海事衛星關口站無線網絡通信系統的設計研究

方　飛　李　琛　萬　千

(中國交通通信信息中心　北京　100094)

海事衛星關口站無線網絡通信系統的設計研究

方飛李琛萬千

(中國交通通信信息中心北京100094)

摘要隨著經濟的發展和技術的進步,Inmarsat移動衛星通信系統經過了從模擬通信到數字通信、從低速窄帶通信到高速寬帶通信的發展演進,在近三十年的運營中以其技術先進、安全可靠、性價比合理成為全球移動衛星通信業界公認的最佳選擇。海事衛星地面站是一個復雜的通信系統,目前最先進的第四代國際海事衛星關口站主要涉及了天線射頻系統、無線網絡通信系統和核心網系統。論文著重對第四代國際海事衛星關口站最重要的無線網絡通信系統進行了研究分析,進而提出了無線網絡通信系統的設計,對于我國第四代國際海事衛星關口站的建設發展和我國自主同步軌道衛星寬帶移動通信系統的設計研究具有積極作用。

關鍵詞海事衛星; 無線網絡系統; 關口站

Class NumberTN927

1引言

海事衛星(Inmarsat)是一個全球覆蓋的移動衛星通信系統,在海上常規通信、遇險與安全通信及特殊通信中起到了重要作用。經多次技術升級和發展,海事衛星已從第一代的模擬信號通信,發展到第二代、第三代的數字通信,再到第四代寬帶通信[1]。目前最新的第四代海事衛星通信系統采用3G技術[2],空中接口采用了海事衛星組織自主研發的IAI2協議(采用TDM-TDMA/FDM)并使用了蜂窩網頻率復用的方式提高頻率利用率。

無線網絡子系統(Radio Network System,RNS),是海事衛星寬帶地面站中一個主要的子系統,控制著通信載波信號并且對其與核心網絡間的接口進行管理。

2無線網絡系統的接口設計

第四代海事衛星通信系統采用了WCDMA技術[3],無線網絡系統與核心網中間采用了Iu接口,空中接口采用了海事衛星組織自主研發的IAI2協議(采用TDM-TDMA/FDM)。3G通信系統中,移動終端和核心網絡的通信信令所應用到協議層稱之為非接入層(Non Access Stratum layer,NAS laryer),如圖1所示,RFS和RNS服務于移動終端和核心網絡之間的傳輸介質,承擔著非接入層的通訊。然而為移動終端和核心網絡間建立信令通路的這個傳輸層稱其為接入層。

圖1　無線網絡系統接口設計

無線網絡系統需要與終端、衛星和核心網及管理系統建立“L波段接口”、“PCE接口”、“Inmarsat接口”、“時鐘接口”和“Iu接口”通信,現就各個接口功能設計如下。

L波段接口是RNS系統在L波段(1.4GHz附近)與RFS系統之間的接口[4],用于業務數據的傳送。發射和接收方向各有兩個中頻饋攬,分別使用左旋極化方式和右旋極化方式。出于硬件優化的考慮,每一個信道單元(CU)只能在單一的子頻帶,并使用一種極化方式進行發送或者接收。在衛星的上行和下行鏈路中,帶寬都為大約100MHz,在衛星上,這個大約為100MHz的帶寬被劃分為若干個12.6MHz的頻帶,每個12.6MHz的帶寬稱之為子帶,在發射方向共有六個子帶,而接收方向有七個子帶。射頻信號將通過分路器發送到安裝著BGAN接收信道單元(modems)的機架,自發射信道單元發出的信號將通過合路器后發送給射頻系統。每個信道單元可以處理六個并行的200KHz帶寬的信號。

PCE接口用于RNS和RFS之間進行閉環的增益調整控制。由于BGAN系統對增益要求較高,因此在RFS系統和RNS系統之間需要對增益標準進行閉環的控制。RFS裝備了智能頻譜分析儀可以通過特殊的校準頻率測量發射水平,報告給RNS,RNS可以對信道單元增益做出相應的調整。

Inmarsat接口是通過DCN到Inmarsat NOC和Inmarsat GRM的基于IP的接口的集合[5]。主要包括:GRM接口用來請求和釋放衛星頻譜,在需要的時候RNS將從GRM請求帶寬,并不斷地向GRM發送承載利用報告,詳細說明承載利用情況,基于報告GRM可以調整RNS中的承載。HNMS接口是Inmarsat NOC監測RNS配置的SNMP接口,同時該接口還用于將RNS告警從RNS拷貝到Inmarsat NOC。FAP接口負責拷貝日志信息到FAP,日志信息用來錯誤診斷,包括:告警、鏈路質量報告、注冊和注銷、連接建立和拆除。FTP接口用來傳輸各種配置文件,主要包括:衛星狀態航線、SAC文件、波束地圖等。衛星狀態航線將廣播給移動臺,用來衛星移動補償;SAC文件用于定義地理位置;波束地圖用于定義全球波束、區域波束、窄波束的地理邊界。GPS時鐘接口基于IP方式,RFS GPS時鐘通過接口到RNS,作為外部參考,通過DMRO產生系統時鐘分配到各子架。系統時鐘通過該接口發送到RFS。

Iu接口通往核心網的接口,使用IP承載方式[6]。

3空中接口協議棧與信道組成的設計

該協議結構在水平方向可分為兩個主要的層:NAS層和AS層。NAS協議處理UE和CN之間信息的傳輸,傳輸的內容可以是用戶信息或控制信息。NAS消息一定程度上獨立于下面的AS協議結構,與采樣什么樣的無線接入網無關。NAS消息的傳輸要基于底層的AS協議。AS是無線接入網采用的協議。UE到RNC之間的協議棧又稱空中接口協議棧,主要提供建立、重新配置和釋放無線承載業務的功能。BGAN系統的空中接口采用的是Inmarsat Air Interface Number2(IAI2)協議。RNC到CN之間的協議棧采用UMTS通用的標準Iu接口協議棧。

在垂直方向分為控制面和用戶面[7]。控制面用于所有控制信令,包含應用協議和用于傳輸應用協議消息的信令承載。用戶面包含用戶收發的所有信息,比如話音呼叫中已編碼的話音或者一個Internet連接中的分組,協議結構如圖2、圖3所示。

圖2　CS域用戶面協議結構

圖3　PS域用戶面協議結構

圖2、3所示的分別為CS用戶面協議結構和PS用戶面協議結構,圖中陰影部分的協議使用的是與UMTS通用的協議,白色部分的協議使用的是Inmarsat專用協議。

Inmarsat專用協議包含了如下幾種協議。

BGAN UE將采用一種特有的低速率編解碼方式,AMBE+2編解碼,其數據速率在4kbit/s。同時BGAN核心網媒體網關(MGW)將同時支持AMBE+2編解碼和UMTS通用標準AMR語音編解碼。

AMBE+2編解碼承載于CS User Plane Handler層,該層提供錯誤控制和非連續傳輸功能。非連續傳輸可以通過抑制語音沉默期的傳輸,來使IAI2空中接口的語音傳輸帶寬和功率的利用更加有效[8]。

AL層主要負責點波束選擇、系統信息處理、NAS信息標識、注冊和注銷過程性能、UESS連接譯碼控制、GPS位置加密和報告等。同時服務于NAS應用(GMM、MM等),為NAS層功能應用建立透明的有保障的傳輸通路。

BCn層主要實現緩存和流量控制、QoS策略、數據段的分組和重組、ARQ、加密等功能。BCn接收端控制對等BCn發送實體發送信息的速率進行流量控制。數據段的分組和重組功能將不同長度的高層用戶數據PDU進行分段/重組成為較小的BCn層PDU。

BCt層對PCnPDU添加CRC校驗和多個BCtSDU,并加上BCtPDU包頭復用成物理層的傳輸塊,或將物理層接收的傳輸塊解復用成高層的PDU。BCt層還完成功率和編碼速率調整、接入控制和調度功能。

L1層也叫物理層,物理層位于最底層,直接面向實際承擔數據傳輸的物理媒體(即通信通道),但是,物理層不是指信號傳輸的物理媒體,而是指在物理媒體之上為上一層(BCt層)提供一個傳輸原始比特流的物理連接。在上行方向,有四種不同的承載類型。符號速率為8.4ksym/s的QPSK調制承載(僅用于全球波束信令);符號速率為33.6ksym/s的QPSK調制承載;符號速率為33.6ksym/s的16QAM調制承載;符號速率為151.2ksym/s的16QAM調制承載。在下行方向,有7種不同的承載類型。符號速率分別為8.4ksym/s、33.6ksym/s、67.2ksym/s、151.2ksym/s的π/4-QPSK調制承載;符號速率分別為33.6ksym/s、67.2ksym/s、151.2ksym/s的16QAM調制承載。為了與Inmarsat-4衛星信道帶寬190kHz相匹配,以上的承載類型占用的帶寬分別為21kHz、42kHz、84kHz和189kHz。IAI2提供了多種信道編碼速率,根據UE和RNS之間信道條件的不同,編碼速率可以自適應的進行調整。不同的承載類型根據C/No的范圍包含一系列不同編碼方式的子類型。因此,IAI2空中接口通過調制方案、符號速率、編碼速率三個維度的變化以獲得最優的性能。

4無線側基本流程設計

本章節將對無線側的基本業務流程進行設計,主要包括注冊入網和呼叫建立等流程[9]。

在UE注冊到RNS之前,需要從全球波束獲得信息以發現合適的區域波束或者窄波束來注冊。首先,UE接收全球波束公共信道,讀取AS(接入層)系統信息塊,獲得可用的區域波束和窄點波束PSAB(Primary Shared Access Bears)列表。然后基于GPS位置,UE選擇區域波束(或窄點波束)注冊,并調整到相應波束的PSAB所在頻點,進行注冊。波束選擇的流程如圖4所示。

圖4　波束選擇

首先是注冊過程,UE在共享接入承載(Shared Access Bearer)發送注冊請求(包含注冊PDU的隨機接入突發)。在RNC側,通過MCP將主機分配的tBCn ID在注冊確認信息中發送到UE,用于支持新的UESS(UE Specific Signalling)連接。UE通過新的UESS BCn向上報告注冊完成消息,發送到RAN主機,消息中包含安全信息,和最終的無線接入能力信息,完成注冊過程。這個過程是用戶第一次在網絡中注冊,所以IMSI作為用戶的認證標識。

然后是位置請求過程,主機發送位置請求指示,然后UE進行相應,上報GPS位置信息,在主機的SMCS映射為SAC,并判定服務區是否被允許服務。如允許服務,則向UE發送配置更新消息,向SMCS_UEDW發送建立UE指示,在數據庫中建立UE連接信息。注冊和位置更新流程如圖5所示。

圖5　注冊和位置更新流程

第三步是IMSI附著和GPRS附著,開機注冊和位置請求后,需要進行初始化直傳,建立NAS連接,通過NAS向CN發送IMSI附著請求,完成UE在CN的登記。附著完成后,UE才可被尋呼。

GPRS附著與IMSI附著類似,當用戶發起PS業務前,需要向CN發起GPRS附著,在SGSN登記用戶信息。

最后是RAB建立流程,流程如下圖所示,主要包括如下過程:

1) CN經CNGW向主機發送RAB分配請求消息發起RAB建立過程;

2) 在MCP被要求建立RB之前,RAN主機發起將UE從區域波束到窄波速的BCt間切換過程;

3) 主機發送RB建立請求到目標MCP,消息包含BCt ID和BCn QoS參數列表;

4) 在MCP,根據RAB需求,建立BCn,并分配BCn ID;

5) MCP發送建立消息給UE,UE返回建立確認消息,說明UESS BCn已經建立;

6) MCP發送RB建立完成消息到CNGW;

7) CNGW初始化Iu數據承載的建立,以支持Iu用戶面;

8) MCP返回響應信息;

9) CNGW向CN發送RAB分配響應;

10) CNGW向主機發送信息更新,包含RAB和BCn新的聯系;

11) 完成RAB建立。

圖6　RAB建立

主叫呼叫建立的過程如下圖所示,首先主叫UE向CN發起呼叫請求,然后是鑒權和安全模式建立,最后是RAB建立。RAB建立后進行振鈴,主叫摘機后向UE發送連接信息,UE返回連接確認信息以完成呼叫建立。流程如圖7所示。

圖7　呼叫建立(主叫)過程

被叫呼叫建立的過程如圖8所示,首先CN向被叫UE發起尋呼(見尋呼流程),尋呼完成后,UE發送呼叫請求,鑒權和安全模式建立,然后是RAB建立。RAB建立后進行振鈴,被叫摘機后向CN發送連接信息,CN返回連接確認信息以完成呼叫建立。

圖8　呼叫建立(被叫)過程

5無線網絡子系統組網方案

無線網絡子系統主要由信道單元(CU/MCU)、RNS主機、CNGW核心網關、LAN交換機和網管系統等組成。示意圖如圖9所示。

在無線網絡子系統內部,發射信道單元通過LAN與無線網絡主機和MCU接口。接收來自MCU的用戶數據和來自主機的控制數據。在信道單元進行處理,輸出BAGN前向承載,在L波段與無線射頻子系統接口,將L波段信號通過發射匯接板匯聚后,發送到無線射頻子系統。

圖9　無線網絡系統組成

每個發射信道單元包括一個前端處理模塊和一個上變頻器模塊。發射數據包通過LAN路由到前端處理模塊,前端處理模塊中的六個信道處理器對數據包進行CRC校驗和成幀處理,在前端處理模塊中的六個調制器進行調制,調制后的承載在70MHz載波上的200KHz帶寬信號在上變頻器模塊上變頻到L波段(1349MHz～1500MHz),L波段信號通過Patch系統合并后將被饋送到射頻子系統。

圖10　發射信道單元結構框圖

接收信道單元接收來自無線射頻子系統的L波段信號,對數據進行下變頻、解調、去CRC校驗等過程后,通過RNS LAN系統將用戶數據發送到MCU,接收信道單元同時與主機接口,接收和發送控制信息。每個接收信道單元包括1個前端處理模塊和1個下變頻器模塊。從RFS子系統接收的L波段信號通過Patch系統路由到下變頻模塊,經過下變頻后在接收前端處理模塊進行解碼、解調、解CRC校驗等處理,然后LAN系統路由到MCU。

主信道單元(MCU)是處理和控制IAI2空口協議的核心單元,同時通過LAN與信道單元和核心網關進行接口。每個信道單元子架最多可以包括13個MCU信道單元,每個信道單元包含2個MCU信道處理器。MCU的主要功能包括:處理IAI2協議、處理系統信息廣播、編解碼、鏈路適應、無線資源管理等[10]。

MCU信道單元通過LAN與CU單元、核心網關、RNS主機相連。在用戶面與核心網關接口,將來自核心網的數據通過處理送到發射CU單元,同時接收來自接收CU單元的數據,進行處理并送到核心網。控制面與RNS主機接口,接收控制信息。

RNS的LAN系統通過LAN交換機連接所有的RNS設備,發射信道單元連接到發射機柜交換機,接收信道單元連接到接收機柜交換機,MCU和主機服務器連接到主機機柜交換機,監控PC、核心網關連接到核心網關機柜交換機。同時核心網關交換機做為RNS LAN系統的核心交換機,發射機柜交換機、接收機柜交換機和主機機柜交換機均上聯到核心網關交換機,實現整個LAN系統的互聯。網絡結構如圖11所示。

圖11　RNS LAN網絡結構圖

L波段信號發射方向是從發射信道單元上變頻設備輸出經發射子架匯聚后,通過發射Patch連接到射頻子系統的均衡器,與之相反,L波段信號接收方向是從射頻子系統的均衡器連接到接收Patch,然后通過接收子架分配到各個接收信道單元的下變頻設備進行處理。發射方向和接收方向各分為左旋極化和右旋極化兩路信號。

6結語

本文介紹的無線網絡通信系統的設計方案具有復雜度低、估計精度高的優點,對提升衛星通信系統的穩定性,提供高效率的通信服務具有重要意義。本文介紹的Inmarsat自主研發的IAI2空中接口協議通過特有的AMBE+2編解碼,更高效地提升了衛星帶寬及功率的利用率。通過介紹接口、協議、組成及流程的設計,闡述了海事衛星無線網絡通信系統的設計原理,對其他通信衛星地面接續系統的建設具有參考作用。

參 考 文 獻

[1] 鄒栫潔.第四代國際海事衛星技術的特點研究[J].中國海事,2012(11):53-56.

ZOU Jianjie. A study on the Characteristics of the Fourth Generation International Maritime Satellite Technology[J]. China Maritime Safety,2012,(11):53-56.

[2] 陽志亮.論3G技術及其在通信中的應用[J].信息通信,2014(4):223-224.

YANG Zhiliang. On 3G Technology and its application in Communication[J]. Information & Communication,2014,(11):223-224.

[3] 譚明.WCDMA無線接口協議詳介[J].當代通信,2004(15):52-56.

TAN Ming. Details of WCDMA Radio Interface Protocols[J]. Communications Today,2004(15):52-56.

[4] 李健.射頻技術:綻放在移動與無線之間[J].電子產品世界,2007(9):41-45.

LI Jian. RF Technology: Shining Between Mobile and Wireless[J]. Electronic Engineering & Product World,2007(9):41-45.

[5] 李晨,徐艷芬.數據通信網拓撲智能管理功能的研究與實現[J].光通信研究,2014(2):15-17.

LI Chen, XU Yanfen. Research on and realization of smart topology management in date communication networks[J]. Study on Optical Communications,2014(2):15-17.

[6] 張傳福,吳偉陵.第三代移動通信網的Iu接口[J].電子質量,2001(4):32-35.

ZHANG Chuanfu, WU Weiling. The Iu standard interface of the third-generation mobile telecommunication systems[J]. Electronics Quality,2001(4):32-35.

[7] 樊兆龍,徐子平,王郡峰.UTRAN無線接口協議分析與研究[J].計算機與現代化,2013(6):170-178.

FAN Zhaolong, XU Ziping, WANG Junfeng. Research on UTRAN Radio Interface Protocol[J]. Computer and Modernization,2013(6):170-178.

[8] 楊友福,劉建偉,張其善,等.衛星信道編碼技術及新發展[J].通信技術,2008(7):30-33.

YANG Youfu, LIU Jianwei, ZHANG Qishan, et al. Technology and Development of Satellite Channel Coding[J]. Communications Technology,2008(7):30-33.

[9] 何萬欣,何迪,陳燁.WCDMA終端呼叫建立過程研究[J].重慶郵電大學學報(自然科學版),2007,(S1):42-45.

HE Wanxin, HE Di, CHEN Ye. Research on procedure of call establishment in WCDMA[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition),2007,(S1):42-45.

[10] 龔達寧.移動寬帶無線接入技術發展趨勢[J].通信管理與技術,2009(5):12-15.

GONG Daning. Technology trends of Mobile Boardband Wireless Access[J]. Communications Management and Technology,2009(5):12-15.

Inmarsat Satellite Access Station Radio Network System Design

FANG FeiLI ChenWAN Qian

(China Transport Telecommunications and Information Center, Beijing100094)

AbstractWith the economic development and technological progress, Inmarsat mobile satellite communication system has evolved from analog communications into digital communications as well as low-speed narrowband communications into high-speed broadband communications. With its advanced techniques, safe reliability and reasonable cost performance during the last three decades’ operations Inmarsat mobile satellite communication system has been acknowledged as the best choice in global communications satellite system industry. Maritime satellite earth station is a complex communication system. The I-4 satellite gateway which is most advanced global communications system contains RFS, wireless network communication system and CN system. Wireless network communication system that is the most important part in I-4 satellite gateway is reviewed in this paper. By putting forward the design of the system this paper would has a positive function on developing of China’s fourth-generation Inmarsat gateway and on researching as well as designing of China’s self-owned geosynchronous satellite broadband mobile communications.

Key WordsInmarsat satellite, radio network system, satellite access station

收稿日期:2015年12月8日,修回日期:2016年1月28日

作者簡介:方飛,男,工程師,研究方向:衛星通信。李琛,女,碩士,工程師,研究方向:衛星通信。萬千,男,碩士,高級工程師,研究方向:衛星通信。

中圖分類號TN927

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.018