卫星IP通信网设计技术分析 - 全文

随着互联网应用的不断普及和影响范围的扩大，各种通信方式都在适应IP( 网际协议) 应用。卫星通信也不例外，逐步从传统透明传输方式向IP 传输方式发展。但是卫星通信用于传输IP 业务有自己独特的特点需要在设计时考虑。

　　1 卫星IP 通信网遇到的问题

　　卫星通信网使用赤道上空的静止卫星实现卫星地球站之间的信息传输。它有如下突出特点: a信道延时长: 一个信息发出到收到对方应答延时在530 ms 左右;b 卫星转发器资源租费较高，卫星通信网设计的一个重要目的就是提高资源或信道利用率; c网络拓扑及路由简单; d 广播特性: 一个地球站发送的信息，全网所有站都可以接收; e 相对地面线路卫星通信信道存在误码。

　　结合上述特点，IP 卫星通信网与传统卫星通信网及地面IP 通信网相比都不相同，有其特殊的特点。因此设计时需要着重考虑: a 长信道延时对IP应用的影响; b考虑信道误码对IP 业务的影响; c结合卫星网络特点选择路由协议; d 如何利用卫星通信广播特性传输IP 业务; e 考虑IP 开销对资源利用的影响; f 关注IP 信道质量如何衡量; g 避免产生广播风暴; h 避免备份信道切换时路由变化。

　　2 卫星信道长延时和误码对IP 业务的影响

　　卫星信道的长延时特性影响基于IP 的应答确认业务例如TCP( 传输控制协议) 和HTTP( 超文本传输协议) 等。误码主要影响丢包率和触发TCP 的拥塞控制机制，但卫星信道一般保证误码率达到10- 7，此时误码的影响可以忽略; 试验发现误码率恶化到10- 3时小数据包和多线程技术有较强的抗误码能力。

　　2. 1 长延时对TCP 业务的影响及解决办法

　　( 1) 长延时对TCP 业务的影响

　　卫星信道的长延时影响TCP 业务的吞吐量即传输速率，可通过公式( 1) 计算。

 

　　式中，RTCP 为TCP 业务速率，单位kbps; WS 为TCP业务接收窗口尺寸kbit; RTT 为业务应答延时，单位为s。TCP 业务接收窗口实际在8 kbyte~ 64 kbyte 之间，卫星信道应答延时在480 ms~ 540 ms。

　　因此，不采取措施时卫星信道的TCP 业务最大吞吐量可能只有118 kbps~ 1 067 kbps。表1 给出了一组测试数据。

表1 TCP 业务利用卫星信道传输

 

　　( 2) 解决办法

　　针对影响TCP 业务传输因素进行针对性的分析和试验，可以得到改善其传输性能的各种措施:

　　a加大发送窗口尺寸，调整发送数据包长，可以使传输效率提高;b保证信道误码率至少达到10-7;c协议欺骗、本地应答; d 采用协议加速器，将TCP协议转换为适合卫星信道传输的协议，本地处理确认应答; e采用扩展TCP 协议，改进拥塞和慢启动机制、支持特大窗口等以便适应长延时误码信道; f采用多线程应用软件如网络快车，可以提高传输速率，明显改善信道利用率，表2 和图1 分别给出了不同线程数下TCP 业务传输的试验数据和曲线。

表2 多线程试验数据

 

 

 

 

图1 多线程传输TCP 业务

　　以上措施综合应用效果会更好。

　　2. 2 长延时对HTTP 业务的影响及解决办法

　　HTTP 主要用于网页浏览，每个网页会包含许多链接。正常浏览网页时，每个链接会建立一个连接。

　　因此通过卫星的长延时信道直接浏览网页，不同连接不同时间建立，整个网页浏览时间很长。

　　可采用的解决办法就是在卫星通信网中心站先下载完整的所需网页，远端站通过一个连接下载整个网页; 或者中心站主动存储常用网站，推送到各远端站。

　　3 卫星IP 通信网设计

　　3. 1 路由协议选择

　　卫星IP 通信网路由协议选择，与地面IP 网最大的不同之处就是卫星通信网的路由一般比较简单明确。对于应用最多的星状网络以及路由关系确定的卫星通信网不需要采用地面网常用的动态路由方式，一般选用静态路由就能满足使用要求。

　　3. 2 提高卫星信道利用率

　　卫星通信信道是利用卫星转发器资源建立的,其租用费用昂贵，设计时要想方设法提高其利用率,一般表现为信道带宽的利用率。

　　( 1) 降低或优化IP 开销

　　IP 数据的包头、包尾开销及包发送间隔降低了卫星信道传输业务信息的能力，采取下列有效措施减少附加开销可以有效提高卫星信道利用率。

　　a 上卫星信道之前先利用路由器将IP 数据转换为透明数据，去除IP 及其业务附加的包头、包尾等附加信息，通过同步接口接入卫星设备，卫星信道只传输业务数据，信道效率最高;b采用具有包头压缩、数据压缩、QoS( 服务质量)、TCP 加速等功能的卫星通信设备;c采用TCP/ IP 协议加速器，通过直接确认法、动态窗口尺寸、动态包尺寸、QoS、包头标记压缩、数据压缩和协议转换等技术。表3 给出了1 Mbps 卫星信道采用skyX 加速器不同包长时信道的利用率;d自主开发的应用尽可能避开TCP 协议，采用UDP( 用户数据报协议) + 错误包重传方式;e选用IP 开销较少的业务设备。不同厂家的VOIP( IP 语音) 设备、图像编码器和视频会议设备等IP 业务终端，其IP 开销不同，因此可以通过优化设计选用开销较小的业务终端以便从源头上减少数据量，从而提高卫星信道效率。图2 给出了测试IP 业务开销的示意图，需要利用集线器广播特性监视和测量业务数据，可用Iris( 捕获查看进出网络数据包)软件测试业务在IP 信道上的实际数据速率与业务信息速率比较，就可得出开销情况。表4 给出了一个VOIP 设备实测数据。

表3 数据包长对卫星信道传输影响

 

 

 

 

图2  IP 业务开销测试示意图.

　　( 2) 利用卫星广播特性.

　　卫星通信天然具有点对多点的广播特性，因此在设计卫通IP 网时可以考虑利用此特点减少卫星载波数量进而提高全网的卫星资源利用率。

表4 某型号VOIP 设备实测数据

 

　　举例说明: 一个卫星视频会议系统包含1 个中心站和3 个远端站。若采用点对点方式，中心站图像信息需要3 个载波发给3 个远端站，加上3 个远端站的回传图像，共需6 个载波图3( a) 中f1~ f6; 但若采用广播方式通过1 个载波将中心站信息同时广播给3 个远端站，则可节省2 个载波，全网只需4 个载波图3( b) 中f1~ f4。若所有载波大小一致，则全网可节省1/3的卫星资源，资源利用率大大提高。同时由于中心站由多载波工作方式更换为单载波方式，不需要考虑消除多载波交调影响采取的功率回退措施，可以降低射频设备功率指标，图3( b) 所需功放功率只有图3( a) 工作方式时的1/6，因而可以降低建站成本。

 

图3 广播特性应用示意图

　　卫星IP 业务广播可以通过路由器广义端口支持组播业务来实现，这种方式需要精心设计系统，使网络设备能与卫星通信设备互相配合，使系统通过组播协议正常工作。由于采用组播时，中心站只广播一个载波，其中包含到所有相关远端站点的信息;而远端站信息通过各自回传信道上传，多为单向信道。因此路由器和卫星通信设备之间只能采用RJ45 网络接口才能工作,V. 35 和RS449 等透明接口不支持。

　　3. 3 广播风暴

　　网络交换机一般认为接在其上的IP 终端均为本地设备，会通过学习获知终端与接口对应情况。

　　若2 个卫星通信地球站两端均使用网络交换机，那么2 站间有多个双向业务MODEM 时，2 个网络交换机之间的ARP 请求可能无限重复，形成广播风暴。

　　避免办法就是用路由器代替网络交换机。

　　3. 4 主备切换路由问题

　　卫星通信网为保证系统的可靠性，大型站设计时卫星调制解调器均采用冗余备份方式。若2 个冗余备份设备均分别接到路由器不同端口，主备切换前后的路由将发生变化，影响IP 业务的传输。可行做法是保证主备卫通设备通过切换开关接入路由器的同一端口，避免接入不同端口。

　　3. 5 卫星IP 信道质量测试

　　卫星透明信道质量一般用误码率来衡量，而卫星IP 信道质量需要吞吐量、信道效率、丢包率、延时和延时抖动等多个指标才能较全面地衡量。

　　信道吞吐量衡量信道能够传输的IP 数据的最大能力。可以通过几种方式获得:a信道满负荷传输数据时监视信道IP 数据速率，可用Iris 软件测试;b用网络战车软件测试; c 利用专用测试仪器测量。

　　信道效率反映满负荷时传输的纯业务数据在信道带宽支持的最大数据传输速率中所占的比例。可以测出满负荷传输时的业务信息速率例如用FTP( 文件传输协议) 下载大文件、UDP 传输大文件和传输视频等，再除于信道理论数据速率。

　　丢包率、延时和延时抖动给出信道实时的传输质量，可以通过PING 命令或专用仪器测试。丢包率反映数据丢失和错误情况，可进而推算出误码率;延时和延时抖动影响话音等实时性要求较高的业务传输质量。

　　4 结束语

　　卫星通信网用于同步数据传输时，信道传输透明数据，结合业务终端可以传输话音、异步数据、同步数据、IP 数据、图像和多媒体等业务。随着IP 应用的不断普及，需要卫星信道直接传输IP 数据，各种应用承载在IP 平台上，因此考虑卫星通信的特点设计出发挥各自优势、克服不足的设计方案和工程实现方案就成为追求的目标。另外结合工程实践和试验给出供需双方都能接受、维护方便及经济适用的卫星IP 信道质量衡量及检测方法也是卫星IP 通信网运行维护不可缺少的。