海事卫星关口站无线网络通信系统的设计研究

方　飞　李　琛　万　千

(中国交通通信信息中心　北京　100094)

海事卫星关口站无线网络通信系统的设计研究

方飞李琛万千

(中国交通通信信息中心北京100094)

摘要随着经济的发展和技术的进步,Inmarsat移动卫星通信系统经过了从模拟通信到数字通信、从低速窄带通信到高速宽带通信的发展演进,在近三十年的运营中以其技术先进、安全可靠、性价比合理成为全球移动卫星通信业界公认的最佳选择。海事卫星地面站是一个复杂的通信系统,目前最先进的第四代国际海事卫星关口站主要涉及了天线射频系统、无线网络通信系统和核心网系统。论文着重对第四代国际海事卫星关口站最重要的无线网络通信系统进行了研究分析,进而提出了无线网络通信系统的设计,对于我国第四代国际海事卫星关口站的建设发展和我国自主同步轨道卫星宽带移动通信系统的设计研究具有积极作用。

关键词海事卫星; 无线网络系统; 关口站

Class NumberTN927

1引言

海事卫星(Inmarsat)是一个全球覆盖的移动卫星通信系统,在海上常规通信、遇险与安全通信及特殊通信中起到了重要作用。经多次技术升级和发展,海事卫星已从第一代的模拟信号通信,发展到第二代、第三代的数字通信,再到第四代宽带通信[1]。目前最新的第四代海事卫星通信系统采用3G技术[2],空中接口采用了海事卫星组织自主研发的IAI2协议(采用TDM-TDMA/FDM)并使用了蜂窝网频率复用的方式提高频率利用率。

无线网络子系统(Radio Network System,RNS),是海事卫星宽带地面站中一个主要的子系统,控制着通信载波信号并且对其与核心网络间的接口进行管理。

2无线网络系统的接口设计

第四代海事卫星通信系统采用了WCDMA技术[3],无线网络系统与核心网中间采用了Iu接口,空中接口采用了海事卫星组织自主研发的IAI2协议(采用TDM-TDMA/FDM)。3G通信系统中,移动终端和核心网络的通信信令所应用到协议层称之为非接入层(Non Access Stratum layer,NAS laryer),如图1所示,RFS和RNS服务于移动终端和核心网络之间的传输介质,承担着非接入层的通讯。然而为移动终端和核心网络间建立信令通路的这个传输层称其为接入层。

图1　无线网络系统接口设计

无线网络系统需要与终端、卫星和核心网及管理系统建立“L波段接口”、“PCE接口”、“Inmarsat接口”、“时钟接口”和“Iu接口”通信,现就各个接口功能设计如下。

L波段接口是RNS系统在L波段(1.4GHz附近)与RFS系统之间的接口[4],用于业务数据的传送。发射和接收方向各有两个中频馈揽,分别使用左旋极化方式和右旋极化方式。出于硬件优化的考虑,每一个信道单元(CU)只能在单一的子频带,并使用一种极化方式进行发送或者接收。在卫星的上行和下行链路中,带宽都为大约100MHz,在卫星上,这个大约为100MHz的带宽被划分为若干个12.6MHz的频带,每个12.6MHz的带宽称之为子带,在发射方向共有六个子带,而接收方向有七个子带。射频信号将通过分路器发送到安装着BGAN接收信道单元(modems)的机架,自发射信道单元发出的信号将通过合路器后发送给射频系统。每个信道单元可以处理六个并行的200KHz带宽的信号。

PCE接口用于RNS和RFS之间进行闭环的增益调整控制。由于BGAN系统对增益要求较高,因此在RFS系统和RNS系统之间需要对增益标准进行闭环的控制。RFS装备了智能频谱分析仪可以通过特殊的校准频率测量发射水平,报告给RNS,RNS可以对信道单元增益做出相应的调整。

Inmarsat接口是通过DCN到Inmarsat NOC和Inmarsat GRM的基于IP的接口的集合[5]。主要包括:GRM接口用来请求和释放卫星频谱,在需要的时候RNS将从GRM请求带宽,并不断地向GRM发送承载利用报告,详细说明承载利用情况,基于报告GRM可以调整RNS中的承载。HNMS接口是Inmarsat NOC监测RNS配置的SNMP接口,同时该接口还用于将RNS告警从RNS拷贝到Inmarsat NOC。FAP接口负责拷贝日志信息到FAP,日志信息用来错误诊断,包括:告警、链路质量报告、注册和注销、连接建立和拆除。FTP接口用来传输各种配置文件,主要包括:卫星状态航线、SAC文件、波束地图等。卫星状态航线将广播给移动台,用来卫星移动补偿;SAC文件用于定义地理位置;波束地图用于定义全球波束、区域波束、窄波束的地理边界。GPS时钟接口基于IP方式,RFS GPS时钟通过接口到RNS,作为外部参考,通过DMRO产生系统时钟分配到各子架。系统时钟通过该接口发送到RFS。

Iu接口通往核心网的接口,使用IP承载方式[6]。

3空中接口协议栈与信道组成的设计

该协议结构在水平方向可分为两个主要的层:NAS层和AS层。NAS协议处理UE和CN之间信息的传输,传输的内容可以是用户信息或控制信息。NAS消息一定程度上独立于下面的AS协议结构,与采样什么样的无线接入网无关。NAS消息的传输要基于底层的AS协议。AS是无线接入网采用的协议。UE到RNC之间的协议栈又称空中接口协议栈,主要提供建立、重新配置和释放无线承载业务的功能。BGAN系统的空中接口采用的是Inmarsat Air Interface Number2(IAI2)协议。RNC到CN之间的协议栈采用UMTS通用的标准Iu接口协议栈。

在垂直方向分为控制面和用户面[7]。控制面用于所有控制信令,包含应用协议和用于传输应用协议消息的信令承载。用户面包含用户收发的所有信息,比如话音呼叫中已编码的话音或者一个Internet连接中的分组,协议结构如图2、图3所示。

图2　CS域用户面协议结构

图3　PS域用户面协议结构

图2、3所示的分别为CS用户面协议结构和PS用户面协议结构,图中阴影部分的协议使用的是与UMTS通用的协议,白色部分的协议使用的是Inmarsat专用协议。

Inmarsat专用协议包含了如下几种协议。

BGAN UE将采用一种特有的低速率编解码方式,AMBE+2编解码,其数据速率在4kbit/s。同时BGAN核心网媒体网关(MGW)将同时支持AMBE+2编解码和UMTS通用标准AMR语音编解码。

AMBE+2编解码承载于CS User Plane Handler层,该层提供错误控制和非连续传输功能。非连续传输可以通过抑制语音沉默期的传输,来使IAI2空中接口的语音传输带宽和功率的利用更加有效[8]。

AL层主要负责点波束选择、系统信息处理、NAS信息标识、注册和注销过程性能、UESS连接译码控制、GPS位置加密和报告等。同时服务于NAS应用(GMM、MM等),为NAS层功能应用建立透明的有保障的传输通路。

BCn层主要实现缓存和流量控制、QoS策略、数据段的分组和重组、ARQ、加密等功能。BCn接收端控制对等BCn发送实体发送信息的速率进行流量控制。数据段的分组和重组功能将不同长度的高层用户数据PDU进行分段/重组成为较小的BCn层PDU。

BCt层对PCnPDU添加CRC校验和多个BCtSDU,并加上BCtPDU包头复用成物理层的传输块,或将物理层接收的传输块解复用成高层的PDU。BCt层还完成功率和编码速率调整、接入控制和调度功能。

L1层也叫物理层,物理层位于最底层,直接面向实际承担数据传输的物理媒体(即通信通道),但是,物理层不是指信号传输的物理媒体,而是指在物理媒体之上为上一层(BCt层)提供一个传输原始比特流的物理连接。在上行方向,有四种不同的承载类型。符号速率为8.4ksym/s的QPSK调制承载(仅用于全球波束信令);符号速率为33.6ksym/s的QPSK调制承载;符号速率为33.6ksym/s的16QAM调制承载;符号速率为151.2ksym/s的16QAM调制承载。在下行方向,有7种不同的承载类型。符号速率分别为8.4ksym/s、33.6ksym/s、67.2ksym/s、151.2ksym/s的π/4-QPSK调制承载;符号速率分别为33.6ksym/s、67.2ksym/s、151.2ksym/s的16QAM调制承载。为了与Inmarsat-4卫星信道带宽190kHz相匹配,以上的承载类型占用的带宽分别为21kHz、42kHz、84kHz和189kHz。IAI2提供了多种信道编码速率,根据UE和RNS之间信道条件的不同,编码速率可以自适应的进行调整。不同的承载类型根据C/No的范围包含一系列不同编码方式的子类型。因此,IAI2空中接口通过调制方案、符号速率、编码速率三个维度的变化以获得最优的性能。

4无线侧基本流程设计

本章节将对无线侧的基本业务流程进行设计,主要包括注册入网和呼叫建立等流程[9]。

在UE注册到RNS之前,需要从全球波束获得信息以发现合适的区域波束或者窄波束来注册。首先,UE接收全球波束公共信道,读取AS(接入层)系统信息块,获得可用的区域波束和窄点波束PSAB(Primary Shared Access Bears)列表。然后基于GPS位置,UE选择区域波束(或窄点波束)注册,并调整到相应波束的PSAB所在频点,进行注册。波束选择的流程如图4所示。

图4　波束选择

首先是注册过程,UE在共享接入承载(Shared Access Bearer)发送注册请求(包含注册PDU的随机接入突发)。在RNC侧,通过MCP将主机分配的tBCn ID在注册确认信息中发送到UE,用于支持新的UESS(UE Specific Signalling)连接。UE通过新的UESS BCn向上报告注册完成消息,发送到RAN主机,消息中包含安全信息,和最终的无线接入能力信息,完成注册过程。这个过程是用户第一次在网络中注册,所以IMSI作为用户的认证标识。

然后是位置请求过程,主机发送位置请求指示,然后UE进行相应,上报GPS位置信息,在主机的SMCS映射为SAC,并判定服务区是否被允许服务。如允许服务,则向UE发送配置更新消息,向SMCS_UEDW发送建立UE指示,在数据库中建立UE连接信息。注册和位置更新流程如图5所示。

图5　注册和位置更新流程

第三步是IMSI附着和GPRS附着,开机注册和位置请求后,需要进行初始化直传,建立NAS连接,通过NAS向CN发送IMSI附着请求,完成UE在CN的登记。附着完成后,UE才可被寻呼。

GPRS附着与IMSI附着类似,当用户发起PS业务前,需要向CN发起GPRS附着,在SGSN登记用户信息。

最后是RAB建立流程,流程如下图所示,主要包括如下过程:

1) CN经CNGW向主机发送RAB分配请求消息发起RAB建立过程;

2) 在MCP被要求建立RB之前,RAN主机发起将UE从区域波束到窄波速的BCt间切换过程;

3) 主机发送RB建立请求到目标MCP,消息包含BCt ID和BCn QoS参数列表;

4) 在MCP,根据RAB需求,建立BCn,并分配BCn ID;

5) MCP发送建立消息给UE,UE返回建立确认消息,说明UESS BCn已经建立;

6) MCP发送RB建立完成消息到CNGW;

7) CNGW初始化Iu数据承载的建立,以支持Iu用户面;

8) MCP返回响应信息;

9) CNGW向CN发送RAB分配响应;

10) CNGW向主机发送信息更新,包含RAB和BCn新的联系;

11) 完成RAB建立。

图6　RAB建立

主叫呼叫建立的过程如下图所示,首先主叫UE向CN发起呼叫请求,然后是鉴权和安全模式建立,最后是RAB建立。RAB建立后进行振铃,主叫摘机后向UE发送连接信息,UE返回连接确认信息以完成呼叫建立。流程如图7所示。

图7　呼叫建立(主叫)过程

被叫呼叫建立的过程如图8所示,首先CN向被叫UE发起寻呼(见寻呼流程),寻呼完成后,UE发送呼叫请求,鉴权和安全模式建立,然后是RAB建立。RAB建立后进行振铃,被叫摘机后向CN发送连接信息,CN返回连接确认信息以完成呼叫建立。

图8　呼叫建立(被叫)过程

5无线网络子系统组网方案

无线网络子系统主要由信道单元(CU/MCU)、RNS主机、CNGW核心网关、LAN交换机和网管系统等组成。示意图如图9所示。

在无线网络子系统内部,发射信道单元通过LAN与无线网络主机和MCU接口。接收来自MCU的用户数据和来自主机的控制数据。在信道单元进行处理,输出BAGN前向承载,在L波段与无线射频子系统接口,将L波段信号通过发射汇接板汇聚后,发送到无线射频子系统。

图9　无线网络系统组成

每个发射信道单元包括一个前端处理模块和一个上变频器模块。发射数据包通过LAN路由到前端处理模块,前端处理模块中的六个信道处理器对数据包进行CRC校验和成帧处理,在前端处理模块中的六个调制器进行调制,调制后的承载在70MHz载波上的200KHz带宽信号在上变频器模块上变频到L波段(1349MHz～1500MHz),L波段信号通过Patch系统合并后将被馈送到射频子系统。

图10　发射信道单元结构框图

接收信道单元接收来自无线射频子系统的L波段信号,对数据进行下变频、解调、去CRC校验等过程后,通过RNS LAN系统将用户数据发送到MCU,接收信道单元同时与主机接口,接收和发送控制信息。每个接收信道单元包括1个前端处理模块和1个下变频器模块。从RFS子系统接收的L波段信号通过Patch系统路由到下变频模块,经过下变频后在接收前端处理模块进行解码、解调、解CRC校验等处理,然后LAN系统路由到MCU。

主信道单元(MCU)是处理和控制IAI2空口协议的核心单元,同时通过LAN与信道单元和核心网关进行接口。每个信道单元子架最多可以包括13个MCU信道单元,每个信道单元包含2个MCU信道处理器。MCU的主要功能包括:处理IAI2协议、处理系统信息广播、编解码、链路适应、无线资源管理等[10]。

MCU信道单元通过LAN与CU单元、核心网关、RNS主机相连。在用户面与核心网关接口,将来自核心网的数据通过处理送到发射CU单元,同时接收来自接收CU单元的数据,进行处理并送到核心网。控制面与RNS主机接口,接收控制信息。

RNS的LAN系统通过LAN交换机连接所有的RNS设备,发射信道单元连接到发射机柜交换机,接收信道单元连接到接收机柜交换机,MCU和主机服务器连接到主机机柜交换机,监控PC、核心网关连接到核心网关机柜交换机。同时核心网关交换机做为RNS LAN系统的核心交换机,发射机柜交换机、接收机柜交换机和主机机柜交换机均上联到核心网关交换机,实现整个LAN系统的互联。网络结构如图11所示。

图11　RNS LAN网络结构图

L波段信号发射方向是从发射信道单元上变频设备输出经发射子架汇聚后,通过发射Patch连接到射频子系统的均衡器,与之相反,L波段信号接收方向是从射频子系统的均衡器连接到接收Patch,然后通过接收子架分配到各个接收信道单元的下变频设备进行处理。发射方向和接收方向各分为左旋极化和右旋极化两路信号。

6结语

本文介绍的无线网络通信系统的设计方案具有复杂度低、估计精度高的优点,对提升卫星通信系统的稳定性,提供高效率的通信服务具有重要意义。本文介绍的Inmarsat自主研发的IAI2空中接口协议通过特有的AMBE+2编解码,更高效地提升了卫星带宽及功率的利用率。通过介绍接口、协议、组成及流程的设计,阐述了海事卫星无线网络通信系统的设计原理,对其他通信卫星地面接续系统的建设具有参考作用。

参 考 文 献

[1] 邹栫洁.第四代国际海事卫星技术的特点研究[J].中国海事,2012(11):53-56.

ZOU Jianjie. A study on the Characteristics of the Fourth Generation International Maritime Satellite Technology[J]. China Maritime Safety,2012,(11):53-56.

[2] 阳志亮.论3G技术及其在通信中的应用[J].信息通信,2014(4):223-224.

YANG Zhiliang. On 3G Technology and its application in Communication[J]. Information & Communication,2014,(11):223-224.

[3] 谭明.WCDMA无线接口协议详介[J].当代通信,2004(15):52-56.

TAN Ming. Details of WCDMA Radio Interface Protocols[J]. Communications Today,2004(15):52-56.

[4] 李健.射频技术:绽放在移动与无线之间[J].电子产品世界,2007(9):41-45.

LI Jian. RF Technology: Shining Between Mobile and Wireless[J]. Electronic Engineering & Product World,2007(9):41-45.

[5] 李晨,徐艳芬.数据通信网拓扑智能管理功能的研究与实现[J].光通信研究,2014(2):15-17.

LI Chen, XU Yanfen. Research on and realization of smart topology management in date communication networks[J]. Study on Optical Communications,2014(2):15-17.

[6] 张传福,吴伟陵.第三代移动通信网的Iu接口[J].电子质量,2001(4):32-35.

ZHANG Chuanfu, WU Weiling. The Iu standard interface of the third-generation mobile telecommunication systems[J]. Electronics Quality,2001(4):32-35.

[7] 樊兆龙,徐子平,王郡峰.UTRAN无线接口协议分析与研究[J].计算机与现代化,2013(6):170-178.

FAN Zhaolong, XU Ziping, WANG Junfeng. Research on UTRAN Radio Interface Protocol[J]. Computer and Modernization,2013(6):170-178.

[8] 杨友福,刘建伟,张其善,等.卫星信道编码技术及新发展[J].通信技术,2008(7):30-33.

YANG Youfu, LIU Jianwei, ZHANG Qishan, et al. Technology and Development of Satellite Channel Coding[J]. Communications Technology,2008(7):30-33.

[9] 何万欣,何迪,陈烨.WCDMA终端呼叫建立过程研究[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2007,(S1):42-45.

HE Wanxin, HE Di, CHEN Ye. Research on procedure of call establishment in WCDMA[J]. Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications(Natural Science Edition),2007,(S1):42-45.

[10] 龚达宁.移动宽带无线接入技术发展趋势[J].通信管理与技术,2009(5):12-15.

GONG Daning. Technology trends of Mobile Boardband Wireless Access[J]. Communications Management and Technology,2009(5):12-15.

Inmarsat Satellite Access Station Radio Network System Design

FANG FeiLI ChenWAN Qian

(China Transport Telecommunications and Information Center, Beijing100094)

AbstractWith the economic development and technological progress, Inmarsat mobile satellite communication system has evolved from analog communications into digital communications as well as low-speed narrowband communications into high-speed broadband communications. With its advanced techniques, safe reliability and reasonable cost performance during the last three decades’ operations Inmarsat mobile satellite communication system has been acknowledged as the best choice in global communications satellite system industry. Maritime satellite earth station is a complex communication system. The I-4 satellite gateway which is most advanced global communications system contains RFS, wireless network communication system and CN system. Wireless network communication system that is the most important part in I-4 satellite gateway is reviewed in this paper. By putting forward the design of the system this paper would has a positive function on developing of China’s fourth-generation Inmarsat gateway and on researching as well as designing of China’s self-owned geosynchronous satellite broadband mobile communications.

Key WordsInmarsat satellite, radio network system, satellite access station

收稿日期:2015年12月8日,修回日期:2016年1月28日

作者简介:方飞,男,工程师,研究方向:卫星通信。李琛,女,硕士,工程师,研究方向:卫星通信。万千,男,硕士,高级工程师,研究方向:卫星通信。

中图分类号TN927

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.018