地面分组网利用MF-TDMA卫星网组网的网关研究

李子木

(海军驻北京地区通信军代表室,北京100036)

0 引言

在奥运安保、汶川救灾和玉树救灾等突发事件中,卫星通信因其覆盖范围大、开通便捷、通信保障有力等应急保障能力的独特优势得到人们的普遍关注。地面网络具有支持通过卫星通信网能力组网显得越来越迫切和重要,成为当前的混合组网的研究热点之一。

通过对MF-TDMA卫星网这样一种在卫星通信中被广泛应用的卫星通信网以及地面网中当前的重点网络分组网的简单介绍,提出了3种解决方案。然后对其进行了分析比较,对更为合理的通信网关方案进行了比较详细的介绍。

1 MF-TDMA卫星网

MF-TDMA(多频时分多址)卫星网络是由地面主站、备用主站、网控中心、众多从站和卫星转发器等单元组成,系统的主要业务是话音、数据和视频,但各卫通站通信能力大小不同,每个地面站作为主叫或被叫,向网控中心站申请卫星信道资源,网控中心对卫星网络资源与信息进行有效管理与调配,使其可以应对各种复杂的突发情况,适应应用任务、网络本身和外部条件的变化,从而实现卫星网络稳定、可靠、持续和高效运行。

其中,多频(MF)基于多波束透明转发体制,在每个波束上通过TDMA体制可以大大扩展接入站点数量。MF-TDMA卫星通信网因为支持综合业务接入、能够实现大小终端同网工作、可以针对不同的应用需求进行灵活设计等诸多优点而成为目前已成为国内外卫星应用、发展及研究的热点。

2 地面分组网

地面分组网是指基于ATM或者IP等体制的网络体系,支持多种编码话音、同步数据和IP数据等综合业务。

地面分组网中,常用的传输手段包括:微波接力、散射、毫米波、光纤和有线远传等。

目前,地面分组网中针对话音业务(含同步数据业务)常用路由方法有以下几种:确知路由法、饱和路由法和派遣路由法。其中,派遣路由法应用较为广泛,派遣路由法是确知路由法和饱和路由法的优化结合,该方法以饱和路由法为基础,辅助以确知路由方法。派遣路由方法中确知路由使用的“常用被叫用户表”和“链路优先表”通过饱和路由法学习得到和更新,不需要预先配置。派遣路由法的确知路由方法可以解决网络呼叫中的大部分寻址问题,只有少量被叫用户通过饱和路由方法进行寻址。

IP路由协议主要包括:基于距离向量协议的RIP协议、基于链路状态协议的OSPF协议和基于路径向量协议的BGP协议。在地面分组网中,路由协议一般选用OSPF协议,当网络规模较大时,可将其划分为多个AS,AS之间选用BGP协议。不同地面分组网之间选用BGP协议并可支持MPLS VPN。局域网接入时,可选用静态路由方式、RIP或OSPF的动态路由协议。和宽带综合业务信息网互连互通时,选用BGP或OSPF的动态路由协议。

地面分组网的协议处理和网络拓扑的管理上更多是面向相邻节点的。

3 利用MF-TDMA卫星网组网

地面分组网利用MF-TDMA卫星网组网可以有以下3种方案:点对点通信方案、仿真群路通信方案和通信网关方案。下面对3种方案的实现和各自的优缺点进行分析。

3.1 点对点通信

利用卫星通信实现2个组网节点间的一对一中继传输。

该方案的优点在于实现简单。

该方案的缺点包括:无法实现网状网组网;跨节点通信需要经过多跳卫星链路,这样既对成本较高的卫通信道资源造成浪费也大大增大了传输时延和抖动;卫星通信网络利用率很低。

3.2 仿真群路通信

卫星终端设备和地面分组网组网节点间约定一种虚通路方式,仿真出多条中继群路,从而具有一定数量的网状网组网能力。

该方案的优点有:使得一定数量的网状网组网成为可能;不需要跨网转换处理,设计较为简单;网内各综合业务可以实现一跳可达。

该方案的缺点有:组网数量受限,需要在更低的层次区分虚通路,如果在较高层次,则卫星通信设备需要针对地面网体制(ATM、IP体制)等进行适应性改动,降低了卫星通信设备的通用性;带宽利用率不高,过多的冗余信息需要占用卫星信道传输;没能利用卫星通信的广播性特点。

3.3 通信网关

设计一种通信网关,在不改变地面分组网和MF-TDMA卫星网各自技术体制的情况下,通过该通信网关达到充分利用卫星信道特性而实现更大数量网状网组网能力。

该方案的优点有:可以实现大规模的网状网组网;最大限度地利用卫星信道的广播特性;大大提高卫星信道带宽利用效率;地面分组网节点设备和MF-TDMA终端设备无需进行改动,有很高的通用性;所有在网节点的综合业务一跳可达。

该方案的缺点有:需要增加一个设备;需要跨网转换,实现相对复杂。

4 通信网关

通信网关方案中,通信网关是地面分组网综合交换节点和MF-TDMA卫星终端互连的关键设备,与地面分组网和MF-TDMA卫星终端的互连分别需要具有相关互连接口及进行互通的软件支持。下面讨论其需要具备的功能、实现方式和一种典型应用。

4.1 功能

显然,通信网关需要实现地面分组网络通过图1中的连接关系实现网络交换拓扑连接关系。

通信网关需要具备以下功能:①与地面分组网互通;②与MF-TDMA卫星终端互通;③信令转换;④协议转换;⑤流量控制;⑥网络连通管理。

其中,信令和协议转换以及流量控制是通信网关性能指标所依赖的关键技术。

图1 基于通信网关的连接与网络拓扑

4.1.1 信令转换

地面分组网中,组网节点(通常为交换设备)需要与相邻节点进行一对一的信令交互。以一个N个组网节点的全连通网络为例:每个节点需要与其他(N-1)个节点进行信令交互,全网共需进行N*(N-1)/2次信令交互,这种信令交互是基于无广播特性的一对一传统中继连接的。

而对于具有广播特性的链路而言,每个节点只需发出一个广播信令,其他节点即可全部收到,不再需要向每个节点发送单播信令,这样N个组网节点的全连通网络则需要N次信令交互,是原有信令方式信令交互次数的2/(N-1),当N=2时,二者相等,随着N的增大,节约带宽资源效果更加明显。

4.1.2 协议转换

下面以FRP协议的转换为例进行说明。

地面分组网动态路由协议FRP软件包括邻居维护模块、路由更新模块、路由计算模块和RTP协议模块。FRP消息流程如图2所示。

图2 FRP消息流程

专用路由协议(PRP)是针对通信网关专门设计的单播路由协议,用于通信网关之间进行路由沟通。协议采用改进的有线链路单播路由协议模型,充分利用卫星信道的广播特性,采用单播和广播相结合的方式实现协议报文的交互。

4.1.3 流量控制

MF-TDMA(多频时分多址)卫星网络一个显著特点即每个入网卫星站可以灵活分配带宽,如以N*32 kbps的速率进行分配。

这样对于不同作用和地位的地面分组网节点可以根据自身特点灵活配置相邻卫星站的带宽,但是地面分组网络节点与通信网关互连接口不可能设置成N*32 kbps这样的接口速率,在不对地面分组网进行改动的情况下,如何有效地进行流量控制也是需要重点研究的内容之一。

一种常用方法为“业务区分+优先级”方式。通过对支持的接入业务划分为3～4个优先级,如信令和协议为最高优先级,实时业务(话音业务等)为次高优先级,非实时数据业务(如IP数据等)为最低优先级。通信网关根据网管配置的所连卫星站点的带宽分配情况,将带宽量化为除基本信令和协议交互外,对于最低优先级的业务进行一个最低带宽保证,然后可以进行64 kbps的PCM编码话音、16 kbps的CVSD编码话音以及8 kbps的G.729A编码话音分别为多少数量的话路,通过呼叫信令进行相关控制,就可以达到较为灵活的流量控制功能。

4.2 实现方式

4.2.1 硬件平台

硬件平台是整个设备的基础,应该包括:高性能通信处理器、地面分组网互连接口、MF-TDMA终端互连接口、维护接口、网管接口以及电源接口等。

高性能处理器用于提供进行软件设计。因为设计的软件量较大,需要包括地面分组网和MF-TDMA卫星网2个网的大部分协议及信令处理功能,还有跨网转换功能的处理,因此需要选用较高性能的通信处理器。

地面分组网互连接口仅需一个,需符合地面分组网的相关标准。MF-TDMA终端互连接口需要一个,需符合MF-TDMA终端的相关标准。维护接口、网管接口以及电源接口可以具有较高的继承性。一种可能的实现框图如图3所示。

图3 一种电路实现框图

4.2.2 软件设计

软件设计包括:操作系统、地面网互通软件、MF-TDMA卫星网互通软件、综合业务支持、网管软件、维护软件和跨网转换软件等。

其中跨网转换软件是通信网关的关键技术,其他软件可以具有较强的继承性。跨网转换涉及的部分协议改造必须遵循:①充分利用卫通的广播特性;②尽可能提高卫通信道资源的利用效率;③适应卫通信道的高时延和高抖动等特性。

4.3 典型应用

基于通信网关的一种典型应用是通信网关之间通过MF-TDMA卫星网互连,同时通信网关与综合接入交换设备相连接实现与其他子网的互联互通。

地面分组网的各综合接入交换设备实现全连通网状组网,各综合接入交换设备节点间的各种综合业务可以实现一跳可达的互通。

5 结束语

综上所述,通信网关是实现地面分组网利用MF-TDMA卫星网络进行组网甚至实现地面网和卫通网混合组网的较为合理的方案,对于卫通信道资源的利用更加全面高效,支持组网的节点数量多,且支持一跳可达,相比较于星上交换体制的成本高昂、设计复杂度高和可靠性低等特点也具有一定的优势,是利于工程实现的一种设计方案。

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