IMS技术在卫星通信网络中的分析和运用

李晴飞，朱博樑，陈 涛

（南京熊猫电子股份有限公司，南京 210002）

IMS技术在卫星通信网络中的分析和运用

李晴飞，朱博樑，陈 涛

（南京熊猫电子股份有限公司，南京 210002）

本文对卫星通信网络模型的建立进行了系统介绍，以卫星地面终端的数据传输为基础，使用IMS技术体制，详细设计出了卫星通信中网络模型建立的实现过程，对今后卫星通信领域中的网络化应用具有相当大的参考价值。

IMS技术；卫星通信网络；业务适配；自适应路由；模块化设计

1 引言

在未来高技术发展中，通信网络将是维系信息化领域的神经中枢。目前，通信体系正在向天空地一体化通信网络过渡，从而构建用于支撑各类电子信息应用系统的信息传输、交换和分发的基础设施。卫星通信网络通过将各类移动用户网接入到地面网，实现移动用户网之间、移动用户网与地面网之间的业务互操作、信息服务共享，保证各种电子信息系统纵向、横向之间的互联互通和高效协同，有效提升遂行多样化通信能力，应对错综复杂的通信需求。

现阶段，卫星通信系统的组织应用模式主要以提供透明传输信道为主，卫星网用户与地面网用户之间以及不同卫星网之间的互联互通难以有效保证。为了满足来自不同网系的信令/媒体在卫星信道上的传输适配、用户注册管理、通信服务策略，以及用户接入控制等方面的具体需求，需要为卫星通信建立网络通信模型。

目前，IMS作为实现网络融合的核心技术，已开始大规模应用于地面网络。相对于软交换架构，IMS采用了更为彻底的承载与控制、控制与业务的分离架构，具备更加完善的标准体系，业务逻辑扩展性更强，具备更强的对网络和用户的管控、接入和互联互通能力。鉴于卫星网具有特殊的技术体制和网络架构，地面网的IMS设备不能直接应用于卫星网络，比如在用户通信申请、媒体格式适配、资源协商流程等方面存在较大差异。本文需要在遵循IMS技术规范的前提下，研制适合卫星网的IMS机制，实现卫星网与地面网之间的无缝融合。

2 IMS技术的综合介绍

IMS（IP Multimedia Subsystem）即IP多媒体子系统，是一种全新的多媒体业务形式，它能够满足现有终端用户更新颖、更多样化的多媒体业务需求。IMS被认为是下一代网络的核心技术，也是解决移动与固网融合，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。

2.1 名词解释

IMS技术是由朗讯提出的下一代通信网实现大融合方案的网络架构，是NGN网络融合以及业务和技术创新的核心标准。IMS技术不仅可以实现VoIP业务，而且可以有效地对网络资源、用户资源及应用资源进行管理，提高网络智能化，为用户实现跨网络、多终端提供融合通信支持。

2.2 本质说明

传统IP技术在数据传输的安全性和计费控制上不尽如人意，而且只考虑固定接入方式。

传统的基于电路交换的移动网络接入灵活，可以随遇电路交换，但是无法支持IP技术，所以只能形成一种垂直的业务展开方式，不同业务应用的互操作性较低，需要较多的业务网关接入移动通信网络。不同的业务分别进行业务接入、网络搭建、业务控制和业务运用开发，甚至包括业务计费等主要网络单元必须建立独立的运营系统。

为将IP技术引入电信领域，需要IMS网络从网元功能、接口协议、QoS和安全、计费等方面全面支持固定网络的接入方式。在NGN的框架中，终端和接入网络是各种各样的，而其核心网络只有一个IMS，它的核心特点是采用SIP协议和与接入的无关性。

2.3 SIP协议

SIP协议具有简单性、兼容性、模块化设计和第三方控制性的特点，被用于端到端的呼叫控制。基于SIP的IMS框架最大限度地重用了Internet技术和协议，继承蜂窝移动通信系统特有的网络技术和充分借鉴软交换网络技术，使其能够提供电信级的QoS保证，对业务进行有效而灵活的计费，并且有了融合各类网络综合业务的强大能力。利用IMS技术，电信运营商可以低成本地进入移动领域，移动运营商也可以在保证原有话音和短信业务质量的前提下，引入丰富的多媒体业务，即全业务运营。

2.4 接入的无关性

I MS借鉴软交换网络技术，采用基于网关的互通方案，包括信令网关（SGW）、媒体网关（MGW）、媒体网关控制器（MGCF）等网元，同时遵守IETF和ITU-T共同制订的协议，支持移动终端、固定电话终端、多媒体终端、PC机等多终端接入，支持蜂窝射频接口、无线WLAN、有线LAN、DLS等多接入方式接入。IMS在业务层采用软交换网络的开放式业务提供框架，完全支持基于运用服务器的第三方业务提供，可以在不改变现有网络结构、不投入任何设备成本的情况下，轻松开发新业务，进行运用升级。

2.5 系统架构

（1）运营支撑。由在线计费系统（OCS）、计费网关（CG）、网元管理系统（EMS）、域名系统（DNS）以及归属用户服务器（HSS/SLF）组成，为IMS网络的正常运行提供支撑，包括IMS用户管理、网间互通、业务触发、在线计费、离线计费、统一网管、DNS查询、用户签约数据存放等功能。

（2）控制层。完成多媒体呼叫会话过程中的信令控制功能，包括用户注册、鉴权、会话控制、路由选择、业务触发、承载面QoS、媒体资源控制以及网络互通等功能。

（3）互通层。完成IMS网络与其他网络的互通功能，包括公共交换电话网（PSTN）、公共陆地移动网（PLMN）、其他IP网络。

（4）接入和承载控制层。主要由路由设备以及策略和计费规则功能实体（PCRF）组成，实现IP承载、接入控制、QoS控制、用量控制、计费控制等功能。

（5）接入网络。提供IP接入承载，可由边界网关（A-SBC）接入多种多样的终端，包括PSTN/ISDN用户，SIP UE，FTTX/LAN，WiMAX，Wi-Fi等。

2.6 功能实体

（1）本地用户服务器HSS，作为用户信息存储的数据库，主要存放用户认证信息、签约用户的特定信息、签约用户的动态信息、网络策略规则和设备标识寄存器信息，用于移动性管理和用户业务数据管理，一个逻辑实体，可以由多个物理实体构成。

（2）呼叫会话控制功能CSCF，是IMS的核心，主要用于基于分组交换的SIP会话控制，根据功能划分为三种：代理呼叫会话控制功能P.CSCF、问询呼叫会话控制功能I.CSCF和服务呼叫会话控制功能S.CSCF。

（3）多媒体资源功能MRF，主要完成多方呼叫与多媒体会议功能，由多媒体资源功能控制器MRFC和多媒体资源功能处理器MRFP构成，分别完成媒体流的控制和承载功能。MRFC解释从S.CSCF收到SIP信令，使用媒体网关控制协议指令来控制MRFP完成相应的媒体流编解码、转换、混合和播放功能。

（4）网关功能，包括出IMS网关控制功能BGCF、媒体网关控制功能MGCF、IMS媒体网关IMS.MGW和信令网关SGW。

3 IMS体制下的卫星通信网络模型

目前，卫星通信中的主要数据类型有两种，即电路域数据和分组域数据。本文主要针对分组域数据建立卫星通信模型。

卫星通信中典型的分组域数据通信模型如图1所示。该模型是一个分布式的网络，包括空间段、用户段和地面段三部分，可为各类移动用户（网）提供综合接入和传送功能，提供面向服务的动态资源调整和QoS协商功能。

地面段按照担负功能的不同分为基站站点和移动站点。卫星分组域数据通信模型以基站站点为网络节点，依托已建的地面网实现互连。系统具备大跨距覆盖能力，全面覆盖整个通信需求空间，能够为各移动用户及移动用户网提供全时域、持续、综合接入支持和多手段互补的通信保障能力，支持信息各要素信息共享以及远程、高效接入地面网。

基站站点适配设备是卫星分组域数据通信模型的主体，是连接移动用户和地面网的交汇点。具体是使移动用户通过卫星信道链接，通过高速网口接入地面网，每个接入基站站点是一个独立的子系统，基站站点之间通过卫星接入控制系统实现站间资源管理和接入业务传输。

移动站点适配设备主要面向各类用户（网），为其提供基础的通信接入和服务平台，保障用户接入并获取各种通信与信息服务。

卫星通信控制设备，主要实现用户注册、建立和维护会话，以及提供媒体转换和信令转换等功能；卫星接入控制系统，主要完成接入资源调度、维护和管理等功能；卫星信道终端，卫星数据通信的载体，主要完成卫星数据接口转换、调制解调等传统功能。天线、功放等常规使用设备不在本文中介绍。

卫星通信中典型的分组域数据通信总体流程如图2所示。卫星分组域数据通信模型通过对SIP呼叫信令的解析，根据业务类型和接入策略确定需要卫星资源的带宽等，从而对归属的基站站点发起卫星信道的建链过程；若本归属站点无法支持所需的接入资源，则通过卫星接入控制系统重新指定新的接入站点，并建立接入信道、新基站站点和归属基站站点之间的路由关系；在传输结束后由移动站点释放接入资源；接入过程对用户透明，无需更变地面网的路由。

图1 卫星分组域数据通信模型

图2 卫星分组域数据通信总体流程

4 卫星分组域数据通信业务流程

本节主要描述卫星用户（网）与固定网用户之间分组域数据通信的典型业务流程，包括用户注册、呼叫、调度等。卫星用户的业务流程与IMS标准业务流程基本一致，其区别在下一节的具体实现过程中体现。

4.1 注册流程

⊙ 移动站用户需要注册时，将注册请求消息发给移动站点的接入适配设备。

⊙ 移动接入适配设备将注册请求消息通过卫星信道发送到用户归属的基站站点，通过基站站点转发到卫星通信控制设备。

图3 注册流程

⊙ 卫星通信控制设备向用户发401要求鉴权，用户携带鉴权信息后再次向卫星通信控制设备发注册请求消息，鉴权成功后卫星通信控制设备为用户注册并返回200 OK响应消息。如图3所示。

4.2 呼叫流程

⊙ 移动站点的SIP用户终端发出SIP-Invite呼叫消息。

⊙ 移动站点的移动接入适配设备分析Invite信令，根据带宽需求和接入策略，向卫星接入控制系统申请卫星资源，为移动接入站点和基站站点建立卫星链路。

⊙ 卫星链路建立成功后，移动接入适配设备开始将延迟发送的Invite信令进行业务层的传输，与被叫的地面网用户和卫星通信控制设备进行媒体协商。

⊙ 地面网用户设备发送200 OK消息，通过卫星信道回传，最终完成会话控制过程，双方开始通话，并在卫星通信控制设备上完成媒体转换。

图4 呼叫流程

⊙ 会话结束时，主叫方挂机，发出bye释放消息给被叫用户，等待被叫用户的200 OK消息，完成会话释放控制。

⊙ 会话释放完成后，移动用户通过移动接入适配设备发送拆链命令，释放卫星资源。如图4所示。

4.3 调度流程

图5 调度流程

基站站点作为接入站点，是移动用户对地面网用户通信的转接中心。由于建设规模、设备数量、功率容量、天线口径等条件限制，容易产生当前基站接入节点卫星信道都被占用的情况，从而使移动用户无法从它归属的基站站点接入（通过注册过程决定了移动终端的归属关系）。为保障移动用户对于接入地面网通信的需求，需要建立转基站接入机制，这个机制的前提必须不影响对移动用户的管理和维护以及地面网路由信息，所以我们考虑使用隧道的方式，提供业务暂时性接入机制。

调度流程的呼叫建立过程与普通呼叫过程类似，对于使用的用户来讲是无感觉的，这里对转基站的过程进行描述：

⊙ 每个移动站点连接的用户发出申请卫星资源申请后，通过卫星管理链路将申请信息发送给卫星接入控制系统。

⊙ 卫星接入控制系统分析该申请的主叫用户和被叫用户信息，确定该移动用户的归属基站接入站点。

⊙ 通过对归属基站站点卫星信道资源的检索，确定卫星信道资源使用情况。如果该站点有空闲可用的卫星信道，就接入；如果没有空闲站点，则上报卫星接入控制系统进行转基站决策。

⊙ 转基站决策模块，根据卫星接入控制系统对整个卫星资源的管理信息和策略信息，进行非归属基站接入站点的选择。

⊙ 非归属基站接入站点确认以后，转基站决策模块进行归属基站接入站点到非归属基站接入站点的隧道建立过程。

⊙ 卫星接入控制系统通知移动用户终端可以进行通信，移动用户终端的业务控制信息和数据信息，从地面网的隧道中路由到归属基站接入站点进行业务通信和信令交互。如图5所示。

5 卫星分组域数据通信具体实现

本节主要描述卫星用户（网）与地面网用户之间分组域数据通信的具体实现过程，包括用户业务建立和释放的具体实现过程。卫星用户的业务实现过程与IMS标准业务实现过程的主要区别，在于适配设备需要根据业务需求为卫星用户申请、维护和释放卫星资源。

5.1 移动用户业务建立实现

⊙ SIP终端发起呼叫，目的地址为SIP接入板. ⊙ SIP接入板分析SIP信令，协议转换后向控制板发出通信需求，同时回复SIP终端，让其等待卫星链路建立通知.

⊙ 控制板分析信令，协议转换后给信道接口板发送卫星链路建立申请信令，并进行计数器计数，维护会话过程。

⊙ 信道接口板分析信令，协议转换向卫星信道终端发送业务申请，并根据申请结果中的反馈信息获取路由信息、链路信息，反馈给控制板。

⊙ 卫星接入控制系统，根据业务申请信息、移动用户注册信息、基站站点使用信息等因素，决定卫星资源的使用或者调度。

⊙ 控制板通过判别链路信息获取卫星链路建立情况，进行路由信息配置，为SIP业务信令和信令的传输构建通道。

⊙ SIP接入板通过控制板对申请信息的反馈进行后续处理，失败则触发SIP终端的业务呼叫初始化和上报失败原因，成功则开始进行SIP控制信令交互。

⊙ SIP业务数据通信过程与上文业务流程相同，不再展开。如图6所示。

5.2 移动用户业务释放实现

⊙ SIP终端通信完毕以后，主叫的终端挂机，信令的目标地址是SIP接入板。

⊙ SIP接入板解析分析SIP信令，将该信令借助卫星通道转发到卫星通信控制设备，并等待被叫SIP终端的信令回复定时器和重发定时器超时。

⊙ 卫星通信控制设备与被叫SIP终端进行信令交互，实现被叫终端结束会话的过程，并将业务结束信息上报控制板，同时反馈到主叫SIP终端所在的SIP接入板，由SIP接入板上报本端的控制板，同时触发被叫SIP终端的通信结束过程。

⊙ 主叫SIP终端侧的控制板确认通信会话结束后，向信道接口板发起资源释放请求，通过卫星接入控制系统的管控信道，完成卫星信道两端的资源释放，同时触发主叫SIP终端的通信结束过程。

⊙ 控制板得到信道释放信息后，将两侧的卫星链路路由信息删除，并将该会话维护记录删除。

图6 移动用户业务建立实现

图7 移动用户业务释放实现

在完成上述研究后，笔者还进行了下列研究：同一基站站点的移动用户通信；不同基站站点之间的移动用户通信；强占业务通信；强插业务通信。这些研究都取得了成功，对今后分组域业务在卫星通信领域中的应用具有相当大的参考价值。

（1）卫星网内路由技术。与地面网络不同，卫星链路的建立具有阶段性，因此，在卫星段需要自适应路由技术，能够根据用户通信需求自动建立路由。自适应路由技术提供常态化的全可控路由建立机制，避免用户对路由的复杂配置，同时对地面网和移动站的用户完全透明。

（2）卫星网IMS信令及媒体转换技术。卫星网IMS信令及媒体转换技术，主要负责完成地面网与卫星通信分组数据网之间的IMS信令转换，媒体格式转换等。卫星通信分组数据网采用集成IMS子系统中部分组件的IMS-SAT架构，实现卫星通信分组数据网到地面网的融合。

6 结束语

本文综合介绍了IMS体制下的卫星通信网络模型的基本工作原理、实现卫星分组域数据通信的设备组成、业务流程和信道适配过程。结合卫星通信中分组域传输模型，详细阐述了IMS技术在卫星通信中的实现。随着卫星通信网与地面有线IP网络的逐渐融合，地面有线IP网络中的分组域业务在卫星通信领域中的应用得越来越广泛，卫星通信IMS技术必然有着广阔的发展前景和很强的实用性。

[1] 柯赓编．接入网技术与应用．西安：西安电子科技大学出版社，2009

[2] 罗迪（Dennis Roddy）．卫星通信．北京：机械工业出版社，2011

[3] Miikka Poikselka，Georg Mayer．IMS:IP多媒体子系统概念与服务．北京：机械工业出版社，2011

[4] Tanenbaum等．COMPUTER NETWORKS（第五版）．北京：机械工业出版社，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

李晴飞，硕士，南京熊猫电子股份有限公司工程师。

朱博樑，武警江苏省总队司令部助理工程师。

陈 涛，本科，南京熊猫电子股份有限公司工程师。