衛(wèi)星IP通信網(wǎng)設(shè)計技術(shù)分析 - 全文

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷普及和影響范圍的擴大，各種通信方式都在適應(yīng)IP( 網(wǎng)際協(xié)議) 應(yīng)用。衛(wèi)星通信也不例外，逐步從傳統(tǒng)透明傳輸方式向IP 傳輸方式發(fā)展。但是衛(wèi)星通信用于傳輸IP 業(yè)務(wù)有自己獨特的特點需要在設(shè)計時考慮。

　　1 衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)遇到的問題

　　衛(wèi)星通信網(wǎng)使用赤道上空的靜止衛(wèi)星實現(xiàn)衛(wèi)星地球站之間的信息傳輸。它有如下突出特點: a信道延時長: 一個信息發(fā)出到收到對方應(yīng)答延時在530 ms 左右;b 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源租費較高，衛(wèi)星通信網(wǎng)設(shè)計的一個重要目的就是提高資源或信道利用率; c網(wǎng)絡(luò)拓撲及路由簡單; d 廣播特性: 一個地球站發(fā)送的信息，全網(wǎng)所有站都可以接收; e 相對地面線路衛(wèi)星通信信道存在誤碼。

　　結(jié)合上述特點，IP 衛(wèi)星通信網(wǎng)與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)及地面IP 通信網(wǎng)相比都不相同，有其特殊的特點。因此設(shè)計時需要著重考慮: a 長信道延時對IP應(yīng)用的影響; b考慮信道誤碼對IP 業(yè)務(wù)的影響; c結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特點選擇路由協(xié)議; d 如何利用衛(wèi)星通信廣播特性傳輸IP 業(yè)務(wù); e 考慮IP 開銷對資源利用的影響; f 關(guān)注IP 信道質(zhì)量如何衡量; g 避免產(chǎn)生廣播風暴; h 避免備份信道切換時路由變化。

　　2 衛(wèi)星信道長延時和誤碼對IP 業(yè)務(wù)的影響

　　衛(wèi)星信道的長延時特性影響基于IP 的應(yīng)答確認業(yè)務(wù)例如TCP( 傳輸控制協(xié)議) 和HTTP( 超文本傳輸協(xié)議) 等。誤碼主要影響丟包率和觸發(fā)TCP 的擁塞控制機制，但衛(wèi)星信道一般保證誤碼率達到10- 7，此時誤碼的影響可以忽略; 試驗發(fā)現(xiàn)誤碼率惡化到10- 3時小數(shù)據(jù)包和多線程技術(shù)有較強的抗誤碼能力。

　　2. 1 長延時對TCP 業(yè)務(wù)的影響及解決辦法

　　( 1) 長延時對TCP 業(yè)務(wù)的影響

　　衛(wèi)星信道的長延時影響TCP 業(yè)務(wù)的吞吐量即傳輸速率，可通過公式( 1) 計算。

?

　　式中，RTCP 為TCP 業(yè)務(wù)速率，單位kbps; WS 為TCP業(yè)務(wù)接收窗口尺寸kbit; RTT 為業(yè)務(wù)應(yīng)答延時，單位為s。TCP 業(yè)務(wù)接收窗口實際在8 kbyte~ 64 kbyte 之間，衛(wèi)星信道應(yīng)答延時在480 ms~ 540 ms。

　　因此，不采取措施時衛(wèi)星信道的TCP 業(yè)務(wù)最大吞吐量可能只有118 kbps~ 1 067 kbps。表1 給出了一組測試數(shù)據(jù)。

表1 TCP 業(yè)務(wù)利用衛(wèi)星信道傳輸

?

　　( 2) 解決辦法

　　針對影響TCP 業(yè)務(wù)傳輸因素進行針對性的分析和試驗，可以得到改善其傳輸性能的各種措施:

　　a加大發(fā)送窗口尺寸，調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)包長，可以使傳輸效率提高;b保證信道誤碼率至少達到10-7;c協(xié)議欺騙、本地應(yīng)答; d 采用協(xié)議加速器，將TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換為適合衛(wèi)星信道傳輸?shù)膮f(xié)議，本地處理確認應(yīng)答; e采用擴展TCP 協(xié)議，改進擁塞和慢啟動機制、支持特大窗口等以便適應(yīng)長延時誤碼信道; f采用多線程應(yīng)用軟件如網(wǎng)絡(luò)快車，可以提高傳輸速率，明顯改善信道利用率，表2 和圖1 分別給出了不同線程數(shù)下TCP 業(yè)務(wù)傳輸?shù)脑囼灁?shù)據(jù)和曲線。

表2 多線程試驗數(shù)據(jù)

?

?

?

?

圖1 多線程傳輸TCP 業(yè)務(wù)

　　以上措施綜合應(yīng)用效果會更好。

　　2. 2 長延時對HTTP 業(yè)務(wù)的影響及解決辦法

　　HTTP 主要用于網(wǎng)頁瀏覽，每個網(wǎng)頁會包含許多鏈接。正常瀏覽網(wǎng)頁時，每個鏈接會建立一個連接。

　　因此通過衛(wèi)星的長延時信道直接瀏覽網(wǎng)頁，不同連接不同時間建立，整個網(wǎng)頁瀏覽時間很長。

　　可采用的解決辦法就是在衛(wèi)星通信網(wǎng)中心站先下載完整的所需網(wǎng)頁，遠端站通過一個連接下載整個網(wǎng)頁; 或者中心站主動存儲常用網(wǎng)站，推送到各遠端站。

　　3 衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)設(shè)計

　　3. 1 路由協(xié)議選擇

　　衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)路由協(xié)議選擇，與地面IP 網(wǎng)最大的不同之處就是衛(wèi)星通信網(wǎng)的路由一般比較簡單明確。對于應(yīng)用最多的星狀網(wǎng)絡(luò)以及路由關(guān)系確定的衛(wèi)星通信網(wǎng)不需要采用地面網(wǎng)常用的動態(tài)路由方式，一般選用靜態(tài)路由就能滿足使用要求。

　　3. 2 提高衛(wèi)星信道利用率

　　衛(wèi)星通信信道是利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源建立的,其租用費用昂貴，設(shè)計時要想方設(shè)法提高其利用率,一般表現(xiàn)為信道帶寬的利用率。

　　( 1) 降低或優(yōu)化IP 開銷

　　IP 數(shù)據(jù)的包頭、包尾開銷及包發(fā)送間隔降低了衛(wèi)星信道傳輸業(yè)務(wù)信息的能力，采取下列有效措施減少附加開銷可以有效提高衛(wèi)星信道利用率。

　　a 上衛(wèi)星信道之前先利用路由器將IP 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為透明數(shù)據(jù)，去除IP 及其業(yè)務(wù)附加的包頭、包尾等附加信息，通過同步接口接入衛(wèi)星設(shè)備，衛(wèi)星信道只傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，信道效率最高;b采用具有包頭壓縮、數(shù)據(jù)壓縮、QoS( 服務(wù)質(zhì)量)、TCP 加速等功能的衛(wèi)星通信設(shè)備;c采用TCP/ IP 協(xié)議加速器，通過直接確認法、動態(tài)窗口尺寸、動態(tài)包尺寸、QoS、包頭標記壓縮、數(shù)據(jù)壓縮和協(xié)議轉(zhuǎn)換等技術(shù)。表3 給出了1 Mbps 衛(wèi)星信道采用skyX 加速器不同包長時信道的利用率;d自主開發(fā)的應(yīng)用盡可能避開TCP 協(xié)議，采用UDP( 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議) + 錯誤包重傳方式;e選用IP 開銷較少的業(yè)務(wù)設(shè)備。不同廠家的VOIP( IP 語音) 設(shè)備、圖像編碼器和視頻會議設(shè)備等IP 業(yè)務(wù)終端，其IP 開銷不同，因此可以通過優(yōu)化設(shè)計選用開銷較小的業(yè)務(wù)終端以便從源頭上減少數(shù)據(jù)量，從而提高衛(wèi)星信道效率。圖2 給出了測試IP 業(yè)務(wù)開銷的示意圖，需要利用集線器廣播特性監(jiān)視和測量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，可用Iris( 捕獲查看進出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包)軟件測試業(yè)務(wù)在IP 信道上的實際數(shù)據(jù)速率與業(yè)務(wù)信息速率比較，就可得出開銷情況。表4 給出了一個VOIP 設(shè)備實測數(shù)據(jù)。

表3 數(shù)據(jù)包長對衛(wèi)星信道傳輸影響

?

?

?

?

圖2? IP 業(yè)務(wù)開銷測試示意圖.

　　( 2) 利用衛(wèi)星廣播特性.

　　衛(wèi)星通信天然具有點對多點的廣播特性，因此在設(shè)計衛(wèi)通IP 網(wǎng)時可以考慮利用此特點減少衛(wèi)星載波數(shù)量進而提高全網(wǎng)的衛(wèi)星資源利用率。

表4 某型號VOIP 設(shè)備實測數(shù)據(jù)

?

　　舉例說明: 一個衛(wèi)星視頻會議系統(tǒng)包含1 個中心站和3 個遠端站。若采用點對點方式，中心站圖像信息需要3 個載波發(fā)給3 個遠端站，加上3 個遠端站的回傳圖像，共需6 個載波圖3( a) 中f1~ f6; 但若采用廣播方式通過1 個載波將中心站信息同時廣播給3 個遠端站，則可節(jié)省2 個載波，全網(wǎng)只需4 個載波圖3( b) 中f1~ f4。若所有載波大小一致，則全網(wǎng)可節(jié)省1/3的衛(wèi)星資源，資源利用率大大提高。同時由于中心站由多載波工作方式更換為單載波方式，不需要考慮消除多載波交調(diào)影響采取的功率回退措施，可以降低射頻設(shè)備功率指標，圖3( b) 所需功放功率只有圖3( a) 工作方式時的1/6，因而可以降低建站成本。

?

圖3 廣播特性應(yīng)用示意圖

　　衛(wèi)星IP 業(yè)務(wù)廣播可以通過路由器廣義端口支持組播業(yè)務(wù)來實現(xiàn)，這種方式需要精心設(shè)計系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能與衛(wèi)星通信設(shè)備互相配合，使系統(tǒng)通過組播協(xié)議正常工作。由于采用組播時，中心站只廣播一個載波，其中包含到所有相關(guān)遠端站點的信息;而遠端站信息通過各自回傳信道上傳，多為單向信道。因此路由器和衛(wèi)星通信設(shè)備之間只能采用RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口才能工作,V. 35 和RS449 等透明接口不支持。

　　3. 3 廣播風暴

　　網(wǎng)絡(luò)交換機一般認為接在其上的IP 終端均為本地設(shè)備，會通過學(xué)習獲知終端與接口對應(yīng)情況。

　　若2 個衛(wèi)星通信地球站兩端均使用網(wǎng)絡(luò)交換機，那么2 站間有多個雙向業(yè)務(wù)MODEM 時，2 個網(wǎng)絡(luò)交換機之間的ARP 請求可能無限重復(fù)，形成廣播風暴。

　　避免辦法就是用路由器代替網(wǎng)絡(luò)交換機。

　　3. 4 主備切換路由問題

　　衛(wèi)星通信網(wǎng)為保證系統(tǒng)的可靠性，大型站設(shè)計時衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器均采用冗余備份方式。若2 個冗余備份設(shè)備均分別接到路由器不同端口，主備切換前后的路由將發(fā)生變化，影響IP 業(yè)務(wù)的傳輸。可行做法是保證主備衛(wèi)通設(shè)備通過切換開關(guān)接入路由器的同一端口，避免接入不同端口。

　　3. 5 衛(wèi)星IP 信道質(zhì)量測試

　　衛(wèi)星透明信道質(zhì)量一般用誤碼率來衡量，而衛(wèi)星IP 信道質(zhì)量需要吞吐量、信道效率、丟包率、延時和延時抖動等多個指標才能較全面地衡量。

　　信道吞吐量衡量信道能夠傳輸?shù)腎P 數(shù)據(jù)的最大能力。可以通過幾種方式獲得:a信道滿負荷傳輸數(shù)據(jù)時監(jiān)視信道IP 數(shù)據(jù)速率，可用Iris 軟件測試;b用網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)車軟件測試; c 利用專用測試儀器測量。

　　信道效率反映滿負荷時傳輸?shù)募儤I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在信道帶寬支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率中所占的比例?？梢詼y出滿負荷傳輸時的業(yè)務(wù)信息速率例如用FTP( 文件傳輸協(xié)議) 下載大文件、UDP 傳輸大文件和傳輸視頻等，再除于信道理論數(shù)據(jù)速率。

　　丟包率、延時和延時抖動給出信道實時的傳輸質(zhì)量，可以通過PING 命令或?qū)Ｓ脙x器測試。丟包率反映數(shù)據(jù)丟失和錯誤情況，可進而推算出誤碼率;延時和延時抖動影響話音等實時性要求較高的業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量。

　　4 結(jié)束語

　　衛(wèi)星通信網(wǎng)用于同步數(shù)據(jù)傳輸時，信道傳輸透明數(shù)據(jù)，結(jié)合業(yè)務(wù)終端可以傳輸話音、異步數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)、IP 數(shù)據(jù)、圖像和多媒體等業(yè)務(wù)。隨著IP 應(yīng)用的不斷普及，需要衛(wèi)星信道直接傳輸IP 數(shù)據(jù)，各種應(yīng)用承載在IP 平臺上，因此考慮衛(wèi)星通信的特點設(shè)計出發(fā)揮各自優(yōu)勢、克服不足的設(shè)計方案和工程實現(xiàn)方案就成為追求的目標。另外結(jié)合工程實踐和試驗給出供需雙方都能接受、維護方便及經(jīng)濟適用的衛(wèi)星IP 信道質(zhì)量衡量及檢測方法也是衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)運行維護不可缺少的。

?