TDMA衛星系統與IMS融合體系及資源分配

王立靜，汪 中，孫晨華，楊 超

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國人民解放軍63680部隊，江蘇江陰214431)

0 引言

TDMA衛星通信系統采用時分多址方式，能夠有效利用頻譜帶寬資源、對系統進行靈活配置［1］。與此同時，隨著 IP寬帶網絡的飛速發展，利用TDMA衛星通信系統更好地承載IP業務也將成為其系統發展的必然趨勢。

IMS是由3GPP標準組織在R5版本提出，采用SIP協議對會話進行控制，用于提供各種實時多媒體服務［2］。IMS一經提出，便因其開放式結構平臺、與接入的無關性和基于策略的資源分配機制深受各界青睞，而通過IMS實現網絡融合也已成為業界的共識。地面網中，IMS在各不同網絡的融合方面取得了巨大成果［3］。

將IMS應用于TDMA衛星系統，用以解決衛星網用戶與地面網用戶之間的互通問題，實現地面網與衛星網統一的會話管理、業務控制和資源分配。通過統一的會話管理、業務控制和資源分配，實現多種接入方式，保證地面網用戶與衛星網進行通信時的服務質量，提高網絡利用率。用戶通信時，如何進行合理的資源協商，保證用戶的服務器質量是首要考慮的問題。

1 TDMA衛星系統與IMS融合的體系架構

通過對IMS與TDMA衛星通信系統的分析研究，提出的融合體系架構如圖1所示。

圖1 TDMA衛星系統與IMS融合架構

全網只在中心站部署1個IMS核心服務器。所有控制信令和資源請求信息都經由中心站處理、分發至各個遠端站和終端。

假設共有3個站:1個中心站和2個遠端站。中心站部署IMS核心服務器和衛星終端，2個遠端站分別部署衛星終端、接入網關并安裝IMS終端。每個IMS終端下面都有多種媒體用戶，如音頻、視頻和數據等用戶。

IMS核心服務器主要有2個模塊:HSS(歸屬用戶服務器)和CSCF(會話控制功能)。HSS中主要存儲用戶身份信息、注冊信息、接入參數、服務觸發和漫游信息等。CSCF主要負責信令控制、會話管理、對用戶媒體會話進行處理以及資源分配策略等。中心站的衛星終端主要對接收的數據包進行識別，如果是控制信令，則將信息轉發至IMS核心服務器，如果是媒體信息或數據信息，則根據信息中攜帶的消息將數據包轉發至下一跳路由。同時，終端中還有一個幀計劃分配單元，用來管理衛星資源并對衛星信道資源進行分配。遠端站衛星終端與中心站衛星終端的功能基本相同。但是遠端站的衛星終端用一個幀計劃申請單元代替了中心站衛星終端的幀計劃分配單元。幀計劃申請單元用來向中心站的衛星終端進行資源申請。

2 融合體系的半實物仿真

2.1 TDMA衛星系統仿真模型

OPNET能提供圖形化的編輯界面，便于用戶使用。它的無線建模器還可用于建立分組無線網和衛星通信網的模型［4］。OPNET采用離散事件驅動的模擬機理，基于包的通信機制。通過仿真包在仿真模型中的傳遞來模擬實際物理網絡中的數據包流動和節點內部的處理過程［5］。

利用OPNET從網絡模型、節點模型和進程模型3個層次對TDMA衛星模型進行仿真，仿真模型如圖2所示。在此衛星模型中，共搭建3個站，1個中心站和2個小站。每個站分別部署1個衛星終端，其中中心站的衛星終端還執行衛星網管的功能。

圖2 TDMA衛星通信系統仿真模型

2.2 IMS核心功能實現

Linux是一個優秀的操作系統，它支持多用戶、多進程和多線程，具有實時性好的特點，功能穩定而強大［6］。由于具有良好的兼容性和可移植性，廣泛應用于多個系統平臺上。

利用Open IMS Core在Linux嵌入式系統中實現IMS的核心功能，并對其CSCF功能進行修改，以滿足融合體系的會話管理和資源分配需求。

在3臺電腦上安裝Linux操作系統，1臺部署IMS核心服務器，其余2臺安裝IMS終端，部署結構圖如圖3所示。

圖3 Linux下IMS核心功能實現

設置IMS核心服務器的IP地址192.168.1.3，IMS終端的 IP地址分別為192.168.1.10和192.168.1.20。

2.3 半實物仿真

TDMA衛星仿真模型與IMS核心服務器以及IMS終端通過SITL模塊連接。IMS核心服務器通過SITL模塊與中心站的衛星終端連接，IMS終端通過SITL模塊與遠端站的衛星終端連接。半實物仿真結構圖如圖4所示。

圖4 半實物仿真結構

2.4 融合體系的資源分配機制

TDMA衛星通信系統中的資源協商以及QoS保障是由衛星網管執行的。IMS的資源協商以及QoS保障是由核心服務器中的策略決策功能(PDF)實現。

融合體系的資源分配機制采用IMS核心服務器為主、衛星網管為輔的分配機制，即IMS核心服務器中的PDF進行資源分配策略決策，衛星網管根據策略決策檢查可用衛星資源并執行決策。PDF做出策略決策時同時分配給用戶一個QoS優先級，當所有的資源分配的決策是由IMS核心服務器決定的，并與衛星網管進行信息協商，查看是否有相應的衛星資源可供用戶使用，同時檢查用戶的優先級，如果優先級為高，通過降低優先級的QoS來保障高優先級用戶的QoS。

當主叫用戶端的衛星終端接收到來自用戶的通信請求后，檢查“Route”標題字段的內容，“Route”標題字段包含了核心網入口的IP地址。衛星終端將請求信息轉發至“Route”標題字段中給出的IP地址(IMS核心服務器所在地址)。IMS核心服務器收到請求信息后，對信息進行解析。首先檢驗用戶是否是合法用戶，如果不是，則拒絕請求;如果是則檢查SDP參數是否按照本地策略進行設置。如果沒有，則IMS核心服務器對SDP參數進行校正。校驗完成后，核心服務器的策略決策功能(PDF)根據SDP參數為用戶分配相應的帶寬、時延和優先級等。并將策略決策結果告訴中心站的網關中心，網關中心根據策略決策結果檢查衛星資源，并將分配結果告訴衛星終端。主叫方的衛星終端將資源協商結果告知主叫用戶(此消息中攜帶了為用戶預留的帶寬、QoS等級和媒體流所需的編解碼方式等)。其結果如圖5所示。

圖5 融合體系的資源協商

主叫用戶收到衛星終端發來的資源協商結果后，知道網絡已經做好建鏈的準備。于是發送建鏈請求至被叫用戶的衛星終端，被叫方衛星終端收到請求后，發送建鏈命令給被叫用戶。至此，鏈路建立完成。用戶開始進行會話。

3 測試結果

遠端站A與遠端站B的2個用戶進行會話，結果如圖6所示。

圖6 用戶會話過程

會話過程中的資源分配結果如圖7所示。

圖7 資源分配

通過對測試結果分析可知，TDMA衛星通信系統與IMS融合體系的架構是可行的，提出的資源分配機制基本滿足用戶需求，通信過程也比較合理與穩定。

4 結束語

TDMA衛星通信系統與融合體系提供了一個統一的控制中心，所有控制信令和業務信令，都經由中心站的IMS核心服務器進行統一的控制和管理。實現了用戶注冊、認證、鑒權、會話和資源分配的統一管理，合理利用資源，保證用戶的通信質量。

［1］ 丹尼斯·羅迪著.衛星通信(第3版).張更新，劉愛軍，張杭，等譯.［M］.北京:人民郵電出版社，2002.

［2］ 3GPP TS23.228 v6.16.0 IP Multimedia Subsystem(IMS)［S］.

［3］ 3GPP TS24.228 v5.15.0:Signaling flows for the IP multimedia callcontrolbased on Session Initiation Protocol(SIP) and Session Description Protocol(SDP)［S］.

［4］ 伍俊洪.網絡仿真和OPNET仿真技術［J］.計算機工程，2004，30(5):106-108.

［5］ 張金文，王文博.OPNET Modeler與網絡仿真［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［6］ 唐永波，喻建文，邱緒蓮.基于linux嵌入式系統的研究［J］.計算機與數字工程，2005，33(10):98-102.