衛星集群IP多播組呼業務協議研究*

程珂珂，徐子平

(1.解放軍理工大學 通信工程學院研究生3隊，江蘇 南京 210007；2.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

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衛星集群IP多播組呼業務協議研究*

程珂珂1，徐子平2

(1.解放軍理工大學 通信工程學院研究生3隊，江蘇 南京 210007；2.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

現有集群通信覆蓋范圍有限，為實現全方位集群通信，提出將衛星通信與集群通信相結合。以TETRA為例，分析了現有國內外集群通信系統集群業務的實現方式。針對電路域集群，提出實現分組域多媒體集群。為更利于工程實現，提出了基于MBMS技術的衛星集群IP多播組呼業務協議流程，并分析了實現中需要解決的關鍵問題及解決方案。該方案將為衛星移動通信集群業務的發展提供新的方向。

衛星集群；分組域； MBMS；IP多播

0 引 言

集群通信系統(Trunking Communication System)，即無線專用調度通信系統。用戶通過集群通信系統可共享資源，獲得高效、廉價的優質服務[1]。目前市場上的主要集群通信系統有iDEN、TETRA、華為的GT800 和中興的GoTa 。現有集群通信系統都是通過基站互聯實現集群通信，而基站覆蓋范圍有限，覆蓋半徑一般為10 km～30 km，若想擴大通信范圍只能通過增加基站數的方式，因此該項技術只適用于用戶密集區域，并不適用于我國沙漠、高原等邊境地帶。

近年來，寬帶通信衛星因其特有的優勢而得到迅猛發展。衛星通信覆蓋范圍大、通信距離遠、不易受自然或人為干擾、通信穩定可靠[2]。衛星通信不僅能作為大型地面站之間的遠距離通信干線，而且可以為機載、艦載和地面部隊的小型機動終端站提供通信。因此，其特別適合抗震救災、海洋搜救等大范圍區域作業[3]。

因此，根據集群和衛星通信各自的特點，將這兩項技術相結合，提出利用衛星網絡平臺，實現集群業務。根據GMR-1(GEO-Mobile Radio interface )地球同步軌道移動無線接口3G標準，擴展衛星移動通信集群功能。這樣既充分利用了衛星覆蓋區域大的優勢，而且還不需要建立地面集群基站，只需擴充信關站和核心網功能，就可以更好滿足用戶的指揮調度需求。

1 集群技術現狀

2000年12月，《數字集群移動通信系統體制》行業推薦標準頒布，并參照國際標準TETRA 和美國國家標準iDEN，分別確定了體制A和體制B兩種集群通信體制。2004年11月，《基于GSM技術的數字集群系統總體技術要求》和《基于CDMA技術的數字集群系統總體要求》兩個通信標準參考文件先后頒布[4]。

集群可以分為電路域集群和分組域集群。電路域集群是指電路域上的實體控制與呼叫相關的集群業務，且為之分配獨立的業務信道。因電路域信道資源有限，因此有很大的局限性。分組域集群是指集群業務數據均以IP包封裝，使用IP地址尋址傳送，相對電路域集群，支持業務種類增多，信道利用率大幅提高。在現有的集群通信系統中，所有的國際國內流行標準都是基于電路域的話音集群方案。現以TETRA為例介紹電路域集群。TETRA系統的V+D(語音加數據)空中接口協議基于OSI分層模型，該協議對應OSI七層模型中的下面三層，較高層的功能應在用戶終端實現[5]。空中接口協議總體結構如圖1所示：

圖1 TETRA空中接口協議結構

重點說明網絡層，MLE負責MS到BS之間鏈路建立與維護，MM處理與無線終端移動相關的業務。CMCE主要處理基于電路方式的基本業務與補充業務。SNDCP處理分組數據業務。TETRA的集群業務是通過CMCE控制實現的。

話音組呼業務是集群標識性業務，也是最重要的一個功能。組呼呼叫接續速度快、占用資源少，能夠處理很多實時性多用戶參與業務。從圖1可知，現行的集群組呼方案本質上還是在電路域上處理語音業務，沒有實現分組域的組呼。其分組域業務只是建立用戶端到端的連接，為一個用戶提供分組域業務，并沒有實現多個終端之間的話音，數據業務共享。隨著移動通信網的寬帶化發展，人們的需求越來越高，電路域集群已不能滿足市場需求，需要考慮在分組域上實現多媒體集群。

2 分組域 IP多播集群

集群IP多播組呼業務，是多媒體集群的重要組成部分?，F今與我們的研究最接近的技術就是“微信”業務。微信實際使用的技術為分組域會議技術。參加微信的每一個用戶從終端到微信服務中心建立一條虛連接，這條虛連接使用了分組域的一個無線數據協議協議，即3GPP提出的PDCP“Packet Data Convergence Protocol”分組數據匯聚協議。這個協議的實質是讓移動用戶透明連接到IP網絡，當微信中心向一組N個移動用戶發送同一內容的IP報文時，需要向N個終端發送N次，造成了無線電空中接口資源的大量消耗。由于地面網絡小區采用蜂窩設置，又有足夠的無線資源，微信業務得以普及。但如果在衛星分組信道上使用微信類似業務，將會引起極度的資源消耗，甚至引起系統阻塞或過負荷[6]。

衛星分組域的技術來源于地面網絡，地面網絡從2G發展到3G和4G時，原來在2G網絡上的電路業務，在3G和4G時改由分組域提供，而目前任何一代的分組域都不提供IP集群組播服務。不過，3GPP為了提供多播服務，提出了多媒體廣播多播技術MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service)。這個業務的目標是向移動手機提供電視服務。因此，MBMS是一個單向廣播業務，標準從2008年開始提供。由于MBMS是一個單向業務，移動用戶在上行信道上請求業務信息由分組域的其它手段配合使用，不屬于MBMS的標準范疇。MBMS也不支持組通信，即一組用戶中任一用戶發送業務，其它組用戶接收的這類業務。MBMS的組播用戶不能任意動態重組，由系統根據用戶簽約協議，向所有簽約用戶廣播多媒體業務[7]。

近幾年有研究提出建立LTE集群或TD-SCDMA集群，然而該集群方案本質上還是電路域集群，并不支持分組域組播服務。從現有基站建設情況來看，并不具有普及應用的基礎。

綜合考慮后，認為MBMS是一個可以借鑒的適合于衛星集群分組域IP多播組呼通信的協議，雖然其應用對象為移動電視業務，但在下行方向上已經實現了資源廣播共享。MBMS沒有考慮上行隨機接入，因此，在下行方向上也缺乏上行信道爭用仲裁信息。通過對MBMS的研究，提出增補或改進措施，進行功能上的擴展，最終實現分組域IP多播組呼通信。

3 衛星集群IP多播組呼業務

衛星集群IP多播組呼通信，并沒有可以采用的實際方案。為實現該課題，決定在衛星移動網絡分組域上，通過對MBMS協議增補擴展實現，現命名該集群多播組呼服務為GMBMS(Group MBMS)多媒體廣播多播組呼業務。

3.1 衛星集群IP組播組呼業務架構模型

MBMS提供點到多點的承載服務，多播或廣播應用可以使用這種承載服務從數據源給多個移動接收端高效的傳輸數據。MBMS支持IPV4和IPV6多播數據的傳輸。

圖2 MBMS參考結構

上圖中BM-SC(Broadcast/Multicast Service Centre)廣播/多播服務中心是內容提供商在公共陸地移動網PLMN(Public Land Mobile Network)中提供MBMS服務的接入點。分組域集群組呼其核心技術是實現分組域上組播通信服務。分組域組播服務是一種以組播IP地址為目的尋址的分組業務。由任意多個具有單播IP地址的移動臺組成一個組，實現IP組播業務時，同一組具有相同組播地址的不同單播地址的移動臺守候在同一個分組無線信道上，組呼發送方移動臺以組呼服務器的單播地址為目的地址、以本移動臺的單播地址為源地址發送信息。網絡設置組播路由器進行組播服務，設置集群組呼服務器處理組呼業務。在此設置BM-SC為組呼服務器，網絡中的GPRS支持節點SGSN，GGSN為組播路由器。整個網絡的實體結構基本不變，更利于工程實現。

3.2 組呼服務器GBM-SC結構

為實現衛星集群IP多播組呼，對原有MBMS系統進行一系列功能擴展。對BM-SC，其大致結構保持不變，但在內容和功能上加以豐富，建立廣播/多播組呼服務中心GBM-SC(Group Broadcast/Multicast Service Centre)。

圖3 GBM-SC結構圖

從圖3可知，GBM-SC功能包括：

(1)多播組成員功能，負責集群用戶的登記和管理，能為申請多播服務的用戶提供鑒權和認證。

(2)會話和傳輸功能，負責集群用戶會話的調度，負責請求建立和釋放網絡中特定GMBMS會話所需的承載資源。

(3)代理和傳輸功能，是一項承載服務功能，它允許GBM-SC和GGSN之間進行服務數據交換和必要的控制信令交換。

(4)服務聲明功能。它負責集群用戶服務的申明，向UE發出即將開始會話的信息，如一個新會話組成員的多播組標識和多播地址。

(5)安全性功能，提供各種完整性和保密性服務功能。

為實現衛星集群IP組播，衛星移動通信網中的許多實體需要進行功能擴展。如GBM-SC為組播服務器，進行組呼標識(也就是組呼號碼)和多播地址轉換。GGSN中不僅要存儲用戶的IMSI(International Mobile Subscriber Identity 國際移動用戶標識符)、IP地址，還要存儲當前集群組呼多播地址。歸屬位置寄存器HLR(Home Location Register)也要進行擴展，能夠登記不同SGSN下分屬于不同多播組的集群用戶數目。集群移動臺上要存儲其可以參與的集群組組號，可以申請發起呼叫業務的權限等。

3.3 IP多播組呼會話發起流程

一個集群用戶申請發起一個集群組呼業務，其大致流程如圖4所示：

圖4 IP多播組呼會話發起流程

(1)該集群用戶首先撥號向GBM-SC，也就是說向GBM-SC進行單播呼叫(每個集群用戶都存儲有GBM-SC的IP地址)。

(2)GBM-SC收到該呼叫，對發起申請的集群用戶進行鑒權，查看當前集群通信情況和無線資源的使用情況，以決定是否接受該呼叫。GBM-SC向GGSN發起組呼查詢請求，請求中攜帶申請發起的組呼標識，GGSN查詢HLR得知該組呼對應用戶所在SGSN，GGSN再向SGSN發起資源查詢請求。

(3)SGSN查看無線資源分配情況，若無充足的無線資源，SGSN拒絕該請求；若有無線資源可分配，SGSN分配組呼業務信道，并將信道頻點和時間參數發給GGSN，GGSN告訴GBM-SC。

(4)若GSM-SC收到信道資源分配信息，則通過該呼叫，并進行組呼號碼與多播地址的轉換，并在通知信道中通知，通知消息攜帶三個信息：組呼標識，多播地址、業務信道參數。

(5)該通知消息通過GGSN時，GGSN登記或變更集群組呼多播地址，開始在網絡中建立從GBM-SC到各個小區的多播樹。傳播路徑中每個節點都維護有下游節點的名單、組呼標識、服務質量QoS(Quality of Service)等信息。

(6)該組呼呼叫的集群用戶收聽到該消息后，變更自身的多播地址，進入組呼信道，開始收聽業務信息，組呼會話開始。

4 關鍵技術

4.1 組呼信道的設置

發起一個IP組播會話時，需要向所有參與方發送邀請信息，所有參與方能夠快速接收這個邀請信息。因此，需要新增一個組播通知信道，定義為通知信道NCH，NCH信道是一個系統廣播信道，不需要組用戶接收確認。GBM-SC在組播通知信道指配組播業務信道資源。組播通知信道作為公共控制信道，并不參與組播IP業務傳送，組播業務在組播業務信道進行。組播通知信道需要在組播期間周期性發送通知消息，使得后續開機的用戶進入集群組播業務信道。還有一種情況，就是已經進入業務信道的集群用戶怎樣收聽通知消息，并怎么處理，也就是遲入，也是后續可以深入研究的問題。

參與集群的用戶在通知信道中收聽組播通知消息。每個集群用戶均有一個共同的多播地址，GBM-SC發送通知消息，通知消息就以該公共多播地址為目的地址，每一個集群用戶均可收到，這樣可以減少以廣播地址發送通知消息造成的信息洪泛。

4.2 組播業務信道競爭和共享

當任何集群組播參與方從組播通知信道獲取組播業務信道的頻率和時間參數以后，進入組播業務信道。組播業務信道是一個共享信道，所有參與方通過下行信道收聽廣播型業務信息。任何參與方可競爭上行信道，向全組發送業務信息。這里涉及到信道競爭協議和方法、信道占用方的衛星時基調整、分組業務傳送協議、信道資源的動態調整、信道釋放等技術內容。

如組呼業務傳送期間，需要考慮如何進行組呼發送方的轉換：當組呼講話方釋放組呼上行信道時，講話方用戶在上行信道上發送“UPLINK RELEASE”消息，表明講話完畢。網絡收到講話方上行信道的“UPLINK RELEASE”消息以后，在組呼信道的下行信道上向所有組呼移動臺發送“UPLINK FREE”消息，表明上行信道空閑，允許新的講話方使用上行信道。

當網絡成功收到一個“UPLINK ACCESS”消息以后，在組呼信道的下行信道上發送“UPLINK GRANT”或“UPLINK BUSY”消息，用于告知競爭成功用戶可以使用上行信道，其它用戶不再進行競爭，直到再次收到“UPLINK FREE”消息為止。

還有一些問題有待于進一步研究，比如組呼號碼和標識如何定義；組呼與單呼或與公共交換電話網PSTN(Public Switched Telephone Network)的互聯互通；無線鏈路控制RLC(Radio Link Control)層一對多的關系等。

5 結束語

隨著移動通信網的迅速發展，人們的需求越來越高，而現存的集群通信系統因其技術體制上的限制，已不能滿足人們的需求。為實現多媒體集群和全方位通信，必須尋求新的解決辦法。本文基于MBMS技術，提出衛星集群IP多播組呼業務實現方案，后期可以繼續深入研究如無線資源的分配、邏輯信道和物理信道的映射等問題。該方案相比現有的LTE集群和TD-SCDMA集群具有更廣闊的發展和應用空間。希望本文的研究可以為未來實現衛星分組域集群研究打下理論基礎。

[1] 鄭祖輝,陸錦華,鄭嵐.數字集群移動通信系統[M].第二版.北京：電子工業出版社,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] 李國彥,張合慶.協作通信技術在衛星移動通信中的應用[J].通信技術,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] 張更新，謝智東，譚哲.衛星通信的發展現狀及產業發展綜述[J].數字通信世界，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] 數字集群移動通信系統體制[S],中戶人民共和國電子行業標準.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.

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[6] 夏良榮.探究微信技術架構及安全漏洞和防范技術[J].信息安全與技術,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，碩士，主要研究方向為寬帶交換、衛星集群通信；

徐子平(1959—)，男，碩士，教授，主要研究方向為寬帶交換。