兼容3G的GEO卫星移动通信系统呼叫处理流程设计.pdf

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1、第六届卫星通信新业务新技术学术年会2 0 1 0 3兼容3 G 的G E O 卫星移动通信系统呼叫处理流程设计杜建成许玉滨高振兴陈薛刚程宇新吴建军(北京大学信息科学技术学院卫星与无线通信实验室)1 引言卫星移动通信系统是陆地蜂窝移动通信系统的扩展和延伸为全球用户提供大跨度、大范围、远距离的漫游和机动、灵活的移动通信服务，按所用轨道分，可分为静止轨道(G E o)和中轨道(旺O)、低轨道(L E O)卫星移动通信系统。相对于1 4 E O 和L E O 卫星通信系统，G E O 卫星通信系统的特点是具有相对简单的地面和空间段结构，范围广大的地面覆盖区域，非时变的卫星仰角和固定的单跳传播时延。在G

2、 E O 卫星移动通信系统中，通信卫星是整个系统的核心组成部分，同时也是系统整体性能的瓶颈和约束。其中星上转发器是影响系统通信模式的最主要因素。星上转发器的工作方式主要有透明转发和处理交换两种，卫星移动通信系统也相应地存在双跳和单跳两种系统通信模式。G E O 卫星在地面上空高达3 6 0 0 0 k m 处，两个信关站经卫星转发，总共经过7 2 0 0 0 k m 的距离。由于电磁波在空间中传播带来的延时，接收端收到发送端发送的信号会有3 0 0 m s 左右的时延，对于语音通信来说，这种一次性的通过卫星转发的过程叫“单跳”。有的系统需要两次通过卫星转发才能完成通信任务，发送端首先要和控制网

3、络通信，经控制网络再次转发给接收端，这时接收端收到的信号就两次通过卫星，这个过程叫“双跳”。双跳延时加大了一倍，即6 0 0 m s 左右。显然，双跳延时对通话会产生比较明显的话音滞后现象。为了实现支持手持机之间的单跳通信，使话音通信端到端时延小于4 0 0 m s(I T U-T 对话音业务的规定)，就必须采用星上处理技术。所谓星上处理，是指对卫星上行链路来的射频载波所携带的信息进行信号处理，包括解调后的解码、纠错、基带路由交换和重新编码与重新组帧，以及对下行链路载波再调制后发向地球站等一系列过程。本文首先对单跳呼叫处理所基于的G E O 卫星移动通信系统网络架构做了简要说明，第二部分详细讨

4、论了单跳呼叫处理流程设计思路，并分析了完成星上交换网络资源管理所带来的用户信息匹配和双跳语音补偿问题。第三部分介绍了基于O P N E T 的网络建模。通过仿真，验证了所设计单跳呼叫第六届卫星通信新业务新技术学术年台2 0 1 0 3处理流程逻辑的正确性，最后对兼容3 G 的卫星移动通信系统单跳呼叫处理设计的进一步研究做了展望。2 兼容3 G 的G E O 卫星移动通信系统网络体系结构一种兼容3 G 技术的G E O 卫星移动通信系统如图1 所示，其系统组成架构设计可以划分为空间段地面段和用户段三个段(S e g m e n t)。空闸照用Pj 帮一一盗翟”啦k*”l，(矗；蓉b：图1G E

5、O 卫星移动通信系统组成架构设计圉空问段暂阱单颗卫星为例未来也可以扩展至多颗卫星组成星座。地面段主要包括信关站、网络运行控制中心、卫星运行控制中心咀及与地面同网、地面移动通信同、I n t e l-【l e t 等互联互通的接口。用户段为各种卫星通信终端系统可支持终端到终端咀及终端和地面网用户之问的通信，可提供话音和多媒体数据等3 6 业务。众所周知，3 G 4 G 的地面蜂窝系统都是以高速数据业务为主，不过因为大量的手持终端用户存在的缘敲同时还必须要兼顾低速话音业务这个要求对于地面系统而言不存在技术约束但对于卫星移动通信系统，尤其是基于G E O 卫星通信系统来说由于较长的路径时延将造成通常

6、的基于卫星地面中心站双跣通信的方式难以满足话音的宴时性指标要求。解决G E O 卫星移动通信系统话音商第六届，世星通信新业务新技术学术年会2 0 1 0 3用实时性要求的一个方法，就是基于卫星转发器实现单跳连接通信，即终端直接剑终端的通信方式。当然，单跳通信方式必然意味着需要在卫星转发器上实现星上交换处理。卫星透明转发附加部分简单交换处理工作方式卜的网络结构如卜1 墨】所示。与U M T S 网络模型相比没有太大的变化，只是在无线接入网域和核心网域有相应的一些修改。I，一、H 罨j!I_ 自镕It t-镕：一一一一一咕洲一一一-一一翻一一一-图2 部分简单交换处理工作方式下的网络结构弋!，j其

7、中，在无线接入网域增加了卫星路由控制器(S R C：S a t e l l i t eR o u t i n gC o n t r o l l e r)和卫星控制节点(S C N：S a t e l l i t eC o n t r o lN o d e)；在核心网域增加了卫星交换协调服务器(S S CS e r v e r：S a t e l l i t eS w i t c h i n gC o o r d i n a t i o nS e r v e r)。此外除原有的空间段卫星与地面段之间的馈电链路之外，增加一条地面与卫星转发器载荷之间的控制信令接口链路。3 单跳呼叫处理流程设计3 G

8、 P PU M T SR 4 版本引入软交换技术，采用分层设计的思想，实现业务逻辑与控制、承载之间的分离。其呼叫处理的典型流程分为R R C 连接建立、主叫用户鉴权与身份确认、路由与呼叫承载建立、被叫寻呼、被叫用户鉴权与身份验证、被叫用户应答等六个主要过程。其中，移动交换中心服务器(M S CS e r v e r)主要负责呼叫处理信令交互，对信令消息进行分析处理和进行应用层的互通变换；媒体网戈(M G W)负责媒体格式变换以及和分组网之问通路的连接。对于用户发起的一次呼叫，在M S CS e r v e r 控制临轷建立交换通路之后通话即可进行。星上转发器采用完全透明转发工作方式时，对应的双

9、跳语音通信与地面蜂窝移动通信呼叫处理流程没有明显的区别。这是因为星上转发器基本上只是对用户链路和馈电链路的信号进行频段搬移，而不会对星上交换路由产生影响。3 4 5*卉届卫星通信新业并新技术学术年会Z O I E3而对于单跳呼叫处理，数据流的传输和交换都在星上完成。为了实现从传统的基于星上透明转发到基于星r 部分基带变换的语音业务的过度与转变，就需要由地面的卫星控制节点(S C N)经过特定的射频通道对星r 交换处理矩阵网络进行修改，使得用户原有的经地面网络交换处理的双跳同环数据流直接经口星转发进行单跳回环传输。如下图3 所示。一目翩户革t W 目蕺E 蠢一目翩户i 耳目埘霉蠢图3 目标用户语

10、音通信散据藏示意图s c N 由s R c 控制管理，后者是卫星无线接入网域的核心同元，在单眺呼叫处理中起着重要作用。s R c 要完成星上交换网络资源管理和变换路由决策有两个必要条件第一是要有地面控制层网络宴体发出单跳呼叫处理申请第二是获取话音业务通信双方的用户链路信道信息，并以此为根据傲m 能否进行星h 单跳交换的决策。3 1 单跳砰叫处理申请被叫用户在完成鉴权流程之前，系统可能做出否抉其接入网络的决定，因此单跳呼叫处理申请的发起位置应该设计在被口q 用户完成寻呼以及身份验证、鉴权、能力协商过程之后。综台考虑在主叫所属的M S CS e r v e r 向被叫所属的M S CS e r v

11、 e r 发送初始地址消息(IA I f)后，由被叫所属的淞cS e r v e r 发起单跳呼叫处理申请是合适的。因为如果$R C 否决了单跳呼叫处理申请，则可以仍可毗按照原U M T SR 4 的顺序，建立主被叫的R B 连接，从而建立双跳业务信道。32 用户呼叫信息匹配按照前述系统网络架构，S R C 所需的话音业务通信双方的用户链路信道信息与卫星波柬信息必须从信关网络控制器(G N c)中获取G 眦的作用和u 嘲暑R 4 中的R N c 一致主要管理用于传辅用户3 4 6第A 届卫星通信新业务新技术学术年会2 0 1 03数据的无线接入载波和优化无线网络资源却井不知道呼叫用户业务参数信

12、息与身份信息。园此S R C有两种获取所需信息的模式。被动汇报模式与主动索取模式。但两种不同的模式会对呼叫处理流程的设计带来很大区别，用户呼叫信息匹配过程也是不一致的。被动_；报模式即由G N C 向S R C 进行汇报，这一过程发生在本次呼叫G N C 完成无线资源分配时，对于主叫用户，是R R C 连接建屯后对于被口q 用户，是寻呼被叫完成后(实质也是R R C 连接建立)。因此，S R C 接收G N C 传输的用户链路信道信息与卫星波束信息是币同时的且无法确认收到信息对应的呼叫对象，必须建立一种能够匹配呼叫用户信息的算法。采取这种模式，只要$R C 收到了单跳呼叫处理指示就可做出决策，

13、漉程相对简单。但是，为完成匹配过程G N c 向S R C 发送的信道信息中必须包含用户身份信息，这就必须修改原有的呼叫处理信令。要在不修改l l l I T sR 4 呼叫处理信令的基础上，让S R C 完成呼叫用户信息匹配过程。必须采用主动索取模式。如下图R e q 惜tR 坤惦。图4 呼叫用户信息匹配的主动索取模式在这种模式下，被叫用户所属的M S CS e r v e r 起了关键作用，这是因为，第一，在路由建立过程中主叫所属的M s cS e r v e r 通过M s R N 利用B I C C 信令建立与被叫所属的M$C 之间的连接，被叫所属的M S C S e r v e r

14、通过该惦既可以检索得到该【I E 的I M S I 井释放M S R N，因此，被叫所属的惦c S e r v e r掌握着主被叫用户的身份信息。第二，在被叫寻呼完成后，其所属的M S CS e r v e r 也掌握着主被叫所属的G N C 信息。因此只要将这些信息提供给S R C，S R C 就可以准确地定位本次语音通信所属的G N C阻及需要提供信道信息与卫星波束信息的用户，无需由S R C 进行呼叫用户信息匹配。比较以上两种模式，在流程上，由G N C 向S R C 汇报的被动模式相对简单但却是以牺牲S R C 工作量和修改I I M T SR 4 定义的呼叫处理信夸为代价的：由S R

15、 C 向G N C 索取的主动模式则通过增加信令弘7第六届卫星通信新业务新技术学术年会2 0 1 0 3交互达到目的。考虑到系统的兼容性，应该在尽可能不改变3 G P P 定义的U M T SR 4 语音通信呼叫处理流程的基础上进行设计。这样做既保留了原标准定义的网元接口、通信协议，又便于系统与呼叫处理流程设计的进一步升级。从这个意义上说，主动模式是优于被动模式的。3 3 双跳语音补偿是否建立经过地面交换网络的双跳环回语音流承载也是设计呼叫处理流程需要考虑的问题。在U E 与铡完成安全模式控制过程，G N C 向c N 上报S e c u r i t yM o d eC o m p l e t

16、 e 消息，激活单跳语音执行流程后，C N 可以向G N C 发送R A B 建立请求，从而另外建立一条双跳业务信道这是考虑到G E O 卫星移动通信系统星上承载的部分基带交换资源有限，因此能支持的单跳语音话路数也是有限的。在当前的卫星有效载荷能力方面存在一定的困难，只能考虑部分星上基带交换能力实现；即G E O 卫星移动通信系统也保留了透明转发功能。另外，在星上部分基带交换语音链路资源不足时，被抢占单跳通信资源的用户平滑转接到职跳语音通路也是可行的。保留双跳语音补偿无疑在这种情形下起到了作用。4 基于O P N E T 的单跳呼叫处理仿真对于兼容3 G 的G E O 卫星移动通信网络的建模符

17、合一般的无线通信的建模方法。但需结合U M T S R 4协议特性与O P N E T 仿真特性。O P N E T 采用三层建模机制，分为网络(N e t w o r k)级、节点(N o d e)级与进程(P r o c e s s)级。模块问通过基于包(P a c k e t)通信机制传递数据和控制信息。兼容3 G 的G E O 卫星移动通信呼叫处理仿真建模可以分为以下几部分，G E O 卫星移动通信系统建模，包括：网络拓扑和波束区建模、移动性建模与信道建模等；单跳呼叫处理协议建模，包括R R C连接建立、用户鉴权、路由与呼叫承载建立、被叫寻呼、单跳语音申请与执行等。单跳呼叫处理协议功能

18、模块属于节点级模型模块的状态划分及实现属于进程级模型，因此，系统建模与协议建模共同实现了O P N E T 的三层建模机制。仿真网络中存在着与系统架构一一对应的网络实体以及无线传播环境，各个网元，如S R C、G N C是对协议规定的卫星控制节点与信关网络控制器的功能模拟。对单跳呼叫处理协议建模首先需要对各个网元进行功能模块划分，其次需要分别对各个模块进行状态机划分和进程实现。每个功能实体需要完成以下功能；参数及系统初始化组装分解P D U(协议数据单元)上下行管理信息处理及用户管理3 4 8第A 届1 1 星通信新业务新技求学术年会成帧无线信道发送与接收每个嘲元又必须完成特有的功能建模，如S

19、 R C 除了以L 功能，还有呼叫用广信息匹配算法卫星无线赘源管理圈5 仿真系统结构圈经过O P N E T 仿真运行之历不会出现状态死锬和状态丢必的情况，验证了呼l 叫信夸设计流程的逻辑性和完接性。当然，由于重点在于验证单跳呼叫处理流程圜此在传输层的设计上做了必要简化如用尤线信道用有线信道替换。本次仿真的目的，足为进一步进行功能验证和网络性能分析打F 基础在加入底层传输模块和信道模型后，车仿真平台可以验证系统在种条件F 进行各项业务的性能，这也足下步工作的方向5 结语本文论述了兼容3 G 的G E O 卫星移动通信单跳呼叫处理设计思路与在O P N E T 平台P 措建系统的方法，并对单跳呼

20、叫处理进彳一了初步验证。单跳呼叫处理的重点在于解决呼叫用户信息匹配考虐到尽i r 能不改变U M T S 刚语音通信呼叫址理流程的设计原则我们采取了S R C 主动索取信息模式。当然，是否有其他更为台适的方法有特进一步研究验证。在仿真方面搭建的平台对系统传输层进行了简化，因此基于浚平台仍可进行更深 的算法研究工作。3 4 9里R心陟舀。黪|鬻0、驿辫一一第六届卫星通信新业务新技术学术年会2 0 1 0 3参考文献：1 3 r dG P PT e c h n i c a ls r l e c i f i c a t i o uG r o u pS e r v i c e sa n dS y s

21、t e J sA s p e c t s：N e t v o r ka r c h i t e c t u r e R e l e a s e4，3 G p pT S4 4 1 1 8V 4 8 0 2 0 0 3 0 6 2 S a u r a b hG a r g，V i v e kK a n s a lH u g h e sS o f t w a r eS y s t e m s，I n d i a。C o s tE f f i c t i v eP e r s o n a lC o m u n i c a t i o n sU s i n gO E O-s y n c k r O n

22、O U SS a t e l l i t e”I C P W C1 9 9 6 3 翟秉峰等，卫星通信中的语音传输新技术，现代通信，C O N MJ R I C A T I O N ST O D A Y，2 0 0 0 年0 8 期 4 杨巧丽等，G E O 多波束卫星通信网络关键技术研究，通信技术C o m m u n i c a t i o n sT e c h n o l o g y，2 0 0 9 年0 5 期(5 龙华等，(O P N E IM o d e l e r 与计算机网络仿真)西安电子科技大学出版社，2 0 0 6-0 9 0 叶银法等彻l I A 系统工程手册，机械工业出版社，2 0 0 6 0 93 5 0