地面分組網利用MF-TDMA衛星網組網的網關研究

李子木

(海軍駐北京地區通信軍代表室,北京100036)

0 引言

在奧運安保、汶川救災和玉樹救災等突發事件中,衛星通信因其覆蓋范圍大、開通便捷、通信保障有力等應急保障能力的獨特優勢得到人們的普遍關注。地面網絡具有支持通過衛星通信網能力組網顯得越來越迫切和重要,成為當前的混合組網的研究熱點之一。

通過對MF-TDMA衛星網這樣一種在衛星通信中被廣泛應用的衛星通信網以及地面網中當前的重點網絡分組網的簡單介紹,提出了3種解決方案。然后對其進行了分析比較,對更為合理的通信網關方案進行了比較詳細的介紹。

1 MF-TDMA衛星網

MF-TDMA(多頻時分多址)衛星網絡是由地面主站、備用主站、網控中心、眾多從站和衛星轉發器等單元組成,系統的主要業務是話音、數據和視頻,但各衛通站通信能力大小不同,每個地面站作為主叫或被叫,向網控中心站申請衛星信道資源,網控中心對衛星網絡資源與信息進行有效管理與調配,使其可以應對各種復雜的突發情況,適應應用任務、網絡本身和外部條件的變化,從而實現衛星網絡穩定、可靠、持續和高效運行。

其中,多頻(MF)基于多波束透明轉發體制,在每個波束上通過TDMA體制可以大大擴展接入站點數量。MF-TDMA衛星通信網因為支持綜合業務接入、能夠實現大小終端同網工作、可以針對不同的應用需求進行靈活設計等諸多優點而成為目前已成為國內外衛星應用、發展及研究的熱點。

2 地面分組網

地面分組網是指基于ATM或者IP等體制的網絡體系,支持多種編碼話音、同步數據和IP數據等綜合業務。

地面分組網中,常用的傳輸手段包括:微波接力、散射、毫米波、光纖和有線遠傳等。

目前,地面分組網中針對話音業務(含同步數據業務)常用路由方法有以下幾種:確知路由法、飽和路由法和派遣路由法。其中,派遣路由法應用較為廣泛,派遣路由法是確知路由法和飽和路由法的優化結合,該方法以飽和路由法為基礎,輔助以確知路由方法。派遣路由方法中確知路由使用的“常用被叫用戶表”和“鏈路優先表”通過飽和路由法學習得到和更新,不需要預先配置。派遣路由法的確知路由方法可以解決網絡呼叫中的大部分尋址問題,只有少量被叫用戶通過飽和路由方法進行尋址。

IP路由協議主要包括:基于距離向量協議的RIP協議、基于鏈路狀態協議的OSPF協議和基于路徑向量協議的BGP協議。在地面分組網中,路由協議一般選用OSPF協議,當網絡規模較大時,可將其劃分為多個AS,AS之間選用BGP協議。不同地面分組網之間選用BGP協議并可支持MPLS VPN。局域網接入時,可選用靜態路由方式、RIP或OSPF的動態路由協議。和寬帶綜合業務信息網互連互通時,選用BGP或OSPF的動態路由協議。

地面分組網的協議處理和網絡拓撲的管理上更多是面向相鄰節點的。

3 利用MF-TDMA衛星網組網

地面分組網利用MF-TDMA衛星網組網可以有以下3種方案:點對點通信方案、仿真群路通信方案和通信網關方案。下面對3種方案的實現和各自的優缺點進行分析。

3.1 點對點通信

利用衛星通信實現2個組網節點間的一對一中繼傳輸。

該方案的優點在于實現簡單。

該方案的缺點包括:無法實現網狀網組網;跨節點通信需要經過多跳衛星鏈路,這樣既對成本較高的衛通信道資源造成浪費也大大增大了傳輸時延和抖動;衛星通信網絡利用率很低。

3.2 仿真群路通信

衛星終端設備和地面分組網組網節點間約定一種虛通路方式,仿真出多條中繼群路,從而具有一定數量的網狀網組網能力。

該方案的優點有:使得一定數量的網狀網組網成為可能;不需要跨網轉換處理,設計較為簡單;網內各綜合業務可以實現一跳可達。

該方案的缺點有:組網數量受限,需要在更低的層次區分虛通路,如果在較高層次,則衛星通信設備需要針對地面網體制(ATM、IP體制)等進行適應性改動,降低了衛星通信設備的通用性;帶寬利用率不高,過多的冗余信息需要占用衛星信道傳輸;沒能利用衛星通信的廣播性特點。

3.3 通信網關

設計一種通信網關,在不改變地面分組網和MF-TDMA衛星網各自技術體制的情況下,通過該通信網關達到充分利用衛星信道特性而實現更大數量網狀網組網能力。

該方案的優點有:可以實現大規模的網狀網組網;最大限度地利用衛星信道的廣播特性;大大提高衛星信道帶寬利用效率;地面分組網節點設備和MF-TDMA終端設備無需進行改動,有很高的通用性;所有在網節點的綜合業務一跳可達。

該方案的缺點有:需要增加一個設備;需要跨網轉換,實現相對復雜。

4 通信網關

通信網關方案中,通信網關是地面分組網綜合交換節點和MF-TDMA衛星終端互連的關鍵設備,與地面分組網和MF-TDMA衛星終端的互連分別需要具有相關互連接口及進行互通的軟件支持。下面討論其需要具備的功能、實現方式和一種典型應用。

4.1 功能

顯然,通信網關需要實現地面分組網絡通過圖1中的連接關系實現網絡交換拓撲連接關系。

通信網關需要具備以下功能:①與地面分組網互通;②與MF-TDMA衛星終端互通;③信令轉換;④協議轉換;⑤流量控制;⑥網絡連通管理。

其中,信令和協議轉換以及流量控制是通信網關性能指標所依賴的關鍵技術。

圖1 基于通信網關的連接與網絡拓撲

4.1.1 信令轉換

地面分組網中,組網節點(通常為交換設備)需要與相鄰節點進行一對一的信令交互。以一個N個組網節點的全連通網絡為例:每個節點需要與其他(N-1)個節點進行信令交互,全網共需進行N*(N-1)/2次信令交互,這種信令交互是基于無廣播特性的一對一傳統中繼連接的。

而對于具有廣播特性的鏈路而言,每個節點只需發出一個廣播信令,其他節點即可全部收到,不再需要向每個節點發送單播信令,這樣N個組網節點的全連通網絡則需要N次信令交互,是原有信令方式信令交互次數的2/(N-1),當N=2時,二者相等,隨著N的增大,節約帶寬資源效果更加明顯。

4.1.2 協議轉換

下面以FRP協議的轉換為例進行說明。

地面分組網動態路由協議FRP軟件包括鄰居維護模塊、路由更新模塊、路由計算模塊和RTP協議模塊。FRP消息流程如圖2所示。

圖2 FRP消息流程

專用路由協議(PRP)是針對通信網關專門設計的單播路由協議,用于通信網關之間進行路由溝通。協議采用改進的有線鏈路單播路由協議模型,充分利用衛星信道的廣播特性,采用單播和廣播相結合的方式實現協議報文的交互。

4.1.3 流量控制

MF-TDMA(多頻時分多址)衛星網絡一個顯著特點即每個入網衛星站可以靈活分配帶寬,如以N*32 kbps的速率進行分配。

這樣對于不同作用和地位的地面分組網節點可以根據自身特點靈活配置相鄰衛星站的帶寬,但是地面分組網絡節點與通信網關互連接口不可能設置成N*32 kbps這樣的接口速率,在不對地面分組網進行改動的情況下,如何有效地進行流量控制也是需要重點研究的內容之一。

一種常用方法為“業務區分+優先級”方式。通過對支持的接入業務劃分為3～4個優先級,如信令和協議為最高優先級,實時業務(話音業務等)為次高優先級,非實時數據業務(如IP數據等)為最低優先級。通信網關根據網管配置的所連衛星站點的帶寬分配情況,將帶寬量化為除基本信令和協議交互外,對于最低優先級的業務進行一個最低帶寬保證,然后可以進行64 kbps的PCM編碼話音、16 kbps的CVSD編碼話音以及8 kbps的G.729A編碼話音分別為多少數量的話路,通過呼叫信令進行相關控制,就可以達到較為靈活的流量控制功能。

4.2 實現方式

4.2.1 硬件平臺

硬件平臺是整個設備的基礎,應該包括:高性能通信處理器、地面分組網互連接口、MF-TDMA終端互連接口、維護接口、網管接口以及電源接口等。

高性能處理器用于提供進行軟件設計。因為設計的軟件量較大,需要包括地面分組網和MF-TDMA衛星網2個網的大部分協議及信令處理功能,還有跨網轉換功能的處理,因此需要選用較高性能的通信處理器。

地面分組網互連接口僅需一個,需符合地面分組網的相關標準。MF-TDMA終端互連接口需要一個,需符合MF-TDMA終端的相關標準。維護接口、網管接口以及電源接口可以具有較高的繼承性。一種可能的實現框圖如圖3所示。

圖3 一種電路實現框圖

4.2.2 軟件設計

軟件設計包括:操作系統、地面網互通軟件、MF-TDMA衛星網互通軟件、綜合業務支持、網管軟件、維護軟件和跨網轉換軟件等。

其中跨網轉換軟件是通信網關的關鍵技術,其他軟件可以具有較強的繼承性。跨網轉換涉及的部分協議改造必須遵循:①充分利用衛通的廣播特性;②盡可能提高衛通信道資源的利用效率;③適應衛通信道的高時延和高抖動等特性。

4.3 典型應用

基于通信網關的一種典型應用是通信網關之間通過MF-TDMA衛星網互連,同時通信網關與綜合接入交換設備相連接實現與其他子網的互聯互通。

地面分組網的各綜合接入交換設備實現全連通網狀組網,各綜合接入交換設備節點間的各種綜合業務可以實現一跳可達的互通。

5 結束語

綜上所述,通信網關是實現地面分組網利用MF-TDMA衛星網絡進行組網甚至實現地面網和衛通網混合組網的較為合理的方案,對于衛通信道資源的利用更加全面高效,支持組網的節點數量多,且支持一跳可達,相比較于星上交換體制的成本高昂、設計復雜度高和可靠性低等特點也具有一定的優勢,是利于工程實現的一種設計方案。

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