卫星集群IP多播组呼业务协议研究*

程珂珂，徐子平

(1.解放军理工大学 通信工程学院研究生3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IP多播组呼业务协议研究*

程珂珂1，徐子平2

(1.解放军理工大学 通信工程学院研究生3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)

现有集群通信覆盖范围有限，为实现全方位集群通信，提出将卫星通信与集群通信相结合。以TETRA为例，分析了现有国内外集群通信系统集群业务的实现方式。针对电路域集群，提出实现分组域多媒体集群。为更利于工程实现，提出了基于MBMS技术的卫星集群IP多播组呼业务协议流程，并分析了实现中需要解决的关键问题及解决方案。该方案将为卫星移动通信集群业务的发展提供新的方向。

卫星集群；分组域； MBMS；IP多播

0 引 言

集群通信系统(Trunking Communication System)，即无线专用调度通信系统。用户通过集群通信系统可共享资源，获得高效、廉价的优质服务[1]。目前市场上的主要集群通信系统有iDEN、TETRA、华为的GT800 和中兴的GoTa 。现有集群通信系统都是通过基站互联实现集群通信，而基站覆盖范围有限，覆盖半径一般为10 km～30 km，若想扩大通信范围只能通过增加基站数的方式，因此该项技术只适用于用户密集区域，并不适用于我国沙漠、高原等边境地带。

近年来，宽带通信卫星因其特有的优势而得到迅猛发展。卫星通信覆盖范围大、通信距离远、不易受自然或人为干扰、通信稳定可靠[2]。卫星通信不仅能作为大型地面站之间的远距离通信干线，而且可以为机载、舰载和地面部队的小型机动终端站提供通信。因此，其特别适合抗震救灾、海洋搜救等大范围区域作业[3]。

因此，根据集群和卫星通信各自的特点，将这两项技术相结合，提出利用卫星网络平台，实现集群业务。根据GMR-1(GEO-Mobile Radio interface )地球同步轨道移动无线接口3G标准，扩展卫星移动通信集群功能。这样既充分利用了卫星覆盖区域大的优势，而且还不需要建立地面集群基站，只需扩充信关站和核心网功能，就可以更好满足用户的指挥调度需求。

1 集群技术现状

2000年12月，《数字集群移动通信系统体制》行业推荐标准颁布，并参照国际标准TETRA 和美国国家标准iDEN，分别确定了体制A和体制B两种集群通信体制。2004年11月，《基于GSM技术的数字集群系统总体技术要求》和《基于CDMA技术的数字集群系统总体要求》两个通信标准参考文件先后颁布[4]。

集群可以分为电路域集群和分组域集群。电路域集群是指电路域上的实体控制与呼叫相关的集群业务，且为之分配独立的业务信道。因电路域信道资源有限，因此有很大的局限性。分组域集群是指集群业务数据均以IP包封装，使用IP地址寻址传送，相对电路域集群，支持业务种类增多，信道利用率大幅提高。在现有的集群通信系统中，所有的国际国内流行标准都是基于电路域的话音集群方案。现以TETRA为例介绍电路域集群。TETRA系统的V+D(语音加数据)空中接口协议基于OSI分层模型，该协议对应OSI七层模型中的下面三层，较高层的功能应在用户终端实现[5]。空中接口协议总体结构如图1所示：

图1 TETRA空中接口协议结构

重点说明网络层，MLE负责MS到BS之间链路建立与维护，MM处理与无线终端移动相关的业务。CMCE主要处理基于电路方式的基本业务与补充业务。SNDCP处理分组数据业务。TETRA的集群业务是通过CMCE控制实现的。

话音组呼业务是集群标识性业务，也是最重要的一个功能。组呼呼叫接续速度快、占用资源少，能够处理很多实时性多用户参与业务。从图1可知，现行的集群组呼方案本质上还是在电路域上处理语音业务，没有实现分组域的组呼。其分组域业务只是建立用户端到端的连接，为一个用户提供分组域业务，并没有实现多个终端之间的话音，数据业务共享。随着移动通信网的宽带化发展，人们的需求越来越高，电路域集群已不能满足市场需求，需要考虑在分组域上实现多媒体集群。

2 分组域 IP多播集群

集群IP多播组呼业务，是多媒体集群的重要组成部分。现今与我们的研究最接近的技术就是“微信”业务。微信实际使用的技术为分组域会议技术。参加微信的每一个用户从终端到微信服务中心建立一条虚连接，这条虚连接使用了分组域的一个无线数据协议协议，即3GPP提出的PDCP“Packet Data Convergence Protocol”分组数据汇聚协议。这个协议的实质是让移动用户透明连接到IP网络，当微信中心向一组N个移动用户发送同一内容的IP报文时，需要向N个终端发送N次，造成了无线电空中接口资源的大量消耗。由于地面网络小区采用蜂窝设置，又有足够的无线资源，微信业务得以普及。但如果在卫星分组信道上使用微信类似业务，将会引起极度的资源消耗，甚至引起系统阻塞或过负荷[6]。

卫星分组域的技术来源于地面网络，地面网络从2G发展到3G和4G时，原来在2G网络上的电路业务，在3G和4G时改由分组域提供，而目前任何一代的分组域都不提供IP集群组播服务。不过，3GPP为了提供多播服务，提出了多媒体广播多播技术MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service)。这个业务的目标是向移动手机提供电视服务。因此，MBMS是一个单向广播业务，标准从2008年开始提供。由于MBMS是一个单向业务，移动用户在上行信道上请求业务信息由分组域的其它手段配合使用，不属于MBMS的标准范畴。MBMS也不支持组通信，即一组用户中任一用户发送业务，其它组用户接收的这类业务。MBMS的组播用户不能任意动态重组，由系统根据用户签约协议，向所有签约用户广播多媒体业务[7]。

近几年有研究提出建立LTE集群或TD-SCDMA集群，然而该集群方案本质上还是电路域集群，并不支持分组域组播服务。从现有基站建设情况来看，并不具有普及应用的基础。

综合考虑后，认为MBMS是一个可以借鉴的适合于卫星集群分组域IP多播组呼通信的协议，虽然其应用对象为移动电视业务，但在下行方向上已经实现了资源广播共享。MBMS没有考虑上行随机接入，因此，在下行方向上也缺乏上行信道争用仲裁信息。通过对MBMS的研究，提出增补或改进措施，进行功能上的扩展，最终实现分组域IP多播组呼通信。

3 卫星集群IP多播组呼业务

卫星集群IP多播组呼通信，并没有可以采用的实际方案。为实现该课题，决定在卫星移动网络分组域上，通过对MBMS协议增补扩展实现，现命名该集群多播组呼服务为GMBMS(Group MBMS)多媒体广播多播组呼业务。

3.1 卫星集群IP组播组呼业务架构模型

MBMS提供点到多点的承载服务，多播或广播应用可以使用这种承载服务从数据源给多个移动接收端高效的传输数据。MBMS支持IPV4和IPV6多播数据的传输。

图2 MBMS参考结构

上图中BM-SC(Broadcast/Multicast Service Centre)广播/多播服务中心是内容提供商在公共陆地移动网PLMN(Public Land Mobile Network)中提供MBMS服务的接入点。分组域集群组呼其核心技术是实现分组域上组播通信服务。分组域组播服务是一种以组播IP地址为目的寻址的分组业务。由任意多个具有单播IP地址的移动台组成一个组，实现IP组播业务时，同一组具有相同组播地址的不同单播地址的移动台守候在同一个分组无线信道上，组呼发送方移动台以组呼服务器的单播地址为目的地址、以本移动台的单播地址为源地址发送信息。网络设置组播路由器进行组播服务，设置集群组呼服务器处理组呼业务。在此设置BM-SC为组呼服务器，网络中的GPRS支持节点SGSN，GGSN为组播路由器。整个网络的实体结构基本不变，更利于工程实现。

3.2 组呼服务器GBM-SC结构

为实现卫星集群IP多播组呼，对原有MBMS系统进行一系列功能扩展。对BM-SC，其大致结构保持不变，但在内容和功能上加以丰富，建立广播/多播组呼服务中心GBM-SC(Group Broadcast/Multicast Service Centre)。

图3 GBM-SC结构图

从图3可知，GBM-SC功能包括：

(1)多播组成员功能，负责集群用户的登记和管理，能为申请多播服务的用户提供鉴权和认证。

(2)会话和传输功能，负责集群用户会话的调度，负责请求建立和释放网络中特定GMBMS会话所需的承载资源。

(3)代理和传输功能，是一项承载服务功能，它允许GBM-SC和GGSN之间进行服务数据交换和必要的控制信令交换。

(4)服务声明功能。它负责集群用户服务的申明，向UE发出即将开始会话的信息，如一个新会话组成员的多播组标识和多播地址。

(5)安全性功能，提供各种完整性和保密性服务功能。

为实现卫星集群IP组播，卫星移动通信网中的许多实体需要进行功能扩展。如GBM-SC为组播服务器，进行组呼标识(也就是组呼号码)和多播地址转换。GGSN中不仅要存储用户的IMSI(International Mobile Subscriber Identity 国际移动用户标识符)、IP地址，还要存储当前集群组呼多播地址。归属位置寄存器HLR(Home Location Register)也要进行扩展，能够登记不同SGSN下分属于不同多播组的集群用户数目。集群移动台上要存储其可以参与的集群组组号，可以申请发起呼叫业务的权限等。

3.3 IP多播组呼会话发起流程

一个集群用户申请发起一个集群组呼业务，其大致流程如图4所示：

图4 IP多播组呼会话发起流程

(1)该集群用户首先拨号向GBM-SC，也就是说向GBM-SC进行单播呼叫(每个集群用户都存储有GBM-SC的IP地址)。

(2)GBM-SC收到该呼叫，对发起申请的集群用户进行鉴权，查看当前集群通信情况和无线资源的使用情况，以决定是否接受该呼叫。GBM-SC向GGSN发起组呼查询请求，请求中携带申请发起的组呼标识，GGSN查询HLR得知该组呼对应用户所在SGSN，GGSN再向SGSN发起资源查询请求。

(3)SGSN查看无线资源分配情况，若无充足的无线资源，SGSN拒绝该请求；若有无线资源可分配，SGSN分配组呼业务信道，并将信道频点和时间参数发给GGSN，GGSN告诉GBM-SC。

(4)若GSM-SC收到信道资源分配信息，则通过该呼叫，并进行组呼号码与多播地址的转换，并在通知信道中通知，通知消息携带三个信息：组呼标识，多播地址、业务信道参数。

(5)该通知消息通过GGSN时，GGSN登记或变更集群组呼多播地址，开始在网络中建立从GBM-SC到各个小区的多播树。传播路径中每个节点都维护有下游节点的名单、组呼标识、服务质量QoS(Quality of Service)等信息。

(6)该组呼呼叫的集群用户收听到该消息后，变更自身的多播地址，进入组呼信道，开始收听业务信息，组呼会话开始。

4 关键技术

4.1 组呼信道的设置

发起一个IP组播会话时，需要向所有参与方发送邀请信息，所有参与方能够快速接收这个邀请信息。因此，需要新增一个组播通知信道，定义为通知信道NCH，NCH信道是一个系统广播信道，不需要组用户接收确认。GBM-SC在组播通知信道指配组播业务信道资源。组播通知信道作为公共控制信道，并不参与组播IP业务传送，组播业务在组播业务信道进行。组播通知信道需要在组播期间周期性发送通知消息，使得后续开机的用户进入集群组播业务信道。还有一种情况，就是已经进入业务信道的集群用户怎样收听通知消息，并怎么处理，也就是迟入，也是后续可以深入研究的问题。

参与集群的用户在通知信道中收听组播通知消息。每个集群用户均有一个共同的多播地址，GBM-SC发送通知消息，通知消息就以该公共多播地址为目的地址，每一个集群用户均可收到，这样可以减少以广播地址发送通知消息造成的信息洪泛。

4.2 组播业务信道竞争和共享

当任何集群组播参与方从组播通知信道获取组播业务信道的频率和时间参数以后，进入组播业务信道。组播业务信道是一个共享信道，所有参与方通过下行信道收听广播型业务信息。任何参与方可竞争上行信道，向全组发送业务信息。这里涉及到信道竞争协议和方法、信道占用方的卫星时基调整、分组业务传送协议、信道资源的动态调整、信道释放等技术内容。

如组呼业务传送期间，需要考虑如何进行组呼发送方的转换：当组呼讲话方释放组呼上行信道时，讲话方用户在上行信道上发送“UPLINK RELEASE”消息，表明讲话完毕。网络收到讲话方上行信道的“UPLINK RELEASE”消息以后，在组呼信道的下行信道上向所有组呼移动台发送“UPLINK FREE”消息，表明上行信道空闲，允许新的讲话方使用上行信道。

当网络成功收到一个“UPLINK ACCESS”消息以后，在组呼信道的下行信道上发送“UPLINK GRANT”或“UPLINK BUSY”消息，用于告知竞争成功用户可以使用上行信道，其它用户不再进行竞争，直到再次收到“UPLINK FREE”消息为止。

还有一些问题有待于进一步研究，比如组呼号码和标识如何定义；组呼与单呼或与公共交换电话网PSTN(Public Switched Telephone Network)的互联互通；无线链路控制RLC(Radio Link Control)层一对多的关系等。

5 结束语

随着移动通信网的迅速发展，人们的需求越来越高，而现存的集群通信系统因其技术体制上的限制，已不能满足人们的需求。为实现多媒体集群和全方位通信，必须寻求新的解决办法。本文基于MBMS技术，提出卫星集群IP多播组呼业务实现方案，后期可以继续深入研究如无线资源的分配、逻辑信道和物理信道的映射等问题。该方案相比现有的LTE集群和TD-SCDMA集群具有更广阔的发展和应用空间。希望本文的研究可以为未来实现卫星分组域集群研究打下理论基础。

[1] 郑祖辉,陆锦华,郑岚.数字集群移动通信系统[M].第二版.北京：电子工业出版社,2005. ZHENG Zu-hui, LU Jin-hua, ZHENG Lan. Digital Trunking Mobile Communication System[M]. Second Edition, Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2005.

[2] 李国彦,张合庆.协作通信技术在卫星移动通信中的应用[J].通信技术,2015,48(01):56-60.

LI Guo-yan, ZHANG He-qing. Application of Cooperative Communication Technology in Satellite Mobile Communication [J].Communications Technology, 2015, 48(01):56-60.

[3] 张更新，谢智东，谭哲.卫星通信的发展现状及产业发展综述[J].数字通信世界，2009(9):24-30. ZHANG Geng-xin, XIE Zhi-dong, TAN Zhe. Development Status of Satellite Communication and Review of Industry Development[J]. Digital Communication Word, 2009(9):24-30.

[4] 数字集群移动通信系统体制[S],中户人民共和国电子行业标准.SJ/T1 1228-2000. The System of Digital Trunking Mobile Communication System[S],Electronic Industry Standard of the People′s Republic of China.SJ/T1,1228-2000.

[5] ETSI EN 300 392-2. Terrestrial Trunked Radio (TETRA) Voice plus Data (V+D) Part 2: Air Interface (AI). 2007(6):186-210.

[6] 夏良荣.探究微信技术架构及安全漏洞和防范技术[J].信息安全与技术,2014(9):82-84. XIA Liang-rong. Study on the Technology of Architecture Micro Message and Security Vulnerabilities and Prevention Technology [J].Information Security and Technology.2014(9):82-84.

[7] Robert Rummler,Alexander Gluhak, Hamid Aghvamia.Multicast in Third-Generation Mobile Networks:Services,Mechanisms and Performance[M].John Wiley &Sons Ltd,2009:79-83.

Group-Calling Service Protocol of Satellite Trunking IP Multicast

CHENG Ke-ke1, XU Zi-ping2

(1.Postgraduate Team 3 CCE, PLAUST, Nanjing Jiangsu 210007,China;2.College of Communication Engineering, PLAUST, Nanjing Jiangsu 210007,China)

Due to the limited coverage of existing trunking communication, and for achieving full trunking communication, a method to combine satellite communication and trunking communication is proposed. With TETRA as an example, the implementation of trunking system both at home and abroad is analyzed, and aiming at circuit-domain trunking, packet domain multimedia trunking also presented. Moreover, for being more conducive to project implementation, this paper proposes group-calling service protocol of satellite trunking IP multicast based on MBMS technique, and discusses the key problems and solutions during implementation. This scheme would provide a new orientation for the development of satellite mobile communication trunking service.

satellite trunking; packet domain; MBMS; IP multicast

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.016

2015-02-03；

2015-04-08 Received date:2015-02-03；Revised date：2015-01-08

TN91

A

1002-0802(2015)05-0589-05

程珂珂(1991—)，女，硕士，主要研究方向为宽带交换、卫星集群通信；

徐子平(1959—)，男，硕士，教授，主要研究方向为宽带交换。