王立靜，汪 中，孫晨華，楊 超

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國人民解放軍63680部隊，江蘇江陰214431)

0 引言

TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用時分多址方式，能夠有效利用頻譜帶寬資源、對系統(tǒng)進行靈活配置［1］。與此同時，隨著 IP寬帶網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，利用TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)更好地承載IP業(yè)務(wù)也將成為其系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

IMS是由3GPP標準組織在R5版本提出，采用SIP協(xié)議對會話進行控制，用于提供各種實時多媒體服務(wù)［2］。IMS一經(jīng)提出，便因其開放式結(jié)構(gòu)平臺、與接入的無關(guān)性和基于策略的資源分配機制深受各界青睞，而通過IMS實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合也已成為業(yè)界的共識。地面網(wǎng)中，IMS在各不同網(wǎng)絡(luò)的融合方面取得了巨大成果［3］。

將IMS應用于TDMA衛(wèi)星系統(tǒng)，用以解決衛(wèi)星網(wǎng)用戶與地面網(wǎng)用戶之間的互通問題，實現(xiàn)地面網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)統(tǒng)一的會話管理、業(yè)務(wù)控制和資源分配。通過統(tǒng)一的會話管理、業(yè)務(wù)控制和資源分配，實現(xiàn)多種接入方式，保證地面網(wǎng)用戶與衛(wèi)星網(wǎng)進行通信時的服務(wù)質(zhì)量，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。用戶通信時，如何進行合理的資源協(xié)商，保證用戶的服務(wù)器質(zhì)量是首要考慮的問題。

1 TDMA衛(wèi)星系統(tǒng)與IMS融合的體系架構(gòu)

通過對IMS與TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分析研究，提出的融合體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 TDMA衛(wèi)星系統(tǒng)與IMS融合架構(gòu)

全網(wǎng)只在中心站部署1個IMS核心服務(wù)器。所有控制信令和資源請求信息都經(jīng)由中心站處理、分發(fā)至各個遠端站和終端。

假設(shè)共有3個站:1個中心站和2個遠端站。中心站部署IMS核心服務(wù)器和衛(wèi)星終端，2個遠端站分別部署衛(wèi)星終端、接入網(wǎng)關(guān)并安裝IMS終端。每個IMS終端下面都有多種媒體用戶，如音頻、視頻和數(shù)據(jù)等用戶。

IMS核心服務(wù)器主要有2個模塊:HSS(歸屬用戶服務(wù)器)和CSCF(會話控制功能)。HSS中主要存儲用戶身份信息、注冊信息、接入?yún)?shù)、服務(wù)觸發(fā)和漫游信息等。CSCF主要負責信令控制、會話管理、對用戶媒體會話進行處理以及資源分配策略等。中心站的衛(wèi)星終端主要對接收的數(shù)據(jù)包進行識別，如果是控制信令，則將信息轉(zhuǎn)發(fā)至IMS核心服務(wù)器，如果是媒體信息或數(shù)據(jù)信息，則根據(jù)信息中攜帶的消息將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳路由。同時，終端中還有一個幀計劃分配單元，用來管理衛(wèi)星資源并對衛(wèi)星信道資源進行分配。遠端站衛(wèi)星終端與中心站衛(wèi)星終端的功能基本相同。但是遠端站的衛(wèi)星終端用一個幀計劃申請單元代替了中心站衛(wèi)星終端的幀計劃分配單元。幀計劃申請單元用來向中心站的衛(wèi)星終端進行資源申請。

2 融合體系的半實物仿真

2.1 TDMA衛(wèi)星系統(tǒng)仿真模型

OPNET能提供圖形化的編輯界面，便于用戶使用。它的無線建模器還可用于建立分組無線網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的模型［4］。OPNET采用離散事件驅(qū)動的模擬機理，基于包的通信機制。通過仿真包在仿真模型中的傳遞來模擬實際物理網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包流動和節(jié)點內(nèi)部的處理過程［5］。

利用OPNET從網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點模型和進程模型3個層次對TDMA衛(wèi)星模型進行仿真，仿真模型如圖2所示。在此衛(wèi)星模型中，共搭建3個站，1個中心站和2個小站。每個站分別部署1個衛(wèi)星終端，其中中心站的衛(wèi)星終端還執(zhí)行衛(wèi)星網(wǎng)管的功能。

圖2 TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真模型

2.2 IMS核心功能實現(xiàn)

Linux是一個優(yōu)秀的操作系統(tǒng)，它支持多用戶、多進程和多線程，具有實時性好的特點，功能穩(wěn)定而強大［6］。由于具有良好的兼容性和可移植性，廣泛應用于多個系統(tǒng)平臺上。

利用Open IMS Core在Linux嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)IMS的核心功能，并對其CSCF功能進行修改，以滿足融合體系的會話管理和資源分配需求。

在3臺電腦上安裝Linux操作系統(tǒng)，1臺部署IMS核心服務(wù)器，其余2臺安裝IMS終端，部署結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 Linux下IMS核心功能實現(xiàn)

設(shè)置IMS核心服務(wù)器的IP地址192.168.1.3，IMS終端的 IP地址分別為192.168.1.10和192.168.1.20。

2.3 半實物仿真

TDMA衛(wèi)星仿真模型與IMS核心服務(wù)器以及IMS終端通過SITL模塊連接。IMS核心服務(wù)器通過SITL模塊與中心站的衛(wèi)星終端連接，IMS終端通過SITL模塊與遠端站的衛(wèi)星終端連接。半實物仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 半實物仿真結(jié)構(gòu)

2.4 融合體系的資源分配機制

TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的資源協(xié)商以及QoS保障是由衛(wèi)星網(wǎng)管執(zhí)行的。IMS的資源協(xié)商以及QoS保障是由核心服務(wù)器中的策略決策功能(PDF)實現(xiàn)。

融合體系的資源分配機制采用IMS核心服務(wù)器為主、衛(wèi)星網(wǎng)管為輔的分配機制，即IMS核心服務(wù)器中的PDF進行資源分配策略決策，衛(wèi)星網(wǎng)管根據(jù)策略決策檢查可用衛(wèi)星資源并執(zhí)行決策。PDF做出策略決策時同時分配給用戶一個QoS優(yōu)先級，當所有的資源分配的決策是由IMS核心服務(wù)器決定的，并與衛(wèi)星網(wǎng)管進行信息協(xié)商，查看是否有相應的衛(wèi)星資源可供用戶使用，同時檢查用戶的優(yōu)先級，如果優(yōu)先級為高，通過降低優(yōu)先級的QoS來保障高優(yōu)先級用戶的QoS。

當主叫用戶端的衛(wèi)星終端接收到來自用戶的通信請求后，檢查“Route”標題字段的內(nèi)容，“Route”標題字段包含了核心網(wǎng)入口的IP地址。衛(wèi)星終端將請求信息轉(zhuǎn)發(fā)至“Route”標題字段中給出的IP地址(IMS核心服務(wù)器所在地址)。IMS核心服務(wù)器收到請求信息后，對信息進行解析。首先檢驗用戶是否是合法用戶，如果不是，則拒絕請求;如果是則檢查SDP參數(shù)是否按照本地策略進行設(shè)置。如果沒有，則IMS核心服務(wù)器對SDP參數(shù)進行校正。校驗完成后，核心服務(wù)器的策略決策功能(PDF)根據(jù)SDP參數(shù)為用戶分配相應的帶寬、時延和優(yōu)先級等。并將策略決策結(jié)果告訴中心站的網(wǎng)關(guān)中心，網(wǎng)關(guān)中心根據(jù)策略決策結(jié)果檢查衛(wèi)星資源，并將分配結(jié)果告訴衛(wèi)星終端。主叫方的衛(wèi)星終端將資源協(xié)商結(jié)果告知主叫用戶(此消息中攜帶了為用戶預留的帶寬、QoS等級和媒體流所需的編解碼方式等)。其結(jié)果如圖5所示。

圖5 融合體系的資源協(xié)商

主叫用戶收到衛(wèi)星終端發(fā)來的資源協(xié)商結(jié)果后，知道網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)做好建鏈的準備。于是發(fā)送建鏈請求至被叫用戶的衛(wèi)星終端，被叫方衛(wèi)星終端收到請求后，發(fā)送建鏈命令給被叫用戶。至此，鏈路建立完成。用戶開始進行會話。

3 測試結(jié)果

遠端站A與遠端站B的2個用戶進行會話，結(jié)果如圖6所示。

圖6 用戶會話過程

會話過程中的資源分配結(jié)果如圖7所示。

圖7 資源分配

通過對測試結(jié)果分析可知，TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)與IMS融合體系的架構(gòu)是可行的，提出的資源分配機制基本滿足用戶需求，通信過程也比較合理與穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)與融合體系提供了一個統(tǒng)一的控制中心，所有控制信令和業(yè)務(wù)信令，都經(jīng)由中心站的IMS核心服務(wù)器進行統(tǒng)一的控制和管理。實現(xiàn)了用戶注冊、認證、鑒權(quán)、會話和資源分配的統(tǒng)一管理，合理利用資源，保證用戶的通信質(zhì)量。

［1］ 丹尼斯·羅迪著.衛(wèi)星通信(第3版).張更新，劉愛軍，張杭，等譯.［M］.北京:人民郵電出版社，2002.

［2］ 3GPP TS23.228 v6.16.0 IP Multimedia Subsystem(IMS)［S］.

［3］ 3GPP TS24.228 v5.15.0:Signaling flows for the IP multimedia callcontrolbased on Session Initiation Protocol(SIP) and Session Description Protocol(SDP)［S］.

［4］ 伍俊洪.網(wǎng)絡(luò)仿真和OPNET仿真技術(shù)［J］.計算機工程，2004，30(5):106-108.

［5］ 張金文，王文博.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［6］ 唐永波，喻建文，邱緒蓮.基于linux嵌入式系統(tǒng)的研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2005，33(10):98-102.