衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)無線接入網(wǎng)模擬實現(xiàn)

祝嬋嬋，劉晨宇，顧少龍，駱 盼

(1.中國電子科技集團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)星移動通信系統(tǒng)無線接入網(wǎng)模擬實現(xiàn)

祝嬋嬋1，劉晨宇2，顧少龍1，駱 盼1

(1.中國電子科技集團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)我國衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，借鑒地面移動網(wǎng)絡(luò)管理與運維技術(shù)思路，開展衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理與運維技術(shù)的研究很有必要。信關(guān)站無線接入網(wǎng)模擬技術(shù)實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)模擬信關(guān)站無線接入部分的協(xié)議處理功能，包括業(yè)務(wù)和信令。無線接入部分主要包括模擬物理層、模擬RLC/MAC層和模擬無線資源控制RRC層，完成終端的接入和無線資源管理過程。實現(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)星移動通信驗證測試系統(tǒng)的重要組成部分。

衛(wèi)星移動通信；信關(guān)站；無線接入；模擬技術(shù)

0 引言

具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究和設(shè)備的研制在我國是首次開展，整個系統(tǒng)以地面先進移動通信系統(tǒng)為參考展開設(shè)計，具有基礎(chǔ)差、新技術(shù)多及研發(fā)難度大等特點[1]。信關(guān)站無線接入網(wǎng)模擬設(shè)備是模擬無線空中接口的核心節(jié)點，主要實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信模擬信關(guān)站無線接入網(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，同時提供信令和業(yè)務(wù)的后端交互接口，配合衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)驗證平臺實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的演示和驗證。

1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

作為一種國家關(guān)鍵的基礎(chǔ)通信設(shè)施，以及全球移動通信的有機組成部分，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)在國家安全、緊急救援、互聯(lián)網(wǎng)、遠程教學(xué)、衛(wèi)星電視廣播及個人移動通信等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用[2]。新一代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可以提供個人電信業(yè)務(wù)、多信道廣播和互聯(lián)網(wǎng)的遠程傳送，是全球無縫個人通信、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通信的飛速發(fā)展，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)也向著3G架構(gòu)邁進[3]。

衛(wèi)星移動通信系統(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，即無線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)和核心網(wǎng)絡(luò)(CN)。不過，無線接入網(wǎng)絡(luò)在這里被命名為GEO衛(wèi)星無線接入網(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)點和信關(guān)站網(wǎng)絡(luò)控制器，GSRAN整體上起著地面蜂窩移動通信系統(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)的功能實體，如歸屬位置寄存器、訪問位置寄存器、移動交換中心服務(wù)器、GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點、GPRS網(wǎng)管支持節(jié)點等[8]。

圖1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)構(gòu)成

2 模擬無線接入網(wǎng)分析

根據(jù)整個系統(tǒng)標準以及模擬系統(tǒng)整體要求，信關(guān)站無線接入網(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。

模擬無線接入網(wǎng)的功能是實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)無線接入部分[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)、信令和測試驗證數(shù)據(jù)，配合實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的演示和驗證。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)議為主要模擬對象，采用通用軟件平臺實現(xiàn)相關(guān)處理。具體包括：

① 衛(wèi)星移動通信空中接口協(xié)議棧的軟件設(shè)計技術(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 模擬無線接入網(wǎng)設(shè)計

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

圖3 模擬無線接入網(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)錯誤重傳等，除此之外還要實現(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 模擬無線資源控制模塊

無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線資源控制層消息，控制接口管理和對低層協(xié)議實體的配置。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、無線承載管理、RRC移動性管理、無線資源管理、尋呼和通知、高層信息路由功能、加密和完整性保護、功率控制、測量控制和報告等[10]。

RRC層通過業(yè)務(wù)接入點向高層提供業(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(移動性管理、呼叫控制、會話管理等)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。信令控制軟件運行在主控硬件平臺上，由連接控制、管理調(diào)度、無線資源管理、業(yè)務(wù)控制單元構(gòu)成。連接控制單元負責完成連接控制和移動性管理等功能；無線資源管理單元負責無線資源的調(diào)度分配；業(yè)務(wù)控制單元負責控制業(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，以滿足無線資源管理調(diào)度算法和連接控制狀態(tài)機等應(yīng)用的高速運算處理要求，支持多任務(wù)并發(fā)操作；采用嵌入式操作系統(tǒng)在中斷處理機制、任務(wù)調(diào)度搶占及內(nèi)存管理等方面滿足實時性的要求。

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)站無線接入網(wǎng)，而后通過IP網(wǎng)絡(luò)到達核心網(wǎng)模擬設(shè)備，核心網(wǎng)模擬設(shè)備對信令進行處理并做出響應(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 模擬實現(xiàn)及結(jié)果分析

根據(jù)整個系統(tǒng)要求，搭建模擬信關(guān)站無線接入網(wǎng)與其他模擬設(shè)備的驗證環(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)站無線接入網(wǎng)之間的接口，用來與模擬終端進行信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互。

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

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)仿真平臺之間的接口，用來向業(yè)務(wù)仿真平臺發(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)星移動移動通信系統(tǒng)的仿真平臺，主要從以下幾個方面對模擬無線接入網(wǎng)的性能進行驗證：

① 衛(wèi)星移動空中接口協(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)、信令傳輸信道的請求和分配過程。

③ 網(wǎng)絡(luò)無線資源管理、調(diào)度流程的模擬

模擬傳輸信道資源池的構(gòu)造和維護；

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

驗證結(jié)果顯示模擬信關(guān)站無線接入網(wǎng)可以支持10路模擬終端同時在線，支持5對模擬終端話音業(yè)務(wù)同時并發(fā)。模擬終端可以在模擬信關(guān)站無線接入網(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)站無線接入網(wǎng)能夠?qū)崟r地處理終端的業(yè)務(wù)和信令，與核心網(wǎng)配合實現(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

信關(guān)站無線接入網(wǎng)模擬技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計，依照衛(wèi)星移動系統(tǒng)通信標準的設(shè)計規(guī)范，有效模擬了終端通過衛(wèi)星移動通信網(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)星移動通信系統(tǒng)驗證測試的重要組成部分。相關(guān)衛(wèi)星移動通信協(xié)議棧模擬軟件作為移動系統(tǒng)核心技術(shù)，國內(nèi)尚無研制基礎(chǔ)，為我國衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的工程實現(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)星移動通信系統(tǒng)無線接入網(wǎng)模擬實現(xiàn)[J].無線電通信技術(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

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(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)星移動通信。