適合4G基站回傳的衛星通信思路探析

黃曜明，王激揚，汪鴻濱，范曉雷

（1.中國移動通信集團設計院有限公司，北京　100080；2.中國衛通集團有限公司，北京　100094）

適合4G基站回傳的衛星通信思路探析

黃曜明1，王激揚1，汪鴻濱2，范曉雷2

（1.中國移動通信集團設計院有限公司，北京100080；2.中國衛通集團有限公司，北京100094）

在山區、海域等光傳輸網絡難于抵達的地區或者應急通信場景，4G基站回傳仍然需要使用衛星通信。然而，4G業務實時性強、業務速率高的特點也放大了衛星通信帶寬較小、時延較大的弱勢。本文從這個矛盾出發，結合實際測試和應用情況，試從衛星帶寬分配方式、TCP加速、包頭壓縮、QoS等方面提出適合4G基站回傳的衛星通信解決思路。

4G；衛星通信；基站回傳；QoS

1　引言

隨著中國移動TD-LTE網絡向農村地區覆蓋的深入，這張全世界最大的4G網絡不光是基站數量最大，覆蓋區域也勇奪全球之冠，這也大大增加了基站回傳網絡的壓力。根據GSM網絡建設的經驗，衛星傳輸基于廣覆蓋、少維護的特點，在邊境、沙漠、高山等區域相對光傳輸網絡具備一定的成本優勢，特別是對于海島、機載、船載等應用場景，衛星通信幾乎是惟一的選擇。此外，隨著應急通信場景下視頻通信等實時寬帶通信的需求日益增長，應急通信也應提供4G業務，在面對汶川地震這種重大災害時，4G應急尚需具備衛星回傳的能力。

然而，目前通信衛星大部分仍采用同步軌道（GEO）衛星，這種時延大、帶寬受限的傳輸方式恰恰與4G業務實時性強、業務速率高的特點相矛盾。本文從該矛盾出發，結合實際測試和應用情況，試議4G基站采用衛星回傳需要考慮的因素，希冀能為現網應用提出一些解決思路。

2　4G基站回傳對于傳輸網絡的要求

2.1帶寬要求

根據中國移動TD-LTE傳輸規劃原則，基站接入層帶寬規劃如表1所示。

表1　TD-LTE傳輸網帶寬規劃建議表

2.2時延要求

（1）控制面時延。協議規定，終端從空閑態到連接態的時延應控制在100ms以內。目前要求eNB 至S-GW之間的S1接口時延為10ms，eNB之間的X2接口時延為20ms。

（2）業務時延。LTE網絡是一個多業務網絡，針對不同業務有不同的優先級、時延和傳輸質量要求。具體要求如表2所示。

表2　LTE各類型業務要求對比

3　衛星通信的限制

3.1帶寬限制

由于衛星通信天線物理尺寸較大，為便于安裝，一般地用于基站回傳的C頻段天線不超過3米（中心站可配置為15米），Ku頻段天線不超過2.4米（中心站可配置為9米）。采用目前在軌的優質衛星資源，C頻段單站可達到20～30Mb/s的能力，Ku頻段單站可達到30～40Mb/s的能力。可見，一般的衛星遠端站通信能力無法達到普通4G基站接入層傳輸網帶寬規劃的要求。此外，在這種應用模式下，單個基站即使用了將近1個36MHz轉發器的全部資源，這將帶來很高的成本代價。

3.2時延限制

當前通信衛星主要采用GEO衛星，GEO衛星位于赤道上空距地約35，786km的惟一軌道上，信號從地面發射至衛星再經衛星轉發回傳，鏈路時延達到240ms，加上信號處理時延則鏈路總時延約為260ms左右。該物理時延不能滿足4G規范要求的基站回傳的信令基本時延要求，也不能滿足大部分業務的時延要求。

由于GEO衛星軌道擁擠且時延較大，當前衛星界也在研究中軌道（MEO）和低軌道（LEO）衛星提供寬帶衛星傳輸。由于MEO和LEO衛星軌道不是對地靜止，因此一般采用星座的方式進行覆蓋。以目前開始運營的O3B公司寬帶衛星星座為例，衛星位于赤道上空距地8，063km的軌道上，信號從地面發射至衛星再經衛星轉發回傳，約需傳遞16，126km，鏈路時延約為54ms，加上信號處理時延約為70ms左右。雖然基本能夠達到協議要求，但仍大大超過地面光纜網絡的時延。

4　4G基站采用衛星傳輸需要考慮的問題

4.1衛星帶寬分配方式

圖1　4G基站下行數據速率實時圖示

圖1是一個典型的4G基站下行數據速率實時圖，其中藍色為實時速率。可見，由于多種IP業務并發的特點，4G基站傳輸速率峰均比很高（現網基站峰均比一般都超過2∶1）。如果基于傳統的固定分配衛星帶寬的方式，為保障基站傳輸在一定概率下不出現擁塞，則需為這種概率分配較高的帶寬（如圖1中灰色線所示）。固定帶寬即獨享帶寬，剩余的帶寬將無法與其他基站共享，其結果將造成固定分配帶寬在很多情況下處于空閑狀態（如圖1中紅色部分所示），而且在保障概率之外的時刻（比如突發大速率業務），將會造成鏈路擁塞。因此，此種應用場景下帶寬必須動態分配，且多個基站之間應能夠共享帶寬。

對于應急通信場景，峰均比將比圖1要小，即便如此，仍應采用動態的或者階梯式的帶寬分配方式。

此外，考慮到采用衛星回傳的4G基站應用場景的特殊性，地面只能盡力而為提供業務能力，一般地僅采用O1配置。在20M信道帶寬、MIMO2×2、特殊子幀10∶2∶2、cat3終端條件下，單小區下行理論峰值速率約為80Mb/s，上行理論峰值速率約為10Mb/s。在實際使用中，單個O1配置基站平均下行速率在30Mb/s左右，平均上行速率約為10Mb/s左右。因此，衛星通信傳輸不應參照地面傳輸按照峰值配置80Mb/s以上的傳輸帶寬，應按照實際需求和傳輸能力，按照多個站點的平均值進行統籌配置，多個站點之間進行動態共享。

一般地，4G基站僅需提供2Mb/s左右的帶寬即可保障基站開站。從實際測試情況來看，雙向提供5Mb/s左右的帶寬即可實現流暢的VoLTE、視頻、FTP、HTTP等各種類型的業務。基于衛星傳輸帶寬成本較高、能力受限的特點，建議按照實際用戶模型分配適合實際應用的帶寬，在QoS控制下有優先級的、盡力而為的提供業務。

4.2時延的影響及應對措施

圖2　衛星回傳4G基站TCP單進程速率實測圖

LTE基站控制面具備一定的時延容忍度，從實際測試情況看，在往返傳輸時間（RTT）達到600ms的情況下，基站能夠正常開站和進行遠程操作，未出現操作告警。衛星傳輸時延對于實時業務的影響主要體現在用戶體驗上，VoLTE話音和視頻通話主觀感受會有一定的延遲，話音質量無明顯影響。影響較大的業務類型主要是TCP業務，需要通過技術手段進行優化。

為了防止網絡擁塞，TCP采用一系列的擁塞控制機制。擁塞控制主要采用擁塞窗口（cwnd），窗口值的大小就代表能夠發送出去的，但還沒有收到確認（ACK）的最大數據報文段，窗口越大數據發送的速度也就越快，但是越可能使得網絡出現擁塞。新建TCP連接采用慢啟動方式，cwnd初始化為1個最大報文段（MSS）大小，發送端開始按照擁塞窗口大小發送數據，每當有一個報文段被確認，cwnd就翻倍。因此，雖然數據窗口起點比較低，但cwnd的值隨著RTT呈指數級增長，可以很快速地達到網絡最大能力。對于GEO衛星，RTT大約為600ms，但是經過約6～8個RTT時間（5秒鐘左右），單進程即可達到2Mb/s以上的速率。因此，慢啟動對于衛星承載的TCP進程影響較小。

然而，cwnd不能一直指數增長，因為這樣將很快造成信道擁塞。所以，TCP還使用了慢啟動門限（ssthresh），當cwnd超過ssthresh后，慢啟動過程結束，進入擁塞避免階段。擁塞避免的主要思想是加法增大，也就是cwnd的值不再指數級往上升，改為加法增加。此時當窗口中所有的報文段都被確認時，cwnd的大小加1，cwnd的值就隨著RTT開始線性增加，從而避免速率增長過快導致網絡擁塞。對于GEO衛星，600ms左右的RTT將造成單個TCP進程的速率增長較慢。圖2為實際測試的GEO衛星承載的4G單進程業務流量統計情況，可見數據速率有明顯的線性增加趨勢，從最低的500kb/s至最高的5Mb/s，大概需要4分鐘。對于小數據量的TCP進程，在速率尚未達到最高點前可能進程已經執行完畢，網絡能力沒有達到有效利用。

由于衛星信道容量有限，TCP進程不可避免地會出現擁塞。TCP對每一個報文段都有一個重傳定時器（RTO），當RTO超時且還沒有得到數據確認，那么TCP就會對該報文段進行重傳，此時TCP將認為網絡進入擁塞狀態。為避免擁塞，一種典型的TCP應對方式是：把ssthresh降低為cwnd值的一半；把cwnd重新設置為1（普通方式）或者設置為新的ssthresh（快速重傳方式）；重新進入慢啟動過程（普通方式）或擁塞避免階段（快速重傳方式）。此時，TCP單進程數據速率將顯著下降。

為解決上述問題，采用MEO或LEO衛星星座降低RTT是較為有效的方式，對于GEO衛星，則需采用TCP加速。TCP加速一般采用透明代理的方式，透明代理分別與TCP連接的兩端進行交互，兩端的數據包都被緩存在TCP加速器上，TCP加速器之間的數據發送由TCP加速器進行控制，無需反饋ACK。TCP加速器采用協議欺騙的方式，在未收到一端的ACK之前即可提前向另一端發送ACK，對用戶終端而言，減少了ACK的回傳時間，從而使得上述的速率線性增加速度加快。采用TCP加速后，TCP單進程將可以很快將速率提升至100Mb/s以上。圖3為采用時延仿真器測試的不同RTT時延、不同TCP窗口條件下，TCP單進程速率。可見，采用TCP加速之后，速率能夠迅速提升，且與鏈路時延無關。當然，TCP透明代理的引入也不避免地會出現ACK誤報、不再重傳的情況，從而造成鏈路質量會有一定程度的下降，從測試結果看，下降程度不明顯。

圖3　TCP窗口、RTT時延與速率關系圖

4.3如何支持VoLTE

VoLTE是中國移動LTE網絡的目標語音解決方案，從長遠來看，衛星傳輸也應支持VoLTE業務。VoLTE采用AMR-WB語音編碼方式，每幀為20ms。從現網抓包分析，碼率為23.85kb/s的AMRWB包每一包大小為61字節。VoLTE數據包的封裝方式如圖4所示，可見每一個61字節的AMR-WB數據包在IP層將增加為161字節，約為64kb/s。該速率與現網測試平均值基本相符。

圖4　VoLTE數據包封裝示意圖

從上述分析可知，由于AMR-WB數據包字節較少，靜載荷為23.85kb/s的數據流經過網絡傳輸后需要64kb/s。通過包頭壓縮方式可以將最外層的IPv4和UDP包頭共28個字節進行優化，僅需2個字節即可進行信息傳遞，則可將數據速率壓縮為54kb/s，優化效率為16％。如果更進一步采用GTP壓縮技術，深入GTP數據包內部，則還可將GTP報頭、IPv6報頭、UDP報頭共60字節進行優化，采用12個字節即可進行信息傳遞，則可將數據速率壓縮為34kb/s，優化效率達到47％。

此外，也可采用載荷壓縮技術，探測數據包的重復性，并將重復數據進行壓縮傳遞。由于同一通話過程中VoLTE數據包的GTP報頭、IPv6報頭和UDP報頭重復發送，也能起到GTP壓縮的作用。從網絡實際測試結果看，綜合考慮對靜音幀的處理，每路VoLTE話音的數據速率可優化至25～30kb/s，對于衛星傳輸帶寬節約效果相當可觀。

此外，由于VoLTE話音終端起呼接續流程較短，雖然衛星單跳傳輸時延達到260ms左右，仍能將接續時間控制在5秒鐘之內，相當于通過地面傳輸的GSM網絡的接續時延，并大大優于衛星傳輸GSM網絡所需的15秒左右的接續時延，用戶體驗較好。

4.4QoS

不管是從成本考慮還是從設備能力考慮，現階段的衛星傳輸尚無法提供能夠比擬光傳輸網絡的容量，也無法滿足4G基站回傳的峰值速率，因此，基于衛星傳輸的4G回傳將不可避免地遇到傳輸容量受限的問題。如表2所示，4G基站回傳包含信令、多種業務數據以及基站網管等數據，當網絡過載或擁塞時，必須采用QoS機制以保障重要業務量不受延遲或丟棄，同時還能保證網絡的高效運行。

4G基站回傳的QoS機制主要應基于4G系統自身的QCI參數，這是一種主動式的QoS方式。基站探測到鏈路擁塞后，將會根據業務的QCI參數和優先級，優先向傳輸通道發送高優先級的數據包。在實際測試過程中，采用FTP傳輸將傳輸信道占滿的情況下，優先級較高的VoLTE業務能夠及時的搶占資源，而同一優先級的HTTP等業務影響明顯。因此，如果在某些特殊應用場景下部分業務需要優先傳輸，則須對這部分數據配置較高的優先級。

4G基站回傳的QoS機制也可以利用衛星傳輸鏈路的QoS。衛星傳輸的QoS應用可以基于協議、VLAN ID、TOS值、源IP地址（或子網）、目的IP地址（或子網）、端口及DSCP（DiffServ）等方式。這種控制可獨立于4G系統之外，作為輔助QoS方式并結合衛星帶寬分配方式綜合使用。然而這種方式也依賴于4G系統與衛星系統之間的協商和配合，衛星系統需要根據QoS規則提前了解各類業務優先級標簽。

5　結束語

4G業務的主要特點是高速率、低時延，在受限于應用場景只能采用衛星傳輸這種容量受限、時延較大的基站回傳通道時，應綜合采取動態帶寬分配、TCP加速、包頭壓縮、載荷壓縮等技術，在控制成本的同時增強業務能力；同時也應充分考慮QoS機制，確保重要業務優先傳遞。

Study on Satellite Communication for 4G Backhaul

Huang Yaoming1，Wang Jiyang1，Wang Hongbin2，Fan Xiaolei2
（1. China Mobile Group Design Institute Co.，Ltd，Beijing，100080；2. China Satellite Communications Co.，Ltd，Beijing，100094）

The satellite communication plays an important role on 4G backhaul for mountainous and sea areas where fiber communication is hard to achieve. However，because of the limited bandwidth and high latency，satellite communication is inadaptable for 4G service with high throughput and low latency. By solving the problem，methods including bandwidth allocation，TCP acceleration，header compression and QoS are analyzed based on test results.

4G； satellite communication； backhaul； QoS

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.005

TN92

A

1672-7274（2015）04-0020-05