GSM-R网络分组域仿真系统关键技术研究

张国振，田宏达，李 杰，郭瑞彬

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070；3.北京邮电大学，北京 100876；4.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044）

铁路数字移动通信系统 (GSM-R) 网络的通用分组无线业务 (GPRS)具有多用户共享带宽、传输数据量大等优势，可以有效提高频率复用率。国内高速铁路使用GPRS 主要承载调度命令等非安全数据，随着列控系统技术的发展，GPRS 逐渐开始承载车地列控数据等安全数据的传输。欧洲最新发布的ETCS 列控系统基线3 版本，也优先使用GPRS承载车地列控数据等安全数据传输。而用于承载铁路通信的GSM-R 网络，因其应用领域独特专用，相关研究和产品较少，由于没有适合GSM-R 的GPRS 仿真模拟平台，导致基于GPRS 的铁路应用产品的开发测试效率较低。

为提高研发效率，保证铁路系统的安全性，需要开发一种可以替代GSM-R 分组域现网的GSM-R分组域仿真网络，通过在该仿真网络中进行测试和试验，提高铁路应用产品的开发质量和效率。

1 GSM-R分组域仿真系统简介

铁路应用产品与GPRS 终端之间的数据传送采用GPRS 模式，GPRS 终端在开机并注册到GPRS网络后，依次进行附着、激活等流程，最终获得网络访问能力，GPRS 终端数据发送的特征主要由应用需求决定。发送的数据通过空中接口将数据依次传输到基站收/发信机(BTS)、基站控制器（BSC）和分组控制单元(PCU)，由PCU 再依次传输到服务GPRS 支持节点（SGSN）、网关GPRS 支持节点(GGSN)，最终送入专网/互联网中。

GSM-R 网络分组域仿真系统的原理如图1 所示，该系统在原有的GSM-R 电路域仿真系统中增加了PCU、SGSN、GGSN 等单元。其中PCU单元负责将分组域数据从电路域数据中分离出来，SGSN 负责网络接入控制、移动性管理、无线资源管理、用户数据管理、会话管理及路由选择和数据转发等功能，GGSN 负责会话管理、网络接入控制、路由选择和数据转发、用户数据管理及外网访问接口等功能。

图1 GSM-R分组域仿真网络系统架构Fig.1 GSM-R packet domain simulation network system architecture

2 GSM-R分组域仿真系统的关键技术

GPRS 在GSM 提供的CS-1 信道编码基础上，又提供了CS-2、CS-3、CS-4 共3 种信道编码，以提高网络的性能，根据网络环境动态选择编码能够有效提高传输速率，在GPRS 现网中大多采用链路适配的方案来进行动态选择编码方案，在仿真环境中不存在通信环境突变情况，因此仿真系统无需实现所有信道编码并设计相应的动态选择算法，合理地实现部分编码和编码选择方案将有效降低系统的复杂度。

铁路应用系统中车载电台(MS)在开机注册GPRS 网络后，将向SGSN 发送附着请求，SGSN确认该用户具备GPRS 业务能力后发送附着成功到终端。在完成附着后，电台将发送分组数据协议(PDP)激活请求以获取网际互连协议(IP)地址，由SGSN 将接受到的接入点名称（APN）信息发送到专用域名服务器(DNS)进行解析，再由SGSN 发送激活请求到特定的GGSN，由GGSN 服务器到认证服务器获取该MS 对应的IP 地址并分配给该MS。已有的GSM-R 网络电路域仿真系统为一体化实现，因此SGSN 和GGSN 网元的实现数量越多，仿真系统的性能也将越差。因此在GSM-R 网络分组域仿真系统研发过程中，SGSN 和GGSN 各做一个实现，而如何在单个GGSN 的情况下，按照需求为每个GPRS 终端分配IP 地址并实现分组域数据通信将成为本系统的技术难点。

而本系统中不存在移动台在不同SGSN 间路由切换、GGSN 查找移动台所在的SGSN 等需求，同时本系统中BTS、BSC/PCU、GGSN 和SGSN 之间并不需要进行网络通信，因此GPRS 协议中为了方便这些网元通信设计的协议对本系统无应用，简化或舍去GPRS 协议中的不必要通信协议将是本系统设计的另一大难点。

3 GSM-R分组域仿真系统关键流程分析

3.1 GPRS附着

GSM 附着分为国际移动用户标识(IMSI）附着、GPRS 附着以及联合附着，因GSM-R 网络分组域仿真系统已经具备电路域仿真功能，在此以联合附着为例进行说明，如图2 所示。

图2 GPRS联合附着Fig.2 Combined GPRS attach procedure

GSM 标准规定，GPRS 终端附着时，MS 首先发送附着请求到New SGSN，然后由New SGSN发起Identification Request，而由于本仿真系统中只设有一个SGSN，因此省略向旧SGSN 发送Identification Request 消息，并直接向用户终端发送Identity Request 消息，要求其上报IMSI，接着执行鉴权和IMEI 身份检查，SGSN 通知归属位置寄存器（HLR）该MS 位置更新，HLR 将MS的预约数据下发到SGSN，之后SGSN 需要向拜访位置寄存器(VLR)发起位置更新，在本系统中不存在发生切换的情况，该部分信令交互流程也需要简化省略。最后SGSN 将Attach Accept 消息发送至用户终端并等待用户终端应答完成附着。

3.2 PDP上下文激活

PDP 上下文激活分为用户终端发起的PDP 上下文激活和网络发起的PDP 上下文激活，一般而言为用户终端主动发起激活流程，如图3 所示为一般的MS 发起PDP 上下文激活流程。

图3 PDP上下文激活Fig.3 PDP context activation procedure

MS 首先向SGSN 发出PDP 上下文请求，请求内容包括PDP 类型、网络服务接入点(NSAP)、APN 等信息，SGSN 执行安全性规程，接着SGSN 根据MS 提供的PDP 类型、APN 等信息解析GGSN 地址，但由于仿真系统只设计了单个GGSN，因此本仿真系统将忽略该解析流程，并直接向GGSN 发送创建PDP 上下文请求，GGSN 利用SGSN 提供的信息分配IP 地址，限定服务质量（QoS）。最后SGSN 接收GGSN 的PDP 创建上下文响应，向MS 返回激活PDP 上下文接收消息，此时MS 与GGSN 之间已建立起路由，可以进行分组数据传送。

4 GSM-R分组域仿真系统架构

4.1 整体结构

如图4 所示，白框模块为软件模块，灰框模块为硬件模块。

图4 GSM-R分组域仿真系统模块Fig.4 Module of GSM-R packet domain simulation system

BTS 仿真模块驱动收发器完成物理射频子层和物理链路子层所有功能，包括时分复用技术（TDM）功能、物理链路阻塞检测、前向纠错码（FEC）功能、信道编码、功率控制，可选择的编码方案能够实现更高速率数据传输，BTS 仿真模块实现了CS1（单信道9.05 kbit/s）和CS4(单信道21.4 kbit/s)两种信道编发方案，用于模拟恶劣环境和理想环境下的GPRS 网络。

PCU 仿真模块完成媒体接入控制（MAC）/无线链路控制(RLC)所有功能，包括MAC 接入冲突分解、MAC 优先级处理、RLC 自动重传请求(ARQ)传输错误纠正和逻辑链路控制(LLC) PDU分割重组。

GSN 仿真模块负责完成SGSN 和GGSN 功能，包括GPRS 移动性管理(附着和分离)和会话管理（PDP 激活和去激活）。基于本仿真系统网络只存在1 个SGSN，因此GSN 仿真模块不需要实现SGSN位置管理功能（路由区更新等流程）。

通过GPRS 附着、PDP 上下文激活等流程后，GPRS 终端最终可以通过使用GGSN 动态分配的IP地址访问外网，GPRS 网络仿真系统采用Ubuntu作为仿真系统的载体，GPRS 外网功能通过构建虚拟网络设备TUN 和配置网络地址转换NAT 实现。GPRS 终端在通过仿真系统访问外网时，仿真系统将通过源地址转换（SNAT）的方式将GPRS 的源IP 地址替换为Ubuntu 上可用的IP 地址，并在外网响应时通过查表的方式重新替换为原来的IP 地址，以实现正常的网络访问功能。

DNS/防火墙模块为GPRS 仿真网络提供可配置的DNS 解析服务器，允许GPRS 仿真网络借助公众DNS 服务器或私有DNS 服务器进行试验。同时为GPRS 仿真网络和GPRS 终端提供防火墙保护，防止网络和终端受到恶意攻击。

4.2 GPRS通信过程

GPRS 控制平面协议如图5 所示。协议类型1 为GPRS 终端所需要实现的协议模块，与GPRS 仿真网络无关，类型2 和类型3 的协议为GPRS 协议规定的网络侧控制平面协议结构。基于仿真需求的特殊性，简化仿真系统的复杂度，提高仿真系统的性能，本仿真系统中只涉及单个BTS、BSC/PCU、SGSN和GGSN，同时这些模块均运行在同一服务器中。因此与GPRS 网络中寻址、路由相关的协议（协议类型3）在本系统中无应用，因此本系统只实现类型2 的协议，以实现完整的GPRS 仿真网络（以下同理）。

图5 GPRS控制平面协议Fig.5 GPRS control plane protocol

控制平面主要用于实现GPRS 移动性管理和会话管理。当移动台刚开机还未连接至GPRS 网络时，为了使用GPRS 服务，GPRS 终端必须先向GPRS 网络登记自身信息、位置信息（attach），网络记录该信息并更新移动台的客户临时识别码（TMSI），使网络有能力找到该移动台，然后移动台发送PDP 上下文激活请求以获得网络访问能力。在本系统中GGSN 不需要记录SGSN 的位置，因此直接返回响应到移动台，此时移动台拥有了连接网络的能力。

GPRS 传输平面协议如图6 所示。移动台在获得网络能力后，其应用程序依靠GPRS 分配的IP地址进行通信，GPRS 为了提供与网络层无关的透明传输功能，设计了SNDCP 协议，为不同的网络层协议（IP，X.25，ATM）提供服务。在现网中大量使用基于IP 的网络层协议，因此本系统中SNDCP 模块提供IP 网络层的实现。为了保证网络层数据可以在GPRS 网络中透明传输，LLC 实现了下层协议对上层协议的统一，并对中断的帧提供错误检测和恢复，本系统中LLC 模块实现LLC 协议的所有功能，RLC 模块将上层LLC 数据分段，以便在逻辑信道上传输，并提供选择性重传功能，向上层提供一个可靠的链路，并将LLC 包按照信道编码切割成不同的小块，方便后续卷积、交织等操作，MAC 定义和分配控制和分配逻辑信道，控制移动台接入到共享逻辑信道中完成数据传输。

图6 GPRS传输平面协议Fig.6 GPRS transmission plane protocol

5 仿真系统测试

GSM-R 分组域仿真系统要求支持铁路应用产品在真实GSM-R 网络和仿真GSM-R 网络环境下的无感通信，GSM-R 分组域仿真系统只需要完成网络信令的正确应答和分组数据的正确传输，不实现所有协议分支及内容。基于此，针对GSM-R 分组域仿真系统进行测试，测试结果如表1 所示，符合设计预期。

表1 GPRS仿真系统测试结果Tab.1 GPRS simulation system test results

6 结束语

本文分析了GSM-R 中分组域业务当前遇到的瓶颈，对GSM-R 分组域协议进行了研究，设计并实现了一种满足研发测试需求的仿真系统。该系统在通信协议和流程上进行了优化，使仿真成本和难度大幅度降低，满足当下GSM-R 分组域业务研发的需求。