基于 LTE 空中接口的卫星移动通信网络架构研究.doc

基于 LTE 空中接口的卫星移动通信网络架构研究
赵琦 王海涛 邹光南
（航天恒星科技有限公司 北京 100086）

摘要：作为新一代的移动通信关键技术，LTE（Long Term Evolution，长期演进）以其优越的 性能受到越来越多的重视。近年来卫星移动通信的发展速度迅猛，其与 3G 系统的融合也正在实践过程中。本文对于 3G 演进系统-LTE 做出介绍，并考虑到其高速传输特性，可以与现在卫星移动通信 相结合，将 LTE 网络架构应用于卫星移动通信中。本文对这一架构与卫星移动通信系统的结合做出 分析，并进一步介绍了应用于卫星移动通信的 LTE 空中接口协议。
关键词：LTE 卫星通信 网络架构 协议栈
Research on Satellite Mobile Communication Architecture
with LTE Radio Interface
Zhao Qi，Wang Haitao，Zou Guangnan
（Space Star Technology Co., Ltd. Beijing 100086）

Abstract：As the key technique of the next generation mobile communication, LTE (Long Term Evolution) is getting more and more recognition. In recent years, satellite communication has been mushroomed. The combination of satellite communication and 3G system is also in the process of carrying out. This paper introduces 3G evolution system, LTE. Thinking of the factor of high speed transmission, LTE could be combination with satellite communication, and the architecture of LTE could be used in satellite communication. This paper analyzes the combination, as well as, introduces the protocol stack of LTE for satellite communication.
Key words：LTE, Satellite Communication, Network Architecture, Protocol Stack

1. 绪论
移动通信已成为人们在现代生活中不可缺少的需求，目前地面移动通信系统已发展到第三代（3G），并正在迈向第四代移动通信 LTE。手持终端的功能越来越强，给人们的工作、学习和生活带来了极大的方便。移动通信发展的最终目标是实现个人通信，即任何人可以在任何地点、任何时间与其它任何人进行任何方式的通信。移动通信系统的主要目标是要达到全球化、综合化和个人化，能够提供更大带宽、更大容量和更灵活服务。，这就要靠卫星通信来支持，卫星通信可以在陆地蜂窝覆盖不到的边远地区、山区、河海、空中、空间实施移动通信，与陆地移动通信系统一起，共同完成全球移动个人通信任务。

2. 卫星移动通信系统与 LTE 简介
卫星移动通信系统是指提供卫星移动业务（MSS）的通信系统，其典型特征是利用卫星作中继站向用户提供移动业务。卫星移动通信可以看作是一个完整的移动通信系统的一部分，它通过 Iu 接口能直接访问 UMTS（Universal Mobile Telecom System，通用移动通信系统）核心网。卫星移动通 信使得不仅在蜂窝系统覆盖的区域内能提供服务，而且在地面系统不能提供服务的地区，卫星移动通信仍能提供服务。
LTE 是3GPP提出的一个长期演进项目，3GPP 经历了 R99，R4，R5 以及R6，到达 R7 版本，提出了 LTE 的可行性研究，在 R8 中仅以不完善了 3G长期演进（即 LTE）的概念。而 3GPP的网络架构在R4 中已经基本确定，后续版本并无太大修改，只是陆续增加了一些新的功能特性，例如在 R5中在核心网部分主要引入了 IMS 域。

3. 基于LTE 的卫星移动通信网络架构
在传统的 UMTS 中，以WCDMA 作为其 UE与 eNode B之间的空中接口。作为 WCDMA 的升级版本， 由于 LTE 技术的灵活性，及优越的性能指标，可以考虑用于卫星移动通信的空中接口。
从核心网的观点来看，LTE摒弃了2G和3G网络中存在的双核心网结构，即语音核心网（MSC/VLR）和分组核心网（SGSN/GGSN）。在LTE 网络中，分组核心网成为管理 UE 移动性和处理信令的唯一核心网。各种业务可以通过 IP 多媒体系统（IMS）提供给终端用户。
LTE 网络节点主要包括增强型 Node B和接入网关（MME/SAE GW）,增强型Node B 简写为 eNode B。
eNode B 提供LTE 的用户平面（RLC/MAC/PHY）和RRC 控制平面RRC 协议，除了应具有原来 Node B 的功能之外，还承担了包括：物理层功能（包括 HARQ）、MAC 层功能（包括 ARQ 功能）、RRC 功能（包括无线资源控制功能）、调度、无线接入许可限制、接入移动性管理以及小区间的无线资源管理功能等。其功能具体包括：无线资源管理（无线承载控制、无线接纳控制、连接移动性控制、上下行链路的动态资源分配等功能），IP 头压缩和用户数据流的封装，UE 附着是选择 MME，路由用户面数据到 SAE 网关，寻呼消息的调度和传输。广播信息的调度和传输，用于移动和调度的测量和测量报告的配置。GW 则包含了原来 SGSN 的功能。

图 1 GSM/UMTS 向LTE 的接入网结构演进

图 2 LTE 网络架构应用于卫星移动通信示意图
图 2 所示为LTE 的一个 EPS 网元结构，在高层，该网络是由核心网（EPC）和接入网（E-UTRAN）组成的。核心网由许多结点组成，而接入网基本只有一个节点，即与用户相连的 eNode B。所有网 元都通过接口相互连接。
将 LTE 应用与卫星移动通信，面临最大的问题就是其空中接口对于空间传输的适应性，例如卫星信道的大延迟，大频偏和各种衰落。
LTE 空中接口用户面的协议栈如图所示，这些子层在网络层终止于 eNode B，分别实现数据报头压缩，加密，自动重传请求，混合自动重传请求。LTE 空中接口的数据链路层被划分为一下几个子层：媒体接入控制（MAC）子层，无线链路控制（RLC）子层和分组数据汇聚协议（PDCP）子层。数据链路层放入协议栈结构和各子层功能如图 3 所示：

图 3 数据链路层协议栈

其中 PDCP 层主要负责从无线承载到传输模式的映射，并主要负责 IP 头压缩和加密，另外 PDCP层支持 eNode B 之间的无损转换并提供更高层的完整性保护；RLC 层主要提供从传输模式到逻辑信道的映射，主要包括 ARQ 功能和支持数据分段和级联；MAC 层主要负责从逻辑信道到传输信道的映射，这层支持 HARQ 并负责媒介存取的相关功能，例如调度和随机存取；PHY 层完成从传输信道到物 理信道的映射。用户平面通过空中接口传输通道为上层协议层提供用户数据传输服务，同时为控制 平面和 NAS信令提供传输通道。可能告知平面负责用户无线资源的管理、无线资源的建立、业务的QoS 保证和最终的资源释放。

图 4 协议栈示意图
控制平面的低层协议和用户平面相同，而上层的 RRC 层和非接入层（NAS）是控制平面最主要 的功能实体控制面协议的协议栈如图 4(b)所示，图中可以看出非接入层是 UE 和 EPC 通信的一部分。PDCP 子层实现加密和完整性的保护。RLC 和MAC 子层在控制面中的功能与用户面相同，而上层的 RRC 层和非接入子层 NAS(none access stratum)是控制面最重要的部分，其中空中接口对 NAS 控制是透明的。在真实网络中，UE 既可能处于空闲状态，也可能处于业务传输状态。对 UE 的不同状态，RRC和 NAS 子层有不同的协议状态与之对应，从而对不同活动状态下的 UE进行管理。E-UTRAN的 RRC 子层主要承担广播、无线接口寻呼、RRC 连接管理、无线承载控制、移动性管理、UE测量上报和控制等功能。
图 5 所示为一个 IP 包通过数据链路层协议栈向下传递到物理层。可以看出，每个协议栈子层都在数据单元前加入本层的协议头。
图 5 L2 协议栈数据流示意图
无论哪种通信系统中，都会存在数据误传。而链路层，网络层，和传输层协议中，并不能处理头中的比特误差。并且，大部分情况下协议不能处理承载数据中的错误。因此，LTE 中对错误处理的基本方法不是将错误信息传输到更高层处理，而是放弃或者重传包含了错误数据的数据单元。如图 5 所示，在物理层中数据单元尾部增加 24 比特的 CRC 校验码，以此来使接收端探测到比特错误并且向IP层前向传输无错数据包。
大多数 TCP/IP 协议在设计之初只能处理很低的丢包率。对于目前的技术发展水平，语音编解码的纠错能力最多在 10-2 ，而基于TCP的告诉文件下载需要错误率在 10-5 到 10-6 之间。MAC 层的HARQ 结构保证了错误数据块的重传使得纠正大多数传输块错误。HARQ 机制与 HSDPA 中的解决方案相似， 即停一等机制。一个比特的 HARQ 反馈信息，ACK/NACK，提供了成功接收的信息，而不是在消息中添加状态数据。因此，相对于窗机选择性重发协议，这种方法在延时，复杂度以及控制上大大占优。
图 6 MAC 和RLC 层的 HARQ和 ARQ 重传
HARQ 协议应占用尽量少的资源，单比特的 HARQ 反馈满足这个要求，但是有可能将 NACK数据错发成 ACK 数据，以此造成不必要的丢包，概率在 10 到 10 之间。因此为了确保 TCP 高速传输的同时降低反馈错误率，将消耗更大的功率，造成浪费。此外，某些其他控制信号的错误也会造成 HARQ传输失败。当接收机监测到失败，HARQ 过程会被新的数据重用，此时 HARQ 将不能有效代表重传需求。由于这种情况的发生，快速 HARQ 协议和增加冗余实现的 ACK/NACK 反馈和重传将在 RLC 层的高可靠度的滑动窗口的选择性重发 ARQ 机制中实现。如图 6 所示。当 CRC校验成功后，MAC HARQ接收机传递 RLC协议数据单元（PDU）到与之一致的 RLC 组织。如果 RLC 接收及探测到接收的 PDU 序列之间存在时间间隙，则启动计时器，假设 HARQ 协议丢包仍在重传。在极少数情况下，重排计时器溢出，RLC 认定模式（AM）接收机向同级的设备发送一个状态信息包括丢失的 RLC PDU 序列数量。MAC 层将RLC 状态看作任何其他的数据，也就是说，也应用相同的 HARQ 和CRC 操作。因此，ARQ反馈的错误或损耗可以通过发送另一个 RLC 状态检测或恢复。在这基础上，ARQ 发送方触发一个相关的 RLC PDU重传。HARQ层并不尝试将 RLC 重传数据和之前的传输数据相结合，而是将其视为新数据。在 LTE中，如果知道或假设 HARQ 传输失败，HARQ 传输表示可能存在一个所谓的到 ARQ 传输的本地 NACK。本地 NACK 的主要好处是将检测延迟缩短，得到比 ARQ 接收端更优的检测间隙。两层的 ARQ 设计实现了在不牺牲可靠度的前提下，更低的延迟和更低的系统开销。大多数错误在 HARQ 协议中被捕获并改正。剩余的 HARQ错误被 ARQ重传检测纠正。
在物理层上，相对于以往的技术，基于 LTE 的卫星移动通信空中接口采用 OFDMA，也就是正交频分复用技术，把可用的带宽分成若干个 15K的子载波。任意 2 个子载波是正交的。也采用 10ms 的帧，分成 10个子帧，每个子帧 2 个时隙。每个时隙上传 6个或 7 个符号。无论上行还是下行，UE 和基站可调度使用的资源是 RB。RB是一种时频域上的概念，频域上一个 RB 的频带宽度是 12 个子载波的频带宽度，也就是 180KHz；时域上，是一个时隙的时间间隔，也就是 7 个符号。从这个划分，可以自行算出 LTE 的大致峰值速率。系统可以调度个每个用户一个或者多个 RB，调度的越多，数传速率越高。
因为采用了 OFDMA 技术，所以频率的变化对整个系统影响很大，所以采用了 CP 以降低载波间干扰。
4. 小结
本文对基于 LTE 的卫星移动通信空中接口协议栈做了详尽的介绍，得出了一个卫星移动通信空中接口的物理层和上层的研究方案，可以将下一代移动通信和卫星移动通信结合起来，满足更大的覆盖特性，以应对基站无法覆盖地区的终端通信。
然而对于实际卫星通信系统，还有更多需要考虑的问题，这也将在后续的研究中进一步完善。
参考文献：
[1] 3GPP TS 36.401, “E-UTRAN Architecture description,” Rel. 8.
[2] 3GPP TS 36.323, “E-UTRA Packet Data Convergence Protocol (PDCP) Specification,” Rel. 8.
[3] 3GPP TS 36.322, “E-UTRA Radio Link Control (RLC) Protocol Specification,” Rel. 8.
[4] 3GPP TS 36.321, “E-UTRA Medium Access Control (MAC) Protocol Specification,” Rel. 8.
[5] 3GPP TS 25.814, ”Physical Layer Aspects for E-UTRA,” Rel. 7.