IMS技術在衛(wèi)星通信網絡中的分析和運用

李晴飛，朱博樑，陳 濤

（南京熊貓電子股份有限公司，南京 210002）

IMS技術在衛(wèi)星通信網絡中的分析和運用

李晴飛，朱博樑，陳 濤

（南京熊貓電子股份有限公司，南京 210002）

本文對衛(wèi)星通信網絡模型的建立進行了系統(tǒng)介紹，以衛(wèi)星地面終端的數據傳輸為基礎，使用IMS技術體制，詳細設計出了衛(wèi)星通信中網絡模型建立的實現過程，對今后衛(wèi)星通信領域中的網絡化應用具有相當大的參考價值。

IMS技術；衛(wèi)星通信網絡；業(yè)務適配；自適應路由；模塊化設計

1 引言

在未來高技術發(fā)展中，通信網絡將是維系信息化領域的神經中樞。目前，通信體系正在向天空地一體化通信網絡過渡，從而構建用于支撐各類電子信息應用系統(tǒng)的信息傳輸、交換和分發(fā)的基礎設施。衛(wèi)星通信網絡通過將各類移動用戶網接入到地面網，實現移動用戶網之間、移動用戶網與地面網之間的業(yè)務互操作、信息服務共享，保證各種電子信息系統(tǒng)縱向、橫向之間的互聯互通和高效協同，有效提升遂行多樣化通信能力，應對錯綜復雜的通信需求。

現階段，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組織應用模式主要以提供透明傳輸信道為主，衛(wèi)星網用戶與地面網用戶之間以及不同衛(wèi)星網之間的互聯互通難以有效保證。為了滿足來自不同網系的信令/媒體在衛(wèi)星信道上的傳輸適配、用戶注冊管理、通信服務策略，以及用戶接入控制等方面的具體需求，需要為衛(wèi)星通信建立網絡通信模型。

目前，IMS作為實現網絡融合的核心技術，已開始大規(guī)模應用于地面網絡。相對于軟交換架構，IMS采用了更為徹底的承載與控制、控制與業(yè)務的分離架構，具備更加完善的標準體系，業(yè)務邏輯擴展性更強，具備更強的對網絡和用戶的管控、接入和互聯互通能力。鑒于衛(wèi)星網具有特殊的技術體制和網絡架構，地面網的IMS設備不能直接應用于衛(wèi)星網絡，比如在用戶通信申請、媒體格式適配、資源協商流程等方面存在較大差異。本文需要在遵循IMS技術規(guī)范的前提下，研制適合衛(wèi)星網的IMS機制，實現衛(wèi)星網與地面網之間的無縫融合。

2 IMS技術的綜合介紹

IMS（IP Multimedia Subsystem）即IP多媒體子系統(tǒng)，是一種全新的多媒體業(yè)務形式，它能夠滿足現有終端用戶更新穎、更多樣化的多媒體業(yè)務需求。IMS被認為是下一代網絡的核心技術，也是解決移動與固網融合，引入語音、數據、視頻三重融合等差異化業(yè)務的重要方式。

2.1 名詞解釋

IMS技術是由朗訊提出的下一代通信網實現大融合方案的網絡架構，是NGN網絡融合以及業(yè)務和技術創(chuàng)新的核心標準。IMS技術不僅可以實現VoIP業(yè)務，而且可以有效地對網絡資源、用戶資源及應用資源進行管理，提高網絡智能化，為用戶實現跨網絡、多終端提供融合通信支持。

2.2 本質說明

傳統(tǒng)IP技術在數據傳輸的安全性和計費控制上不盡如人意，而且只考慮固定接入方式。

傳統(tǒng)的基于電路交換的移動網絡接入靈活，可以隨遇電路交換，但是無法支持IP技術，所以只能形成一種垂直的業(yè)務展開方式，不同業(yè)務應用的互操作性較低，需要較多的業(yè)務網關接入移動通信網絡。不同的業(yè)務分別進行業(yè)務接入、網絡搭建、業(yè)務控制和業(yè)務運用開發(fā)，甚至包括業(yè)務計費等主要網絡單元必須建立獨立的運營系統(tǒng)。

為將IP技術引入電信領域，需要IMS網絡從網元功能、接口協議、QoS和安全、計費等方面全面支持固定網絡的接入方式。在NGN的框架中，終端和接入網絡是各種各樣的，而其核心網絡只有一個IMS，它的核心特點是采用SIP協議和與接入的無關性。

2.3 SIP協議

SIP協議具有簡單性、兼容性、模塊化設計和第三方控制性的特點，被用于端到端的呼叫控制?；赟IP的IMS框架最大限度地重用了Internet技術和協議，繼承蜂窩移動通信系統(tǒng)特有的網絡技術和充分借鑒軟交換網絡技術，使其能夠提供電信級的QoS保證，對業(yè)務進行有效而靈活的計費，并且有了融合各類網絡綜合業(yè)務的強大能力。利用IMS技術，電信運營商可以低成本地進入移動領域，移動運營商也可以在保證原有話音和短信業(yè)務質量的前提下，引入豐富的多媒體業(yè)務，即全業(yè)務運營。

2.4 接入的無關性

I MS借鑒軟交換網絡技術，采用基于網關的互通方案，包括信令網關（SGW）、媒體網關（MGW）、媒體網關控制器（MGCF）等網元，同時遵守IETF和ITU-T共同制訂的協議，支持移動終端、固定電話終端、多媒體終端、PC機等多終端接入，支持蜂窩射頻接口、無線WLAN、有線LAN、DLS等多接入方式接入。IMS在業(yè)務層采用軟交換網絡的開放式業(yè)務提供框架，完全支持基于運用服務器的第三方業(yè)務提供，可以在不改變現有網絡結構、不投入任何設備成本的情況下，輕松開發(fā)新業(yè)務，進行運用升級。

2.5 系統(tǒng)架構

（1）運營支撐。由在線計費系統(tǒng)（OCS）、計費網關（CG）、網元管理系統(tǒng)（EMS）、域名系統(tǒng)（DNS）以及歸屬用戶服務器（HSS/SLF）組成，為IMS網絡的正常運行提供支撐，包括IMS用戶管理、網間互通、業(yè)務觸發(fā)、在線計費、離線計費、統(tǒng)一網管、DNS查詢、用戶簽約數據存放等功能。

（2）控制層。完成多媒體呼叫會話過程中的信令控制功能，包括用戶注冊、鑒權、會話控制、路由選擇、業(yè)務觸發(fā)、承載面QoS、媒體資源控制以及網絡互通等功能。

（3）互通層。完成IMS網絡與其他網絡的互通功能，包括公共交換電話網（PSTN）、公共陸地移動網（PLMN）、其他IP網絡。

（4）接入和承載控制層。主要由路由設備以及策略和計費規(guī)則功能實體（PCRF）組成，實現IP承載、接入控制、QoS控制、用量控制、計費控制等功能。

（5）接入網絡。提供IP接入承載，可由邊界網關（A-SBC）接入多種多樣的終端，包括PSTN/ISDN用戶，SIP UE，FTTX/LAN，WiMAX，Wi-Fi等。

2.6 功能實體

（1）本地用戶服務器HSS，作為用戶信息存儲的數據庫，主要存放用戶認證信息、簽約用戶的特定信息、簽約用戶的動態(tài)信息、網絡策略規(guī)則和設備標識寄存器信息，用于移動性管理和用戶業(yè)務數據管理，一個邏輯實體，可以由多個物理實體構成。

（2）呼叫會話控制功能CSCF，是IMS的核心，主要用于基于分組交換的SIP會話控制，根據功能劃分為三種：代理呼叫會話控制功能P.CSCF、問詢呼叫會話控制功能I.CSCF和服務呼叫會話控制功能S.CSCF。

（3）多媒體資源功能MRF，主要完成多方呼叫與多媒體會議功能，由多媒體資源功能控制器MRFC和多媒體資源功能處理器MRFP構成，分別完成媒體流的控制和承載功能。MRFC解釋從S.CSCF收到SIP信令，使用媒體網關控制協議指令來控制MRFP完成相應的媒體流編解碼、轉換、混合和播放功能。

（4）網關功能，包括出IMS網關控制功能BGCF、媒體網關控制功能MGCF、IMS媒體網關IMS.MGW和信令網關SGW。

3 IMS體制下的衛(wèi)星通信網絡模型

目前，衛(wèi)星通信中的主要數據類型有兩種，即電路域數據和分組域數據。本文主要針對分組域數據建立衛(wèi)星通信模型。

衛(wèi)星通信中典型的分組域數據通信模型如圖1所示。該模型是一個分布式的網絡，包括空間段、用戶段和地面段三部分，可為各類移動用戶（網）提供綜合接入和傳送功能，提供面向服務的動態(tài)資源調整和QoS協商功能。

地面段按照擔負功能的不同分為基站站點和移動站點。衛(wèi)星分組域數據通信模型以基站站點為網絡節(jié)點，依托已建的地面網實現互連。系統(tǒng)具備大跨距覆蓋能力，全面覆蓋整個通信需求空間，能夠為各移動用戶及移動用戶網提供全時域、持續(xù)、綜合接入支持和多手段互補的通信保障能力，支持信息各要素信息共享以及遠程、高效接入地面網。

基站站點適配設備是衛(wèi)星分組域數據通信模型的主體，是連接移動用戶和地面網的交匯點。具體是使移動用戶通過衛(wèi)星信道鏈接，通過高速網口接入地面網，每個接入基站站點是一個獨立的子系統(tǒng)，基站站點之間通過衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)實現站間資源管理和接入業(yè)務傳輸。

移動站點適配設備主要面向各類用戶（網），為其提供基礎的通信接入和服務平臺，保障用戶接入并獲取各種通信與信息服務。

衛(wèi)星通信控制設備，主要實現用戶注冊、建立和維護會話，以及提供媒體轉換和信令轉換等功能；衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)，主要完成接入資源調度、維護和管理等功能；衛(wèi)星信道終端，衛(wèi)星數據通信的載體，主要完成衛(wèi)星數據接口轉換、調制解調等傳統(tǒng)功能。天線、功放等常規(guī)使用設備不在本文中介紹。

衛(wèi)星通信中典型的分組域數據通信總體流程如圖2所示。衛(wèi)星分組域數據通信模型通過對SIP呼叫信令的解析，根據業(yè)務類型和接入策略確定需要衛(wèi)星資源的帶寬等，從而對歸屬的基站站點發(fā)起衛(wèi)星信道的建鏈過程；若本歸屬站點無法支持所需的接入資源，則通過衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)重新指定新的接入站點，并建立接入信道、新基站站點和歸屬基站站點之間的路由關系；在傳輸結束后由移動站點釋放接入資源；接入過程對用戶透明，無需更變地面網的路由。

圖1 衛(wèi)星分組域數據通信模型

圖2 衛(wèi)星分組域數據通信總體流程

4 衛(wèi)星分組域數據通信業(yè)務流程

本節(jié)主要描述衛(wèi)星用戶（網）與固定網用戶之間分組域數據通信的典型業(yè)務流程，包括用戶注冊、呼叫、調度等。衛(wèi)星用戶的業(yè)務流程與IMS標準業(yè)務流程基本一致，其區(qū)別在下一節(jié)的具體實現過程中體現。

4.1 注冊流程

⊙ 移動站用戶需要注冊時，將注冊請求消息發(fā)給移動站點的接入適配設備。

⊙ 移動接入適配設備將注冊請求消息通過衛(wèi)星信道發(fā)送到用戶歸屬的基站站點，通過基站站點轉發(fā)到衛(wèi)星通信控制設備。

圖3 注冊流程

⊙ 衛(wèi)星通信控制設備向用戶發(fā)401要求鑒權，用戶攜帶鑒權信息后再次向衛(wèi)星通信控制設備發(fā)注冊請求消息，鑒權成功后衛(wèi)星通信控制設備為用戶注冊并返回200 OK響應消息。如圖3所示。

4.2 呼叫流程

⊙ 移動站點的SIP用戶終端發(fā)出SIP-Invite呼叫消息。

⊙ 移動站點的移動接入適配設備分析Invite信令，根據帶寬需求和接入策略，向衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)申請衛(wèi)星資源，為移動接入站點和基站站點建立衛(wèi)星鏈路。

⊙ 衛(wèi)星鏈路建立成功后，移動接入適配設備開始將延遲發(fā)送的Invite信令進行業(yè)務層的傳輸，與被叫的地面網用戶和衛(wèi)星通信控制設備進行媒體協商。

⊙ 地面網用戶設備發(fā)送200 OK消息，通過衛(wèi)星信道回傳，最終完成會話控制過程，雙方開始通話，并在衛(wèi)星通信控制設備上完成媒體轉換。

圖4 呼叫流程

⊙ 會話結束時，主叫方掛機，發(fā)出bye釋放消息給被叫用戶，等待被叫用戶的200 OK消息，完成會話釋放控制。

⊙ 會話釋放完成后，移動用戶通過移動接入適配設備發(fā)送拆鏈命令，釋放衛(wèi)星資源。如圖4所示。

4.3 調度流程

圖5 調度流程

基站站點作為接入站點，是移動用戶對地面網用戶通信的轉接中心。由于建設規(guī)模、設備數量、功率容量、天線口徑等條件限制，容易產生當前基站接入節(jié)點衛(wèi)星信道都被占用的情況，從而使移動用戶無法從它歸屬的基站站點接入（通過注冊過程決定了移動終端的歸屬關系）。為保障移動用戶對于接入地面網通信的需求，需要建立轉基站接入機制，這個機制的前提必須不影響對移動用戶的管理和維護以及地面網路由信息，所以我們考慮使用隧道的方式，提供業(yè)務暫時性接入機制。

調度流程的呼叫建立過程與普通呼叫過程類似，對于使用的用戶來講是無感覺的，這里對轉基站的過程進行描述：

⊙ 每個移動站點連接的用戶發(fā)出申請衛(wèi)星資源申請后，通過衛(wèi)星管理鏈路將申請信息發(fā)送給衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)。

⊙ 衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)分析該申請的主叫用戶和被叫用戶信息，確定該移動用戶的歸屬基站接入站點。

⊙ 通過對歸屬基站站點衛(wèi)星信道資源的檢索，確定衛(wèi)星信道資源使用情況。如果該站點有空閑可用的衛(wèi)星信道，就接入；如果沒有空閑站點，則上報衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)進行轉基站決策。

⊙ 轉基站決策模塊，根據衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)對整個衛(wèi)星資源的管理信息和策略信息，進行非歸屬基站接入站點的選擇。

⊙ 非歸屬基站接入站點確認以后，轉基站決策模塊進行歸屬基站接入站點到非歸屬基站接入站點的隧道建立過程。

⊙ 衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)通知移動用戶終端可以進行通信，移動用戶終端的業(yè)務控制信息和數據信息，從地面網的隧道中路由到歸屬基站接入站點進行業(yè)務通信和信令交互。如圖5所示。

5 衛(wèi)星分組域數據通信具體實現

本節(jié)主要描述衛(wèi)星用戶（網）與地面網用戶之間分組域數據通信的具體實現過程，包括用戶業(yè)務建立和釋放的具體實現過程。衛(wèi)星用戶的業(yè)務實現過程與IMS標準業(yè)務實現過程的主要區(qū)別，在于適配設備需要根據業(yè)務需求為衛(wèi)星用戶申請、維護和釋放衛(wèi)星資源。

5.1 移動用戶業(yè)務建立實現

⊙ SIP終端發(fā)起呼叫，目的地址為SIP接入板. ⊙ SIP接入板分析SIP信令，協議轉換后向控制板發(fā)出通信需求，同時回復SIP終端，讓其等待衛(wèi)星鏈路建立通知.

⊙ 控制板分析信令，協議轉換后給信道接口板發(fā)送衛(wèi)星鏈路建立申請信令，并進行計數器計數，維護會話過程。

⊙ 信道接口板分析信令，協議轉換向衛(wèi)星信道終端發(fā)送業(yè)務申請，并根據申請結果中的反饋信息獲取路由信息、鏈路信息，反饋給控制板。

⊙ 衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)，根據業(yè)務申請信息、移動用戶注冊信息、基站站點使用信息等因素，決定衛(wèi)星資源的使用或者調度。

⊙ 控制板通過判別鏈路信息獲取衛(wèi)星鏈路建立情況，進行路由信息配置，為SIP業(yè)務信令和信令的傳輸構建通道。

⊙ SIP接入板通過控制板對申請信息的反饋進行后續(xù)處理，失敗則觸發(fā)SIP終端的業(yè)務呼叫初始化和上報失敗原因，成功則開始進行SIP控制信令交互。

⊙ SIP業(yè)務數據通信過程與上文業(yè)務流程相同，不再展開。如圖6所示。

5.2 移動用戶業(yè)務釋放實現

⊙ SIP終端通信完畢以后，主叫的終端掛機，信令的目標地址是SIP接入板。

⊙ SIP接入板解析分析SIP信令，將該信令借助衛(wèi)星通道轉發(fā)到衛(wèi)星通信控制設備，并等待被叫SIP終端的信令回復定時器和重發(fā)定時器超時。

⊙ 衛(wèi)星通信控制設備與被叫SIP終端進行信令交互，實現被叫終端結束會話的過程，并將業(yè)務結束信息上報控制板，同時反饋到主叫SIP終端所在的SIP接入板，由SIP接入板上報本端的控制板，同時觸發(fā)被叫SIP終端的通信結束過程。

⊙ 主叫SIP終端側的控制板確認通信會話結束后，向信道接口板發(fā)起資源釋放請求，通過衛(wèi)星接入控制系統(tǒng)的管控信道，完成衛(wèi)星信道兩端的資源釋放，同時觸發(fā)主叫SIP終端的通信結束過程。

⊙ 控制板得到信道釋放信息后，將兩側的衛(wèi)星鏈路路由信息刪除，并將該會話維護記錄刪除。

圖6 移動用戶業(yè)務建立實現

圖7 移動用戶業(yè)務釋放實現

在完成上述研究后，筆者還進行了下列研究：同一基站站點的移動用戶通信；不同基站站點之間的移動用戶通信；強占業(yè)務通信；強插業(yè)務通信。這些研究都取得了成功，對今后分組域業(yè)務在衛(wèi)星通信領域中的應用具有相當大的參考價值。

（1）衛(wèi)星網內路由技術。與地面網絡不同，衛(wèi)星鏈路的建立具有階段性，因此，在衛(wèi)星段需要自適應路由技術，能夠根據用戶通信需求自動建立路由。自適應路由技術提供常態(tài)化的全可控路由建立機制，避免用戶對路由的復雜配置，同時對地面網和移動站的用戶完全透明。

（2）衛(wèi)星網IMS信令及媒體轉換技術。衛(wèi)星網IMS信令及媒體轉換技術，主要負責完成地面網與衛(wèi)星通信分組數據網之間的IMS信令轉換，媒體格式轉換等。衛(wèi)星通信分組數據網采用集成IMS子系統(tǒng)中部分組件的IMS-SAT架構，實現衛(wèi)星通信分組數據網到地面網的融合。

6 結束語

本文綜合介紹了IMS體制下的衛(wèi)星通信網絡模型的基本工作原理、實現衛(wèi)星分組域數據通信的設備組成、業(yè)務流程和信道適配過程。結合衛(wèi)星通信中分組域傳輸模型，詳細闡述了IMS技術在衛(wèi)星通信中的實現。隨著衛(wèi)星通信網與地面有線IP網絡的逐漸融合，地面有線IP網絡中的分組域業(yè)務在衛(wèi)星通信領域中的應用得越來越廣泛，衛(wèi)星通信IMS技術必然有著廣闊的發(fā)展前景和很強的實用性。

[1] 柯賡編．接入網技術與應用．西安：西安電子科技大學出版社，2009

[2] 羅迪（Dennis Roddy）．衛(wèi)星通信．北京：機械工業(yè)出版社，2011

[3] Miikka Poikselka，Georg Mayer．IMS:IP多媒體子系統(tǒng)概念與服務．北京：機械工業(yè)出版社，2011

[4] Tanenbaum等．COMPUTER NETWORKS（第五版）．北京：機械工業(yè)出版社，2011

Analysis and Application of IMS Technology in Satellite Communication

Li Qingfei, Zhu Boliang, Chen Tao
(Nanjing Panda Electronics Company Limited, Nanjing, 210002)

This paper made a systematic introduction to the establishment of satellite communication network model. Satellite ground terminal based in data transmission, use IMS system, designed the implementation process to establish the model of satellite communication network should be quite large, with reference value for the future satellite communication network in undersatnding.

IMS Technology; Satellite Communication Network; Service Adaptation; Adaptive Routing; Modular Design

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.07.004

TN927+.2

A

1672-7274（2015）07-0010-07

李晴飛，碩士，南京熊貓電子股份有限公司工程師。

朱博樑，武警江蘇省總隊司令部助理工程師。

陳 濤，本科，南京熊貓電子股份有限公司工程師。