徐展琦，孙婷婷，肖永伟，郭彦涛，马 涛

(1.西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西西安710071;2.威海海洋职业学院，山东威海264300;3.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

卫星网络与地面网络的结合具有两类网络的优势和广泛的应用，星地网络整体架构［1］、协议栈设计［2］、网关［2，3］及其与地面网络的互连互通［4］是一个重要的研究领域。星地融合网络方面的研究主要集中在与2G网络兼容的星地网络构架［5］和与3G网络兼容的星地网络构架［6］，前者如 Iridium和Global Star，后者包括兼容3G UMTS的卫星网络［7］以及建立卫星网络和地面3G UMTS的联合网络的可行性［8］。例如，文献［9］提出一种公共卫星移动网络的架构模型，它是与地面3G UMTS网络兼容、采用星载处理器的星地网。文献［10］提出一种基于IP的星地网络的设计方案，该方案可以向用户提供区分服务以保证其服务质量。

以上研究工作都是针对地面2G网络或3G网络提出的星地混合或融合网络架构。4G LTE网络具有高达100 M的无线传输、优化的网络架构、灵活的频谱利用和优良的QoS保证等优点，正好可满足人们对诸如视频电话、网络游戏和网络电视等宽带网络应用的日益增长需求，地面4G LTE已进入初级商用阶段。为了探讨基于4G LTE网络和宽带卫星网络的融合及其信关站的实现，提出一种基于4G LTE网络的星地融合宽带网络的网元功能和相应协议栈设计方案，给出演进分组核心网EPC的3种实现方案，并完成其网元组成、主要协议和方案特性的对比，可为进一步研究基于4G LTE网络的宽带卫星网络的网元功能分配、协议栈设计和EPC实现提供参考。

1 星地融合宽带网的网元及其协议栈

星地融合宽带网的系统架构由用户终端、空间段和地面段这3部分组成［11］，地面段包括信关站和实现与外网互连互通的网关，信关站实现接入网协议处理、用户入网注册、呼叫控制、移动性管理、资源分配和业务交换管理等功能。星地融合宽带网络架构的网元和系统的控制面/用户面协议栈分别如图1和图2所示。

图1 系统网元及控制面协议栈

图2 系统网元及用户面协议栈

主要网元包括:终端、卫星及信关站无线传输与接口模块、服务网关S-GW设备、分组网关P-GW设备和互连互通网关等，此处假定卫星仅完成eNB的功能，EPC一般包括:S-GW、P-GW、移动管理实体MME、家乡用户服务器HSS、策略和计费规则PCRF等网元。主要协议及其功能如下:

①非接入层NAS:负责与接入无关、独立于无线接入相关的功能及流程，完成用户数据管理、附着与去附着和鉴权等用户管理，演进分组核心网EPC会话承载的建立、修改和释放等;

②无线资源控制RRC:控制终端在连接活跃状态下的行为，涉及传输连接的建立、修改与释放，实现移动性管理、卫星选择和安全密钥控制;

③分组数据汇聚处理PDCP:处理来自RRC的消息以及IP数据包，实现包括包头压缩、完整性保护、加密/解密、数据包排序和重传等功能;

④无线链路控制RLC:完成上层数据分组的分割与重组、丢失分组的重传和乱序数据分段的排序;

⑤媒质接入控制MAC:根据星地链路状态完成不同业务连接的数据复用处理，尽可能保证服务质量和有效地降低链路分组丢失;

⑥物理层处理PHY:在信关站上行方向，将上层数据映射至物理数据帧，采用合适的调制和编码将其发送;下行方向实现同步、解调、解码和信道估计等处理，将获取的数据传输给上层;

⑦S1-AP:完成演进无线接入承载E-RAB的建立、修改和释放，实现EPS承载上下文、安全上下文、漫游限制、终端UE能力信息和对Sl接口的管理功能等;

⑧SCTP:流控制传输协议SCTP可为控制平面信令提供高可靠性的传输;

⑨GTP:GPRS隧道协议分为GTP-C和GTP-U，分别完成GTP控制平面和GTP用户平面的功能;GTP-C负责信令处理、隧道的创建、修改与释放以及位置管理消息处理等。

需要说明以下几点:①在图1和图2中，IPΔ代表该IP用于GPRS隧道的承载IP，而不是用户业务中的IP;②NAS的功能虽然终结于左半边协议栈(MME)，但其处理结果可能触发GTPv2-C以建立GTP-U;③在UE附着完成后，其与核心网其他用户建立“连接”所需的信令消息(如SIP)通过用户面协议栈传送，而不是控制面协议栈，即EPS不涉及UE的业务信令传送;④S5/S8中实现信令消息传送的方式也可选择PMIPv6(Procy MIP)［12］移动性管理由EPC网络完成，这样可简化对UE的要求。

2 EPC实现方案及比较

一般将S-GW和P-GW合称系统架构演进SAE-GW。大型商业运营的EPC必然需要这些网元分别设立，可实现系统容量大和性价比好的目标。但是，在早期EPC网络建设或诸如石油、电力等面向行业的4G LTE专用网络中，由于用户数目相对较少(几百～几千)，用户的侧重点不同，所有协议未必均要实现，不同的上述网元可进行适当的合并以提高性价比。网元实体合设方案要完成以下功能:网元的合设要尽可能体现4G核心网功能，网元数量的设置要适中，网元合设实现的复杂度要适中。据此讨论以下3种EPC实现方案。

①合设方案1。兼顾各网元所应承担任务、彼此间联系以及接口设计简单性等因素，信关站交换部分网元合设及其接口协议栈设置方案如图3所示。可实现没有接口关系的尽量分设、有接口关系或功能相近的网元尽量合设。

图3 网元合设方案1

②合设方案2。将MME以及SAE-GW网元进行合设，取消GTP控制面的协议栈，由S1-AP控制GTP-U，如图4所示。该方案中网元的合设仍体现4G核心网功能，网元数量为2，实现复杂度适中。

图4 网元合设方案2

MME＆SAE-GW实体能处理用户终端与信关站交换模块之间的信令信息，主要包括:业务承载的建立、维护和释放、移动性管理、终端UE和接入网连接的控制等。将从无线接入与传输部分接收到的数据，经过该网元实体，通过MME与HSS交互，获取目的终端的位置信息，通过SAE-GW进行路由表的查找和数据转发，构建卫星移动用户之间、卫星移动用户与地面用户业务交互的桥梁。

③合设方案3。此方案将信关站交换模块的5种网元合设成一个网元，对外只有3种接口，即S1-U、S1-MME和SGi接口，如图5所示。与前2项方案相比，此方案更为简单。取消GTP控制面的协议栈，由S1-AP控制GTP-U。网元的合设仍体现4G核心网功能，网元合设实现的复杂度较低，但网元的功能尚不能独立演示，网元数量为1。

图5 网元合设方案3

针对以上3种网元合设方案，给出部分网元合设3种方案及其对比如表1所示。3种方案的特征是:①方案1涉及5种协议的实现，将功能相当的网元进行合设，能实现GTP协议的控制面和用户面功能;②方案2支持5种协议类型，较第1种方案不用实现GTP-C，需要实现具有认证和授权功能的Diameter协议，提高安全性能;③ 合设成一个网元之后，网元实现简单，支持的协议类型较前2个方案少，是用户数较少时的优选方案。

表1 3种EPC部分网元合设方案及对比

3 结束语

基于4G LTE的星地融合网络的网络构架设计与性能评估是其中一个重要方向，上述给出一种基于LTE的星地融合网络的网元设置和协议栈配置，并对3种EPC的网元合设方案完成对比。但是，由于卫星网络与地面LTE网络在信道特性和网络架构等方面存在差异，依据地面LTE网络设计的星地融合网络，在卫星空中接口协议网元功能分配及协议有效衔接(图1和图2中的#和*)等方面仍需要深入研究。例如，使用用户面的GTP隧道有利于eNB、S-GW和P-GW间的流量管理及流量均衡，但对于每个流建立GTP隧道，无疑增加网元实现的复杂性。如果卫星兼有S-GW或/和P-GW的部分功能，上述协议栈仍需研究。

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［12］3GPP TS 29.275.Proxy Mobile IPv6(PMIPv6)Based Mobility and Tunnelling Protocols，Stage 3 ［S］，2013.