CN101159895A - 一种基站实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基站及其实现方法：用以太网作为基站的交换平台，将多路低速的语音或数据报文进行打包和拆包，利用IP技术承载报文，从而达到将IP技术应用于基站的目的。本发明通过在基站中引入IP和以太网交换技术，借助软件处理实现网络系统功能，通过这种技术实现的基站平台，能支持多种无线制式。对于制造商来说，这种技术能加速基站的开发，同时方便对基站进行各种测试。对于用户来说，在低成本建网和定制网络业务方面，相对于传统基站具有优势。

Description

一种基站实现方法

技术领域

本发明涉及移动通信系统领域，尤指一种基站实现方法。

背景技术

随着软件技术和处理器处理能力的进步，如何充分利用处理器的处理能力，使用软件代替硬件实现特定处理，越来越被人们关注。使用软件方法实现的优越性在于能降低硬件成本，同时能够定制网络功能，提供丰富业务。由于IP技术在软件实现方面，相对于传统电路交换网络和ATM网络表现出的绝对优势，因此人们预计下一代网络系统将是全IP网络。

传统无线基站通常基于电路交换和ATM交换技术实现，不同基站基于不同的软硬件，软硬件复杂。这造成测试过程复杂烦琐，甚至部分测试项目难于测试。同时传统基站依赖于专用硬件平台，网络接口是各制造厂商的自定义接口，在基站层次上不能实现互连互通。

第二代基站使用TDM方式实现基站与网络的接口，TDM方式也称为电路交换方式。第二代基站包含全球移动通信系统GSM、码分多址移动通信系统CDMA，以及某些数字无线接入通信系统。

GSM系统是FDM和TDMA结合的无线通信系统。由于共用无线网络资源，必须使用多址技术使众多用户共用公共频段。时分多址TDMA，是指在一个无线载波上，将信道按时间加以分割，各信号按顺序占用某一时间间隙(时隙)，以不同的时隙实现通信。即多路信号利用同一个信道在不同时间各自独立地传送。与TDMA技术相比，码分多址CDMA是以不同的代码序列实现通信，通过不同的码序列实现的多址。CDMA系统单个信道的容量与扩频算法好坏、空间干扰大小、频带宽度都有直接关系。CDMA不象FDMA、TDMA那样把用户信息从频率和时间上进行分离，CDMA可在一个信道上同时传输多个用户的信息。

GSM每个载频带宽为200KHz，载频所在的频段也称为“频点”。在900M和1800M两个频段范围内分别可容纳124和374个载频，这两个频段范围的总带宽则分别为25MHz和75MHz。每个基站为一个小区，通常每个小区使用几个频点，以满足通信需求。

GSM的FDM有两个含义，第一个含义是，不同频点使用不同的频率，相邻小区通过使用不同的频点能防止产生频率干扰；第二个含义是，即使在一个频点上，上行和下行信号也处于不同的频率。如900M GSM基站下行频率范围为935～960MHz，而上行频率范围为890～915MHz，因此同一个频点的上行和下行频率相差45MHz。通过频率区分频点和上行下行，能避免互相干扰。GSM单个载频以时间分割实现多址，每载频提供8个信道，即无线口TDMA帧结构中包含8个时隙。

GSM基站通过一条E1线连接到基站控制器BSC，语音、用户数据、信令、维护分别使用不同E1时隙传送。E1通信接口包含0～31时隙，通常第31时隙是维护链路，而其它时隙为信令链路和用户语音、用户数据。全速率用户语音占用一条16Kbit子时隙(4条语音占用一路64K时隙)，半速率语音占用一条8Kbit子时隙(8条语音占用一路64K时隙)，用户数据占用一条或多条语音时隙。

GSM基站中使用不同时隙区分数据，其核心交换方法是TDM交换。这种交换方法与ATM交换和以太网交换相比的缺点在于：交换容量小、速率低、控制方法复杂、实现成本较高(因为需使用专用部件)。

如图1所示，一个GSM系统由三个子系统组成，即操作维护中心(操作支持子系统OSS)、基站子系统(BSS)、网络子系统(NSS)。基站子系统BSS通过无线口与移动台相连，负责无线发送接收和无线资源的管理。网络子系统NSS是整个系统的核心，它对GSM移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换、连接与管理的功能。完成呼叫处理、通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安全性管理、用户数据和设备管理、计费记录处理、公共信道信令处理和本地运行维护等。NSS中的归属位置寄存器HLR、鉴权中心AUC完成数据库管理、移动应用部分事务处理和协议处理功能。NSS中的拜访位置寄存器VLR是实时数据库系统。它负责存储并管理当前活动在MSC/VLR区域的移动用户的有关数据，并提供用户安全性管理功能。操作支持子系统OSS完成移动用户管理、移动设备管理、系统的操作与维护。

GSM系统是一个庞大而完备的系统。GSM系统需要大量设备互相连接，所有设备正常运作才能完成相应的功能。因此，其不可避免地具有如下缺点：

1、整个通信系统非常复杂，测试难度大。测试中必须搭建复杂的网络环境，并借助昂贵的专用仪器才能对相关设备进行测试。

2、系统使用电路交换平台，数据传输的效率低，不适合于数据通信应用。

3、基站和相关网络设备的实现方法复杂，硬件成本和开发成本高。

4、网络设备庞大，需要专门的机房等基础设施，用户投资大。

5、网络设备太多，要求用户必须进行专门的维护。建立小规模私用无线网络成本非常高，一般单位如公安、电力、政府、学校等难于使用这种技术，建立无线通信专用网络。

第三代移动通信在八十年代被提出，它提供包括图像、数据等移动多媒体业务。第三代移动通信相对二代的最重要特点是提供中高速的分组数据业务。第三代基站使用ATM交换技术。

当数据业务速率低于64K时，可通过适配或转换方法，将分组数据流填充到E1电路中的某个时隙，通过电路交换实现简单分组功能。第二代移动通信系统正是这样实现分组交换功能。但当分组速率进一步提高时，使用电路交换实现分组交换变得非常复杂。因此第三代基站通常建立在ATM交换平台基础上，通过使用不同信道编码部分，来实现不同无线口制式基站。

第三代基站的无线口制式包括WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。在无线口上下行频率的分配上，W-CDMA和CDMA2000采用与GSM类似的方式，上行和下行使用不同频率，称为频分双工方式(FDD)。而TD-SCDMA上行和下行通信均使用相同频率，称为时分双工方式(TDD)。

ATM异步传输模式(ATM：Asynchronous Transfer Mode)是通过信元来承载上层业务，通过信元交换实现业务交换，ATM能承载语音、低速数据等各种通信业务，ATM适配层AAL能提供各种业务的适配。第三代基站通常使用AAL2适配语音和低速数据业务，使用AAL5适配信令和高速数据业务。

第二代基站使用时隙交换方法交换语音和信令。在语音适配到ATM信元后，可以通过信元交换方式实现语音交换。第三代基站必须通过AAL2适配才能保证语音的质量，否则将产生问题。这是因为如果直接将单条语音连接的报文直接打包到ATM信元，则针对相应连接的ATM打包拆包延时很大。举例来说：对于一条64Kbit/s连接，每秒传送8000字节，而每个ATM信元包含48个字节(去掉指针后的净荷为47字节)，打包拆包的总延时时间为

47/8000＝0.00587秒

0.00587秒*2*1000＝11.75毫秒

对于16K的低速语音连接，延时时间将增加4倍，达到40～50毫秒。对于语音通信来说，这是不可容忍的。

但如果将高速连接进行ATM打包和拆包，延时就很小。如对于2.048Mbps的连接进行打包拆包，延时相对64Kbps降低32倍，只有不到0.5毫秒。带宽越高，则信元打包拆包延时越小。带宽足够高时信元打包和拆包的时间可以忽略。

使用AAL2方法，相当于将多条低速连接组合为高速连接后，再进行ATM信元的打包和拆包。这样信元的打包拆包延时非常小，所以能保证低速语音连接的通信质量，确保低传输时延和时延抖动。

AAL2的重要特性是在信元中引入微信元的概念，微信元长度不固定，比起固定长度的信元来，更具灵活性。但灵活性也带来复杂性，在实现微信元的交换时，必需对信元重新进行拆分和组装。关于WCDMA陆地网语音业务承载的标准协议规定，接入网将压缩语音业务封装在AAL2中，经核心网设备交换和传输后，最终到达目的地。

如图2所示为将多条语音连接通过AAL2方法适配到ATM信元的方法。由图2可见三个分别为19、18、22字节长数据单元，加上分组头成为微信元。微信元再装入ATM信元净荷域，设置好指针(STF)后进行传送。

但使用ATM AAL2技术实现业务传送，因为相应适配方法需要硬件参与，造成硬件复杂、成本高。同时相应适配方法和信元交换控制方法复杂、配置麻烦，易出错。

发明内容

本发明提供一种基站实现方法，以解决现有技术中因基站交换平台利用电路交换平台而造成的设计复杂、成本高的缺点。

为解决上述问题，本发明提供如下的解决方案：

一种基站实现方法，所述基站包括复数个载频模块，每个载波模块对应于基站的一个载频，每个载波模块拥有独立的IP地址；所述载频模块从以太网口接收IP报文，并解开打包后的IP报文，形成多条语音连接/数据连接的业务报文，并将所述语音连接/数据连接的业务报文适配成无线口传送所要求的格式后发送，在相反的方向上，将无线口传来的多条低速语音/数据报文打包成IP报文。

本发明实施例通过在基站中引入IP和以太网交换技术，借助软件处理实现网络系统功能，通过这种技术实现的基站平台，能支持多种无线制式。对于制造商来说，这种技术能加速基站的开发，同时方便对基站进行各种测试。对于用户来说，在低成本建网和定制网络业务方面，相对于传统基站具有优势。

附图说明

图1为GSM移动通信系统的组成示意图。

图2为第三代移动基站中ATM适配层AAL2对多路语音报文的打包复用示意图。

图3为本发明实施例将多路语音报文打包到一个IP报文的示意图。

图4为本发明实施例基站平台系统模块结构示意图。

图5为本发明实施例网络系统/测试系统模块结构图。

图6为本发明实施例基站和测试系统之间的传输适配系统原理示意图。

图7为本发明实施例测试系统/网络系统认证鉴权原理示意图。

具体实施方式

电路交换技术和ATM技术都存在着局限性，这些技术都是多年前提出的技术。在最近若干年通信技术发展实践中，IP技术越来越表现出优越性。IP技术具有方便、灵活、成本低的特点。因为通常的IP承载方式为以太网，所以典型的IP交换技术就是以太网交换。以太网交换的交换容量和交换性能优异，在企业网、城域网、骨干网都获得广泛应用。

本发明实施例使用IP作为基站的核心，使用以太网交换平台代替电路交换平台和ATM交换平台，使设备的成本、开发难度将大大降低，设备的灵活性提高。但正如使用ATM链路直接传送语音报文一样，用IP传送低速语音和数据连接也存在特定问题，具体来说就是报文延迟太大问题和传送效率太低问题(即报文数量太多问题)。

报文延迟问题：如通常认为语音通信的双方能忍耐的最大延迟为20ms，这样要求语音通信的链路传输延迟为10ms。这意味着为了保证语音质量，每秒需要传送100个语音报文以上。如果将每个语音报文映射到一个IP报文中，就必须每秒传送100个IP报文。低速语音连接的带宽通常在16Kbps以下，对应的字节数量为2000个字节以下。这样，将2000个字节分散到100个IP包中，每个IP包中只有20个字节。为了将这么短的语音报文形成IP报文，必须加填充和报头开销，以及帧间开销，所以IP传送语音的效率很低(通常达到300字节以上的IP报文传送才比较经济)。

报文数量问题：按照上面的分析，每路低速语音连接需要每秒使用100个IP报文，假如有100个用户同时通话，就需要每秒传送10000个报文以上。这么大数量的报文对报文转发能力和报文处理能力的要求非常高，造成使用软件方法进行报文处理的难度大，设备实现难度大。

因此，只有尽量减小语音报文的长度，在同样时间内多传送一些语音报文，才能更好地保证语音实时性，确保高通话质量。但传送的报文太短、数量太多，不适应于IP网络的传输特征，即语音传送和IP传送二者之间存在矛盾。

为了解决这一矛盾，使用IP传送低速语音报文时，改善IP对低速连接的传输性能，本发明实施例将多条低速连接组合为高速连接，再进行IP报文的打包拆包。这样针对语音连接的延时将变小，能确保低速语音连接的通信质量。

如图3所示，本发明实施例将多路低速的语音报文进行IP打包。首先，将原始的3路语音报文进行第一次打包，形成对应的3个子包，每个子包至少包括：子包头ID和字节数两个字段。如第一个子包的子包头ID＝1，字节数为19；第二个子包的子包头ID＝2，字节数为18；第三个子包的子包头ID＝3，字节数为22；然后，将上述3个子包打包到一个IP报文中，该IP报文至少包括：IP报文头和复数个区段，第一个区段分别对应一个子包，如IP报文头为20个字节，区段1为子包1的全部内容，区段2为子包2的全部内容，区段3为子包3的全部内容。经过这一打包方法，将多路低速语音打包成为高速的IP报文流。

比如：对于上述100条16K低速语音连接，按照前面的分析结果，如果不使用这种打包方法，需要每秒传送10000个负荷为20字节的IP报文；而如果采用这种打包方法，将50个用户的语音报文打包为1个IP包，只需要200个1000字节的IP报文。

在传送效率方面：传送20字节负荷的IP报文，由于IP报文头长度为20～40字节，而IP层之下的链路层和物理层也有20字节以上的开销，以及短报文填充开销，总开销将占到报文总长度的三分之二以上。而传送1000字节长的IP报文，开销相对于整个报文可忽略不计。

如使用本发明实施例的打包方法，传送100条16K的语音连接，只需要1.6Mbps的带宽；如果不使用这种打包方法，占用带宽将达到4.8Mbps以上。

同时使用本发明实施例的打包方法，对报文转发能力和CPU处理能力的要求也大大降低。

在对来自无线口的多路语音连接和低速数据连接进行处理时，将多路连接的原始报文打包到一个IP报文中。规定在打包处理时，将所有无线口逻辑信道都在IP报文中进行映射。这样就可保证不会由于用户数量的变化，导致语音通信质量变化，使各种情况下的通话质量保持一致。

对于无线口的高速数据连接，可直接映射到IP报文中，这相比现有技术中ATM AAL5传送的优势是传送方法简单、传送效率高(使用IP传送比使用ATM AAL5传送，不需要进行相应适配，同时效率提高30％以上)。

根据上述对多路语音连接和低速数据连接进行处理时，将多路连接的原始报文打包到一个IP报文中的实现方法，本发明实施例提供一种采用IP技术的无线基站的系统结构，其结构示意图如图4所示。包括复数个载频模块，各个载频模块互相独立，通过使用不同的IP地址区别开。关于该载频的维护、信令、语音、用户数据，都以IP形式打包发往该IP地址。基站内的每个载频模块内包含通用处理器、语音处理DSP(数字信号处理器)、信道编解码DSP、中频处理模块、时钟处理模块、射频处理模块等。

通用处理器完成基站的维护和信令处理，同时完成用户报文的转发。它从以太网口接收报文，如果判断为语音报文或用户数据连接报文，则将相应报文以DMA方式转发给语音处理DSP。通用处理器与语音处理DSP采用邮箱接口，以DMA方式转发的数据放到邮箱存储区。邮箱通常在DSP芯片上实现。

语音处理DSP和信道编解码DSP解开打包后的IP报文，形成多条语音连接报文，并将这些报文适配为无线口传送所要求的格式。在相反方向上，则是将无线口传来的多条低速语音连接的报文打包为IP报文。

中频处理模块、射频处理模块、时钟处理模块完成无线口的相关处理功能。时钟处理模块采用全球卫星定位系统GPS和本地定时系统BITS来提供标准时钟，保证时钟的稳定以及射频频谱的纯净。

对应于本发明实施例上述基站的测试系统可以是一个简单的网络系统，能实现网络系统的相关功能。简单的测试系统/网络系统部分，是带有以太网口的通用计算机，上面运行特定的软件来完成处理。复杂和大容量的测试系统/网络系统是专用设备，内部有多个模块，采用分布式处理，用IP网络互连各个模块。如图5所示，为本发明实施例的一种网络系统/测试系统模块结构图，它包括：

基站接入模块：接收用户语音业务和用户数据业务，将各个用户的数据从打包状态分离出来，形成系统内部针对单个用户的标准数据结构；

报文交换模块：经过对用户权限的识别和用户信令的分析，按照标准数据结构实现两个用户间的数据交换；

鉴权认证模块，执行用户信令、认证、加密、计费处理。该模块对用户信令和用户信息进行识别，根据用户的属性，进行拒绝接入处理，或将用户信息转发到互连的其它网络；

无线口信令处理模块：根据标准协议的规定，处理无线口信道资源的分配、频点的配置；

维护模块，执行网络系统的维护功能，以及基站的加载、告警、系统维护，实现对连接在网络系统上的各个基站的远端维护；

网关处理模块，与其他网络设备相接口，通过将业务进行转换和映射，可实现业务与其它网络业务的互连互通；通过构造特定的信令系统，实现与其它网络信令的互连互通。

如果网络系统/测试系统与基站距离很近，或者是为了测试目的，可直接使用以太网口连接到基站。如果该设备与基站相距比较远，则需要增加适配设备，将以太网口适配为传输接口后，通过传输设备连接基站和网络设备。传输适配设备完成IP报文在不同接口之间的转发。

测试系统/网络系统通过运行特定软件，处理来自基站的IP报文，实现对基站的维护、信令处理、用户语音报文的交换和中继等。该设备与基站连接后可以自成系统，实现小容量专用网络，也可以通过特定处理后连接到现有网络。

在用户认证、鉴权之后，如果识别出用户业务需要中继到其他网络，则将相应用户报文处理后转接到IP网络和传统网络，并产生相应的信令。为了实现此目的，设备上除了有连接到基站的接口之外，还可以有连接到其它网络的接口。这些接口包括：连接到因特网的以太网或POS接口、连接到IP语音网络的接口、连接到接入网和PSTN的V5接口、连接到GSM系统的A接口、以及连接到3G核心交换网络的接口等。

通过运行不同的软件，网络系统可将来自基站的IP报文，经过特定处理后，连接到不同网络，实现与不同类型网络的互连互通，最大限度地利用现有网络资源。这实际是一种网关功能。

从GSM网络的观点来看，测试系统/网络系统实现BSC/MSC部分的功能；对于WCDMA网络，该系统实现了RNC/UMSC系统的功能。由于这种系统更多地使用软件实现相应功能，并省略了相应设备之间的互连接口，同时用以太网平台代替了原有电路交换或ATM交换平台，可以实现高性能、低成本。

小容量的测试系统/网络系统，硬件可以是一台普通计算机，上面运行特定软件，软件中包含相关处理模块。而大容量的网络系统，硬件较为复杂，具有相关网络构件。大容量系统使用分布式计算技术，通过以太网、快速以太网(Fast Ethernet：速率为100Mbps)、千兆以太网(Gigabit Ethernet：速率为1000Mbps)，或类似连接手段连接各个处理构件。

在进行长距离传输时，通常使用光纤传输系统来连接不同的网络设备。光传输向设备提供的接口通常为1路或几路E1通信线路。本发明中，基站和网络系统使用IP连接。两者相距很近时，可以直接使用以太网口互相连接，在多个基站之间也可以直接用以太网做级连。而在相距很远时，必须通过传输适配单元将以太网口IP报文转换为传输线路上的IP报文，通过传输系统进行传输。基站和测试系统/网络系统之间的传输适配系统连接示意图如图6所示。

传输适配单元可以看作是基站内的一个组成部分。如果使用E1作为传输，则传输适配单元类似于一台带E1接口和以太网接口的路由器，因为路由器可以完成这种接口转换，能在不同接口间转发IP报文。但实际传输适配单元只需要路由器的报文转发功能就可以，而不需要路由器的动态路由协议等上层特性，以及路由器的冗余备份等功能。所以只要有一个IP报文适配设备，该设备能做到能静态配置路由，并按照配置路由转发IP报文即可。

对适配系统，主要是要求以太网口和传输接口之间的转发速度足够快，能提供IP报文的可靠传输。

本发明实施例的测试系统/网络系统与标准网络的兼容问题主要包含以下三个问题：

1、除了能提供标准无线接口外，是否能提供移动通信网络的网络侧标准接口；

2、能否做到多个基站之间的同步；

3、能否正确地对用户做鉴权认证。

对于第一个问题，标准的GSM协议规定基站控制器设备向移动交换中心MSC提供A接口，而对于基站和基站控制器之间的A-bis接口并没有做规定。这个接口是制造商自定义的接口。本发明实施例中，如果能正确实现空中接口，并能够向外提供标准A接口，就可以做到完全兼容于传统GSM系统，并不会造成与GSM网络中已有设备的切换等问题。同样的，如果提供其它无线系统的标准接口，也能做到全兼容于其它无线网络系统。对于GSM标准A接口的提供，需要网络系统提供的网关功能。如果没有相应的网关功能，设备也能正常工作，因为网络系统内部已经实现了网络相关的功能。同时也可以将新型无线网络直接连接到固定电话网络和IP网络，实现限定区域的小规模无线通信系统。

对于基站之间的时钟同步问题，基站系统的方案中已经提到，时钟系统采用GPS和本地BITS，因此可以做到基站之间的同步，不会发生用户切换问题。

对于用户的鉴权认证，因为网络系统内部包含认证模块，故可以解决。对于测试系统和简单的网络系统来说，认证系统是软件系统中的一个软件模块。而对于复杂的网络系统，认证系统是一个数据库系统。通过连接到其它网络的标准接口，可以根据用户信息从相关网络取得认证。通过标准接口，数据库也可以向其它网络提供本网络用户的认证。如图7所示。

本发明实施例的测试系统/网络系统，可以直接使用以太网连接到基站设备进行测试。测试变得简单，不需要复杂的网络环境和昂贵的专用仪器，只要设计一套运行在计算机上的软件，就可以对各项功能进行测试。

由于该系统使用以太网交换平台，数据交换的效率高，适合于语音和数据通信等多种应用。还可以在此设备的基础上灵活定制业务，设计各种应用平台，如专用的无线数据交换平台。

由于使用以太网交换平台，所以只有很低硬件成本。基站设备和网络设备充分利用软件代替硬件处理，发挥了处理器的高处理性能。

设备不需要庞大的网络系统，并能做到兼容于传统网络，所以在建立小容量无线接入或小规模移动通信网络方面有优势。同时在网络由小到大的过度时期也能做到平滑扩容，已建成网络能继续发挥作用。

本发明实施例的基站及其测试系统/网络系统中，基站和网络设备实现方法简单，开发成本低。开发出来的基站和网络设备是一种小型设备，用户安装使用简单。设备能实现低成本建网，特别是建立小规模私用无线网络的成本很低。所以一般单位如公安、电力、政府、学校都可以通过这种技术，建立专用无线通信网络，通过无线连接实现数字化办公、数字化教学等应用，享受信息化的便利。

Claims (2)

1.一种基站实现方法，其特征在于：所述基站包括复数个载频模块，每个载波模块对应于基站的一个载频，每个载波模块拥有独立的IP地址；所述载频模块从以太网口接收IP报文，并解开打包后的IP报文，形成多条语音连接/数据连接的业务报文，并将所述语音连接/数据连接的业务报文适配成无线口传送所要求的格式后发送，在相反的方向上，将无线口传来的多条低速语音/数据报文打包成IP报文。

2.如权利要求1所述的基站实现方法，其特征在于：所述的将多条低速语音/数据报文打包成IP报文，包括下列步骤：

A)将原始的复数路语音或数据报文进行第一次打包，形成对应的复数个子包，每个子包至少包括：子包头ID和字节数两个字段；

B)将上述复数个子包打包到一个IP报文中，该IP报文至少包括：IP报文头和复数个区段，每一个区段分别对应一个子包。

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