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  宽带卫星多媒体系统与下一代网络的互联与集成

     

【摘 要】BSM是现有宽带卫星IP系统的代表,致力于卫星通信与互联网的结合,使得陆地IP网络协议可以应用于卫星系统。而NGN提出了下一代通信网络的特点与要求,这将成为通信系统未来发展的趋势。BSM与NGN的结合将对卫星通信的发展产生重要影响,本文将对BSM与NGN的功能架构做简要介绍,并针对BSM与NGN的互连与集成的适应性做介绍与分析。
【关键词】BSM NGN Interworking Integration

一 、引言
电信市场不断发展壮大,出现了一些新的特征:一是各家运营商争相采用最新技术,新业务也不断涌现;二是互联网使用的增长、多媒体业务需求和通用移动性需求的增加;三是各种业务间的融合更加广泛和紧密。当前传统网络的能力已接近饱和,无法满足这些新特征所带来的新需求;另一方面,地面通信无法覆盖人烟稀少的偏远地区,也无法在灾后提供紧急通信能力。于是人们把目光转向了太空,宽带卫星多媒体(BSM)等宽带卫星IP系统应运而生,为这些问题提供了解决方案。
BSM使用户能够通过卫星终端接入到全球互联网中,为用户提供覆盖全球的宽带卫星服务。它采用基于IP协议的分组(包)传输及可交互的模块化控制,以标准化的方式提供IP业务,同时具有与其他IP网络进行互连与集成的能力。现有的BSM标准是由欧洲电信标准协会(ETSI)卫星地面站与系统(SES)技术委员会于2007年提出的,主要由欧洲的许多国家采用并实施。
此外,ETSI与国际电信联盟(ITU)、互联网工程任务组(IETF)及第三代合作伙伴计划(3GPP)等组织还致力于推动下一代网络(NGN)计划,该计划涉及固定网络和移动网络技术的融合、业务的全球覆盖、NGN与传统网络的互连与集成,能够解决传统网络面对新兴电信市场时所遇到的问题。
NGN的上层业务与底层传输技术相互独立,其最重要的特点是支持通用移动性,允许用户不管位置是否变化、所处的接入网是否变化,都具有业务接入的能力。因此,NGN可以被看作是未来的通用网络,是一个将基于IP的不同网络技术集合在一起的聚合网络。BSM网络就是其中的一种技术,它与NGN的互连与集成需要考虑卫星网络自身的特性。同时,BSM作为现有宽带卫星IP系统的代表,它与NGN网络的融合对卫星系统成功融入下一代通信网络具有推动作用。
本文将主要针对BSM系统与NGN的集成进行介绍,以及BSM系统与NGN的功能架构,BSM与NGN互连时NGN对BSM所产生的影响,BSM与NGN集成的适应性解决方案及应用场景。
二 、BSM和NGN
ETSI SES技术委员会在对BSM所做的标准规范中,非常重要的一点就是定义了独立于卫星的业务接入点(SI-SAP),它将上层业务与底层传输技术分离开来。而ETSI中致力于NGN研究的电信和互联网融合业务及高级网络协议(TISPAN),将NGN的架构划分为业务层和传输层,并在业务功能与网络功能之间提供开放的接口。这与BSM系统架构的层次划分类似,为两者的互连与集成提供了便利。此外,NGN允许“外部”网络业务在NGN架构中使用其自带的协议,以实现与其他网络的交互,这将有利于将更多的网络(从有线电视网到4G网络)融入到NGN的基础架构之中。
1.BSM系统的架构
SI-SAP是BSM架构上层协议与底层协议的接口,在逻辑上可以分为三种类型:用户、控制和管理(分别对应SI-U-SAP、SI-C-SAP和SI-M-SAP),分别用于对不同的功能进行适配。上层包括L3层及以上各层;底层包括L1层与L2层,在BSM中底层又分为卫星链路控制层(SLC)、卫星媒体接入层(SMAC)和卫星物理层(SPHY)。
BSM系统的功能架构如图1所示。

图1 BSM系统的功能架构
在上层协议和底层协议中,分别定义了相应的适配功能SIAF和SDAF,其中SIAF用于L3层与SI-SAP的连接,并对上层IP协议进行适配;SDAF用于L2层与SI-SAP连接,并对底层BSM资源进行访问。SIAF可以提供BSM地址解析、路由适应、QoS管理和安全管理等功能,以此来支持上层的IP路由、IP层QoS管理和安全管理。SDAF可以提供用户数据封装、BSM地址解析和队列管理等功能,并支持BSM资源管理和安全管理。
2.NGN的功能架构
ETSI的NGN架构遵从国际电信联盟电信标准化部(ITU-T)提出的NGN通用参考模型,由业务层和基于IP的传输层构成。

图2 NGN功能架构
图2中所示的NGN功能架构还包括了相关的物理设备,如终端和网关。BSM系统可以作为接入网络取代其中的接入传输功能。
尽管IP多媒体子系统(IMS)是NGN业务层的核心,它也只是许多个服务控制子系统之一。其他的服务控制子系统包括PSTN仿真(PES)和流服务等。IMS原本旨在使用基于SIP的信令来控制和传送实时对话业务,现在经过演进,已经可以支持许多其他业务,如IPTV等融合业务。

图3 NGN业务层公共组件概览
除了服务控制子系统,业务层还包括许多通用的功能实体,它们都能由多个子系统进行访问,如图3所示。这些通用功能实体包括:用于普通身份管理的用户信息服务器功能(UPSF);用于移动用户的签约定位功能(SLF);用于特定应用的应用服务器功能(ASF);用于集成传统网络的网络交互功能(IWF)。
传输层在网络附着子系统(NASS)和资源与准入控制子系统(RACS)的控制下,向NGN用户设备提供了基于IP的连接。这些子系统隐藏了IP层以下用于接入网和核心网的传输技术。这个功能架构中的每个子系统由一组功能实体和相关接口进行限定。因此,实现时可以由需要支持的商业模型、业务或能力来选择相应的功能实体进行组合。
传输层包含一个传输控制子层和若干传输处理功能实体,如图4所示。

图4 NGN传输层功能架构
传输控制子层可以进一步分为紧密协作的两个子系统:网络附着子系统(NASS),资源和准入控制子系统(RACS)。NASS管理网络附着的各个方面,例如IP地址分配(如DHCP)、网络级用户认证、网络接入授权和接入网络配置等。RACS负责准入控制、资源预约、策略控制和内网互联(NAT traversal)。
传输处理功能用于支持数据包转发和路由,包括:向通过NGN的不同通信网络间提供转译服务的媒体网关功能(MGF);在两个IP传输域间充当中继的边界网关功能(BGF);在附着网络的QoS要求下,进行资源控制的资源控制执行功能(RCEF);在用户设备和NASS之间提供接入中继功能(ARF);进行信令转换的信令网关功能(SGF);提供特定的多媒体功能的媒体资源功能处理器(MRFP);提供接入网与NGN接入控制功能实体间接口的接入管理功能(AMF);提供传输承载的基本传输功能(BTF)等。
三 、BSM与NGN的互连
将BSM系统融入NGN的目标,一是将用户和会话管理功能转移到标准化的NGN功能实体,二是将资源管理整合到BSM系统中。因此,它们互连与集成的一个关键部分就是实现与会话相关的信令转换与传送,以及资源的调度与管理。
BSM系统应用范围广泛,包括VoIP,IPTV,IP视频和应急通信等。在不同的应用案例中,要实现与NGN的融合,BSM系统需要满足相应的NGN要求,并做出一定调整与改进。为了与NGN更好地结合,BSM网络功能的演进理念可以简单地总结为:
⊙再利用已有的BSM网络功能,尤其是TS 102 292中定义的卫星独立自适应功能。
⊙通过相同的基础设施,聚合业务。
⊙通过NGN/IMS架构和IMS核心构件,实现卫星移动业务与固定业务的聚合。
1.NGN的业务与交互要求
NGN需要具有创造、开发和管理各种可能的(现有的或未知的)业务的能力。这包括使用各种不同媒体(文本、音频、视频等)的业务,各种不同编码方案的业务,数据业务和会话型业务,单播业务及多播和广播业务,实时业务和非实时业务,以及时延敏感型业务和非时延敏感型业务。同时,NGN架构还需要提供业务相关的应用程序接口(API)。
NGN提供的业务需要满足以下功能要求:
(1)将用户与特定的接入方式和特定的终端设备相分离,实现游牧。
(2)任何接入网都可以提供业务应用;业务内容可与接入方式匹配,并可由终端功能进行调整。
(3)进行授权、认证和计帐,并对资源使用量进行监管。
(4)为所有用户终端、接入网络和业务应用提供通用模型。
(5)多个业务可以基于用户事务和状态实现自适应协调。
NGN与接入网络(如BSM)之间有两种基本的互连方法:一是面向业务的连接(SOIX),在业务层进行互连;二是面向连通性的连接(CoIx),在传输层进行互连。对于SOIX来说,业务互操作性依赖于业务层及传输层共同的QoS能力。而对CoIx来说,高层业务对于底层连接而言是未知的,这种方式不会对业务的网络性能、QoS和安全要求进行保障,进而无法保证互操作性。因此,只有SOIX能够完全满足NGN关于互操作性的要求。
2.BSM/NGN特有的业务要求
针对不同业务,BSM系统的应用要求不尽相同。下面是BSM系统与NGN结合(BSM/NGN)的几个典型使用案例及其业务要求。
(1) VoIP。VoIP业务可以通过NGN中IMS实现业务层控制,并由BSM提供网络传输相关的功能。当一个VoIP设备通过IMS注册VoIP业务时,注册消息中的会话描述协议(SDP)部分包含该设备允许的速率和所使用编解码方法等细节。因此,BSM的带宽请求可以在IMS级进行处理。同时,通过这部分内容可以区分传输方式,所以将这部分从BSM中去除,加入到NGN的IMS中,使得BSM传输完全与业务分离。另外,通过BSM提供VoIP业务涉及的技术还包括会话发起协议(SIP)信令压缩、话音活动检测及QoS反馈等。
(2) IPTV和IP视频。对于BSM运营商来说,IPTV和IP视频在传输方面有许多相似的特点,如基于IP、分组(包)传送等;但是由于IPTV运营商和BSM运营商之间的关系,不同于IP视频运营商与BSM运营商之间的关系,它们的商业模式有所不同。另一方面,智能手机、平板电脑功能不断完善,它们将成为BSM/NGN提供IPTV和IP视频业务的一个新的应用场景。
(3) 应急通信。BSM的应急通信业务有两个功能:提供紧急通信(由ETSI EMTEL规范定义);支持第一应答(基于NGN的政府应急电信服务,NGN-GETS)。应急通信业务最显而易见的使用案例就是通过BSM网络在灾后建立灾区与外界的即时通信。BSM系统的第一应答服务可以通过NGN基础设施与陆地集群无线电(TETRA)通信网络相连,实现与灾区外通信网络的即时接入。这需要BSM/NGN架构在实现过程中采用通用网关,便于BSM网络与地面网络的互连。
四 、BSM与NGN的集成
1.BSM/NGN的功能架构
针对BSM及NGN各自的架构特点和应用要求,ETSI于2011年3月发布了“BSM网络上提供NGN业务”的技术规范。该规范提出了一个融合了BSM的NGN功能架构,如图5所示。这个架构采用了以下功能配置:

图5 BSM/NGN功能架构

⊙BSM系统本身没有QoS策略执行子系统,因此在接入网边界的BSM IP边缘节点(如卫星终端中心站或路由器)上实现资源控制和执行功能(RCEF)。对于已经建立QoS机制的BSM系统,需要实现接入功能(AF),其实质是对BSM系统与NGN之间的QoS信令进行协议转换。对于NGN而言,BSM网络是一个接入网络,使用IMS作为其与NGN交互的中介。
⊙UE里的应用客户端与NASS中的实体(如业务控制和应用)进行直接通信。此外,UE也可通过在边缘节点中实现的接入中继功能(ARF)与NASS中的实体进行间接通信。
⊙在核心网与接入网边界节点实现核心网边界网关功能(C-BGF);核心网边界节点位于接入网与核心网边界的核心网侧。
BSM网络与NGN业务控制及管理功能之间的接口隶属于网络控制中心(NCC)、网络管理中心(NMC)和RCEF,它们都位于SI-SAP之上,不会涉及底层传输的相关操作。
(1)BSM/NGN中的RACS
NGN的业务层包括一些应用功能(AF),用来实现对IP承载资源的控制。在IMS中的AF包括代理呼叫会话控制功能(P-CSCF)和互连边界控制功能(IBCF)等。AF对应用层QoS信息进行映射,例如,P-CSCF将会话描述协议(SDP)中定义的参数,映射为通过Gq’参考点发送到基于业务的策略决策功能(SPDF)的QoS请求信息。图6为BSM/NGN中的资源和准入控制子系统(RACS)架构,其中的接口由TISPAN定义。

图6 BSM/NGN中的RACS架构
基于业务的策略决定功能(SPDF),向AF提供了一个单独的接触点。在SPDF所在的每一个管理域(如BSM系统)中,SPDF充当的是基于业务的策略控制(SPB)的最终决定点。SPDF也与相邻管理域中相连的SPDF进行通信,以提供预约请求。SPDF通过使用由网络运营商制订的业务策略规则来决定策略。
BSM网络作为接入网络时,资源和准入控制功能(RACF)转化为接入-资源准入控制功能(A-RACF)。A-RACF充当的是策略决定点(PDP),用于接入允许控制和资源操作控制。A-RACF接收来自SPDF,RCEF或位于同一操作域的其他x-RACF的QoS资源请求,并做出接受或拒绝的决定。
(2)BSM/NGN中的NASS

图7 BSM/NGN中的NASS架构
在图7所示的架构中,网络接入配置功能(NACF)负责向UE分配IP地址及其他的网络配置参数;连接性会话位置和资源库功能(CLF)登记了分配给UE的IP地址和由NACF提供的网络位置信息之间的关联;用户认证和授权功能(UAAF)基于NASS用户配置文件,为网络接入完成NASS的用户认证及授权检查;配置文件数据库功能(PDBF)实体包含了NASS的用户认证数据(NASS用户身份、所支持的认证方法列表、关键资料等)和所需的网络接入配置相关的信息;CNG(用户网络网关)配置功能(CNGCF)用于CNG的初始化和更新
BSM系统中有两个功能实体与NASS联系较为紧密:接入管理功能(AMF)用于将UE发送的网络接入请求转化为NASS可以理解的格式;接入中继功能(ARF)充当的是UE与NASS之间的中继,在向NASS转发UE的网络接入请求前,ARF可以加入本地配置信息。
2.BSM/NGN的应用场景
将BSM网络集成到NGN中有很多种可能的场景,它们的复杂度和能力各不相同。ETSI TS 102 462中定义了BSM的QoS架构,这将作为BSM网络传输层QoS控制的基础。但是这种类型的QoS控制并不是通用有效的;因此,考虑没有嵌入QoS控制的BSM网络,将更具有普遍意义。
(1) 基于星状网络的IMS业务接入
这个场景只提供最基本的功能实体,复杂度最低(如图8所示),同时由NGN核心网络提供动态QoS管理和统一用户管理,使得这个模型更易于向NGN过渡。在这个场景中,BSM的网络功能实体都集中在中心ST,这可以看作是一个卫星星状网络拓扑结构。所有附加的BSM/NGN功能实体位于传输层。这些功能实体与NGN核心业务层相连,用于端到端的QoS控制;同时也与NCC/NMC相连,用于卫星技术特有的资源控制和功能,如UE注册。

图8 配置了中心站RCEF的IMS业务接入
上行时ST的QoS是基于固定的报文分级,这是由于ST中没有相关的资源执行功能实体。但在下行时,中心站可以通过资源控制及执行功能(RCEF)实体提供动态的QoS。
NASS提供接入注册及UE初始化,用于接入NGN业务。NASS还提供网络级的用户认证,管理接入网络的IP地址空间,并对接入会话进行验证。此外,NASS向UE通知NGN业务/应用子系统的联系点。随后,这些功能将通过BSM网络发起个人用户会话;除了资源管理功能,将不直接涉及NCC/NMC。这对于面向会话的使用案例(如VoIP或IPTV)尤其重要,因为这些业务需要BSM网络处理大量具有特定要求的个人会话,如果每次处理都要经过 NCC/NMC,将会占用许多额外的资源。
BSM网络跟其他许多卫星网络一样,受限于资源瓶颈而需要对SIP信令进行压缩。此外,还需要自适应功能来处理BSM时延以及由时延对信令效率和性能所产生的影响。
RACS负责基于策略的资源预约和接入控制。RACS还支持BSM网络边缘进行网络地址及端口转换,并辅助远程网络地址转换。此外,RACS还涉及流量策略、端对端QoS和传输层计费的设置和修改等方面。
(2) 基于网状网络的IMS业务接入

图9 配置了卫星终端RCEF的IMS业务接入
如图9所示,作为前一个场景的进一步加强,这个场景对卫星链路两端的ST都加入了RCEF,以此来建立动态的QoS分级,这将特别适合于网状卫星网络。此架构适用于应急业务和智能电网应用,因为在这两个应用中,本地ST可以不依赖中心站而对BSM网络接入进行管理和监督。
这个场景中RASS和RACS的功能与前一个场景的基本相同。
(3) IMS对等互连

图10 IMS对等互连
图10所示的场景中,BSM作为骨干网,用于连接孤立的ISP(互联网业务提供商)和MSP(移动性业务提供商),同时支持通过IMS实现信令交互。卫星网状网络适合于这种配置,可以避免双跳时延。卫星网络运营商不需要对整个IMS进行操作,但需要通过少量的IMS核心元件进行QoS管理。在BSM作为地面网络的应急后备案例中,采用这个场景最为理想。
3.BSM为适应NGN所做的改进
将BSM融入NGN,还需要对一些功能实体做改进,包括(但不限于)策略和资源管理交互功能、IMS接口、受限于BSM资源瓶颈的SIP信令改进等。改进涉及的方面有:
(1)将NGN/IMS提供的聚合业务作为BSM系统业务的扩展。主要由网络互连功能实体(IWF)和用于高层交互的应用服务器(AS)实现。
(2)调节ST/GWY以支持向NGN/IMS演进,内容包括所有用于BSM网络传输的特定需求(时延、损耗和瓶颈资源)。
为了实现演进,BSM/NGN架构中需要增加的功能有:
⊙基于策略的网络管理:用于商用策略服务器和BSM专用IWF之间的跨网络实施。
⊙SIP注册和基于SIP的设备发现机制:用于使用本地BSM ST/GWY信令或使用商用及定制信令的应用服务器之间的互联互通。
⊙BSM用户文件管理:基于IMS配置文件,用来管理横跨BSM-地面聚合网络的多用户身份,同时对BSM管理用户功能不作附加要求。
⊙呈现和应用服务器:用于增加的个性化业务和附加值业务,如IPTV和移动视频。
五 、结束语
NGN概念为卫星通信进一步融入全球通信网络提供了机会。同时,NGN架构可以用于卫星网络和陆地网络间的无缝融合。实现BSM系统与NGN的互连与集成,是对卫星网络采用NGN架构这一新的网络模型所做的探索,本文即是针对此所做的介绍。ETSI“BSM网络上提供NGN服务”规范,定义了BSM网络与NGN架构的集成和互用性,旨在鼓励发展可以利用这一新网络模式的下一代卫星网络。因此,深入了解BSM与NGN融合的相关标准,对构建我国自主的宽带卫星系统,以及促进宽带卫星系统向下一代通信网络基础设施演进,可以起到很好的借鉴作用。

 

【致谢】

【参考文献】
[1] ETSI TS 102 855 V1.1.1 (2011-03): ‘Satellite Earth Stations and Systems (SES); Broadband Satellite Multimedia (BSM) services;Interworking and Integration of BSM in Next Generation Networks (NGNs)’.
[2] ETSI ES 282 001 V3.4.1 (2009-09): ‘Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN); NGN Functional Architecture’.
[3] ITU-T Recommendation Y.2011: "General principles and general reference model for NGN"
[4] ETSI TS 102 292 V1.1.1 (2004-02): ‘Satellite Earth Stations and Systems (SES); Broadband Satellite Multimedia (BSM) services and architectures; Functional architecture for IP interworking with BSM networks’.
[5] ETSI ES 282 007 V2.1.1 (2008-11): ‘Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN); IP Multimedia Subsystem (IMS); Functional architecture.’
[6] ETSI TS 102 462 V1.1.1 (2006-12): ‘Satellite Earth Stations and Systems (SES); Broadband Satellite Multimedia (BSM) services;QoS Functional architecture’ .
[7] ITU-T Recommendation Y.2011: ‘General principles and general reference model for NGN’.
[8] ITU-T Recommendation Y.2012: ‘Functional requirements and architecture of NGN’.


 


 

 
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