海事卫星手持机关口站无线接续系统的研究

海事卫星手持机关口站无线接续系统的研究

方飞余跃

（中国交通通信信息中心北京100094）

海事卫星手持机（GSPS）由于价格便宜、使用方便，被广泛应用与地面网络无法覆盖的沿海渔区和边远地区。中国于2014年开始建设海事卫星手持机国家关口站，并于2015年投入使用，论文将通过介绍GSPS系统网络架构、GSPS系统使用的GMR-2+空口技术、关口站的组成及通信流程等对手持机关口站无线接续系统进行研究。

海事卫星；手持机；关口站；GMR-2+

Class NumberTN927

1 引言

海事卫星手持机（Global Satellite Phone Service）是由移动卫星通信运营商Inmarsat于2010年6月发布的一款全球卫星电话，它通过3颗位于同步轨道的卫星覆盖全球。Inmarsat第四代卫星网络在全球一共有4个接续地面站，北京手持机关口站作为其中唯一的国家性关口站为中国区域提供服务。关口站作为整个卫星通信网络中的重要组成部分，起到了至关重要的作用。

2 GSPS网络架构

GSPS通信系统是由Inmarsat第四代星、网络控制关口站（Network Control Center Gateway（NCC-GW））、国家关口站（National Gateway（NGW））及手持机终端等元素组成，实现手持机终端与陆地网络的互通。GSPS所提供的服务包括2.4Kbps语音、2.4Kbps数据、2.4Kbps传真、短信、定位、紧急呼叫等。

第四代海事卫星［1］的三颗卫星基本覆盖了全球除南北极部分区域外的所有区域，这三颗卫星在轨位置分别为：亚太卫星（I-4F-1）为东经143.5°，主要覆盖亚洲和西太平洋；Alphasat为东经25°，主要覆盖中东、欧洲和非洲；美洲星（I-4F-3）为西经98°，主要覆盖美洲、大西洋及东太平洋。每颗卫星与一个NCC-GW（Network contorl center GateWay）连接并提供GSPS业务，分别位于新西兰的Auckland NCC-GW、意大利的Ficino NCC-GW及美国夏威夷的Paumalu NCC-GW，亚太卫星下除了NCC-GW外，还有位于北京的国家关口站。

每颗Inmarsat四代星有19个区域波束及150个点波束。这些区域波束和点波束可以理解为GSM移动通信中的蜂窝，把有限的频谱资源划分成多个不重叠的组，然后以规则的重复模式把它们分配到六角形蜂窝网络中实现频率再利用。区域波束可以看成一个大的点波束，在每个区域波束中包含多个点波束，区域波束的每个载波分配50kHz的频率，只能用于信令不能用于业务，包括公共控制信道（S-CCCH）和广播信道（S-BCCH）［2］。点波束的每个载波分配200kHz的频率，既可以用于信令也可以用于承载业务，每个200kHz载波可提供64路专用控制信道（S-DCCH）或32路1/4速率业务信道（TCH/QR）或16路半速率业务信道（TCH/ HR）。为了更好地分配卫星资源，在使用过程中点波束有三种形态：长亮的、被点亮的及未被点亮的。

NCC-GW的主要功能包括：区域波束和点波束的信道建立和控制、呼叫信令的管理、与终端间的信令交互等。

国家关口站（NGW）需与NCC-GW相连，在Inmarsat网络中北京国家关口站与Auckland NCC-GW相连，NGW建立的每一个呼叫都需要由NCC-GW管理和分配，NGW的主要功能是管理在NGW建立呼叫的业务信道（TCH）。

在GSPS网络中，终端与卫星间使用L波段频率［3］，卫星与NCC-GW或NGW间使用C波段频率，NGW和NCC-GW间使用了陆地专线。GSPS系统亚太星网络结构如图1所示。

图1 GSPS系统亚太星网络结构

3 GMR-2+空口技术

GMR（Geostationary Earth Orbit Mobile Radio interface）是欧洲电信标准委员会ETSI（European Telecommunications Standards Institute）制定的地球同步卫星移动通信标准，该标准是由3GPP地面蜂窝标准（Version 6）衍化而来，支持接入地面的全球移动通信系统（GSM）和通用移动通信系统核心网［4］（UMTS）。

在GMR演进过程中分成了两条支线，分别是GMR-1［5］和GMR-2。GMR-2标准模仿了GSM标准［6］，在物理层以上的信令协议结构与GSM非常类似，信令协议分为三个层，分别是物理层、数据链路层、应用层［7］。层与层间的信息交互通过具有特殊编码格式的原语（Primitive）来实现。

GMR-2+标准是在GMR-2标准的基础上进一步演化，GMR-2+协议被应用与Inmarsat GSPS系统。GMR-2系统协议结构如图2所示。

图2 GMR系统协议结构

物理层位于最底一层，与数据链路层和无线资源管理层有接口，传输透明的比特流。在GMR-2协议中物理层是指射频接口部分，主要负责服务接入并向数据链路层和应用层提供服务，功能有错误检测、加密、调制和解调等，还用于建立由无线资源管理层控制的专用物理信道，该信道用于检测通信质量，并将其传回无线资源管理层，物理层还用于Idle模式下的点波束选择。

数据链路层位于第二层，介于物理层和应用层之间，主要负责在终端和关口站间建立可靠的数据链路，由物理层为其提供服务并通过SAP（Service Access Point）向应用层提供服务，该层的MU（Message Unit）通过物理层进行传递。GMR-2系统在链路层使用由LAPD协议演化而来的LAPDm协议［8］，该协议通过Dm信道在物理层和应用层间传递信息，支持S-BCCH、S-DCCH、S-PCH（Paging Channel）、S-HPACH（High Power alerting Channel）、S-AGCH（Access Grant Channel）等信道［9］。

应用层位于第三层，被划分为三个子层：无线资源管理层（RR）、移动性管理层（MM）、接续管理层（CM）。

无线资源管理层与无线子系统对接，负责建立和释放控制信道及控制数据传输。

移动性管理层与MSC对接并在无线子系统中利用DTAP过程［10］对来自和发至终端的数据进行透明传输。移动性管理过程可以划分三种不同类型：

1）MM公共过程，该过程用于网络初始化、鉴权和标识；

2）MM特殊过程，该过程用于标准的位置更新及周期性更新（由终端侧控制）；

3）MM连接管理过程，这一过程用于在终端和网络间建立、保持和释放一个MM连接。

接续管理层与MSC对接，包括由CC组成的实体，其中有与呼叫有关的附加业务、短信及与呼叫无关的附加业务支持。

4 无线接续系统的主要接口

GSPS系统采用了GMR-2+技术，空中接口使用的是Um协议（采用FDM/TDMA）［11］。关口站无线接续系统的主要接口包括无线接续系统与射频系统间的L波段接口，无线接续系统与核心网间的A接口，以及与Inmarsat网络间的Inmarsat接口。

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，用于业务数据的传送。北京关口站的上行发射链路使用左旋极化方式，信道设备（CE）发送70MHz信号通过3个上变频器转化为带宽为150MHz，频率在1.4GHz附近的信号，并送至RFS系统，上变频器将接收到的信号转化为3个40MHz带宽的子频率。北京关口站下行接收链路使用右旋极化方式，RFS系统将接收到的带宽为150MHz，频率在1.4GHz附近的信号通过4个下变频器转化为70MHz的信号，然后送至信道设备（CE），下变频器将接收到的信号划分成5个子频段，每个频率带宽为20MHz。

A接口是无线接续系统和核心网间的通信接口［12］，用于通信信令，在E1中继传输64Kbps的脉冲编码调制信号，链路层采用No.7信令系统，网络层由MTP3和信令连接控制部分（SCCP）组成。

Inmarsat接口主要通过DCN网络与Inmarsat网络连接［13］，接口包括：与Inmarsat全球资源管理（GRM）间的接口，用于管理请求和释放卫星资源；与Inmarsat网络管理系统（INMS）间的接口通过SMNP协议来获取配置和状态信息，监控系统的资源利用和告警情况；与空口监控系统（OAMS）间的接口通过获取实时的关口站空口通信数据用于业务分析和故障排查；与NCC-GW间的接口用于NCC-GW和NGW间的传输，完成NGW资源请求，NGW和NCC-GW间的信令传输等。

5 无线接续系统的组成

无线接续系统主要由关口站控制器（GSC）、信道单元（CE）［14］、中频（IF）、媒体网关（MGW）、网络同步设备（NS）等硬件设备组成。无线接续系统组成如图3所示。

图3 无线接续系统组成

在关口站无线接续系统中，GSC是GSPS系统的控制单元，用来控制和管理无线接续系统；CE用来发射和接收中频信号，并且对信号进行调制和解调；IF是用于对接信道单元及射频子系统，对发射和接收信号进行频率转换；MGW与核心网MGW对接，为GSPS无线子系统与核心网间提供接口；NS用于为时分多址的射频信号提供特有的同步时钟信息。

GSC负责对GSPS系统的所有设备进行控制和管理，生成和处理的消息包括NGW的呼叫建立、操作和维护消息以及NGW与外部接口的交互消息。GSC每秒处理呼叫最高可达109个，同时每秒可处理的消息达5259个。GSC的主要功能包括：呼叫进程控制、分配信道单元的信道、网络管理。

信道单元（CE）负责时分多址信号的收发并对信号进行调制解调，GSPS系统主要是通过GRB板进行信道处理，GSC通过GRB板对信道资源进行分配和管理，信道单元的功能包括：处理通信及信令消息、发射和接收过程中的编解码和调制解调及加密解密、控制终端功率。

下行时CE接收经过TDMA/FDMA处理的信号，通过E1脉冲编码调制（PCM）将其由模拟信号转化为数字信号通过IP的方式送给核心网，上行时CE将数字信号转化为模拟信号送至射频系统。CE在上行时对语音进行了合成、卷积编码、交织和加密等处理，语音合成是通过声码器降低语音的比特率，将64Kpbs的语音通过AMBE或DVSI AMBE声码器过滤和压缩为3.6Kbps或2.4Kbps语音。卷积编码是将错误检测和校正添加到压缩语音中，使信道编码中通过声码器合成的语音数据受到无线的影响变小。交织是通过防止序列数据的丢失保护信号在多径效应中的丢失。加密是通过密钥和脉冲增强数据的安全性，通过加密序列对原始数据进行加密处理，在接收过程中，该加密序列将被再次使用是数据得到恢复。

CE都是由信道机框（CEG）、信道板（GRB）及时钟板组成，每个信道机框安装两块GRB板及一块时钟板，无线接续系统共有12个GRB板。GRB板主要是对信道进行处理，GSC通过GRB板对信道资源进行分配和管理。GRB每6.12s接收来自GSPS系统内部的同步脉冲信号及10MHz的参考信号。

IF的作用是在CE和射频间进行频率转换和分配及频率锁定。下行时IF接收来自射频系统的右旋圆极化方式的载波信号，并通过下变频器转换后分配给CE。上行时IF接收来自CE的左旋圆极化载波信号，并将其通过上变频器转换后分配给射频系统。

上行链路的4个可调节变频器用于将频率为70MHz的信号转化为频率在1350MHz～1500MHz间的信号，发射放大器用于保证送至射频系统的信号强度，矩阵开关用于上变频器间的切换。下行链路的3个可调节变频器用于将频率在1350MHz～1500MHz间的信号转化为频率为70MHz的信号，固定变频器用于将频率为70MHz的信号转化为频率为16MHz的信号送至CE，冗余开关用于下变频器间的切换。IF连接图如图4所示。

图4 IF连接图

MGW的主要作用是在信道设备和核心网间实现通信数据和信令消息的转换。其中信令是以SS7 MTP格式在一个或多个E1（G.703）的一个或多个时隙内传递，同时所有SS7 MTP3协议的消息会透明传递给媒体网关。MGW还通过来自GSC的消息对呼叫进行控制，包括呼叫建立、切换和拆线。

NS的主要作用是接收GPS天线的时钟消息用于无线接续系统内部同步，NS还提供10MHz的参考时钟用于上下变频器，同时用于CE生成参考时钟。NS只在手持机关口站内部进行同步，与其他关口站不进行同步。NS的主要功能包括：用于IF和CE的10MHz参考频率、为CE提供稳定的帧同步信号、作为NTP服务器为无线见许系统提供时间。

6 通信呼叫流程

海事卫星手持机终端呼叫包括接入、鉴权加密、业务信道分配、通信建立和释放等流程［15］。

UT作为被叫方接入Inmarsat卫星网络时需由主叫方发起寻呼请求（Paging），与HLR确认路由信息并将寻呼请求发至UT并由UT发起信道请求，而作为主叫方时UT直接发送信道请求即可。寻呼请求过程如图5所示。

图5 寻呼请求

NCC-GW接收到终端发起的信道请求，根据需求将其发送给对应NGW，NGW在有空闲信道的情况下向NCC-GW发送频率资源请求，NCC-GW收到后向GRM发送频率资源请求，NCC-GW将GRM分配的频率资源发送给NGW，NGW向NCC-GW发送资源分配确认，然后发送立即分配消息至UT，UT根据需要发送业务请求。UT接入NGW流程如图6所示。

图6 UT接入NGW流程

核心网在收到UT的业务请求后，为保证通信的安全性，核心网需对其进行鉴权和加密。鉴权的目的保护网路，防止非法盗用，而加密指在无线侧和UT侧交换信息和参数时不被监听。鉴权和加密过程如图7所示。

图7 鉴权和加密过程

加密完成后主叫方发送setup消息并得到被叫响应后，对业务信道进行分配。分配业务信道的请求是由核心网发起，然后将分配请求发送到NCC-GW，由其确定业务信道。在业务信道分配完成后，主叫方发送振铃，被叫方摘机建立连接，通信业务结束后，信道得到释放。业务信道分配如图8所示。

图8 业务信道分配

7 结语

本文通过研究第四代海事卫星手持机关口站无线接续系统的接口、组成和通信流程，还介绍了Inmarsat第四代卫星网络结构和GMR 2+空口技术，有助于更深入地理解Inmarsat手持机关口站无线接续系统，更好地为我国沿海渔业和地面网络无法抵达的偏远地区提供服务，同时对研发有自主产权的便携式卫星通信系统有参考意义，有利于我国卫星通信事业的发展。

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Radio Access Network of Inmarsat GSPS Gateway

FANG FeiYU Yue
（China Transport Telecommunications and Information Center，Beijing100094）

GSPS of Inmarsat is widely used for fishing vessels and no network signal areas for the cheap price and easy to use. China National Gateway is started construction in 2014 and put into use in 2015.The article researches the GSPS radio access network through the architecture of GSPS network，air interface technology of GMR 2+，component of GSPS NGW and the call flow.

inmarsat satellite，GSPS，gateway，GMR-2+

TN927

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.06.045

2016年12月9日，

2017年1月29日

方飞，男，工程师，研究方向：卫星通信。余跃，男，工程师，研究方向：卫星通信。