一种卫星移动通信终端协议栈NAS层模块设计

第ｌ５驯　

２０ｌ７午８ＩＪ　

ＮＯ．１５　

ＡＵｇＵｓｔ，２０１７　

一

种卫星移动通信终端协议栈ＮＡＳ层模块设计　

鲍　峰　。ｒ　

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏　南京　２１　００００）　

摘要：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．ｇ￣－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．￣－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　

关键词：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　

具等，其中ＲＴＯＳ主要负责线程调度、内存管理、文件系统、　

州络系统、ＵＳＢ、中断管理等模块，它是协议栈以及其他软件　

卫星移动通信具有覆盖范围广、建站成本和通信成本与　

ｌ

距离无关等优点，是辅助地面移动通信提高业务质量和应　

运行的基础，为上层软件提供运行保障；驱动是外部事件通　

用范围小可或缺的手段，而且具有巨大的市场潜力和应用价　矢ｆ】终端系统软件的接口，实时操作系统以及其他软件通过驱　

值。随着我罔国民经济的／ｆ　断发展和科技水平的不断提高，　

无论从国家军事战略角发，还是从国民经济发展角度出发，　

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　等外部模块：测试工具土要用于埘整个　

　议栈软件通过将ｌｏｇ／数据包通过某种机制　

建立一个　ｊ地面蜂窝移动通信系统无缝连接的卫星移动通　

协　栈的测试，

信系统是卜分必要的。　

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　

＝．的协议，它是　

］　星移动终端协议栈足　晕移动通信系统中移动终端　

件的调试；核心　议栈软件实现了物理层以Ｉ

的核心部件，而本文所设计的～ｌ　星移动终端协议栈ＮＡＳ层模　

整个软件的核心，而ＮＡＳ层模块就属Ｆ协议栈的一部分。

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　

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所提供的所何功能。　

卫星移动通信系统空中接Ｉ】协议由控制而协议和用户面　

非

白　

Ｉ鲞动缝■　

ｒ———］　

，　、　

］　

６ＣＮ嗣结　通信卫■　

Ｊｉ　

　ｉ

；

接ｆ瑚糯Ｉ金ｌ！竺！ＩＩｓ精｛．　．　ｉ　

协议构成，控制面ｌ力１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ｌ所示，在空中接ｌ＿＝＿】＝上划分为接　

入层（ＡＳ层）和　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）　

ｉ一－　Ｔｒｌ－一－一－一ｉ　ＩＩ一　

■●一　一＿ｉｌ　

Ｉ一　一一一　－ｌｌＩＩＩｌ＿　ｌＩｌｌｌｌｌ１　

图１控制面协议构架　

和无线资源控制子层（ＲＲＣ）；ＮＡＳ层又划分为ＧＰＲＳｑｋ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。　

用户而ｌ办议架构如图２所示，在空中接口上二具备物理　

（ＰＨＹＳ）干ｕＭＡＣ／ＲＬＣ层的功能，在其之＿Ｉ二是需要传输的川　

户话音、短ｆ￣ｆｆＧＰＲＳ数据等业务。其中传输ＧＰＲＳ数据业务　

时，用户平而协议还包括ＰＤＣＰ层的功能。用户平面协议地面　

承载接【］用十ＧＳＣ和ＧＣＮ之问的用户业务的传输，ＧＳＣ￣Ｉ］　

ＧＣＮ之问通过Ｉｕ接口相互连接。　

３　卫星移动终端软件架构　

星移动终端的软件架构，如图３所示。整个软件系统　

里　

主要分为５ｆ｝ｌ；＝分：实时操作系统、驱动、核心协议栈、测试工　

图２用户面协议构架　

作者简介：鲍峰（１９８３一），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　

５一　

第１５期　

２０１７年８月　

ＮＯ．１５　

无线互联科技・通信观察　

ＡｕｇｕＳｔ，２０１７　

Ｍｏｄｅｍ　Ｅｎｔｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　

模块，功能如下。　

ｔ

…　

ａｃＫ　Ｌｌ１ｒ　Ｌｌ　

一　一一　

图３终端软件架构　

（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、ＩＭＳ１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。　

Ｔｅｓｔ　ＴｏｏｌＳ　

｝Ｄｒｉｖｅｒ　

ＲＴＯＳ　

（４）ＳＳ：各种呼叫无关的补充业务功能，主要有登记、　

隧　曩　

隧曩震　

４　ＮＡＳ层模块设计　

４．１　ＮＡＳ层模块功能　

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、ＭＯ．　

ＰＤＰ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上下艾　

的管理、修改和维护，包括ＲＢ￣ＩＩＰ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　

ＮＡＳ层是卫星移动终端协议栈的最高层，主要负责：　函数，并维护状态的转移，使得在事件处理过程中通过ＭＥＳ　

移动终端的移动性管理，会话管理，呼叫管理，短信管　和网络侧的信令交互，实现整体ＮＡＳ层的运转。　

理以及加密管理等功能。　

ＮＡＳ层模块的设计具有较强的可拓展强性。为ＮＡＳ层添　

以上这些功能的实现需要由以下实体来进行保证：　

加其他功能特性时，需拓展状态机的状态和状态跳转函数，　

］　

电路交换（Ｃｉ　ｒｅｕｉｔ　ＳＷｉｔＣｈｅｄ）服务的呼叫控制　但对原有状态的跳转不产生任何影响。　

（ｃａｌｌ　ｃｏｎｔｒｏ１）实体，ＧＰＲＳ　Ｊ￣务的会话管理（Ｓｅｓｓｉｏｎ　

由于ＮＡＳ层存在ＭＭ和ＧＭＭ两大管理模块，建议这两　

Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）实体，移动性管理（Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）　块采用各自的状态机，然后各子层比如ＣＣ，ＳＭ，ＳＭＳ，ＳＳ等　

实体，短消息服务（Ｓｈｏｒｔ　Ｍｅｓｓａｇｅ　Ｓｅｒｖｉｃｅ）实体，补充业务　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　

（ＳＳ）实体等。　

使用消息队列来进行。图５给出了状态机的运行原理。　

４．２　ＮＡＳ层模块协议架构　

ＮＡＳ模块的协议架构如图４所示。　

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｛￣　

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￣ＨＲＲＣ事件消息。　

４．５　ＮＡＳ层软件模块划分　

将ＮＡＳ层划分为若干个予模块，各个层之间使用消息队　

ＮＡＳ层模块的功能集子系统主要实现协议栈中不同的　

图４　ＮＡＳ层协议架构　

业务。该子系统主要包含ＭＭ，ＣＣ，ＳＳ，ＭＥＳＳ，ＳＭ，ＲＡＢＭ　

列进行交互，如图７所示。

６～　

第１　５期　

２０１７年８，ｑ　

ＵＰＬＡＹＥＲ　

ＮＯ．１５　

无线互联科技・迎　观察　

ＡＵｇＵＳｔ，２０１７　

（１）ＲＲＣ－￣Ｉ以ＩｈＪＮＡＳ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Ｉ￣］ＲＲＣ　

消息队列发送事件类型，以触发ＲＲＣ层的建立连接以及　

ＡＴ命令　

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予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　

ｆ　ｒＪＧＭＭｆｌ，＇Ｊ：ｔ￣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　

图６　ＮＡＳ层与其他层进行交互　

的ＭＭ连接。ＳＭＳ与ＭＭ子层通过消息队列进行原语交互。　

Ｊ司时，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　

需凄为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｛￣用　

—＝　——■●—■一｝　———■■—■■■■—————■，｛．’————■—■一　

言蚤　嘉　

命令处理模块（Ｉ办议栈厕　一　

±　一　～　

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　

１　星移动通信与地面蜂窝移动通信无缝连接，能够更好　

ＳＭ　

ＭＮ层（负责与卞层交　）　

Ｃｃ　ｓｓ　ＳＭＳ　

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ＩｌＪ区的农村通信作出巨大的贡献。目前，我国国内使用　

的　星移动通信终端属于外国引进的卫星移动通信系统的　

ＭＭ　

ＧＭＭ　

终端，在一定程度上受制于该系统的所有者。所以，建设我　

田完全自主的卫星移动通信系统势在必行。　

ＲＲＣ　

本文．Ｌ殳训　的卫星移动终端协议栈ＮＡＳ层模块，对后续我　

围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　

签意义。　

图７　ＮＡＳ层各子模块之间的交互关系　

【参考文献】　

［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］　七届卫星通信新技术新业务年会，２０１　１（３）：３９５・４０３．　

［２】窦志斌．基于Ｃ语言的高　Ｉ￣ｆｌ￣ＬＴＥ　ＲＬＣ．，Ｚ－－ｉ￣．计与实现［Ｊ】．无线电工程，２０１７（１２）：Ｉｌ—ｌ３，２８．　

【３】齐炳辉．中国卫星移动通信服务的现状和发展［ＪＪ．卫星应用，２００５（Ｉ）：１６—２１．　

［４］ＨＵＮＧ　Ａ，ＭＯＮＴＰＥＴＩＴ，ＫＥＳＩＤＩＳ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．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）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：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　ｓａｔｅＩＩｉｔｅ　ｍｏｂｉＩｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｎ．ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｉＳ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ　ｔｏ　

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｏｌｅ　ｏｆＮＡＳ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｓｔａｃｋ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｓｔａｃｋ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆＮＡＳ　ｌａｙｅｒ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｒｅ　

ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，ｉｔ　ｈａｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ　

ｏｒ　ｆｔｈｅ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆｔｅｒｍｉｎａｌ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｓｔａｃｋ　ｏｆｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ’Ｓ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｓｔａｃｋ；ＮＡＳ　ｌａｙｅｒ；ｓｔａｔｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　

７