一种基于Femto的GSM网关设计与实现

GSM网络用户众多，在GSM接入网中引入Femto架构，符合移动通信网络扁平化发展趋势。在此研究基于Femto架构的GSM网关，作为用户端数据接入核心网的接口，将移动、宽带和固定业务融合在一起，在GSM网络中将发挥重要的作用。采用IP化承载方式，Abis接口完全IP化，用模块化设计方法，基于Femto架构，在ATCA的平台上设计实现了具有信令处理、数据转换、编码转换及速率适配、路由等4功能的GSM网关，通过该网关已打通电话，语音质量达到商用，具有重要的实际应用价值。


0 引言


在3G已经大量商用的时代，GSM网络仍然具有大量的用户，但随着无线带宽的不断提升，人们获取信息的模式发生着根本改变，GSM网络需与时俱进，迎合现在大量据业务和与移动互联网融合的需求，增强网络对用户的粘性。家庭基站(Femto)概念最早由英国Ubiquisys公司提出，是一种小型低功率蜂窝基站，放置在家庭等室内环境中的无线接入设备，工作于授权频段。其发射功率较小，一般为毫瓦级，覆盖半径较小，空中接口符合3GPP／2标准，适用于任何现有的移动终端。Femto将移动、固定、宽带业务都融合在一起，用户通过一个Femto就能实现其所有的通信需求，它能帮助运营商巩固用户规模并发展家庭用户，节省投资。由于Femto采用扁平化架构，符合移动网络演进的趋势，扁平化架构由于减少了节点数，也更符合全IP网络中实时业务对时延的严格要求，因此GSM网络结合Femto结构就显得尤为必要。


网关是用户终端接入核心网的接口，在网络中起着重要的作用，如何设计在Femto架构下GSM网关就是目前急需解决的关键技术，本文在研究扁平化Femto架构的基础上，设计实现了一种GSM网关，其中Femto网关与HNB(Home Node B)之间的接口(Abis口，Femto系统一般称此接口为Iuh接口，但由于本文设计的是GSM的网关，因此借用了GSM系统中的概念，沿用了Abis接口的概念)采用全IP化的结构，数据和信令都采用IP化的承载方式；A接口数据采用传统的E1的方式接入，网关内部融合了路由，信令的处理和速率适配等功能，具有较高的实际应用价值。

1 GSM网关的基本原理


网关就是将两个使用不同协议的网络段连接在一起的设备。它的作用就是对两个网络段中的使用不同传输协议的数据进行互相的翻译转换，设计的GSM网关基本原理如图1所示。

网关作为用户设备与核心网互联的中介，其中各功能模块为：


1．1 路由功能


网关在GSM系统中是位于基站子系统BSS(Base Station Subsystem)之中的，它要管理不止一个家庭基站HNB，具体管理多少个HNB，取决于Femto系统的设计容量，在不同的地域会有所不同。正因为一个网关管理多个HNB，因此它必须具有一定的路由功能，这主要体现在下列业务中，网关必须要知道核心网发来的数据要往哪个HNB发，才能保证将数据发给正确的HNB。


1．2 信令处理功能


信令在通信网中发挥着不可替代的作用，网关是用户跟核心网的中介，必须要具有信令的接收，处理和发送的功能。


1．3 编码转换和速率适配功能


在GSM系统当中，在空口侧，由于无线频谱的紧张和无线信道的复杂性，空口侧的数据速率只有几Kb／s，十几Kb／s量级，GSM的TCH(Traffic Channel)信道有全速率(Full Rate，FR)，半速率(Half Rate，HR)，增强型全速率(Enhanced Full Rate，EFR)和自适应速率(Adaptive Muti-Rate，AMR)等，不同的方法具有不同的速率，也就是说在空口侧，用户发过来的数据的速率不是固定的，编码方法也不是固定的，而GSM的A接口现在大部分的运营商还没有进行IP化的改造，数据是通过E1承载的，而系统给每个用户分配的资源是某一路E1的某个时隙(TimeSlot)，而E1的时隙速率是恒定的(PCM编码方式，64 Kb／s)，因此网关要具有编码转换和速率适配的功能。


1．4 数据转接功能


网关Abis口采用的是全IP化的结构，数据和信令都是通过IP方式承载的，而A接口，数据是通过E1线承载的，因此网关要具备数据的转接功能。

2 基于Femto的GSM网关的设计


本文所设计基于Femto的GSM网关框图如图2所示，可分为接入模块、信令模块、编码转换和速率适配模块、转换模块。

2．1 接入模块


接入模块是网关内部与HNB直接相连的惟一模块，它主要负责数据的识别和转发，Abis口传输有信令和数据，但信令和数据在网关内部走的路线不一样，因此接入模块必须具备数据的甄别能力，再根据判别的结果进行转发，本文设计的Abis口协议栈。如图3所示。

基于IP化结构上，信令与数据是通过不同的传输层协议承载的，信令是通过SCTP协议承载，而数据是通过UDP协议承载的。因此对每一个HNB发来的IP包，接入模块