衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)模擬實(shí)現(xiàn)

祝嬋嬋，劉晨宇，顧少龍，駱 盼

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)模擬實(shí)現(xiàn)

祝嬋嬋1，劉晨宇2，顧少龍1，駱 盼1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

根據(jù)我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，借鑒地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理與運(yùn)維技術(shù)思路，開展衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理與運(yùn)維技術(shù)的研究很有必要。信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)模擬信關(guān)站無(wú)線接入部分的協(xié)議處理功能，包括業(yè)務(wù)和信令。無(wú)線接入部分主要包括模擬物理層、模擬RLC/MAC層和模擬無(wú)線資源控制RRC層，完成終端的接入和無(wú)線資源管理過程。實(shí)現(xiàn)的協(xié)議棧模擬軟件參考GMR-1 3G系統(tǒng)框架展開研制，能夠有效地模擬載波、時(shí)隙和信道的分配過程，且能夠與模擬核心網(wǎng)設(shè)備交互，是衛(wèi)星移動(dòng)通信驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分。

衛(wèi)星移動(dòng)通信；信關(guān)站；無(wú)線接入；模擬技術(shù)

0 引言

具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究和設(shè)備的研制在我國(guó)是首次開展，整個(gè)系統(tǒng)以地面先進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng)為參考展開設(shè)計(jì)，具有基礎(chǔ)差、新技術(shù)多及研發(fā)難度大等特點(diǎn)[1]。信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)模擬設(shè)備是模擬無(wú)線空中接口的核心節(jié)點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信模擬信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)部分的協(xié)議處理功能，并提供與模擬業(yè)務(wù)源的數(shù)據(jù)接口，同時(shí)提供信令和業(yè)務(wù)的后端交互接口，配合衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的演示和驗(yàn)證。

1 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

作為一種國(guó)家關(guān)鍵的基礎(chǔ)通信設(shè)施，以及全球移動(dòng)通信的有機(jī)組成部分，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)在國(guó)家安全、緊急救援、互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程教學(xué)、衛(wèi)星電視廣播及個(gè)人移動(dòng)通信等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用[2]。新一代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)可以提供個(gè)人電信業(yè)務(wù)、多信道廣播和互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程傳送，是全球無(wú)縫個(gè)人通信、互聯(lián)網(wǎng)空中高速通道的必要手段。近年來隨著地面移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)也向著3G架構(gòu)邁進(jìn)[3]。

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4-6]如圖1所示，類似于傳統(tǒng)的UMTS架構(gòu)，也劃分為2部分，即無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)和核心網(wǎng)絡(luò)(CN)。不過，無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)在這里被命名為GEO衛(wèi)星無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)(即GSRAN)，引入了在GEO軌道的空間段衛(wèi)星[7]。GSRAN包含衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、信關(guān)站節(jié)點(diǎn)和信關(guān)站網(wǎng)絡(luò)控制器，GSRAN整體上起著地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中UTRAN的作用。核心網(wǎng)絡(luò)(CN)同樣劃分為電路域和分組域，主要包含傳統(tǒng)的功能實(shí)體，如歸屬位置寄存器、訪問位置寄存器、移動(dòng)交換中心服務(wù)器、GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)、GPRS網(wǎng)管支持節(jié)點(diǎn)等[8]。

圖1 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)構(gòu)成

2 模擬無(wú)線接入網(wǎng)分析

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以及模擬系統(tǒng)整體要求，信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)模擬設(shè)備與系統(tǒng)其他網(wǎng)元模擬終端、模擬核心網(wǎng)之間的關(guān)系如圖2所示。

模擬無(wú)線接入網(wǎng)的功能是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接入部分[9]的協(xié)議處理功能，在模擬核心網(wǎng)、模擬終端及模擬業(yè)務(wù)源之間傳輸業(yè)務(wù)、信令和測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)，配合實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的演示和驗(yàn)證。以接入網(wǎng)空中接口協(xié)議棧鏈路層以上與傳輸相關(guān)的協(xié)議為主要模擬對(duì)象，采用通用軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)處理。具體包括：

① 衛(wèi)星移動(dòng)通信空中接口協(xié)議棧的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)；

② 終端接入和數(shù)據(jù)傳輸流程的模擬技術(shù)；

③ 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線資源管理、調(diào)度流程的軟件模擬技術(shù)。

圖2 模擬系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 模擬無(wú)線接入網(wǎng)設(shè)計(jì)

按照模擬系統(tǒng)的協(xié)議及流程設(shè)計(jì)，模擬無(wú)線接入網(wǎng)主要由模擬層一層二處理模塊、模擬無(wú)線資源管理調(diào)度模塊、信令處理模塊、業(yè)務(wù)處理模塊和IP對(duì)外接口模塊等構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 模擬無(wú)線接入網(wǎng)組成圖

3.1 模擬層一層二處理模塊

由于該模擬無(wú)線接入網(wǎng)中沒有模擬物理層過程，換而代之的是采用IP協(xié)議傳輸，因此該模塊主要完成原系統(tǒng)中層1和層2的相關(guān)功能，主要包括數(shù)據(jù)的物理傳輸、數(shù)據(jù)的分段與重組、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤重傳等，除此之外還要實(shí)現(xiàn)與RRC層以及用戶應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)交互接口。

3.2 模擬無(wú)線資源控制模塊

無(wú)線資源控制模塊屬于控制平面，終端和基站控制器之間的控制信令主要是無(wú)線資源控制層消息，控制接口管理和對(duì)低層協(xié)議實(shí)體的配置。主要完成的功能有：接入層控制、系統(tǒng)信息廣播、RRC連接管理、無(wú)線承載管理、RRC移動(dòng)性管理、無(wú)線資源管理、尋呼和通知、高層信息路由功能、加密和完整性保護(hù)、功率控制、測(cè)量控制和報(bào)告等[10]。

RRC層通過業(yè)務(wù)接入點(diǎn)向高層提供業(yè)務(wù)。在終端側(cè)，高層協(xié)議使用RRC提供的服務(wù)，在基站控制器側(cè)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部分使用RRC提供的服務(wù)。所有的信令(移動(dòng)性管理、呼叫控制、會(huì)話管理等)都被壓縮成RRC消息在空中接口傳送。

3.3 模擬信令處理模塊

模擬信令處理模塊完成信令處理、呼叫處理和資源管理等功能。信令控制軟件運(yùn)行在主控硬件平臺(tái)上，由連接控制、管理調(diào)度、無(wú)線資源管理、業(yè)務(wù)控制單元構(gòu)成。連接控制單元負(fù)責(zé)完成連接控制和移動(dòng)性管理等功能；無(wú)線資源管理單元負(fù)責(zé)無(wú)線資源的調(diào)度分配；業(yè)務(wù)控制單元負(fù)責(zé)控制業(yè)務(wù)處理；管理調(diào)度單元協(xié)調(diào)主控處理器的所有軟硬件資源，并且通過管理接口接收管理中心的管理[11]。

處理器模塊采用多核處理器，以滿足無(wú)線資源管理調(diào)度算法和連接控制狀態(tài)機(jī)等應(yīng)用的高速運(yùn)算處理要求，支持多任務(wù)并發(fā)操作；采用嵌入式操作系統(tǒng)在中斷處理機(jī)制、任務(wù)調(diào)度搶占及內(nèi)存管理等方面滿足實(shí)時(shí)性的要求。

信令處理流程如圖4所示。模擬終端發(fā)起信令建立流程，接入模擬信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)，而后通過IP網(wǎng)絡(luò)到達(dá)核心網(wǎng)模擬設(shè)備，核心網(wǎng)模擬設(shè)備對(duì)信令進(jìn)行處理并做出響應(yīng)。

圖4 信令流程

3.4 模擬業(yè)務(wù)處理模塊

模擬業(yè)務(wù)處理模塊主要完成模擬話音、模擬短消息的處理。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是指本系統(tǒng)內(nèi)模擬終端或業(yè)務(wù)仿真平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，其數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

圖5 業(yè)務(wù)流程

4 模擬實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)要求，搭建模擬信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)與其他模擬設(shè)備的驗(yàn)證環(huán)境，并定義接口如圖6所示。

圖6 模擬系統(tǒng)示意圖

A接口：模擬終端與模擬信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)之間的接口，用來與模擬終端進(jìn)行信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互。

B接口：該接口用于把模擬信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)本身的狀態(tài)以及模擬終端的狀態(tài)上報(bào)到監(jiān)控平臺(tái)。

C接口：該接口用于把RRC層解析出的非接入層信令發(fā)送到模擬核心網(wǎng)，同時(shí)接收模擬核心網(wǎng)的非接入層信令，并承載在RRC層上，處理Iu接口協(xié)議。

D接口：模擬核心網(wǎng)與業(yè)務(wù)仿真平臺(tái)之間的接口，用來向業(yè)務(wù)仿真平臺(tái)發(fā)送來自模擬終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括話音、短消息和分組數(shù)據(jù)等。

搭建好衛(wèi)星移動(dòng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，主要從以下幾個(gè)方面對(duì)模擬無(wú)線接入網(wǎng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證：

① 衛(wèi)星移動(dòng)空中接口協(xié)議棧的模擬

空中接口協(xié)議棧模擬層一、二功能；

空中接口協(xié)議棧模擬無(wú)線資源控制部分；

② 終端接入和數(shù)據(jù)傳輸流程的模擬

用戶接入過程的模擬，包括廣播、尋呼以及隨機(jī)接入等信息的生成、傳輸和處理；

用戶業(yè)務(wù)、信令傳輸過程模擬，包括話音和短消息業(yè)務(wù)、信令傳輸信道的請(qǐng)求和分配過程。

③ 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線資源管理、調(diào)度流程的模擬

模擬傳輸信道資源池的構(gòu)造和維護(hù)；

模擬實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的接納控制以及信道資源的分配、調(diào)度功能。

驗(yàn)證結(jié)果顯示模擬信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)可以支持10路模擬終端同時(shí)在線，支持5對(duì)模擬終端話音業(yè)務(wù)同時(shí)并發(fā)。模擬終端可以在模擬信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)正常接入，模擬業(yè)務(wù)能收發(fā)一致，監(jiān)控狀態(tài)完整，模擬核心網(wǎng)正常應(yīng)答。信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)地處理終端的業(yè)務(wù)和信令，與核心網(wǎng)配合實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的接納控制以及信道資源的分配、調(diào)度功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

信關(guān)站無(wú)線接入網(wǎng)模擬技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，依照衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)范，有效模擬了終端通過衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接入模擬核心網(wǎng)的信令、業(yè)務(wù)接續(xù)過程，能夠有效地模擬載波、時(shí)隙、信道的分配過程，且能夠與模擬核心網(wǎng)設(shè)備交互，是衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)驗(yàn)證測(cè)試的重要組成部分。相關(guān)衛(wèi)星移動(dòng)通信協(xié)議棧模擬軟件作為移動(dòng)系統(tǒng)核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)研制基礎(chǔ)，為我國(guó)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供了有效的技術(shù)參考。

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SimulationofWirelessAccessNetworkinSatelliteMobileCommunicationSystem

ZHU Chan-chan1,LIU Chen-yu2,GU Shao-long1,LUO Pan1

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 2.University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu Sichuan 611731,China)

According to the development of satellite mobile communication systems,it is necessary to study the network management,operation and maintenance technology of satellite mobile communication system based on the idea of ground mobile network management,operation and maintenance technology.The simulation technology for the wireless access network of gateway station is used to realize wireless access protocol processing functions of simulation gateway station of satellite mobile communication system,including service and signaling.The wireless access part mainly includes analog physical layer,analog RLC/MAC layer and analog RRC layer for terminal access and wireless resource management process.The implementation of protocol stack software which refers to GMR-1 3G system framework,can effectively simulate the allocation process of carrier,time slot and channel,and and simulate the interaction with the core network equipment.It is an important component part of the verification and testing system of satellite mobile communication.

satellite mobile communication;gateway station;wireless access;simulation technology

TP391.4

A

1003-3114(2017)06-24-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.06

祝嬋嬋，劉晨宇，顧少龍，等.衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)模擬實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(6):24-27.

[ZHU Chanchan,LIU Chenyu,GU Shaolong,et al.Simulation of Wireless Access Network in Satellite Mobile Communication System[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):24-27.]

2017-07-12

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA01A509)

祝嬋嬋(1988―)，女，工程師，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)、衛(wèi)星移動(dòng)通信。顧少龍(1988―)，男，工程師，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)、衛(wèi)星移動(dòng)通信。