隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷普及和影響范圍的擴(kuò)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(dú)特的特點(diǎn)需要在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地球站之間的信息傳輸。它有如下突出特點(diǎn): a信道延時(shí)長: 一個(gè)信息發(fā)出到收到對(duì)方應(yīng)答延時(shí)在530 ms 左右;b 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源租費(fèi)較高，衛(wèi)星通信網(wǎng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目的就是提高資源或信道利用率; c網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼奥酚珊唵? d 廣播特性: 一個(gè)地球站發(fā)送的信息，全網(wǎng)所有站都可以接收; e 相對(duì)地面線路衛(wèi)星通信信道存在誤碼。
結(jié)合上述特點(diǎn)，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(diǎn)。因此設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮: a 長信道延時(shí)對(duì)IP應(yīng)用的影響; b考慮信道誤碼對(duì)IP 業(yè)務(wù)的影響; c結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)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(duì)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(fēng)暴; h 避免備份信道切換時(shí)路由變化。
2 衛(wèi)星信道長延時(shí)和誤碼對(duì)IP 業(yè)務(wù)的影響
衛(wèi)星信道的長延時(shí)特性影響基于IP 的應(yīng)答確認(rèn)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(jī)制，但衛(wèi)星信道一般保證誤碼率達(dá)到10- 7，此時(shí)誤碼的影響可以忽略; 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)誤碼率惡化到10- 3時(shí)小數(shù)據(jù)包和多線程技術(shù)有較強(qiáng)的抗誤碼能力。
2. 1 長延時(shí)對(duì)TCP 業(yè)務(wù)的影響及解決辦法
( 1) 長延時(shí)對(duì)TCP 業(yè)務(wù)的影響
衛(wèi)星信道的長延時(shí)影響TCP 業(yè)務(wù)的吞吐量即傳輸速率，可通過公式( 1) 計(jì)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(shí)，單位為s。TCP 業(yè)務(wù)接收窗口實(shí)際在8 kbyte~ 64 kbyte 之間，衛(wèi)星信道應(yīng)答延時(shí)在480 ms~ 540 ms。
因此，不采取措施時(shí)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(duì)影響TCP 業(yè)務(wù)傳輸因素進(jìn)行針對(duì)性的分析和試驗(yàn)，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(dá)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(rèn)應(yīng)答; e采用擴(kuò)展TCP 協(xié)議，改進(jìn)擁塞和慢啟動(dòng)機(jī)制、支持特大窗口等以便適應(yīng)長延時(shí)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?yàn)數(shù)據(jù)和曲線。
表2 多線程試驗(yàn)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(huì)更好。
2. 2 長延時(shí)對(duì)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(gè)網(wǎng)頁會(huì)包含許多鏈接。正常瀏覽網(wǎng)頁時(shí)，每個(gè)鏈接會(huì)建立一個(gè)連接。
因此通過衛(wèi)星的長延時(shí)信道直接瀏覽網(wǎng)頁，不同連接不同時(shí)間建立，整個(gè)網(wǎng)頁瀏覽時(shí)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(yuǎn)端站通過一個(gè)連接下載整個(gè)網(wǎng)頁; 或者中心站主動(dòng)存儲(chǔ)常用網(wǎng)站，推送到各遠(yuǎn)端站。
3 衛(wèi)星IP 通信網(wǎng)設(shè)計(jì)
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(duì)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(dòng)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(fèi)用昂貴，設(shè)計(jì)時(shí)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(rèn)法、動(dòng)態(tài)窗口尺寸、動(dòng)態(tài)包尺寸、QoS、包頭標(biāo)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(shí)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(bào)協(xié)議) + 錯(cuò)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(huì)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(jì)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(jìn)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(shí)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(gè)VOIP 設(shè)備實(shí)測數(shù)據(jù)。
表3 數(shù)據(jù)包長對(duì)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播特性，因此在設(shè)計(jì)衛(wèi)通IP 網(wǎng)時(shí)可以考慮利用此特點(diǎn)減少衛(wèi)星載波數(shù)量進(jìn)而提高全網(wǎng)的衛(wèi)星資源利用率。
表4 某型號(hào)VOIP 設(shè)備實(shí)測數(shù)據(jù)
舉例說明: 一個(gè)衛(wèi)星視頻會(huì)議系統(tǒng)包含1 個(gè)中心站和3 個(gè)遠(yuǎn)端站。若采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，中心站圖像信息需要3 個(gè)載波發(fā)給3 個(gè)遠(yuǎn)端站，加上3 個(gè)遠(yuǎn)端站的回傳圖像，共需6 個(gè)載波圖3( a) 中f1~ f6; 但若采用廣播方式通過1 個(gè)載波將中心站信息同時(shí)廣播給3 個(gè)遠(yuǎn)端站，則可節(jié)省2 個(gè)載波，全網(wǎng)只需4 個(gè)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(shí)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(biāo)，圖3( b) 所需功放功率只有圖3( a) 工作方式時(shí)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(shí)現(xiàn)，這種方式需要精心設(shè)計(jì)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(shí)，中心站只廣播一個(gè)載波，其中包含到所有相關(guān)遠(yuǎn)端站點(diǎn)的信息;而遠(yuǎn)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(fēng)暴
網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)一般認(rèn)為接在其上的IP 終端均為本地設(shè)備，會(huì)通過學(xué)習(xí)獲知終端與接口對(duì)應(yīng)情況。
若2 個(gè)衛(wèi)星通信地球站兩端均使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，那么2 站間有多個(gè)雙向業(yè)務(wù)MODEM 時(shí)，2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間的ARP 請(qǐng)求可能無限重復(fù)，形成廣播風(fēng)暴。
避免辦法就是用路由器代替網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。
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(jì)時(shí)衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器均采用冗余備份方式。若2 個(gè)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?？尚凶龇ㄊ潜ＷC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(shí)和延時(shí)抖動(dòng)等多個(gè)指標(biāo)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(fù)荷傳輸數(shù)據(jù)時(shí)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(fù)荷時(shí)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。可以測出滿負(fù)荷傳輸時(shí)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(shí)和延時(shí)抖動(dòng)給出信道實(shí)時(shí)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(cuò)誤情況，可進(jìn)而推算出誤碼率;延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)影響話音等實(shí)時(shí)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(shí)，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(tái)上，因此考慮衛(wèi)星通信的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出發(fā)揮各自優(yōu)勢、克服不足的設(shè)計(jì)方案和工程實(shí)現(xiàn)方案就成為追求的目標(biāo)。另外結(jié)合工程實(shí)踐和試驗(yàn)給出供需雙方都能接受、維護(hù)方便及經(jīng)濟(jì)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(yùn)行維護(hù)不可缺少的。