［樊玉朋 何豐］

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GMR-1 3G系統(tǒng)語音數(shù)據(jù)傳輸單元的設(shè)計與實現(xiàn)

［樊玉朋 何豐］

摘要

GMR-1 3G系統(tǒng)是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的地球同步衛(wèi)星移動通信標(biāo)準(zhǔn)，其可與地面3G 核心網(wǎng)互聯(lián)。由于衛(wèi)星通信環(huán)境的特殊性造成數(shù)據(jù)傳輸抖動時延大，GMR-1 3G系統(tǒng)話音數(shù)據(jù)傳輸單元的好壞直接影響系統(tǒng)的用戶體驗，介紹該系統(tǒng)的組成部分，設(shè)計并實現(xiàn)該系統(tǒng)語音數(shù)據(jù)傳輸單元。

關(guān)鍵詞：GMR-1 3G 地面核心網(wǎng) 話音傳輸單元

樊玉朋

重慶郵電大學(xué)電工理論與新技術(shù)實驗室。碩士研究生，主要研究方向為無線通信。

何豐

重慶郵電大學(xué)電工理論與新技術(shù)實驗室。副教授，主要研究方向為通信技術(shù)。

1 引 言

GMR-1（Geostationary Earth Orbit Mobile Radio interface） 3G系統(tǒng)是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會ETSI制定的可與地面3G核心網(wǎng)互聯(lián)的地球同步衛(wèi)星移動通信標(biāo)準(zhǔn)，由全球移動通信系統(tǒng)GSM標(biāo)準(zhǔn)衍化而來，提供基于同步衛(wèi)星的移動通信業(yè)務(wù)，具有覆蓋范圍廣、頻率利用率高、不受地理條件限制和運營成本影響的特點，是地面蜂窩系統(tǒng)的必要擴展，在人煙稀少地區(qū)以及地面蜂窩系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞時，發(fā)揮著重要的作用。特別是今年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)的依賴度逐漸增高，對信息隨時隨地可以獲取的需求逐漸增強，使得與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)不斷發(fā)展，成為目前通信領(lǐng)域研究的一大熱點。但是與地面通信相比，衛(wèi)星通信因環(huán)境復(fù)雜存在數(shù)據(jù)傳輸延遲大，信道鏈路復(fù)雜，受外界環(huán)境影響大，易造成數(shù)據(jù)包的抖動，本文采用RTP（實時傳輸）協(xié)議，設(shè)計并實現(xiàn)一種緩存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，通過絕對時鐘對數(shù)據(jù)進行調(diào)度，降低數(shù)據(jù)抖動，實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

2 GMR-1 3G系統(tǒng)介紹及協(xié)議結(jié)構(gòu)

2.1 GMR-1 3G系統(tǒng)元素介紹

GMR-1 3G系統(tǒng)由GEO衛(wèi)星、地球移動站MES （mobile earth station）、關(guān)口站（gateway station）、衛(wèi)星操作中心（satellite operation center）、核心網(wǎng)CN（core network）、網(wǎng)管站OAM(operation a d m i n i s t r a t i o n a n d maintenance center)等模塊組成，如圖1所示。其中關(guān)口站的核心設(shè)備是基站收發(fā)臺和基站控制器。一般來說，基站控制器可以控制若干基站收發(fā)臺，其主要功能是進行無線信道管理、實施呼叫和通信鏈路的建立和拆除，并為本控制區(qū)內(nèi)移動臺的過區(qū)切換進行控制等。GMR-13G支持電路域話音、傳真業(yè)務(wù)及支持分組域業(yè)務(wù)，其與核心網(wǎng)之間的Iu口其最高速率可達592kbit/s，極大的提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。

圖1 GMR-1 3G系統(tǒng)元素圖

2.2 GMR-1 3G協(xié)議結(jié)構(gòu)介紹

本系統(tǒng)定義兩個協(xié)議接口，分別為終端與關(guān)口站的uu口，關(guān)口站與核心網(wǎng)之間的lu口，終端到GEO衛(wèi)星的上下行鏈路使用L波段其協(xié)議由下而上可分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與層三，層三的作用在于無線資源管理、移動性管理和連續(xù)管理。GEO衛(wèi)星到關(guān)口站的上下行鏈路使用ku或c波段，關(guān)口站分為信令處理單元與業(yè)務(wù)處理單元，語音數(shù)據(jù)處理單元為關(guān)口站業(yè)務(wù)處理單元模塊主要由IUUP協(xié)議及RTP協(xié)議構(gòu)成，用于實現(xiàn)與MES、CN的語音數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示。

圖 2 GMR-1 3G 系統(tǒng)協(xié)議棧用戶面架構(gòu)圖

其中Fp協(xié)議在于實現(xiàn)邏輯信道與物理信道的映射，IUUP協(xié)議是lu接口的無線網(wǎng)絡(luò)層用戶面協(xié)議，通常用來傳輸與RAB（Radio Access Bearers）相關(guān)的用戶數(shù)據(jù)，一個IUUP實體對應(yīng)一個RAB，IUUP實體與對應(yīng)的RAB一起建立、刪除和重配；IUUP通常有兩種模式：透傳模式與支持模式。透明模式下lu接口與其對等實例不進行任何IUUP協(xié)議信息交換，即不發(fā)送IUUP幀，其數(shù)據(jù)主要負載在RTP協(xié)議上，利用RTP協(xié)議緩存語音數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的時間中斷實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的低抖動傳輸，本文主要目標(biāo)放在RTP協(xié)議及其實現(xiàn)上，并在下一節(jié)詳細介紹RTP協(xié)議及其實現(xiàn)。

3 語音數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計與實現(xiàn)

RTP（RealtimeTransmission protocol）在協(xié)議層中的位置如圖3所示，下層采用UDP協(xié)議，能很好地保證傳輸?shù)膶崟r性，一般用于音頻、視頻方針數(shù)據(jù)等實時媒體應(yīng)用中。

圖3 RTP協(xié)議結(jié)構(gòu)

3.1 RTP數(shù)據(jù)包格式

RTP數(shù)據(jù)包格式主要分為RTP頭，RTP負載如圖 4所示是RFC3550中規(guī)定的RTP協(xié)議頭格式。

圖4 RTP頭格式

版本號（V）；2 bits，用來標(biāo)志RTP的版本號。

填充位（P）：1 bits，0代表無填充字節(jié)，1，代表RTP包的尾部包含附加的填充字節(jié)。

擴展位（X）：1 bits，0代表無擴展頭，1，代表RTP包的尾部包含一個擴展頭。

CSRC計數(shù)器（CC）：4 bits，含有固定頭部后面跟著的CSRC的數(shù)目。

標(biāo)志位（M）：1 bits，不同的有效載荷含義不同，對于視頻標(biāo)記為一幀的結(jié)束，對于音頻標(biāo)記為回話的開始。

載荷類型（PT）： 7 bits，有效負載類型，用于說明RTP報文中有效載荷的類型。

序列號（Sequence number）： 16 bits，用于 標(biāo)示發(fā)送者發(fā)送的RTP報文的序列號，每發(fā)送一個RTP報文，序列號加1，該字段用于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況不好時，統(tǒng)計丟包數(shù)；

時間戳（Timestamp）：32 bits 時間戳反映了該RTP報文的第一個八位組的采樣時刻，接收者使用時間戳來計算延遲和延遲抖動，并進行同步控制。

同步信源（SSRC）：32 bits，用于標(biāo)識同步信源，該標(biāo)示符采用隨機數(shù)隨機產(chǎn)生，同一視頻會議的兩個同步源不同；

貢獻源列表（CSRC list）：每個CSRC標(biāo)識符占32 bits，可以有0~15個，每個CSRC標(biāo)識包含在該RTP報文有效載荷中的貢獻源。

語音數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計：話音數(shù)據(jù)傳輸中的低時延對用戶體驗非常重要，所以在話音數(shù)據(jù)傳輸過程中，通信雙方采用socket網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報通信如圖5所示；

通信雙方首先加載套接字庫，創(chuàng)建本地socket，調(diào)用bind函數(shù)與本地IP及端口號綁定；

通信雙方通過sendto()，recvfrom()函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收；

圖5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報通信

當(dāng)通信結(jié)束調(diào)用closesocket關(guān)閉套接字回收資源。

4 話音數(shù)據(jù)傳輸流程及設(shè)計實現(xiàn)（如圖6所示）

圖6 話音數(shù)據(jù)傳輸流程

語音數(shù)據(jù)通過終端采集編解碼之后發(fā)向基站，基站處將語音數(shù)據(jù)分為兩個線程，接收線程與發(fā)送線程。其中接收線程根據(jù)數(shù)據(jù)來源區(qū)分上下行數(shù)據(jù)，下行則接RTP包，判斷版本號及負載類型是否正確，序列號是否比最后一次收到的序列號大，大則放入下行發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)，否則丟棄，上行則加入必要的RTP頭信息，放入到上行發(fā)送緩沖區(qū)，接收線程繼續(xù)判斷是否收到新數(shù)據(jù)。發(fā)送線程主要是根據(jù)時間戳判斷當(dāng)前時間與發(fā)送時間之間的時間差，利用select（）精確延時判斷發(fā)送時刻，將上下行數(shù)據(jù)低抖動發(fā)送到對應(yīng)的接收端。

4.1 語音數(shù)據(jù)發(fā)送時間延時測量

為精確統(tǒng)計發(fā)送數(shù)據(jù)包的時刻且不影響發(fā)送線程，我們采用網(wǎng)口數(shù)據(jù)捕獲工具wireshark，該軟件早期稱為ethereal，使用WinPCAP接口直接與網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)報文交換，使用顯示過濾器篩選數(shù)據(jù)源發(fā)送端口過濾出必要信息通過統(tǒng)計時間判斷時延抖動，如圖7所示。

圖7 發(fā)送數(shù)據(jù)包時間統(tǒng)計及分析圖

4.2 結(jié)果分析

（M為…的平均值）公式（1）

計算統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差方差為0.00389，且方差用于統(tǒng)計數(shù)據(jù)抖動的大小，從而可以看出我們所設(shè)計傳輸方案可保證語音數(shù)據(jù)的低抖動傳輸；

5 總結(jié)

GMR-1 3G系統(tǒng)支持話音域，分組域及傳真業(yè)務(wù)，衛(wèi)星通信中復(fù)雜的傳輸環(huán)境給話音傳輸?shù)投秳犹岢龇浅４蟮奶魬?zhàn)，話音業(yè)務(wù)的能否穩(wěn)定傳輸嚴(yán)重影響用戶的通話體驗；本文通過設(shè)計多線程將語音接收與發(fā)送分離，利用RTP實時傳輸協(xié)議實現(xiàn)了一種低抖動話音數(shù)據(jù)傳輸，通過結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)傳輸抖動小，很好地保證了話音質(zhì)量。

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收稿日期：（2015-12-22）