基于SDH的衛(wèi)星IP網絡技術

基于SDH的衛(wèi)星IP網絡技術（朱學迅、程建）
摘要  介紹了衛(wèi)星IP網絡和基于SDH的衛(wèi)星IP網絡的基本技術，對目前衛(wèi)星IP網絡的應用及有
關技術問題進行了分析說明，并對衛(wèi)星IP網絡的發(fā)展前景作了敘述。
關鍵詞  衛(wèi)星 IP網絡 TCP FSS－SDH PPP  IP Over SDH
1衛(wèi)星IP網絡簡介
    衛(wèi)星IP網絡是指以IP技術為基礎，通過衛(wèi)星信道進行傳輸、交換IP數(shù)據(jù)包，以達到組網
目的。典型的衛(wèi)星IP網絡基站系統(tǒng)工作進程如下：
    從Internet骨干網、PSTN服務器和ISDN服務器來的IP數(shù)據(jù)包經過路由器解釋處理，并經
復接器復接，形成相應的數(shù)據(jù)幀，再經調制由基站發(fā)射機發(fā)出。從衛(wèi)星傳來的數(shù)據(jù)經相逆過
程送到衛(wèi)星路由器。衛(wèi)星路由器收到并解釋IP分組（即IP地址）后，選擇一個接口發(fā)送IP數(shù)
據(jù)。有的衛(wèi)星IP網絡系統(tǒng)還能直接面向局域網連接。通過小天線和基于PC的處理極，也可將
IP數(shù)據(jù)包直接送入個人主機。
    由于衛(wèi)星網絡傳送技術不同，復接器的類型也不同。在衛(wèi)星IP網絡領域中，主要的傳送
技術有三種：ATM、SDH和MPG-2。Eutelsat衛(wèi)星組織已對IP采用MPG2打包，在衛(wèi)星上傳輸業(yè)
務。在歐洲提供的Ku波段衛(wèi)星電視模擬信道上，IP數(shù)據(jù)報在HDLC幀中打包，再送往音頻副載
波發(fā)送。這種方式很適合為企業(yè)網、局域網或家庭用戶提供低速率（92kb／s）的IP業(yè)務服
務。
    基于SDH的衛(wèi)星IP網絡以PPP協(xié)議作為數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，根據(jù)RFC1662規(guī)范，把IP分組簡
單地封裝到PPP幀的信息段中，由SDH通道層的業(yè)務適配器把封裝后的IP數(shù)據(jù)包映射到SDH的
同步凈荷中，再經過SDH傳輸層和段層，加上相應的開銷，把凈行裝入一個SDH幀中，最后經
調制由基站發(fā)射機發(fā)射。
2衛(wèi)星IP網絡的現(xiàn)況和前景
    目前，進入實用的衛(wèi)星IP網絡有Eutelsat衛(wèi)星組織的衛(wèi)星多媒體系統(tǒng)，它工作在Ku波段
的衛(wèi)星電視信道上，以MPEG－2壓縮成IP數(shù)據(jù)，支持IP數(shù)據(jù)包在衛(wèi)星上傳輸。在用戶終端，
用小天線（直徑60cm）接收信號，在一塊PC DVB板中完成信號的解調、譯碼、分接、IP數(shù)據(jù)
再生，然后通過標準創(chuàng)覽器（IE，Netscape）就可工作了。美國航天航空局（NASA）則致力
于高速衛(wèi)星IP網絡的研究，它下屬的Glenn研究中心以TCP OverATM Over SONET傳送方式，
已成功地傳送速率大于520Mb／s的數(shù)據(jù)信息。
    衛(wèi)星IP網絡的發(fā)展主要有兩個方向：（1）高速技術，提供Internet骨干網的無縫連接；
（2）終端小型化，為企業(yè)網、局域網或家庭用戶提供便宜的Internet接口。
    目前，國際電聯(lián)擬定的主要研究技術包括：支持IP的衛(wèi)星網絡體系結構；支持IP運行
的網絡層協(xié)議、Internet規(guī)定協(xié)議和傳輸層協(xié)議的衛(wèi)星鏈路需求；支持IP運行的話音、視
頻、可視電話和文件傳輸?shù)男l(wèi)星鏈路性能；IP增強衛(wèi)星鏈路或高級協(xié)議性能的可改善要求；
使用IP專用和加密協(xié)議對衛(wèi)星鏈路的影響。目前的研究主要集中在對傳輸層協(xié)議的改進和
更新，以及采用先進的編碼和調制技術來提高衛(wèi)星鏈路性能。
3基于SDH的衛(wèi)星IP網絡
3.1 FSS-SDH網絡結構
    在固定衛(wèi)星業(yè)務（FSS）中，其中，同步基帶設備（SBE）主要功能力：完成SDH一的復
接；完成段層、通一道層到衛(wèi)星系統(tǒng)內部接口和參考點的適配與轉換；建立段層或通道層
的非對稱、多終點連接，支持點對點同步通道層的交叉連接；為信號在衛(wèi)星上傳輸進行特
殊分段；對SDH指針和衛(wèi)星系統(tǒng)定時的統(tǒng)計；在SBE、SDH復接中的基本管理。衛(wèi)星地面?zhèn)?br />輸設備的基本功能有：調制；多址接入系統(tǒng)的協(xié)議分析、實現(xiàn)及管理；定時維護。
3.2 FSS-SDH傳送網
    在SDH中，引入并規(guī)定了各種基本單元功能塊，以組成SDH設備。不同類型的設備可用
不同組合來實現(xiàn)，給設備的制造和使用帶來了方便�；�本單元功能塊由特定功能的基本組
件電路和軟件組成，包括：PDH物理接口（PPI）、低階通道適配（LPA-m/n）、高階通道
終端（HPT－n）、高階通道連接（HPC－n）、復用段適配（MSA）、復用段保護（MSP）、
復用段終端（MST）、再生段終端（RST）等單元功能塊。為了實現(xiàn)～些功能，還需要將若
干標準的基本單元功能塊固定組合在一起，形成復合功能塊，分為復合適配功能塊和監(jiān)控
功能塊兩類。前者包括傳送終端（TIF）、高階接口（HOI）、低階接口（LOI）及高階組
裝（HOA）等功能塊；后者包括高階連接監(jiān)控（HCS）和低階連接監(jiān)控（LCS）功能塊。此
外，在設備功能參考模型中還有管理和定時功能塊，包括SIJH設備管理（SEMF）、SDH設
備定時源（SETS）、SDH設備定時物理接口（SETPI）、開銷接入（OHA）及報文通信（MC
F）等功能塊。這些單元功能模塊的功能、接口標準和內部的信號處理過程，在ITU－T建
議G.782，G.783和G.784中都有詳細說明。
3.3  FSS－SDH組網方案
    根據(jù)網絡支持的信息速率不同，F(xiàn)SS－SDH定義了三種組網方案：
    （1）支持的點對點SDH再生段是工作在SIM－1（155.52Mb/S）或 STM－（51.84Mb／S ）
下的。RSOH的標準功能、SDH管理網傳送鏈路的建立、特定數(shù)據(jù)／話音通路連接功能等都
能在衛(wèi)星基帶設備（SBE）中獲得。透明傳輸?shù)腗SOHK1／ K2字節(jié)可進行自愈網保護，復
用段終端（MST）和復用段保護（MSP）的功能作用在地面網絡的局問復用段端口。
    （2）支持SDH業(yè)務的點對多點和交叉連接功能，描述了廣域衛(wèi)星網的可視性，以
51.84Mb/s。（STM－0）SDH單速率方式工作，與地面接口速率仍采用STM－1（155Mb/s）。
SBE提供從SDH復用信號中提取凈負荷流（VC－12、TUG－2）功能，每個SBE都會在SDH凈
負荷流中加入單向衛(wèi)星內部事務管理段（一個傳輸?shù)暮蛶讉�接收的），以支持衛(wèi)星的多
終點操作。SBE作為衛(wèi)星線路終端，擁有RST、MST和MS自動保護切換功能。傳輸信號以
VC－12、VC－2和VC－3為信息單位，進行通道層點到點的連接。標準的通道層功能在交
叉連接時是透明的。
    （3）規(guī)定了低于51.84Mb/s。廣域多速率交叉連接工作方式，傳輸速率與地面SDH
的傳輸速率分級有本質的不同。該網絡是在方案（2）的基礎上形成的，它支持低級虛
容器（LOVC）交叉連接功能、復用段或再生段功能。在衛(wèi)星規(guī)定網絡部分，非SDH序列
速率用于支持較低的業(yè)務路由。此方案引人兩個新的載荷類型：衛(wèi)星同步傳輸模式SSTM
－2n和SSTM－1k。
3.4 IP over SDH技術
   （1）PPP協(xié)議
    PPP（Poine-to-Point Protocol[RFC 1661]協(xié)議是一個簡單的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）
協(xié)議，提供一種串行點到點鏈路傳輸數(shù)據(jù)的方法。PPP主要由三部分組成：串行鏈路上
數(shù)據(jù)報的封裝方法；鏈路建立、配置和數(shù)據(jù)鏈路連接測試的鏈路控制協(xié)議（LCP）；建
立和配置不同網絡層協(xié)議的一組網絡控制協(xié)議（NCP）。
    PPP協(xié)議采用國際標準化組織（ISO）的高級鏈路控制（HDLC）協(xié)議ISO3309－1979
和ISO3309－1984修訂版本的原理、術語和幀結構。
    （2）PPP Over SDH技術
    PPP在SDH上應用的操作步驟如下：
    發(fā)送方：IP→PPP→幀檢驗序列生成→比特填充→擾碼→SDH幀
    接收方：SDH幀→碼擾→去比特填充→FCS檢測→PPP→IP
    為了與 RFC1619兼容，擾碼器有一個 ON／OFF開關，處于OFF狀態(tài)時，擾碼器被旁
路。一般來說，這項功能的缺省值為ON狀態(tài)。使用擾碼與否用通道開銷C2字節(jié)來表示，
22（16）表示使用擾碼，207（16進制為CF）表示PPP沒有用擾碼，這時復幀指示H4不
被使用，必須為0。
    在PPP Over SDH中，擾碼多項式X43＋1。另外，擾碼器只在SDH高階VC中操作，對
SDH的通道開銷和固定比特填充不作擾碼。擾碼器的狀態(tài)是連續(xù)的，不需要每一幀都重
新設置，最先采用的狀態(tài)由發(fā)送方隨機設置。
4影響衛(wèi)星IP網絡性能的因素
4.1影響因素
    衛(wèi)星信道的一些固有特點對TCP／IP體系影響很大。在現(xiàn)有的衛(wèi)星信道條件下，TCP
／IP協(xié)議的性能較差，帶寬利用率較低。
    （1）長時延
    由于地球站與衛(wèi)星之間相隔遙遠，“一跳”（從地球站到衛(wèi)星再到地球站）的時延
可達279ms，一次響應時間至少558ms。這么長的時延會形成一個長的反饋環(huán)路，對于可
靠傳輸協(xié)議TCP來說，其發(fā)信機判斷數(shù)據(jù)包是否已到達目的地的時間較長。而且，長時
延會使時延帶寬積相當大，當時延帶寬積達到105bit時， TCP的性能將明顯下降。時
延帶寬積是指帶寬和往返時延的乘積，也就是在信道完全充分利用的情況下，在信道
中傳輸?shù)珱]有被確認的數(shù)據(jù)量。
    （2）信道誤碼率較高
    衛(wèi)星信道的誤碼率一般大于地面通信鏈路，其典型值至少為10－7。每當網絡出現(xiàn)
擁塞崩潰現(xiàn)象，TCP協(xié)議會自動減小窗口尺寸，使發(fā)出的數(shù)據(jù)包減少，以緩解網絡擁塞。
TCP判斷是否發(fā)生網絡擁塞的標準是接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量，如果接收到的數(shù)據(jù)包減少，TCP
協(xié)議就認為發(fā)生網絡擁塞，并開始減小滑動窗口的尺寸。然而，實際上有兩種情況可能
會造成接收數(shù)據(jù)包減少，一種是發(fā)生了網絡擁塞現(xiàn)象，另一種是由誤碼造成�？梢�，誤
碼將會影響衛(wèi)星IP網絡頻帶利用率。    除此之外，衛(wèi)星IP網絡的其它特點（如不對稱
應用、往返時延的變化、連接的間斷性等），也許會對TCP的性能造成影響。
4.2解決方案
    （1）采用先進的調制、編碼技術來降低誤碼率，提高衛(wèi)星IP網絡的性能。近年來，
一些先進的調制、編碼技術已用于衛(wèi)星通信中，例如 TCM技術、級聯(lián)碼技術等。此外，
還有一些前沿技術正在研究中，如Turbo碼、Turbo格碼技術等。在衛(wèi)星IP網絡中應用這
些技術，不僅要考慮到誤碼率的因素，還要考慮到時延的因素。
    （2）采用自動重復回傳（ARQ）協(xié)議。ARQ協(xié)議已經開始在衛(wèi)星網絡的低層協(xié)議中
運用，發(fā)信機發(fā)送經編號的短小數(shù)據(jù)包，可選擇重傳那些丟失數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。采用的方
法有停止等待、退N步重傳、選擇重傳等。ARQ協(xié)議在誤碼率較低的鍵路中效果較好，在
誤碼率較高的鏈路中會增加信道時延。ARQ與TCP協(xié)議之間的關系也需進一步研究，特別
是要慎重選擇ARQ重傳時間間隔，以免與TCP本身的時間溢出機制相沖突。
    （3）改進TCP協(xié)議�？蓮囊韵聨追矫婵紤]：（i）增大窗口值，現(xiàn)在窗口的最大值
為64kbyte，可考慮增加一個新的TCP選項，允許窗口的值大于64kbyte；（ii）選擇確
認應答，在信道中，分組丟失對流量的影響是災難性的，簡單的累加確認更加劇了這種
影響。當出現(xiàn)分組丟失時，發(fā)送方將在超時后進行重傳。由于發(fā)方的TCP不知道已經到
達接收方的情況，有時會發(fā)送一些不必要的分組。這時可采用選擇性確認，只重傳真正
丟失的分段；（iii）序號重用的改進，TCP通過對接收數(shù)據(jù)的序號檢測，實現(xiàn)重復段檢
測和數(shù)據(jù)的有序可靠傳輸。高速傳輸將導致短時間內32位序號循環(huán)使用，威脅到TCP傳
輸?shù)目煽啃�。在頻繁關閉和打開連接時，存在滯留網絡的段造成序號重用問題，這可利
用TCP回應選項的時戳機制來解決。



摘自《電信快報》