集 取昏鹏2 is w m i t 州咄a r c h i t e c t u r e b 删o l ls o f t m v i t 曲 在图2 1 中，t e t r a 数字集群核心网采用的是基于口的传输技术。基站与 网络交换和控制设备之间采用口连接的方式，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 i 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，对于基站较少的本地网络，可以采用一台交 换控制设备集中交换的网络结构。对于基站数量较多、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p 4 1 嘲。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 6 t e t r a 数字集群系统分组域的设计与实现 成能够在口网上传递的信息格式。 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 r d m 网络，采用可靠e l 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 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 o l ：d h c p ) 服务器、w a p 服务 器等设备 2 2 网络节点功能 ( 1 ) 基站 基站处于网络的接入层面，与各个移动台之问通过空中接口进行通信。基站 负责实现通信协议中物理层和数据链路层的功融1 6 1 ，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 ) 多路复用器，中继板 多路复用器可用于e i 中继或e i 复用业务，具有若干条e 1 同步数据与一条 e l 子线路互连的功能 ( 3 ) 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、路由器和基站等设备连接 成一个局域网，同时对下层的话音业务进行路由转发 基于口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口多播传输模式。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 ( 4 ) 虚拟专用网( 嘲) 路由爨 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因 7 北京交通大学硕士学位论文 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。 ( 5 ) 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 ( 6 ) 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 ( 7 ) 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。 ( 8 ) 分组数据网关d c p 服务器，w p 服务器 分组数据网关( g a t e w a yg s n ：g g 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。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。 ( 9 ) 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 g t a s kf o r c e ：) 定义，基于m 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 鹞i o n ) 。它以i n t e m e t 协议( h t l v ) 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。 0 t e t r a 数字集群系统分组域的设计与实现 s i p - t e t r a 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，实现空中接口上的 a c e l p 编码与n t e m e t 上所使用的g 7 2 9 编码格式的转换 ( 1 0 ) 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： i ) 鉴别调度员权限 2 ) 记录查询功能 3 ) 通信功能 单呼 组呼 紧急呼叫 动态重组 数据通信 4 ) 管理功能 ( 1 1 ) 系统鉴权 鉴权中心( a u t h e n t i c a t i o nc e n t r e ：a u c ) 主要实现两大功能：一是对用户的 i m 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。 2 2 分组数据业务的实现原理 2 2 1 分组数据在接入网的传输 根据国际标准化组织提出的开放系统互联参考模型，t e t r a 数字集群系统空 中接口协议栈至下而上可分为物理层、数据链路层、网络层和应用层四层结构， 图2 2 示出了t e t r a 数字集群系统空中接口分组交换域体系结构 9 北京交通大学硕士学位论文 图2 2 空中接口分组交换域体系结构 f i g u r e 2 2a r c h i t e c t u r e o f 面r i n 把慨球l 吐疽蜘v i t c h e d d o m a i n t e t r a 数字集群系统空中接口的第一层是物理层。它具有射频发送和接收、 调制、解调、定时、多址接入和移动台的功率控制等功能。 t e t r a 数字集群系统空中接口的第二层分为两个子层，介质访问控制层 ( m e d i u m a c c e s s c o n t r o l ：m a c ) 和逻辑链路控制层( l o g i c a l l i n k c o n t r o l ：l l c ) 。 m a c 层主要功能是将数据进行处理以适应无线传输环境。l l c 实现数据传输、 转发、分段、重新装配和逻辑链路的管理和控制等功能，提供面向分组数据业务 的高级链路的连接。 t e t r a 数字集群系统空中接口的第三层也分成两个子层。较低子层称为移动 链路实体( m o b i l el i n ke n t i t y ：m l e ) ，较高层称为子网相关汇聚协议。t e t r a 数字集群系统的第三层协议是网络层协议，负责处理面向无连接的和面向连接的 分组数据业务。 信令和业务信息从网络层映射到物理层是一个复杂的过程，协议的分层结构 给传输带来了很大的优越性。高层实体没有必要知道下层传输的机理，低层实体 也无需理解高层信息的含义。信息层层“封装”，上层协议对下层是透明的。通过 在业务接入点( s e r v i c e a c c e s sp o i n t ：s a p ) 上传输原语，实现上下层之间的消息 传递；通过在空中接口上传递协议数据单元( p r o t o c o l d a t a u n i t ：p d u ) ，实现对 等实体之间的信息交互 空中接口协议栈的l l 、【2 层在基站中实现，l 3 层在中心节点控制器中实现 i o t e t r a 数字集群系统分组域的设计与实现 基站与中心节点控制器之间通过以太网连接，图2 3 示出了以太网接口单元。 图2 3 以太网接口单元 f i g u r e2 3 e t h e m e ti n t e r f a c eu n i t 在图2 3 中，口传输的数据分为以下4 种类型： 1 ) 信令数据：来自空中接口第2 层的t l a - s a p 和t l b - s a p 业务节点的数据 属于控制面( c - 面) 数据。 2 ) 层管理数据：来自空中接口第2 层的t i g s a p 业务节点的数据属于控制 面( c 面) 数据 3 ) 语音业务数据：来自空中接口第2 层的t m d - s a p 业务节点的数据属于用 户面( u 面) 数据。 4 ) 网络管理参数：属于管理面( m - 面) 数据。 对于上述四类不同类型的数据，以太网接口单元对其分别添加不同的包头， 如表2 1 所示 表2 1 数据类型与协议类型的映射 数据类型数据面协议类型 信令数据c 面 u d p 层管理数据d 面t c p 语音业务数据u - 面u d p 网络维护参数m 面s n m p 和f r p 等 2 2 2 分组数据在核心网的传输 t e t r a 数字集群系统分组数据业务通过g g s n 与i n t e r n e t 相连，g g s n 将分 组数据进行协议转换，实现t e t r a 数字集群网与t c p i p 或x 2 5 网络之问的互 北京交通大学硕士学位论文 连。 g g s n 具有如下基本功能： 1 ) 维护路由表，实现路由选择和分组转发的功能 g g s n 具有存储转发功能，将上一节点接收到的分组数据转发给下一节点。 g g s n 应保证与移动台之间传送的分组数据的最大尺寸不超过1 5 0 0 字节。对从外 部数据网接收到的大于上述要求的分组数据，g g s n 将根据分组数据协议( p a c k e t d a t ap r o t o c o l ：p d p ) 的不同类型，分别对其进行分段、丢弃或拒纠”】。 2 l 网络接入控制功能 g g s n 具有网络信息屏蔽功能，从而保证分组数据网络的安全性。 3 ) g g s n 具有地址翻译和映射功能，包括查找d n s ，实现域名解析功能 g g s n 具有封装和隧道传输功能，可以将来自外部数据网的分组数据用g t p 字头和t c p i p 或u d p i p 字头进行封装，以这些字头中的相关地址信息作为标识 进行传输。在g p r s 骨干网中，g g s n 利用一条点对点的双向隧道来传输封装数 据。对于发向外部数据网的分组数据。g g s n 将其去除封装字头后再转发出去 4 ) 其他可选功能 g g s n 具有为移动台动态分配m 地址的功能，可以通过接入动态主机配置协 议服务器来实现，还可以接入r a d i u s 认证服务器来实现用户认证的功能。 g g s n 和中心节点控制器是通过g p r s 隧道协议( g p r st u n n e l i n gp r o t o c o l ： g r p ) 连接的，图2 4 示出了t e t r a 数字集群系统中心节点控制器与网关接口协 议栈 i p s 哪 g l p f f f p i p 卫 t m e 心t c p t c r i pi pi p 1 2 心l 2l z l il il i l i c n c s g s n g g s n 图2 4 中心节点控翻嚣与g g s n 接口协议栈 f i g u r e 2 4 i n t e r f a c e l m , u 州s t a c k b e t w e e n c n ca m i g g s n 1 2 t e t r a 数字集群系统分组域的设计与实现 g t p 采用隧道传输，即用g t p 头中所包含的隧道号( 1 m ) 指示p d u 所属 的隧道。隧道号在p d p 上下文刨建时予以设定，与p d u 中的n s a p i ( n e t w o r k s e r v i c ea c c e s sp o i n ti d e n t i f i e r ) 和i t s i ( i n d i v i d u a lt e t r as u b s c r i b e ri d e n t i t y ) 元 素相映射，保证了每个1 t s i 的多个p d p 数据能够区分开来。 综上所述，得到从接入网到核心网完整的分组交换域协议栈，总的分组交换 域协议栈如图2 5 所示。 i i a l m l i e a t i c e i i pi p 日唧g i p ue n 佃 t 唧, t a , l p l pl p1 p l l c 也 1 21 2 也 u kw 附t仃 l ll i l l l l l 1 b sc n c s g s n g g s n 图2 5 分组交换域协议栈 协议栈软件开发 3 协议栈软件开发 3 ，1 开发环境 3 1 1 开发工具 t a u ( 3 2 是1 e l d b g i c 公司开发的一种实时软件开发和测试工具可以将可视化 的状态图模型转化成产品级的应用程序，使编程人员专注于解决高层次的设计和 新功能的开发。t a u g 2 将编程人员从手工易出错和以代码为中心的开发方法中解 放出来，采用一种更可靠、可视化、自动化的开发方法，从而增强了项目的可预 测性，提高了编程质量，缩短了开发周期，节约了成本。 1 抽( 3 2 特别适用于在实时系统上的应用开发，可有效地解决并发和信令传送 等实时系统中常见的问题。t a u ( 3 2 支持模型驱动开发，编程人员只需要关注框架 和设计，而不是实现的细节同时，开发人员可以在开发初期就对系统仿真，追 踪和分析系统的行为，及时地改进复杂的动态行为，从而在开发初期发现并修改 错误。t a ng 2 作为一个公共的开发环境，具有强大的可扩展性，其自动生成的应 用程序不仅包括c 代码应用程序，还包括扩展的c h 应用程序【墉j 。通过使用t a u g 2 ，开发者可利用不同的高级语言来分析用户需求，设计软件和构造测试集此 外，t a ug 2 还提供了自动测试套件的生成功能。保证了与系统规格的一致性。 t a l lg 2 不但能够简化并加速复杂系统软件的开发，更为重要的是它帮助用户 解决复杂实时系统和其他先进系统中的开发问题，所以其应用十分广泛。用t a u g 2 来开发协议栈，可将从静态设计到动态设计再到测试等的各个环节无缝紧密结 合，将面向对象的思想体现得非常充分，提高了开发效率和产品质量。 3 1 2 开发语言 u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是一种用于软件工程图形化建模的语言， 是国际上标准的建模语言。它具有统一的语义和符号表示，可使项目根植于一个 成熟的标准建模语言，拓宽了软件系统的适用范围，提高了编程的灵活程度。u m l 可以将