鲍 峰

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210000）

一种卫星移动通信终端协议栈NAS层模块设计

鲍 峰

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210000）

针对我国对卫星移动通信系统的需要，文章介绍了一种卫星移动通信终端协议栈NAS层模块的设计。文章首先介绍了卫星移动通信系统空中接口协议的层次结构，然后通过介绍卫星移动通信终端软件架构来引出协议栈NAS层模块在整个协议栈中的位置和角色，最后对NAS层模块的设计原理和原则进行阐述。本设计适应我国当前卫星移动通信系统的需要，对后续我国自主研发卫星移动通信系统的终端协议栈具有一定的借鉴意义。

卫星移动通信；终端协议栈；NAS层；状态机

1 卫星移动通信系统研究背景

卫星移动通信具有覆盖范围广、建站成本和通信成本与距离无关等优点，是辅助地面移动通信提高业务质量和应用范围不可或缺的手段，而且具有巨大的市场潜力和应用价值。随着我国国民经济的不断发展和科技水平的不断提高，无论从国家军事战略角度，还是从国民经济发展角度出发，建立一个与地面蜂窝移动通信系统无缝连接的卫星移动通信系统是十分必要的。

卫星移动终端协议栈是卫星移动通信系统中移动终端的核心部件，而本文所设计的卫星移动终端协议栈NAS层模块正是卫星移动终端协议栈的重要组成部分。

2 卫星移动通信系统空中接口协议架构

卫星移动通信系统空中接口的结构和国际化组织开放系统互联参考模型（Open System Internet, OSI）的各层是相互对应的，完全具备ISO所提供的所有功能。

卫星移动通信系统空中接口协议由控制面协议和用户面协议构成，控制面协议主要完成控制无线接入承载及移动终端与网络之间的连接、透明传输非接入层消息；用户面协议则用于传输用户数据。

控制面协议架构如图1所示，在空中接口上划分为接入层（AS层）和非接入层（NAS层）。AS层包括物理层（PHY）、无线链路控制/媒体接入控制子层（RLC/MAC）和无线资源控制子层（RRC）；NAS层又划分为GPRS业务移动性管理（GMM）子层、会话管理（SM）子层、移动性管理（MM）子层和连接管理（CM）子层。

用户面协议架构如图2所示，在空中接口上具备物理层（PHYS）和MAC/RLC层的功能，在其之上是需要传输的用户话音、短信和GPRS数据等业务。其中传输GPRS数据业务时，用户平面协议还包括PDCP层的功能。用户平面协议地面承载接口用于GSC和GCN之间的用户业务的传输，GSC和GCN之间通过Iu接口相互连接。

3 卫星移动终端软件架构

卫星移动终端的软件架构，如图3所示。整个软件系统主要分为5部分：实时操作系统、驱动、核心协议栈、测试工具等，其中RTOS主要负责线程调度、内存管理、文件系统、网络系统、USB、中断管理等模块，它是协议栈以及其他软件运行的基础，为上层软件提供运行保障；驱动是外部事件通知终端系统软件的接口，实时操作系统以及其他软件通过驱动程序对外部事件进行处理，驱动包含了声卡、USB，CPU，ETH、物理层、SD卡等外部模块；测试工具主要用于对整个协议栈的测试，协议栈软件通过将log/数据包通过某种机制转发给外部的测试仪表进行分析处理，以加快整个协议栈软件的调试；核心协议栈软件实现了物理层以上的协议，它是整个软件的核心，而NAS层模块就属于协议栈的一部分。

图1 控制面协议构架

图2 用户面协议构架

图3 终端软件架构

4 NAS层模块设计

4.1 NAS层模块功能

NAS层是卫星移动终端协议栈的最高层，主要负责：移动终端的移动性管理，会话管理，呼叫管理，短信管理以及加密管理等功能。

以上这些功能的实现需要由以下实体来进行保证：

电路交换（Circuit Switched）服务的呼叫控制（call control）实体，GPRS服务的会话管理（Session Management）实体，移动性管理（Mobility Management）实体，短消息服务（Short Message Service）实体，补充业务（SS）实体等。

4.2 NAS层模块协议架构

NAS模块的协议架构如图4所示。

图4 NAS层协议架构

NAS层模块的功能集子系统主要实现协议栈中不同的业务。该子系统主要包含MM，CC，SS，MESS，SM，RABM模块，功能如下。

（1）MM模块主要实现移动终端的位置更新、MM连接管理、TMSI重分配、鉴权、身份识别、IMSI分离等功能。

（2）CC模块实现了基本呼叫和清除、紧急呼叫和清除、呼叫建立后的编解码修改、呼叫重建、DTMF过程、各种呼叫相关补充业务

（3）GMM模块主要实现了GPRS附着、GPRS分离、路由更新、GMM连接管理、P-TMSI重分配、鉴权、身份识别、联合附着、联合LA/RA更新、联合分离。

（4）SS：各种呼叫无关的补充业务功能，主要有登记、去登记、查询、激活、去激活、密码管理等。

（5）SM：MO-PDP激活、网络侧发起的PDP激活、MOPDP去激活、MT-PDP去活、MO-PDP修改、MO-PDP修改。

（6）SMS：提供短消息的相关服务。

（7）RABM：隐藏了RAB的概念。主要用于PDP上下文的管理、修改和维护，包括RB和IP映射等。

4.3 NAS层模块设计原则

NAS层模块的设计是采用消息队列接收事件消息，然后在状态转移表中查询对应的事件处理函数，调用相应的处理函数，并维护状态的转移，使得在事件处理过程中通过MES和网络侧的信令交互，实现整体NAS层的运转。

NAS层模块的设计具有较强的可拓展强性。为NAS层添加其他功能特性时，需拓展状态机的状态和状态跳转函数，但对原有状态的跳转不产生任何影响。

由于NAS层存在MM和GMM两大管理模块，建议这两块采用各自的状态机，然后各子层比如CC，SM，SMS，SS等根据需要也可以采用相应的状态机，子层与子层之间的交互使用消息队列来进行。图5给出了状态机的运行原理。

图5 状态机运行原理

4.4 NAS层模块与其他模块的关系

NAS层与其他层的交互关系如图6所示。NAS层主要与RRC层和上面的AT命令层进行交互。RRC层主要为NAS信令传输建立RR连接和PS信令连接，同时在RRC收到消息之后向NAS层的消息队列发送事件消息，同时在NAS层需要RRC为NAS建立连接和有消息需要传输的时候向RRC层的消息队列添加RRC事件消息。

4.5 NAS层软件模块划分

将NAS层划分为若干个子模块，各个层之间使用消息队列进行交互，如图7所示。

图6 NAS层与其他层进行交互

图7 NAS层各子模块之间的交互关系

（1）RRC可以向NAS层的消息队列发送事件类型以触发相应的NAS事件，NAS层（MM和GMM子层）可以向RRC消息队列发送事件类型，以触发RRC层的建立连接以及NAS消息的发送等。（2）CC在MES主叫或者被叫的时候，需要使用MM连接，这时候要与MM子层进行交互，交互的方式同样是消息队列，向MM子层的消息队列添加建立或者释放MM连接的事件，以触发MM子层进行MM连接的管理。（3）SM子层的主要是对PDP上下文的管理功能，该功能需要GMM的移动性管理等功能，这部分的函数可以直接添加到GMM的状态机中，触发条件是GMM的消息对列的会话管理相关的事件添加。（4）SMS还需要使用MM子层的提供的MM连接。SMS与MM子层通过消息队列进行原语交互。同时，SMS还要相应MN层的发来的指示，两者使用原语消息进行交互。（5）SS也需要使用MM子层提供的服务，同时需要为MN提供服务，之间需要使用原语进行交互。（6）MN层用于使用业务的调用和反馈给上层，与SS，CC，SMS使用消息队列进行交互。（7）AT command与下层的交互同样使用消息队列的形式。

5 结语

卫星移动通信与地面蜂窝移动通信无缝连接，能够更好的开辟移动通信业务的市场范围，为抢险救灾、远洋渔业、偏远山区的农村通信作出巨大的贡献。目前，我国国内使用的卫星移动通信终端属于外国引进的卫星移动通信系统的终端，在一定程度上受制于该系统的所有者。所以，建设我国完全自主的卫星移动通信系统势在必行。

本文设计的卫星移动终端协议栈NAS层模块，对后续我国自主研发的卫星移动通信系统的终端协议栈具有一定的借鉴意义。

[1]黄晓莹，程宇新，吴建军.一种卫星移动通信终端协议栈软件架构方案[C].第七届卫星通信新技术新业务年会，2011（3）：395-403.

[2]窦志斌.基于C语言的高性能LTE RLC层设计与实现[J].无线电工程，2017（12）：11-13，28.

[3]齐炳辉.中国卫星移动通信服务的现状和发展[J].卫星应用，2005（1）：16-21.

[4]HUNG A, MONTPETIT, KESIDIS G, et al.A framework for ATM via satellite[C].Global Telecommunications Conference, 2002（2）：1020-1025.

Design of a NAS layer of terminal protocol stack of satellite mobile communication

Bao Feng
（Nanjing Panda Handa Technology Co., Ltd., Nanjing 210000, China）

According to the needs of our satellite mobile communication system, the design of NAS layer module of satellite mobile communication terminal protocol stack is introduced in this paper. Firstly, this paper introduces hierarchy of air interface protocol in satellite mobile communication system. Then, the mobile satellite communication terminal software architecture is expounded to introduce the position and role of NAS protocol stack module in the protocol stack . Finally, the design principles of NAS layer module are expounded. The design meets the needs of the current satellite mobile communication system in China, it has certain reference signi fi cance for the independent research and development of terminal protocol stack of our country’s satellite mobile communication system.

satellite mobile communication; terminal protocol stack; NAS layer; state machine

鲍峰（1983— ），男，辽宁朝阳，硕士，工程师；研究方向：卫星移动通信协议栈，卫星移动终端协议栈开发。