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        WIDESTAR II衛(wèi)星移動(dòng)通信方案研究

        2015-01-17 05:47:10李佳立余玉材鄒光南
        電子設(shè)計(jì)工程 2015年2期
        關(guān)鍵詞:信令數(shù)據(jù)包時(shí)延

        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年開啟語(yǔ)音服務(wù)的十多年以來,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,并通過采用IP等通用技術(shù)來簡(jiǎn)化開發(fā)以及運(yùn)行過程[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))合并無線處理功能

        WIDESTAR II將傳統(tǒng)系統(tǒng)中的無線控制器、調(diào)制器、解調(diào)器合并為衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)(S-AP)。通過合并上述組件,無線控制與調(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)部處理過程,因此減低了無線資源分配、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)中通過采用TDM和Turbo編碼/譯碼方式擴(kuò)展了無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。其無線處理單元開發(fā)基于現(xiàn)有WIDESTAR系統(tǒng),上層處理單元的開發(fā)基于GPRS 3G蜂窩數(shù)據(jù)包交換協(xié)議??稍诂F(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,從而使高速信道過度占用而導(dǎo)致效率的下降。WIDESTAR II系統(tǒng)通過采用簡(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匦裕瑏磉M(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)過程】

        用戶b通過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通信過程中,用戶c遵照和用戶A、b同樣的過程。 ……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占用所有無線資源,吞吐量達(dá)到384 kbps。

        在區(qū)域(2)中,一旦用戶A開始通信,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,是通過處理基于PDP上下文的虛擬路徑連接信息來管理的。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)切換控制過程并重置PDP上下文。

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

        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)換過程由核心網(wǎng)的媒體網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來完成(MGN)。在傳統(tǒng)方案中,這一轉(zhuǎn)換過程需要在終端進(jìn)行,而采取這一措施可以減少無線接入設(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)存在過度占用及使用效率下降等問題。

        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PDP上下文激活過程(圖6)來配置虛擬隧道鏈接,由下圖可知,此過程需要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上下文激活過程,則至少產(chǎn)生1 s的時(shí)延。

        圖6 PDP上下文激活過程Fig.6 Overview of PDPcontext activation procedure

        因此,在WIDESTAR II系統(tǒng)中,可將S-MS開機(jī)以后的PDP上下文將一直維持于處于保持狀態(tài)。通過這種方式,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)無線載體的建立

        在L3層無線載體建立過程中,當(dāng)接入核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的無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)通過簡(jiǎn)化RPUPCHBE信道分配過程以及在通信期間的速率變化來降低時(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)無線接入過程

        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)通過采用IP兼容技術(shù)、簡(jiǎn)化所采用的無線及通信過程、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.

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