GMR-1 3G系统语音数据传输单元的设计与实现

［樊玉朋 何丰］



GMR-1 3G系统语音数据传输单元的设计与实现

［樊玉朋 何丰］

摘要

GMR-1 3G系统是欧洲电信标准委员会制定的地球同步卫星移动通信标准，其可与地面3G 核心网互联。由于卫星通信环境的特殊性造成数据传输抖动时延大，GMR-1 3G系统话音数据传输单元的好坏直接影响系统的用户体验，介绍该系统的组成部分，设计并实现该系统语音数据传输单元。

关键词：GMR-1 3G 地面核心网 话音传输单元

樊玉朋

重庆邮电大学电工理论与新技术实验室。硕士研究生，主要研究方向为无线通信。

何丰

重庆邮电大学电工理论与新技术实验室。副教授，主要研究方向为通信技术。

1 引 言

GMR-1（Geostationary Earth Orbit Mobile Radio interface） 3G系统是欧洲电信标准委员会ETSI制定的可与地面3G核心网互联的地球同步卫星移动通信标准，由全球移动通信系统GSM标准衍化而来，提供基于同步卫星的移动通信业务，具有覆盖范围广、频率利用率高、不受地理条件限制和运营成本影响的特点，是地面蜂窝系统的必要扩展，在人烟稀少地区以及地面蜂窝系统受到严重破坏时，发挥着重要的作用。特别是今年来，随着移动互联网的发展，人们对网络的依赖度逐渐增高，对信息随时随地可以获取的需求逐渐增强，使得与互联网结合的宽带卫星通信系统不断发展，成为目前通信领域研究的一大热点。但是与地面通信相比，卫星通信因环境复杂存在数据传输延迟大，信道链路复杂，受外界环境影响大，易造成数据包的抖动，本文采用RTP（实时传输）协议，设计并实现一种缓存传输数据，通过绝对时钟对数据进行调度，降低数据抖动，实现语音数据的稳定传输。

2 GMR-1 3G系统介绍及协议结构

2.1 GMR-1 3G系统元素介绍

GMR-1 3G系统由GEO卫星、地球移动站MES （mobile earth station）、关口站（gateway station）、卫星操作中心（satellite operation center）、核心网CN（core network）、网管站OAM(operation a d m i n i s t r a t i o n a n d maintenance center)等模块组成，如图1所示。其中关口站的核心设备是基站收发台和基站控制器。一般来说，基站控制器可以控制若干基站收发台，其主要功能是进行无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除，并为本控制区内移动台的过区切换进行控制等。GMR-13G支持电路域话音、传真业务及支持分组域业务，其与核心网之间的Iu口其最高速率可达592kbit/s，极大的提高数据的传输速率。

图1 GMR-1 3G系统元素图

2.2 GMR-1 3G协议结构介绍

本系统定义两个协议接口，分别为终端与关口站的uu口，关口站与核心网之间的lu口，终端到GEO卫星的上下行链路使用L波段其协议由下而上可分为物理层、数据链路层与层三，层三的作用在于无线资源管理、移动性管理和连续管理。GEO卫星到关口站的上下行链路使用ku或c波段，关口站分为信令处理单元与业务处理单元，语音数据处理单元为关口站业务处理单元模块主要由IUUP协议及RTP协议构成，用于实现与MES、CN的语音数据传输，如图2所示。

图 2 GMR-1 3G 系统协议栈用户面架构图

其中Fp协议在于实现逻辑信道与物理信道的映射，IUUP协议是lu接口的无线网络层用户面协议，通常用来传输与RAB（Radio Access Bearers）相关的用户数据，一个IUUP实体对应一个RAB，IUUP实体与对应的RAB一起建立、删除和重配；IUUP通常有两种模式：透传模式与支持模式。透明模式下lu接口与其对等实例不进行任何IUUP协议信息交换，即不发送IUUP帧，其数据主要负载在RTP协议上，利用RTP协议缓存语音数据，根据特定的时间中断实现语音数据的低抖动传输，本文主要目标放在RTP协议及其实现上，并在下一节详细介绍RTP协议及其实现。

3 语音数据传输设计与实现

RTP（RealtimeTransmission protocol）在协议层中的位置如图3所示，下层采用UDP协议，能很好地保证传输的实时性，一般用于音频、视频方针数据等实时媒体应用中。

图3 RTP协议结构

3.1 RTP数据包格式

RTP数据包格式主要分为RTP头，RTP负载如图 4所示是RFC3550中规定的RTP协议头格式。

图4 RTP头格式

版本号（V）；2 bits，用来标志RTP的版本号。

填充位（P）：1 bits，0代表无填充字节，1，代表RTP包的尾部包含附加的填充字节。

扩展位（X）：1 bits，0代表无扩展头，1，代表RTP包的尾部包含一个扩展头。

CSRC计数器（CC）：4 bits，含有固定头部后面跟着的CSRC的数目。

标志位（M）：1 bits，不同的有效载荷含义不同，对于视频标记为一帧的结束，对于音频标记为回话的开始。

载荷类型（PT）： 7 bits，有效负载类型，用于说明RTP报文中有效载荷的类型。

序列号（Sequence number）： 16 bits，用于 标示发送者发送的RTP报文的序列号，每发送一个RTP报文，序列号加1，该字段用于当网络状况不好时，统计丢包数；

时间戳（Timestamp）：32 bits 时间戳反映了该RTP报文的第一个八位组的采样时刻，接收者使用时间戳来计算延迟和延迟抖动，并进行同步控制。

同步信源（SSRC）：32 bits，用于标识同步信源，该标示符采用随机数随机产生，同一视频会议的两个同步源不同；

贡献源列表（CSRC list）：每个CSRC标识符占32 bits，可以有0~15个，每个CSRC标识包含在该RTP报文有效载荷中的贡献源。

语音数据传输设计：话音数据传输中的低时延对用户体验非常重要，所以在话音数据传输过程中，通信双方采用socket网络数据报通信如图5所示；

通信双方首先加载套接字库，创建本地socket，调用bind函数与本地IP及端口号绑定；

通信双方通过sendto()，recvfrom()函数实现数据的发送及接收；

图5 网络数据报通信

当通信结束调用closesocket关闭套接字回收资源。

4 话音数据传输流程及设计实现（如图6所示）

图6 话音数据传输流程

语音数据通过终端采集编解码之后发向基站，基站处将语音数据分为两个线程，接收线程与发送线程。其中接收线程根据数据来源区分上下行数据，下行则接RTP包，判断版本号及负载类型是否正确，序列号是否比最后一次收到的序列号大，大则放入下行发送数据缓存区，否则丢弃，上行则加入必要的RTP头信息，放入到上行发送缓冲区，接收线程继续判断是否收到新数据。发送线程主要是根据时间戳判断当前时间与发送时间之间的时间差，利用select（）精确延时判断发送时刻，将上下行数据低抖动发送到对应的接收端。

4.1 语音数据发送时间延时测量

为精确统计发送数据包的时刻且不影响发送线程，我们采用网口数据捕获工具wireshark，该软件早期称为ethereal，使用WinPCAP接口直接与网卡进行数据报文交换，使用显示过滤器筛选数据源发送端口过滤出必要信息通过统计时间判断时延抖动，如图7所示。

图7 发送数据包时间统计及分析图

4.2 结果分析

（M为…的平均值）公式（1）

计算统计标准偏差方差为0.00389，且方差用于统计数据抖动的大小，从而可以看出我们所设计传输方案可保证语音数据的低抖动传输；

5 总结

GMR-1 3G系统支持话音域，分组域及传真业务，卫星通信中复杂的传输环境给话音传输低抖动提出非常大的挑战，话音业务的能否稳定传输严重影响用户的通话体验；本文通过设计多线程将语音接收与发送分离，利用RTP实时传输协议实现了一种低抖动话音数据传输，通过结果数据统计分析，数据传输抖动小，很好地保证了话音质量。

参考文献

1Douglas E. Comer. Internet working with TCP/IP, Volume Prineiples,Protoeols, and Arehiteeture(Fifth Edition)[M]. Beijing: The People’s Posts and Telecommunications Press,2009(7):65-69

23GPP TS 29.007 V4.14.0[S

3GEO-Mobile Radio Interface Specifications;Part 4:Radio interface protocol specification;Sub-part 8:Mobile Radio Interface Layer 3 Specification;GMR-1 04.008[S

4GEO-Mobile Radio Interface Specification:Part3 network specification;sub-part18：terminal-to-terminal call （TtT）;GMR-1 03.296[S]

5GEO-Mobile Radio Interface Specification:Part3 network specification;sub-part 20:Technical realization of High-Penetration Alerting;GMR-1 03.298[S]

6GEO-Mobile Radio Interface Specification;part 4:Radio interface protocol specification;sub-part 6:Mobile earth station-Gateway Station Interface Data Link Layer specification;GMR-1 04.006[S]

7芦东昕，张华强，王陈。基于UDP的可靠数据传递技术研究[J].计算机工程，2009（22）：62-63

收稿日期：（2015-12-22）