遠洋船海事FB站通信鏈路時延分析

張建飛，丁 廣，趙乾宏

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰214431)

0 引 言

海事FB 站是基于Inmarsat BGAN 系統的船載衛星通信終端設備。某遠洋船海事FB 站通過該系統地面接口、接入網和租用專線構成岸船通信鏈路，完成岸船間的話音通信和數據傳輸。然而，該鏈路時延和時延抖動較大，容易產生數據丟包、話音不暢等問題，對遠洋船海上實驗任務的順利完成帶來一定的影響。

1 海事BGAN 網絡

BGAN 網絡是Inmarsat 提供的基于海事第四代衛星的全球寬帶衛星移動通信系統［1］。海事第四代衛星在同步軌道布置了3 顆，它們分別是歐非星(Eur-MidEast-Afr，EMEA，@ 25° E)、亞 太 星(Asia-Pacific，APAC，@ 143.5° E) 和 美 洲 星(Americas，AMER，@98°W)［2］。Inmarsat 針對第四代海事衛星軌道位置，在全球相應地區設置了4 座地面關口站(Satellite Access Station，SAS)，它們分別是夏威夷站、荷蘭站、意大利站和北京站。其中意大利站與荷蘭站互為備份，夏威夷站對應東西2個方向(美洲星和亞太星)覆蓋地區及海區的業務，北京站對應亞太星覆蓋地區及海區的部分業務，如圖1 所示。地面關口站的作用是負責其對應方向衛星覆蓋區域內在線用戶信號的落地并接入Inmarsat BGAN 核心網。在BGAN 核心網內設置了3個網絡匯接點(Meet Me Point，MMP)，分別位于阿姆斯特丹(簡稱荷蘭MMP)、紐約和香港。

BGAN 系統通過MMP (或SAS 直接地)在各地設立BGAN 業務地面接續站 (Inmarsat point of presence，POP)，提供BGAN 相關用戶與當地公眾交換電信網和國際互聯網的連接，負責開通BGAN數據、話音及傳真等業務［3］。

圖1 BGAN 海事衛星及SAS 分布Fig.1 Distribution of satellite and SAS fort Inmarsat BGAN

BGAN 業務終端形式有多種多樣，可根據用戶的具體需求和經濟實力而定。從大體上分有陸用站、船載站和機載站。針對海上業務，Inmarsat 定義海上寬帶業務船載站為Fleet Broadband 系列站，簡稱FB 站或FBB 站。各FB 站的外觀、重量、業務功能及操作界面不盡相同，各有特色。

SAILOR FB500 (簡稱FB500)是T＆T 公司推出的基于BGAN 業務無縫覆蓋的海事FB 站，主要有主機、天線、操作手柄和電源等4 部分組成。具有話音通信和數據傳輸等諸多功能，其中數據傳輸功能分為UDI、standard IP 和 streaming IP 等。BGAN 對streaming IP 業務方式能提供最好的服務質量保證。

2 遠洋船海事衛星通信鏈路

2.1 鏈路主干結構

遠洋船海事通信終端FB 站通信業務在某國際運營商香港POP 注冊，其通信業務目前通過香港POP 完成接續。其信息流程是:信號在夏威夷落地后經過海底光纜到達香港MMP，然后再經過香港POP 和地面IPLC 線路接入北京指揮中心，其結構如圖2 所示。夏威夷至香港的海底光纜線路走向如圖3 所示。

2.2 用戶終端系統

遠洋船海事FB 站通信鏈路終端系統即船載部分由FB500 型FB 站、路由器、網絡隔離器、時延抖動平滑器、船站局域網等部分組成。

在海事FB 站通信鏈路中，為了信息安全、加入了網路隔離措施;同時，針對時延抖動問題采用了時延抖動平滑措施。

圖2 遠洋船海事衛星通信鏈路Fig.2 Satcom link of Inmarsat BGAN about the ocean-going ship

圖3 海底光纜線路圖Fig.3 Link of submarine optical fiber cable

2.3 存在問題

遠洋船海事海事衛通鏈路在實際工程應用中，存在以下問題:

1)FB 站在streaming IP 256 kbit/s 業務(包長64byte)下，數據最大時延實測值最小為437 ms，平均時延為480 ms，最大達到589 ms，與點對點衛通鏈路方式(指標為400 ms)相比，存在較大的差距。

2)鏈路經過漫長的海底光纜和陸地復雜的租用線路，中間環節多，鏈路的可靠性和信息的安全性受到影響。

3)信息在國外衛星關口站落地，在鏈路溝通、設備維護及故障排查過程中，難以進行雙方技術業務的交流與協作。

3 時延分析

時延是指數據從鏈路的一端傳送到另一端所需的時間。鏈路中的時延是由發送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延組成的［4］。造成鏈路時延的主要原因可以簡單地分為設備產生的時延和鏈路產生的時延。時延很大程度上體現了鏈路的擁塞狀態。

1)發送時延

發送時延是主機或路由器發送數據包所需要的時間，也就是從發送數據包的第一個比特算起，到該包最后一個比特發送完畢所需的時間。發送時延為數據包長與鏈路傳輸速率之比。通過控制應用層，包長可將傳輸時延控制在合適范圍。當數據包長為64 bytes，鏈路傳輸速率為256 kbit/s 時，發送時延約為2 ms。

2)傳播時延

傳播時延是電磁波在信道中傳播一定距離所需花費的時間。端對端方式的衛星通信系統，數據時延一般在270 ms 左右［5］。對于光纜通信線路，時延值為［6］

式中:L 為光纖長度;N 為光纖材料群折射率，對于1 310 nm 的光纖來講，折射率約為1.5;C 為真空中的光速，其值為3 ×108m/s。

根據圖3 大略計算海底光纜距離，夏威夷經威克島、關島、東京、香港的球面直線距離約為15 000 km，光纜的傳播時延約為75 ms。在陸地上的專線，從香港到北京的直線距離約為2 000 km，光纜的傳播時延約為10 ms。

另外，BGAN 網絡國際用戶進入中國領土、領海及領空時，須接受中國交通信息管理部門的“強制路由”管理，其通信話音和數據等必須經過該部門通信導航機構的“檢驗”和“識別”。遠洋船海事FB 站因在國際某運營商香港POP 注冊，當船舶在我國領海活動時，其信息流程如圖4 所示。香港至北京的地面路徑來回約4 000 km，傳播時延計算為20 ms 左右。

3)處理時延

主機或路由器在收到數據包時要花費一定的時間進行處理，例如分析數據包的首部、從數據包中提取數據部分、進行差錯檢驗或查找適當的路由等。處理時延大小受每個節點的計算能力和可用的硬件的影響。

圖4 “強制路由”信息流程Fig.4 The data flow of forced route

4)排隊時延

排隊時延是指數據包在路由器的緩沖區中，傳輸或處理前的等待時間。排隊時延由路由器中的交換結構決定。排隊時延與帶寬利用率和信息突發的關系明顯，當網絡輕負荷時，排隊時延很小，基本可忽略。時延抖動主要由IP 數據包在節點排隊等待時間的不確定性因素產生。

綜上所述，海事衛通鏈路的信息從國外衛星關口站落地，經過BGAN 核心網的交換和傳輸，再經過地面專線到達指控中心，對鏈路時延影響較大的主要是傳播時延，該值達到375 ms。發送時延、處理時延和排隊時延，因系統涉及范圍廣，鏈路間的節點、設備數量及型號不明，其數值難以計算，只能通過測試的方法獲得。

由上可見，數據經過衛星電路和光纜線路之后，其傳播時延累計達到375 ms，其中光纜的傳播時延達到105 ms。再加上發送時延、處理時延和排隊時延，以及途中諸多路由節點增加的時延，海事FB站通信鏈路在通信雙方路由器之間的累計時延就超過了437 ms。

4 鏈路優化設計

從通信系統技術要求來說，目前岸船海事衛通鏈路的數據傳輸時延確實存在偏大問題，為此有必要對岸船通信鏈路進行優化，縮短數據傳輸時延，以提高系統性能，拓展通信業務。

4.1 注冊MCN POP

中國交通部通信信息中心是Inmarsat 組織成員國在中國的業務代理，BGAN 網絡中國用戶須在中國交通部通信信息中心下屬的北京通信導航公司(MCN)注冊，享受中國用戶的權益和通信服務。遠洋船用戶如果在MCN 注冊，使用MCN POP 站，則不存在“強制路由”的問題，使海事終端用戶在信息傳輸更加順暢;另外遠洋船海事衛通及鏈路在業務管理、系統維護、技術交流等方面能得到交通部通信信息中心業務部門有力和便捷的支持。

4.2 選用北京SAS

目前，全球第4 座海事BGAN 衛星關口站——北京SAS 在北京某地區建設完成并投入使用，2015年3 月北京SAS 完成骨干網線路優化調整，其骨干線路直接連通夏威夷SAS 與荷蘭SAS。北京SAS 站的投入使用，使MCN POP 站在BGAN 網中的邏輯位置發生變化。通過與北京SAS 站的連接可直接接入BGAN 大網。目前MCN 所有用戶無論在全球哪個SAS 站落地，通信業務均通過站點間專線路由至北京SAS 站，進入MCN POP 站。北京SAS 站通過帶寬40M 的MPLS 專線實現與BGAN 其他站點間的互聯互通，較之前北京－香港之間的8M 專線相比有了徹底改善，業務不再受帶寬瓶頸的限制。

如果遠洋船海事通信業務從北京關口站落地，這將大大縮短信道路程，有效解決信息傳輸時延和時延抖動偏大的問題。通過敷設或調配專用光纜，把線路接進指控中心，可以進一步改善鏈路質量，見圖5 所示，此時帶來的好處:

1)選用北京SAS 后將大大地縮短路徑、減少中間設備和環節，能有效減小處理時延和排隊時延，從而提高系統可靠性和數據傳輸性能。

2)目前，遠洋船對海事衛通終端和海事鏈路性能狀態檢查的主要方法是鏈路ping 通檢查和誤碼測試，如果采用北京SAS 的話，可以建立海事用戶終端與北京SAS 之間的鏈路性能測試業務，為此能有效提高工作效率和節省費用。

圖5 基于北京SAS 的海事衛星鏈路Fig.5 The communication link for Inmarsat BGAN base on SAS-beijing

3)海事關口站(SAS)能夠監視全球海事終端在線使用情況，包括信號激活、流量分析、功率控制等。如果把該信息采集伴隨傳送到遠洋船，則對設備和鏈路的運行管理、技術保障和故障分析帶來諸多方便。

4.3 優化設計驗證

根據本方案設計，在某船舶FB 終端進行Streaming256 業務性能測試。結果是:信息直接從北京SAS 站落地，再傳輸到POP －MCN，平均傳輸時延約為350 ms (包長64 byte);信息在其他SAS站落地時，通過BGAN 核心網MPLS 專線路由到達北京SAS，平均時延約425 ms (亞太星/美洲星)。試驗結果證明:

1)FB 站從北京SAS 落地之后，比原先香港POP 再加地面租用專線到指控中心的方式平均時延減少了130 ms，說明海底光纜和地面租用專線的漫長和復雜帶來不可忽視的時延。

2)信息在其他SAS 站落地時，通過BGAN 核心網傳輸到POP －MCN，再到指控中心，比當前其他POP 方式減少了55 ms，說明POP － MCN 融入BGAN 核心網后性能有明顯的提升。

遠洋船海事FB 站通信鏈路采用北京SAS 落地，其鏈路將大為縮短，中間環節大為減少，不僅時延減小，而且在時延抖動指標上得到改善，屆時可以省略時延平滑設備，使系統更加簡捷和可靠性。同時在系統維護、設備聯試和技術交流上能得到業務管理部門的支持。

5 結 語

基于第四代海事衛星的BGAN 是目前國際上比較先進的衛星寬帶移動通信系統，FB 站是該系統中的船載用戶終端。該系統擁有便捷的操作、較寬的帶寬、豐富的業務、可靠的核心網絡等諸多優點，但由于網絡復雜，存在信息安全隱患和時延較大等問題。在用戶通信鏈路的系統設計中，應從系統可靠性和安全性的大局出發，綜合考慮各項指標，緊跟技術發展步伐，及時解決應用過程中出現的問題，不斷完善系統性能。

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