第四代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

劉榮和

（中國交通通信信息中心，北京　100011）

第四代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

劉榮和

（中國交通通信信息中心，北京100011）

本文介紹了第四代海事衛(wèi)星關(guān)口站的系統(tǒng)構(gòu)成和各部分的基本功能，以及3G技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的采用情況，希望為相關(guān)領(lǐng)域的研究及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

海事衛(wèi)星通信；組成結(jié)構(gòu)；寬帶

1　引言

衛(wèi)星通信發(fā)展方興未艾，從上世紀(jì)80年代至今，海事衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展迅猛，并一直走在衛(wèi)星通信技術(shù)前列。當(dāng)今，數(shù)據(jù)通信的需求呈爆發(fā)勢(shì)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的海事電話、電傳、傳真、低速數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)已經(jīng)不能滿足各相關(guān)領(lǐng)域的通信需求，逐步將會(huì)退出歷時(shí)舞臺(tái)。IP電話、多媒體通信、寬帶數(shù)據(jù)通信，已經(jīng)成為衛(wèi)星通信發(fā)展的必然方向，并將逐步成為海洋運(yùn)輸、石油開采、野外科考、直播報(bào)道等領(lǐng)域的重要通信方式。

隨著計(jì)算機(jī)、集成電路、無線通信技術(shù)的發(fā)展，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)也從第一、二代的模擬衛(wèi)星通信系統(tǒng)邁向第三代數(shù)字衛(wèi)星通信時(shí)代。在2005年至2007年間，國際海事組織推出了第四代海事數(shù)字衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)自成體系，其全球網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架是全新的且獨(dú)立于第三代系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，它將衛(wèi)星通信系統(tǒng)與UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）系統(tǒng)進(jìn)行了融合，構(gòu)建了衛(wèi)星通信領(lǐng)域的3G體系架構(gòu)，使海事衛(wèi)星通信從窄通信邁向了寬帶通信。衛(wèi)星地面站也從LES（Land Earth Station）第三代地球站升級(jí)為SAS（Satellite Access Station）第四代衛(wèi)星接入地面站，數(shù)量也由30余座減少到4座，SAS站的核心技術(shù)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也完全不同與LES，它更接近于UMTS結(jié)構(gòu)，技術(shù)更加先進(jìn)、系統(tǒng)更加穩(wěn)定、擴(kuò)容與升級(jí)空間更大。

2　海事衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

第四代海事衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)由用戶終端、空間衛(wèi)星、SAS站和陸地網(wǎng)絡(luò)組成。空間段是由三顆歐洲EADS（European Aeronautic Defense and Space）公司制造的衛(wèi)星組成，它們位于地球同步軌道，分別是位于東經(jīng)143度覆蓋亞洲和西太平洋區(qū)域的亞太衛(wèi)星，位于東經(jīng)25度覆蓋歐洲、中東和非洲區(qū)域的歐非衛(wèi)星，位于西經(jīng)98度覆蓋美洲、大西洋和東太平洋區(qū)域的美洲衛(wèi)星。三顆衛(wèi)星基本覆蓋了全球南、北緯78度之間的區(qū)域，如圖1所示。

圖1　第四代海事衛(wèi)星覆蓋圖

海事寬帶衛(wèi)星終端用戶通過第四代海事衛(wèi)星接續(xù)到SAS站，經(jīng)注冊(cè)認(rèn)證后與陸地側(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行寬帶業(yè)務(wù)通信。目前，全球正在提供海事寬帶業(yè)務(wù)服務(wù)的地面關(guān)口站共有4座，其中位于荷蘭的布魯姆關(guān)口站負(fù)責(zé)歐非星的業(yè)務(wù)接續(xù)，位于美國夏威夷的帕瑪魯關(guān)口站負(fù)責(zé)亞太星和美洲星的業(yè)務(wù)接續(xù)，位于意大利的佛希羅關(guān)口站是第四代海事衛(wèi)星業(yè)務(wù)實(shí)驗(yàn)站和布魯姆關(guān)口站的備份站。位于中國北京的SAS站是全球第四個(gè)海事四代衛(wèi)星關(guān)口站，它與亞太星對(duì)接，負(fù)責(zé)該星覆蓋范圍內(nèi)中國地區(qū)海事寬帶業(yè)務(wù)的接續(xù)工作。

陸地側(cè)接續(xù)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)全球通信的關(guān)鍵，其核心骨干網(wǎng)的作用是將各個(gè)衛(wèi)星關(guān)口站互相連接形成一個(gè)巨大的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2　第四代海事衛(wèi)星陸地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

該網(wǎng)絡(luò)通過位于荷蘭阿姆斯特丹、美國紐約、中國香港三個(gè)匯接中心將路由延伸到歐非、美洲和亞太，三個(gè)網(wǎng)絡(luò)匯接中心以及三個(gè)關(guān)口站之間采用155兆物理光纖骨干網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)，提供海事衛(wèi)星寬帶終端的電路域和分組域的業(yè)務(wù)。

3　SAS站的結(jié)構(gòu)與組成

SAS站是第四代海事衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的核心部分，它的構(gòu)成與UMTS系統(tǒng)架構(gòu)近似，主要由無線接入網(wǎng)RAN（Radio Access Net）、核心網(wǎng)子系統(tǒng)CN（Core Net）、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)DCN（Date Communication Net）等幾部分組成還包括安全應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)、運(yùn)行支撐子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)支撐子系統(tǒng)等，如圖3所示。

圖3　SAS系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

SAS站是移動(dòng)終端與陸地網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)口，承擔(dān)著移動(dòng)終端信道資源分配、終端管理與認(rèn)證、無線鏈路的建立與釋放、電路交換和包交換的管理、提供陸地側(cè)網(wǎng)絡(luò)的接口等諸多功能，這些功能分別由相關(guān)的子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成，各個(gè)子系統(tǒng)通過DCN共同協(xié)作完成整個(gè)通信過程。

3.1RAN子系統(tǒng)

RAN由多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)RNS（Radio Net Subsystem）構(gòu)成，RNS通過衛(wèi)星連接用戶設(shè)備UE（User Equipment）并通過核心網(wǎng)關(guān)接入核心網(wǎng)CN，RNS主要完成衛(wèi)星無線接入和無線資源管理。它由五個(gè)不同的硬件單元子系統(tǒng)構(gòu)成，分別是RAN主機(jī)（RAN Host）系統(tǒng)、天線射頻系統(tǒng)RFS（Radio frequency Subsystem）、信道單元設(shè)備子系統(tǒng)CUE（Channel Unit Equipment）、核心網(wǎng)關(guān)CNGW（Core Net Gateway）、全球資源管理系統(tǒng)GRM（Global resource management），如圖4所示。

圖4　RAN系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

（1）無線接入網(wǎng)主機(jī)（RAN Host）。RAN主機(jī)在RNS中起著核心作用，協(xié)調(diào)控制RAN各個(gè)子系統(tǒng)工作，承擔(dān)衛(wèi)星側(cè)無線通信接續(xù)工作，包括衛(wèi)星信號(hào)接入處理、信道單元與頻率資源的分配、終端身份認(rèn)證等工作，并提供連接陸地電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)的接口等。它是RAN系統(tǒng)中惟一的貯存裝置，存有系統(tǒng)軟件、通信控制軟件、信道單元硬件驅(qū)動(dòng)程序和用戶配置信息數(shù)據(jù)庫等，主要負(fù)責(zé)軟硬件安裝、配置和監(jiān)控RNS設(shè)備，通過信道單元控制、IP（Internet Protocol）等協(xié)議進(jìn)行RNS網(wǎng)絡(luò)管理、接入層會(huì)話管理、CUE管理、無線資源管理、UE管理、處理主備RNS切換等。

（2）全球資源管理（GRM）。GRM的主要功能是通過載荷控制系統(tǒng)在衛(wèi)星側(cè)建立有效的流量控制，流量控制提供L波段和C波段之間的連接，通過這些流量控制將通信資源如帶寬、頻率等分配至本地資源池中，之后再由本地資源管理將帶寬分配至用戶設(shè)備。本地資源控制系統(tǒng)通過伺服服系統(tǒng)負(fù)載控制、頻段計(jì)劃系統(tǒng)、傳輸控制系統(tǒng)可以自動(dòng)按系統(tǒng)設(shè)定方案調(diào)整和配置各種無線通信資源。當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，如特定地區(qū)的資源不足，可采用預(yù)先設(shè)定好的策略以自動(dòng)或人工方式對(duì)該區(qū)域內(nèi)的載波進(jìn)行調(diào)整、擴(kuò)容等工作。

（3）射頻系統(tǒng)（RFS）。RFS提供了SAS站與衛(wèi)星之間無線通道，射頻系統(tǒng)采用直徑16米的卡塞格倫天線作為信號(hào)的發(fā)送接收設(shè)備，電波采用圓極化方式工作在C，L波段，因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)功率要求較高，故采用行波管高功率放大器。RFS系統(tǒng)主要由上下變頻器、低噪聲放大器、自動(dòng)頻率補(bǔ)償、信標(biāo)接收機(jī)、功率自動(dòng)控制系統(tǒng)、天線跟蹤控制器等設(shè)備組成。信號(hào)處理由射頻接收、射頻發(fā)射兩部分組成，接收鏈路完成接收信號(hào)的解調(diào)、濾波、放大等處理，發(fā)射鏈路完成基帶信號(hào)的調(diào)制、變頻、功率放大等處理。

（4）信道單元設(shè)備（CUE）。CUE是可以容納通信載波的硬件，它是一組信道板的集群，可分為發(fā)送、接收信道單元，每個(gè)信道單元可以處理96路物理接收載波或處理32路物理發(fā)送載波，可根據(jù)實(shí)際并發(fā)的通信量來選擇CUE設(shè)備的數(shù)量。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)信道的編碼和解碼、承載控制、物理幀傳輸、CRC計(jì)算、幀時(shí)鐘、收集狀態(tài)和數(shù)據(jù)記錄、控制射頻的上下變頻器、處理空中接口協(xié)議、信息廣播、加密和解密、控制鏈路適配器、無線資源管理等。

（5）核心網(wǎng)關(guān)（CNGW）。CNGW是RNS和CN之間的關(guān)口，一方面它通過IP網(wǎng)絡(luò)連接RNS中的服務(wù)器和信道單元，另一方面通過IP與CN連接。CNGW在RNS和CN兩者之間起到了重要的橋梁作用，它完成了業(yè)務(wù)的分離與協(xié)議轉(zhuǎn)換，具體就是將來自RNS的電路交換數(shù)據(jù)和包交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)封裝為IP包，在轉(zhuǎn)發(fā)至CN的移動(dòng)服務(wù)交換中心、網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心、媒體網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，反之也如此。

3.2CN子系統(tǒng)

海事寬帶核心網(wǎng)絡(luò)由UMTS網(wǎng)絡(luò)單元組成，與UMTS標(biāo)準(zhǔn)的第四版架構(gòu)基本一致，同樣將控制面與承載面進(jìn)行了分離。按業(yè)務(wù)又分為電路交換CS（Circuit Switch）域和包交換PS（Packet Switch）域，其基本功能是承擔(dān)系統(tǒng)內(nèi)的話音、數(shù)據(jù)處理，以及與外部網(wǎng)絡(luò)的交換和路由分配。CN包含了所有的交換和路由單元，這些單元負(fù)責(zé)與公共交換電話網(wǎng)PSTN（Public Switched Telephone Network）及包交換IP網(wǎng)之間建立連接。CS域網(wǎng)絡(luò)單元負(fù)責(zé)處理電路交換業(yè)務(wù)流如話音等，主要包括了媒體網(wǎng)關(guān)MGW（Media Gateway）、移動(dòng)交換中心服務(wù)器MSC-Server（Mobile Switch Center Server）、移動(dòng)交換中心MSC（Mobile Switch Center）、拜訪位置寄存器VLR（Visitor Location Register）等設(shè)備。PS域網(wǎng)絡(luò)單元負(fù)責(zé)處理包交換業(yè)務(wù)處理如上網(wǎng)、多媒體視頻等，主要包括了SGSN（Serving GPRS Supporting Node）和GGSN（Gateway GPRS Supporting Node）等設(shè)備。其他網(wǎng)絡(luò)單元設(shè)備，如歸屬位置寄存器HLR（Home Location Register）還有鑒權(quán)中心AUC（Authentication Center）等由這兩個(gè)域共享，如圖5所示。

圖5　CN系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

（1）歸屬位置寄存器/鑒權(quán)中心（HLR/ AUC）。HLR是一種用來儲(chǔ)存本地用戶信息的數(shù)據(jù)庫。登記的內(nèi)容分為兩種：一種是永久性的參數(shù)，如用戶號(hào)碼、移動(dòng)設(shè)備號(hào)碼、接入優(yōu)先等級(jí)、預(yù)定的業(yè)務(wù)類型等；另一種是暫時(shí)性需要隨時(shí)更新的參數(shù)，即用戶當(dāng)前所處位置的有關(guān)參數(shù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)、鑒權(quán)參數(shù)等，即使用戶漫游到了HLR所服務(wù)的區(qū)域外，HLR也要登記由該區(qū)傳送來的位置信息。

AUC的作用是可靠地識(shí)別用戶的身份，只允許有權(quán)用戶接入網(wǎng)絡(luò)并獲得服務(wù)。由于要求AUC必須連續(xù)訪問和更新系統(tǒng)用戶記錄，因此AUC一般與HLR處于同一位置。

（2）設(shè)備識(shí)別寄存器（EIR）。EIR是終端參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，用于對(duì)移動(dòng)終端設(shè)備的鑒別和監(jiān)視，并拒絕非法移動(dòng)終端進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。EIR數(shù)據(jù)庫由國際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼表組成。

（3）移動(dòng)服務(wù)交換中心（MSC）與拜訪位置寄存器（VLR）。MSC是海事寬帶CS域的核心部件，負(fù)責(zé)處理電路域控制平面信息，完成呼叫處理和交換控制，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶的尋呼接入、信道分配、呼叫接續(xù)、話務(wù)量控制和計(jì)費(fèi)管理等功能。MSC與其他網(wǎng)絡(luò)部件協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶位置登記、越區(qū)切換、自動(dòng)漫游、用戶鑒權(quán)和服務(wù)類型控制等功能。

VLR是存儲(chǔ)用戶位置信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)用戶漫游進(jìn)入某個(gè)MSC管轄區(qū)域時(shí)，必須在MSC相關(guān)的VLR中進(jìn)行登記，并由VLR分配給該移動(dòng)用戶一個(gè)漫游號(hào)碼。

（4）網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心（GMSC）。GMSC是寬帶移動(dòng)網(wǎng)CS域與外部網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，主要功能是充當(dāng)海事寬帶網(wǎng)絡(luò)和陸地網(wǎng)之間的移動(dòng)關(guān)口局，完成固定用戶呼叫移動(dòng)用戶時(shí)的路由分析、網(wǎng)間接續(xù)、網(wǎng)間結(jié)算等重要功能。

（5）媒體網(wǎng)關(guān)服務(wù)器（MGW）。MGW是UMTS R4版本中新增的網(wǎng)絡(luò)單元，用于CS業(yè)務(wù)。它包括無線網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)和中繼接入網(wǎng)關(guān)，主要完成各種業(yè)務(wù)流的接入、傳輸和轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)了CS域控制平面和業(yè)務(wù)平面的分離。

（6）GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）。SGSN作為核心網(wǎng)分組域設(shè)備的重要組成部分，主要完成分組數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、邏輯鏈路管理、鑒權(quán)和加密、話單產(chǎn)生和輸出計(jì)費(fèi)等功能。

（7）GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）。GGSN是GPRS網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)的分界線，對(duì)外是一臺(tái)因特網(wǎng)路由器。GGSN通過基于IP協(xié)議的GPRS骨干網(wǎng)與其他GGSN和SGSN相連。GGSN主要起到協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用，可以把海事寬帶網(wǎng)絡(luò)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化成適當(dāng)?shù)姆纸M數(shù)據(jù)協(xié)議PDP（Packet Data Protocol）格式并將其發(fā)送給相應(yīng)的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

3.3DCN子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)（DCN）是海事寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專用的綜合數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，其作為一個(gè)業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行提供支撐和保障，DCN系統(tǒng)是由分布在各地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸鏈路、數(shù)據(jù)交換設(shè)備主要是路由器、交換機(jī)和防火墻等所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，其功能是在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。DCN可分為多個(gè)工作區(qū)，按照不同的功能劃分為多個(gè)硬件區(qū)域，它們分別是核心層區(qū)、管理層區(qū)、用戶層區(qū)，除此之外還包括多吉比特傳輸隔離區(qū)MGT-DMZ（Multi-Gigabit Transceiver-Demilitarized Zone）、客戶端隔離區(qū)Client-DMZ-Gn/Gi接口以及其他接入?yún)^(qū)，如圖6所示。

（1）核心層區(qū)BTDCN（Backbone Traffic DCN）的路由器是整個(gè)DCN的對(duì)外出口，通過該路由器經(jīng)香港匯接中心連入Inmarsat骨干網(wǎng)，同時(shí)還提供到各個(gè)國家的區(qū)域認(rèn)證系統(tǒng)的接口以及Internet出口。核心交換機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)交互。

（2）信令層區(qū)MTDCN（Management Traffic DCN）由多個(gè)防火墻和交換機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)各系統(tǒng)間的信令和消息的交換與傳輸，網(wǎng)管系統(tǒng)、域名服務(wù)器、認(rèn)證服務(wù)器等都連接到該區(qū)域，電路交換設(shè)備MGW，MSC，包交換的SGSN，GGSN，RAN系統(tǒng)的控制部分也連到該區(qū)域。

（3）用戶層區(qū)UTDCN（User Traffic DCN）也是由多個(gè)防火墻和交換機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)各系統(tǒng)間用戶數(shù)據(jù)的交換與傳輸，包交換設(shè)備GGSN、SGSN也連接到該區(qū)域，RAN的用戶數(shù)據(jù)信息也連接到該區(qū)域。

DCN提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，使國際海事衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)控制中心和本地網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)都能管理DCN設(shè)備，確保在不影響業(yè)務(wù)流的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平滑升級(jí)，在本地的CS，PS的網(wǎng)絡(luò)單元間及全球的SAS站間保證可靠的IP路由連接，確保業(yè)務(wù)流能傳送到全球的其他SAS站。

圖6　DCN系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)束語

第四代海事衛(wèi)星接入地面站的系統(tǒng)組成架構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，通信的信令、業(yè)務(wù)、控制各層面獨(dú)立增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。其核心網(wǎng)CN絡(luò)結(jié)構(gòu)大部分采用了UMTS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，功能基本一致。RAN部分因?yàn)樯婕暗胶Ｊ滦l(wèi)星專用空間接口，所以這部分的功能結(jié)構(gòu)采用的是海事系統(tǒng)特有的通信接口、協(xié)議、設(shè)備。DCN系統(tǒng)則是按系統(tǒng)的要求和特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，遍布整個(gè)通信系統(tǒng)，是整個(gè)通信系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。SAS接入系統(tǒng)成功構(gòu)建了衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)架構(gòu)，有效地滿足了寬帶通信的需求，更為今后海事通信的發(fā)展及第5代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

［1］廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院.WCDMA規(guī)劃設(shè)計(jì)手冊(cè)-2版.北京：人民郵電出版社，2010.8

［2］酷哥爾.無線通信應(yīng)知應(yīng)會(huì)-新手入門老手溫故.北京：人民郵電出版社，2010.11

Satellite Access Station Function and Structure

Liu Ronghe
（China Transport Telecommunications & Information Center， Beijing， 100011）

This paper introduces the basic functions of the fourth generation maritime satellite gateway system structure and parts， as well as 3G by using the technology in the field of satellite communication， hope to provide reference and reference to planning and Design Research of related areas and communication network system.

Maritime Satellite Communication； Composition and structure； Broadband

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.10.001

TN927+.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）10-0001-05

劉榮和，男，1977年生，北京人，工程師，本科，從事海事衛(wèi)星通信工作。