UMTS核心網在海事衛星及北京關口站中的應用

陳 侃，陳 銳，李晶晶

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

UMTS核心網在海事衛星及北京關口站中的應用

陳 侃，陳 銳，李晶晶

（中國交通通信信息中心，北京 100011）

海事寬帶網是基于UMTS核心網架構的衛星通信系統。本文從UMTS與海事衛星寬帶網絡的異同入手，分析海事寬帶核心網的內部結構及各網元功能，并對北京關口站的核心網實現方式及其技術特點做了介紹，最后簡要說明了海事寬帶業務的市場應用情況。

海事衛星；UMTS核心網；海事寬帶

1 引言

海事衛星（Inmarsat）是全球第一個建設并形成全球通信覆蓋能力的移動衛星通信系統。從1982年提供服務開始，經多次技術升級和發展，海事衛星已從第一代的模擬信號通信，發展到第二代、第三代的數字通信，再到第四代IP寬帶通信。海事衛星服務領域也從海上遇險安全，延伸到航空安全和陸地應急安全服務，成為可基本覆蓋全球，提供全天候、多種通信業務的國際移動衛星通信系統。

著眼于衛星通信高容量、IP化的發展趨勢，Inmarsat在2005年推出了基于第四代海事衛星平臺的海事寬帶業務。海事寬帶是第一個同時支持基于電路交換的語音業務和基于分組交換的寬帶業務的衛星通信系統。通過對衛星空中接口的優化設計，提供4.8kb/s的標準語音、3.1kHz的傳真和ISDN業務，同時支持高達700kb/s的IP寬帶數據業務。海事寬帶業務的這些優良特性滿足不同行業的通信需要，將海事衛星的服務領域從傳統的應急通信，拓展到了石油鉆井、科考、媒體直播、航空客艙通信等領域，產生了較大的社會和經濟效益。

北京海事衛星地面站從1992年開始就與Inmarsat合作，提供海事衛星在中國的落地接續服務，是我國陸地、海上和航空公眾用戶接入國際海事衛星通信系統的惟一關口站。第四代海事衛星北京關口站已于2013年12月開通運行，為我國用戶提供符合國際標準的通信服務。本文從UMTS與海事衛星寬帶網絡的異同入手，分析海事寬帶核心網的內部結構及其在北京關口站的實現方式。

2 海事寬帶網絡

海事寬帶網絡是滿足國際電聯要求針對21世紀開發的移動衛星通信系統。Inmarsat在設計海事寬帶時，考慮當時陸地移動通信3G的標準已經成熟，基本參照了歐洲的3G標準UMTS的架構。UMTS的中文全稱是通用移動通信系統，是國際標準化組織3GPP制定的全球3G標準之一。如圖1所示，UMTS系統主要由三部分構成：用戶終端、無線接入網和核心網。無線接入網負責無線資源的分配調度，空間信號的收發，其實就是用戶終端與核心網之間的中繼。核心網從無線接入網收到用戶的業務請求后，根據不同的業務類型，將用戶連入外部的電路交換網絡或者IP數據網。[1]

圖1 UMTS網絡結構

由于UMTS是針對陸地移動環境設計的通信系統，與衛星通信系統相比，無線側空間段具有相當大的差異。為了適應衛星通信頻譜緊張、鏈路時延大等特點，Inmarsat開發了具有自主知識產權的空中接口，同時改變了無線接入網的結構。但是，海事寬帶的核心網結構與UMTS核心網保持了一致。

3 海事寬帶核心網

圖2 海事寬帶網絡

3.1 核心網節點

海事寬帶核心網由UMTS網絡單元組成，與UMTS標準的第四版架構一致，主要由電路交換域和分組交換域組成。電路交換域中設備包括了MSC-S、MGW。分組交換域包括了SGSN和GGSN。另外重要的一個節點HLR由兩個域共享[2][3][4]。

3.1.1 HLR

歸屬位置寄存器（HLR，Home Location Register）是用來儲存用戶身份信息的數據庫。登記的內容分為兩種：一種是永久性的參數，如用戶號碼、移動設備號碼、接入優先等級、預定的業務類型以及手機鑒權密鑰和補充業務參數等；另一種是暫時性需要隨時更新的參數，即用戶當前所處位置的有關參數，即使用戶漫游到了HLR所服務的區域外，HLR也要登記由該區傳送來的位置信息。這樣做的目的是保證當移動用戶被叫時，可從該移動用戶歸屬的HLR獲知它當時附著的MSC或SGSN，進而建立起通信鏈路。

HLR包含一個重要的模塊稱為鑒權中心（AUC，Authentication Centre），其作用是可靠地識別用戶的身份，只允許有權用戶接入網絡并獲得服務。AUC產生為確定移動用戶身份及對呼叫加密所需的鑒權和加密的參數。

3.1.2 MSC-S

移動交換中心-服務器（MSC-S，Mobile Switching Center-server）是海事寬帶電路交換域的控制面節點，負責完成呼叫處理和交換控制，實現移動用戶的尋呼接入、信道分配、呼叫接續、話務量控制和計費管理等功能，還可以完成MSC之間的切換和輔助性的無線資源管理等。MSC-s與其他網絡部件協同工作，實現移動用戶位置登記、越區切換、自動漫游、用戶鑒權和服務類型控制等功能。

MSC-s集成了拜訪位置寄存器（VLR，Visitor Location Register），用來臨時存儲用戶簽約信息。當用戶進入某個MSC-S的區域時，MSC-S會查詢其VLR里是否有該用戶的簽約數據，如果沒有，MSC-S會從HLR獲取相關數據并保留在VLR中。VLR分配給移動用戶一個漫游號（MSRN），并建立用戶的有關信息，包括移動終端狀態（遇忙∕空閑∕無應答等）、位置區域識別碼（LAI，Location Area Identity）、臨時移動用戶識別碼（TMSI，Temporary Mobile Subscriber Identity）和MSRN。MSC在處理入網和出網呼叫時需要查訪VLR中的有關信息。

3.1.3 MGW

媒體網關服務器（MGW，Media Gateway）主要完成各種業務流的接入、傳輸和轉換。電路交換域中所有的話務都是MGW處理的。MSC-S與MGW是一個主從的關系，在呼叫建立時MSC-S會指揮MGW分配哪個時隙給哪個用戶，然后具體的鏈路連接就交給MGW處理。這樣CS域控制和業務得到了分離，MSC負責電路域控制平面信息，MGW負責電路域用戶平面信息。MGW還負責各種編碼格式的處理和轉換，比如海事寬帶獨有的AMBE+2編碼方式就是在MGW實現。終端撥打陸地電話時，MGW把4.8kb/s的AMBE+2格式的語音轉化為普通PSTN格式的電話；終端被叫時，則進行PSTN到AMBE+2的轉化。

3.1.4 SGSN

GPRS服務支持節點（SGSN，Serving GPRS Support Node）作為核心網分組域設備的重要組成部分，主要完成分組數據包的路由轉發、移動性管理、會話管理、邏輯鏈路管理、鑒權和加密、話單產生和輸出等功能。SGSN是分組域的控制節點。

SGSN通過Gr接口與HLR相連，進行用戶數據庫的訪問及接入控制。它還通過Gn接口與GGSN相連，提供IP數據包到無線單元之間的傳輸通路和協議變換等功能。

3.1.5 GGSN

GPRS網關支持節點（GGSN，Gateway GPRS Support Node）負責GPRS網絡與外部數據網的連接，提供GPRS與外部數據網之間的傳輸通路，進行移動用戶與外部數據網之間的數據傳送工作。GGSN主要起到網關的作用，它可以和多種不同的數據網絡連接，如ISDN，PSTN，LAN等。GGSN可以把海事寬帶網絡中的GPRS分組數據包進行協議轉換，從而可以把這些分組數據包傳送到遠端的TCP/IP網絡。

GGSN是GPRS網絡與外網的分界線，對外是一臺因特網路由器。GGSN通過基于IP協議的GPRS骨干網與其他GGSN和SGSN相連。

3.2 海事寬帶業務

核心網節點分為電路交換和分組交換兩大類，同樣核心網提供的業務也相應按此劃分。

采用電路交換方式實施的業務就叫電路交換業務，主要包括語音電話業務、ISDN業務和短信。

海事寬帶終端本身不使用3GPP的語音編碼技術，而是采用其獨有的AMBE+2編碼進行語音通信，其4.8kb/s的低速傳輸，在保證通話質量的同時，有效地利用了衛星通信資源。在陸地側，經海事寬帶核心網絡MGW轉換，實現和其他網絡的對接。ISDN業務包括64kb/s數據UDI和56kb/s數據RDI及3.1kb/s Audio。在海事寬帶系統中，每臺終端（IMSI）只能同時發起一個電路交換呼叫，也就是說上述語音、傳真或數據在同一時間只能有一種業務存在。但是在電路交換業務建立期間，可有多個與分組交換業務同時進行。如：用戶在打電話的同時，可以進行Internet連接以及文件傳輸等。

分組交換業務按照QoS不同，分為Streaming和Background兩大類。

Background級別的IP服務提供用戶以共享方式訪問512kb/s的衛星信道，不保證服務帶寬。當多個用戶同時在線連接，鏈路處于“繁忙”時，單個用戶分配得到的速率就會變小。這種服務最適用于辦公、互聯網接入、文件傳輸、收發郵件等應用。

Streaming業務是海事寬帶網絡相對于3G最明顯的改進。傳統3G網絡只提供Background級別的共享類數據業務。而海事寬帶Streaming業務支持帶寬保障、用戶獨享帶寬。Streaming適合傳輸對時延抖動敏感的應用，例如視頻、音頻直播。Streaming支持的連接速率有8kb/s，16kb/s，32kb/s，64kb/s，128kb/s，172kb/s，256kb/s，384+kb/s及HDR。Streaming的容量可以根據需求獲得，如果此時網絡容量許可，用戶可以得到他所需要的比特速率；如果網絡容量不許可，用戶將會被告知只能申請一個系統資源能保證的比特速率。

4 北京關口站核心網

北京關口站作為新建的站點，充分利用了UMTS網絡的最新技術，從網絡結構、設備配置、系統容量上跟其他關口站相比都有較大的變化。下面將介紹北京關口站的主要特點。

圖3 北京關口站核心網

4.1 Iu接口IP化

IP技術的設計思想簡潔實用和應用豐富多彩，成為一統天下的網絡互聯協議，全IP的組網方式成為網絡演進的趨勢。Iu接口是指無線接入網和核心網之間的接口，Iu接口之前一直使用TDM或ATM的方式。使用Iu over IP方式后，基于全IP的統一硬件平臺，容量大，集成度高、占地面積小、功耗低、降低運維管理難度、節省成本。如圖3所示，核心網的MSC-S，MGW，SGSN以及無線接入網的RNS都直接連到IP網絡交換機，通過交換機實現互聯傳輸。這樣，端到端的全IP解決方案能構建一個扁平、高效、可演進的網絡，提高傳輸效率。

4.2 終端身份識別

北京關口站引入了一套設備識別寄存器EIR，EIR是終端身份的數據庫，用于對移動終端設備的鑒別和監視，并拒絕非法移動終端入網。

EIR通過E1連接到MGW，與MSC-S，SGSN建立邏輯鏈路。當終端在MSC-S或SGSN上面注冊時，會在注冊請求里面上傳IMEI號，然后這個IMEI號碼會被送到EIR上面進行比對，如果進入白名單通信就會正常進行，否則便會采取措施，例如阻止用戶注冊等。

4.3 TCP加速

北京關口站的SGSN與GGSN之間新加了一個節點叫TCP PEP。該節點的主要作用是針對衛星鏈路往返時延大的特點，對于TCP協議做了優化，使終端能夠最大可能的利用帶寬，提高傳輸速率。TCP的優化還需要終端側的配合，在連接中斷的電腦上要安裝TCP加速軟件，這個軟件與核心網里的TCP PEP硬件節點協同工作，實現了TCP連接的分段，TCP數據的壓縮，最終達到網絡加速。4.4 互聯互通

北京關口站與國內三大運營商都有直接的專線連接，保證用戶呼叫能夠高效地接入到陸地通信網。電路域MGW與國內三大運營商通過E1線路互聯，通過被叫號碼路由分析，保證用戶呼叫能準確送到相應的運營商，確保全國各地用戶可達。分組域通過與聯通、電信兩大IP骨干運營商建立BGP路由，保證用戶數據通過最優路由送達目的地，保證Internet網絡出口的穩定性。

5 市場應用

基于UMTS核心網的第四代海事衛星網絡，具有同時支持電路交互和分組交換業務的功能，與傳統的固定電話網絡和快速發展的移動通信網絡保持兼容，在提供普通語音通信的同時，能夠實現高達700kb/s的數據通信，是最先進的衛星移動通信系統。憑借技術先進性，以及海事衛星多年來的市場基礎，第四代海事衛星業務在政府應急保障、航運、新聞、石油勘探等多個行業發揮了重要作用。

（1）政府應急通信。2008年汶川地震、2010年玉樹地震、2010年舟曲泥石流災害，當這些重大自然災害發生時，地面通信網絡和設施遭到嚴重破壞，救災和現場指揮人員通過攜帶的海事衛星設備，在第一時間將災情信息傳遞出來，保持與中央的通信聯絡。目前，海事衛星已經成為各地應急辦的必配通信設備。同時，海事衛星還服務利比亞動亂撤僑、日本地震撤僑等海外緊急重大事件中。

（2）航運。航運是海事衛星最早關注的領域，由于一般航線都遠離陸地，衛星通信是航運業惟一依靠的通信手段。海事衛星經過多年來在這個領域的發展，已經占據了航運業通信市場的半壁江山。最近通過推出價格低廉、終端小巧的手持電話業務，開始從大型商船向小型漁船市場的滲透，受到了漁民的普遍歡迎。

（3）新聞報道。海事衛星終端是新聞媒體工作者進行突發事件新聞報道的利器。尤其是在推出了高達700kb/s的HDR業務之后，進一步擴展了海事衛星的速度優勢，通過兩個終端捆綁的方式，可提供1M以上的傳輸速率，滿足高清電視節目的直播需求。目前，中央電視臺、香港鳳凰衛視、新華社等知名新聞媒體都是海事衛星的忠實用戶，在蛟龍號深潛、南極科考、海地地震、敘利亞戰亂等新聞熱點報道中發揮了重要作用。

（4）石油勘探。中石油和中石化擁有龐大的海外作業隊伍，作業區遍及世界各地，安全生產和生命財產安全上面臨多重壓力。中國交通通信信息中心開發了基于海事衛星網絡的應急通信系統，提高了集團應對突發事件的輔助決策能力，保護了我國在海外石油現場的利益，保障了我國公民在海外的安全。此系統保障了埃及動亂、利比亞撤離、印尼地震、乍得突發事件、尼日爾突發事件、哥倫比亞人員劫持、伊朗危機等數十次海外區塊危機狀態下的海外石油隊伍的生命財產安全。

6 結束語

UMTS核心網具有成熟的標準結構，經過在3G網絡中大范圍的使用，已非常穩定。Inmarsat正是看中了UMTS核心網的這個特點，只需要進行少量低風險的投入，就能夠使其適應海事寬帶網絡的需求，同時保證了海事寬帶網絡與陸地通信網絡的兼容。北京關口站使用最新的基于IP的核心網架構，在保證網絡質量的同時提供了更多的新特性。在北京關口站投入運營后，順應業務發展的需求，將在網絡中新增更多功能節點，提供更好的服務。■

[1] Inmarsat BGAN System Definition v3.2.2008

[2] 龐韶敏，李亞波，沈宇超．3G核心網技術揭秘：CS,PS,IMS．北京：電子工業出版社，2008.06

[3] Heikki kaaranen, Ari ahtiainen, Lauri laitinen．3G技術與UMTS網絡（第2版）．北京：人民郵電出版社，2008.12

[4] 田輝，康桂霞，李亦農，徐海博．3GPP核心網技術．北京：北京郵電大學出版社，2007.7

The Use of UMTS Core Network in the Inmarsat-4 Network and Beijing Satellite Access Station

Chen Kan, Chen Rui, Li Jingjing
(China Transport Telecommunication & information Center, Beijing , 100011)

Inmarsat-4 satellite (I-4) system complies with the terrestrial 3G UMTS architecture. This article compares the difference between I-4 and UMTS network, introduce the detail design of I-4 Core Network and the function of network nodes, describe the characteristic of Beijing satellite access station Core Network, illustrate the service application in many industry sectors.

Inmarsat; BGAN; Core Network; UMTS

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.11.002

TN929.53，TN927+.2

A文章編碼：1672-7274（2015）11-0006-05