一種衛星移動通信終端協議棧NAS層模塊設計

鮑 峰

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000）

一種衛星移動通信終端協議棧NAS層模塊設計

鮑 峰

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000）

針對我國對衛星移動通信系統的需要，文章介紹了一種衛星移動通信終端協議棧NAS層模塊的設計。文章首先介紹了衛星移動通信系統空中接口協議的層次結構，然后通過介紹衛星移動通信終端軟件架構來引出協議棧NAS層模塊在整個協議棧中的位置和角色，最后對NAS層模塊的設計原理和原則進行闡述。本設計適應我國當前衛星移動通信系統的需要，對后續我國自主研發衛星移動通信系統的終端協議棧具有一定的借鑒意義。

衛星移動通信；終端協議棧；NAS層；狀態機

1 衛星移動通信系統研究背景

衛星移動通信具有覆蓋范圍廣、建站成本和通信成本與距離無關等優點，是輔助地面移動通信提高業務質量和應用范圍不可或缺的手段，而且具有巨大的市場潛力和應用價值。隨著我國國民經濟的不斷發展和科技水平的不斷提高，無論從國家軍事戰略角度，還是從國民經濟發展角度出發，建立一個與地面蜂窩移動通信系統無縫連接的衛星移動通信系統是十分必要的。

衛星移動終端協議棧是衛星移動通信系統中移動終端的核心部件，而本文所設計的衛星移動終端協議棧NAS層模塊正是衛星移動終端協議棧的重要組成部分。

2 衛星移動通信系統空中接口協議架構

衛星移動通信系統空中接口的結構和國際化組織開放系統互聯參考模型（Open System Internet, OSI）的各層是相互對應的，完全具備ISO所提供的所有功能。

衛星移動通信系統空中接口協議由控制面協議和用戶面協議構成，控制面協議主要完成控制無線接入承載及移動終端與網絡之間的連接、透明傳輸非接入層消息；用戶面協議則用于傳輸用戶數據。

控制面協議架構如圖1所示，在空中接口上劃分為接入層（AS層）和非接入層（NAS層）。AS層包括物理層（PHY）、無線鏈路控制/媒體接入控制子層（RLC/MAC）和無線資源控制子層（RRC）；NAS層又劃分為GPRS業務移動性管理（GMM）子層、會話管理（SM）子層、移動性管理（MM）子層和連接管理（CM）子層。

用戶面協議架構如圖2所示，在空中接口上具備物理層（PHYS）和MAC/RLC層的功能，在其之上是需要傳輸的用戶話音、短信和GPRS數據等業務。其中傳輸GPRS數據業務時，用戶平面協議還包括PDCP層的功能。用戶平面協議地面承載接口用于GSC和GCN之間的用戶業務的傳輸，GSC和GCN之間通過Iu接口相互連接。

3 衛星移動終端軟件架構

衛星移動終端的軟件架構，如圖3所示。整個軟件系統主要分為5部分：實時操作系統、驅動、核心協議棧、測試工具等，其中RTOS主要負責線程調度、內存管理、文件系統、網絡系統、USB、中斷管理等模塊，它是協議棧以及其他軟件運行的基礎，為上層軟件提供運行保障；驅動是外部事件通知終端系統軟件的接口，實時操作系統以及其他軟件通過驅動程序對外部事件進行處理，驅動包含了聲卡、USB，CPU，ETH、物理層、SD卡等外部模塊；測試工具主要用于對整個協議棧的測試，協議棧軟件通過將log/數據包通過某種機制轉發給外部的測試儀表進行分析處理，以加快整個協議棧軟件的調試；核心協議棧軟件實現了物理層以上的協議，它是整個軟件的核心，而NAS層模塊就屬于協議棧的一部分。

圖1 控制面協議構架

圖2 用戶面協議構架

圖3 終端軟件架構

4 NAS層模塊設計

4.1 NAS層模塊功能

NAS層是衛星移動終端協議棧的最高層，主要負責：移動終端的移動性管理，會話管理，呼叫管理，短信管理以及加密管理等功能。

以上這些功能的實現需要由以下實體來進行保證：

電路交換（Circuit Switched）服務的呼叫控制（call control）實體，GPRS服務的會話管理（Session Management）實體，移動性管理（Mobility Management）實體，短消息服務（Short Message Service）實體，補充業務（SS）實體等。

4.2 NAS層模塊協議架構

NAS模塊的協議架構如圖4所示。

圖4 NAS層協議架構

NAS層模塊的功能集子系統主要實現協議棧中不同的業務。該子系統主要包含MM，CC，SS，MESS，SM，RABM模塊，功能如下。

（1）MM模塊主要實現移動終端的位置更新、MM連接管理、TMSI重分配、鑒權、身份識別、IMSI分離等功能。

（2）CC模塊實現了基本呼叫和清除、緊急呼叫和清除、呼叫建立后的編解碼修改、呼叫重建、DTMF過程、各種呼叫相關補充業務

（3）GMM模塊主要實現了GPRS附著、GPRS分離、路由更新、GMM連接管理、P-TMSI重分配、鑒權、身份識別、聯合附著、聯合LA/RA更新、聯合分離。

（4）SS：各種呼叫無關的補充業務功能，主要有登記、去登記、查詢、激活、去激活、密碼管理等。

（5）SM：MO-PDP激活、網絡側發起的PDP激活、MOPDP去激活、MT-PDP去活、MO-PDP修改、MO-PDP修改。

（6）SMS：提供短消息的相關服務。

（7）RABM：隱藏了RAB的概念。主要用于PDP上下文的管理、修改和維護，包括RB和IP映射等。

4.3 NAS層模塊設計原則

NAS層模塊的設計是采用消息隊列接收事件消息，然后在狀態轉移表中查詢對應的事件處理函數，調用相應的處理函數，并維護狀態的轉移，使得在事件處理過程中通過MES和網絡側的信令交互，實現整體NAS層的運轉。

NAS層模塊的設計具有較強的可拓展強性。為NAS層添加其他功能特性時，需拓展狀態機的狀態和狀態跳轉函數，但對原有狀態的跳轉不產生任何影響。

由于NAS層存在MM和GMM兩大管理模塊，建議這兩塊采用各自的狀態機，然后各子層比如CC，SM，SMS，SS等根據需要也可以采用相應的狀態機，子層與子層之間的交互使用消息隊列來進行。圖5給出了狀態機的運行原理。

圖5 狀態機運行原理

4.4 NAS層模塊與其他模塊的關系

NAS層與其他層的交互關系如圖6所示。NAS層主要與RRC層和上面的AT命令層進行交互。RRC層主要為NAS信令傳輸建立RR連接和PS信令連接，同時在RRC收到消息之后向NAS層的消息隊列發送事件消息，同時在NAS層需要RRC為NAS建立連接和有消息需要傳輸的時候向RRC層的消息隊列添加RRC事件消息。

4.5 NAS層軟件模塊劃分

將NAS層劃分為若干個子模塊，各個層之間使用消息隊列進行交互，如圖7所示。

圖6 NAS層與其他層進行交互

圖7 NAS層各子模塊之間的交互關系

（1）RRC可以向NAS層的消息隊列發送事件類型以觸發相應的NAS事件，NAS層（MM和GMM子層）可以向RRC消息隊列發送事件類型，以觸發RRC層的建立連接以及NAS消息的發送等。（2）CC在MES主叫或者被叫的時候，需要使用MM連接，這時候要與MM子層進行交互，交互的方式同樣是消息隊列，向MM子層的消息隊列添加建立或者釋放MM連接的事件，以觸發MM子層進行MM連接的管理。（3）SM子層的主要是對PDP上下文的管理功能，該功能需要GMM的移動性管理等功能，這部分的函數可以直接添加到GMM的狀態機中，觸發條件是GMM的消息對列的會話管理相關的事件添加。（4）SMS還需要使用MM子層的提供的MM連接。SMS與MM子層通過消息隊列進行原語交互。同時，SMS還要相應MN層的發來的指示，兩者使用原語消息進行交互。（5）SS也需要使用MM子層提供的服務，同時需要為MN提供服務，之間需要使用原語進行交互。（6）MN層用于使用業務的調用和反饋給上層，與SS，CC，SMS使用消息隊列進行交互。（7）AT command與下層的交互同樣使用消息隊列的形式。

5 結語

衛星移動通信與地面蜂窩移動通信無縫連接，能夠更好的開辟移動通信業務的市場范圍，為搶險救災、遠洋漁業、偏遠山區的農村通信作出巨大的貢獻。目前，我國國內使用的衛星移動通信終端屬于外國引進的衛星移動通信系統的終端，在一定程度上受制于該系統的所有者。所以，建設我國完全自主的衛星移動通信系統勢在必行。

本文設計的衛星移動終端協議棧NAS層模塊，對后續我國自主研發的衛星移動通信系統的終端協議棧具有一定的借鑒意義。

[1]黃曉瑩，程宇新，吳建軍.一種衛星移動通信終端協議棧軟件架構方案[C].第七屆衛星通信新技術新業務年會，2011（3）：395-403.

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Design of a NAS layer of terminal protocol stack of satellite mobile communication

Bao Feng
（Nanjing Panda Handa Technology Co., Ltd., Nanjing 210000, China）

According to the needs of our satellite mobile communication system, the design of NAS layer module of satellite mobile communication terminal protocol stack is introduced in this paper. Firstly, this paper introduces hierarchy of air interface protocol in satellite mobile communication system. Then, the mobile satellite communication terminal software architecture is expounded to introduce the position and role of NAS protocol stack module in the protocol stack . Finally, the design principles of NAS layer module are expounded. The design meets the needs of the current satellite mobile communication system in China, it has certain reference signi fi cance for the independent research and development of terminal protocol stack of our country’s satellite mobile communication system.

satellite mobile communication; terminal protocol stack; NAS layer; state machine

鮑峰（1983— ），男，遼寧朝陽，碩士，工程師；研究方向：衛星移動通信協議棧，衛星移動終端協議棧開發。