邵珍珍，萬 千

（中國交通通信信息中心，北京 100094）

1 引言

海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)具備移動3G通信業(yè)務(wù)特點(diǎn)，可提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)，首次將陸地IP通信網(wǎng)、移動3G網(wǎng)中的豐富應(yīng)用延伸到衛(wèi)星用戶，并可根據(jù)用戶不同需求，提供個(gè)性化的定制服務(wù)，是全球真正意義上的無縫隙覆蓋全球的寬帶移動衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡(luò)。通用移動通信系統(tǒng)（UMTS，Universal Mobile Telecommunications System）是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP制定的全球3G標(biāo)準(zhǔn)之一，它的主體包括無線接入網(wǎng)絡(luò)和分組化的核心網(wǎng)絡(luò)等一系列技術(shù)規(guī)范和接口協(xié)議。海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)采用了UMTS系統(tǒng)架構(gòu)和接口協(xié)議棧，根據(jù)衛(wèi)星鏈路高時(shí)延、非周期性干擾、衛(wèi)星資源帶寬有限等特點(diǎn)開發(fā)了新的空中接口協(xié)議。如何將衛(wèi)星通信系統(tǒng)有效地與地面移動網(wǎng)融合，并為全球用戶提供無縫覆蓋，早已成為越來越多學(xué)者研究的重點(diǎn)。本文將對UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析和闡述。

2 海事寬帶網(wǎng)絡(luò)終端的信令流程

為了獲得更高的傳輸效率，更加合理、高效地利用衛(wèi)星頻率資源，海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)采用專有的IAI-2空中接口替換了UMTS系統(tǒng)的Uu空中接口，可為同步衛(wèi)星環(huán)境提供完整的接入層協(xié)議棧和物理層優(yōu)化。它使用了不同的各種調(diào)制選項(xiàng)，如QPSK，16QAM，QPSK，通過編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)可變編碼速率。當(dāng)海事移動終端開機(jī)后，選擇合適的主用共享接入載波（PSAB）后，就可以發(fā)起IAI-2信令流程，注冊至海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)，具體流程如圖1所示。

圖1 海事衛(wèi)星終端的IAI-2注冊

注冊過程按照以下流程完成：

⊙ 終端守聽在全球波束公共信道（Global Beam Common Channel），獲取可用的主用共享接入載波和點(diǎn)波束范圍信息列表。

⊙ 根據(jù)終端自帶的GPS定位信息，從點(diǎn)波束范圍信息列表中選擇一個(gè)區(qū)域波束并守聽至該頻率。若無可用的區(qū)域波束覆蓋終端所在位置，則選用適合的窄點(diǎn)波束。

⊙ 終端發(fā)出信息交換申請，并向海事寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)起通信，建立一個(gè)專用的終端信令連接，此流程必須在終端向核心網(wǎng)發(fā)出信令信息之前完成。終端預(yù)占一個(gè)主用共享接入載波后，將會監(jiān)控該信道時(shí)隙占用情況，以便于選擇一個(gè)合適的時(shí)機(jī)發(fā)送一個(gè)包含注冊協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）的隨機(jī)存取脈沖給無線接入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)識別的依據(jù)是NAS ID，包括終端IMSI，TMSI，P-TMSI等。若是在沒有SIM卡時(shí)，NAS ID將使用緊急呼叫情況下終端的移動設(shè)備國際識別碼IMEI。

⊙ 如果無線接入網(wǎng)絡(luò)成功接收了這個(gè)注冊PDU，將會返回一個(gè)注冊確認(rèn)PDU并給后續(xù)的信令信息分配一個(gè)專用的終端信令連接。

⊙ 終端顯示其已收到注冊確認(rèn)信息，并通過新建立的專用終端信令連接發(fā)送注冊完成信息。

⊙ 無線接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)有可能要求終端給其發(fā)送GPS定位信息。為防止信息被攔截，此位置報(bào)告經(jīng)過應(yīng)用公鑰加密運(yùn)算法則保護(hù)。此公鑰將通過無線接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的位置請求信息送至終端，或從終端中存儲的預(yù)設(shè)密鑰陣列中移除。

⊙ 終端響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的請求，送回加密的位置報(bào)告。此信息可使無線接入網(wǎng)絡(luò)確定終端是否在與其地理位置相對應(yīng)的服務(wù)區(qū)、是否被允許使用海事寬帶服務(wù)。

⊙ 無線接入網(wǎng)絡(luò)將允許終端通過回應(yīng)注冊模式更新信息的方式繼續(xù)進(jìn)行UMTS標(biāo)準(zhǔn)的附著流程。

3 海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)中UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的全I(xiàn)P化、與陸地互聯(lián)網(wǎng)一致的全球統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，是海事衛(wèi)星寬帶終端滿足不同國家、不同應(yīng)用的關(guān)鍵。UMTS是應(yīng)用于陸地通信的3G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不能直接應(yīng)用在海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)中，需要對UMTS協(xié)議做一些調(diào)整。海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)仍然采用3GPP移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括核心網(wǎng)（CN）、無線接入網(wǎng)（RNC）和用戶終端（UE）三部分（見圖2）。

圖2 海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）海事衛(wèi)星移動終端（UE）

海事衛(wèi)星移動終端由便攜式的衛(wèi)星調(diào)整解調(diào)器和全球用戶身份模塊（USIM）組成，負(fù)責(zé)用戶側(cè)射頻信號的收發(fā)，與外部數(shù)據(jù)終端設(shè)備（如電腦、智能平板電腦、視頻設(shè)備等）通過以太網(wǎng)口相連接。移動終端通過海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)建立起數(shù)據(jù)終端設(shè)備與國內(nèi)外陸地公眾固定、移動網(wǎng)絡(luò)間的通信橋梁，實(shí)現(xiàn)訪問互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)、視頻傳輸?shù)纫幌盗芯W(wǎng)絡(luò)功能。全球用戶身份模塊是在UMTS 3G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)構(gòu)件，在海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)中作為安全手段，鑒別并授權(quán)海事用戶進(jìn)入并使用網(wǎng)絡(luò)。

（2）無線接入網(wǎng)（RNS）

陸地?zé)o線接入網(wǎng)（UTRAN）是UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)重要組成部分，是UMTS最重要的一種接入方式，適用范圍最廣。UTRAN由NODE B和無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）構(gòu)成，UTRAN Nobe B是WCDMA系統(tǒng)的基站。在海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)中，位于赤道上空同步軌道的海事衛(wèi)星扮演WCDMA系統(tǒng)中基站的角色，作為“中繼站”的它主要功能是接收地面站和移動終端發(fā)來的信號，對信號加以放大和處理，然后轉(zhuǎn)給終端或地面站。無線接入網(wǎng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星頻率資源管理、信道資源控制、用戶信道分配、功率控制、點(diǎn)波束間漫游控制、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)分段及重組、公共廣播信令等。

無線接入網(wǎng)系統(tǒng)由射頻和天線系統(tǒng)、信道單元、網(wǎng)管服務(wù)器、核心網(wǎng)關(guān)和存儲設(shè)備組成。該系統(tǒng)采用歐洲的WCDMA 3GPP標(biāo)準(zhǔn)，相比UMTS系統(tǒng)中的Uu空中接口，海事衛(wèi)星組成對其進(jìn)行單獨(dú)開發(fā)和修改，以適配海事衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨蟆：诵木W(wǎng)關(guān)是海事衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)空間接口協(xié)議和第三代移動通信3GPP Iu接口的中間組件。網(wǎng)管服務(wù)器負(fù)責(zé)地面關(guān)口站覆蓋范圍內(nèi)的信道分配，通過地面線路訪問Inmarsat的頻率資源管理池完成信道的分配和回收，以保證整個(gè)海事衛(wèi)星網(wǎng)的信道資源的最優(yōu)化使用。

（3）核心網(wǎng)（CN）

海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)在衛(wèi)星通信環(huán)境中采用了UMTS系統(tǒng)部分內(nèi)部架構(gòu)。核心網(wǎng)相比陸地移動UMTS系統(tǒng)沒有改變，支持射頻網(wǎng)絡(luò)與陸地網(wǎng)絡(luò)間3G標(biāo)準(zhǔn)信號的處理和轉(zhuǎn)換，提供終端的注冊、認(rèn)證、鑒權(quán)、通信交互、計(jì)費(fèi)等一系列處理功能，是地面關(guān)口站業(yè)務(wù)處理的核心部分。與移動網(wǎng)中UMTS系統(tǒng)一致，海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)系統(tǒng)由電路交換域和包交換域兩部分組成，另外為實(shí)現(xiàn)海事用戶終端控制設(shè)有設(shè)備標(biāo)識寄存器，為實(shí)現(xiàn)包交換數(shù)據(jù)傳輸加速設(shè)有IP加速器。

電路交換域（CNCS）主要設(shè)備是媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）、移動交換中心服務(wù)器（MSC server）、訪問用戶位置寄存器和強(qiáng)制路由系統(tǒng)。媒體網(wǎng)關(guān)的功能主要是提供衛(wèi)星語音編碼接口、合法監(jiān)聽接口、系統(tǒng)配置接口、Iu接口等。移動交換中心服務(wù)器是移動軟交換系統(tǒng)控制層的控制功能實(shí)體，其功能實(shí)現(xiàn)符合3GPP R6的國際規(guī)范，主要功能包括：媒體網(wǎng)關(guān)控制功能、呼叫控制功能、業(yè)務(wù)控制功能、移動性管理、計(jì)費(fèi)功能以及支持智能網(wǎng)和預(yù)付費(fèi)業(yè)務(wù)等。

包交換域(CNPS)的主要設(shè)備是GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）和GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）。SGSN節(jié)點(diǎn)提供移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的分組數(shù)據(jù)交換功能，具體包括路由、移動管理、會話管理和相應(yīng)的計(jì)費(fèi)功能等。GGSN提供分組網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接，外網(wǎng)包括因特網(wǎng)、公司企業(yè)網(wǎng)和專用數(shù)據(jù)網(wǎng)等。GGSN負(fù)責(zé)路由選擇與轉(zhuǎn)發(fā)、流量管理、移動性管理等功能。

4 海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的接口協(xié)議棧

圖3 UMTS協(xié)議用于海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)

UMTS系統(tǒng)信令協(xié)議棧采用了分層架構(gòu)，主要包含兩個(gè)協(xié)議層：接入層（AS）和非接入層（NAS），見圖3。UMTS接入層主要由物理層、無線鏈路控制子層和媒體接入控制子層、無線資源控制層三個(gè)子層組成。接入層是同信號傳遞媒介相關(guān)的協(xié)議層，UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用在陸地傳輸?shù)囊苿油ㄐ畔到y(tǒng)，而海事寬帶網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，這個(gè)差別決定了海事寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不能照搬UMTS接入層協(xié)議，使用了海事衛(wèi)星專用的IAI-2接口協(xié)議代替了UMTS系統(tǒng)中無線接入網(wǎng)和用戶終端之間的Uu接口接入層協(xié)議，以更好地適應(yīng)衛(wèi)星鏈路的需要。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變的同時(shí)，海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)非接入層協(xié)議與UMTS保持一致。

海事寬帶網(wǎng)絡(luò)延用了部分UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，下面將具體分析網(wǎng)絡(luò)中的幾個(gè)主要接口協(xié)議棧（見圖4）。

圖4 海事寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的接口協(xié)議棧

（1）R接口

R接口是終端設(shè)備TE（如筆記本、智能平板電腦燈）與移動終端MT（即海事衛(wèi)星終端）之間的接口。海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)沒有專門指明或定義R接口，此接口典型的應(yīng)用場景是基于物理層的以太網(wǎng)、藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)802.11，USB，RS-232等接口連接。用戶還可使用AT命令通過這個(gè)接口完成設(shè)備間的連接配置，并完成短信的傳輸。海事衛(wèi)星寬帶終端同一時(shí)間進(jìn)行多個(gè)會話連接的應(yīng)用，即支持多個(gè)PDP上下文連接就是通過這個(gè)接口完成的，在3GPP TS27.010標(biāo)準(zhǔn)中作為可選項(xiàng)有所定義。

（2）Cu接口Cu接口是連接UMTS集成電路卡和海事衛(wèi)星終端的標(biāo)準(zhǔn)接口。通用集成電路卡UICC是為在終端上存儲海事衛(wèi)星全球用戶識別卡USIM信息提供安全的存儲環(huán)境。海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)支持GSM網(wǎng)絡(luò)SIM卡的漫游，但其核心網(wǎng)具備對其接入進(jìn)行限制和管控的技術(shù)能力。

（3）Uu接口

Uu接口是UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中無線接口，移動終端通過Uu接口接入到UMTS系統(tǒng)的固定網(wǎng)絡(luò)部分，可以說Uu接口是UMTS系統(tǒng)中最重要的開放接口。海事寬帶網(wǎng)絡(luò)中的無限接口使用的Inmarsat的私有接口協(xié)議IAI-2（Inmarsat Air Interface Number2），主要提供終端與無線側(cè)建立、配置、修改和釋放無線接入網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)的功能。

該接口分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層。其數(shù)據(jù)鏈路層被進(jìn)一步分為媒體接入層MAC、無線鏈路子層RLC、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層PDCP和廣播/多點(diǎn)傳送控制層BMC。通過Inmarsat第四代衛(wèi)星進(jìn)行UE與RNS之間的信息傳輸。

（4）Iu接口

海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)中無線接入網(wǎng)絡(luò)與核心網(wǎng)之間的協(xié)議棧采用UMTS通用的標(biāo)準(zhǔn)Iu接口。Iu接口協(xié)議在垂直平面上分為控制平面和用戶平面，在水平方向上分為無線網(wǎng)絡(luò)層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層。Iu接口執(zhí)行海事衛(wèi)星側(cè)無線接入承載的建立、保持和釋放過程；執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)切換、系統(tǒng)間切換和SRNS重定位過程；支持小區(qū)廣播業(yè)務(wù)；進(jìn)行與終端無關(guān)的通用過程，執(zhí)行終端和核心網(wǎng)之間非接入層信令的傳送，執(zhí)行核心網(wǎng)與UTRAN之間位置業(yè)務(wù)請求和應(yīng)答信息的傳送；控制單個(gè)終端到多個(gè)核心網(wǎng)域的同時(shí)接入，并提供分組數(shù)據(jù)流的資源保留機(jī)制。Iu接口又分為以下三種：

⊙ Iu BC：通過SABP協(xié)議完成業(yè)務(wù)區(qū)的廣播RNS與CBC之間的接口，面向廣播域，具有信息處理、負(fù)荷處理、復(fù)位、錯(cuò)誤處理等功能，是針對特定的語音群組呼叫業(yè)務(wù)或語音廣播業(yè)務(wù)。

⊙ Iu PS：在核心網(wǎng)分組域中，無線網(wǎng)絡(luò)RNS與分組域用戶平面的服務(wù)節(jié)點(diǎn)SGSN之間的包交換域接口協(xié)議棧如圖6所示。目前，海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)中SCCP信令消息的傳輸采用了基于IP的SIGTRAN協(xié)議堆棧。

⊙ Iu CS：Iu-CS接口控制平面信令消息的傳輸是在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)RNC與MSC/VLR之間完成的；Iu-CS接口用戶平面業(yè)務(wù)承載是在無線系統(tǒng)RNC與媒體網(wǎng)關(guān)MGW之間完成。網(wǎng)絡(luò)傳輸層控制平面中采用ITU電信Q.2630.2標(biāo)準(zhǔn)，提供基于ATM AAL-2連接信令完成電路呼叫的建立和釋放，見圖5。

圖5 Iu CS協(xié)議棧

（5）Gn和Gi接口

GGSN是網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)，通過Gn接口與SGSN相連，通過Gi接口與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)Gn接口是SGSN與GGSN之間負(fù)責(zé)完成IP信道的建立、釋放、控制等功能。

5 結(jié)束語

海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)融入了UMTS技術(shù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，它的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量更高，傳輸速度更快，功能也從單一話音服務(wù)發(fā)展到圖像、視頻、高速互聯(lián)網(wǎng)接入等全系統(tǒng)功能服務(wù)，在國際和國內(nèi)獲得了巨大的成功。本文對基于UMTS標(biāo)準(zhǔn)的海事衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)信令流程、系統(tǒng)架構(gòu)和接口協(xié)議棧的分析對促進(jìn)我國移動衛(wèi)星通信事業(yè)發(fā)展起到積極作用。

圖6 Iu PS協(xié)議棧

[1] 卡拉寧（芬蘭），李安平.3G技術(shù)與UMTS網(wǎng)絡(luò).北京：人民郵電出版社

[2] Inmarsat BGAN System Def i nition Manual.國際海事衛(wèi)星組織寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定義手冊

[3] Applied UMTS Concepts for BGAN.BGAN系統(tǒng)中UMTS技術(shù)和理念的應(yīng)用