PHS无线通信链路协议追踪与分析.docx
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PHS无线通信链路协议追踪与分析.docx
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PHS无线通信链路协议追踪与分析
目录
目录I
摘要III
AbstractV
第一章系统认识小灵通1
1.1PHS基本概况1
1.1.1PHS的概念1
1.1.2PHS的使用1
1.1.3PHS的发展2
1.2综合业务数字网2
1.2.1ISDN概述2
1.2.2PHS网络结构3
第二章通信链路协议5
2.1什么是通信协议5
2.2PHS系统中的协议5
2.2.1HDLC5
2.2.2Q.9316
2.3空中接口7
2.3.1PHS的数据帧结构8
2.3.2PHS的逻辑信道种类及其功能10
第三章PHS协议阶段和分层结构13
3.1PHS协议阶段13
3.2PHS分层结构13
第4章实验理论观察通信过程23
4.1实验设备23
4.2实验思路23
第5章实验实际操作及分析25
5.1认识实验器材:
25
5.2连接维护台和ps27
5.3实际对在维护台上对其进行观测40
5.4实验结果分析42
致谢45
参考文献47
PHS无线通信链路协议追踪与分析
摘要
协议分析在通信系統运行和维护中起着举足轻重的作用,是通信运营公司运行和维护人员迫切需要提高的技术,同時也是通信系統制造业研发、生产和技技术支持人员必须要掌握的关键技术。
但是,协议分析的技术含量很高,入门很难,很多感兴趣的人士望而却步。
本文章根据对小灵通基站,基站控制器,交换器,终端的实际操作具体的分析小灵通无线通信过程中信号的的变化。
文章循序渐进,对什麼是协议、协议的作用及协议分析的作用都进行了深入浅出的介紹;考虑到使用价值,本文将对小灵通无线网络中应用的各種协议——HDLC协议、Q.931协议和PHS空中接口加以大概的阐述,並提供了這些协议在小灵通系统无线网络中维护的分析案例。
通過以上内容,可使从理论和实践两方面對小灵通系统的无线协议分析有一個深入的了解,並能在小灵通无线网络的协议分析工作中把握应用。
关键字:
PHS,ISDN,TDMA,追踪
TrackingandanalysisthePHSwirelesscommunicationslinkprotocol
Abstract
lysisoftheagreementinthecommunicationsysteminoperationandmaintenanceplayadecisiverole,istheoperatingcompanycommunicationsoperationandmaintenancestaffoftheurgentneedtoimprovetechnology,butalsocommunicationsystemsmanufacturingresearchanddevelopment,productionandtechnicalsupportstaffmustmasterthekeytechnology.However,theagreementofthehightechnologicalcontent,itisverydifficultentry,manypeopleinteresteddiscouraged.
Thisarticle,basedonPHSbasestations,basestationcontrollers,switches,endoftheactualoperationofspecificanalysisofPHSwirelesscommunicationssignalsintheprocessofchange.Thearticlestepbystep,ofwhatisagreement,theagreementandtheroleofanagreementtoconducttheanalysisoftheroleoftheillustrationson;takingintoaccountthevalue,thepaperwillPHSwirelessnetworkintheapplicationoftheagreements-HDLCagreement,Q.931agreementsandPHSairinterfaceprobablybetheelaborationoftheseagreementsandtoprovideawirelessnetworkinthePHSsysteminthemaintenanceofthecase.Throughtheabovecontent,willfromboththeoryandpracticeofthePHSsystemhasawirelessprotocolanalysisin-depthunderstandingandPHSwirelessnetworkintheagreementinthegraspofanalyticalwork.
KeywordsPersonalHandy-phoneSystem,IntegratedServiceDigitalNetwork,TimeDivisionMultipleAccess,Track
第一章系统认识小灵通
1.1PHS基本概况
1.1.1PHS的概念
PHS(PersonalHandy-phoneSystem,个人手持式电话系统,市场名某些时候是PersonalAccessSystem,个人电话存取系统),是指一种无线本地电话技术,采用微蜂窝通信技术。
PHS这项技术在1880~1930兆赫这个波段内运作。
技术:
PHS技术实际上是数字移动通信技术,属于第二代的通信技术。
PHS基站覆盖范围有限,通信基站与终端间距离较短。
因此,所采用通信功率较小,而覆盖较大面积时需要更多的基站。
这使得PHS较适合在都市使用,在野外等地使用效果欠佳。
在手机的通讯速度世代上,PHS属于2G的范围。
其设计也使其在通话时有少许延迟。
(因为其覆盖面积小,“蜂窝”面积小)
PHS使用TDMA/TDD作为它的无线电通讯接口,以及32K的ADPCM作为它的声音传送编码。
现代的PHS电话也可以支持其他一些ISP的增值服务,如互联网窄带通讯,短信,电子邮件,甚至图片传讯。
PHS这项技术也适用于小范围的无线电通讯。
1.1.2PHS的使用
最初的发布是1989年在日本的NTT实验室,作为一种与GSM和PDC竞争的技术的形式出现的。
早期是由日本根据本国国情(多数地方人口密度大、而且人口的流动性小的特点)开发研制的。
1995年,最初在日本由3家电信运营商来运作:
NTT-Personal,DDI-Pocket和ASTEL.然而,服务推出不久后,该技术被称为:
“穷人的蜂窝”而在日本大受限制。
市场占有率也逐渐下降。
一些原本使用PHS技术的国家也开始转移使用GSM,如智利。
但是PHS这项技术在一些国家和地区以较低的收费以及较少的附加业务也受到欢迎,例如中国大陆,台湾,越南,孟加拉国,尼日利亚,马里,坦桑尼亚和洪都拉斯等。
1.1.3PHS的发展
从用户发展的角度来看,还会呈现一种快速发展的势头,尤其是运营商极力在终端方面大力推动的优惠措施下。
因此,很难准确预测这数千万的小灵通用户在何时自愿过渡到3G,从而采用技术人员认为的所谓高新技术的网络去享受对他们来说差别不大的服务。
而此时,运营商的态度非常关键,他们要起到引导甚至诱导的作用。
与当初模拟网络的用户转移到GSM网络的时期不同,那时很显然是一种新技术对旧技术的替代,用户对新技术、新产品的认同度很容易建立起来。
而目前在增值业务没有完全发展起来的情况下,用户在小灵通和3G的选择上不会呈现很明显的分界线。
因此,笔者认为,小灵通所谓的生命周期很大程度上与运营商的发展战略和网络发展有关,也就是说取决于中国电信和中国网通3G业务的发展策略。
当然,运营商还是要视3G技术和市场的成熟周期而定。
从技术发展的角度来看,小灵通技术的发展演变也是为了满足用户日益增长的需求。
虽然很多提供小灵通设备的设备商都宣传小灵通技术的核心架构已向3G靠拢,即以IP为基础的核心网络。
但目前实际情况表明,这两家运营商的3G网络还必然是采用主流技术,不太可能因为小灵通而放弃3G。
从技术角度来看,小灵通当然无法与3G抗衡,但在市场发展方面将是互补互助的作用。
1.2综合业务数字网
1.2.1ISDN概述
ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork)中文名称是综合业务数字网,就是采用的数字交换和数字传输的电信网的简称,中国电信将其俗称为"一线通"。
ISDN是以电话综合数字网为基础发展而成的通信网,能提供端到端的数字连接,可承载话音和非话音业务,用户能够通过多用途用户----网络接口接入网络。
ISDN采用数字传输和数字交换技术,将电话、传真、数据、图像等多种业务综合在一个统一的数字网络进行传输和处理,向用户提供基本速率(2B+D,144kbit/s)和一次群速率(30B+D,2Mbit/s)两种接口。
基本速率接口包括两个能独立工作的B信道(64Kbit/s)和一个D信道(16Kbit/s)。
其中B信道一般用来传输话音、数据和图像,D信道用来传输信令或分组信息[3]。
ISDN能够向用户提供三大类业务:
承载业务(与用户终端类型无关);用户终端业务(如数字电话、四类传真、数据通信、视频通信等);丰富的补充业务(如主/被叫用户号码识别显示/限制、呼叫等待、呼叫转移、多用户号码、子地址、三方通信等)。
1.2.2PHS网络结构
PHS无线接入系统如下4部分组成:
移动终端、基站、基站控制器、无线交换机移动终端与基站之间通过电磁波构成无线链路。
呼叫发起时,话音先要经过A/D电路的数字化处理,分成20ms的音段。
此后是话音编码,以降低比特率,信道编码以控制差错。
经加密后这些比特形成8个1/2突发脉冲串(对应每20ms的话音)[4]。
最后,它们填充在适当的时隙里,发送给基站。
图1.1PHS无线接入系统网络拓扑图
基站CS(CellStation)是无线设备基地台,主要功能是在服务区域内建立小区的无线电覆盖,为手机(PersonalStation)接入无线通信网络提供接口。
它是从用户到网络以及从网络到用户之间的通信传输中继站。
其内部的同步时钟均由CSC提供。
CS和CSC之间的通信基于标准的ISDN协议,CS和PS之间的通信基于RCRSTD-28协议,它规定了BS的使用频段、通信协议等内容。
基站控制器CSC(CellStationControl)主要完成对基站的控制和管理,为基站提供远端馈电,分配空中无线信道,完成64kb/sPCM语音编解码,提供基站线路同步的时钟基准、完成无线单元系统的数字中继接入、传输协议转换、以及提供各类增值服务等。
功能特点:
1)完成各种无线协议的转换
2)注册管理:
建立并维护所有注册在该BSC下PS的信息并实时通知BS
3)鉴权管理:
根据BS提供的PS鉴权码,按照鉴权算法产生的数据和PS提供的计算结果比较并提交给本地交换机比较结果
4)接受GPS或其他BSC提供的基准时钟信号,控制基站线路同步
无线交换机完成移动用户寻呼接入、信道分配、呼叫接续、话务量控制、计费、等功能。
同其他交换机协同工作,完成移动用户的位置登记、越区切换和自动漫游等。
还可提供面向系统其他功能实体和面向固定网(PSTN等)的接口功能。
第二章通信链路协议
2.1什么是通信协议
所谓通信协议是指通信双方的一种约定。
约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、纠错方式以及控制字符定义等一系列问题做出规定,通信双方必须共同遵守。
因此,也叫做通信控制规程,或称传输控制规程,它属于ISO'SOSI七层参考模型中的数据链路层。
数据链路可以粗略地理解为数据通道。
物理层要为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接.媒体是长期的,连接是有生存期的.在连接生存期内,收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信.每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程.这种建立起来的数据收发关系就叫作数据链路。
2.2PHS系统中的协议
2.2.1HDLC
HDLC是面向比特的链路控制规程,其链路监控功能通过一定的比特组合所表示的命令和响应来实现,这些监控比特和信息比特一起以帧的形式传送。
以下是ISO/IEC3309标准规定的HDLC的基本帧结构。
其它的HDLC标准也有类似的HDLC帧结构。
每帧的起始和结束以“7E”(01111110)做标志,两个“7E”之间为数据段(含地址数据、控制数据、信息数据)和帧校验序列。
帧校验采用CRC算法,对除了插入的“零”以外的所有数据进行校验。
为了避免将数据中的“7E”误为标志,在发送端和接收端要相应地对数据流和帧校验序列进行“插零”及“删零”操作。
各种HDLC协议间的区别之一是帧校验序列的CRC算法不同,这种不同表现在几个方面:
a、HDLC帧校验序列的位数不同,如16位和32位等;
b、CRC生成多项式不同,如对于16位的CRC,CCITTV.41标准的多项式是x16+x12+x5+1,ANSICRC-16标准的多项式是x16+x15+x2+1等;
c、CRC序列的起始化条件不同,如可以初始化为全“0”、全“1”等;
d、CRC计算结果的处理方式不同,如可以直接把CRC结果发送,或对CRC结果取反后再发送等;
e、对接收到的数据做CRC校验时,合格判据不同,因为有了上述的不同处理自然会得到不同的结果,由此造成合格判据不同。
2.2.2Q.931
Q.931,作为电信体系的网络层协议,主要为ISDN提供两设备间关于逻辑网络连接的呼叫建立、维护和终止等操作。
Q.931是电信体系网络层(第三层)协议之一,由ITUQ系列Q.930文件详细说明。
在第三层呼叫安装期间,第三方发送并接收信息:
呼叫方
转换接收方。
下面是一个关于呼叫安装步骤的例子:
呼叫方发送一个安装信息给转换机制;
如果SETUP显示OK,
转换机制发送一个CALL进入给呼叫方,
返回一个SETUP给接收方;
接收方收到SETUP。
如果显示OK,
它就拨动电话并发送一个ALERTING信息给转换机制;
转换机制转发该ALERTING信息给呼叫方;
当接收方回答呼叫后,就发送一个CONNECT信息给转换机制;
转换机制转发该CONNECT信息给呼叫方;
呼叫方发送一个CONNECT响应信息给转换机制;
转换机制转发该CONNECT响应信息给接收方;
完成。
连接建立成功。
电话公司转换机制提供给辅助ISDN设备的业务和特征在可选字段――业务配置文件IDs(SPIDs)是有详细说明的,但它们只能在呼叫建立之前的设备初始化时期被访问。
SPID的一般格式是ISDN线路上有10个数字电话号码,并具有前缀和后缀以识别在线特征,但其具体内容需由电信公司决定。
协议结构
InformationFieldStructure―InformationField是可变长字段,包括Q.931协议数据:
1∣2∣3∣4∣5∣6∣7∣8∣
ProtocolDiscriminator
0∣0∣0∣0∣LengthofCRV∣
CallReferenceValue(1or2octets)
0∣MessageType∣
Mandatory&OptionalInformationElements(variable)
ProtocolDiscriminator(1octet)―识别第3层协议。
如果是Q.931头,该值恒为0816。
Length(1octet)―表示下一字段即CRV的长度。
CallReferenceValue(CRV)(1或者2octets)―唯一识别用户网络接口上的每个呼叫。
在呼叫开始时分配该字段值。
当该呼叫清除后,该字段值可以用于其它呼叫过程。
MessageType(1octet)―识别信息类型(也就是SETUP、CONNECT等)。
该字段决定需要并许可哪些其它信息。
MandatoryandOptionalInformationElements(variablelength)―可选项,主要取决于MessageType。
2.3空中接口
PHS空中接口采用TDMA多址接入方式,物理通道分为上行通道和下行通道两种,以帧为单位,一帧的长度为5ms,包含8个时隙(每个时隙625us),下行通道占用其中连续的4个时隙,其余4个时隙保留给上行通道。
每个时隙都有编号,下行和上行对应时隙(间隔2.5ms)编号相同。
每个时隙包含240bit的数据,因为每秒钟有200×8=1600个时隙,传输1600×240bit=384kbit的数据,因此PHS空中接口的传输速率为384kbit/s。
2.3.1PHS的数据帧结构
PHS系统的接入方式采用4信道时分多址(TDMA),传输方式采用时分双工(TDD)。
以每5ms为一帧,每一帧包含8个时隙,每个时隙为625us。
前四个时隙基站发射信号,后四个时隙基站接受信号,一发一收的一对时隙组成一个信道,占用一个频点(带宽300KHz)如(1和5)、(2和6)、(3和7)、(4和8),简称1、2、3、4信道。
四个信道中任一信道均可作为控制信道(CCH),这是在基站重启时确定的,另三个信道作为业务信道(TCH)。
如图3.1所示:
图3.1
每个时隙称为一个物理信道,它可以用于信令的传输,称为控制时隙;也可以用于用户信息,称为通信时隙。
时隙数据帧结构如图3.2所示。
控制时隙
图3.2通信时隙
图3.3所示的射频信道分配是一种典型的PHS无线信道帧结构,在此帧中,可有3个用户在单个CS控制的模式下通话。
图3.3
图中:
控制信道
语音信道(发送)
语音信道(接收)
空闲信道
PHS1#:
控制信道待机状态
PHS2#:
第二时隙呼叫处理
PHS3#:
第四时隙呼叫处理
2.3.2PHS的逻辑信道种类及其功能
每个物理信道中可以包含一个或多个逻辑信道,视逻辑信道需要的比特数确定。
逻辑信道指具有某种功能的数据组,如用于用户信息的信息(业务)信道或呼叫控制的控制(信令)信道。
常常在一个物理信道中同时安排信息和控制这两种逻辑信道。
各种功能的逻辑信道的分类如图3.4所示:
图3.4
其具体功能解释为表3.1所示:
占用时隙
逻辑信道名称
功能
控制时隙
广播控制(BCCH)
CS→PS,单向传送BSC的识别码等公用信息
寻呼(PCH)
CS→PS,单向寻呼PS,可以在一个或数个微蜂窝内同时进行
信令控制(SCCH)
CS←→PS,用于呼叫建立过程中双向传送系统信令,如登记、鉴权、信道分配等
用户分组(UPCH)
PS→CS,用于PS主叫的建立,请求分配一个SCCH信道等
同步(SCH)
CS←→PS,使双向通信时隙同步,给出同步码字、复帧的组合方式,复帧中的帧号等信息
通信时隙
单独(ICH)
CS←→PS,双向传输用户信息
低速结合控制(SACCH)
CS←→PS,占用部分通信时隙,双向传输与某信道有关的功率控制、用于微蜂窝切换的小区信号强度信息等
高速结合控制(FACCH)
CS←→PS,占用全部通信时隙,双向传输与某信道有关的信令,如进行小区切换时,因占用时间短,不妨碍通话
业务(TCH)
CS←→PS,语音业务和数据业务
表3.1
第三章PHS协议阶段和分层结构
3.1PHS协议阶段
一个通信协议是由呼叫连接过程和通信过程构成,划分为三个协议阶段:
链路信道建立阶段:
建立无线接口的握手连接。
应用控制信道的功能选择一个信道(链路信道),在质量和容量上满足每个服务的呼叫连接,同时选择下一个呼叫连接阶段所需要的协议类型。
服务信道建立阶段:
建立CS与PS之间的握手连接
应用链路信道建立阶段获得的链路信道功能选择一个信道(服务信道),满足提供的服务,同时选择在通讯阶段使用的协议类型。
通讯阶段:
执行通信和数据传输
3.2PHS分层结构
下面介绍PHS系统的分层结构。
用于链路信道捕获阶段的控制信道必须符合无线链路的特性。
因此,链路信道捕获阶段的层次结构与OSI的分层结构稍有区别,其第二层与第三层合在一起。
另一方面,对于业务信道捕获阶段和通信阶段,采用OSI分层结构的一至三层,且第三层支持网络功能如无线频率传输管理(RT)、移动性管理(MM)和呼叫控制(CC)。
PHS的STD-28协议规定它有以下三层协议。
物理层(PHL)
即第一层,提供并接收第二层及管理实体的业务。
第一层对第二层和管理实体提供下列功能:
(1)传输能力,它包括控制信号和/或用户信息的同步与传输。
(2)建立与释放控制信道和/或通信信道。
(3)无线链路的维护。
(4)系统操作和维护的信号传输。
(5)向管理实体指示第一层的状态。
(6)无线链路的检错,它是逐个时隙地输出。
应用于第一层的信道结构基于ITU-T的建议Q.1063和报告ITU-RM.1156——数字蜂窝公众陆地移动电话系统(DCPLMTS)。
数据链路层(DLC)
即第二层,建立并维护CS与PS之间的控制链路。
构成这一层的数字无绳链路接入规程(LAPDC)的特点如下[4]:
(1)这个规程用高级数据链路控制(HDLC)子集作为它的协议,以便维护数据链路的质量,防止无线链路的恶化。
基本的协议类别是异步平衡模式类(BAC),它带有信息(I)响应删除子功能。
(2)无编号的信息(UI)命令,它传输信息不需要链路建立规程,并且可以利用通信期间的快速在线控制。
(3)地址部分由业务接入点指示器(SAPI)和命令/响应指示器比特构成。
(4)由第一层供给的帧同步功能,为标志序列的生成/删除过程和随后传输数据“1”序列时的“0”插入/删除过程释放LAPDC。
(5)利用循环冗余校验(CRC),提供检错功能。
这一特性将LAPDC从生成/校验帧序列(FCS)中释放出来。
网络层(NWL)
即第三层,提供在公共空中接口上网络连接装置的建立、维护、转接和释放功能。
它也支持PS的位置登记功能以及鉴权功能。
第三层协议应用于在链路信道和业务信道二者上的网络功能实体所要求的环境、规程和消息。
它的具体功能是:
(1)无线频率传输管理(RT),它支持无线资源的管理,包括无线区域的分配,无线链路的建立、维护、转接和释放。
类型
消息
方向
激
活
通
信
DefinitionInformationRequest
上行
Definiti
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