衛(wèi)星集群IP多播組呼業(yè)務(wù)協(xié)議研究*

程珂珂，徐子平

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研究生3隊，江蘇 南京 210007；2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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衛(wèi)星集群IP多播組呼業(yè)務(wù)協(xié)議研究*

程珂珂1，徐子平2

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研究生3隊，江蘇 南京 210007；2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

現(xiàn)有集群通信覆蓋范圍有限，為實現(xiàn)全方位集群通信，提出將衛(wèi)星通信與集群通信相結(jié)合。以TETRA為例，分析了現(xiàn)有國內(nèi)外集群通信系統(tǒng)集群業(yè)務(wù)的實現(xiàn)方式。針對電路域集群，提出實現(xiàn)分組域多媒體集群。為更利于工程實現(xiàn)，提出了基于MBMS技術(shù)的衛(wèi)星集群IP多播組呼業(yè)務(wù)協(xié)議流程，并分析了實現(xiàn)中需要解決的關(guān)鍵問題及解決方案。該方案將為衛(wèi)星移動通信集群業(yè)務(wù)的發(fā)展提供新的方向。

衛(wèi)星集群；分組域； MBMS；IP多播

0 引 言

集群通信系統(tǒng)(Trunking Communication System)，即無線專用調(diào)度通信系統(tǒng)。用戶通過集群通信系統(tǒng)可共享資源，獲得高效、廉價的優(yōu)質(zhì)服務(wù)[1]。目前市場上的主要集群通信系統(tǒng)有iDEN、TETRA、華為的GT800 和中興的GoTa 。現(xiàn)有集群通信系統(tǒng)都是通過基站互聯(lián)實現(xiàn)集群通信，而基站覆蓋范圍有限，覆蓋半徑一般為10 km～30 km，若想擴大通信范圍只能通過增加基站數(shù)的方式，因此該項技術(shù)只適用于用戶密集區(qū)域，并不適用于我國沙漠、高原等邊境地帶。

近年來，寬帶通信衛(wèi)星因其特有的優(yōu)勢而得到迅猛發(fā)展。衛(wèi)星通信覆蓋范圍大、通信距離遠、不易受自然或人為干擾、通信穩(wěn)定可靠[2]。衛(wèi)星通信不僅能作為大型地面站之間的遠距離通信干線，而且可以為機載、艦載和地面部隊的小型機動終端站提供通信。因此，其特別適合抗震救災(zāi)、海洋搜救等大范圍區(qū)域作業(yè)[3]。

因此，根據(jù)集群和衛(wèi)星通信各自的特點，將這兩項技術(shù)相結(jié)合，提出利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)集群業(yè)務(wù)。根據(jù)GMR-1(GEO-Mobile Radio interface )地球同步軌道移動無線接口3G標(biāo)準(zhǔn)，擴展衛(wèi)星移動通信集群功能。這樣既充分利用了衛(wèi)星覆蓋區(qū)域大的優(yōu)勢，而且還不需要建立地面集群基站，只需擴充信關(guān)站和核心網(wǎng)功能，就可以更好滿足用戶的指揮調(diào)度需求。

1 集群技術(shù)現(xiàn)狀

2000年12月，《數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)體制》行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)頒布，并參照國際標(biāo)準(zhǔn)TETRA 和美國國家標(biāo)準(zhǔn)iDEN，分別確定了體制A和體制B兩種集群通信體制。2004年11月，《基于GSM技術(shù)的數(shù)字集群系統(tǒng)總體技術(shù)要求》和《基于CDMA技術(shù)的數(shù)字集群系統(tǒng)總體要求》兩個通信標(biāo)準(zhǔn)參考文件先后頒布[4]。

集群可以分為電路域集群和分組域集群。電路域集群是指電路域上的實體控制與呼叫相關(guān)的集群業(yè)務(wù)，且為之分配獨立的業(yè)務(wù)信道。因電路域信道資源有限，因此有很大的局限性。分組域集群是指集群業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均以IP包封裝，使用IP地址尋址傳送，相對電路域集群，支持業(yè)務(wù)種類增多，信道利用率大幅提高。在現(xiàn)有的集群通信系統(tǒng)中，所有的國際國內(nèi)流行標(biāo)準(zhǔn)都是基于電路域的話音集群方案。現(xiàn)以TETRA為例介紹電路域集群。TETRA系統(tǒng)的V+D(語音加數(shù)據(jù))空中接口協(xié)議基于OSI分層模型，該協(xié)議對應(yīng)OSI七層模型中的下面三層，較高層的功能應(yīng)在用戶終端實現(xiàn)[5]?？罩薪涌趨f(xié)議總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 TETRA空中接口協(xié)議結(jié)構(gòu)

重點說明網(wǎng)絡(luò)層，MLE負責(zé)MS到BS之間鏈路建立與維護，MM處理與無線終端移動相關(guān)的業(yè)務(wù)。CMCE主要處理基于電路方式的基本業(yè)務(wù)與補充業(yè)務(wù)。SNDCP處理分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。TETRA的集群業(yè)務(wù)是通過CMCE控制實現(xiàn)的。

話音組呼業(yè)務(wù)是集群標(biāo)識性業(yè)務(wù)，也是最重要的一個功能。組呼呼叫接續(xù)速度快、占用資源少，能夠處理很多實時性多用戶參與業(yè)務(wù)。從圖1可知，現(xiàn)行的集群組呼方案本質(zhì)上還是在電路域上處理語音業(yè)務(wù)，沒有實現(xiàn)分組域的組呼。其分組域業(yè)務(wù)只是建立用戶端到端的連接，為一個用戶提供分組域業(yè)務(wù)，并沒有實現(xiàn)多個終端之間的話音，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)共享。隨著移動通信網(wǎng)的寬帶化發(fā)展，人們的需求越來越高，電路域集群已不能滿足市場需求，需要考慮在分組域上實現(xiàn)多媒體集群。

2 分組域 IP多播集群

集群IP多播組呼業(yè)務(wù)，是多媒體集群的重要組成部分?，F(xiàn)今與我們的研究最接近的技術(shù)就是“微信”業(yè)務(wù)。微信實際使用的技術(shù)為分組域會議技術(shù)。參加微信的每一個用戶從終端到微信服務(wù)中心建立一條虛連接，這條虛連接使用了分組域的一個無線數(shù)據(jù)協(xié)議協(xié)議，即3GPP提出的PDCP“Packet Data Convergence Protocol”分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議。這個協(xié)議的實質(zhì)是讓移動用戶透明連接到IP網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)微信中心向一組N個移動用戶發(fā)送同一內(nèi)容的IP報文時，需要向N個終端發(fā)送N次，造成了無線電空中接口資源的大量消耗。由于地面網(wǎng)絡(luò)小區(qū)采用蜂窩設(shè)置，又有足夠的無線資源，微信業(yè)務(wù)得以普及。但如果在衛(wèi)星分組信道上使用微信類似業(yè)務(wù)，將會引起極度的資源消耗，甚至引起系統(tǒng)阻塞或過負荷[6]。

衛(wèi)星分組域的技術(shù)來源于地面網(wǎng)絡(luò)，地面網(wǎng)絡(luò)從2G發(fā)展到3G和4G時，原來在2G網(wǎng)絡(luò)上的電路業(yè)務(wù)，在3G和4G時改由分組域提供，而目前任何一代的分組域都不提供IP集群組播服務(wù)。不過，3GPP為了提供多播服務(wù)，提出了多媒體廣播多播技術(shù)MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service)。這個業(yè)務(wù)的目標(biāo)是向移動手機提供電視服務(wù)。因此，MBMS是一個單向廣播業(yè)務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)從2008年開始提供。由于MBMS是一個單向業(yè)務(wù)，移動用戶在上行信道上請求業(yè)務(wù)信息由分組域的其它手段配合使用，不屬于MBMS的標(biāo)準(zhǔn)范疇。MBMS也不支持組通信，即一組用戶中任一用戶發(fā)送業(yè)務(wù)，其它組用戶接收的這類業(yè)務(wù)。MBMS的組播用戶不能任意動態(tài)重組，由系統(tǒng)根據(jù)用戶簽約協(xié)議，向所有簽約用戶廣播多媒體業(yè)務(wù)[7]。

近幾年有研究提出建立LTE集群或TD-SCDMA集群，然而該集群方案本質(zhì)上還是電路域集群，并不支持分組域組播服務(wù)。從現(xiàn)有基站建設(shè)情況來看，并不具有普及應(yīng)用的基礎(chǔ)。

綜合考慮后，認(rèn)為MBMS是一個可以借鑒的適合于衛(wèi)星集群分組域IP多播組呼通信的協(xié)議，雖然其應(yīng)用對象為移動電視業(yè)務(wù)，但在下行方向上已經(jīng)實現(xiàn)了資源廣播共享。MBMS沒有考慮上行隨機接入，因此，在下行方向上也缺乏上行信道爭用仲裁信息。通過對MBMS的研究，提出增補或改進措施，進行功能上的擴展，最終實現(xiàn)分組域IP多播組呼通信。

3 衛(wèi)星集群IP多播組呼業(yè)務(wù)

衛(wèi)星集群IP多播組呼通信，并沒有可以采用的實際方案。為實現(xiàn)該課題，決定在衛(wèi)星移動網(wǎng)絡(luò)分組域上，通過對MBMS協(xié)議增補擴展實現(xiàn)，現(xiàn)命名該集群多播組呼服務(wù)為GMBMS(Group MBMS)多媒體廣播多播組呼業(yè)務(wù)。

3.1 衛(wèi)星集群IP組播組呼業(yè)務(wù)架構(gòu)模型

MBMS提供點到多點的承載服務(wù)，多播或廣播應(yīng)用可以使用這種承載服務(wù)從數(shù)據(jù)源給多個移動接收端高效的傳輸數(shù)據(jù)。MBMS支持IPV4和IPV6多播數(shù)據(jù)的傳輸。

圖2 MBMS參考結(jié)構(gòu)

上圖中BM-SC(Broadcast/Multicast Service Centre)廣播/多播服務(wù)中心是內(nèi)容提供商在公共陸地移動網(wǎng)PLMN(Public Land Mobile Network)中提供MBMS服務(wù)的接入點。分組域集群組呼其核心技術(shù)是實現(xiàn)分組域上組播通信服務(wù)。分組域組播服務(wù)是一種以組播IP地址為目的尋址的分組業(yè)務(wù)。由任意多個具有單播IP地址的移動臺組成一個組，實現(xiàn)IP組播業(yè)務(wù)時，同一組具有相同組播地址的不同單播地址的移動臺守候在同一個分組無線信道上，組呼發(fā)送方移動臺以組呼服務(wù)器的單播地址為目的地址、以本移動臺的單播地址為源地址發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置組播路由器進行組播服務(wù)，設(shè)置集群組呼服務(wù)器處理組呼業(yè)務(wù)。在此設(shè)置BM-SC為組呼服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)中的GPRS支持節(jié)點SGSN，GGSN為組播路由器。整個網(wǎng)絡(luò)的實體結(jié)構(gòu)基本不變，更利于工程實現(xiàn)。

3.2 組呼服務(wù)器GBM-SC結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)衛(wèi)星集群IP多播組呼，對原有MBMS系統(tǒng)進行一系列功能擴展。對BM-SC，其大致結(jié)構(gòu)保持不變，但在內(nèi)容和功能上加以豐富，建立廣播/多播組呼服務(wù)中心GBM-SC(Group Broadcast/Multicast Service Centre)。

圖3 GBM-SC結(jié)構(gòu)圖

從圖3可知，GBM-SC功能包括：

(1)多播組成員功能，負責(zé)集群用戶的登記和管理，能為申請多播服務(wù)的用戶提供鑒權(quán)和認(rèn)證。

(2)會話和傳輸功能，負責(zé)集群用戶會話的調(diào)度，負責(zé)請求建立和釋放網(wǎng)絡(luò)中特定GMBMS會話所需的承載資源。

(3)代理和傳輸功能，是一項承載服務(wù)功能，它允許GBM-SC和GGSN之間進行服務(wù)數(shù)據(jù)交換和必要的控制信令交換。

(4)服務(wù)聲明功能。它負責(zé)集群用戶服務(wù)的申明，向UE發(fā)出即將開始會話的信息，如一個新會話組成員的多播組標(biāo)識和多播地址。

(5)安全性功能，提供各種完整性和保密性服務(wù)功能。

為實現(xiàn)衛(wèi)星集群IP組播，衛(wèi)星移動通信網(wǎng)中的許多實體需要進行功能擴展。如GBM-SC為組播服務(wù)器，進行組呼標(biāo)識(也就是組呼號碼)和多播地址轉(zhuǎn)換。GGSN中不僅要存儲用戶的IMSI(International Mobile Subscriber Identity 國際移動用戶標(biāo)識符)、IP地址，還要存儲當(dāng)前集群組呼多播地址。歸屬位置寄存器HLR(Home Location Register)也要進行擴展，能夠登記不同SGSN下分屬于不同多播組的集群用戶數(shù)目。集群移動臺上要存儲其可以參與的集群組組號，可以申請發(fā)起呼叫業(yè)務(wù)的權(quán)限等。

3.3 IP多播組呼會話發(fā)起流程

一個集群用戶申請發(fā)起一個集群組呼業(yè)務(wù)，其大致流程如圖4所示：

圖4 IP多播組呼會話發(fā)起流程

(1)該集群用戶首先撥號向GBM-SC，也就是說向GBM-SC進行單播呼叫(每個集群用戶都存儲有GBM-SC的IP地址)。

(2)GBM-SC收到該呼叫，對發(fā)起申請的集群用戶進行鑒權(quán)，查看當(dāng)前集群通信情況和無線資源的使用情況，以決定是否接受該呼叫。GBM-SC向GGSN發(fā)起組呼查詢請求，請求中攜帶申請發(fā)起的組呼標(biāo)識，GGSN查詢HLR得知該組呼對應(yīng)用戶所在SGSN，GGSN再向SGSN發(fā)起資源查詢請求。

(3)SGSN查看無線資源分配情況，若無充足的無線資源，SGSN拒絕該請求；若有無線資源可分配，SGSN分配組呼業(yè)務(wù)信道，并將信道頻點和時間參數(shù)發(fā)給GGSN，GGSN告訴GBM-SC。

(4)若GSM-SC收到信道資源分配信息，則通過該呼叫，并進行組呼號碼與多播地址的轉(zhuǎn)換，并在通知信道中通知，通知消息攜帶三個信息：組呼標(biāo)識，多播地址、業(yè)務(wù)信道參數(shù)。

(5)該通知消息通過GGSN時，GGSN登記或變更集群組呼多播地址，開始在網(wǎng)絡(luò)中建立從GBM-SC到各個小區(qū)的多播樹。傳播路徑中每個節(jié)點都維護有下游節(jié)點的名單、組呼標(biāo)識、服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)等信息。

(6)該組呼呼叫的集群用戶收聽到該消息后，變更自身的多播地址，進入組呼信道，開始收聽業(yè)務(wù)信息，組呼會話開始。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 組呼信道的設(shè)置

發(fā)起一個IP組播會話時，需要向所有參與方發(fā)送邀請信息，所有參與方能夠快速接收這個邀請信息。因此，需要新增一個組播通知信道，定義為通知信道NCH，NCH信道是一個系統(tǒng)廣播信道，不需要組用戶接收確認(rèn)。GBM-SC在組播通知信道指配組播業(yè)務(wù)信道資源。組播通知信道作為公共控制信道，并不參與組播IP業(yè)務(wù)傳送，組播業(yè)務(wù)在組播業(yè)務(wù)信道進行。組播通知信道需要在組播期間周期性發(fā)送通知消息，使得后續(xù)開機的用戶進入集群組播業(yè)務(wù)信道。還有一種情況，就是已經(jīng)進入業(yè)務(wù)信道的集群用戶怎樣收聽通知消息，并怎么處理，也就是遲入，也是后續(xù)可以深入研究的問題。

參與集群的用戶在通知信道中收聽組播通知消息。每個集群用戶均有一個共同的多播地址，GBM-SC發(fā)送通知消息，通知消息就以該公共多播地址為目的地址，每一個集群用戶均可收到，這樣可以減少以廣播地址發(fā)送通知消息造成的信息洪泛。

4.2 組播業(yè)務(wù)信道競爭和共享

當(dāng)任何集群組播參與方從組播通知信道獲取組播業(yè)務(wù)信道的頻率和時間參數(shù)以后，進入組播業(yè)務(wù)信道。組播業(yè)務(wù)信道是一個共享信道，所有參與方通過下行信道收聽廣播型業(yè)務(wù)信息。任何參與方可競爭上行信道，向全組發(fā)送業(yè)務(wù)信息。這里涉及到信道競爭協(xié)議和方法、信道占用方的衛(wèi)星時基調(diào)整、分組業(yè)務(wù)傳送協(xié)議、信道資源的動態(tài)調(diào)整、信道釋放等技術(shù)內(nèi)容。

如組呼業(yè)務(wù)傳送期間，需要考慮如何進行組呼發(fā)送方的轉(zhuǎn)換：當(dāng)組呼講話方釋放組呼上行信道時，講話方用戶在上行信道上發(fā)送“UPLINK RELEASE”消息，表明講話完畢。網(wǎng)絡(luò)收到講話方上行信道的“UPLINK RELEASE”消息以后，在組呼信道的下行信道上向所有組呼移動臺發(fā)送“UPLINK FREE”消息，表明上行信道空閑，允許新的講話方使用上行信道。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)成功收到一個“UPLINK ACCESS”消息以后，在組呼信道的下行信道上發(fā)送“UPLINK GRANT”或“UPLINK BUSY”消息，用于告知競爭成功用戶可以使用上行信道，其它用戶不再進行競爭，直到再次收到“UPLINK FREE”消息為止。

還有一些問題有待于進一步研究，比如組呼號碼和標(biāo)識如何定義；組呼與單呼或與公共交換電話網(wǎng)PSTN(Public Switched Telephone Network)的互聯(lián)互通；無線鏈路控制RLC(Radio Link Control)層一對多的關(guān)系等。

5 結(jié)束語

隨著移動通信網(wǎng)的迅速發(fā)展，人們的需求越來越高，而現(xiàn)存的集群通信系統(tǒng)因其技術(shù)體制上的限制，已不能滿足人們的需求。為實現(xiàn)多媒體集群和全方位通信，必須尋求新的解決辦法。本文基于MBMS技術(shù)，提出衛(wèi)星集群IP多播組呼業(yè)務(wù)實現(xiàn)方案，后期可以繼續(xù)深入研究如無線資源的分配、邏輯信道和物理信道的映射等問題。該方案相比現(xiàn)有的LTE集群和TD-SCDMA集群具有更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。希望本文的研究可以為未來實現(xiàn)衛(wèi)星分組域集群研究打下理論基礎(chǔ)。

[1] 鄭祖輝,陸錦華,鄭嵐.數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)[M].第二版.北京：電子工業(yè)出版社,2005. ZHENG Zu-hui, LU Jin-hua, ZHENG Lan. Digital Trunking Mobile Communication System[M]. Second Edition, Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2005.

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LI Guo-yan, ZHANG He-qing. Application of Cooperative Communication Technology in Satellite Mobile Communication [J].Communications Technology, 2015, 48(01):56-60.

[3] 張更新，謝智東，譚哲.衛(wèi)星通信的發(fā)展現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展綜述[J].數(shù)字通信世界，2009(9):24-30. ZHANG Geng-xin, XIE Zhi-dong, TAN Zhe. Development Status of Satellite Communication and Review of Industry Development[J]. Digital Communication Word, 2009(9):24-30.

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[6] 夏良榮.探究微信技術(shù)架構(gòu)及安全漏洞和防范技術(shù)[J].信息安全與技術(shù),2014(9):82-84. XIA Liang-rong. Study on the Technology of Architecture Micro Message and Security Vulnerabilities and Prevention Technology [J].Information Security and Technology.2014(9):82-84.

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Group-Calling Service Protocol of Satellite Trunking IP Multicast

CHENG Ke-ke1, XU Zi-ping2

(1.Postgraduate Team 3 CCE, PLAUST, Nanjing Jiangsu 210007,China;2.College of Communication Engineering, PLAUST, Nanjing Jiangsu 210007,China)

Due to the limited coverage of existing trunking communication, and for achieving full trunking communication, a method to combine satellite communication and trunking communication is proposed. With TETRA as an example, the implementation of trunking system both at home and abroad is analyzed, and aiming at circuit-domain trunking, packet domain multimedia trunking also presented. Moreover, for being more conducive to project implementation, this paper proposes group-calling service protocol of satellite trunking IP multicast based on MBMS technique, and discusses the key problems and solutions during implementation. This scheme would provide a new orientation for the development of satellite mobile communication trunking service.

satellite trunking; packet domain; MBMS; IP multicast

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.016

2015-02-03；

2015-04-08 Received date:2015-02-03；Revised date：2015-01-08

TN91

A

1002-0802(2015)05-0589-05

程珂珂(1991—)，女，碩士，主要研究方向為寬帶交換、衛(wèi)星集群通信；

徐子平(1959—)，男，碩士，教授，主要研究方向為寬帶交換。