0 引言
在3G已經大量商用的時代，GSM網絡仍然具有大量的用戶，但隨著無線帶寬的不斷提升，人們獲取信息的模式發生著根本改變，GSM網絡需與時俱進，迎合現在大量據業務和與移動互聯網融合的需求，增強網絡對用戶的粘性。家庭基站(Femto)概念最早由英國Ubiquisys公司提出，是一種小型低功率蜂窩基站，放置在家庭等室內環境中的無線接入設備，工作于授權頻段。其發射功率較小，一般為毫瓦級，覆蓋半徑較小，空中接口符合3GPP／2標準，適用于任何現有的移動終端。Femto將移動、固定、寬帶業務都融合在一起，用戶通過一個Femto就能實現其所有的通信需求，它能幫助運營商鞏固用戶規模并發展家庭用戶，節省投資。由于Femto采用扁平化架構，符合移動網絡演進的趨勢，扁平化架構由于減少了節點數，也更符合全IP網絡中實時業務對時延的嚴格要求，因此GSM網絡結合Femto結構就顯得尤為必要。
網關是用戶終端接入核心網的接口，在網絡中起著重要的作用，如何設計在Femto架構下GSM網關就是目前急需解決的關鍵技術，本文在研究扁平化Femto架構的基礎上，設計實現了一種GSM網關，其中Femto網關與HNB(Home Node B)之間的接口(Abis口，Femto系統一般稱此接口為Iuh接口，但由于本文設計的是GSM的網關，因此借用了GSM系統中的概念，沿用了Abis接口的概念)采用全IP化的結構，數據和信令都采用IP化的承載方式；A接口數據采用傳統的E1的方式接入，網關內部融合了路由，信令的處理和速率適配等功能，具有較高的實際應用價值。
1 GSM網關的基本原理
網關就是將兩個使用不同協議的網絡段連接在一起的設備。它的作用就是對兩個網絡段中的使用不同傳輸協議的數據進行互相的翻譯轉換，設計的GSM網關基本原理如圖1所示。
網關作為用戶設備與核心網互聯的中介，其中各功能模塊為：
1．1 路由功能
網關在GSM系統中是位于基站子系統BSS(Base Station Subsystem)之中的，它要管理不止一個家庭基站HNB，具體管理多少個HNB，取決于Femto系統的設計容量，在不同的地域會有所不同。正因為一個網關管理多個HNB，因此它必須具有一定的路由功能，這主要體現在下列業務中，網關必須要知道核心網發來的數據要往哪個HNB發，才能保證將數據發給正確的HNB
1．2 信令處理功能
信令在通信網中發揮著不可替代的作用，網關是用戶跟核心網的中介，必須要具有信令的接收，處理和發送的功能。
1．3 編碼轉換和速率適配功能
在GSM系統當中，在空口側，由于無線頻譜的緊張和無線信道的復雜性，空口側的數據速率只有幾Kb／s，十幾Kb／s量級，GSM的TCH(Traffic Channel)信道有全速率(Full Rate，FR)，半速率(Half Rate，HR)，增強型全速率(Enhanced Full Rate，EFR)和自適應速率(Adaptive Muti-Rate，AMR)等，不同的方法具有不同的速率，也就是說在空口側，用戶發過來的數據的速率不是固定的，編碼方法也不是固定的，而GSM的A接口現在大部分的運營商還沒有進行IP化的改造，數據是通過E1承載的，而系統給每個用戶分配的資源是某一路E1的某個時隙(TimeSlot)，而E1的時隙速率是恒定的(PCM編碼方式，64 Kb／s)，因此網關要具有編碼轉換和速率適配的功能。
1．4 數據轉接功能
網關Abis口采用的是全IP化的結構，數據和信令都是通過IP方式承載的，而A接口，數據是通過E1線承載的，因此網關要具備數據的轉接功能。
2 基于Femto的GSM網關的設計
本文所設計基于Femto的GSM網關框圖如圖2所示，可分為接入模塊、信令模塊、編碼轉換和速率適配模塊、轉換模塊。
2．1 接入模塊
接入模塊是網關內部與HNB直接相連的惟一模塊，它主要負責數據的識別和轉發，Abis口傳輸有信令和數據，但信令和數據在網關內部走的路線不一樣，因此接入模塊必須具備數據的甄別能力，再根據判別的結果進行轉發，本文設計的Abis口協議棧。如圖3所示。
基于IP化結構上，信令與數據是通過不同的傳輸層協議承載的，信令是通過SCTP協議承載，而數據是通過UDP協議承載的。因此對每一個HNB發來的IP包，接入模塊很容易判別出是信令包，還是數據包。接入模塊的SCTP是作為服務端存在的，會在一個固定的端口偵聽，每一個正常的呼叫請求都會建立一個SCTP偶聯，用來傳輸在整個通話過程中的信令，在接入模塊內部，要維護2個映射表，在控制面(信令)，具體到一個用戶(UE)，Abis口側的SCTP偶聯與到信令模塊的SCTP偶聯的對應關系。相當于給這個用戶建立Abis口側的信令的通路；在數據面，Abis口側的HNB的IP地址和UDP端口與到編碼轉換速率適配單元的UDP端口的映射，相當于給這個用戶建立Abis口側的數據通路，對應的映射關系如圖4所示。
2．2 信令模塊
信令模塊是整個網關的“大腦”，指揮著各個模塊的工作，它負責信令的處理和生成。A口控制面協議棧如圖5所示，結合圖2的Abis口協議棧可以看出，信令模塊主要處理BSSAP(Base Station Subsystem Application Part)消息，HNBAP(Home Node B Application Part)消息等。
2．3 編碼轉換和速率適配模塊
編碼轉換和速率適配模塊是專門用于數據處理的一個模塊。由于在GSM系統當中，Abis口用戶的語音數據有全速率，增強型全速率，半速率和自適應速率等類型，且每種類型的數據速率也不一樣。而在A接口側，給每個用戶的信道是一路E1的某一個時隙，它的速率是固定的64 Kb／s，因此需要一個專門的模塊用來處理這個任務，編碼轉換和速率適配模塊就是為此而設它能根據信令模塊的通知為一個用戶在兩側建立好數據通路，由信令模塊告知每個用戶的編解碼方式，使得這個模塊能根據不同用戶的數據類型而選擇合適的編解碼算法進行速率的適配。在這個模塊內部要維護一個映射表，對每一個UE來說，到接入模塊要用一個端口，到轉接模塊要用到一個ITDM的通道，因此，在數據面上，存在這兩者之間的映射關系如圖6所示。
2．4 轉接模塊
轉接模塊和編碼轉換速率適配模塊之間的數據是通過ITDM協議傳輸，ITDM協議是一種內部的TDM協議，它以幀的形式傳輸TDM的數據，ITDM協議中有通道的概念，每一個雙向通道可以用來傳輸一個用戶的數據，因此，在編碼轉換速率適配模塊和轉接模塊之間不同用戶之間的數據復用是通過ITDM協議中的通道實現的。在A接口側，分配給某一個用戶的資源是某一路E1的某一個時隙(TimeSlot)，因此在轉接模塊內部要維護一個映射表，它是A口側的某一路E1的某一個時隙與網關內部的某一個ITDM通道的對應關系，如圖7所示。A接口上，具體把哪路E1的哪個時隙分配給請求的用戶是由核心網分配的，它們同時存在于一個叫CIC的變量里，會通過信令傳給網關。轉接模塊是網關與核心網直接相連的模塊，它必須要支持信令的傳輸，從A接口的協議棧可以看出，A接口采用的是傳統電信網絡中非常流行的7號信令系統，因此轉接模塊要集成MTP2，MTP3和SCCP協議。從信令時隙讀取的信令要通過網關內部與信令模塊的連接發給信令模塊，從而指揮整個系統的工作。
3 GSM網關的實現
本文GSM網關的實現采用ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture)平臺，ATCA是為下一代融合通信及數據網絡應用提供的一個高性價比的，基于模塊化結構的、兼容的、并可擴展的硬件架構。它是一種開放式標準硬件平臺，現已被100多家公司采用。
ATCA機箱通常有5U和12U兩種類型，5U機箱上的槽位有6個，12U機箱上的槽位有14個。不同的機箱由于插上的板卡的數量不同，運算能力和系統的容量也有很大的差異，需要根據的具體的需求選用。ATCA上常用的板卡有2210，0040，7220和1200。每種板卡有不同的用途，性能各異。其中2210是交換板，負責其他的應用板卡之間的數據的通信；0040俗稱信令板，主要用于處理與信令相關的模塊；7220俗稱數據板，它有很強大的數據處理能力。
本文采用5U的ATCA機箱來進行GSM網關的實現，因為本文所設計的網關是基于Femto架構下設計的，因此系統的容量不是很大。所設計的網關各個模塊采用的板卡如下：接入模塊采用7220板；編碼轉換速率適配模塊采用1200板；信令模塊采用0040板；轉接模塊采用1200板。最后設計的GSM網關在實驗室可打通電話，通過主觀評價，語音質量達到商用標準。
4 結語
本文所設計實現的基于Femto架構的GSM網關，它的系統容量不是要求很高，但具有扁平化的設計思想，能充分發揮Femto架構的優勢。通過進一步開發上網功能，可使產品具有較大實際應用價值。
