WIDESTAR II衛(wèi)星移動(dòng)通信方案研究

李佳立，余玉材，鄒光南，王 燕

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

自1996年開(kāi)啟語(yǔ)音服務(wù)的十多年以來(lái)，NTT DOCOMO移動(dòng)衛(wèi)星通信服務(wù)WIDESTRA系統(tǒng)基于二代移動(dòng)通信系統(tǒng)PDC為日本本土及其周邊海域提供服務(wù)。與此同時(shí)，蜂窩電話系統(tǒng)正在經(jīng)歷多樣化服務(wù)、信息及業(yè)務(wù)量激增的歷史性變革，而所有IP核心網(wǎng)絡(luò)也即將面臨更高通信速率的挑戰(zhàn)。因此，WIDESTAR II系統(tǒng)的研究目的在于以較高的傳輸速度提供傳統(tǒng)的服務(wù)而實(shí)現(xiàn)較高的通信利用率，并通過(guò)采用IP等通用技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)以及運(yùn)行過(guò)程[1]。

1 WIDESTAR II系統(tǒng)簡(jiǎn)介

WIDESTAR II系統(tǒng)組成圖如圖1所示，相對(duì)于傳統(tǒng)的WIDESTAR系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于[2-4]：

1）S-AP（衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)）合并無(wú)線處理功能

WIDESTAR II將傳統(tǒng)系統(tǒng)中的無(wú)線控制器、調(diào)制器、解調(diào)器合并為衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)（S-AP）。通過(guò)合并上述組件，無(wú)線控制與調(diào)制/解調(diào)器之間的接口交互操作轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備內(nèi)部處理過(guò)程，因此減低了無(wú)線資源分配、通信狀態(tài)分配、監(jiān)控設(shè)備等操作負(fù)載。

2）采用TDM和Turbo編碼提高信道利用率，以獲得高速傳輸

在WIDESTARII系統(tǒng)中通過(guò)采用TDM和Turbo編碼/譯碼方式擴(kuò)展了無(wú)線信道頻帶的利用率，從而提高數(shù)據(jù)通信的傳輸速率。同時(shí)，下行BE通信信道使用TDM方式允許多用戶靈活占用信道資源。

3）IP通信控制的融合與簡(jiǎn)化

設(shè)計(jì)了基于IMS及其他通用IP技術(shù)的基站以及移動(dòng)終端。其無(wú)線處理單元開(kāi)發(fā)基于現(xiàn)有WIDESTAR系統(tǒng)，上層處理單元的開(kāi)發(fā)基于GPRS 3G蜂窩數(shù)據(jù)包交換協(xié)議。可在現(xiàn)有設(shè)備中添加WIDESTAR II的特性功能作為核心節(jié)點(diǎn)，從而提高3G蜂窩系統(tǒng)的操作性能并壓縮軟件開(kāi)發(fā)成本。

4）降低通信控制時(shí)延

由于與地面通信系統(tǒng)的互聯(lián)會(huì)使往返控制信令交互增多，從而使高速信道過(guò)度占用而導(dǎo)致效率的下降。WIDESTAR II系統(tǒng)通過(guò)采用簡(jiǎn)化控制信令流程、使用消息池以及自適應(yīng)等方式來(lái)降時(shí)延，從而提高信道占用率。

由上可知，為了實(shí)現(xiàn)更好的傳輸速率與靈活的IP兼容技術(shù)，WIDESTAR II系統(tǒng)做了諸多改進(jìn)。在本文的后續(xù)內(nèi)容中，將針對(duì)WIDESTAR系統(tǒng)的通信機(jī)制進(jìn)行研究，分析、舉例驗(yàn)證了其在語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信過(guò)程中所采用的信道利用率提高以及控制時(shí)延降低策略。

2 系統(tǒng)通信方案研究

2.1 無(wú)線通信機(jī)制

圖1 WIDESTAR II系統(tǒng)組成圖Fig.1 WIDESTAR II system configuration

WIDESTAR II的調(diào)制解調(diào)以及接入方式繼承了傳統(tǒng)系統(tǒng)，調(diào)制解調(diào)采用QPSK調(diào)制解調(diào)方式，上行鏈路采用FDMA接入方式，下行鏈路采用FDM以及TDM接入方式。WIDESTAR II與WIDESTAR的無(wú)線性能指標(biāo)比較如表1所示。

下圖為WIDESTAR II系統(tǒng)中所使用的無(wú)線信道，由圖可知新系統(tǒng)新增用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硇诺烙袃煞N類型，分別為固定速率（64－k）的保障類型物理用戶信道（PUPCH－GR）和盡力而為的物理用戶信道（PUPCH－BE）。廣播信息信道屬于控制信道。

由于BE信道在移動(dòng)終端之間是共享的，且不能預(yù)留信道，因此WIDESTAR II系統(tǒng)針對(duì)此新增無(wú)線信道設(shè)計(jì)了信道分配及調(diào)度策略。

1）BE信道分配方法

在FPUPCH－BE信道中，僅當(dāng)呼叫傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)給每次呼叫分配一條信道（在呼叫最初連接時(shí)，S－AP將分配一條具有此次呼叫所需最小帶寬的信道，以便協(xié)調(diào)更多用戶）。在本系統(tǒng)中，移動(dòng)終端的發(fā)送是可變速率的，由S－AP根據(jù)每個(gè)終端站的需求以及載噪比（CNR）進(jìn)行分配，大小取決于前一條信道的使用率。以下給出兩個(gè)案例。

例一：當(dāng)分配的帶寬為144 kHz，用戶發(fā)送一個(gè)小額數(shù)據(jù)（比方說(shuō)發(fā)一個(gè)ping信息），下一時(shí)間被分配的帶寬就為64 kHz或更少，因?yàn)榍耙粋€(gè)帶寬使用率很低。

圖2 無(wú)線信道組成圖Fig.2 Types of radio channels

例二：當(dāng)帶寬只有37.5 kHz，而用戶發(fā)送了一個(gè)大包數(shù)據(jù)（比方說(shuō)FTP），下一次的帶寬分配將達(dá)到64 kHz或更多，由于上一次的帶寬使用率高。

如果S－MSs能夠確定帶寬需求，使用無(wú)線信道可能會(huì)是更為有效。然而由于S－MS的執(zhí)行限制，這種情況不可能實(shí)現(xiàn)。因此，在本系統(tǒng)中，根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)囊酝匦裕瑏?lái)進(jìn)行BE信道的分配及數(shù)據(jù)傳輸速率的速率能夠有效的提高信道的利用率。

2）BE信道調(diào)度策略

由于BE信道不能預(yù)留信道資源，因此WIDESTAR II提供了一種新的服務(wù)－－占用帶寬服務(wù)。當(dāng)一個(gè)使用頻帶占用服務(wù)的用戶（以下稱為占用頻帶用戶），與一個(gè)普通用戶使用相同的時(shí)隙，且他們均處于空閑狀態(tài)時(shí)，普通用戶能夠使用分配給占用頻帶用戶使用時(shí)隙，以便于提高無(wú)線資源的使用率。因此，占用頻帶用戶僅在其通信狀態(tài)下使用其自身的時(shí)隙。當(dāng)只有普通用戶在通信中時(shí)，時(shí)隙平均分配。且只要增加一個(gè)新的帶寬占用用戶，則時(shí)隙重新分配。下面，對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證。

【模式】當(dāng)用戶 A（頻帶占用服務(wù)），b、c（普通用戶）使用相同資源時(shí)，確定其瞬時(shí)吞吐量。

【假設(shè)】一個(gè)384 kbps的無(wú)線資源由A、b、c同時(shí)使用。用戶A可以在任何時(shí)間占用192 kbps的資源。

【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】

用戶b通過(guò)BE信道接收或者發(fā)送一個(gè)FTP服務(wù)器的文件（大）……區(qū)域 1（0～50 s）

用戶A和用戶b使用相同的資源通過(guò)BE通信獲得一個(gè)文件（大），于此用戶 A和b同時(shí)在通信……區(qū)域 2（50～110 s）

在用戶A和b通信過(guò)程中，用戶c遵照和用戶A、b同樣的過(guò)程。 ……區(qū)域 3（110～300 s）

每個(gè)用戶的即時(shí)吞吐量如圖3所示。

圖3 BECH信道調(diào)度策略Fig.3 Scheduling of BECH unit

在區(qū)域（1）中，自從用戶A不在通信中，用戶b占用所有無(wú)線資源，吞吐量達(dá)到384 kbps。

在區(qū)域（2）中，一旦用戶A開(kāi)始通信，用戶A的吞吐量增加到192 kbps，達(dá)到用戶A能夠控制的帶寬。用戶b繼續(xù)使用無(wú)線資源，吞吐量下降到192 kbps。

在區(qū)域（3）中，用戶 c新加入通信，但用戶 A并未受影響，用戶b和c均分占有剩余吞吐量。

以上對(duì)3個(gè)用戶進(jìn)行仿真驗(yàn)證，文獻(xiàn)[5]中針對(duì)更多用戶進(jìn)行了BE信道的調(diào)度策略仿真。由結(jié)果可知，WIDESTAR II系統(tǒng)可以在確保占用頻帶用戶對(duì)無(wú)線資源的需求同時(shí)，將其空閑時(shí)的資源分享給其他用戶，從而提高信道的利用率。

2.2 語(yǔ)音通信機(jī)制

WIDESTAR II的語(yǔ)音通信機(jī)制如圖4所示，其上層處理單元的開(kāi)發(fā)基于GPRS 3G的FOMA[6]數(shù)據(jù)包交換協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了面向IP的語(yǔ)音通信控制。換言之，核心網(wǎng)以及移動(dòng)終端的語(yǔ)音呼叫以及其他通信，是通過(guò)處理基于PDP上下文的虛擬路徑連接信息來(lái)管理的。因此，在通信中，不論業(yè)務(wù)類型為語(yǔ)音通信還是數(shù)據(jù)通信，以及對(duì)多域或多重呼叫通信控制狀態(tài)的數(shù)目限制，都能夠使用單一的PDP上下文，從而使過(guò)程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化。若在數(shù)據(jù)通信期間到達(dá)一個(gè)語(yǔ)音呼叫，則會(huì)觸發(fā)服務(wù)切換控制過(guò)程并重置PDP上下文。

WIDESTAR II系統(tǒng)通過(guò)以下3項(xiàng)措施來(lái)提高語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斝剩赫Z(yǔ)音呼叫控制通過(guò)SIP（session initiation protocol）信令來(lái)完成（如圖 4（a））；只有相應(yīng)的語(yǔ)音媒體數(shù)據(jù)以及SIP信令封裝在無(wú)線幀結(jié)構(gòu)中；基站通過(guò)消息壓縮技術(shù)執(zhí)行SIP信令處理過(guò)程。

表2 S-SIP和ZIP壓縮率Tab.2 Compression rate of S-SIP and ZAP

由圖4（b）可知，對(duì)于語(yǔ)音媒體數(shù)據(jù)包的傳輸通過(guò)RTP進(jìn)行傳輸，并采用應(yīng)用于IP技術(shù)中的G.729 a編譯碼器。對(duì)于不同衛(wèi)星移動(dòng)終端之間的語(yǔ)音通話，只有終端的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行CODEC過(guò)程，中間的節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行編解碼。對(duì)于其他網(wǎng)絡(luò)的呼叫，CODEC轉(zhuǎn)換過(guò)程由核心網(wǎng)的媒體網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)完成（MGN）。在傳統(tǒng)方案中，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程需要在終端進(jìn)行，而采取這一措施可以減少無(wú)線接入設(shè)備的負(fù)載以及其所需實(shí)現(xiàn)的功能，并且還能夠提高不同MS之間的呼叫質(zhì)量。

圖4 語(yǔ)音通信過(guò)程Fig.4 Overview of voice communication processing

2.3 數(shù)據(jù)通信機(jī)制

數(shù)據(jù)通信機(jī)制如圖5（a）所示。因?yàn)椴淮嬖谡Z(yǔ)音信號(hào)處理，所以該機(jī)制不涉及SIP到S-SIP的轉(zhuǎn)換以及RTP/RTCP。如果用戶在數(shù)據(jù)通信機(jī)制下使用VoIP，SIP和RTP的操作協(xié)議如圖5（b）所示。這種情況下，并不存在諸如S-SIP之類的傳輸壓縮。

圖5 數(shù)據(jù)包處理過(guò)程Fig.5 Overview of data communication processing

2.4 通信控制時(shí)延降低策略

使用同步衛(wèi)星的移動(dòng)通信系統(tǒng)一般都存在往返500 ms的鏈路延時(shí)。如果在無(wú)線通信信道進(jìn)行多次控制信令交互，則高速信道會(huì)存在過(guò)度占用及使用效率下降等問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，WIDESTAR II系統(tǒng)上層單元采用3GPP協(xié)議，因此，如何在符合標(biāo)準(zhǔn)3GPP協(xié)議的基礎(chǔ)之上，合理設(shè)計(jì)其通話控制機(jī)制，最大降低通信控制時(shí)延將是研究的重點(diǎn)所在。以下，本文給出了幾種降低時(shí)延的方案：

1）維持語(yǔ)音保持狀態(tài)

在3.2節(jié)中可知，語(yǔ)音通信需要通過(guò)PDP上下文激活過(guò)程（圖6）來(lái)配置虛擬隧道鏈接，由下圖可知，此過(guò)程需要SMS與和核心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行兩次信令往返交互，因此，若每次語(yǔ)音通信都進(jìn)行PDP上下文激活過(guò)程，則至少產(chǎn)生1 s的時(shí)延。

圖6 PDP上下文激活過(guò)程Fig.6 Overview of PDPcontext activation procedure

因此，在WIDESTAR II系統(tǒng)中，可將S-MS開(kāi)機(jī)以后的PDP上下文將一直維持于處于保持狀態(tài)。通過(guò)這種方式，當(dāng)語(yǔ)音鏈路建立時(shí)，SIP會(huì)話控制將簡(jiǎn)單地由維持狀態(tài)轉(zhuǎn)入激活狀態(tài)，而不是從耗時(shí)的PDP生成狀態(tài)轉(zhuǎn)入激活狀態(tài)。

2）無(wú)線載體的建立

在L3層無(wú)線載體建立過(guò)程中，當(dāng)接入核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線接入承載建立啟動(dòng)時(shí)，基站設(shè)備將立即為移動(dòng)終端分配無(wú)線信道。

3）信息池

在L3層結(jié)構(gòu)中，在S-AP與S-MS（衛(wèi)星移動(dòng)基站）以及核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與S-MS的傳輸時(shí)使用信息池，從而減少設(shè)備間的信令交互降低等待延時(shí)。

在L2層中，多路連接信息將被推送至信息池，以提高無(wú)線資源的利用率及壓縮鏈路延時(shí)。

4）L1層控制信息

現(xiàn)有WIDESTAR數(shù)據(jù)包通信系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)化RPUPCHBE信道分配過(guò)程以及在通信期間的速率變化來(lái)降低時(shí)延，WIDESTAR II在基礎(chǔ)之上，發(fā)現(xiàn)傳輸時(shí)延通常與往返的控制信息相關(guān)，因此可以通過(guò)快速進(jìn)行資源分配控制以及在L1層的控制幀中的相同時(shí)隙設(shè)置速率將會(huì)使時(shí)延最小化。

5）自適應(yīng)

S-MS根據(jù)IMSI（國(guó)際移動(dòng)用戶標(biāo)識(shí)）進(jìn)行空閑狀態(tài)下的信道選擇、會(huì)話組選擇以及AGS（衛(wèi)星接入網(wǎng)關(guān)）的優(yōu)先級(jí)的設(shè)定。因此，本系統(tǒng)中可以根據(jù)移動(dòng)終端的位置信息來(lái)避免碰撞、匯集自適應(yīng)消息、聚集幾個(gè)信道或通話組群，從而有效降低鏈路延時(shí)。

2.5 安全控制

安全控制涉及如下過(guò)程：

在L1層結(jié)構(gòu)中，S-MS和S-AP之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要帶有PN序列的多重加擾格式。

在L2層結(jié)構(gòu)中，信息采用KASUMI算法進(jìn)行加密。當(dāng)連接通話時(shí)，密鑰在L3層結(jié)構(gòu)中交換。

2.6 調(diào)度與QoS控制

1）無(wú)線接入過(guò)程

S-AP的傳送優(yōu)先級(jí)為語(yǔ)音通話高于數(shù)據(jù)傳輸。

除BE數(shù)據(jù)傳輸外，無(wú)需使用QoS控制，因?yàn)樵赟-MS接入SCCH之后，將為每一個(gè)S-MS分配獨(dú)立的無(wú)線信道。

2）S-AP與 CN 之間

相較數(shù)據(jù)傳輸，S-AP優(yōu)先發(fā)送語(yǔ)音數(shù)據(jù)包。S-AP與CN之間的路由器根據(jù)IP頭里的DSCP決定數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文中針對(duì)WIDESTAR II衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)所采用的通信機(jī)制進(jìn)行了研究與驗(yàn)證，分析可知，本系統(tǒng)通過(guò)采用IP兼容技術(shù)、簡(jiǎn)化所采用的無(wú)線及通信過(guò)程、提高信道使用率、減少延遲等策略，實(shí)現(xiàn)了靈活的IP兼容技術(shù)及高速率傳輸技術(shù)。

[1]Inoue M.OverviewofwidestarIImobilesatellitecommunications scheme[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）：43-49.

[2]Yamamoto T.Widestar II satellite core network system[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）:50-57.

[3]Ouchi H.Widestar IIbase station maintenance and monitoring system[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）:64-69.

[4]Yamamotoet K.Al:Overview of widestar II mobile satellite communications system and service[J].NTT DOCOMO Technical Journal，2010，12（2）：37-42.

[5]Sasaki S.Development of evolved mobile satellite communications system；Widestar II[C].IEEEGlobecom，2011.

[6]Shimada Y.IP-based FOMA voice network toward enhanced servicesand improved efficiencies[J].NTTDOCOMO Technical Journal，2010，12（1）：4-14.

[7]Yamamoto.Development of evolved mobile satellite access scheme and base station equipment for the widestar II[J].Institute of Electrical and Electronics Engineers，2011.