卫星集群组呼业务通知过程*

陈姜晶子,徐子平

(1.解放军理工大学通信工程学院研究生2队,江苏南京210007;2.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007)

卫星集群组呼业务通知过程*

陈姜晶子1,徐子平2

(1.解放军理工大学通信工程学院研究生2队,江苏南京210007;2.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007)

集群通信在指挥调度及抢险救灾中发挥中重要作用,目前地面集群通信网络的覆盖范围有限,在处理有些紧急事件时可能会超出网络覆盖。依托通信对距离不敏感的卫星移动通信,在GMR-1标准基础上实现组呼呼叫业务功能,可以扩大集群通信的覆盖面积。对空闲模式下组呼通知过程进行了研究,对处于空闲模式下的移动台使用简化的NCH监听机制做了概述,最后提出了组呼通知信道的配置方法,计算得到NCH信道可以支持的话务量,与现有的GSM网络通信的相比具有更高的寻呼效率、可以承载更大的用户数量。

GMR-1 卫星集群通信 组呼业务 NCH信道

0 引 言

数字集群通信能够提供安全可靠的语音和数据通信,是一种高效使用无线信道资源的专用指挥调度通信[1],目前在交通、公共安全、军队、政府部门等单位都得到了广泛应用。地面通信网络已趋于完善,但受地理条件限制不能实现全球无缝覆盖,且发生重大毁灭性自然灾害时地面网络将遭到破坏,但是卫星移动通信可以正常运行。所以依靠目前卫星网络通信的资源,建设覆盖全球的数字卫星集群通信具有广阔的应用前景。

1 组呼话音业务VGCS

卫星移动通信成本低、覆盖范围大、可靠性高、对通信距离不敏感,相比于传统的地面集群网络提供的服务,在GMR-1标准的基础上实现组呼可以提供覆盖范围更广的服务,只要用户在卫星波束覆盖范围之内都可以进行组呼呼叫,突破了地面集群集群网络受覆盖范围限制的缺点。

组呼话音业务采用半双工的方式,任意数量移动台可组成一个组。组呼由一个组呼标识确定,组呼标识由组呼ID和组呼区域ID构成,组呼区域ID用来表示组呼所覆盖的以波束为基本单位的地理范围[2]。每个组使用一对上下行话音信道进行组呼通信,讲话的移动台使用组呼信道上行信道向网络发送话音,该组的其他所有用户在组呼信道的下行信道上收听由网络转发的讲话方的话音。组呼通信获得了最高的无线资源利用效率,一个组呼比一对点到点的双工单呼节省了一半的无线带宽资源。

引入组呼话音业务,需要对GMR-1网络体系结构加以改进,GMR-1体系的网络结构如图1所示。GMR-1系统组成元素包括有地球同步卫星、信关站GS、卫星操作中心SOC和大量的地球站即用户终端MES。卫星操作中心SOC负责对卫星的相关工作进行监视和管理。信关站通过外部接口与地面固定电信网络和GSM移动性管理网络相联。信关站由以下几部分组成:一个或多个信关站收发子系统GTS;一个或多个信关站控制器GSC;一个或多个移动交换中心MSC,GMR-1系统可以直接使用GSM网络中的MSC;一个业务控制子系统TCS,它用于支持与地理位置相关的业务、选择最佳路由以及其它卫星通信的业务。

图1 GMR-1系统网络结构Fig.1 Network structure of GMR-1

增补的集群功能不影响原有电路域呼叫功能,当不具备集群功能的移动台访问网络时,只是不能获得集群服务,原有的功能不变;当具备集群功能的移动台访问网络时,除原有的功能保持不变以外,同时还能获得集群通信服务。

在GMR-1系统信关站核心网中增加一个组呼功能实体组呼寄存器GCR(Group Call Register)。为了处理卫星集群组呼业务,将与组呼相关的功能实体从原有的网络结构中独立出来,构成一个新的网络功能配置单元,称为组呼控制服务器GCS (Group Control Server)。图2是在GMR-1系统中加入组呼控制服务器的网络配置。

图2 加入组呼控制服务器的网络配置Fig.2 Configuration of system with GCS

2 VGCS通知过程

通知过程要通知处于空闲模式下的移动台和通知处于组接收模式、组发送模式和专用模式下的移动台。通过通知过程移动台可以得知网络中新发生的组呼和正在进行的组呼,通知过程向用户提供加入新组呼,查询正在进行的组呼,重新加入正在进行的组呼,离开组呼以及释放组呼等一系列的功能[3]。通知消息可能在NCH(Notification Channel)信道、PCH (Paging Channel)信道发送,当移动台处于专用模式或组接收模式时则在FACCH信道上发送。

网络广播的通知消息通过通知信道NCH信道发送给移动台。为了便于刚进入组呼区域的组成员加入组呼,或是离开的成员重新加入组呼,通知消息需要周期性进行。在每个组呼区域内所有波束下的用户都能收到通知消息,通知消息中应该包括组呼标识,还可能包括对组呼信道的描述。如果在通知消息中包含了组呼信道的描述,则该组的成员的在收到通知消息后立刻调整到指定信道上参与语音通信;如果通知信息中没有相关信道的描述,则移动台要建立专用连接响应通知消息,然后网络应提供有关组呼的信道描述[4]。

3 NCH信道监听

3.1 空闲模式的NCH监听

刚到小岗学校任教时，杨芬多次想要离开。“那会儿学校一共0.6 hm2地。”杨芬指着两栋教学楼的中间说，“那边有堵围墙，以前学校就是从这到校门那么大，典型的乡村小学。所有老师挤在一间办公室，乒乓球台是办公桌，唯一一台电脑被扔在杂物间。”

空闲模式下的移动台要同时监听PCH信道和NCH信道,以收听点对点呼叫的寻呼消息以及组呼的通知消息,引入简化的NCH监听机制来节省移动台的功率[5]。如果移动台收到NCH信道消息中包含NLN参数,则认为网络中使用了简化的NCH信道监听机制。采用简化的NCH监听机制时,网络要提供NLN(Notification List Number)和NLN状态两个参数:

NLN是一个模4计数器,NCH信道上有一个新的组呼通知消息时NLN参数就会发生变化。为使得简化的NCH信道监听机制能够发挥较好的作用,网络要保证移动台能够足够频繁的接收到NLN参数,因此通知过程必须在整个组呼呼叫过程中持续进行。

当NCH信道上与新呼叫无关的信息发生变化时,NLN状态参数就随之改变。

这两个参数包含在NCH,PCH和SACCH等信道消息中,空闲模式下的移动台进入波束后,通过BCCH信道上的系统消息推断波束下存在NCH信道,则应读取NCH信道消息,且至少要接收到2条包含NLN参数的通知消息。最新接收到的两个NCH消息中的NLN参数相同时,移动台就停止收听NCH信道,只收听PCH信道。当在PCH信道上收到的NLN或NLN状态参数与先前接收到的不同,说明网络中广播的通知消息发生了变化,则移动台重新开始收听NCH信道。重新接收NCH信道后,当最后接收到两个具有相同的NLN的NCH消息时,移动台可以再次停止收听NCH信道而只收听PCH信道,重复以上过程。

3.2 非空闲模式下的NCH监听

非空闲模式包括专用模式、组接收模式以及组发送模式。对处于非空闲模式下的移动台,收到通知消息后,应该比较当前呼叫与新呼叫的优先级。

当前呼叫的优先级高于新呼叫时,提示有新呼叫。当退出当前呼叫后可以继续接收新呼叫的通知消息。

当前呼叫的优先级不高于新呼叫时,用户可以选择进入新的呼叫或者是拒绝新的呼叫停留在当前呼叫,可以在当前呼叫与新呼叫之间切换。

4 NCH信道

4.1 NCH信道位置配置

GMR-1系统中的BCCH广播逻辑信道的映射重复周期基于系统消息广播循环周期,每个系统消息循环周期是64个TDMA帧。在GMR-1标准中, CBCH信道的配置使用的是配置的帧序列对方法,即根据由BCCH信道发出的系统信息来选择帧对[6]。系统消息中的4 bit参数SA_CBCH_CONFIG用来指示配置CBCH信道的帧对位置,CBCH信道的配置由BCCH信道广播消息中的4比特参数SA_ CBCH_CONFIG来指示,SA_CBCH_CONFIG的值取反即NCH的位置。

假设SA_CBCH_CONFIG参数的bit0为最低位比特位,则当SA_CBCH_CONFIG的第[(FN div 2) mod 4]比特为1时,其所对应的FN为CBCH的帧对位置。具体见表1。

表1 NCH帧对位置配置Tabel 1 Interpretation of the SA_CBCH_CONFIG parameter

在语音组呼业务中NCH信道是一个相当重要的信道,但是在GMR-1标准中并没有定义NCH信道。因此我们规定GMR-1中定义的CBCH信道最多只能占用三个帧对,保留最后一帧对给NCH信道使用。

根据BCCH信道的三个参数SA_CBCH_CONFIG、SA_CBCH_RF_CH、SA_CBCH_TS就可以确定CBCH的信道位置[7],其中SA_CBCH_CONFIG指定了CBCH信道使用的帧对,SA_CBCH_RF_CH指示了CBCH使用的PC6突发的频率,SA_CBCH_TS指示了CBCH信道使用的PC6突发的起始时隙。

按照我们提出的方法,假设NCH信道使用CBCH信道位置的最后一帧,即在参数SA_CBCH_CONFIG=1 000时,NCH信道的位置对应所有(FN/ 2)mod 4=3的所有帧,如图3所示。再根据SA_ CBCH_RF_CH和SA_CBCH_TS两个参数可以得使用的NCH信道位置。

图3 NCH信道在复帧中的位置Fig.3 NCH multiplexed in a PC6d

4.2 NCH信道容量计算

话务量是用来衡量电话负荷大小的,与用户占用信道的次数和占用时间长度有关,用公式表达为:A=m·l·t/3600(Erl),其中A为流入话务量,m为系统中组呼用户组数,l为单位时间内每个组的通话次数,t为每个呼叫平均占用的时间。

一个BCCH系统消息最多只能配置一个NCH信道,也就是说每8帧有连续的2帧中有NCH信道,一个系统循环周期(64TDMA帧=2.56 s)内会出现16个NCH信道,平均每一秒时间内NCH信道出现的次数为6.25次。参考GMR-1标准中的CBCH信道,NCH信道使用的是DC6突发,即占用连续的6个时隙,持续时间为10 ms。

每个通知消息(notification)是23个字节,NCH信道使用的是DC6突发,DC6突发的有效比特是458个比特,则每个NCH信道可以承载2个通知消息。由此可以计算出一个NCH信道可以承载的通知消息为16×2/2.56=12.5次/s,假设每个组呼语音通话持续的时间为60 s,则一个NCH信道可以承载的业务量12.5(次/s)×60/3600=0.21Erl。

在GSM网络中,对组合BCCH信道来说,每秒钟寻呼信道数是12.7个,对非组合BCCH信道来说,每秒钟寻呼信道数是38.25个每个寻呼信道可以承载的用户数是3.6个。而卫星集群通信中NCH信道每秒可以承载的组呼通知消息为12.5～50次,每个组呼可以拥有最多50个成员,因此卫星集群通信有更高的寻呼效率且可以承载更多的用户。

5 结 语

GMR-1标准中并没有对语音组呼业务做出描述,借鉴3GPP中的对VGCS的定义,在GMR-1基础上定义语音组呼业务,对组呼的通知过程进行描述并定义了组呼通知信道NCH信道。网络要为正在进行的组呼呼叫以及新发生的组呼呼叫分配NCH信道,分析了一条NCH信道可以支持的话务量,与现有的GSM网络通信的相比具有更高的寻呼效率、可以承载更大的用户数量。

[1] 刘军辉,李彤.基于移动通信网的集群通信设计与实现[J].通信技术,2010,43(06):172.

LIU Jun-hui,LI Tong.Design and Implementation of Trunking Communication System Based on Mobile Communication Network[J].Communications Technology, 2010,43(06):172.

[2] 3GPP TS 42.068 V7.8.0,Technical Specification Group Services and System Aspects,Voice Group Call Service (VGCS)[S].ETSI,2007:6-7.

[3] 叶青.GSM-R系统VGCS/VBS通知监听的研究[D].北京:北京交通大学,2008.

YE Qing.Research on GSM-R System of VGCS/VBS Notification Monitoring[D].Beijing:Beijing Jiaotong U-niversity,2008.

[4] 3GPP TS 44.068 V7.8.0,Technical Specification Group Core Network,Group Call Control(GCC)protocol[S]. [s.l.]:ETSI,2007:22-24.

[5] 3GPP TS 43.068 V7.8.0,Technical Specification Group Core Network and Terminals,Voice Group Call Service (VGCS)[S].[s.l.],Stage 2:ETSI,2007:24.

[6] ETSI TS 101 376-5-2 V1.2.1,GEO-Mobile Radio Interface Specifications,Part 5:Radio Interface Physical Layer Specifications,Sub-part 2:Multiplexing and Multiple Access;Stage 2 Service Description[S].[s.l.]: ETSI,2001:26.

[7] ETSI TS 101 376-4-8 V1.2.1,GEO-Mobile Radio Interface Specifications,Part 4:Radio Interface Protocol Specifications,Sub-part 8:Mobile Radio Interface Layer 3 Specifications[S].[s.l.]:ETSI,2005:160.

CHEN JIANG Jing-zi(1989-),female,M. Sci.,majoring in broadband exchange,digital trunking based on satellite.

徐子平(1959—),男,硕士,教授,主要研究方向为宽带交换。

XU Zi-ping(1959-),male,M.Sci.,professor,mainly engaged in broadband exchange.

Notification Procedure of Satellite Trunking Communication

CHEN JIANG Jing-zi1,XU Zi-ping2
(1.Postgraduate Team 2 ICE,PLAUST,Nanjing Jiangsu 210007,China; 2.College of Communication Engineering,PLAUST,Nanjing Jiangsu 210007,China;)

Trunking Communication plays an important role in dispatching and disaster relief.At present, the coverage of ground cluster communication network is limited,thus the network coverage may be exceeded in the treatment of some emergencies.Relying on the mobile satellite communication unsensitive to the distance,the group call service function based on the GMR-1 standard could be realized,which would expand the coverage area of the trunking communication.This article studies the notification procedure in idle mode and the MES reduced NCH monitoring mechanism,proposes a solution of NCH configuration,and then calculates the traffic that would be supported.Compared with the existing GSM network communication,this mechanism has higher paging efficiency and larger users.

GMR-1;satellite trunking communication;voice group call service;NCH

TN91

A

1002-0802(2014)06-0630-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.06.010

陈姜晶子(1989—),女,硕士,主要研究方向为宽带交换、数字卫星集群;

2014-03-18;

2014-05-06 Received date：2014-03-18;Revised date：2014-05-06组呼是在GMR-1的基础上,通过增加组呼业务来实现数字集群功能。组呼话音业务(VGCS,Voice Group Call Service)定义了一种由多个用户参加,其中一部分用户可以讲话、多个用户收听的点对多点的语音通信方式。