隨著互聯網應用的不斷普及和影響范圍的擴大，各種通信方式都在適應IP( 網際協議) 應用。衛星通信也不例外，逐步從傳統透明傳輸方式向IP 傳輸方式發展。但是衛星通信用于傳輸IP 業務有自己獨特的特點需要在設計時考慮。

　　1 衛星IP 通信網遇到的問題

　　衛星通信網使用赤道上空的靜止衛星實現衛星地球站之間的信息傳輸。它有如下突出特點: a信道延時長: 一個信息發出到收到對方應答延時在530 ms 左右;b 衛星轉發器資源租費較高，衛星通信網設計的一個重要目的就是提高資源或信道利用率; c網絡拓撲及路由簡單; d 廣播特性: 一個地球站發送的信息，全網所有站都可以接收; e 相對地面線路衛星通信信道存在誤碼。

　　結合上述特點，IP 衛星通信網與傳統衛星通信網及地面IP 通信網相比都不相同，有其特殊的特點。因此設計時需要著重考慮: a 長信道延時對IP應用的影響; b考慮信道誤碼對IP 業務的影響; c結合衛星網絡特點選擇路由協議; d 如何利用衛星通信廣播特性傳輸IP 業務; e 考慮IP 開銷對資源利用的影響; f 關注IP 信道質量如何衡量; g 避免產生廣播風暴; h 避免備份信道切換時路由變化。

　　2 衛星信道長延時和誤碼對IP 業務的影響

　　衛星信道的長延時特性影響基于IP 的應答確認業務例如TCP( 傳輸控制協議) 和HTTP( 超文本傳輸協議) 等。誤碼主要影響丟包率和觸發TCP 的擁塞控制機制，但衛星信道一般保證誤碼率達到10- 7，此時誤碼的影響可以忽略; 試驗發現誤碼率惡化到10- 3時小數據包和多線程技術有較強的抗誤碼能力。

　　2. 1 長延時對TCP 業務的影響及解決辦法

　　( 1) 長延時對TCP 業務的影響

　　衛星信道的長延時影響TCP 業務的吞吐量即傳輸速率，可通過公式( 1) 計算。

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　　式中，RTCP 為TCP 業務速率，單位kbps; WS 為TCP業務接收窗口尺寸kbit; RTT 為業務應答延時，單位為s。TCP 業務接收窗口實際在8 kbyte~ 64 kbyte 之間，衛星信道應答延時在480 ms~ 540 ms。

　　因此，不采取措施時衛星信道的TCP 業務最大吞吐量可能只有118 kbps~ 1 067 kbps。表1 給出了一組測試數據。

表1 TCP 業務利用衛星信道傳輸

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　　( 2) 解決辦法

　　針對影響TCP 業務傳輸因素進行針對性的分析和試驗，可以得到改善其傳輸性能的各種措施:

　　a加大發送窗口尺寸，調整發送數據包長，可以使傳輸效率提高;b保證信道誤碼率至少達到10-7;c協議欺騙、本地應答; d 采用協議加速器，將TCP協議轉換為適合衛星信道傳輸的協議，本地處理確認應答; e采用擴展TCP 協議，改進擁塞和慢啟動機制、支持特大窗口等以便適應長延時誤碼信道; f采用多線程應用軟件如網絡快車，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下TCP 業務傳輸的試驗數據和曲線。

表2 多線程試驗數據

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圖1 多線程傳輸TCP 業務

　　以上措施綜合應用效果會更好。

　　2. 2 長延時對HTTP 業務的影響及解決辦法

　　HTTP 主要用于網頁瀏覽，每個網頁會包含許多鏈接。正常瀏覽網頁時，每個鏈接會建立一個連接。

　　因此通過衛星的長延時信道直接瀏覽網頁，不同連接不同時間建立，整個網頁瀏覽時間很長。

　　可采用的解決辦法就是在衛星通信網中心站先下載完整的所需網頁，遠端站通過一個連接下載整個網頁; 或者中心站主動存儲常用網站，推送到各遠端站。

　　3 衛星IP 通信網設計

　　3. 1 路由協議選擇

　　衛星IP 通信網路由協議選擇，與地面IP 網最大的不同之處就是衛星通信網的路由一般比較簡單明確。對于應用最多的星狀網絡以及路由關系確定的衛星通信網不需要采用地面網常用的動態路由方式，一般選用靜態路由就能滿足使用要求。

　　3. 2 提高衛星信道利用率

　　衛星通信信道是利用衛星轉發器資源建立的,其租用費用昂貴，設計時要想方設法提高其利用率,一般表現為信道帶寬的利用率。

　　( 1) 降低或優化IP 開銷

　　IP 數據的包頭、包尾開銷及包發送間隔降低了衛星信道傳輸業務信息的能力，采取下列有效措施減少附加開銷可以有效提高衛星信道利用率。

　　a 上衛星信道之前先利用路由器將IP 數據轉換為透明數據，去除IP 及其業務附加的包頭、包尾等附加信息，通過同步接口接入衛星設備，衛星信道只傳輸業務數據，信道效率最高;b采用具有包頭壓縮、數據壓縮、QoS( 服務質量)、TCP 加速等功能的衛星通信設備;c采用TCP/ IP 協議加速器，通過直接確認法、動態窗口尺寸、動態包尺寸、QoS、包頭標記壓縮、數據壓縮和協議轉換等技術。表3 給出了1 Mbps 衛星信道采用skyX 加速器不同包長時信道的利用率;d自主開發的應用盡可能避開TCP 協議，采用UDP( 用戶數據報協議) + 錯誤包重傳方式;e選用IP 開銷較少的業務設備。不同廠家的VOIP( IP 語音) 設備、圖像編碼器和視頻會議設備等IP 業務終端，其IP 開銷不同，因此可以通過優化設計選用開銷較小的業務終端以便從源頭上減少數據量，從而提高衛星信道效率。圖2 給出了測試IP 業務開銷的示意圖，需要利用集線器廣播特性監視和測量業務數據，可用Iris( 捕獲查看進出網絡數據包)軟件測試業務在IP 信道上的實際數據速率與業務信息速率比較，就可得出開銷情況。表4 給出了一個VOIP 設備實測數據。

表3 數據包長對衛星信道傳輸影響

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圖2? IP 業務開銷測試示意圖.

　　( 2) 利用衛星廣播特性.

　　衛星通信天然具有點對多點的廣播特性，因此在設計衛通IP 網時可以考慮利用此特點減少衛星載波數量進而提高全網的衛星資源利用率。

表4 某型號VOIP 設備實測數據

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　　舉例說明: 一個衛星視頻會議系統包含1 個中心站和3 個遠端站。若采用點對點方式，中心站圖像信息需要3 個載波發給3 個遠端站，加上3 個遠端站的回傳圖像，共需6 個載波圖3( a) 中f1~ f6; 但若采用廣播方式通過1 個載波將中心站信息同時廣播給3 個遠端站，則可節省2 個載波，全網只需4 個載波圖3( b) 中f1~ f4。若所有載波大小一致，則全網可節省1/3的衛星資源，資源利用率大大提高。同時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影響采取的功率回退措施，可以降低射頻設備功率指標，圖3( b) 所需功放功率只有圖3( a) 工作方式時的1/6，因而可以降低建站成本。

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圖3 廣播特性應用示意圖

　　衛星IP 業務廣播可以通過路由器廣義端口支持組播業務來實現，這種方式需要精心設計系統，使網絡設備能與衛星通信設備互相配合，使系統通過組播協議正常工作。由于采用組播時，中心站只廣播一個載波，其中包含到所有相關遠端站點的信息;而遠端站信息通過各自回傳信道上傳，多為單向信道。因此路由器和衛星通信設備之間只能采用RJ45 網絡接口才能工作,V. 35 和RS449 等透明接口不支持。

　　3. 3 廣播風暴

　　網絡交換機一般認為接在其上的IP 終端均為本地設備，會通過學習獲知終端與接口對應情況。

　　若2 個衛星通信地球站兩端均使用網絡交換機，那么2 站間有多個雙向業務MODEM 時，2 個網絡交換機之間的ARP 請求可能無限重復，形成廣播風暴。

　　避免辦法就是用路由器代替網絡交換機。

　　3. 4 主備切換路由問題

　　衛星通信網為保證系統的可靠性，大型站設計時衛星調制解調器均采用冗余備份方式。若2 個冗余備份設備均分別接到路由器不同端口，主備切換前后的路由將發生變化，影響IP 業務的傳輸。可行做法是保證主備衛通設備通過切換開關接入路由器的同一端口，避免接入不同端口。

　　3. 5 衛星IP 信道質量測試

　　衛星透明信道質量一般用誤碼率來衡量，而衛星IP 信道質量需要吞吐量、信道效率、丟包率、延時和延時抖動等多個指標才能較全面地衡量。

　　信道吞吐量衡量信道能夠傳輸的IP 數據的最大能力。可以通過幾種方式獲得:a信道滿負荷傳輸數據時監視信道IP 數據速率，可用Iris 軟件測試;b用網絡戰車軟件測試; c 利用專用測試儀器測量。

　　信道效率反映滿負荷時傳輸的純業務數據在信道帶寬支持的最大數據傳輸速率中所占的比例。可以測出滿負荷傳輸時的業務信息速率例如用FTP( 文件傳輸協議) 下載大文件、UDP 傳輸大文件和傳輸視頻等，再除于信道理論數據速率。

　　丟包率、延時和延時抖動給出信道實時的傳輸質量，可以通過PING 命令或專用儀器測試。丟包率反映數據丟失和錯誤情況，可進而推算出誤碼率;延時和延時抖動影響話音等實時性要求較高的業務傳輸質量。

　　4 結束語

　　衛星通信網用于同步數據傳輸時，信道傳輸透明數據，結合業務終端可以傳輸話音、異步數據、同步數據、IP 數據、圖像和多媒體等業務。隨著IP 應用的不斷普及，需要衛星信道直接傳輸IP 數據，各種應用承載在IP 平臺上，因此考慮衛星通信的特點設計出發揮各自優勢、克服不足的設計方案和工程實現方案就成為追求的目標。另外結合工程實踐和試驗給出供需雙方都能接受、維護方便及經濟適用的衛星IP 信道質量衡量及檢測方法也是衛星IP 通信網運行維護不可缺少的。

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