1、卫星通信与地面网络融合的技术发展分析摘要：地面网络3G系统和IP技术的高速发展，无处不在的多媒体应用需求给卫星通信提出新的技术挑战。本文对未来卫星通信与地面融合中的QoS 保障机制、资源管理和跨层设计等问题进行了较为深入的探讨。1 前言卫星通信发展至今，全球相继有GEO、MEO 、LEO 等高中低轨道各个层次上运行的中继转发和信号处理卫星。随着地面系统3G和IP技术的发展，对通信的无缝连接要求使得卫星通信将与地面高速发展的网络进行融合，以IP多媒体子系统（IMS）作为网络融合的基础平台，将是未来核心网的发展方向，业务也将向多媒体、多元化和智能化方向发展 1。90年代已建成并投入应用的卫星通信系
2、统：铱( Iridium)系统、Globalstar 系统、ORBCOMM 系统等为全球提供包括话音、数据通信、位置信息服务，通过星际交链、地面信关站与地面网络、静止轨道卫星通信系统等联成一体，达到覆盖全球的目的 2。因此我国卫星通信系统建设也将考虑与地面通信系统的兼容性，网系的融合将对系统的通信容量和效率产生直接的影响。本文从卫星QoS、资源管理、跨层设计几方面来探讨与地面系统融合给卫星通信带来的技术挑战。2 卫星IP 通信在 4G 系统中，向全球信息网络的方向发展，要求在任何时候，任何地点为用户提供灵活的多媒体信息服务。基于卫星的移动通信系统将作为地面系统的补充来提供无处不在的多媒体和高速
3、数据应用。其系统设计可以是 LEO、MEO、GEO，或者他们之间的结合，这取决于覆盖范围、费用、用户服务和业务的需求。卫星与地面网络的融合将表现出不同的资源可用性和开销，需要通过有效的系统设计来保障无缝连接。卫星与地面系统 IP 网系互联示意图（1）卫星 QoS卫星链路IP数据的传输存在长时延、带宽不对称性以及误码率高的问题(TCP-Swift: an end-host enhancement scheme for TCP over Satellite IP Networks)。而卫星要提供多种宽带服务：交互式服务和分发服务。交互式服务包括：视频会议、视频/ 话音信息传输、高速率数字信息、文件
4、/公文传输、高精度的图像、数据存储转发（如数据库） 。分发服务有TV、多媒体视频和语音分发。为解决卫星IP数据传输问题，针对每种服务有不同的QoS要求，如延迟敏感度或者抖动敏感实时数据、对损失敏感的传输数据等。打包语音业务需要相对低的带宽，但是实时性要求高。视频业务需要较高的带宽，但是仍然需要较低的反应时间获得高质量的视频。像文件传输的数据业务、e-mail 信息等等，可允许一定的延迟。其中e-mail信息占用较低带宽，而文件传输需要占据足够大的带宽 3。因此，QoS 资源管理的目标是在不同业务类型中有效共享和接入可获得的资源，并保证所需的质量。它是根据需求和网络状况来管理带宽，具体可量化为传
5、输延迟、抖动、丢包率、带宽要求、吞吐量、业务可用性等指标。卫星系统的 QoS 支持的网络主要提供两种类型的服务：保证的和最佳的。在保证服务中，网络提供一些类型的 QoS 保证给用户或者用户群。而最佳服务，提供给用户的 QoS 是网络状态的函数，对服务的水平没有保证。4G 移动通信系统将要求实时处理，高数据率传输和互动多媒体服务，要求不能容忍延迟和符号错误，因此需要一些特定网络条件和 QoS 要求。为满足实时处理的要求，目前IP网络有两种QoS结构定义：“inteserv”（集成服务）和diffserv（区分服务） 。最重要的集成服务协议是RSVP （资源保留协议） ，它对特定服务要求的应用在传
6、输业务前进行资源预先保留。QoS体系中，集成服务面向流，它是基于资源预留提供端到端服务质量保证，复杂度很高。对于区分服务，网络不需要为每个流维护状态，它根据每个报文指定的QoS来提供特定的服务 4。由于其相对简单、具有可扩展、可操作及可部署能力而成为主流的一种IP。 对于区分服务这种 QoS 保障方式，我们搭建试验平台，对 IP 语音（64k 带宽） 、视频（1.2M 带宽）通过卫星模拟信道传输进行试验，其中设置卫星传输信道时延 540ms。通过路由器配置保障语音信号优先，得到试验结果如表 1 所示。表 1 模拟卫星通信 QoS 保障试验结果信道带宽 话音 视频64k 拨不通 接收不到图像51
7、2k拨号时通时不通，拨号等待时间较长，拿起被呼方话筒，需要等待约 19s 方可听到话音接收不到图像600k拨号等待时间较长，拿起被呼方话筒，需要等待约 15s 方可听到话音，之后拨号方听到的声音延迟1s，被呼方听到的声音延迟约为5s图像严重马赛克700k拨号等待时间较长，拿起被呼方话筒，需要等待约 8s 方可听到话音，之后拨号方听到的声音延迟1s，被呼方听到的声音延迟约为5s图像较为严重马赛克800k拨号等待时间较长，拿起被呼方话筒，需要等待约 7s 方可听到话音，之后拨号方听到的声音延迟1s，被呼方听到的声音延迟约为4s图像有较多马赛克，看不清1M拨号等待时间较长，拿起被呼方话筒，需要等待约
8、 15s 方可听到话音，之后拨号方听到的声音延迟1s，被呼方听到的声音延迟约为3s图像有一些马赛克1.2M 两边通话正常 图像清楚在多次试验后，发现信道带宽小于视频带宽的条件下，采用 QoS保障，相比没有采用 QoS 保障只是语音延迟时间的降低，但是仍然不能保证语音的即时通话。只有带宽足够的情况下，才能使得语音和视频传输都流畅。 因此仅仅依靠业务优先来进行信号服务质量的保障是有限的。为了提高卫星通信QoS，需要做的工作还包括：（1）改进的TCP：改进慢启动和拥塞控制；快速重传和快速恢复；选择确认应答；序号重用的改进；（2）Web缓存：把经常访问的邮件、数据和视频等资料存储在本地服务器上，使经常
9、被访问的主页在本地就可得到服务；（3）协议网关：把TCP协议的信号转换为一个特殊的适合于卫星链路的优化协议的信号；（4）采用先进的调制解调和编解码技术提高带宽效率和功率效率。此外，还有链路层改进、基于网络掉话的策略、端到端流量控制、最小时延动态缓存控制、TCP报头压缩、快速启动和页面对象单一回传机制等。具体实施中，各种QoS技术（如区分服务、流量控制等）需要协调工作。大致的一个思路是网络层面上，当全局拥塞时增加带宽来解决，而局部拥塞则通过流量工程做负载均衡；业务层面上，通过区分服务对不同的业务进行区分，并提供不同的服务等级；在层间互通和映射上，加强应用层和网络层以及链路层的映射和匹配，注重排队
10、、调度、拥塞、流量控制机制的应用。无缝 IP/ATM 促使多协议标签转换（MPLS）协议的发展，它将第三层技术及与第二层技术有机地结合起来，使得在同一个网络上允许各种消息传递，支持单点和多点传输，并提供实时交互服务。对于卫星网络，需要深入考虑其适用性。另外，在 ISLs 上用户业务的内部时间变化给卫星网络进行路由带来挑战。目前地面路由协议，不能在卫星领域特别是在基于 LEO 的卫星网络中提供 QoS 保证。因此需要研究适合卫星系统的不同 IP 路由技术。（2）卫星资源管理资源管理（RM ）的目的是为了解系统中各类资源的存在情况，使用情况，为任务管理提供依据，并通过对资源进行预留等设置有效地使用
11、卫星网络的资源，平衡负载，优化性能，获得最大的网络使用效率，降低任务的阻塞率，保证任务执行和网络管理的实时性，为管理应用程序提供 QoS 保证 5。卫星网络的一个资源管理实体有两个主要的函数：资源分配和流量控制。在资源分配中，上行和下行链路分配中采用不同的 MAC 协议。对于上行接入，其方法有：随机（时隙 Aloha）接入、独立（固定带宽）分配和动态带宽分配技术。当采用随机接入方法时，不同终端的连接在它们到达的下一个时隙开始广播数据。来自两个或多个终端的同一时刻的发送将可能导致碰撞重传，从而引起额外的延迟。随机接入方法不适用于严格的QoS 应用，但是由于它的简单性，被广泛应用。对于固定分配，一
12、个终端的连接总是在每帧的一定时隙中发生。它的优点在于对性能的保证，但是其缺点主要是低的带宽有效性。地面网络为弥补这两种性能的不足展开了研究，如多用户分集以及基于信道状态的时序选择分配资源、这些方法需要在卫星系统中考虑。在动态带宽分配中，资源（时隙和带宽）分配取决于在连接终端的队列中是否有数据包等待服务。当一个用户连接并有新数据到达，信令信息将送给卫星，告知数据到达。在接收到此信息后，卫星分配一定的时隙，从而保证连接。因此，动态分配方法可以支持 QoS 业务。动态分配方法和基于信道状态时序机制的主要区别在于在动态分配方法中的时隙分配仅基于要求，而不用知道用户信道状态。在动态带宽分配中，当某个连接
13、不再需要时隙的分配，卫星可以将这个时隙分配给其它用户连接。这种机制的缺点是呼叫建立的信令延迟。对于卫星非对称上下行业务，需要研究混合媒体接入机制。另一方面，流量控制，是对拥塞发生情况下网络资源的管理。拥塞通常发生在星上所要求的资源超过它的容量。需要对卫星链路传输状态、信息发布状态等进行不间断的实时监控。发生通信拥塞会导致延迟快速增加并极大的降低QoS。用来管理拥塞业务控制函数有两种机制：proactive 和reactive 。在proactive方法中，网络中的路由通过丢包来表明拥塞，这反过来促使发送端自适应的降低发送速率。将来宽带卫星系统（尤其是非同步）多希望采用reactive形式，它有
14、直接的拥塞指示（ECN） 。在ECN机制中，一个TCP包头有ECN比特，设置为0。如果路由检测拥塞，它将把ECN比特设为1，且这个包被标记。被标记的包最终到达目的地，反过来告知发送端标记的值。发送端基于标记的值来调整它的传输速率 3。（3）跨层设计问题未来宽带卫星系统的挑战是将卫星网络顺利的整合到前面提到的QoS 框架中，在某种程度上能有效的使用先前卫星链路的资源。新的设计跨越传输、网络、数据链路、物理层，低层对无线媒介的认识将与更高层共享，从而提供对网络资源分配的有效方法。因此，通过将较低层的参数纳入到网络层函数中来完成系统性能最佳化。在 IP/卫星整合网络的跨层设计中，应用层通常知道一个给
15、定 IP包是在起始阶段还是在数据流的末尾。而物理层可获得目前的链路容量数，无线链路的 BER 性能等容量。如果采用联合函数，在应用层和物理层之间进行信息跨层交换，那么网络的整体性能就会提高。跨层设计的主要挑战是怎样将足够信息通过管理接口跨层来进行交流，并尽可能减少对标准化网络协议栈的影响，尽可能多的使用已经存在的路由预留协议如 RSVP 等。另一个挑战是不同设计结构的各自独立网络的协同性 3。跨层设计方法包括联合网络和物理层最佳化，或联合 MAC 和物理层最佳化。其难点是缺少对跨不同层的相联系的性能参数分析表达。文章6给出了一个新的网络层路由策略和数据链路层媒体接入控制（MAC ）算法来提高
16、internet 数据传输，降低了大数据的传输时间。3 结束语为了将卫星和地面网络融合，存在通信手段的转换问题，而且不同的链路层协议和技术具有不同的流控方式，承载网络的服务质量保障技术也可能采用不同的体制，需要统一策略，在必要时进行分级服务的转换和映射。本文介绍了保障服务质量给卫星通信网系带来的影响，包括卫星 QoS 保障、资源管理和跨层设计。与地面融合需要研究的课题还包括：基于卫星 internet 结构、调制编码机制、多址技术、分集合并技术、接收机设计、星上处理、卫星和地面系统的标准融合、多播、广播和数据应用的综合、卫星不同波束的切换、多层次网络安全等。为此，研究人员和系统开发人员需要有针对性的根据实际的卫星网络和地面网络的特点来设计合理的 QoS 保障机制。
