GMR通信系统无线资源控制层协议软件的设计与实现

硕 士 学 位 论 文GMR 通 信 系 统 无 线 资 源 控 制 层 协 议 软 件 的设 计 与 实 现DESIGN AND IMPLEMENTATION OF RADIORESOURCE CONTROL LAYER PROTOCOLSOFTWARE IN GMR COMMUNICATIONSYSTEM刘 鸿 展哈 尔 滨 工 业 大 学2014 年 12 月国 内 图 书 分 类 号 ： TN915.851国 际 图 书 分 类 号 ： 621.3工 学 硕 士 学 位 论 文学 校 代 码 ： 10213密 级 ： 公 开GMR 通 信 系 统 无 线 资 源 控 制 层 协 议 软 件 的设 计 与 实 现硕 士 研 究 生 ： 刘 鸿 展导 师 ： 李 维 副 教 授申 请 学 位 ： 工 学 硕 士学 科 ： 信 息 与 通 信 工 程所 在 单 位 ： 深 圳 研 究 生 院答 辩 日 期 ： 2014 年 12 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TN915.851U.D.C: 621.3Dissertation for the Master Degree in EngineeringDESIGN AND IMPLEMENTATION OF RADIORESOURCE CONTROL LAYER PROTOCOLSOFTWARE IN GMR COMMUNICATIONSYSTEMCandidate：Supervisor：Academic Degree Applied for：Speciality：Affiliation：Date of Defence：Liu HongzhanAssoc.Prof. Li WeiMaster degree in EngineeringInformation and CommunicationEngineeringShenzhen Graduate SchoolDec, 2014Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要如 今 新 一 代 卫 星 移 动 通 信 系 统 大 多 数 都 支 持 GMR-1 3G （ GMR,Geostationary earth orbit Mobile Radio interface） 标 准 ， 该 标 准 是 由 欧 洲 电 信标 准 化 研 究 所 ETSI（ European Telecommunications Standards Institute ） 发 布的 地 球 同 步 轨 道 卫 星 移 动 通 信 空 中 接 口 技 术 规 范 ， 从 基 于 GSM（ GlobalSystem for Mobile communication）标 准 的 通 信 系 统 GMR-1 演 化 而 来 。 GMR-13G 通 信 系 统 为 地 面 提 供 基 于 同 步 卫 星 的 3G 移 动 通 信 业 务 ， 而 如 何 保 证 对 通信 过 程 中 控 制 信 令 的 有 效 处 理 并 进 行 可 靠 传 输 是 整 个 系 统 研 究 实 现 中 需 要 解决 的 重 要 问 题 。与 GMR-1 先 前 发 布 的 版 本 相 比 ， 空 中 接 口 协 议 部 分 的 第 三 层 即 RRC（ Radio Resource Control） 层 的 功 能 发 生 了 较 大 的 改 变 ， 控 制 管 理 功 能 主 要集 中 在 了 RRC 层 中 ， 状 态 控 制 及 协 议 中 规 定 的 连 接 状 态 也 发 生 了 相 应 的 变动 。 本 文 关 于 GMR 通 信 系 统 无 线 资 源 控 制 层 协 议 软 件 的 设 计 与 实 现 就 是 以解 决 上 述 问 题 为 基 础 ， 依 附 于 整 个 GMR-1 3G 协 议 栈 系 统 软 件 ， 最 终 完 成 了RRC 无 线 资 源 控 制 层 的 主 体 功 能 ， 即 对 通 话 过 程 和 入 网 过 程 中 控 制 信 令 进 行有 效 的 处 理 。本 文 是 以 GMR-1 3G 标 准 的 基 站 侧 空 中 接 口 协 议 为 基 础 ， 在 对 协 议 总 体有 所 了 解 之 后 ， 对 RRC 层 协 议 进 行 了 详 细 的 分 析 和 研 究 ， 然 后 设 计 并 编 码 实现 了 协 议 中 对 RRC 层 关 于 控 制 消 息 的 处 理 功 能 。 在 RRC 系 统 设 计 过 程 中 ，将 其 划 分 为 模 块 设 计 和 过 程 设 计 。 在 实 现 过 程 中 ， 是 基 于 VxWorks 实 时 操 作系 统 的 Workbench 集 成 开 发 环 境 和 C 语 言 来 实 现 代 码 的 编 写 和 编 译 ， 并 使 用基 于 VxWorks 实 时 操 作 系 统 的 AM4140 板 卡 来 完 成 对 RRC 系 统 的 功 能 和 协议 的 一 致 性 验 证 。本 文 所 设 计 的 RRC 层 系 统 架 构 和 基 于 VxWorks 操 作 系 统 的 C 语 言 实 现 ，很 好 的 完 成 了 RRC 层 对 来 自 各 层 的 控 制 消 息 、 请 求 及 其 它 事 件 的 处 理 ， 实 现了 RRC 过 程 在 一 次 资 源 分 配 下 的 流 程 控 制 。通 过 和 终 端 、核 心 网 的 联 合 测 试 ，RRC 层 能 完 成 终 端 入 网 和 通 话 过 程 中 协 议 规 定 的 所 有 功 能 。关 键 词 ： GMR-1 3G； 空 中 接 口 ； 协 议 栈 ； 无 线 资 源 控 制-I-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractToday the majority of the new generation of mobile satellitecommunications systems support GMR-1 3G (GMR, Geostationary earth orbitMobile Radio interface). The standard was released by the EuropeanTelecommunications Standards Institute ETSI (European TelecommunicationsStandards Institute) mobile communications satellites in geosynchronous orbitover the air interface specification, GMR-1 evolved from GSM(Global Systemfor Mobile communication) standard based communication system. GMR-1 3Gcommunication systems provide 3G mobile communication services based ongeostationary satellite. And how to ensure the control of the communicationprocess to deal effectively and reliably with transmit signaling is an importantissue in the whole system research.Compared with the previous release version of GMR-1, the function of thethird layer air interface protocol RRC (Radio Resource Control ) has a greatchange. Control and management functions are mainly concentrated in the RRClayer, state control and connection status stipulated in the agreement has alsoundergone a corresponding change. This article about GMR communicationsystem RRC layer protocol software design and implementation is solved base onthe above problems, attached with the entire GMR-1 3G protocol stack software,and finally complete the main function of RRC layer, i.e. effective conduction ofcontrol signaling in communication.This article is based on GMR-1 3G standard base station side air interfaceprotocol, after an understanding of the overall agreement, carry out a detailedanalysis and research on RRC layer protocol, and thendesigning and codingto theimplements of the functions of the RRC layer processing on the control messagein the protocol. The implementation process is based on Workbench integrateddevelopment environment of the VxWorks real-time operating system and Clanguage to write and compile the code and use the AM4140 board base d on theVxWorks real-time operating system to complete the RRC function of the systemfor functional and consistency verification.The RRC layer system architecture designed in this paper based on the- II -哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文VxWorks operating system and C language, well completed and peer from thelayers of control messages, requests and other events are handled RRC layer, andother events to achieve a one-time allocation of resources in the process controlRRC process from different RRC process. By the joint test of terminals and thecore network, terminal access and communication control messages are all ableto carry out normal processing.Keywords: GMR-1 3G, air interface, protocol stack, radio resource control- III -哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文目 录摘 要 . IABSTRACT . II第 1 章 绪 论 11.1 课 题 研 究 背 景 11.1.1 GMR-1 系 统 的 演 进 . 21.1.2 GMR-1 3G 网 络 架 构 . 31.2 卫 星 通 信 协 议 栈 国 内 外 研 究 现 状 41.3 本 文 研 究 内 容 及 组 织 安 排 . 7第 2 章 RRC 层 协 议 介 绍 92.1 GMR-1 3G 基 站 侧 协 议 架 构 . 92.2 RRC 层 协 议 概 述 .112.2.1 RRC 层 为 上 层 提 供 的 功 能 122.2.2 RRC 层 从 下 层 得 到 的 功 能 122.3 RRC 层 协 议 模 式 和 状 态 . 122.4 无 线 资 源 控 制 过 程 . 132.4.1 寻 呼 进 程 . 142.4.2 RRC 连 接 管 理 进 程 142.4.3 MES 能 力 信 息 的 传 输 162.4.4 MES 能 力 查 询 . 162.4.5 小 区 更 新 进 程 . 172.4.6 无 线 承 载 控 制 进 程 172.4.7 安 全 模 式 控 制 . 182.4.8 非 接 入 层 消 息 的 传 输 192.5 运 行 和 开 发 环 境 . 202.6 本 章 小 结 21第 3 章 RRC 层 系 统 的 设 计 与 实 现 . 223.1 RRC 层 系 统 需 求 223.2 模 块 设 计 233.2.1 核 心 控 制 模 块 . 24- IV -哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文3.2.2 RRC 功 能 控 制 模 块 273.2.3 配 置 管 理 模 块 . 313.2.4 核 心 数 据 模 块 . 323.3 过 程 设 计 383.3.1 RRC 连 接 过 程 . 383.3.2 RAB 过 程 . 423.4 本 章 小 结 45第 4 章 RRC 层 系 统 的 验 证 464.1 测 试 环 境 及 使 用 工 具 . 464.1.1 测 试 环 境 . 464.1.2 测 试 工 具 . 474.2 功 能 测 试 484.2.1 测 试 方 法 . 484.2.2 入 网 信 令 流 程 测 试 484.2.3 通 话 信 令 流 程 测 试 504.3 本 章 小 结 51结 论 52参 考 文 献 53哈 尔 滨 工 业 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 和 使 用 权 限 . 57致 谢 58-V-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文第 1 章 绪 论近 年 来 ， 陆 地 蜂 窝 移 动 通 信 系 统 发 展 迅 猛 ， 3G 系 统 已 经 商 用 并 普 及 ， 4G通 信 也 正 在 建 设 当 中 ， 这 些 系 统 的 业 务 覆 盖 范 围 已 能 够 延 伸 到 绝 大 部 分 的 陆地 区 域 。 但 是 ， 受 地 理 环 境 和 运 营 成 本 等 因 素 制 约 ， 其 通 信 仍 存 在 许 多 覆 盖盲 区 ， 如 山 区 、 岛 屿 、 海 洋 和 人 烟 稀 少 的 野 外 区 域 等 。 在 这 些 区 域 上 ， 卫 星移 动 通 信 系 统 具 有 独 特 的 优 势 。 同 时 ， 在 战 争 和 重 大 自 然 灾 害 中 ， 当 地 面 蜂窝 系 统 遭 到 较 大 破 坏 时 ， 卫 星 移 动 通 信 系 统 可 作 为 一 种 应 急 通 信 手 段 1。 因此 ， 对 于 个 人 通 信 系 统 而 言 ， 卫 星 移 动 通 信 系 统 是 地 面 蜂 窝 系 统 一 种 有 效 的 、必 要 的 补 充 。1.1 课 题 研 究 背 景GMR 系 统 全 称 GEO-Mobile Radio interface， 即 卫 星 移 动 通 信 系 统 。 该 协议 由 欧 洲 标 准 化 研 究 所 ETSI 发 布 ， 最 初 发 布 有 两 个 系 列 ， 分 别 分 为 GMR-1和 GMR-2。 本 文 此 处 研 究 的 GMR-1 3G 系 统 正 是 由 GMR-1 标 准 演 化 而 来 。GMR-1 系 统 由 几 个 主 要 的 元 素 相 互 合 作 通 信 组 成 ： 包 括 地 面 移 动 接 收 设 备MES（ Mobile Earth Station） 、 卫 星 操 作 控 制 中 心 （ Satellite Operation Center）和 基 站 控 制 系 统 GS(Gateway Station)。 其 中 ， GS 作 为 信 关 站 与 其 他 的 通 信 互联 网 相 连 接 2 。 GMR-1 基 站 系 统 最 初 版 本 协 议 大 量 借 鉴 和 沿 用 了 GSM（ Global System for Mobile communications） 协 议 架 构 ， 和 GSM 基 站 一 样 ，其 完 成 的 最 基 本 的 功 能 包 括 链 路 的 维 护 、 数 据 业 务 的 传 输 、 GPS （ GlobalPositioning System）全 球 位 置 信 息 广 播 、寻 呼 等 功 能 。但 是 和 GSM 系 统 相 比 ，因 为 GMR-1 是 一 个 卫 星 通 信 系 统 ， 所 以 它 的 通 信 能 力 是 远 远 超 过 GSM 的 。比 起 GSM 蜂 窝 式 的 网 络 覆 盖 ， GMR-1 系 统 的 基 站 设 备 可 以 不 随 蜂 窝 网 络 分散 处 理 ， 设 备 上 可 以 做 到 集 中 调 度 处 理 ， 因 此 GMR-1 系 统 中 的 协 议 栈 软 件系 统 所 处 理 的 用 户 量 可 以 成 几 倍 甚 至 几 十 倍 增 加 3。通 过 私 人 交 换 电 信 网 络 ，公 共 电 话 交 换 网 PSTN（ Public Switched Telephone Network） 、 公 共 陆 地 移 动网 PLMN（ Public Land Mobile Network） 、 私 人 网 络 PN（ Private Network） ，GMR-1 系 统 可 以 实 现 世 界 范 围 内 的 网 络 互 连 。与 前 两 个 版 本 的 GMR-1 标 准 相 比 较 ， GMR-1 3G 标 准 支 持 更 高 的 数 据 速率 ， 支 持 VoIP（ Voice over Internet Protocol） 、 IP（ Internet Protocol） 多 媒 体系 统 和 全 IP 核 心 网 。 虽 然 GMR-1 3G 标 准 是 面 向 地 面 3G 标 准 的 ， 但 其 空 中-1-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文接 口 并 没 有 采 用 与 地 面 3G 系 统 相 同 的 WCDMA/FDD （ Wideband CodeDivision Multiple Access/Frequency Division Duplexing） 体 制 ， 而 是 保 留 了 在卫 星 系 统 中 成 熟 的 TDMA/FDD （ Time Division Multiple Access/FrequencyDivision Duplexing） 体 制 4。 为 了 和 地 面 的 空 中 接 口 相 互 兼 容 ， GMR-1 3G的 空 口 标 准 和 地 面 网 络 的 空 中 接 口 的 标 准 是 相 当 的 。1.1.1 GMR-1 系 统 的 演 进GEO 移 动 卫 星 通 信 系 统 空 中 接 口 技 术 规 范 是 基 于 地 面 GSM 标 准 来 的 ，GMR 标 准 最 初 制 定 是 基 于 GEO 空 口 规 范 ，随 着 地 面 网 从 2G 到 2.5G 再 到 3G的 演 进 ， GMR 随 之 演 进 并 且 发 布 了 GMR-1 Release 1 和 GMR-1 Release 2（ 即GMPRS,GEO-Mobile Packet Radio Service） ， GMR-1 Release 3（ 即 GMR-13G） ，其 中 GMR-1 Release 1 是 基 于 GSM 的 ； GMR-1 Release 2 是 基 于 GPRS的 ， 提 供 分 组 数 据 业 务 ， 在 GMR-1 Release 2 到 GMR-1 3G 过 程 中 还 演 进 了许 多 的 增 强 版 本 ； GMR-1 3G 是 基 于 地 面 3G 标 准 的 ， 提 供 分 组 域 数 据 业 务 。APSTN移动控制中心(MSC)2G 地球站业务子系统GbIPGPRS 业务节点支持(SGSN)2.5G 地球站业务子系统Iu-psIP/IMSGPRS 业务节点支持(SGSN)3G 地球站业务子系统PSTN 核心网 卫星无线接入网图 1-1 GMR-1 系 统 版 本 的 演 进GMR-1 3G 通 信 系 统 规 范 定 义 了 基 站 和 终 端 之 间 的 空 口 （ UU 口 ） 以 及 基站 和 核 心 网 （ CN, Core Network） 之 间 的 IU（ Interface between BSS and corenetwork） 口 5。 本 节 旨 在 分 析 GMR-1 系 统 从 release 1 到 release 3 的 演 进 过程 ， 这 对 分 析 与 设 计 基 站 侧 无 限 资 源 管 理 层 有 着 很 重 要 的 参 考 意 义 。 GMR-1的 演 进 如 图 1-1。从 图 1-1 可 以 看 出 ， release 1 基 站 和 核 心 网 之 间 的 接 口 为 A 口 ； release 2基 站 和 核 心 网 之 间 的 接 口 为 Gb 口 ； release 3 基 站 和 核 心 网 之 间 的 接 口 为-2-备 的 介 绍 ， 来 了 解 整 个 系 统 的 架 构 。 图 1-2 详 细 介 绍 了 整 个 系 统 的 架 构 。GMR-1 3GIU-PS哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文IU-PS 口 6。1.1.2 GMR-1 3G 网 络 架 构GMR-1 3G 类 似 于 LTE 系 统 的 C-RAN（ Centralized、 Cooperative、 CloudRadio Access Network） ， 用 地 球 同 步 轨 道 卫 星取 代 地 面 上 分 布 集 中 的 信 号 接收 系 统 ， 实 现 对 信 息 的 集 中 化 处 理 7。 下 面 通 过 对接 入 网 架 构 的 各 个 物 理 设陆 地 无 线接 入 网 无 线 电 网络 控 制 器 核 心 网GSM/UMTS图 1-2 GMR-1 3G 协 议 栈 架 构GMR-1 3G 无 线 通 信 系 统 包 括 地 球 同 步 轨 道 卫 星 、 核 心 网 、 基 站 GSC（ Gateway Station Controller ） 、 物 理 接 收 设 备 GTS （ Gatewag TransmiteStation） 、移 动 地 面 终 端 MES、卫 星 操 作 中 心 SOC（ Satellite Operation Center）等 8。 其 中 每 个 GSC 管 控 着 多 个 GTS 的 物 理 实 体 ， 使 网 络 更 加 趋 向 于 扁 平化 。 下 面 分 别 介 绍 每 一 个 对 应 的 物 理 设 备 ：移 动 终 端 （ MES）： 本 文 中 的 用 户 移 动 终 端 也 叫 做 移 动 地 球 站 ， 和 普 通的 终 端 一 样 ， 移 动 终 端 由 移 动 设 备 和 SIM（ Subscriber Identity Module） 用 户识 别 卡 两 部 分 组 成 ， 但 是 本 文 中 的 MES 是 可 以 接 入 GMR-1 3G 系 统 的 ， 不仅 包 括 经 常 见 到 的 卫 星 电 话 ， 还 包 括 很 多 复 合 应 用 的 设 备 ， 主 要 有 车 载 终 端 、船 载 终 端 等 物 理 设 备 。GMR-1 卫 星 ： GMR-1 3G 地 球 同 步 轨 道 卫 星 是 此 通 信 系 统 的 标 志 性 设 备 ，用 作 无 线 电 通 信 中 继 站 9。 GMR-1 3G 系 统 的 空 间 部 分 ， 负 责 对 整 个 服 务 区终 端终 端卫 星 接 入 网基 站 收 发 信 机 基站控制基 站 收 发 信 机 器-3-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文域 的 覆 盖 ， 通 过 接 收 基 站 收 发 器 的 波 束 并 且 把 信 号 发 送 至 特 定 的 基 站 收 发 器上 ， 实 现 终 端 之 间 或 与 物 理 接 收 设 备 之 间 信 号 的 传 输 。信 关 站 （ GS）： 信 关 站 是 卫 星 通 信 系 统 的 核 心 构 件 。 信 关 站 GS 包 含 两部 分 ， 信 关 站 收 发 子 系 统 GTS（ Gateway Transceiver Subsystems） 和 信 关 站控 制 器 GSC，主 要 负 责 服 务 区 域 内 所 有 移 动 地 球 站 的 通 信 。信 关 站 为 覆 盖 区域 内 的 终 端 用 户 接 入 通 信 网 络 分 配 所 需 的 空 口 资 源 、 设 备 资 源 ， 广 播 服 务 区域 的 接 入 系 统 信 息 ， 提 供 区 域 内 终 端 的 寻 呼 和 GPS 位 置 信 息 功 能 10。核 心 网 （ CN）： 核 心 网 为 接 入 用 户 提 供 了 许 多 功 能 ， 主 要 包 括 ： 为 用 户连 接 的 建 立 提 供 移 动 性 管 理（ MM,Mobility Management）功 能 、连 接 管 理（ CM，Connection Management）功 能 、交 换 /路 由 功 能 。核 心 网 分 为 电 路 交 换 域（ CS,Circuit Switch） 和 分 组 交 换 域 （ PS, Packet Switch） 11。运 维 系 统（ OAM， Operation Administration and Maintenance）：集 中 管 控系 统 OAM 位 于 基 站 系 统 的 最 高 层 ， 负 责 管 理 和 维 护 基 站 的 物 理 设 备 ， 为 不同 的 信 关 站 分 配 它 们 所 管 理 的 资 源 ，监 督 设 备 运 行 情 况 12。该 系 统 有 专 门 的运 行 设 备 运 行 其 主 代 理 功 能 ， 并 在 各 个 设 备 系 统 运 行 子 代 理 进 行 监 督 。1.2 卫 星 通 信 协 议 栈 国 内 外 研 究 现 状卫 星 通 信 系 统 按 其 提 供 的 业 务 可 以 分 为 宽 带 通 信 系 统 、 卫 星 固 定 通 信 系统 和 卫 星 移 动 通 信 系 统 13。 目 前 ， 建 立 并 成 功 运 行 的 卫 星 系 统 已 经 有 很 多 ，下 面 对 具 有 代 表 性 的 系 统 及 现 状 进 行 介 绍 。（ 1） 宽 带 卫 星 通 信 及 系 统宽 带 卫 星 通 信 是 指 利 用 通 信 卫 星 作 为 中 继 站 ， 在 地 面 站 之 间 转 发 高 速 率通 信 业 务 ， 是 宽 带 业 务 需 求 与 现 代 卫 星 通 信 技 术 结 合 的 产 物 ， 也 是 当 前 卫 通信 的 主 要 发 展 方 向 之 一 。 作 为 宽 带 卫 星 通 信 系 统 中 继 节 点 的 宽 带 通 信 卫 星 一般 具 有 较 宽 的 带 宽 、 很 高 的 ERIP（ Effective Isotropic Radiated Power） 和 G/T值 并 且 通 常 具 备 星 上 处 理 和 交 换 能 力 14。 利 用 宽 带 通 信 卫 星 可 以 向 USAT（ Ultra Small Aperture Terminal， 极 小 口 径 终 端 ） 提 供 双 向 高 速 多 媒 体 业 务 。目 前 正 在 使 用 的 宽 带 通 信 卫 星 都 是 静 止 轨 道 卫 星 ： 泰 国 的 IPStar、 美 国的 Wildblue-l 和 Spaeeway-F3、 加 拿 大 的 Anik-f2、 欧 洲 的 宽 带 多 媒 体 卫 星 通信 系 统 Amerhis 以 及 韩 国 和 日 本 的 Mbsat 系 统 等 。 基 于 低 轨 卫 星 的 宽 带 系 统设 计 方 案 也 有 多 个 ， 但 基 本 都 已 改 变 计 划 或 搁 浅 ， 还 没 有 建 成 运 营 的 低 轨 卫星 宽 带 通 信 系 统 15。泰 国 的 Shin 卫 星 公 司 （ SSA ） 在 2005 年 发 射 了 一 颗 宽 带 通 信 卫 星-4-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文（ IPStar-l） 来 提 供 区 域 性 宽 带 卫 星 通 信 业 务 。 IPStar-1 卫 星 是 当 时 世 界 上 通信 容 量 最 大 的 商 用 宽 带 卫 星 ， 共 有 114 台 转 发 器 ， 通 信 总 容 量 45Gb/s16。（ 2） 卫 星 固 定 通 信 及 系 统固 定 通 信 是 卫 星 通 信 的 传 统 业 务 ， 主 要 应 用 有 电 信 服 务 、 广 播 电 视 、 转发 器 出 租 、 内 部 专 网 、 数 据 采 集 等 。 根 据 组 网 方 式 和 应 用 的 不 同 ， 卫 星 固 定通 信 又 可 以 分 为 以 下 几 种 类 型 ： 以 话 音 为 主 的 点 对 点 通 信 系 统 、 以 数 据 为 主的 VSAT（ Very Small Aperture Terminal， 甚 小 口 径 终 端 ） 系 统 、 基 于 DVB（ Digital Video Broadcasting） 的 单 向 数 据 广 播 和 分 发 系 统 、 基 于 DVB-RCS或 外 交 互 式 的 双 向 卫 星 数 据 广 播 和 分 发 系 统 17。根 据 速 率 的 不 同 可 以 把 卫 星 固 定 业 务 分 为 窄 带 和 宽 带 两 大 类 ： 窄 带 仍 以话 音 和 低 速 数 据 业 务 为 主 ， 发 展 缓 慢 ； 而 各 类 卫 星 宽 带 业 务 在 近 几 年 得 到 较快 发 展 ， 尤 其 是 基 于 IP 的 业 务 如 电 视 会 议 、 远 程 教 育 、 远 程 医 疗 、 流 媒 体 等业 务 18。 据 统 计 分 析 ， 全 球 目 前 在 卫 星 固 定 业 务 频 段 的 4200 多 个 标 准 转 发器 中 ， 视 频 业 务 约 占 62%， 数 据 业 务 占 24%， 话 音 业 务 下 降 到 14%。VSAT 是 卫 星 固 定 通 信 中 的 一 种 重 要 形 式 。 VSAT 终 端 天 线 口 径 一 般 小 于2.4m， 主 要 工 作 在 C 频 段 和 Ku 频 段 。 VSAT 网 络 的 优 点 是 小 站 设 备 简 单 、体 积 小 、重 量 轻 、且 造 价 低 ，可 车 载 或 单 人 背 负 ；组 网 灵 活 、方 便 ，单 个 VSAT小 站 可 方 便 地 接 入 或 离 开 现 有 的 通 信 网 络 ； 支 持 多 种 通 信 方 式 包 括 VSAT 站与 站 之 间 的 点 对 点 通 信 、 多 个 VSAT 站 之 间 的 双 工 通 信 。 主 站 对 小 站 的 广 播通 信 ， 通 信 容 量 大 传 输 距 离 远 适 用 于 多 种 业 务 和 速 率 ， 通 信 质 量 高 ， 路 由 少 ，链 路 环 节 少 误 码 率 低 ， 可 配 接 各 种 终 端 设 备 ， 方 便 地 与 其 他 网 络 实 现 互 联 互通 19。 VSAT 系 统 可 以 用 于 信 息 广 播 与 分 发 、 信 息 采 集 与 远 程 监 控 、 远 程 教育 和 远 程 医 疗 、 因 特 网 接 入 和 “村 村 通 ”工 程 等 领 域 。大 部 分 静 止 轨 道 卫 星 通 信 系 统 都 能 够 提 供 固 定 通 信 业 务 ， 但 一 般 不 限 于固 定 业 务 ， 比 较 著 名 的 系 统 有 国 际 通 信 卫 星 （ Intelsat） 系 统 、 欧 洲 通 信 卫 星公 司 （ Eutelsat） 、 俄 罗 斯 联 邦 国 际 卫 星 组 织 （ IntersPutnik） 、 美 国 泛 美 卫 星（ PanAmsat） 、 新 天 空 卫 星 （ Newskies） 等 20。（ 3） 卫 星 移 动 通 信 及 系 统卫 星 移 动 通 信 是 指 利 用 通 信 卫 星 作 中 继 站 ， 实 现 移 动 用 户 之 间 或 移 动 用户 与 固 定 用 户 之 间 相 互 通 信 的 一 种 通 信 方 式 21。 它 是 传 统 的 卫 星 固 定 通 信 与地 面 移 动 通 信 交 叉 结 合 的 产 物 。 从 表 现 形 式 来 看 ， 它 既 是 一 个 提 供 移 动 业 务的 卫 星 通 信 系 统 ， 又 是 一 个 采 用 卫 星 作 中 继 站 的 移 动 通 信 系 统 。通 过 静 止 轨 道 卫 星 提 供 全 球 覆 盖 的 卫 星 移 动 通 信 系 统 有 国 际 海 事 卫 星-5-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文（ Inmarsat ） 系 统 ； 提 供 区 域 覆 盖 的 卫 星 移 动 通 信 系 统 有 北 美 移 动 卫 星（ MSAT） 系 统 、 亚 洲 蜂 窝 卫 星 （ ACeS） 系 统 、 瑟 拉 亚 卫 星 （ Thuraya） 系 统等。通过非静止轨道卫星提供全球覆盖的卫星移动通信系统有铱系统（ Iridium） 、 全 球 星 （ Globalstar） 和 轨 道 通 信 （ Orbcomm） 系 统 22。Inmarsat 系 统 的 第 四 代 业 务 称 为 BGAN(Broadband Global AreaNetwork)。 BGAN 是 第 一 个 通 过 手 持 终 端 向 全 球 同 时 提 供 话 音 和 宽 带 数 据 的移 动 通 信 系 统 ， 也 是 第 一 个 提 供 数 据 速 率 保 证 的 卫 星 移 动 通 信 系 统 ， 可 以 为全 球 几 乎 任 何 地 方 的 用 户 提 供 速 率 高 达 492kb/s 的 网 络 数 据 传 输 、 移 动 视 频 、视 频 会 议 、 传 真 、 电 子 邮 件 、 局 域 网 接 入 等 业 务 和 多 种 附 加 功 能 。 它 兼 容 3G系 统 23。 综 合 了 高 低 端 多 种 业 务 模 式 ， 采 用 了 先 进 技 术 确 保 通 信 的 高 质 量 和系 统 的 高 可 用 度 。铱 系 统 是 世 界 上 第 一 个 利 用 低 轨 道 星 座 实 现 全 球 个 人 卫 星 移 动 通 信 的 系统 。 其 星 座 由 72 颗 卫 星 （ 包 括 6 颗 备 用 星 ） 组 成 。 这 些 卫 星 被 部 署 在 780km高 的 6 条 极 轨 轨 道 上 ， 每 条 轨 道 均 匀 地 配 11 颗 卫 星 。 采 用 极 轨 道 星 座 无 缝 覆盖 全 球 ， 并 使 用 了 先 进 的 星 上 处 理 和 星 间 链 路 技 术 ， 能 在 包 括 两 极 在 内 的 任何 地 方 打 电 话 24。 铱 星 系 统 还 解 决 了 卫 星 网 与 地 面 蜂 窝 网 之 间 的 跨 协 议 漫游 ， 能 使 全 球 约 240 个 国 家 和 地 区 的 用 户 随 时 随 地 的 接 打 电 话 、 传 递 数 据 信息 、 实 现 无 线 定 位 。 该 系 统 使 人 类 在 地 球 上 任 何 能 见 到 的 地 方 都 可 以 相 互 联络 ,实 现 了 通 信 终 端 手 持 化 、 个 人 通 信 全 球 化 25。目 前 我 国 还 没 有 比 较 成 熟 的 卫 星 移 动 通 信 系 统 ， 卫 星 移 动 通 信 作 为 应 急通 的 重 要 方 式 ， 这 方 面 的 不 足 在 我 国 重 大 自 然 灾 害 面 前 显 的 尤 为 突 出 ， 这 也进 一 步 促 进 了 我 国 卫 星 移 动 通 信 系 统 的 相 关 研 究 工 作 。 而 限 于 系 统 复 杂 度 和建 设 周 期 的 问 题 ， 建 立 GEO 卫 星 移 动 通 信 系 统 也 已 基 本 成 为 我 国 自 主 的 卫星 移 动 通 信 系 统 的 发 展 方 向 ， 对 国 外 成 熟 的 相 关 标 准 进 行 研 究 也 就 突 显 其 重要 26。 其 中 ， GMR-1 3G 就 是 新 一 代 卫 星 移 动 通 信 系 统 空 中 接 口 技 术 规 范 。随 着 地 面 通 信 系 统 的 发 展 和 3G 技 术 长 期 演 进 计 划 的 推 进 ， 地 面 空 口 协议 栈 从 结 构 上 逐 步 实 现 扁 平 化 。 就 现 状 而 言 ， 我 国 制 定 的 具 有 自 主 知 识 产 权的 第 三 代 公 共 移 动 通 信 标 准 TD-SCDMA（ Time DivisionSynchronous CodeDivision Multiple Access） 系 统 已 经 开 始 商 用 ， 基 于 该 标 准 的 空 口 接 入 协 议 栈目 前 也 已 经 有 了 比 较 成 熟 的 实 现 27。在 国 际 方 面 ，第 三 代 合 作 伙 伴 计 划 3GPP（ 3rd Generation Partnership Project） ， 在 2004 年 底 提 出 了 对 现 有 3G 通 信 网络 的 演 进 技 术 ， 即 LTE（ Long Term Evolution） 技 术 。 LTE 空 中 接 口 协 议 栈增 强 了 3G 的 空 中 接 入 技 术 ， 采 用 OFDM（ Orthogonal Frequency Division-6-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文Multiplexing） 和 MIMO（ Multiple-Input Multiple-Output） 作 为 其 无 线 网 络 演进 的 标 准 28。 相 对 于 目 前 3G 网 络 的 速 度 ， LTE 是 它 的 100 余 倍 ， 且 延 迟 性更 低 。 现 如 今 ， 国 内 的 TD-LTE 技 术 的 商 用 建 设 正 在 如 火 如 荼 进 行 ， 并 且 已经 出 现 了 多 个 试 点 城 市 。从 通 信 架 构 上 看 ， 卫 星 通 信 系 统 与 地 面 通 信 系 统 空 中 接 口 部 分 有 着 较 大区 别 。 从 设 备 上 ， 卫 星 通 信 系 统 可 实 现 集 中 化 管 理 ， 从 而 真 正 实 现 资 源 池 化分 配 。根 据 目 前 研 究 ， 已 经 确 立 了 GMR-1 3G 空 口 协 议 栈 系 统 总 体 实 现 方 案 。在 整 个 基 站 系 统 中 存 在 多 个 协 议 栈 实 体 ， 每 个 空 口 协 议 栈 实 体 负 责 一 个 逻 辑上 的 基 站 处 理 功 能 ， 用 于 处 理 10 个 载 波 数 量 级 的 频 段 上 的 无 线 传 输 29。 每个 空 口 协 议 栈 实 体 执 行 包 括 MAC（ Media Access Control） 、 RLC（ Radio LinkControl） 、 PDCP（ Packet Data Convergence Protocol） 、 RRC 层 等 协 议 的 所 有功 能 ， 用 于 该 频 段 上 多 个 终 端 的 接 入 和 传 输 操 作 。 RRC 层 系 统 作 为 协 议 栈 原型 系 统 的 重 要 组 成 部 分 ， 承 担 着 系 统 主 要 的 接 入 控 制 功 能 ， 为 终 端 和 核 心 网搭 建 了 重 要 的 数 据 交 换 平 台 ， 它 紧 挨 非 接 入 层 ， 统 筹 着 接 入 层 数 据 的 处 理 并直 接 受 到 接 入 层 需 求 的 驱 动 30。1.3 本 文 研 究 内 容 及 组 织 安 排本 文 基 于 GMR-1 3G 协 议 栈 原 型 系 统 开 发 项 目 ， 根 据 协 议 对 RRC 层 所提 出 的 功 能 要 求 进 行 RRC 层 系 统 设 计 ， 包 括 RRC 系 统 的 框 架 及 主 干 功 能 的设 计 ， 并 对 设 计 内 容 进 行 代 码 实 现 和 功 能 性 验 证 。 RRC 系 统 将 完 成 对 基 站 侧的 控 制 消 息 的 处 理 功 能 。在 对 GSM、 3GPP 及 LTE 协 议 栈 基 站 系 统 的 借 鉴 下 ， 本 文 给 出 了 一 种 使用 RRC 状 态 机 控 制 为 核 心 ，对 协 议 栈 控 制 面 进 行 行 为 控 制 的 方 案 。通 过 RRC层 系 统 状 态 机 控 制 终 端 用 户 接 入 ，并 通 过 RRC 过 程 状 态 进 行 具 体 过 程 间 的 互斥 控 制 和 事 件 处 理 ，设 计 了 RRC 层 系 统 模 与 协 议 栈 其 他 层 次 之 间 通 过 管 道 进行