WIDESTAR II衛星移動通信方案研究

李佳立，余玉材，鄒光南，王 燕

（北京衛星信息工程研究所 北京 100086）

自1996年開啟語音服務的十多年以來，NTT DOCOMO移動衛星通信服務WIDESTRA系統基于二代移動通信系統PDC為日本本土及其周邊海域提供服務。與此同時，蜂窩電話系統正在經歷多樣化服務、信息及業務量激增的歷史性變革，而所有IP核心網絡也即將面臨更高通信速率的挑戰。因此，WIDESTAR II系統的研究目的在于以較高的傳輸速度提供傳統的服務而實現較高的通信利用率，并通過采用IP等通用技術來簡化開發以及運行過程[1]。

1 WIDESTAR II系統簡介

WIDESTAR II系統組成圖如圖1所示，相對于傳統的WIDESTAR系統，其設計的關鍵點在于[2-4]：

1）S-AP（衛星接入節點）合并無線處理功能

WIDESTAR II將傳統系統中的無線控制器、調制器、解調器合并為衛星接入節點（S-AP）。通過合并上述組件，無線控制與調制/解調器之間的接口交互操作轉變為設備內部處理過程，因此減低了無線資源分配、通信狀態分配、監控設備等操作負載。

2）采用TDM和Turbo編碼提高信道利用率，以獲得高速傳輸

在WIDESTARII系統中通過采用TDM和Turbo編碼/譯碼方式擴展了無線信道頻帶的利用率，從而提高數據通信的傳輸速率。同時，下行BE通信信道使用TDM方式允許多用戶靈活占用信道資源。

3）IP通信控制的融合與簡化

設計了基于IMS及其他通用IP技術的基站以及移動終端。其無線處理單元開發基于現有WIDESTAR系統，上層處理單元的開發基于GPRS 3G蜂窩數據包交換協議。可在現有設備中添加WIDESTAR II的特性功能作為核心節點，從而提高3G蜂窩系統的操作性能并壓縮軟件開發成本。

4）降低通信控制時延

由于與地面通信系統的互聯會使往返控制信令交互增多，從而使高速信道過度占用而導致效率的下降。WIDESTAR II系統通過采用簡化控制信令流程、使用消息池以及自適應等方式來降時延，從而提高信道占用率。

由上可知，為了實現更好的傳輸速率與靈活的IP兼容技術，WIDESTAR II系統做了諸多改進。在本文的后續內容中，將針對WIDESTAR系統的通信機制進行研究，分析、舉例驗證了其在語音、數據通信過程中所采用的信道利用率提高以及控制時延降低策略。

2 系統通信方案研究

2.1 無線通信機制

圖1 WIDESTAR II系統組成圖Fig.1 WIDESTAR II system configuration

WIDESTAR II的調制解調以及接入方式繼承了傳統系統，調制解調采用QPSK調制解調方式，上行鏈路采用FDMA接入方式，下行鏈路采用FDM以及TDM接入方式。WIDESTAR II與WIDESTAR的無線性能指標比較如表1所示。

下圖為WIDESTAR II系統中所使用的無線信道，由圖可知新系統新增用于數據傳輸的物理信道有兩種類型，分別為固定速率（64－k）的保障類型物理用戶信道（PUPCH－GR）和盡力而為的物理用戶信道（PUPCH－BE）。廣播信息信道屬于控制信道。

由于BE信道在移動終端之間是共享的，且不能預留信道，因此WIDESTAR II系統針對此新增無線信道設計了信道分配及調度策略。

1）BE信道分配方法

在FPUPCH－BE信道中，僅當呼叫傳遞數據時，才會給每次呼叫分配一條信道（在呼叫最初連接時，S－AP將分配一條具有此次呼叫所需最小帶寬的信道，以便協調更多用戶）。在本系統中，移動終端的發送是可變速率的，由S－AP根據每個終端站的需求以及載噪比（CNR）進行分配，大小取決于前一條信道的使用率。以下給出兩個案例。

例一：當分配的帶寬為144 kHz，用戶發送一個小額數據（比方說發一個ping信息），下一時間被分配的帶寬就為64 kHz或更少，因為前一個帶寬使用率很低。

圖2 無線信道組成圖Fig.2 Types of radio channels

例二：當帶寬只有37.5 kHz，而用戶發送了一個大包數據（比方說FTP），下一次的帶寬分配將達到64 kHz或更多，由于上一次的帶寬使用率高。

如果S－MSs能夠確定帶寬需求，使用無線信道可能會是更為有效。然而由于S－MS的執行限制，這種情況不可能實現。因此，在本系統中，根據業務傳輸的以往特性，來進行BE信道的分配及數據傳輸速率的速率能夠有效的提高信道的利用率。

2）BE信道調度策略

由于BE信道不能預留信道資源，因此WIDESTAR II提供了一種新的服務－－占用帶寬服務。當一個使用頻帶占用服務的用戶（以下稱為占用頻帶用戶），與一個普通用戶使用相同的時隙，且他們均處于空閑狀態時，普通用戶能夠使用分配給占用頻帶用戶使用時隙，以便于提高無線資源的使用率。因此，占用頻帶用戶僅在其通信狀態下使用其自身的時隙。當只有普通用戶在通信中時，時隙平均分配。且只要增加一個新的帶寬占用用戶，則時隙重新分配。下面，對此進行了驗證。

【模式】當用戶 A（頻帶占用服務），b、c（普通用戶）使用相同資源時，確定其瞬時吞吐量。

【假設】一個384 kbps的無線資源由A、b、c同時使用。用戶A可以在任何時間占用192 kbps的資源。

【實驗過程】

用戶b通過BE信道接收或者發送一個FTP服務器的文件（大）……區域 1（0～50 s）

用戶A和用戶b使用相同的資源通過BE通信獲得一個文件（大），于此用戶 A和b同時在通信……區域 2（50～110 s）

在用戶A和b通信過程中，用戶c遵照和用戶A、b同樣的過程。 ……區域 3（110～300 s）

每個用戶的即時吞吐量如圖3所示。

圖3 BECH信道調度策略Fig.3 Scheduling of BECH unit

在區域（1）中，自從用戶A不在通信中，用戶b占用所有無線資源，吞吐量達到384 kbps。

在區域（2）中，一旦用戶A開始通信，用戶A的吞吐量增加到192 kbps，達到用戶A能夠控制的帶寬。用戶b繼續使用無線資源，吞吐量下降到192 kbps。

在區域（3）中，用戶 c新加入通信，但用戶 A并未受影響，用戶b和c均分占有剩余吞吐量。

以上對3個用戶進行仿真驗證，文獻[5]中針對更多用戶進行了BE信道的調度策略仿真。由結果可知，WIDESTAR II系統可以在確保占用頻帶用戶對無線資源的需求同時，將其空閑時的資源分享給其他用戶，從而提高信道的利用率。

2.2 語音通信機制

WIDESTAR II的語音通信機制如圖4所示，其上層處理單元的開發基于GPRS 3G的FOMA[6]數據包交換協議，實現了面向IP的語音通信控制。換言之，核心網以及移動終端的語音呼叫以及其他通信，是通過處理基于PDP上下文的虛擬路徑連接信息來管理的。因此，在通信中，不論業務類型為語音通信還是數據通信，以及對多域或多重呼叫通信控制狀態的數目限制，都能夠使用單一的PDP上下文，從而使過程實現簡化。若在數據通信期間到達一個語音呼叫，則會觸發服務切換控制過程并重置PDP上下文。

WIDESTAR II系統通過以下3項措施來提高語音數據傳輸的傳輸效率：語音呼叫控制通過SIP（session initiation protocol）信令來完成（如圖 4（a））；只有相應的語音媒體數據以及SIP信令封裝在無線幀結構中；基站通過消息壓縮技術執行SIP信令處理過程。

表2 S-SIP和ZIP壓縮率Tab.2 Compression rate of S-SIP and ZAP

由圖4（b）可知，對于語音媒體數據包的傳輸通過RTP進行傳輸，并采用應用于IP技術中的G.729 a編譯碼器。對于不同衛星移動終端之間的語音通話，只有終端的節點進行CODEC過程，中間的節點不進行編解碼。對于其他網絡的呼叫，CODEC轉換過程由核心網的媒體網關節點來完成（MGN）。在傳統方案中，這一轉換過程需要在終端進行，而采取這一措施可以減少無線接入設備的負載以及其所需實現的功能，并且還能夠提高不同MS之間的呼叫質量。

圖4 語音通信過程Fig.4 Overview of voice communication processing

2.3 數據通信機制

數據通信機制如圖5（a）所示。因為不存在語音信號處理，所以該機制不涉及SIP到S-SIP的轉換以及RTP/RTCP。如果用戶在數據通信機制下使用VoIP，SIP和RTP的操作協議如圖5（b）所示。這種情況下，并不存在諸如S-SIP之類的傳輸壓縮。

圖5 數據包處理過程Fig.5 Overview of data communication processing

2.4 通信控制時延降低策略

使用同步衛星的移動通信系統一般都存在往返500 ms的鏈路延時。如果在無線通信信道進行多次控制信令交互，則高速信道會存在過度占用及使用效率下降等問題。

為了實現全IP網絡，WIDESTAR II系統上層單元采用3GPP協議，因此，如何在符合標準3GPP協議的基礎之上，合理設計其通話控制機制，最大降低通信控制時延將是研究的重點所在。以下，本文給出了幾種降低時延的方案：

1）維持語音保持狀態

在3.2節中可知，語音通信需要通過PDP上下文激活過程（圖6）來配置虛擬隧道鏈接，由下圖可知，此過程需要SMS與和核心節點進行兩次信令往返交互，因此，若每次語音通信都進行PDP上下文激活過程，則至少產生1 s的時延。

圖6 PDP上下文激活過程Fig.6 Overview of PDPcontext activation procedure

因此，在WIDESTAR II系統中，可將S-MS開機以后的PDP上下文將一直維持于處于保持狀態。通過這種方式，當語音鏈路建立時，SIP會話控制將簡單地由維持狀態轉入激活狀態，而不是從耗時的PDP生成狀態轉入激活狀態。

2）無線載體的建立

在L3層無線載體建立過程中，當接入核心網節點的無線接入承載建立啟動時，基站設備將立即為移動終端分配無線信道。

3）信息池

在L3層結構中，在S-AP與S-MS（衛星移動基站）以及核心網節點與S-MS的傳輸時使用信息池，從而減少設備間的信令交互降低等待延時。

在L2層中，多路連接信息將被推送至信息池，以提高無線資源的利用率及壓縮鏈路延時。

4）L1層控制信息

現有WIDESTAR數據包通信系統通過簡化RPUPCHBE信道分配過程以及在通信期間的速率變化來降低時延，WIDESTAR II在基礎之上，發現傳輸時延通常與往返的控制信息相關，因此可以通過快速進行資源分配控制以及在L1層的控制幀中的相同時隙設置速率將會使時延最小化。

5）自適應

S-MS根據IMSI（國際移動用戶標識）進行空閑狀態下的信道選擇、會話組選擇以及AGS（衛星接入網關）的優先級的設定。因此，本系統中可以根據移動終端的位置信息來避免碰撞、匯集自適應消息、聚集幾個信道或通話組群，從而有效降低鏈路延時。

2.5 安全控制

安全控制涉及如下過程：

在L1層結構中，S-MS和S-AP之間傳輸的數據需要帶有PN序列的多重加擾格式。

在L2層結構中，信息采用KASUMI算法進行加密。當連接通話時，密鑰在L3層結構中交換。

2.6 調度與QoS控制

1）無線接入過程

S-AP的傳送優先級為語音通話高于數據傳輸。

除BE數據傳輸外，無需使用QoS控制，因為在S-MS接入SCCH之后，將為每一個S-MS分配獨立的無線信道。

2）S-AP與 CN 之間

相較數據傳輸，S-AP優先發送語音數據包。S-AP與CN之間的路由器根據IP頭里的DSCP決定數據包的發送順序。

3 結束語

綜上所述，文中針對WIDESTAR II衛星移動通信系統所采用的通信機制進行了研究與驗證，分析可知，本系統通過采用IP兼容技術、簡化所采用的無線及通信過程、提高信道使用率、減少延遲等策略，實現了靈活的IP兼容技術及高速率傳輸技術。

[1]Inoue M.OverviewofwidestarIImobilesatellitecommunications scheme[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）：43-49.

[2]Yamamoto T.Widestar II satellite core network system[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）:50-57.

[3]Ouchi H.Widestar IIbase station maintenance and monitoring system[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）:64-69.

[4]Yamamotoet K.Al:Overview of widestar II mobile satellite communications system and service[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）：37-42.

[5]Sasaki S.Development of evolved mobile satellite communications system；Widestar II[C].IEEEGlobecom，2011.

[6]Shimada Y.IP-based FOMA voice network toward enhanced servicesand improved efficiencies[J].NTTDOCOMO Technical Journal，2010，12（1）：4-14.

[7]Yamamoto.Development of evolved mobile satellite access scheme and base station equipment for the widestar II[J].Institute of Electrical and Electronics Engineers，2011.