卫星移动通信系统无线接入网模拟实现

祝婵婵，刘晨宇，顾少龙，骆 盼

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2.电子科技大学，四川 成都 611731)

卫星移动通信系统无线接入网模拟实现

祝婵婵1，刘晨宇2，顾少龙1，骆 盼1

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2.电子科技大学，四川 成都 611731)

根据我国卫星移动通信系统的发展趋势，借鉴地面移动网络管理与运维技术思路，开展卫星移动通信系统网络管理与运维技术的研究很有必要。信关站无线接入网模拟技术实现卫星移动通信系统模拟信关站无线接入部分的协议处理功能，包括业务和信令。无线接入部分主要包括模拟物理层、模拟RLC/MAC层和模拟无线资源控制RRC层，完成终端的接入和无线资源管理过程。实现的协议栈模拟软件参考GMR-1 3G系统框架展开研制，能够有效地模拟载波、时隙和信道的分配过程，且能够与模拟核心网设备交互，是卫星移动通信验证测试系统的重要组成部分。

卫星移动通信；信关站；无线接入；模拟技术

0 引言

具有自主知识产权的卫星移动通信系统相关技术的研究和设备的研制在我国是首次开展，整个系统以地面先进移动通信系统为参考展开设计，具有基础差、新技术多及研发难度大等特点[1]。信关站无线接入网模拟设备是模拟无线空中接口的核心节点，主要实现卫星移动通信模拟信关站无线接入网部分的协议处理功能，并提供与模拟业务源的数据接口，同时提供信令和业务的后端交互接口，配合卫星移动通信系统验证平台实现关键技术的演示和验证。

1 卫星移动通信系统

作为一种国家关键的基础通信设施，以及全球移动通信的有机组成部分，卫星移动通信系统在国家安全、紧急救援、互联网、远程教学、卫星电视广播及个人移动通信等方面得到了非常广泛的应用[2]。新一代卫星移动通信系统可以提供个人电信业务、多信道广播和互联网的远程传送，是全球无缝个人通信、互联网空中高速通道的必要手段。近年来随着地面移动通信的飞速发展，卫星移动通信系统也向着3G架构迈进[3]。

卫星移动通信系统网络结构[4-6]如图1所示，类似于传统的UMTS架构，也划分为2部分，即无线接入网络(RAN)和核心网络(CN)。不过，无线接入网络在这里被命名为GEO卫星无线接入网络(即GSRAN)，引入了在GEO轨道的空间段卫星[7]。GSRAN包含卫星转发器、信关站节点和信关站网络控制器，GSRAN整体上起着地面蜂窝移动通信系统中UTRAN的作用。核心网络(CN)同样划分为电路域和分组域，主要包含传统的功能实体，如归属位置寄存器、访问位置寄存器、移动交换中心服务器、GPRS业务支持节点、GPRS网管支持节点等[8]。

图1 卫星移动通信系统构成

2 模拟无线接入网分析

根据整个系统标准以及模拟系统整体要求，信关站无线接入网模拟设备与系统其他网元模拟终端、模拟核心网之间的关系如图2所示。

模拟无线接入网的功能是实现卫星移动通信系统无线接入部分[9]的协议处理功能，在模拟核心网、模拟终端及模拟业务源之间传输业务、信令和测试验证数据，配合实现卫星移动通信系统关键技术的演示和验证。以接入网空中接口协议栈链路层以上与传输相关的协议为主要模拟对象，采用通用软件平台实现相关处理。具体包括：

① 卫星移动通信空中接口协议栈的软件设计技术；

② 终端接入和数据传输流程的模拟技术；

③ 网络无线资源管理、调度流程的软件模拟技术。

图2 模拟系统网络架构

3 模拟无线接入网设计

按照模拟系统的协议及流程设计，模拟无线接入网主要由模拟层一层二处理模块、模拟无线资源管理调度模块、信令处理模块、业务处理模块和IP对外接口模块等构成，如图3所示。

图3 模拟无线接入网组成图

3.1 模拟层一层二处理模块

由于该模拟无线接入网中没有模拟物理层过程，换而代之的是采用IP协议传输，因此该模块主要完成原系统中层1和层2的相关功能，主要包括数据的物理传输、数据的分段与重组、数据错误重传等，除此之外还要实现与RRC层以及用户应用层之间的数据交互接口。

3.2 模拟无线资源控制模块

无线资源控制模块属于控制平面，终端和基站控制器之间的控制信令主要是无线资源控制层消息，控制接口管理和对低层协议实体的配置。主要完成的功能有：接入层控制、系统信息广播、RRC连接管理、无线承载管理、RRC移动性管理、无线资源管理、寻呼和通知、高层信息路由功能、加密和完整性保护、功率控制、测量控制和报告等[10]。

RRC层通过业务接入点向高层提供业务。在终端侧，高层协议使用RRC提供的服务，在基站控制器侧无线接入网络应用部分使用RRC提供的服务。所有的信令(移动性管理、呼叫控制、会话管理等)都被压缩成RRC消息在空中接口传送。

3.3 模拟信令处理模块

模拟信令处理模块完成信令处理、呼叫处理和资源管理等功能。信令控制软件运行在主控硬件平台上，由连接控制、管理调度、无线资源管理、业务控制单元构成。连接控制单元负责完成连接控制和移动性管理等功能；无线资源管理单元负责无线资源的调度分配；业务控制单元负责控制业务处理；管理调度单元协调主控处理器的所有软硬件资源，并且通过管理接口接收管理中心的管理[11]。

处理器模块采用多核处理器，以满足无线资源管理调度算法和连接控制状态机等应用的高速运算处理要求，支持多任务并发操作；采用嵌入式操作系统在中断处理机制、任务调度抢占及内存管理等方面满足实时性的要求。

信令处理流程如图4所示。模拟终端发起信令建立流程，接入模拟信关站无线接入网，而后通过IP网络到达核心网模拟设备，核心网模拟设备对信令进行处理并做出响应。

图4 信令流程

3.4 模拟业务处理模块

模拟业务处理模块主要完成模拟话音、模拟短消息的处理。业务数据是指本系统内模拟终端或业务仿真平台之间的数据交互，其数据流程如图5所示。

图5 业务流程

4 模拟实现及结果分析

根据整个系统要求，搭建模拟信关站无线接入网与其他模拟设备的验证环境，并定义接口如图6所示。

图6 模拟系统示意图

A接口：模拟终端与模拟信关站无线接入网之间的接口，用来与模拟终端进行信令和业务数据的交互。

B接口：该接口用于把模拟信关站无线接入网本身的状态以及模拟终端的状态上报到监控平台。

C接口：该接口用于把RRC层解析出的非接入层信令发送到模拟核心网，同时接收模拟核心网的非接入层信令，并承载在RRC层上，处理Iu接口协议。

D接口：模拟核心网与业务仿真平台之间的接口，用来向业务仿真平台发送来自模拟终端的业务数据，包括话音、短消息和分组数据等。

搭建好卫星移动移动通信系统的仿真平台，主要从以下几个方面对模拟无线接入网的性能进行验证：

① 卫星移动空中接口协议栈的模拟

空中接口协议栈模拟层一、二功能；

空中接口协议栈模拟无线资源控制部分；

② 终端接入和数据传输流程的模拟

用户接入过程的模拟，包括广播、寻呼以及随机接入等信息的生成、传输和处理；

用户业务、信令传输过程模拟，包括话音和短消息业务、信令传输信道的请求和分配过程。

③ 网络无线资源管理、调度流程的模拟

模拟传输信道资源池的构造和维护；

模拟实现业务的接纳控制以及信道资源的分配、调度功能。

验证结果显示模拟信关站无线接入网可以支持10路模拟终端同时在线，支持5对模拟终端话音业务同时并发。模拟终端可以在模拟信关站无线接入网正常接入，模拟业务能收发一致，监控状态完整，模拟核心网正常应答。信关站无线接入网能够实时地处理终端的业务和信令，与核心网配合实现业务的接纳控制以及信道资源的分配、调度功能。

5 结束语

信关站无线接入网模拟技术系统的设计，依照卫星移动系统通信标准的设计规范，有效模拟了终端通过卫星移动通信网络接入模拟核心网的信令、业务接续过程，能够有效地模拟载波、时隙、信道的分配过程，且能够与模拟核心网设备交互，是卫星移动通信系统验证测试的重要组成部分。相关卫星移动通信协议栈模拟软件作为移动系统核心技术，国内尚无研制基础，为我国卫星移动通信系统的工程实现提供了有效的技术参考。

[1] 任军强，李杨.GEO卫星移动通信系统信道分配策略研究[J].航天器工程，2006,15(1)：18-24.

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[3] 张俊祥.卫星通信发展展望[J].无线电通信技术，2012,38(4)：1-4.

[4] 陈振国，杨鸿文，郭文彬.卫星通信系统与技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.

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[6] 王燕.利用宽带卫星网接入因特网[J].电信快报，2003(1)：36-38.

[7] 吴建军，程宇新，郭健，等.基于3G兼容技术的GEO卫星移动通信系统网络架构方案[C]∥中国卫星通信发展研讨会.天津：2009：382-389.

[8] 孙宇彤.WCDMA空中接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[9] 谷聚娟,张亚生.宽带卫星网络用户的移动性研究[J].无线电工程,2016,46(6):9-12.

[10] 3GPP TS25.331V3.4.1:IMT-DS FDD(WCDMA) System Radio Interface Layer 3 Technical Specification:RRC Protocol[S],1999.

[11] 班亚明,李斌成,乐强.卫星通信系统中网管信令传输优化及仿真[J].无线电工程，2017，47(7)：5-9.

SimulationofWirelessAccessNetworkinSatelliteMobileCommunicationSystem

ZHU Chan-chan1,LIU Chen-yu2,GU Shao-long1,LUO Pan1

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 2.University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu Sichuan 611731,China)

According to the development of satellite mobile communication systems,it is necessary to study the network management,operation and maintenance technology of satellite mobile communication system based on the idea of ground mobile network management,operation and maintenance technology.The simulation technology for the wireless access network of gateway station is used to realize wireless access protocol processing functions of simulation gateway station of satellite mobile communication system,including service and signaling.The wireless access part mainly includes analog physical layer,analog RLC/MAC layer and analog RRC layer for terminal access and wireless resource management process.The implementation of protocol stack software which refers to GMR-1 3G system framework,can effectively simulate the allocation process of carrier,time slot and channel,and and simulate the interaction with the core network equipment.It is an important component part of the verification and testing system of satellite mobile communication.

satellite mobile communication;gateway station;wireless access;simulation technology

TP391.4

A

1003-3114(2017)06-24-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.06

祝婵婵，刘晨宇，顾少龙，等.卫星移动通信系统无线接入网模拟实现[J].无线电通信技术,2017,43(6):24-27.

[ZHU Chanchan,LIU Chenyu,GU Shaolong,et al.Simulation of Wireless Access Network in Satellite Mobile Communication System[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):24-27.]

2017-07-12

国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA01A509)

祝婵婵(1988―)，女，工程师，主要研究方向：通信与信息系统、卫星移动通信。顾少龙(1988―)，男，工程师，主要研究方向：通信与信息系统、卫星移动通信。