卫星IP网络（通用6篇）
卫星IP网络 篇1
0引言
目前利用卫星网络传输IP业务得到了越来越广泛的应用, 然而过大的IP包头严重浪费了宝贵的卫星带宽资源。以VoIP电话业务为例, 采用IPv4进行传输, VoIP电话中IP包头IP+UDP+RTP总共40个bytes, 而话音有效载荷采用话音编码压缩后大小约为15～20 bytes。以20 bytes计算, 有效传输效率仅为33%, 传输效率相当低。为了提高带宽的利用率, 一种可行的解决方案是采用IP头压缩技术, 减小IP头的大小, 以提高业务数据的传输效率。
健壮性头标压缩协议 (ROHC) 是IETF提出的一种头标压缩方案, 它被设计成能在具有较长响应时间且差错率较高的无线链路上, 进行头标压缩的可扩展框架, 且具有很好的压缩率和健壮性。
1ROHC应用分析
在单跳卫星链路中, IP包仅需要链路层头标就可以保证正确传送, 而网络层以上的头标像IP、UDP和RTP等不起作用。ROHC是一种基于流的数据包头压缩方案, 在网络数据包的传输过程中, 同一个流的分组其大部分首部字段具有相同的域值。ROHC在某个流中取一个参考分组, 对于其他分组仅仅发送首部字段中相对参考分组变化的信息, 以达到压缩的目的。同时, 对于卫星链路误码、丢包引起的压缩和解压不同步状态, ROHC 通过控制反馈消息的频率和数量、检测失步的严格逻辑以及差错校验等手段, 使ROHC压缩机制具有高度的有效性和合理的健壮性。因此, 在具有高差错率和长往返时间的卫星链路上采用ROHC压缩方案非常适合。ROHC在卫星IP网络中的应用配置如图1所示。在卫星IP网关中实现ROHC压缩。
在OSI/ISO协议栈中, ROHC位于链路层和网络层之间, 经过ROHC压缩器处理的分组, 去掉了网络层提交的分组中冗长的IP、UDP和RTP头, 而在数据的前面加入比去掉的头标长度要短得多的ROHC头标, 这样就大大减少了传输包头所占用的带宽。
2ROHC的实现
ROHC框架定义了3种工作模式:单向模式 (U模式) 、双向可靠模式 (R模式) 和双向优化模式 (O模式) 。其中U模式适用于单向无反馈信道环境, 由于卫星通信系统中很多情况下都是单向链路, 因此针对单向U模式进行了实现。
2.1ROHC在内核中嵌入方式
在Linux平台进行实现了ROHC U模式, ROHC以内核模块形式加载到系统中。为了实现压缩和解压缩, ROHC模块在系统中加载后替换了IP包发送和接收接口函数, 对于发送端, ROHC模块利用自定义钩子函数替换了发送接口的hardstartxmit函数, 使外出的IP包首先经过自定义钩子函数进行压缩处理, 由压缩器将IP包头进行压缩, 然后重新组装成新的ROHC分组, 交给内核进行发送。对于接收端, ROHC模块利用Linux内核提供的devaddpack在系统中注册一个自定义协议实现ROHC解压, 恢复为原始IP包后解压模块将原始IP包放到网络接口输入队列中, 从而将此IP包交给IP层进行处理。
2.2压缩器实现流程
压缩器完成U模式下的状态机的变迁操作。压缩器有3个状态, 级别从低到高依次为:初始状态 (IR) 、一级压缩状态 (FO) 和二级压缩状态 (SO) 。IR 状态是最低级的状态, 用于初始化和从错误中恢复关联中的静态部分;FO状态是较高的压缩状态, 用于有效分组流中的不规律部分;SO状态是最佳的压缩状态。U模式下由于没有解压方的反馈信息, 压缩方在发送n1、n2包后, 才从较低级的压缩模式转移到更高级的压缩模式。另外, 由于没有反馈, 为了确保解压方上下文的同步, U模式中采用周期性的使压缩状态从较高级转移到较低级的机制。然而, 如果反馈信道可以使用, 解压器能够发送一个成功解压的确认。当压缩器接收到一个这样的消息时, 它可以取消周期性IR刷新或增大周期性IR刷新的时间间隔。压缩器实现流程如图2所示。根据文献[2]取n1=n2=3, 超时时间=4 s。
ROHC采用简档 (Profile) 来标识不同协议类型的IP包, 压缩器判断到来的数据包的协议类型是否是RTP、UDP或IP, 如果不是上述类型, 则直接将数据包交给内核发送;否则根据数据包的协议类型选择不同的Profile, 根据Profile标识到上下文列表中查找合适的上下文标识, 根据当前压缩器状态和选定的上下文对当前的IP包头进行压缩, 压缩算法采用基于窗口的最低有效位压缩编码, 具体算法可参见文献[1]。在组装成新的ROHC分组的时候, 由CRC校验部分为新的分组生成校验和, 以便在解压器端解压时进行校验, 以确保数据报传输的正确性。
2.3解压器实现流程
解压器也有3个状态, 级别从低到高依次为:无关联状态 (NC) 、静态关联状态 (SC) 和完全关联状态 (FC) 。解压器的初始化时的状态是NC状态, 一旦正确解压了一个分组, 解压方将转移到FC状态, 解压方在获得足够的解压信息后总是处于FC状态, 只是当最近收到的n1个连续的分组中有k1个解压失败的时候才会由FC状态转移到SC状态。在SC状态下, 当成功的解压一个含有足够更新信息的分组的时候, 就会转移到FC, 当最近收到的n2个连续的分组中有k2个解压失败的时候才转移到NC状态, 根据文献[2]取k1=k2=3。
解压器处理流程如图3所示。在接收到新的ROHC分组时, 解压器对其进行解析, 根据分组中的Profile标识, 从上下文列表中选择合适的上下文, 然后从ROHC分组中解压出原始IP包的首部, 并重新组装成新的IP包, 然后计算出新的CRC校验和, 并和ROHC分组中的校验和进行比较, 如果相等, 则解压过程正确, 将新组装的IP数据包向上层传递, 状态机向较高的状态进行变迁, 否则进行修复性尝试, 如果尝试失败, 抛弃分组, 状态机进入到低阶的状态。
3测试及性能分析
为了计算ROHC压缩率, 进行如下定义, 定义H为IP包头长度 (字节) , L为IP包净荷长度, Hrohc为压缩后包头平均长度, 定义IP包压缩效率G为压缩减少的长度与整个IP包长比值。
由上式可以看出, 当Hrohc=0时, 得到理论上最大IP包压缩效率为:
以G.729话音编码为例, H=40, L=20, 此时
Gmax=40/ (20+40) =66%。
由上式也可以看出, 随着L的增大, Gmax会逐渐减小。在VoIP应用中, 一般H都要大于L, 可见ROHC非常适合VoIP话音分组包头压缩。
测试环境参见图1, 卫星信道速率设为64 kbps, 误码率10-7, 分别进行IP (Ping) 、UDP数据和VoIP压缩性能测试, 测试结果如表1所示。
由测试结果可以看出, 采用ROHC压缩后, VoIP数据包头长度由40 bytes平均压缩为6 bytes左右。仍以G.729话音编码为例, 此时G= (40-6) /60=56%, 很接近其理论最大值Gmax=66%, 信道有效传输效率由不压缩时的33%提高到77%。
4结束语
ROHC最初由IETF ROHC工作组提出对WLAN IP包头进行压缩, 现在已经被ETSI和3GPP采纳, 作为3G移动通信的技术标准。分析及测试表明, ROHC非常适合卫星通信系统中IP包头压缩。为了提高压缩率, 下一步需要对ROHC R模式、O模式以及ROHC框架下IP/TCP头压缩进行进一步研究。
摘要：由于IP数据包头带来的较大开销, 在卫星链路上传输IP数据包效率较低。分析了健壮性头标压缩协议 (ROHC) 在卫星通信系统中应用的可行性, 在Linux平台对ROHC进行了实现。描述了ROHC在内核中的实现方法, 提出了ROHC在内核中的嵌入方式, 介绍了压缩器和解压器的实现流程, 对ROHC实现进行了测试和性能分析。实验测试表明, 采用ROHC极大减少了IP数据包头长度, 大大提高了IP业务卫星带宽利用率。
关键词：卫星IP网络,ROHC,包头压缩,Linux
参考文献
[1]BORMANN C, BURMEISTER C.RObust Header Compression (ROHC) :Framework and Four Profiles:RTP, UDP, ESP, and Uncompressed.RFC3095[S], 2001.
[2]WANG Hui, LI J S.Performance Analysis of ROHC U-mode in Wireless links[C].England:Communications, IEE Proceedings, 2004:549-551.
卫星IP网络 篇2
关键词：传输控制协议,分布式Qo S路由,卫星IP组播
21世纪最为重要的一项技术成果就是通信技术。随着科学技术的不断发展和进步,宽带卫星通信网络等多项新型的通信技术开始得到更多的应用,并且极大的丰富了多媒体通信方式,推动了通信技术的进一步发展。宽带卫星通信技术在一些高速数据业务以及时延要求较低的业务上具有良好的应用效果。其具有地面覆盖率广、网络一体化程度高等优点,因而成为了通信技术领域当前的研究热点。而在宽带卫星IP通信网络的运行过程中,可靠传输技术的应用起到了重要的作用。
1 宽带卫星通信网络概述
宽带卫星IP通信网络的传输技术在通信技术的发展和完善上起到了重要的作用。要了解快带卫星网络的特点,首先要对宽带卫星网络以及宽带卫星通信的发展现状进行一定的了解。
1.1 宽带卫星通信网络发展现状
通信技术以及多媒体技术的发展为宽带卫星通信的发展奠定了良好的基础。当前,世界各国都在致力于缎带卫星通信技术的研发中,并且取到了一定的进展。
宽带卫星通信系统在远距离通信方面发挥了良好的效果。它极大的丰富了通信的方式,并且能够实现从话音到数据、从单一通信到多媒体通信的转变。宽带卫星通信系统的应用范围很广,无论是企业、多媒体供应商、卫星数字电视、远程教育等领域在应用这一系统后都能得到良好的效果。未来对于宽带卫星通信技术的研究将主要集中在个人服务的完善方面,在一些高速数据领域中,宽带卫星也有着更为广阔的应用空间。
1.2 宽带卫星通信的发展前景
互联网的快速发展为宽带卫星通信技术的应用打开了市场。从互联网出现至今,多媒体网络已经经历了多个阶段的发展,并且在规模上不断的拓展,已经形成了全球化的体系,几乎涵盖了所有的通信系统,并且还在进一步的发展和完善过程中。当前,对多媒体网络的完善和创新主要集中在改进IP业务质量方面。而宽带卫星通信系统的应用则能够进一步提高远距离传输的覆盖范围,相关的通信设备也能够得到相应的完善和创新。互联网功能的完善将进一步推动宽带卫星系统的发展和应用。
2 宽带卫星通信网络中的传输技术
宽带卫星IP通信网络技术是宽带卫星通信系统中最为核心的内容。在下文中,将针对宽带卫星通信系统中可靠关键技术的三个技术层面进行详细的分析。
2.1 物理层技术
在宽带卫星通信系统的物理层上,一般采用卫星间双向通信道路,也就是所谓的星间链路。星间链路能够提高系统空间段的灵活性,还具有应用成本低的优点。低层协议的有效性与合理性对星间链路数据传输的稳定性有着极大的影响。根据导航和采集的数据来看,可靠的数据传输对自治星座有着极大的影响,因此必须提高数据传输的可靠性和准确性,既要保障所有有效的数据都能够得到及时的传输,还要防止在传输的过程中出现信息的重复。此外,还要防止出现延时、顺序错误等现象。系统的抗干扰能力、保密能力、数据传输的功率、距离等也会对宽带卫星网络数据传输的效果产生一定的影响,也需要进行适当的考虑。
2.2 网络层技术
网络层技术主要包括三个方面的内容,分别是路由、组播、Qo S。星座系统的实质是一个动态的轨道卫星系统,并且大多数星座轨道都具有星际链路。如何控制星际链路之间的切换是一个关键的问题,而实现这一切换则会在一定程度上增加卫星网络拓扑结构的复杂性。在星座系统中有一种极轨道星座,其卫星的相对运动速率很高,很难在两个相反轨道上的星座之间建立起有效的星际链路。还有另一种是玫瑰星座,它具有完全环形的拓扑结构,可以通过星际链路来实现星座之间的路径连接。但卫星高速的运行速率以及拓扑结构的不断变化给路由的设置造成了很大的困难,导致地轨卫星系统中的信息无法得到及时的更新和完善,为此必须根据实际的运行情况和需求,对卫星的移动进行一定的屏蔽。具有星际链路的星座系统无论是太空还是地面部分上都具有较大的信道容量,为此天空与地面之间的连接问题就成为了技术关键。通常可以通过将组播应用于数据传输而拓展数据的传输范围,确保更广泛的地面终端都能够接收到卫星系统传输出来的信息,从而突破无线接口的限制,与此同时还能利用虚拟电路对信号进行复制和分组。
Qo S管理机制主要有两种服务类型,分别是差别服务和综合服务。但是,在实际通信的过程中,卫星链路自身所有的一些性质有可能会对其性能产生一定的破坏和影响,为了避免这一情况的发生,应当尽量实现无缝连接。
2.3 传输层技术
在宽带时延较大的宽带卫星系统中,网络有可能会出现严重的堵塞现象,从而影响到正常的通信业务,甚至可能造成信息的丢失或通信的终端。出现网络堵塞的主要原因是宽带卫星网络受到TCP分组流的影响。TCL的分组流有时还会影响其自身的功能。当前的是假定应用在带宽时延乘积较小,其瓶颈链路的缓冲区容量远远大于网络的带宽时延乘积和信道误码率很低的网络环境中。卫星信道是典型的长肥管道带宽时延乘积大,对当前广泛使用协议的性能会产生较大影响。
3 结语
综上所述,宽带卫星IP通信网络的可靠传输技术在宽带卫星系统的运行过程中发挥着重要的作用。为了促进宽带卫星通信网络的进一步完善和发展,应当对可靠传输技术进行不断的研究和优化,并推动卫星系统功能的不断优化。
参考文献
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[2]李宏.卫星单向广播链路IP数据传输技术[J].计算机与网络,2012(06):48-51.
卫星IP网络 篇3
近年来,自然灾害事件频繁发生,地面通信网络往往遭到毁灭性打击,难以快速回复。卫星通信具有覆盖能力强、不受地理条件限制等特点,成为战事、灾难等突发事件优先选择的主要通信手段[1,2]。随着IP技术的发展,地面通信网络几乎所有的网络设备和终端都支持TCP/IP协议,因此实现卫星通信与地面IP网络的无缝衔接成为研究的热点。
本文设计实现了一款基于IP的卫星通信终端,其内部包含调制解调和IP接入模块[3,4,5,6],可以实现全IP卫星传输,达到了地面网络与卫星通信的无缝衔接。
1 终端设计方案
1.1终端组成原理
基于IP的卫星通信终端可以提供IP数据的接入,并通过卫星信道实现与后方地面通信网络之间的双向通信,其实现原理如图1所示。
1.2内部模块设计原理
1.2.1 调制解调单元
调制解调单元主要完成基带信号与中频信号的转换功能,由调制和解调模块组成,采用了中频调制解调技术,在保证技术指标的前提下,减小了调制解调单元体积和功耗。
调制完成基带同步数据向中频信号的转换,首先对同步信息进行信道编码,然后将编码后的数据按监控设置的调制方式进行星座映射,映射后的I、Q 2路数据首先经过根升余弦成形滤波器,再经过数字重采样处理后直接经由DA芯片调制到800 MHz固定频点,该中频信号经过变频处理后产生L频段的中频输出信号。
解调完成中频信号向基带同步信号的转换,是调制的逆过程,首先下变频器把输入的L频段中频信号下变频到390 MHz固定频点,经由AD中频采样后送入FPGA进行数字中频预处理,预处理后的8倍符号率I、Q两路数据经过基带解调输出译码数据,在译码前需要进行解映射处理,译码后的数据再经过收接口转换把同步数据送IP单元处理。
1.2.2 IP接入单元
IP接入单元主要完成IP数据和同步数据的转换功能,由接入模块和交换模块组成,结构上采用高集成度小型化的CPU模块和接口扩展底板的设计思想,提高系统的可靠性。
IP接入模块是以Power PC处理器模块为作为核心单元,采用嵌入式Linux操作系统,运行各种协议处理软件,配合FPGA等外围电路一起完成系统功能。
2 关键技术
2.1中频调制解调技术
调制解调单元采用了中频调制解调技术,与传统的零中频调制解调技术相比,直接实现了中频调制和中频解调,降低了中频单元的实现难度。
中频调制主要完成数字基带信号到中频信号的转化,其中包括成形滤波后数据的内插、载波产生、调制和DA转换等功能。设计的中心频点为800 MHz的中频信号。
中频解调电路包含中频采样后的预处理和基带解调两部分。中频预处理输入390 MHz频点的中频信号,输出为固定8倍符号率的采样数据。
基带解调位于中频预处理之后,对输入的8倍采样数据完成定时恢复和载波恢复。由于终端采用了LDPC编码技术,因此还包括搜帧处理和FFT校频处理,用于辅助完成低信噪比情况下的载波环跟踪功能。LDPC模式基带解调信号处理流程如图2所示。
2.2TCP加速技术
TCP使用基于滑动窗口的流量和拥塞控制方式,通过确认分组流实施控制(接收方窗口通知),使用基于往返定时器(Round-trip Timer,RTT)的自适应时钟来调谐重发超时,为避免拥塞采用了称为“慢启动”的策略。卫星通信系统的传输延迟、传输速率和链路误码率等信道特性会对终端设备上的可靠TCP流协议产生实质性影响。
在卫星网上采用TCP协议进行数据传输,必须使用 TCP加速技术。目前TCP协议加速技术主要分为2类:① 针对卫星信道的特点,对TCP协议本身进行修改或扩展,这种方法虽然可以很好地解决问题,但要求更换所有用户终端设备的协议栈,显然不可取;② 采用协议变换的方式将TCP协议在卫星链路上转换为另一种协议,从而增强TCP传输性能,但这种方法要求收发两端必须都要配置协议变换设备,无法实现单端配置,同时对于加速后面配置路由有一定限制,因此应用时具有一定的局限性。
在本文中,采取TCP分段来实现TCP加速技术[7,8],即在不改变TCP语义的情况下(保证提供端到端的可靠性),将TCP客户端到TCP服务器的TCP连接分成2个部分,一段是TCP客户端到TCP加速模块,TCP加速模块模拟TCP服务器向TCP客户端发送应答,另一段是TCP加速模块到TCP服务器,TCP加速模块将TCP客户发送的数据转发给TCP服务器,同时接收TCP服务器发送的数据并将其转发给TCP客户端。通过TCP分段,使得TCP客户端认为自己在和地面网上一台主机进行通信,这样,就消除了长延时信道对发送速率的不利影响,从而大大提高信道利用率。由于在传输过程中没有进行协议变换,因此TCP加速模块可以透明地接入卫星网中,而且可以进行单端配置,即指在数据发送端配置TCP加速模块。
其实现原理如图3所示。
由图3可见IP处理单元发送端网关在收到数据后,自动发送欺骗ACK,相应数据发送请求,并根据空间信道带宽,控制产生欺骗ACK的速率。由于TCP协议本身具有的基于窗口的流控机制,TCP加速网关通过控制欺骗ACK的发送速率来达到控制TCP数据传输速率,为了使传输速率最大限度的接近信道带宽。
2.3LDPC技术
为降低解调工作门限,调制解调单元采用了LDPC纠错码技术[6]。LDPC纠错码是一种性能优良、描述简单,适合硬件实现的信道编译码方式。
为方便硬件实现,在设计码字时采用准循环(quasi-cyclic,QC)LDPC码,其H矩阵为:
各子矩阵Ai,j是b×b的循环右移置换矩阵或者是b×b的0矩阵,n固定为24。
由于循环置换矩阵Ai,j完全决定于偏移量,因此总可以用母矩阵Hb=[p(i,j)]m×n来表征校验矩阵H,如果p(i,j)>0,则表示H矩阵中对应的Ai,j是右偏移量为p(i,j) 的置换矩阵;若p(i,j)=0 ,则表示Ai,j为单位阵;若p(i,j)<0(一般用-1来表示),则表示Ai,j为全0矩阵。
为最大可能地简化LDPC编解码器的硬件实现,变码长所需的一系列LDPC码的产生服从以下规则:给定码率下,变码长的系列LDPC码总是从码长最长的码出发通过一定的简单操作构造的。在本标准的构造中,构造规则满足:给定码率,已知码长N=8 064,bM=336下的母矩阵为Hb=[pM(i,j)]m×n,则同样码率下其他码长(码长决定于b)的相应母矩阵为:
Hb=[p(i,j)]m×n,
该LDPC具有以下特点:
① 描述简单,特别适合于硬件实现;
② 译码电路具有通用性,不同码长下译码器的基本结构不变;
③ 编码可采用移位寄存器电路快速实现;
④ 所有码都是规则LDPC码,不但易于实现,而且最小码距大;
⑤ Error Floor低,无需再和其他编码级联使用。
LDPC的译码算法采用乘性修正最小和(NSMA),该算法的优点是实现简单,性能接近于最佳的和积算法(Sum-Product Algorithm, SPA)。相比于SPA算法,该算法的最大特点是无需信噪比估计。译码器模块的结构框图如图4所示。
LDPC译码器模块根据信道数据接口模块发送来的码率/码长等控制信息,读取信道数据接口模块存入的信道数据,开始译码。译码器模块把译码后的数据写入FPGA内部RAM中。成功译码一帧后,指示译码数据接口模块开始输出,等待译码数据接口响应后,开始译码下一帧数据。
3测试结果
基于IP的卫星通信终端设计完成后,分别从LDPC编码的性能和TCP传输效率两方面进行了验证。其中LDPC编码迭代次数为20次时,误码率曲线如图5所示。
TCP协议在双向传输速率2 Mbps卫星信道中,传输效率可以达到90%,大大提高了IP数据在卫星通信中的传输效率。
4结束语
本文设计的基于IP的卫星通信终端,可以实现最高信息速率2 Mbps的全IP卫星传输,真正做到了地面IP网络与卫星通信的无缝连接,在地震、水灾等突发灾害发生时发挥巨大作用,具备良好的市场推广价值。
参考文献
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卫星IP网络 篇4
近年来, 随着通信技术的不断发展, I P网络业务在卫星通信领域应用越来越广泛。在I P网络业务中, 很多是高带宽的应用, 这就需要采用IP Mu lt ica st (组播、多播或多路广播技术) 技术来解决带宽的急剧消耗和网络拥挤的问题。在我国已经建成或正在建设的卫星通信网中, IP业务都是采用点对点的单播或全网广播。随着卫星通信网和地面I P网络的融合、接入, 组播方式的作用日益突出, 已成为卫星通信正在研究的重要内容之一。本文对IP组播作了综合的介绍, 结合笔者的研究, 详细描述了卫星通信中IP组播的多种实现方式。
2 基于卫星通信系统的IP组播模型
卫星通信和传统的地面IP有线网络通信相比较, 具有很多优点。卫星通信中可以应用单播、广播、组播传输IP网络信息。使用单播 (Unicast) 传输时, 在发送者和接收者之间需要单独的一对全双工卫星通信信道。如果有大量主机同时希望获得数据包的同一份拷贝时, 则需要使用多路全双工的卫星通信信道来完成, 这就需要增加硬件和带宽等珍贵的资源。使用广播 (Broadcast) 传输时, 只能在I P子网内广播数据包, 所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。广播意味着网络向子网主机都投递一份数据包, 不论这些主机是否乐于接收该数据包。广播的使用范围非常小, 只在本地子网内有效, 因为路由器会封锁广播通信, 也就是广播不能跨越不同的网段传输, 现实中不跨越网段的传输模式应用很少。
在目前流行的单向信息流量较大 (业务信息) 而反方向信息流量小 (主要是路由协议和管理信息) 的多种IP组播业务中, 单播和广播存在的缺陷根本不能实现这些需求, 而组播则可以满足需求。卫星通信信道为全双工的通道, 对于信息量大的方向, 可以使用高带宽、高速率的资源, 而信息量小的方向使用低带宽、低速率的资源。
卫星通信中典型的IP组播传输模型如图1所示。关键设备宽带调制解调器实现信息的调制和解调功能;IP加速器对空间传输链路上的IP报文进行加速, 提高了网络吞吐量;保密机实现IP报文的加密和解密;路由器实现不同网络在IP网络层的互联互通。由于宽带信道、IP加速器、IP加密机都工作在TCP/I P协议族的物理层或数据链路层, 在IP业务传输过程中只做比特流的透明传输或者简单的差错控制, 不具备IP报文的具体寻路工作, 因此, 可以将图1的模型简化为图2的模型。
在卫星组播发送站和接收站中接入不同的IP组播业务终端, 通过路由器生成的多播路由表来寻路, 实现多种业务的组播传输。各卫星地球站使用支持组播功能的路由器 (以Cisco 2801系列为例) 作为接入点。
3 卫星通信中IP组播的规划
根据图1进行通信资源的规划, 建立好卫星通信传输链路。根据图2进行IP地址的规划。研究工作以音视频业务组播为例 (其他组播业务与之雷同) , 其传输方案为:音视频信号通过IP编码器接入卫星组播发送站, 以IP组播报文的形式途径卫星通信链路传输, 卫星组播接收站1和2同步接收组播报文, 经过IP解码器还原出音频信号。
3.1 通信资源规划
配置卫星组播发送站的卫星通道1和2的宽带调制解调器发送带宽2Mb/s, 接收带宽8kb/s;配置卫星组播接收站1和2的卫星通道的宽带调制解调器发送带宽8kb/s, 接收带宽2Mb/s。建立卫星发送站的卫星通道1和卫星接收站1卫星通道的通信传输链路;建立卫星发送站的卫星通道2和卫星接收站2卫星通道的通信传输链路。
3.2 IP地址的规划
(1) 卫星发送站。路由器A网络互联口F0/0I P地址为19 2.16 8.1.1/2 4, 本地互联口FA0/1的I P地址为192.168.11.1/24。音视频编码器IP地址为192.168.11.2/24, 默认网关为路由器A的FA0/1口I P地址。
(2) 卫星接收站1。路由器B网络互联口F0/0I P地址为19 2.16 8.1.2/2 4, 本地互联口FA0/1的I P地址为192.168.21.1/24。音视频编码器IP地址为192.168.21.2/24, 默认网关为路由器B的FA0/1口I P地址。
(3) 卫星接收站2。路由器C网络互联口F0/0I P地址为19 2.16 8.1.3/2 4, 本地互联口FA0/1的I P地址为192.168.31.1/24。音视频编码器IP地址为192.168.31.2/24, 默认网关为路由器C的FA0/1口I P地址。
(4) 组播套接字。组播需要用组播套接字进行通信传输, 组播套接字是组地址和端口号的组合序列, 规划卫星地球站之间使用组播地址224.10.10.10, 端口号2009进行IP组播传输 (可以使用任意的合法组播地址和端口号) , 在卫星发送站或接收站各音视频编码/解码器中配置组播套接字。
4 卫星通信中IP组播的实现
卫星通信中IP组播可以通过多种方式来实现, 笔者根据实际的研究结果详细介绍3种模式, 包括动态路由协议 (R IP, OSPF, BGP) +PIM协议模式、RP (静态、动态) 模式和混合模式。
4.1 动态路由协议+PIM协议模式
动态路由协议是指运行同一种路由协议的路由器之间动态相互交互信息, 形成路由表的过程, 包括内部路由协议 (典型的有RIP, OSPF) 和外部路由协议 (典型的有BGP) 。PIM使用PIM-SDM (SDM是SM和DM两种方式的结合体) , 任何一种动态路由协议配合PIM协议可以实现组播。
4.1.1 RIP+PIM模式
路由器配置R I P动态路由协议, 组播发送端配置互联网段和业务终端网段, 组播接收端配置互联网段, 而业务终端网段可选配 (可配置也可不配置) , 本实现方式全部配置, 路由器各接口配置PIM模式。
4.1.2 OSPF+PIM模式
路由器配置OSPF动态路由协议。组播发送端配置互联网段和业务终端网段;组播接收端配置互联网段, 而业务终端网段可选配。本实现方式全部配置。将互联网段划分到域序号0中, IP终端网段分别划分到域序号1, 2, 3中, 路由器各接口配置PIM模式。
4.1.3 BGP+PIM模式
路由器配置BGP动态路由。组播发送端互联网段的邻居需要配置, 同时配置业务终端网段;组播接收端配置互联网段的邻居, 而业务终端网段可选配。本实现方式全部配置。将路由器A, B, C分别划分到域100, 200, 300中, 路由器各接口配置PIM模式。
4.2 RP模式
所有的组播业务信息先发送到带RP功能的路由器, 然后再根据策略发送到相应的路由器。RP模式包括手工配置的静态选定RP和自动选择的动态发现RP。动态发现RP有包括Auto-RP和PIM V2BSR两种方式。
4.2.1 静态选定RP。
静态RP需要在所有的路由器上进行配置。所有的路由器配置的RP必须是一致的, 是同一台路由器。通常将组播发送方路由器配置为静态RP。
4.2.2 动态发现RP
相对于静态选定RP模式, 动态发现RP模式配置更加简便。只需要在组播发送方路由器上全局配置, 组接收路由器不需要作任何的全局配置, 双方通过信息传递发现RP。动态发现RP又分为Auto R P和PIM V2 BSR两种方式。
(1) Auto-RP方式。Auto-RP是Cisco的私有解决方案。需要配置候选RP (C-RP, candidate-rp) 和动态影射代理MA (Mapping Agents) 。C-RP会利用管理组地址发送一个自己是RP的通告, MA监听判决, 然后向所有的路由器发送RP的地址。
(2) PIM V2 BSR。PIM V2 BSR是PIM自带的一种RP选举机制。在域内BSR选定后, 向所有设备发送自己是BSR的通告, RP向BSR发送注册信息, BSR将此信息发送给所有的路由器, 所有路由器都使用这些信息, 根据自己的算法计算出谁是R P。
4.2.3 混合模式
对于以上两种应用模式, 使用的都是域内PIM组播路由协议。而在域间则是使用组播源发现协议 (MSDP) 。MSDP通过各PIM域的RP之间建立MSDP对等关系, 使它们能在域间转发信源有效信息。共享组播信息源。此时既需要在本域内路由器各个网络接口配置PIM协议, 又需要在域之间配置MSDP协议。
将路由器A, B, C分别划分到域100, 200, 300中。首先配置BGP路由协议。
通过不同的配置方法, 上面所描述的三种模式都可以在卫星通信中实现IP组播传输。在三种模式中, 采用动态路由协议和PIM协议实现IP组播的模式应用最为广泛。因为在卫星通信中, 需要配置动态路由协议来实现不同物理网络IP单播业务的传输。因此只需要增加相应的PIM配置就可以实现IP组播业务的传输。而且组播业务和单播业务不会互相影响, 它们可以同时进行传输。
4.2.4 后序
在完成上述的研究后, 笔者还进行了下列研究:
⊙多个音视频组播同时发送和接收。
⊙多个网络数据组播同时发送和接收。
⊙单个音视频组播和单个网络数据组播同时混合发送和接收。
⊙多个音视频组播和多个网络数据组播同时混合发送和接收。
这些研究都取得了成功, 对今后组播业务在卫星通信领域中的应用具有相当大的参考价值。
5 结束语
本文提出了基于卫星通信的IP组播模型, 并给出了该模型下实现组播的条件、组播的地址分配、Internet组管理协议、组播转发、组播路由协议, 该模型在卫星通信系统下能较好地实现IP业务的互联互通。随着卫星通信网与地面有线IP网络的逐渐融合, 本文所提的IP组播模型将在卫星通信领域中的应用得越来越广泛, 具有较强的应用性和推广型。
参考文献
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卫星IP网络 篇5
1 宽带IP卫星通信技术发展的原因
随着全球因特网业务的蓬勃发展, 特别是人们对集数据、话音和视频等于一体的多媒体业务的需求迅速增长, 导致基于IP协议的业务需求量急剧上升。尽管地面通信网络正在迅速发展, 但卫星通信网具有地面通信网络不可比拟的一些优势。例如:卫星通信系统所特有的大区域内广播的特点是其他通信系统所没有的;在某些特殊领域, 如船只和飞机等移动通信、偏远地区和地面设施不发达地区的通信, 以及军事通信等, 卫星通信系统具有明显的优势。在这些场合利用卫星建成宽带多媒体业务接入系统被认为是切合实际的方案。宽带IP卫星通信技术的出现正是这种背景下的必然产物。
2 宽带IP卫星通信技术发展现状
宽带IP卫星技术就是将卫星业务搭载在IP网络层上运营的技术, 是运行TCP/IP协议簇的卫星通信网。目前提出的宽带IP卫星系统都采用基于ATM的传输技术[2], 在卫星ATM的分层实现上, 存在两种不同的思路:一种是将ATM协议放在非ATM的卫星协议平台上而不改变现有卫星协议的结构。其优点是保持现行的卫星标准, 卫星平台对不同用户终端的协议标准是透明的, 卫星访问协议不会为外界网看到, 但很难为各种不同的协议都提供最好的性能。另一种是卫星网完全采用ATM结构。其优点是适用于一个高度集成的星地ATM环境, 缺点是需要修改现有的各种卫星协议和网间接口协议。
1996年, 美国NASA的ACTS卫星进行了622Mbit/s的ATM试验, 验证了TCP/IP协议在卫星ATM平台上的可行性。1999年欧洲也发射了基于ATM的传输技术的ASTRA卫星, 组成宽带、面向大众的“空中因特网”卫星系统。但是这些早期的应用离未来宽带卫星系统的要求还有一些距离, 有待进一步的发展。
近几年国际上出现了各大公司向有关组织申报宽带卫星通信系统的建设牌照的热潮。这些公司包括传统的卫星制造商、电信服务商以及新兴的ISP (Internet Service Provider) 公司。在这些已经申报的宽带卫星系统中有相当一部分是以支持IP业务为主要特征的宽带卫星IP系统。
目前驻伊美军已经装备了美国Tachyon网络股份有限公司生产的使用IP技术的高带宽链路的便携式卫星通信设备[1]。这种新型技术将使空间网成为地面网的扩展, 更加突出了卫星通信在未来战争中的地位。
3 宽带IP卫星网络的关键技术
由于众所周知的原因, 卫星通信系统在链路特点、卫星移动性、全球可见性、路由和寻址等方面将赋予卫星IP技术不同于传统IP技术的新特征, 包括物理层、数据链路层、网络层和传输层等各个OSI参考模型层面上的差异。
3.1 物理层
相对于地面光纤链路而言, 卫星链路的误码率较高, 宽带IP卫星系统要求在较高的信道误码率情况下传输高速数据, 这就要求有高效率的信道编解码技术, 满足各类多媒体业务Qo S的要求。宽带多媒体业务质量要求的不同, 使信道编码需要采用速率可变的差错控制编码, 利用源和信道的联合编码可以提高系统整体性能。为提高宽带卫星通信系统的容量和业务质量, 还必须采用新的传输技术和调制技术, 近几年来CDMA多址方式和OFDM多载波调制方式的发展受到了广泛的重视。
3.2 数据链路层
数据链路层研究的重要内容是提高带宽的有效利用率。卫星通信信道特性易受到天气的影响, 特别是Ka以上的频段, 而信道特性又对无线资源管理有一定的影响。目前在地面移动多媒体通信中, 开展了各种拥塞控制和资源分配的策略研究, 这些研究成果对卫星通信领域有一定的借鉴意义。无线资源管理的目的是使受保证的业务的呼叫拥塞概率降低到给定门限之下, 使异步业务的丢包率尽可能小。
就接入方式来看, 卫星通信的业务信道是非对称性的。多媒体卫星通信系统一般需要充分利用其广播的优点, 所以无线资源管理的重点是用户终端的上行信道, 其中自适应带宽分配算法是目前研究的重点。
3.3 网络层
网络层技术包括与星座有关的路由问题和异构网络互联等问题。
3.3.1 与星座有关的路由问题。
卫星之间的星际链路增加了卫星网络拓扑的复杂性。路由算法决定了穿越该卫星网的最佳路径, 应该采用基于分组的灵活的路由策略而不是基于电路的静态路由, 这有利于利用星座系统的冗余路由。
另外, 卫星的高速对地运动造成了频繁的切换。路由信息因为拓扑的高度变化和切换的频繁不可能做到快速的更新, 所以卫星不同于常规的因特网路由器。但星座系统的拓扑结构有其自身的特点和规律, 我们可以利用星座系统的拓扑结构的可预言性、周期变化规律、卫星网络节点的数目固定等特点, 采用动态虚拟拓扑路由、虚拟节点以及基于拓扑变化的策略等, 将卫星的移动性屏蔽起来, 使全网可以使用标准的面向连接的网络协议。
3.3.2 异构网络互联。
支持IP路由的系统不一定可以很好支持像ATM分组和帧中继分组这样的非IP业务, 如果在卫星ATM网络中需要传送大量的IP业务, 那么就需要ATM可以提供低层的协议来支持IP分组, 采用隧道技术可以使分组路由通过异种网络传送到接收方。IP和ATM异种网络的互联产生了一系列问题, 特别是在IP组播路由和Qo S管理方面。
解决在ATM中进行IP组播的一个方案是采用组播地址解析服务器 (MARS) , MARS将IP组播地址映射成ATM服务器地址, 但是MARS系列方案并不支持移动性管理, 因此很难把IP组播中的参数完全映射到ATM路由表中。
虽然ATM有完善的Qo S管理机制, 但是要将IP Qo S直接用在ATM中是相当困难的, 因为很难准确地将IP Qo S映射到合适的ATM业务类型。最理想的宽带卫星通信系统应该是可以无缝接入基于IP或ATM的地面网络。这样可以利用卫星和地面网络各自的优点来更好地在多点之间实现大的多媒体文件的传送。
3.4 传输层
尽管TCP提供了一个很好的流控机制, 但是TCP并不是针对多媒体流的协议。多媒体流对实时性的要求高于对可靠传输的要求, 而且压缩机制限制了数据率可变的能力。所以多媒体应用需要使用基于用户数据包协议 (UDP) 的流控方式。因为UDP提供不可靠的分组业务, 所以需采用前向纠错 (FEC) 技术来克服传输差错。
因特网是一种革命化的信息工具, 它使更多的人在更广的范围内更加方便地获取信息。卫星通信的发展必须满足这种市场的需要。卫星作为一个信息传播媒介相对于其他信息传播媒介而言具有一些明显优势, 但是只有和新技术相结合, 才能使这些优势真正发挥效益。宽带卫星IP网络正是这样的一种产物, 必将具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]温永兴.2030年前美国军事通信技术发展研究.2010.[1]温永兴.2030年前美国军事通信技术发展研究.2010.
卫星IP网络 篇6
随着国家和民众对通信的依赖性越来越强,通信业务的需求也将越来越多样化,从传统的语音业务为主逐步向语音、数据和视频综合业务并重的需求转变,3G通信已成为提供语音、数据和视频综合业务的重要手段。国内正式开展3G运营业务以来,中国联通WCDMA以其卓越的技术性能赢得广大用户的青睐,触发和推动了3G业务向纵深发展。但是,由于台风、洪涝、地震、森林火灾等自然灾害频发,其造成的危害日益严重,经常对3G网络地面有线中继传输链路造成灾难性中断;随着经济快速发展,大型社会活动日益频繁,致使局部区域3G通信业务时常出现拥塞现象,需要临时快速扩展网络业务容量。当发生突发事件时,如何保障3G通信业务不中断,是今后必须思考的问题[1]。卫星网络具有广域覆盖能力,支持IP宽带业务,可迅速提供IP接口之间的通信传输链路。当突发严重自然灾害和举办重大集会活动时,在灾区和突发事件“热点”地区,由于信息基础设施缺乏或遭到瘫痪性损毁,利用IP宽带卫星通信网络作为3G系统的承载网络,对于迅速恢复3G移动信息服务,满足应急通信保障要求,具有十分重要的社会意义。
1 Iub接口的定义和功能
Iub接口是3G WCDMA系统无线网络子系统(Radio Network Subsystem,RNS)中无线网络控制器(Radio Network Controller,RNC)和Node B之间的接口,RNC和Node B之间通过Iub接口,采用IP协议进行通信互连[2]。
Iub接口的主要功能是:
(1)传送资源的管理。RNC建立并控制底层的传输资源,对由传送信令控制的传送资源进行管理,即对信令进行管理。
(2)Node B的逻辑操作与维护(O&M)。逻辑O&M是和逻辑资源(如信道、小区等)控制有关的信令,这些逻辑资源由RNC拥有,但在Node B中实现,因而在RNC和Node B之间需要信息交换。所有支持这些信息交换的消息被归类为逻辑O&M操作,包括Iub链路管理、小区配置管理、无线网络性能管理、资源管理、公共传输信道管理、无线资源管理、系统信息升级。
(3)执行专用O&M传输。Iub接口支持特定O&M信息传输。
(4)系统信息管理。系统信息由RNC调度并发送给Node B,Node B根据给定的调度参数发送接收到的系统信息。
(5)公共信道的业务管理。包括接入控制、功率管理和数据传送。
(6)专用信道的业务管理。包括无线链路管理、无线链路监测、信道分配/释放、功率管理、测量报告、专用传输信道管理和数据传送。
(7)共享信道的业务管理。包括信道分配/释放、功率管理、传输信道管理、动态物理信道分配、无线链路管理和数据传送。
(8)定行和同步管理。包括传输信道同步(帧同步)、Node B与RNC之间同步、Node B之间同步。
2 基于卫星链路的Iub接口IP互连
2.1 基于DVB-RCS卫星链路的Iub接口IP互连
基于DVB-RCS卫星链路进行Iub接口IP互连,通过在卫星网络上构建VPN虚拟专用网,提供RNC和Node B之间的中继传输链路,如图1所示。
DVB-RCS卫星通信网由1个主站和若干个远端站构成,包括两个传输路径:主站至远端站的前向信道和远端站至主站的返回信道。前向链路采用IP over MPEG2/DVB-S(或DVB-S2)数据格式,返回链路采用IP over ATM/MF-TDMA数据格式,进行数据双向交换。前向链路IP over MPEG2/DVB-S(或DVB-S2)数据格式最大载波速率为45 Mbit/s,返回链路IP over ATM/MF-TDMA数据格式允许每个载波最大速率为4 Mbit/s。通过前向链路和返回链路,可提供实时和非实时IP数据用户之间进行网络互联。
此种组网方式下,Iub接口使用以太网接口进行IP分组传输。RNC和Node B通过以太网接口分别接入服务端路由器和客户端路由器,组成基于卫星网络的VPN虚拟专用网,按照IP/MPLS/VPN方式传输IP分组。采用IP/MPLS/VPN方式可以保障IP传输的安全性。按照国际标准化组织的开放系统互连(Open System Interconnection,OSI)参考模型,其分层传输协议体系结构如图2所示。
2.2 基于FDMA/MCPC卫星链路的Iub接口IP互连
基于FDMA/MCPC卫星链路的Iub接口IP互连,通过将IP分组统计复用到卫星链路上,提供RNC和Node B之间的中继传输链路,如图3所示。
此种组网方式下,Iub接口采用以太网接口传输IP分组。RNC通过以太网接口经由路由器接入卫星节点车或者直接接入卫星节点车,卫星节点车将IP分组封装到TDM复用帧中,以统计时分复用的方式通过卫星链路传输到Node B侧的卫星节点车,卫星节点车恢复出IP分组,经由路由器通过以太网接口传送给Node B或者通过以太网接口直接传送给Node B。按照国际标准化组织的OSI参考模型,其分层传输协议体系结构如图4所示。
2.3 基于FDMA/SCPC卫星链路的Iub接口E1互连
基于FDMA/SCPC卫星链路的Iub接口E1互连,通过卫星专线进行IP分组“透明”传输,提供RNC和Node B之间的中继传输链路,如图5所示。
此种组网方式下,Iub接口采用E1通道传输IP分组。RNC和Node B通过G.703接口接入到SCPC卫星节点车,卫星节点车提供E1透明传输通道,按照IP over PPP over E1方式传输IP分组。采用IP over PPP over E1卫星专线方式传输Iub接口数据,可以保证业务数据传输的可靠性、安全性。按照国际标准化组织的OSI参考模型,其分层传输协议体系结构如图6所示。
3 结束语
3G WCDMA系统利用卫星传输链路作为RNC和Node B之间Iub接口IP互连手段,在地面传输设施难以展开或遭到破坏情况下,为抢险救灾、应急指挥等场合提供3G WCDMA快速综合接入,通过话音、数据和视频等综合业务保证指挥部门和人员第一时间掌握现场情况,快速部署救援方案,提高应急处置效率,减少人员伤亡和财产损失。同时,以卫星链路作为承载网络的3G WCDMA应急通信服务,将不断拓展在大型展会、户外活动等场合的应用。在3G时代,利用卫星链路实现3G WCDMA应急通信快速、灵活接入,将会取得更好的社会效益和经济效益。
摘要：Iub接口是3G WCDMA系统RNC和Node B之间的接口,文章介绍基于DVB-RCS、FDMA/MCPC和FDMA/SCPC等3种卫星传输链路的Iub接口IP互连方法和传输体系结构,利用IP宽带卫星通信网络作为3G系统的承载网络,通过卫星传输链路进行RNC和Node B之间的互连,在突发严重自然灾害和举办重大集会活动时,保证3G业务不中断和避免3G业务拥塞。
关键词：卫星通信,IP网络,3G WCDMA
参考文献
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