基于UMTS標準的海事衛星寬帶網絡的架構研究

邵珍珍，萬 千

（中國交通通信信息中心，北京 100094）

1 引言

海事衛星寬帶網絡具備移動3G通信業務特點，可提供高速數據服務，首次將陸地IP通信網、移動3G網中的豐富應用延伸到衛星用戶，并可根據用戶不同需求，提供個性化的定制服務，是全球真正意義上的無縫隙覆蓋全球的寬帶移動衛星傳輸網絡。通用移動通信系統（UMTS，Universal Mobile Telecommunications System）是國際標準化組織3GPP制定的全球3G標準之一，它的主體包括無線接入網絡和分組化的核心網絡等一系列技術規范和接口協議。海事衛星寬帶網絡在設計時采用了UMTS系統架構和接口協議棧，根據衛星鏈路高時延、非周期性干擾、衛星資源帶寬有限等特點開發了新的空中接口協議。如何將衛星通信系統有效地與地面移動網融合，并為全球用戶提供無縫覆蓋，早已成為越來越多學者研究的重點。本文將對UMTS技術標準在海事衛星寬帶網絡中的應用進行深入分析和闡述。

2 海事寬帶網絡終端的信令流程

為了獲得更高的傳輸效率，更加合理、高效地利用衛星頻率資源，海事衛星寬帶網絡采用專有的IAI-2空中接口替換了UMTS系統的Uu空中接口，可為同步衛星環境提供完整的接入層協議棧和物理層優化。它使用了不同的各種調制選項，如QPSK，16QAM，QPSK，通過編碼技術實現可變編碼速率。當海事移動終端開機后，選擇合適的主用共享接入載波（PSAB）后，就可以發起IAI-2信令流程，注冊至海事衛星寬帶網絡，具體流程如圖1所示。

圖1 海事衛星終端的IAI-2注冊

注冊過程按照以下流程完成：

⊙ 終端守聽在全球波束公共信道（Global Beam Common Channel），獲取可用的主用共享接入載波和點波束范圍信息列表。

⊙ 根據終端自帶的GPS定位信息，從點波束范圍信息列表中選擇一個區域波束并守聽至該頻率。若無可用的區域波束覆蓋終端所在位置，則選用適合的窄點波束。

⊙ 終端發出信息交換申請，并向海事寬帶無線接入網絡系統發起通信，建立一個專用的終端信令連接，此流程必須在終端向核心網發出信令信息之前完成。終端預占一個主用共享接入載波后，將會監控該信道時隙占用情況，以便于選擇一個合適的時機發送一個包含注冊協議數據單元（PDU）的隨機存取脈沖給無線接入網絡。網絡識別的依據是NAS ID，包括終端IMSI，TMSI，P-TMSI等。若是在沒有SIM卡時，NAS ID將使用緊急呼叫情況下終端的移動設備國際識別碼IMEI。

⊙ 如果無線接入網絡成功接收了這個注冊PDU，將會返回一個注冊確認PDU并給后續的信令信息分配一個專用的終端信令連接。

⊙ 終端顯示其已收到注冊確認信息，并通過新建立的專用終端信令連接發送注冊完成信息。

⊙ 無線接入網絡時，網絡有可能要求終端給其發送GPS定位信息。為防止信息被攔截，此位置報告經過應用公鑰加密運算法則保護。此公鑰將通過無線接入網絡發送的位置請求信息送至終端，或從終端中存儲的預設密鑰陣列中移除。

⊙ 終端響應網絡的請求，送回加密的位置報告。此信息可使無線接入網絡確定終端是否在與其地理位置相對應的服務區、是否被允許使用海事寬帶服務。

⊙ 無線接入網絡將允許終端通過回應注冊模式更新信息的方式繼續進行UMTS標準的附著流程。

3 海事衛星寬帶網絡中UMTS技術標準架構

海事衛星寬帶網絡的全IP化、與陸地互聯網一致的全球統一的接口標準，是海事衛星寬帶終端滿足不同國家、不同應用的關鍵。UMTS是應用于陸地通信的3G網絡協議，不能直接應用在海事衛星寬帶網絡中，需要對UMTS協議做一些調整。海事衛星寬帶網絡仍然采用3GPP移動通信技術標準網絡結構，包括核心網（CN）、無線接入網（RNC）和用戶終端（UE）三部分（見圖2）。

圖2 海事衛星寬帶網絡架構

（1）海事衛星移動終端（UE）

海事衛星移動終端由便攜式的衛星調整解調器和全球用戶身份模塊（USIM）組成，負責用戶側射頻信號的收發，與外部數據終端設備（如電腦、智能平板電腦、視頻設備等）通過以太網口相連接。移動終端通過海事衛星寬帶網絡建立起數據終端設備與國內外陸地公眾固定、移動網絡間的通信橋梁，實現訪問互聯網、專網、視頻傳輸等一系列網絡功能。全球用戶身份模塊是在UMTS 3G網絡的一個構件，在海事衛星寬帶網絡中作為安全手段，鑒別并授權海事用戶進入并使用網絡。

（2）無線接入網（RNS）

陸地無線接入網（UTRAN）是UMTS技術標準中一個重要組成部分，是UMTS最重要的一種接入方式，適用范圍最廣。UTRAN由NODE B和無線網絡控制器（RNC）構成，UTRAN Nobe B是WCDMA系統的基站。在海事衛星寬帶網絡中，位于赤道上空同步軌道的海事衛星扮演WCDMA系統中基站的角色，作為“中繼站”的它主要功能是接收地面站和移動終端發來的信號，對信號加以放大和處理，然后轉給終端或地面站。無線接入網系統主要負責衛星頻率資源管理、信道資源控制、用戶信道分配、功率控制、點波束間漫游控制、數據加密、數據分段及重組、公共廣播信令等。

無線接入網系統由射頻和天線系統、信道單元、網管服務器、核心網關和存儲設備組成。該系統采用歐洲的WCDMA 3GPP標準，相比UMTS系統中的Uu空中接口，海事衛星組成對其進行單獨開發和修改，以適配海事衛星寬帶業務傳輸的需求。核心網關是海事衛星寬帶業務空間接口協議和第三代移動通信3GPP Iu接口的中間組件。網管服務器負責地面關口站覆蓋范圍內的信道分配，通過地面線路訪問Inmarsat的頻率資源管理池完成信道的分配和回收，以保證整個海事衛星網的信道資源的最優化使用。

（3）核心網（CN）

海事衛星寬帶網絡在衛星通信環境中采用了UMTS系統部分內部架構。核心網相比陸地移動UMTS系統沒有改變，支持射頻網絡與陸地網絡間3G標準信號的處理和轉換，提供終端的注冊、認證、鑒權、通信交互、計費等一系列處理功能，是地面關口站業務處理的核心部分。與移動網中UMTS系統一致，海事衛星寬帶網絡的核心網系統由電路交換域和包交換域兩部分組成，另外為實現海事用戶終端控制設有設備標識寄存器，為實現包交換數據傳輸加速設有IP加速器。

電路交換域（CNCS）主要設備是媒體網關（MGW）、移動交換中心服務器（MSC server）、訪問用戶位置寄存器和強制路由系統。媒體網關的功能主要是提供衛星語音編碼接口、合法監聽接口、系統配置接口、Iu接口等。移動交換中心服務器是移動軟交換系統控制層的控制功能實體，其功能實現符合3GPP R6的國際規范，主要功能包括：媒體網關控制功能、呼叫控制功能、業務控制功能、移動性管理、計費功能以及支持智能網和預付費業務等。

包交換域(CNPS)的主要設備是GPRS服務支持節點（SGSN）和GPRS網關支持節點（GGSN）。SGSN節點提供移動衛星通信系統中的分組數據交換功能，具體包括路由、移動管理、會話管理和相應的計費功能等。GGSN提供分組網絡與外部網絡的連接，外網包括因特網、公司企業網和專用數據網等。GGSN負責路由選擇與轉發、流量管理、移動性管理等功能。

4 海事衛星寬帶網絡的接口協議棧

圖3 UMTS協議用于海事衛星寬帶網絡

UMTS系統信令協議棧采用了分層架構，主要包含兩個協議層：接入層（AS）和非接入層（NAS），見圖3。UMTS接入層主要由物理層、無線鏈路控制子層和媒體接入控制子層、無線資源控制層三個子層組成。接入層是同信號傳遞媒介相關的協議層，UMTS技術標準是應用在陸地傳輸的移動通信系統，而海事寬帶網絡是衛星移動通信系統，這個差別決定了海事寬帶網絡系統不能照搬UMTS接入層協議，使用了海事衛星專用的IAI-2接口協議代替了UMTS系統中無線接入網和用戶終端之間的Uu接口接入層協議，以更好地適應衛星鏈路的需要。在網絡結構不變的同時，海事衛星寬帶網絡非接入層協議與UMTS保持一致。

海事寬帶網絡延用了部分UMTS技術標準的網絡接口，下面將具體分析網絡中的幾個主要接口協議棧（見圖4）。

圖4 海事寬帶網絡結構的接口協議棧

（1）R接口

R接口是終端設備TE（如筆記本、智能平板電腦燈）與移動終端MT（即海事衛星終端）之間的接口。海事衛星寬帶網絡沒有專門指明或定義R接口，此接口典型的應用場景是基于物理層的以太網、藍牙、無線局域網802.11，USB，RS-232等接口連接。用戶還可使用AT命令通過這個接口完成設備間的連接配置，并完成短信的傳輸。海事衛星寬帶終端同一時間進行多個會話連接的應用，即支持多個PDP上下文連接就是通過這個接口完成的，在3GPP TS27.010標準中作為可選項有所定義。

（2）Cu接口Cu接口是連接UMTS集成電路卡和海事衛星終端的標準接口。通用集成電路卡UICC是為在終端上存儲海事衛星全球用戶識別卡USIM信息提供安全的存儲環境。海事衛星寬帶網絡支持GSM網絡SIM卡的漫游，但其核心網具備對其接入進行限制和管控的技術能力。

（3）Uu接口

Uu接口是UMTS技術標準中無線接口，移動終端通過Uu接口接入到UMTS系統的固定網絡部分，可以說Uu接口是UMTS系統中最重要的開放接口。海事寬帶網絡中的無限接口使用的Inmarsat的私有接口協議IAI-2（Inmarsat Air Interface Number2），主要提供終端與無線側建立、配置、修改和釋放無線接入網絡承載業務的功能。

該接口分為物理層、數據鏈路層、網絡層。其數據鏈路層被進一步分為媒體接入層MAC、無線鏈路子層RLC、分組數據匯聚協議層PDCP和廣播/多點傳送控制層BMC。通過Inmarsat第四代衛星進行UE與RNS之間的信息傳輸。

（4）Iu接口

海事衛星寬帶網絡中無線接入網絡與核心網之間的協議棧采用UMTS通用的標準Iu接口。Iu接口協議在垂直平面上分為控制平面和用戶平面，在水平方向上分為無線網絡層和傳輸網絡層。Iu接口執行海事衛星側無線接入承載的建立、保持和釋放過程；執行系統內切換、系統間切換和SRNS重定位過程；支持小區廣播業務；進行與終端無關的通用過程，執行終端和核心網之間非接入層信令的傳送，執行核心網與UTRAN之間位置業務請求和應答信息的傳送；控制單個終端到多個核心網域的同時接入，并提供分組數據流的資源保留機制。Iu接口又分為以下三種：

⊙ Iu BC：通過SABP協議完成業務區的廣播RNS與CBC之間的接口，面向廣播域，具有信息處理、負荷處理、復位、錯誤處理等功能，是針對特定的語音群組呼叫業務或語音廣播業務。

⊙ Iu PS：在核心網分組域中，無線網絡RNS與分組域用戶平面的服務節點SGSN之間的包交換域接口協議棧如圖6所示。目前，海事衛星寬帶網絡中SCCP信令消息的傳輸采用了基于IP的SIGTRAN協議堆棧。

⊙ Iu CS：Iu-CS接口控制平面信令消息的傳輸是在無線網絡系統RNC與MSC/VLR之間完成的；Iu-CS接口用戶平面業務承載是在無線系統RNC與媒體網關MGW之間完成。網絡傳輸層控制平面中采用ITU電信Q.2630.2標準，提供基于ATM AAL-2連接信令完成電路呼叫的建立和釋放，見圖5。

圖5 Iu CS協議棧

（5）Gn和Gi接口

GGSN是網關GPRS支持節點，通過Gn接口與SGSN相連，通過Gi接口與外部數據網絡Gn接口是SGSN與GGSN之間負責完成IP信道的建立、釋放、控制等功能。

5 結束語

海事衛星寬帶網絡融入了UMTS技術通信的標準，它的數據傳輸質量更高，傳輸速度更快，功能也從單一話音服務發展到圖像、視頻、高速互聯網接入等全系統功能服務，在國際和國內獲得了巨大的成功。本文對基于UMTS標準的海事衛星寬帶網絡信令流程、系統架構和接口協議棧的分析對促進我國移動衛星通信事業發展起到積極作用。

圖6 Iu PS協議棧

[1] 卡拉寧（芬蘭），李安平.3G技術與UMTS網絡.北京：人民郵電出版社

[2] Inmarsat BGAN System Def i nition Manual.國際海事衛星組織寬帶網絡系統定義手冊

[3] Applied UMTS Concepts for BGAN.BGAN系統中UMTS技術和理念的應用