基于IP協議的衛星通信系統性能評估

王小康 中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081

基于IP協議的衛星通信系統性能評估

王小康 中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081

針對衛星通信系統網絡化的趨勢日益增強，提出一種基于IP協議的衛星通信系統性能評估方法。首先，提出基于IP協議的衛星通信性能評估系統設計要求，其次根據衛星信道的特性設計衛星信道模擬器和軟件測試方法，最后搭建基于IP協議的衛星通信系統性能評估系統進行評估測試，給出評估結果并對這種評估方法提出了改進措施。

衛星通信；IP協議；網絡測試；衛星信道模擬器

satellite communication； IP protocol； network test；satellite transponders emulator

引言

一個基于IP協議的衛星通信系統，傳輸包括視頻、語音和實時數據等多媒體信息。在系統建設初期應當對其業務承載能力及傳輸性能做出評估，即在模擬系統上建設網絡實驗平臺、設計合理的測量方法和研制性能測試綜合軟件等。通過性能評估，可提前發現衛星通信系統性能是否滿足用戶需求以降低系統建設風險。

1 網絡性能指標

網絡性能是由網絡測量的一組指標參數來評價的，目前，IETF的IPPM定義的指標包括連通性單向延遲、單向包丟失、往返延遲等。在本文的專用網絡(帶寬限制較小，一般為2 MB)性能測試過程中，測試的網絡性能指標包括帶寬、誤碼率和延時，通過實驗找出對當前網絡業務性能最敏感的測量指標作為關鍵指標集。對多媒體網絡，需要進一步判斷出分別影響數據傳輸、語音傳輸和視頻傳輸的關鍵指標集。在衛星通信網絡實驗平臺上，利用衛星信道模擬器的誤碼和延時性能向網絡信道中附加誤碼和延時參數，通過實驗的方法研究衛星通信網絡的誤碼率、延時和鏈路帶寬對不同網絡業務性能的影響。

2 評估測試系統

根據評估測試要求搭建測試平臺，系統連接框圖見圖1。其中圖像編解碼器的編碼速率和系統碼流速率可以調整，語音網關不可以調整數據速率，測試計算機則根據測試要求進行不同速率的收發數據測試。路由器對出口數據速率限制為2Mb/s。

2.1 衛星信道模擬器

基于LMS模型的衛星信道模擬器可以模擬衛星星地鏈路特性，提供8路仿真的雙向數字信道，能夠根據星地鏈路收發信機參數、用戶所處環境參數、工作頻段參數等，實時仿真星地鏈路進行數據通信時的誤碼、誤幀、延時等信道特性。其主要參數指標如下：

①容量：8路仿真的雙向數字信道；

②信道接口：每路均具有10/100 Mb/ s以太網接口，可同時連接8個獨立工作的網絡節點；

③誤碼間隔0～2 000 bit，誤碼長度0～16 bit，誤碼范圍0～10-7；

④延時：1 ms～200 ms，精度0.1 ms；

⑤參數設置：可以設置的參數包括調制方式、延時、信噪比，每路的參數設置互不影響。

實驗網絡中的衛星信道模擬器具有以下特點：只涉及星地鏈路，主要考慮傳輸延時和無線誤碼2個基本特性。誤碼特性模塊和延時特性模塊如圖2所示，可以通過改變模擬器的參數改變網絡的特性。

圖2 衛星信道模擬器結構示意圖

2.2 網絡測量方法

網絡測量的方法和工具多種多樣，可以分為主動測量和被動測量兩大類。主動測量通過向網絡中注入探測流量來進行，通過結果響應數據來獲得網絡狀態信息；被動測量是在網絡的主要出入口監聽和記錄網絡中的分組流量并進行測量，從中提取數據，進行分析從而得到網絡狀態信息。

在網絡測評中，確定網絡性能指標或測度最為關鍵，直接影響網絡測評的內容及其全面性、合理性和有效性。例如帶寬、時延、時延抖動、丟包率、流量或吞吐量等指標都是眾所周知的測度。目前IETFs IPPM(IP Performance Metrics)定義的網絡測量指標分為RFC已經定義的指標和目前還是IETF中的一個草案的指標，前者包括連通性（RFC 2678）、單向延遲（RFC 2679）、單向包丟失（RFC 2680）、往返延遲（RFC 2681），后者包括瞬間包延遲變化、IP包延遲變化、單向丟失模式采樣。

2.3 測試方法及性能參數選擇

采用主動測試方法：在網絡上布置測試機器，主動發送測試流量，如，從A端到B端，獲得兩端點間的測試結果信息。

選擇的網絡測量內容包括帶寬、時延、時延抖動、丟包率、流量和吞吐量等。

2.4 測試要點

將實驗網絡設為2Mb/s帶寬，逐步加大圖像業務IP數據流量，測量信息丟包率、時延和時延抖動等指標，目測視頻傳輸的性能情況，標定上述指標的可容忍度。

在給定業務容量情況下，逐步調低網絡傳輸速率，按照標定指標進行判斷，得出傳輸給定業務的所需的最小帶寬。

加入衛星信道模擬器，逐步加入噪聲或加大時延，測試信息傳輸丟包率的變化情況，繪制丟包率、時延、噪聲功率的雙變量曲線。

變化業務數，記錄視頻性能變化、各段帶寬值的變化、各段時延值變化，丟包率指標變化，查找衛星通信網絡在帶寬和時延上的“瓶頸”。

3 測試程序架構

測量程序采用Winpcap+Winsock的層次化測量架構。

Winpcap源于Berkley Packet Filter（BPF）和libpcap函數庫，支持Win32的網絡監測程序設計。Winsock是人們很熟悉的Windows套接字編程工具，源于Berkley Socket技術。這兩款網絡開發工具各有特色，結合使用可以取長補短，提高軟件開發的效率，增強軟件的運行性能。Winpcap支持網絡原始數據包的接收和發送，繞開了TCP/IP協議棧，有利于高速的數據包檢測和分析；支持對數據包的過濾。

Winsock是建立在TCP/IP協議棧之上的程序開發工具，提供面向連接和的連接得網絡服務，可以大大降低程序開發工作量。

圖3 測量程序架構

程序采用三層架構：網絡接口層、網絡層、測試層。

其中網絡接口層就是網卡驅動程序模塊，負責程序與網絡設備間的交互。

網絡層包括兩部分：一個是基于網絡數據包過濾器（NPF）的網絡模塊，一個是基于TCP/IP的網絡模塊。

測試層通過Winpcap編程接口來訪問NPF，檢測出原始數據包并獲取數據包到達時刻；通過Winsock編程接口來訪問TCP/IP，獲取TCP會話信息。主從程序測試層均包括兩個基本功能模塊：數據包檢測和TCP會話。數據包檢測模塊利用Winpcap接口獲取網絡中的原始數據包，測量開始后，主程序數據包檢測模塊直接解析出發送端計算機發出的數據包IP標志，記錄進主測試窗口，從程序的數據包檢測模塊直接解析出接收端計算機接收的數據包IP標志，記錄進從測試窗口，同時記錄視頻包的達到時刻；TCP會話模塊利用Winsock接口建立主從程序間的TCP連接，控制測量步驟，并交互測量過程中獲取的數據。窗口調節模塊利用這兩個基本功能動態調整測試窗口尺寸。根據正確接收的數據包和主程序通知確認的數據包序列，從程序的丟包確認模塊檢查數據包的丟失情況，并把丟包數據反饋給主程序。根據反饋的丟包信息，主程序的丟包率計算分析模塊計算丟包率。從程序的延遲計算模塊通過時間提取，計算相繼到達視頻包的延遲，并通過TCP會話連接將最后的延遲統計值返回給主程序的延遲獲取模塊。

4 測試結果及評估

4.1 測試結果

利用PCM限定網絡鏈路帶寬為128 Kb/s，設置衛星信道模擬器的延時為1 ms。在不同誤碼率下，利用TCP文件傳輸工具在計算機1和計算機2之間傳輸27 KB的文件。改變模擬器延時，再次測試不同誤碼率下利用TCP協議傳輸27 KB文件的速率和重傳率等參數，實驗數據取3次測量結果的平均值。通過分析實驗數據，找出誤碼率和延時對TCP文件傳輸的影響，如圖4所示。可以看出，誤碼率對衛星通信網絡TCP文件傳輸速率有很大影響。隨著誤碼率的增大，TCP文件傳輸速率急劇下降，當誤碼率大于10～4時，文件基本無法傳輸，對于TCP協議來說，網絡近似中斷。在相同誤碼率下，小于200 ms的鏈路延時只會引起衛星通信網絡TCP文件傳輸速率的下降，且延時的增加引起傳輸時間的增長，但不會引起丟包。當鏈路時延大于TCP協議3次握手應答時間范圍時，會引起TCP文件傳輸丟包。

圖4 誤碼率和時延對TCP文件傳輸的影響

4.2 評估結果

通過將測量軟件用于試驗系統進行模擬測試，結果如下：①業務承載能力，在2Mb/s衛星信道通信容量下，最多可傳輸1,700Kb/s有效數據，滿足設計需要；②傳輸性能，長延時和突發誤碼情況下，視頻丟包≤1 /M，語音通話清晰可懂，滿足設計需要。

5 結束語

作為衛星通信網絡設計和運行管理的重要組成部分，衛星通信系統性能評估越來越受到人們的重視。本文提出了一種基于IP協議的衛星通信系統評估要求和評估方法，并進行了評估測試。后續的衛星系統測試結果與評估測試結果基本符合，從而證明評估系統對基于IP協議的衛星通信系統可行性分析具有一定的指導意義。在今后的工作中，將根據項目要求，加強故障管理功能研究，并把網絡性能測試和故障定位技術推廣到新一代衛星通信網絡中。

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Performance evaluate of satellite communication system base on IP protocol

Wang Xiao-kang The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081,China

The old satellite communication system evaluation method is not reflected actually the communication performance of the satellite communication system, by the increasing network for satellite communication system. A new communication system performance evaluation method is proposed on the IP protocol, the satellite channel simulator and testing method of channel quality are designed, and then the satellite communication simulation testing system is built up based on the IP protocol. In the end, several improved suggestions of the evaluation method are introduced.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.048