WIDESTAR II卫星移动通信方案研究

李佳立，余玉材，邹光南，王 燕

（北京卫星信息工程研究所 北京 100086）

自1996年开启语音服务的十多年以来，NTT DOCOMO移动卫星通信服务WIDESTRA系统基于二代移动通信系统PDC为日本本土及其周边海域提供服务。与此同时，蜂窝电话系统正在经历多样化服务、信息及业务量激增的历史性变革，而所有IP核心网络也即将面临更高通信速率的挑战。因此，WIDESTAR II系统的研究目的在于以较高的传输速度提供传统的服务而实现较高的通信利用率，并通过采用IP等通用技术来简化开发以及运行过程[1]。

1 WIDESTAR II系统简介

WIDESTAR II系统组成图如图1所示，相对于传统的WIDESTAR系统，其设计的关键点在于[2-4]：

1）S-AP（卫星接入节点）合并无线处理功能

WIDESTAR II将传统系统中的无线控制器、调制器、解调器合并为卫星接入节点（S-AP）。通过合并上述组件，无线控制与调制/解调器之间的接口交互操作转变为设备内部处理过程，因此减低了无线资源分配、通信状态分配、监控设备等操作负载。

2）采用TDM和Turbo编码提高信道利用率，以获得高速传输

在WIDESTARII系统中通过采用TDM和Turbo编码/译码方式扩展了无线信道频带的利用率，从而提高数据通信的传输速率。同时，下行BE通信信道使用TDM方式允许多用户灵活占用信道资源。

3）IP通信控制的融合与简化

设计了基于IMS及其他通用IP技术的基站以及移动终端。其无线处理单元开发基于现有WIDESTAR系统，上层处理单元的开发基于GPRS 3G蜂窝数据包交换协议。可在现有设备中添加WIDESTAR II的特性功能作为核心节点，从而提高3G蜂窝系统的操作性能并压缩软件开发成本。

4）降低通信控制时延

由于与地面通信系统的互联会使往返控制信令交互增多，从而使高速信道过度占用而导致效率的下降。WIDESTAR II系统通过采用简化控制信令流程、使用消息池以及自适应等方式来降时延，从而提高信道占用率。

由上可知，为了实现更好的传输速率与灵活的IP兼容技术，WIDESTAR II系统做了诸多改进。在本文的后续内容中，将针对WIDESTAR系统的通信机制进行研究，分析、举例验证了其在语音、数据通信过程中所采用的信道利用率提高以及控制时延降低策略。

2 系统通信方案研究

2.1 无线通信机制

图1 WIDESTAR II系统组成图Fig.1 WIDESTAR II system configuration

WIDESTAR II的调制解调以及接入方式继承了传统系统，调制解调采用QPSK调制解调方式，上行链路采用FDMA接入方式，下行链路采用FDM以及TDM接入方式。WIDESTAR II与WIDESTAR的无线性能指标比较如表1所示。

下图为WIDESTAR II系统中所使用的无线信道，由图可知新系统新增用于数据传输的物理信道有两种类型，分别为固定速率（64－k）的保障类型物理用户信道（PUPCH－GR）和尽力而为的物理用户信道（PUPCH－BE）。广播信息信道属于控制信道。

由于BE信道在移动终端之间是共享的，且不能预留信道，因此WIDESTAR II系统针对此新增无线信道设计了信道分配及调度策略。

1）BE信道分配方法

在FPUPCH－BE信道中，仅当呼叫传递数据时，才会给每次呼叫分配一条信道（在呼叫最初连接时，S－AP将分配一条具有此次呼叫所需最小带宽的信道，以便协调更多用户）。在本系统中，移动终端的发送是可变速率的，由S－AP根据每个终端站的需求以及载噪比（CNR）进行分配，大小取决于前一条信道的使用率。以下给出两个案例。

例一：当分配的带宽为144 kHz，用户发送一个小额数据（比方说发一个ping信息），下一时间被分配的带宽就为64 kHz或更少，因为前一个带宽使用率很低。

图2 无线信道组成图Fig.2 Types of radio channels

例二：当带宽只有37.5 kHz，而用户发送了一个大包数据（比方说FTP），下一次的带宽分配将达到64 kHz或更多，由于上一次的带宽使用率高。

如果S－MSs能够确定带宽需求，使用无线信道可能会是更为有效。然而由于S－MS的执行限制，这种情况不可能实现。因此，在本系统中，根据业务传输的以往特性，来进行BE信道的分配及数据传输速率的速率能够有效的提高信道的利用率。

2）BE信道调度策略

由于BE信道不能预留信道资源，因此WIDESTAR II提供了一种新的服务－－占用带宽服务。当一个使用频带占用服务的用户（以下称为占用频带用户），与一个普通用户使用相同的时隙，且他们均处于空闲状态时，普通用户能够使用分配给占用频带用户使用时隙，以便于提高无线资源的使用率。因此，占用频带用户仅在其通信状态下使用其自身的时隙。当只有普通用户在通信中时，时隙平均分配。且只要增加一个新的带宽占用用户，则时隙重新分配。下面，对此进行了验证。

【模式】当用户 A（频带占用服务），b、c（普通用户）使用相同资源时，确定其瞬时吞吐量。

【假设】一个384 kbps的无线资源由A、b、c同时使用。用户A可以在任何时间占用192 kbps的资源。

【实验过程】

用户b通过BE信道接收或者发送一个FTP服务器的文件（大）……区域 1（0～50 s）

用户A和用户b使用相同的资源通过BE通信获得一个文件（大），于此用户 A和b同时在通信……区域 2（50～110 s）

在用户A和b通信过程中，用户c遵照和用户A、b同样的过程。 ……区域 3（110～300 s）

每个用户的即时吞吐量如图3所示。

图3 BECH信道调度策略Fig.3 Scheduling of BECH unit

在区域（1）中，自从用户A不在通信中，用户b占用所有无线资源，吞吐量达到384 kbps。

在区域（2）中，一旦用户A开始通信，用户A的吞吐量增加到192 kbps，达到用户A能够控制的带宽。用户b继续使用无线资源，吞吐量下降到192 kbps。

在区域（3）中，用户 c新加入通信，但用户 A并未受影响，用户b和c均分占有剩余吞吐量。

以上对3个用户进行仿真验证，文献[5]中针对更多用户进行了BE信道的调度策略仿真。由结果可知，WIDESTAR II系统可以在确保占用频带用户对无线资源的需求同时，将其空闲时的资源分享给其他用户，从而提高信道的利用率。

2.2 语音通信机制

WIDESTAR II的语音通信机制如图4所示，其上层处理单元的开发基于GPRS 3G的FOMA[6]数据包交换协议，实现了面向IP的语音通信控制。换言之，核心网以及移动终端的语音呼叫以及其他通信，是通过处理基于PDP上下文的虚拟路径连接信息来管理的。因此，在通信中，不论业务类型为语音通信还是数据通信，以及对多域或多重呼叫通信控制状态的数目限制，都能够使用单一的PDP上下文，从而使过程实现简化。若在数据通信期间到达一个语音呼叫，则会触发服务切换控制过程并重置PDP上下文。

WIDESTAR II系统通过以下3项措施来提高语音数据传输的传输效率：语音呼叫控制通过SIP（session initiation protocol）信令来完成（如图 4（a））；只有相应的语音媒体数据以及SIP信令封装在无线帧结构中；基站通过消息压缩技术执行SIP信令处理过程。

表2 S-SIP和ZIP压缩率Tab.2 Compression rate of S-SIP and ZAP

由图4（b）可知，对于语音媒体数据包的传输通过RTP进行传输，并采用应用于IP技术中的G.729 a编译码器。对于不同卫星移动终端之间的语音通话，只有终端的节点进行CODEC过程，中间的节点不进行编解码。对于其他网络的呼叫，CODEC转换过程由核心网的媒体网关节点来完成（MGN）。在传统方案中，这一转换过程需要在终端进行，而采取这一措施可以减少无线接入设备的负载以及其所需实现的功能，并且还能够提高不同MS之间的呼叫质量。

图4 语音通信过程Fig.4 Overview of voice communication processing

2.3 数据通信机制

数据通信机制如图5（a）所示。因为不存在语音信号处理，所以该机制不涉及SIP到S-SIP的转换以及RTP/RTCP。如果用户在数据通信机制下使用VoIP，SIP和RTP的操作协议如图5（b）所示。这种情况下，并不存在诸如S-SIP之类的传输压缩。

图5 数据包处理过程Fig.5 Overview of data communication processing

2.4 通信控制时延降低策略

使用同步卫星的移动通信系统一般都存在往返500 ms的链路延时。如果在无线通信信道进行多次控制信令交互，则高速信道会存在过度占用及使用效率下降等问题。

为了实现全IP网络，WIDESTAR II系统上层单元采用3GPP协议，因此，如何在符合标准3GPP协议的基础之上，合理设计其通话控制机制，最大降低通信控制时延将是研究的重点所在。以下，本文给出了几种降低时延的方案：

1）维持语音保持状态

在3.2节中可知，语音通信需要通过PDP上下文激活过程（图6）来配置虚拟隧道链接，由下图可知，此过程需要SMS与和核心节点进行两次信令往返交互，因此，若每次语音通信都进行PDP上下文激活过程，则至少产生1 s的时延。

图6 PDP上下文激活过程Fig.6 Overview of PDPcontext activation procedure

因此，在WIDESTAR II系统中，可将S-MS开机以后的PDP上下文将一直维持于处于保持状态。通过这种方式，当语音链路建立时，SIP会话控制将简单地由维持状态转入激活状态，而不是从耗时的PDP生成状态转入激活状态。

2）无线载体的建立

在L3层无线载体建立过程中，当接入核心网节点的无线接入承载建立启动时，基站设备将立即为移动终端分配无线信道。

3）信息池

在L3层结构中，在S-AP与S-MS（卫星移动基站）以及核心网节点与S-MS的传输时使用信息池，从而减少设备间的信令交互降低等待延时。

在L2层中，多路连接信息将被推送至信息池，以提高无线资源的利用率及压缩链路延时。

4）L1层控制信息

现有WIDESTAR数据包通信系统通过简化RPUPCHBE信道分配过程以及在通信期间的速率变化来降低时延，WIDESTAR II在基础之上，发现传输时延通常与往返的控制信息相关，因此可以通过快速进行资源分配控制以及在L1层的控制帧中的相同时隙设置速率将会使时延最小化。

5）自适应

S-MS根据IMSI（国际移动用户标识）进行空闲状态下的信道选择、会话组选择以及AGS（卫星接入网关）的优先级的设定。因此，本系统中可以根据移动终端的位置信息来避免碰撞、汇集自适应消息、聚集几个信道或通话组群，从而有效降低链路延时。

2.5 安全控制

安全控制涉及如下过程：

在L1层结构中，S-MS和S-AP之间传输的数据需要带有PN序列的多重加扰格式。

在L2层结构中，信息采用KASUMI算法进行加密。当连接通话时，密钥在L3层结构中交换。

2.6 调度与QoS控制

1）无线接入过程

S-AP的传送优先级为语音通话高于数据传输。

除BE数据传输外，无需使用QoS控制，因为在S-MS接入SCCH之后，将为每一个S-MS分配独立的无线信道。

2）S-AP与 CN 之间

相较数据传输，S-AP优先发送语音数据包。S-AP与CN之间的路由器根据IP头里的DSCP决定数据包的发送顺序。

3 结束语

综上所述，文中针对WIDESTAR II卫星移动通信系统所采用的通信机制进行了研究与验证，分析可知，本系统通过采用IP兼容技术、简化所采用的无线及通信过程、提高信道使用率、减少延迟等策略，实现了灵活的IP兼容技术及高速率传输技术。

[1]Inoue M.OverviewofwidestarIImobilesatellitecommunications scheme[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）：43-49.

[2]Yamamoto T.Widestar II satellite core network system[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）:50-57.

[3]Ouchi H.Widestar IIbase station maintenance and monitoring system[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）:64-69.

[4]Yamamotoet K.Al:Overview of widestar II mobile satellite communications system and service[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）：37-42.

[5]Sasaki S.Development of evolved mobile satellite communications system；Widestar II[C].IEEEGlobecom，2011.

[6]Shimada Y.IP-based FOMA voice network toward enhanced servicesand improved efficiencies[J].NTTDOCOMO Technical Journal，2010，12（1）：4-14.

[7]Yamamoto.Development of evolved mobile satellite access scheme and base station equipment for the widestar II[J].Institute of Electrical and Electronics Engineers，2011.