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基于SDH的卫星IP网络技术

2/14/2005
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基于SDH的卫星IP网络技术(朱学迅、程建) 摘要 介绍了卫星IP网络和基于SDH的卫星IP网络的基本技术,对目前卫星IP网络的应用及有 关技术问题进行了分析说明,并对卫星IP网络的发展前景作了叙述。 关键词 卫星 IP网络 TCP FSS-SDH PPP IP Over SDH 1卫星IP网络简介 卫星IP网络是指以IP技术为基础,通过卫星信道进行传输、交换IP数据包,以达到组网 目的。典型的卫星IP网络基站系统工作进程如下: 从Internet骨干网、PSTN服务器和ISDN服务器来的IP数据包经过路由器解释处理,并经 复接器复接,形成相应的数据帧,再经调制由基站发射机发出。从卫星传来的数据经相逆过 程送到卫星路由器。卫星路由器收到并解释IP分组(即IP地址)后,选择一个接口发送IP数 据。有的卫星IP网络系统还能直接面向局域网连接。通过小天线和基于PC的处理极,也可将 IP数据包直接送入个人主机。 由于卫星网络传送技术不同,复接器的类型也不同。在卫星IP网络领域中,主要的传送 技术有三种:ATM、SDH和MPG-2。Eutelsat卫星组织已对IP采用MPG2打包,在卫星上传输业 务。在欧洲提供的Ku波段卫星电视模拟信道上,IP数据报在HDLC帧中打包,再送往音频副载 波发送。这种方式很适合为企业网、局域网或家庭用户提供低速率(92kb/s)的IP业务服 务。 基于SDH的卫星IP网络以PPP协议作为数据链路层协议,根据RFC1662规范,把IP分组简 单地封装到PPP帧的信息段中,由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH的 同步净荷中,再经过SDH传输层和段层,加上相应的开销,把净行装入一个SDH帧中,最后经 调制由基站发射机发射。 2卫星IP网络的现况和前景 目前,进入实用的卫星IP网络有Eutelsat卫星组织的卫星多媒体系统,它工作在Ku波段 的卫星电视信道上,以MPEG-2压缩成IP数据,支持IP数据包在卫星上传输。在用户终端, 用小天线(直径60cm)接收信号,在一块PC DVB板中完成信号的解调、译码、分接、IP数据 再生,然后通过标准创览器(IE,Netscape)就可工作了。美国航天航空局(NASA)则致力 于高速卫星IP网络的研究,它下属的Glenn研究中心以TCP OverATM Over SONET传送方式, 已成功地传送速率大于520Mb/s的数据信息。 卫星IP网络的发展主要有两个方向:(1)高速技术,提供Internet骨干网的无缝连接; (2)终端小型化,为企业网、局域网或家庭用户提供便宜的Internet接口。 目前,国际电联拟定的主要研究技术包括:支持IP的卫星网络体系结构;支持IP运行 的网络层协议、Internet规定协议和传输层协议的卫星链路需求;支持IP运行的话音、视 频、可视电话和文件传输的卫星链路性能;IP增强卫星链路或高级协议性能的可改善要求; 使用IP专用和加密协议对卫星链路的影响。目前的研究主要集中在对传输层协议的改进和 更新,以及采用先进的编码和调制技术来提高卫星链路性能。 3基于SDH的卫星IP网络 3.1 FSS-SDH网络结构 在固定卫星业务(FSS)中,其中,同步基带设备(SBE)主要功能力:完成SDH一的复 接;完成段层、通一道层到卫星系统内部接口和参考点的适配与转换;建立段层或通道层 的非对称、多终点连接,支持点对点同步通道层的交叉连接;为信号在卫星上传输进行特 殊分段;对SDH指针和卫星系统定时的统计;在SBE、SDH复接中的基本管理。卫星地面传 输设备的基本功能有:调制;多址接入系统的协议分析、实现及管理;定时维护。 3.2 FSS-SDH传送网 在SDH中,引入并规定了各种基本单元功能块,以组成SDH设备。不同类型的设备可用 不同组合来实现,给设备的制造和使用带来了方便。基本单元功能块由特定功能的基本组 件电路和软件组成,包括:PDH物理接口(PPI)、低阶通道适配(LPA-m/n)、高阶通道 终端(HPT-n)、高阶通道连接(HPC-n)、复用段适配(MSA)、复用段保护(MSP)、 复用段终端(MST)、再生段终端(RST)等单元功能块。为了实现~些功能,还需要将若 干标准的基本单元功能块固定组合在一起,形成复合功能块,分为复合适配功能块和监控 功能块两类。前者包括传送终端(TIF)、高阶接口(HOI)、低阶接口(LOI)及高阶组 装(HOA)等功能块;后者包括高阶连接监控(HCS)和低阶连接监控(LCS)功能块。此 外,在设备功能参考模型中还有管理和定时功能块,包括SIJH设备管理(SEMF)、SDH设 备定时源(SETS)、SDH设备定时物理接口(SETPI)、开销接入(OHA)及报文通信(MC F)等功能块。这些单元功能模块的功能、接口标准和内部的信号处理过程,在ITU-T建 议G.782,G.783和G.784中都有详细说明。 3.3 FSS-SDH组网方案 根据网络支持的信息速率不同,FSS-SDH定义了三种组网方案: (1)支持的点对点SDH再生段是工作在SIM-1(155.52Mb/S)或 STM-(51.84Mb/S ) 下的。RSOH的标准功能、SDH管理网传送链路的建立、特定数据/话音通路连接功能等都 能在卫星基带设备(SBE)中获得。透明传输的MSOHK1/ K2字节可进行自愈网保护,复 用段终端(MST)和复用段保护(MSP)的功能作用在地面网络的局问复用段端口。 (2)支持SDH业务的点对多点和交叉连接功能,描述了广域卫星网的可视性,以 51.84Mb/s。(STM-0)SDH单速率方式工作,与地面接口速率仍采用STM-1(155Mb/s)。 SBE提供从SDH复用信号中提取净负荷流(VC-12、TUG-2)功能,每个SBE都会在SDH净 负荷流中加入单向卫星内部事务管理段(一个传输的和几个接收的),以支持卫星的多 终点操作。SBE作为卫星线路终端,拥有RST、MST和MS自动保护切换功能。传输信号以 VC-12、VC-2和VC-3为信息单位,进行通道层点到点的连接。标准的通道层功能在交 叉连接时是透明的。 (3)规定了低于51.84Mb/s。广域多速率交叉连接工作方式,传输速率与地面SDH 的传输速率分级有本质的不同。该网络是在方案(2)的基础上形成的,它支持低级虚 容器(LOVC)交叉连接功能、复用段或再生段功能。在卫星规定网络部分,非SDH序列 速率用于支持较低的业务路由。此方案引人两个新的载荷类型:卫星同步传输模式SSTM -2n和SSTM-1k。 3.4 IP over SDH技术 (1)PPP协议 PPP(Poine-to-Point Protocol[RFC 1661]协议是一个简单的第二层(数据链路层) 协议,提供一种串行点到点链路传输数据的方法。PPP主要由三部分组成:串行链路上 数据报的封装方法;链路建立、配置和数据链路连接测试的链路控制协议(LCP);建 立和配置不同网络层协议的一组网络控制协议(NCP)。 PPP协议采用国际标准化组织(ISO)的高级链路控制(HDLC)协议ISO3309-1979 和ISO3309-1984修订版本的原理、术语和帧结构。 (2)PPP Over SDH技术 PPP在SDH上应用的操作步骤如下: 发送方:IP→PPP→帧检验序列生成→比特填充→扰码→SDH帧 接收方:SDH帧→码扰→去比特填充→FCS检测→PPP→IP 为了与 RFC1619兼容,扰码器有一个 ON/OFF开关,处于OFF状态时,扰码器被旁 路。一般来说,这项功能的缺省值为ON状态。使用扰码与否用通道开销C2字节来表示, 22(16)表示使用扰码,207(16进制为CF)表示PPP没有用扰码,这时复帧指示H4不 被使用,必须为0。 在PPP Over SDH中,扰码多项式X43+1。另外,扰码器只在SDH高阶VC中操作,对 SDH的通道开销和固定比特填充不作扰码。扰码器的状态是连续的,不需要每一帧都重 新设置,最先采用的状态由发送方随机设置。 4影响卫星IP网络性能的因素 4.1影响因素 卫星信道的一些固有特点对TCP/IP体系影响很大。在现有的卫星信道条件下,TCP /IP协议的性能较差,带宽利用率较低。 (1)长时延 由于地球站与卫星之间相隔遥远,“一跳”(从地球站到卫星再到地球站)的时延 可达279ms,一次响应时间至少558ms。这么长的时延会形成一个长的反馈环路,对于可 靠传输协议TCP来说,其发信机判断数据包是否已到达目的地的时间较长。而且,长时 延会使时延带宽积相当大,当时延带宽积达到105bit时, TCP的性能将明显下降。时 延带宽积是指带宽和往返时延的乘积,也就是在信道完全充分利用的情况下,在信道 中传输但没有被确认的数据量。 (2)信道误码率较高 卫星信道的误码率一般大于地面通信链路,其典型值至少为10-7。每当网络出现 拥塞崩溃现象,TCP协议会自动减小窗口尺寸,使发出的数据包减少,以缓解网络拥塞。 TCP判断是否发生网络拥塞的标准是接收的数据包数量,如果接收到的数据包减少,TCP 协议就认为发生网络拥塞,并开始减小滑动窗口的尺寸。然而,实际上有两种情况可能 会造成接收数据包减少,一种是发生了网络拥塞现象,另一种是由误码造成。可见,误 码将会影响卫星IP网络频带利用率。 除此之外,卫星IP网络的其它特点(如不对称 应用、往返时延的变化、连接的间断性等),也许会对TCP的性能造成影响。 4.2解决方案 (1)采用先进的调制、编码技术来降低误码率,提高卫星IP网络的性能。近年来, 一些先进的调制、编码技术已用于卫星通信中,例如 TCM技术、级联码技术等。此外, 还有一些前沿技术正在研究中,如Turbo码、Turbo格码技术等。在卫星IP网络中应用这 些技术,不仅要考虑到误码率的因素,还要考虑到时延的因素。 (2)采用自动重复回传(ARQ)协议。ARQ协议已经开始在卫星网络的低层协议中 运用,发信机发送经编号的短小数据包,可选择重传那些丢失数据的数据包。采用的方 法有停止等待、退N步重传、选择重传等。ARQ协议在误码率较低的键路中效果较好,在 误码率较高的链路中会增加信道时延。ARQ与TCP协议之间的关系也需进一步研究,特别 是要慎重选择ARQ重传时间间隔,以免与TCP本身的时间溢出机制相冲突。 (3)改进TCP协议。可从以下几方面考虑:(i)增大窗口值,现在窗口的最大值 为64kbyte,可考虑增加一个新的TCP选项,允许窗口的值大于64kbyte;(ii)选择确 认应答,在信道中,分组丢失对流量的影响是灾难性的,简单的累加确认更加剧了这种 影响。当出现分组丢失时,发送方将在超时后进行重传。由于发方的TCP不知道已经到 达接收方的情况,有时会发送一些不必要的分组。这时可采用选择性确认,只重传真正 丢失的分段;(iii)序号重用的改进,TCP通过对接收数据的序号检测,实现重复段检 测和数据的有序可靠传输。高速传输将导致短时间内32位序号循环使用,威胁到TCP传 输的可靠性。在频繁关闭和打开连接时,存在滞留网络的段造成序号重用问题,这可利 用TCP回应选项的时戳机制来解决。 摘自《电信快报》