衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡融合的技術發(fā)展分析

1、衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡融合的技術發(fā)展分析摘要：地面網(wǎng)絡3G系統(tǒng)和IP技術的高速發(fā)展，無處不在的多媒體應用需求給衛(wèi)星通信提出新的技術挑戰(zhàn)。本文對未來衛(wèi)星通信與地面融合中的QoS保障機制、資源管理和跨層設計等問題進行了較為深入的探討。1 前言衛(wèi)星通信發(fā)展至今，全球相繼有GEO、MEO、LEO等高中低軌道各個層次上運行的中繼轉發(fā)和信號處理衛(wèi)星。隨著地面系統(tǒng)3G和IP技術的發(fā)展，對通信的無縫連接要求使得衛(wèi)星通信將與地面高速發(fā)展的網(wǎng)絡進行融合，以IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）作為網(wǎng)絡融合的基礎平臺，將是未來核心網(wǎng)的發(fā)展方向，業(yè)務也將向多媒體、多元化和智能化方向發(fā)展1。90年代已建成并投入應用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)：銥(

2、 Iridium系統(tǒng)、Globalstar 系統(tǒng)、ORBCOMM 系統(tǒng)等為全球提供包括話音、數(shù)據(jù)通信、位置信息服務，通過星際交鏈、地面信關站與地面網(wǎng)絡、靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)等聯(lián)成一體，達到覆蓋全球的目的2。因此我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設也將考慮與地面通信系統(tǒng)的兼容性，網(wǎng)系的融合將對系統(tǒng)的通信容量和效率產生直接的影響。本文從衛(wèi)星QoS、資源管理、跨層設計幾方面來探討與地面系統(tǒng)融合給衛(wèi)星通信帶來的技術挑戰(zhàn)。2 衛(wèi)星IP通信在4G系統(tǒng)中，向全球信息網(wǎng)絡的方向發(fā)展，要求在任何時候，任何地點為用戶提供靈活的多媒體信息服務?；谛l(wèi)星的移動通信系統(tǒng)將作為地面系統(tǒng)的補充來提供無處不在的多媒體和高速數(shù)據(jù)應用。其系統(tǒng)設

3、計可以是LEO、MEO、GEO，或者他們之間的結合，這取決于覆蓋范圍、費用、用戶服務和業(yè)務的需求。衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡的融合將表現(xiàn)出不同的資源可用性和開銷，需要通過有效的系統(tǒng)設計來保障無縫連接。衛(wèi)星與地面系統(tǒng)IP網(wǎng)系互聯(lián)示意圖（1）衛(wèi)星QoS衛(wèi)星鏈路IP數(shù)據(jù)的傳輸存在長時延、帶寬不對稱性以及誤碼率高的問題(TCP-Swift: an end-host enhancement scheme for TCP over Satellite IP Networks。而衛(wèi)星要提供多種寬帶服務：交互式服務和分發(fā)服務。交互式服務包括：視頻會議、視頻/話音信息傳輸、高速率數(shù)字信息、文件/公文傳輸、高精度的圖像、數(shù)據(jù)

4、存儲轉發(fā)（如數(shù)據(jù)庫）。分發(fā)服務有TV、多媒體視頻和語音分發(fā)。為解決衛(wèi)星IP數(shù)據(jù)傳輸問題，針對每種服務有不同的QoS要求，如延遲敏感度或者抖動敏感實時數(shù)據(jù)、對損失敏感的傳輸數(shù)據(jù)等。打包語音業(yè)務需要相對低的帶寬，但是實時性要求高。視頻業(yè)務需要較高的帶寬，但是仍然需要較低的反應時間獲得高質量的視頻。像文件傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務、e-mail信息等等，可允許一定的延遲。其中e-mail信息占用較低帶寬，而文件傳輸需要占據(jù)足夠大的帶寬3。因此，QoS資源管理的目標是在不同業(yè)務類型中有效共享和接入可獲得的資源，并保證所需的質量。它是根據(jù)需求和網(wǎng)絡狀況來管理帶寬，具體可量化為傳輸延遲、抖動、丟包率、帶寬要求、吞吐量

5、、業(yè)務可用性等指標。衛(wèi)星系統(tǒng)的QoS支持的網(wǎng)絡主要提供兩種類型的服務：保證的和最佳的。在保證服務中，網(wǎng)絡提供一些類型的QoS保證給用戶或者用戶群。而最佳服務，提供給用戶的QoS是網(wǎng)絡狀態(tài)的函數(shù)，對服務的水平?jīng)]有保證。4G移動通信系統(tǒng)將要求實時處理，高數(shù)據(jù)率傳輸和互動多媒體服務，要求不能容忍延遲和符號錯誤，因此需要一些特定網(wǎng)絡條件和QoS要求。為滿足實時處理的要求，目前IP網(wǎng)絡有兩種QoS結構定義：“inteserv”（集成服務）和diffserv（區(qū)分服務）。最重要的集成服務協(xié)議是RSVP（資源保留協(xié)議），它對特定服務要求的應用在傳輸業(yè)務前進行資源預先保留。QoS體系中，集成服務面向流，它是基

6、于資源預留提供端到端服務質量保證，復雜度很高。對于區(qū)分服務，網(wǎng)絡不需要為每個流維護狀態(tài)，它根據(jù)每個報文指定的QoS來提供特定的服務4。由于其相對簡單、具有可擴展、可操作及可部署能力而成為主流的一種IP。 對于區(qū)分服務這種QoS保障方式，我們搭建試驗平臺，對IP語音（64k帶寬）、視頻（1.2M帶寬）通過衛(wèi)星模擬信道傳輸進行試驗，其中設置衛(wèi)星傳輸信道時延540ms。通過路由器配置保障語音信號優(yōu)先，得到試驗結果如表1所示。表1 模擬衛(wèi)星通信QoS保障試驗結果信道帶寬話音視頻64k撥不通接收不到圖像512k撥號時通時不通，撥號等待時間較長，拿起被呼方話筒，需要等待約19s方可聽到話音接收不到圖像60

7、0k撥號等待時間較長，拿起被呼方話筒，需要等待約15s方可聽到話音，之后撥號方聽到的聲音延遲<1s，被呼方聽到的聲音延遲約為5s圖像嚴重馬賽克700k撥號等待時間較長，拿起被呼方話筒，需要等待約8s方可聽到話音，之后撥號方聽到的聲音延遲<1s，被呼方聽到的聲音延遲約為5s圖像較為嚴重馬賽克800k撥號等待時間較長，拿起被呼方話筒，需要等待約7s方可聽到話音，之后撥號方聽到的聲音延遲<1s，被呼方聽到的聲音延遲約為4s圖像有較多馬賽克，看不清1M撥號等待時間較長，拿起被呼方話筒，需要等待約15s方可聽到話音，之后撥號方聽到的聲音延遲<1s，被呼方聽到的聲音延遲約為3s圖像

8、有一些馬賽克1.2M兩邊通話正常圖像清楚在多次試驗后，發(fā)現(xiàn)信道帶寬小于視頻帶寬的條件下，采用QoS保障，相比沒有采用QoS保障只是語音延遲時間的降低，但是仍然不能保證語音的即時通話。只有帶寬足夠的情況下，才能使得語音和視頻傳輸都流暢。 因此僅僅依靠業(yè)務優(yōu)先來進行信號服務質量的保障是有限的。為了提高衛(wèi)星通信QoS，需要做的工作還包括：（1）改進的TCP：改進慢啟動和擁塞控制；快速重傳和快速恢復；選擇確認應答；序號重用的改進；（2）Web緩存：把經(jīng)常訪問的郵件、數(shù)據(jù)和視頻等資料存儲在本地服務器上，使經(jīng)常被訪問的主頁在本地就可得到服務；（3）協(xié)議網(wǎng)關：把TCP協(xié)議的信號轉換為一個特殊的適合于衛(wèi)星鏈路

9、的優(yōu)化協(xié)議的信號；（4）采用先進的調制解調和編解碼技術提高帶寬效率和功率效率。此外，還有鏈路層改進、基于網(wǎng)絡掉話的策略、端到端流量控制、最小時延動態(tài)緩存控制、TCP報頭壓縮、快速啟動和頁面對象單一回傳機制等。具體實施中，各種QoS技術（如區(qū)分服務、流量控制等）需要協(xié)調工作。大致的一個思路是網(wǎng)絡層面上，當全局擁塞時增加帶寬來解決，而局部擁塞則通過流量工程做負載均衡；業(yè)務層面上，通過區(qū)分服務對不同的業(yè)務進行區(qū)分，并提供不同的服務等級；在層間互通和映射上，加強應用層和網(wǎng)絡層以及鏈路層的映射和匹配，注重排隊、調度、擁塞、流量控制機制的應用。無縫IP/ATM促使多協(xié)議標簽轉換（MPLS）協(xié)議的發(fā)展，它將

10、第三層技術及與第二層技術有機地結合起來，使得在同一個網(wǎng)絡上允許各種消息傳遞，支持單點和多點傳輸，并提供實時交互服務。對于衛(wèi)星網(wǎng)絡，需要深入考慮其適用性。另外，在ISLs上用戶業(yè)務的內部時間變化給衛(wèi)星網(wǎng)絡進行路由帶來挑戰(zhàn)。目前地面路由協(xié)議，不能在衛(wèi)星領域特別是在基于LEO的衛(wèi)星網(wǎng)絡中提供QoS保證。因此需要研究適合衛(wèi)星系統(tǒng)的不同IP路由技術。（2）衛(wèi)星資源管理資源管理（RM）的目的是為了解系統(tǒng)中各類資源的存在情況，使用情況，為任務管理提供依據(jù)，并通過對資源進行預留等設置有效地使用衛(wèi)星網(wǎng)絡的資源，平衡負載，優(yōu)化性能，獲得最大的網(wǎng)絡使用效率，降低任務的阻塞率，保證任務執(zhí)行和網(wǎng)絡管理的實時性，為管理應

11、用程序提供QoS保證5。衛(wèi)星網(wǎng)絡的一個資源管理實體有兩個主要的函數(shù)：資源分配和流量控制。在資源分配中，上行和下行鏈路分配中采用不同的MAC協(xié)議。對于上行接入，其方法有：隨機（時隙Aloha）接入、獨立（固定帶寬）分配和動態(tài)帶寬分配技術。當采用隨機接入方法時，不同終端的連接在它們到達的下一個時隙開始廣播數(shù)據(jù)。來自兩個或多個終端的同一時刻的發(fā)送將可能導致碰撞重傳，從而引起額外的延遲。隨機接入方法不適用于嚴格的QoS應用，但是由于它的簡單性，被廣泛應用。對于固定分配，一個終端的連接總是在每幀的一定時隙中發(fā)生。它的優(yōu)點在于對性能的保證，但是其缺點主要是低的帶寬有效性。地面網(wǎng)絡為彌補這兩種性能的不足展開

12、了研究，如多用戶分集以及基于信道狀態(tài)的時序選擇分配資源、這些方法需要在衛(wèi)星系統(tǒng)中考慮。在動態(tài)帶寬分配中，資源（時隙和帶寬）分配取決于在連接終端的隊列中是否有數(shù)據(jù)包等待服務。當一個用戶連接并有新數(shù)據(jù)到達，信令信息將送給衛(wèi)星，告知數(shù)據(jù)到達。在接收到此信息后，衛(wèi)星分配一定的時隙，從而保證連接。因此，動態(tài)分配方法可以支持QoS業(yè)務。動態(tài)分配方法和基于信道狀態(tài)時序機制的主要區(qū)別在于在動態(tài)分配方法中的時隙分配僅基于要求，而不用知道用戶信道狀態(tài)。在動態(tài)帶寬分配中，當某個連接不再需要時隙的分配，衛(wèi)星可以將這個時隙分配給其它用戶連接。這種機制的缺點是呼叫建立的信令延遲。對于衛(wèi)星非對稱上下行業(yè)務，需要研究混合媒體

13、接入機制。另一方面，流量控制，是對擁塞發(fā)生情況下網(wǎng)絡資源的管理。擁塞通常發(fā)生在星上所要求的資源超過它的容量。需要對衛(wèi)星鏈路傳輸狀態(tài)、信息發(fā)布狀態(tài)等進行不間斷的實時監(jiān)控。發(fā)生通信擁塞會導致延遲快速增加并極大的降低QoS。用來管理擁塞業(yè)務控制函數(shù)有兩種機制：proactive 和reactive。在proactive方法中，網(wǎng)絡中的路由通過丟包來表明擁塞，這反過來促使發(fā)送端自適應的降低發(fā)送速率。將來寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)（尤其是非同步）多希望采用reactive形式，它有直接的擁塞指示（ECN）。在ECN機制中，一個TCP包頭有ECN比特，設置為0。如果路由檢測擁塞，它將把ECN比特設為1，且這個包被標記。

14、被標記的包最終到達目的地，反過來告知發(fā)送端標記的值。發(fā)送端基于標記的值來調整它的傳輸速率3。（3）跨層設計問題未來寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是將衛(wèi)星網(wǎng)絡順利的整合到前面提到的QoS框架中，在某種程度上能有效的使用先前衛(wèi)星鏈路的資源。新的設計跨越傳輸、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)鏈路、物理層，低層對無線媒介的認識將與更高層共享，從而提供對網(wǎng)絡資源分配的有效方法。因此，通過將較低層的參數(shù)納入到網(wǎng)絡層函數(shù)中來完成系統(tǒng)性能最佳化。在IP/衛(wèi)星整合網(wǎng)絡的跨層設計中，應用層通常知道一個給定IP包是在起始階段還是在數(shù)據(jù)流的末尾。而物理層可獲得目前的鏈路容量數(shù)，無線鏈路的BER性能等容量。如果采用聯(lián)合函數(shù)，在應用層和物理層之間進行信息

15、跨層交換，那么網(wǎng)絡的整體性能就會提高。跨層設計的主要挑戰(zhàn)是怎樣將足夠信息通過管理接口跨層來進行交流，并盡可能減少對標準化網(wǎng)絡協(xié)議棧的影響，盡可能多的使用已經(jīng)存在的路由預留協(xié)議如RSVP等。另一個挑戰(zhàn)是不同設計結構的各自獨立網(wǎng)絡的協(xié)同性3?？鐚釉O計方法包括聯(lián)合網(wǎng)絡和物理層最佳化，或聯(lián)合MAC和物理層最佳化。其難點是缺少對跨不同層的相聯(lián)系的性能參數(shù)分析表達。文章6給出了一個新的網(wǎng)絡層路由策略和數(shù)據(jù)鏈路層媒體接入控制（MAC）算法來提高internet數(shù)據(jù)傳輸，降低了大數(shù)據(jù)的傳輸時間。3 結束語為了將衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡融合，存在通信手段的轉換問題，而且不同的鏈路層協(xié)議和技術具有不同的流控方式，承載網(wǎng)絡的服務質量保障技術也