衛星移動通信系統無線接入網模擬實現

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，四川 成都 611731)

衛星移動通信系統無線接入網模擬實現

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，四川 成都 611731)

根據我國衛星移動通信系統的發展趨勢，借鑒地面移動網絡管理與運維技術思路，開展衛星移動通信系統網絡管理與運維技術的研究很有必要。信關站無線接入網模擬技術實現衛星移動通信系統模擬信關站無線接入部分的協議處理功能，包括業務和信令。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。實現的協議棧模擬軟件參考GMR-1 3G系統框架展開研制，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設備交互，是衛星移動通信驗證測試系統的重要組成部分。

衛星移動通信；信關站；無線接入；模擬技術

0 引言

具有自主知識產權的衛星移動通信系統相關技術的研究和設備的研制在我國是首次開展，整個系統以地面先進移動通信系統為參考展開設計，具有基礎差、新技術多及研發難度大等特點[1]。信關站無線接入網模擬設備是模擬無線空中接口的核心節點，主要實現衛星移動通信模擬信關站無線接入網部分的協議處理功能，并提供與模擬業務源的數據接口，同時提供信令和業務的后端交互接口，配合衛星移動通信系統驗證平臺實現關鍵技術的演示和驗證。

1 衛星移動通信系統

作為一種國家關鍵的基礎通信設施，以及全球移動通信的有機組成部分，衛星移動通信系統在國家安全、緊急救援、互聯網、遠程教學、衛星電視廣播及個人移動通信等方面得到了非常廣泛的應用[2]。新一代衛星移動通信系統可以提供個人電信業務、多信道廣播和互聯網的遠程傳送，是全球無縫個人通信、互聯網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展，衛星移動通信系統也向著3G架構邁進[3]。

衛星移動通信系統網絡結構[4-6]如圖1所示，類似于傳統的UMTS架構，也劃分為2部分，即無線接入網絡(RAN)和核心網絡(CN)。不過，無線接入網絡在這里被命名為GEO衛星無線接入網絡(即GSRAN)，引入了在GEO軌道的空間段衛星[7]。GSRAN包含衛星轉發器、信關站節點和信關站網絡控制器，GSRAN整體上起著地面蜂窩移動通信系統中UTRAN的作用。核心網絡(CN)同樣劃分為電路域和分組域，主要包含傳統的功能實體，如歸屬位置寄存器、訪問位置寄存器、移動交換中心服務器、GPRS業務支持節點、GPRS網管支持節點等[8]。

圖1 衛星移動通信系統構成

2 模擬無線接入網分析

根據整個系統標準以及模擬系統整體要求，信關站無線接入網模擬設備與系統其他網元模擬終端、模擬核心網之間的關系如圖2所示。

模擬無線接入網的功能是實現衛星移動通信系統無線接入部分[9]的協議處理功能，在模擬核心網、模擬終端及模擬業務源之間傳輸業務、信令和測試驗證數據，配合實現衛星移動通信系統關鍵技術的演示和驗證。以接入網空中接口協議棧鏈路層以上與傳輸相關的協議為主要模擬對象，采用通用軟件平臺實現相關處理。具體包括：

① 衛星移動通信空中接口協議棧的軟件設計技術；

② 終端接入和數據傳輸流程的模擬技術；

③ 網絡無線資源管理、調度流程的軟件模擬技術。

圖2 模擬系統網絡架構

3 模擬無線接入網設計

按照模擬系統的協議及流程設計，模擬無線接入網主要由模擬層一層二處理模塊、模擬無線資源管理調度模塊、信令處理模塊、業務處理模塊和IP對外接口模塊等構成，如圖3所示。

圖3 模擬無線接入網組成圖

3.1 模擬層一層二處理模塊

由于該模擬無線接入網中沒有模擬物理層過程，換而代之的是采用IP協議傳輸，因此該模塊主要完成原系統中層1和層2的相關功能，主要包括數據的物理傳輸、數據的分段與重組、數據錯誤重傳等，除此之外還要實現與RRC層以及用戶應用層之間的數據交互接口。

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議實體的配置。主要完成的功能有：接入層控制、系統信息廣播、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層通過業務接入點向高層提供業務。在終端側，高層協議使用RRC提供的服務，在基站控制器側無線接入網絡應用部分使用RRC提供的服務。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、管理調度、無線資源管理、業務控制單元構成。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度分配；業務控制單元負責控制業務處理；管理調度單元協調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度算法和連接控制狀態機等應用的高速運算處理要求，支持多任務并發操作；采用嵌入式操作系統在中斷處理機制、任務調度搶占及內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。模擬終端發起信令建立流程，接入模擬信關站無線接入網，而后通過IP網絡到達核心網模擬設備，核心網模擬設備對信令進行處理并做出響應。

圖4 信令流程

3.4 模擬業務處理模塊

模擬業務處理模塊主要完成模擬話音、模擬短消息的處理。業務數據是指本系統內模擬終端或業務仿真平臺之間的數據交互，其數據流程如圖5所示。

圖5 業務流程

4 模擬實現及結果分析

根據整個系統要求，搭建模擬信關站無線接入網與其他模擬設備的驗證環境，并定義接口如圖6所示。

圖6 模擬系統示意圖

A接口：模擬終端與模擬信關站無線接入網之間的接口，用來與模擬終端進行信令和業務數據的交互。

B接口：該接口用于把模擬信關站無線接入網本身的狀態以及模擬終端的狀態上報到監控平臺。

C接口：該接口用于把RRC層解析出的非接入層信令發送到模擬核心網，同時接收模擬核心網的非接入層信令，并承載在RRC層上，處理Iu接口協議。

D接口：模擬核心網與業務仿真平臺之間的接口，用來向業務仿真平臺發送來自模擬終端的業務數據，包括話音、短消息和分組數據等。

搭建好衛星移動移動通信系統的仿真平臺，主要從以下幾個方面對模擬無線接入網的性能進行驗證：

① 衛星移動空中接口協議棧的模擬

空中接口協議棧模擬層一、二功能；

空中接口協議棧模擬無線資源控制部分；

② 終端接入和數據傳輸流程的模擬

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；

用戶業務、信令傳輸過程模擬，包括話音和短消息業務、信令傳輸信道的請求和分配過程。

③ 網絡無線資源管理、調度流程的模擬

模擬傳輸信道資源池的構造和維護；

模擬實現業務的接納控制以及信道資源的分配、調度功能。

驗證結果顯示模擬信關站無線接入網可以支持10路模擬終端同時在線，支持5對模擬終端話音業務同時并發。模擬終端可以在模擬信關站無線接入網正常接入，模擬業務能收發一致，監控狀態完整，模擬核心網正常應答。信關站無線接入網能夠實時地處理終端的業務和信令，與核心網配合實現業務的接納控制以及信道資源的分配、調度功能。

5 結束語

信關站無線接入網模擬技術系統的設計，依照衛星移動系統通信標準的設計規范，有效模擬了終端通過衛星移動通信網絡接入模擬核心網的信令、業務接續過程，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設備交互，是衛星移動通信系統驗證測試的重要組成部分。相關衛星移動通信協議棧模擬軟件作為移動系統核心技術，國內尚無研制基礎，為我國衛星移動通信系統的工程實現提供了有效的技術參考。

[1] 任軍強，李楊.GEO衛星移動通信系統信道分配策略研究[J].航天器工程，2006,15(1)：18-24.

[2] 吳建軍，程宇新，羅常青，等.我國GEO衛星移動通信系統的地面段建設模式思考和建議[C]∥第五屆衛星通信新業務新技術學術年會論文集，北京：2009：52-59.

[3] 張俊祥.衛星通信發展展望[J].無線電通信技術，2012,38(4)：1-4.

[4] 陳振國，楊鴻文，郭文彬.衛星通信系統與技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2003.

[5] 郅琦.基于DVB-RCS的VSAT寬帶衛星通信技術與應用[J].電子科技，2011,24(10)：132-137.

[6] 王燕.利用寬帶衛星網接入因特網[J].電信快報，2003(1)：36-38.

[7] 吳建軍，程宇新，郭健，等.基于3G兼容技術的GEO衛星移動通信系統網絡架構方案[C]∥中國衛星通信發展研討會.天津：2009：382-389.

[8] 孫宇彤.WCDMA空中接口技術[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[9] 谷聚娟,張亞生.寬帶衛星網絡用戶的移動性研究[J].無線電工程,2016,46(6):9-12.

[10] 3GPP TS25.331V3.4.1:IMT-DS FDD(WCDMA) System Radio Interface Layer 3 Technical Specification:RRC Protocol[S],1999.

[11] 班亞明,李斌成,樂強.衛星通信系統中網管信令傳輸優化及仿真[J].無線電工程，2017，47(7)：5-9.

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.衛星移動通信系統無線接入網模擬實現[J].無線電通信技術,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

國家高技術研究發展計劃(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、衛星移動通信。顧少龍(1988―)，男，工程師，主要研究方向：通信與信息系統、衛星移動通信。