新一代天基信息系統多業務傳輸保障機制設計

谷聚娟，白鶴峰，李文屏，蘇 曼，王曉婷，馬廣龍

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

0 引言

近年來，天基網絡空間成為全球新一輪競爭熱點，我國已經將天地一體化信息網絡列為重大專項，天基網絡對維護國家安全、搶占空天信息競爭制高點、促進經濟發展具有重大意義[1]。近年來，我國已經成功發射了多顆不同軌道、不同用途的衛星，并積極開展新一代天基信息系統組網技術研究和探索，初步形成了“天基骨干網+天基接入網”的網絡架構[2-3]。

新一代天基信息系統是以不同軌道、種類、特征的衛星、星座及相應地面基礎設施所組成的信息網絡，它們通過星間、星地鏈路連接在一起，可以為用戶提供數據、話音、視頻等多種類型業務。新一代天基信息系統具有大時空跨度、衛星資源受限、異構網絡互聯等特點，相比傳統地面網絡，其多業務傳輸保障機制面臨著前所未有的挑戰。

如何在異構無線網絡中進行端到端服務質量保證，文獻[4-9]進行了一定的研究，但是都沒有針對天基網絡特定的網絡環境、分析衛星的特點以及結合具體的業務類型，因此其成果不能直接用于天基信息網絡中。

天基信息系統中多業務的傳輸保障機制還不完善，為保證多種業務類型的傳輸，充分利用衛星網絡帶寬資源，必須結合天基信息系統的網絡架構、業務類型以及異構網絡互聯特點設計適用于新一代天基信息系統的多業務傳輸保障機制。

1 新一代天基信息系統網絡架構

我國新一代天基信息網絡相關的研究和討論已經持續了10多年，并安排了一系列課題進行研究，目前已經取得了一系列成果。在綜合文獻[10-15]相關研究工作的基礎上，提出新一代天基信息系統網絡架構,如圖1所示。

圖1 新一代天基信息系統網絡架構Fig.1 Network architecture of the new generation space-based information system

新一代天基信息系統包括天基骨干網、天基接入網以及地基節點網三部分。高軌衛星節點具有拓撲結構穩定、單星覆蓋區域廣的優勢，可以作為天基骨干網。天基接入網由高軌接入網、中低軌接入網等多種軌道節點構成，高軌道接入衛星在全球覆蓋和傳輸能力方面具有優勢，可以納入高軌接入網；中低軌星座衛星具有數量多、全球覆蓋及時延低等優勢，滿足陸、海、空、天多層次海量用戶的接入需求。地基節點網主要包括衛星管控中心、各類關口站，通過地面關口站完成不同網系各類用戶業務到地面互聯網和移動通信網的地面轉接與信息交換等功能，實現與其他地面系統的互聯互通。

2 多域協同的QoS機制設計

2.1 業務QoS需求分析及策略

在新一代天基信息系統中，業務類型包括話音、視頻、IP數據以及會議等多種類型，不同業務類型的QoS需求不盡相同，需要結合業務類型進行分析。

對于話音、視頻電話以及會議等業務，實時性要求較高，可以作為保障業務，多域協同，提前為其分配保障鏈路[16]，提供高水平的服務質量保障。對于其他實時業務，為其劃分較高優先級來保障其傳輸的可靠性和實時性。

而數傳業務對鏈路傳輸時延要求較低，可以延時傳輸，因此可以作為非保障業務，盡力而為進行傳輸。

2.2 QoS機制總體架構

新一代天基信息系統中，不同業務類型的QoS需求不同，并且天基信息系統具有大時空跨度、衛星資源受限、異構網絡互聯等不同于地面網絡的特點。現有QoS技術都不能很好地支持業務端到端QoS，綜合服務模型實現過于復雜，區分服務模型只能提供相對的QoS保證，MPLS-TE對網絡和設備的要求比較高，通常只用于地面核心網絡[17]。

本文提出了多域協同的跨層按需服務質量保障技術，總體架構如圖2所示。多域協同的跨層按需服務質量保障技術按照天基網絡和地面網絡的特點，在不同網絡域針對不同業務采用不同的QoS機制，域間通過QoS參數協同，以保證各異構網絡策略的一致性和收斂性；在不同的網絡層次采用不同的QoS機制，實現在公共、開放、融合的網絡環境中為業務提供端到端的QoS保障。

圖2 QoS總體架構Fig.2 QoS overall architecture

2.3 跨層QoS機制

天基網絡中的QoS架構采用保障類業務和非保障類業務相結合的方式，全面保障各類業務的QoS需求。對于話音、視頻電話等有嚴格帶寬需求的會話類業務，采用自定義的資源預留協議為業務預先分配信道資源，一旦資源預留成功則為其分配較高優先級，并在預留信道進行傳輸。系統首先對數據包進行分析，解析數據包是SIP信令還是普通數據包。對于保障類業務，觸發資源預留過程，并與星上進行QoS參數協同，提供多域統一的服務質量保障。對于普通業務，則采用Diffserv的方式，區分業務優先級，進行QoS管理，優先保障高優先級業務。

跨層QoS需要在通信網絡各個層面進行服務質量聯動控制，在網絡層通過IP 網絡QoS 技術，為上層應用提供QoS 協商機制，對下需要與實際的無線信道資源分配相組合[4]。

下面分別從應用層、IP層和MAC層介紹各層的QoS功能。

(1) 應用層：向用戶終端發送SIP信令建立或取消會話。對于實時業務(如VOIP)，用戶終端之間基于SIP信令來建立、改變和終止多媒體會話，協商業務的傳輸信息，如媒體類型、使用的編碼方式等。如果衛星終端能夠為實時業務預留資源，則通知接入控制模塊準許接入業務，應用層向用戶終端轉發確認建立SIP會話的信令；反之向用戶終端發送取消SIP會話信令。

(2) IP層：采用Diffserv的方式，進行QoS管理，具有業務分類、標記、流量控制、策略以及排隊調度等功能。通過MAC層的反饋機制對各個IP隊列進行流量控制，減少各個MAC隊列的大小，提高整個調度效率。

(3) MAC層：為滿足IP層Diffserv的轉發請求，需要結合無線資源管理技術，通過衛星資源管理中心預留無線資源來保障實時業務端到端的服務質量。對于衛星網絡中的無線資源，實時業務使用預留的帶寬資源；非實時業務，各優先級隊列按照絕對優先調度規則共享非實時帶寬資源。

(4) QoS跨層映射：IP層優先級到MAC層QoS優先級進行映射，基于MAC QoS優先級對數據包進行緩存,映射關系如圖3所示。

圖3 IP層和MAC層QoS優先級的映射關系Fig.3 Mapping relationship between IP layer and MAC layer

MAC QoS到無線資源的映射一方面根據業務需求生成不同類型的資源請求，另一方面利用系統分配的帶寬資源對MAC層信元隊列進行調度。經過調度的信元通過相應處理(信道編碼、調制、突發成形等)發送至系統上行鏈路。

2.4 跨域QoS協同

在天地一體化融合網絡環境下，為實現業務在跨網傳輸過程中能夠得到一致的服務質量保證，需要分別結合天基網絡和地面網絡自身QoS參數指標體系，建立網絡間QoS參數的映射關系，同時，天基網絡和地面網絡都需要從端到端的角度提供自己的QoS承載服務和端到端QoS參數在不同協議層之間的映射，以確保用戶體驗指標、業務質量指標及各網絡資源參數指標在業務提供過程中的一致性。

目前比較成熟的 QoS 機制，通常采用靜態映射方式，或根據業務某一項或者幾項 QoS 參數尋找物理上最接近的性能進行匹配。對于實時性要求高的VIP數據和實時數據，在地面網絡中也需要映射為較高優先級；對于非實時數據，映射為較低優先級；對于盡力而為的數據映射為最低優先級。通過簡單的對應方式，將自身的業務類型映射為 IP QoS 標準，以便在 IP 骨干網上順利傳輸。

3 基于原型系統的測試及分析

原型系統測試環境如圖4所示，該環境由2顆衛星、2個關口站和2個衛星機動站組成。衛星載荷包含星載交換和星載CPU，可以對數據進行優先級分類和調度，衛星間配置星間鏈進行連通，A星和B星下各有1個關口站和1個機動站，組成全連通的衛星網狀網絡。B星關口站包括SIP服務器、SDN控制器、網管中心、衛星通信終端、業務終端及IP話機等；A星關口站和衛星機動站包括衛星通信終端、業務終端及IP話機等。由B星關口站連接路由器接入地面網，實現異構網絡互聯。

圖4 原型系統測試框圖Fig.4 Prototype system test block diagram

按照測試框圖，連接各個設備，對多業務傳輸保障機制進行測試，步驟如下：

① 給所有設備加電，配置或檢查各設備IP地址是否正確，等待各終端入網成功，路由表收斂；

② 配置網絡測試儀在端口1到端口4進行RFC2544測試，記錄測試結果；

③ 根據測試結果給網絡持續注入背景流量，同時撥打IP電話，觀察電話互通情況及背景流量丟包情況。

測試結果如表1所示。

表1 多業務傳輸保障功能測試結果Tab.1 Multi-service transmission guarantee function test results

由測試結果可以看出，系統在背景流量達到吞吐量時，仍能夠保障電話信令和電話媒體流的正常傳輸，電話通話正常。

4 結束語

我國已經將天地一體化信息網絡列為重大專項，天基信息系統受到越來越多的關注，支持多種業務傳輸保障成為衛星網絡發展的必然趨勢，因此研究新一代天基信息系統多業務傳輸保障機制具有重大意義。本文提出的多域協同的按需服務質量保障技術，將業務劃分為保障類業務和非保障類業務，在不同的網絡域為不同業務采用不同的QoS機制，域間通過QoS參數協同，保證各異構網絡策略的一致性和收斂性，可以滿足新一代天基信息系統中不同業務對服務質量的要求，提高無線鏈路資源使用效率。