适合4G基站回传的卫星通信思路探析

黄曜明，王激扬，汪鸿滨，范晓雷

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京　100080；2.中国卫通集团有限公司，北京　100094）

适合4G基站回传的卫星通信思路探析

黄曜明1，王激扬1，汪鸿滨2，范晓雷2

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京100080；2.中国卫通集团有限公司，北京100094）

在山区、海域等光传输网络难于抵达的地区或者应急通信场景，4G基站回传仍然需要使用卫星通信。然而，4G业务实时性强、业务速率高的特点也放大了卫星通信带宽较小、时延较大的弱势。本文从这个矛盾出发，结合实际测试和应用情况，试从卫星带宽分配方式、TCP加速、包头压缩、QoS等方面提出适合4G基站回传的卫星通信解决思路。

4G；卫星通信；基站回传；QoS

1　引言

随着中国移动TD-LTE网络向农村地区覆盖的深入，这张全世界最大的4G网络不光是基站数量最大，覆盖区域也勇夺全球之冠，这也大大增加了基站回传网络的压力。根据GSM网络建设的经验，卫星传输基于广覆盖、少维护的特点，在边境、沙漠、高山等区域相对光传输网络具备一定的成本优势，特别是对于海岛、机载、船载等应用场景，卫星通信几乎是惟一的选择。此外，随着应急通信场景下视频通信等实时宽带通信的需求日益增长，应急通信也应提供4G业务，在面对汶川地震这种重大灾害时，4G应急尚需具备卫星回传的能力。

然而，目前通信卫星大部分仍采用同步轨道（GEO）卫星，这种时延大、带宽受限的传输方式恰恰与4G业务实时性强、业务速率高的特点相矛盾。本文从该矛盾出发，结合实际测试和应用情况，试议4G基站采用卫星回传需要考虑的因素，希冀能为现网应用提出一些解决思路。

2　4G基站回传对于传输网络的要求

2.1带宽要求

根据中国移动TD-LTE传输规划原则，基站接入层带宽规划如表1所示。

表1　TD-LTE传输网带宽规划建议表

2.2时延要求

（1）控制面时延。协议规定，终端从空闲态到连接态的时延应控制在100ms以内。目前要求eNB 至S-GW之间的S1接口时延为10ms，eNB之间的X2接口时延为20ms。

（2）业务时延。LTE网络是一个多业务网络，针对不同业务有不同的优先级、时延和传输质量要求。具体要求如表2所示。

表2　LTE各类型业务要求对比

3　卫星通信的限制

3.1带宽限制

由于卫星通信天线物理尺寸较大，为便于安装，一般地用于基站回传的C频段天线不超过3米（中心站可配置为15米），Ku频段天线不超过2.4米（中心站可配置为9米）。采用目前在轨的优质卫星资源，C频段单站可达到20～30Mb/s的能力，Ku频段单站可达到30～40Mb/s的能力。可见，一般的卫星远端站通信能力无法达到普通4G基站接入层传输网带宽规划的要求。此外，在这种应用模式下，单个基站即使用了将近1个36MHz转发器的全部资源，这将带来很高的成本代价。

3.2时延限制

当前通信卫星主要采用GEO卫星，GEO卫星位于赤道上空距地约35，786km的惟一轨道上，信号从地面发射至卫星再经卫星转发回传，链路时延达到240ms，加上信号处理时延则链路总时延约为260ms左右。该物理时延不能满足4G规范要求的基站回传的信令基本时延要求，也不能满足大部分业务的时延要求。

由于GEO卫星轨道拥挤且时延较大，当前卫星界也在研究中轨道（MEO）和低轨道（LEO）卫星提供宽带卫星传输。由于MEO和LEO卫星轨道不是对地静止，因此一般采用星座的方式进行覆盖。以目前开始运营的O3B公司宽带卫星星座为例，卫星位于赤道上空距地8，063km的轨道上，信号从地面发射至卫星再经卫星转发回传，约需传递16，126km，链路时延约为54ms，加上信号处理时延约为70ms左右。虽然基本能够达到协议要求，但仍大大超过地面光缆网络的时延。

4　4G基站采用卫星传输需要考虑的问题

4.1卫星带宽分配方式

图1　4G基站下行数据速率实时图示

图1是一个典型的4G基站下行数据速率实时图，其中蓝色为实时速率。可见，由于多种IP业务并发的特点，4G基站传输速率峰均比很高（现网基站峰均比一般都超过2∶1）。如果基于传统的固定分配卫星带宽的方式，为保障基站传输在一定概率下不出现拥塞，则需为这种概率分配较高的带宽（如图1中灰色线所示）。固定带宽即独享带宽，剩余的带宽将无法与其他基站共享，其结果将造成固定分配带宽在很多情况下处于空闲状态（如图1中红色部分所示），而且在保障概率之外的时刻（比如突发大速率业务），将会造成链路拥塞。因此，此种应用场景下带宽必须动态分配，且多个基站之间应能够共享带宽。

对于应急通信场景，峰均比将比图1要小，即便如此，仍应采用动态的或者阶梯式的带宽分配方式。

此外，考虑到采用卫星回传的4G基站应用场景的特殊性，地面只能尽力而为提供业务能力，一般地仅采用O1配置。在20M信道带宽、MIMO2×2、特殊子帧10∶2∶2、cat3终端条件下，单小区下行理论峰值速率约为80Mb/s，上行理论峰值速率约为10Mb/s。在实际使用中，单个O1配置基站平均下行速率在30Mb/s左右，平均上行速率约为10Mb/s左右。因此，卫星通信传输不应参照地面传输按照峰值配置80Mb/s以上的传输带宽，应按照实际需求和传输能力，按照多个站点的平均值进行统筹配置，多个站点之间进行动态共享。

一般地，4G基站仅需提供2Mb/s左右的带宽即可保障基站开站。从实际测试情况来看，双向提供5Mb/s左右的带宽即可实现流畅的VoLTE、视频、FTP、HTTP等各种类型的业务。基于卫星传输带宽成本较高、能力受限的特点，建议按照实际用户模型分配适合实际应用的带宽，在QoS控制下有优先级的、尽力而为的提供业务。

4.2时延的影响及应对措施

图2　卫星回传4G基站TCP单进程速率实测图

LTE基站控制面具备一定的时延容忍度，从实际测试情况看，在往返传输时间（RTT）达到600ms的情况下，基站能够正常开站和进行远程操作，未出现操作告警。卫星传输时延对于实时业务的影响主要体现在用户体验上，VoLTE话音和视频通话主观感受会有一定的延迟，话音质量无明显影响。影响较大的业务类型主要是TCP业务，需要通过技术手段进行优化。

为了防止网络拥塞，TCP采用一系列的拥塞控制机制。拥塞控制主要采用拥塞窗口（cwnd），窗口值的大小就代表能够发送出去的，但还没有收到确认（ACK）的最大数据报文段，窗口越大数据发送的速度也就越快，但是越可能使得网络出现拥塞。新建TCP连接采用慢启动方式，cwnd初始化为1个最大报文段（MSS）大小，发送端开始按照拥塞窗口大小发送数据，每当有一个报文段被确认，cwnd就翻倍。因此，虽然数据窗口起点比较低，但cwnd的值随着RTT呈指数级增长，可以很快速地达到网络最大能力。对于GEO卫星，RTT大约为600ms，但是经过约6～8个RTT时间（5秒钟左右），单进程即可达到2Mb/s以上的速率。因此，慢启动对于卫星承载的TCP进程影响较小。

然而，cwnd不能一直指数增长，因为这样将很快造成信道拥塞。所以，TCP还使用了慢启动门限（ssthresh），当cwnd超过ssthresh后，慢启动过程结束，进入拥塞避免阶段。拥塞避免的主要思想是加法增大，也就是cwnd的值不再指数级往上升，改为加法增加。此时当窗口中所有的报文段都被确认时，cwnd的大小加1，cwnd的值就随着RTT开始线性增加，从而避免速率增长过快导致网络拥塞。对于GEO卫星，600ms左右的RTT将造成单个TCP进程的速率增长较慢。图2为实际测试的GEO卫星承载的4G单进程业务流量统计情况，可见数据速率有明显的线性增加趋势，从最低的500kb/s至最高的5Mb/s，大概需要4分钟。对于小数据量的TCP进程，在速率尚未达到最高点前可能进程已经执行完毕，网络能力没有达到有效利用。

由于卫星信道容量有限，TCP进程不可避免地会出现拥塞。TCP对每一个报文段都有一个重传定时器（RTO），当RTO超时且还没有得到数据确认，那么TCP就会对该报文段进行重传，此时TCP将认为网络进入拥塞状态。为避免拥塞，一种典型的TCP应对方式是：把ssthresh降低为cwnd值的一半；把cwnd重新设置为1（普通方式）或者设置为新的ssthresh（快速重传方式）；重新进入慢启动过程（普通方式）或拥塞避免阶段（快速重传方式）。此时，TCP单进程数据速率将显著下降。

为解决上述问题，采用MEO或LEO卫星星座降低RTT是较为有效的方式，对于GEO卫星，则需采用TCP加速。TCP加速一般采用透明代理的方式，透明代理分别与TCP连接的两端进行交互，两端的数据包都被缓存在TCP加速器上，TCP加速器之间的数据发送由TCP加速器进行控制，无需反馈ACK。TCP加速器采用协议欺骗的方式，在未收到一端的ACK之前即可提前向另一端发送ACK，对用户终端而言，减少了ACK的回传时间，从而使得上述的速率线性增加速度加快。采用TCP加速后，TCP单进程将可以很快将速率提升至100Mb/s以上。图3为采用时延仿真器测试的不同RTT时延、不同TCP窗口条件下，TCP单进程速率。可见，采用TCP加速之后，速率能够迅速提升，且与链路时延无关。当然，TCP透明代理的引入也不避免地会出现ACK误报、不再重传的情况，从而造成链路质量会有一定程度的下降，从测试结果看，下降程度不明显。

图3　TCP窗口、RTT时延与速率关系图

4.3如何支持VoLTE

VoLTE是中国移动LTE网络的目标语音解决方案，从长远来看，卫星传输也应支持VoLTE业务。VoLTE采用AMR-WB语音编码方式，每帧为20ms。从现网抓包分析，码率为23.85kb/s的AMRWB包每一包大小为61字节。VoLTE数据包的封装方式如图4所示，可见每一个61字节的AMR-WB数据包在IP层将增加为161字节，约为64kb/s。该速率与现网测试平均值基本相符。

图4　VoLTE数据包封装示意图

从上述分析可知，由于AMR-WB数据包字节较少，静载荷为23.85kb/s的数据流经过网络传输后需要64kb/s。通过包头压缩方式可以将最外层的IPv4和UDP包头共28个字节进行优化，仅需2个字节即可进行信息传递，则可将数据速率压缩为54kb/s，优化效率为16％。如果更进一步采用GTP压缩技术，深入GTP数据包内部，则还可将GTP报头、IPv6报头、UDP报头共60字节进行优化，采用12个字节即可进行信息传递，则可将数据速率压缩为34kb/s，优化效率达到47％。

此外，也可采用载荷压缩技术，探测数据包的重复性，并将重复数据进行压缩传递。由于同一通话过程中VoLTE数据包的GTP报头、IPv6报头和UDP报头重复发送，也能起到GTP压缩的作用。从网络实际测试结果看，综合考虑对静音帧的处理，每路VoLTE话音的数据速率可优化至25～30kb/s，对于卫星传输带宽节约效果相当可观。

此外，由于VoLTE话音终端起呼接续流程较短，虽然卫星单跳传输时延达到260ms左右，仍能将接续时间控制在5秒钟之内，相当于通过地面传输的GSM网络的接续时延，并大大优于卫星传输GSM网络所需的15秒左右的接续时延，用户体验较好。

4.4QoS

不管是从成本考虑还是从设备能力考虑，现阶段的卫星传输尚无法提供能够比拟光传输网络的容量，也无法满足4G基站回传的峰值速率，因此，基于卫星传输的4G回传将不可避免地遇到传输容量受限的问题。如表2所示，4G基站回传包含信令、多种业务数据以及基站网管等数据，当网络过载或拥塞时，必须采用QoS机制以保障重要业务量不受延迟或丢弃，同时还能保证网络的高效运行。

4G基站回传的QoS机制主要应基于4G系统自身的QCI参数，这是一种主动式的QoS方式。基站探测到链路拥塞后，将会根据业务的QCI参数和优先级，优先向传输通道发送高优先级的数据包。在实际测试过程中，采用FTP传输将传输信道占满的情况下，优先级较高的VoLTE业务能够及时的抢占资源，而同一优先级的HTTP等业务影响明显。因此，如果在某些特殊应用场景下部分业务需要优先传输，则须对这部分数据配置较高的优先级。

4G基站回传的QoS机制也可以利用卫星传输链路的QoS。卫星传输的QoS应用可以基于协议、VLAN ID、TOS值、源IP地址（或子网）、目的IP地址（或子网）、端口及DSCP（DiffServ）等方式。这种控制可独立于4G系统之外，作为辅助QoS方式并结合卫星带宽分配方式综合使用。然而这种方式也依赖于4G系统与卫星系统之间的协商和配合，卫星系统需要根据QoS规则提前了解各类业务优先级标签。

5　结束语

4G业务的主要特点是高速率、低时延，在受限于应用场景只能采用卫星传输这种容量受限、时延较大的基站回传通道时，应综合采取动态带宽分配、TCP加速、包头压缩、载荷压缩等技术，在控制成本的同时增强业务能力；同时也应充分考虑QoS机制，确保重要业务优先传递。

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