远洋船海事FB站通信链路时延分析

张建飞，丁 广，赵乾宏

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴214431)

0 引 言

海事FB 站是基于Inmarsat BGAN 系统的船载卫星通信终端设备。某远洋船海事FB 站通过该系统地面接口、接入网和租用专线构成岸船通信链路，完成岸船间的话音通信和数据传输。然而，该链路时延和时延抖动较大，容易产生数据丢包、话音不畅等问题，对远洋船海上实验任务的顺利完成带来一定的影响。

1 海事BGAN 网络

BGAN 网络是Inmarsat 提供的基于海事第四代卫星的全球宽带卫星移动通信系统［1］。海事第四代卫星在同步轨道布置了3 颗，它们分别是欧非星(Eur-MidEast-Afr，EMEA，@ 25° E)、亚 太 星(Asia-Pacific，APAC，@ 143.5° E) 和 美 洲 星(Americas，AMER，@98°W)［2］。Inmarsat 针对第四代海事卫星轨道位置，在全球相应地区设置了4 座地面关口站(Satellite Access Station，SAS)，它们分别是夏威夷站、荷兰站、意大利站和北京站。其中意大利站与荷兰站互为备份，夏威夷站对应东西2个方向(美洲星和亚太星)覆盖地区及海区的业务，北京站对应亚太星覆盖地区及海区的部分业务，如图1 所示。地面关口站的作用是负责其对应方向卫星覆盖区域内在线用户信号的落地并接入Inmarsat BGAN 核心网。在BGAN 核心网内设置了3个网络汇接点(Meet Me Point，MMP)，分别位于阿姆斯特丹(简称荷兰MMP)、纽约和香港。

BGAN 系统通过MMP (或SAS 直接地)在各地设立BGAN 业务地面接续站 (Inmarsat point of presence，POP)，提供BGAN 相关用户与当地公众交换电信网和国际互联网的连接，负责开通BGAN数据、话音及传真等业务［3］。

图1 BGAN 海事卫星及SAS 分布Fig.1 Distribution of satellite and SAS fort Inmarsat BGAN

BGAN 业务终端形式有多种多样，可根据用户的具体需求和经济实力而定。从大体上分有陆用站、船载站和机载站。针对海上业务，Inmarsat 定义海上宽带业务船载站为Fleet Broadband 系列站，简称FB 站或FBB 站。各FB 站的外观、重量、业务功能及操作界面不尽相同，各有特色。

SAILOR FB500 (简称FB500)是T＆T 公司推出的基于BGAN 业务无缝覆盖的海事FB 站，主要有主机、天线、操作手柄和电源等4 部分组成。具有话音通信和数据传输等诸多功能，其中数据传输功能分为UDI、standard IP 和 streaming IP 等。BGAN 对streaming IP 业务方式能提供最好的服务质量保证。

2 远洋船海事卫星通信链路

2.1 链路主干结构

远洋船海事通信终端FB 站通信业务在某国际运营商香港POP 注册，其通信业务目前通过香港POP 完成接续。其信息流程是:信号在夏威夷落地后经过海底光缆到达香港MMP，然后再经过香港POP 和地面IPLC 线路接入北京指挥中心，其结构如图2 所示。夏威夷至香港的海底光缆线路走向如图3 所示。

2.2 用户终端系统

远洋船海事FB 站通信链路终端系统即船载部分由FB500 型FB 站、路由器、网络隔离器、时延抖动平滑器、船站局域网等部分组成。

在海事FB 站通信链路中，为了信息安全、加入了网路隔离措施;同时，针对时延抖动问题采用了时延抖动平滑措施。

图2 远洋船海事卫星通信链路Fig.2 Satcom link of Inmarsat BGAN about the ocean-going ship

图3 海底光缆线路图Fig.3 Link of submarine optical fiber cable

2.3 存在问题

远洋船海事海事卫通链路在实际工程应用中，存在以下问题:

1)FB 站在streaming IP 256 kbit/s 业务(包长64byte)下，数据最大时延实测值最小为437 ms，平均时延为480 ms，最大达到589 ms，与点对点卫通链路方式(指标为400 ms)相比，存在较大的差距。

2)链路经过漫长的海底光缆和陆地复杂的租用线路，中间环节多，链路的可靠性和信息的安全性受到影响。

3)信息在国外卫星关口站落地，在链路沟通、设备维护及故障排查过程中，难以进行双方技术业务的交流与协作。

3 时延分析

时延是指数据从链路的一端传送到另一端所需的时间。链路中的时延是由发送时延、传播时延、处理时延和排队时延组成的［4］。造成链路时延的主要原因可以简单地分为设备产生的时延和链路产生的时延。时延很大程度上体现了链路的拥塞状态。

1)发送时延

发送时延是主机或路由器发送数据包所需要的时间，也就是从发送数据包的第一个比特算起，到该包最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延为数据包长与链路传输速率之比。通过控制应用层，包长可将传输时延控制在合适范围。当数据包长为64 bytes，链路传输速率为256 kbit/s 时，发送时延约为2 ms。

2)传播时延

传播时延是电磁波在信道中传播一定距离所需花费的时间。端对端方式的卫星通信系统，数据时延一般在270 ms 左右［5］。对于光缆通信线路，时延值为［6］

式中:L 为光纤长度;N 为光纤材料群折射率，对于1 310 nm 的光纤来讲，折射率约为1.5;C 为真空中的光速，其值为3 ×108m/s。

根据图3 大略计算海底光缆距离，夏威夷经威克岛、关岛、东京、香港的球面直线距离约为15 000 km，光缆的传播时延约为75 ms。在陆地上的专线，从香港到北京的直线距离约为2 000 km，光缆的传播时延约为10 ms。

另外，BGAN 网络国际用户进入中国领土、领海及领空时，须接受中国交通信息管理部门的“强制路由”管理，其通信话音和数据等必须经过该部门通信导航机构的“检验”和“识别”。远洋船海事FB 站因在国际某运营商香港POP 注册，当船舶在我国领海活动时，其信息流程如图4 所示。香港至北京的地面路径来回约4 000 km，传播时延计算为20 ms 左右。

3)处理时延

主机或路由器在收到数据包时要花费一定的时间进行处理，例如分析数据包的首部、从数据包中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。处理时延大小受每个节点的计算能力和可用的硬件的影响。

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

4)排队时延

排队时延是指数据包在路由器的缓冲区中，传输或处理前的等待时间。排队时延由路由器中的交换结构决定。排队时延与带宽利用率和信息突发的关系明显，当网络轻负荷时，排队时延很小，基本可忽略。时延抖动主要由IP 数据包在节点排队等待时间的不确定性因素产生。

综上所述，海事卫通链路的信息从国外卫星关口站落地，经过BGAN 核心网的交换和传输，再经过地面专线到达指控中心，对链路时延影响较大的主要是传播时延，该值达到375 ms。发送时延、处理时延和排队时延，因系统涉及范围广，链路间的节点、设备数量及型号不明，其数值难以计算，只能通过测试的方法获得。

由上可见，数据经过卫星电路和光缆线路之后，其传播时延累计达到375 ms，其中光缆的传播时延达到105 ms。再加上发送时延、处理时延和排队时延，以及途中诸多路由节点增加的时延，海事FB站通信链路在通信双方路由器之间的累计时延就超过了437 ms。

4 链路优化设计

从通信系统技术要求来说，目前岸船海事卫通链路的数据传输时延确实存在偏大问题，为此有必要对岸船通信链路进行优化，缩短数据传输时延，以提高系统性能，拓展通信业务。

4.1 注册MCN POP

中国交通部通信信息中心是Inmarsat 组织成员国在中国的业务代理，BGAN 网络中国用户须在中国交通部通信信息中心下属的北京通信导航公司(MCN)注册，享受中国用户的权益和通信服务。远洋船用户如果在MCN 注册，使用MCN POP 站，则不存在“强制路由”的问题，使海事终端用户在信息传输更加顺畅;另外远洋船海事卫通及链路在业务管理、系统维护、技术交流等方面能得到交通部通信信息中心业务部门有力和便捷的支持。

4.2 选用北京SAS

目前，全球第4 座海事BGAN 卫星关口站——北京SAS 在北京某地区建设完成并投入使用，2015年3 月北京SAS 完成骨干网线路优化调整，其骨干线路直接连通夏威夷SAS 与荷兰SAS。北京SAS 站的投入使用，使MCN POP 站在BGAN 网中的逻辑位置发生变化。通过与北京SAS 站的连接可直接接入BGAN 大网。目前MCN 所有用户无论在全球哪个SAS 站落地，通信业务均通过站点间专线路由至北京SAS 站，进入MCN POP 站。北京SAS 站通过带宽40M 的MPLS 专线实现与BGAN 其他站点间的互联互通，较之前北京－香港之间的8M 专线相比有了彻底改善，业务不再受带宽瓶颈的限制。

如果远洋船海事通信业务从北京关口站落地，这将大大缩短信道路程，有效解决信息传输时延和时延抖动偏大的问题。通过敷设或调配专用光缆，把线路接进指控中心，可以进一步改善链路质量，见图5 所示，此时带来的好处:

1)选用北京SAS 后将大大地缩短路径、减少中间设备和环节，能有效减小处理时延和排队时延，从而提高系统可靠性和数据传输性能。

2)目前，远洋船对海事卫通终端和海事链路性能状态检查的主要方法是链路ping 通检查和误码测试，如果采用北京SAS 的话，可以建立海事用户终端与北京SAS 之间的链路性能测试业务，为此能有效提高工作效率和节省费用。

图5 基于北京SAS 的海事卫星链路Fig.5 The communication link for Inmarsat BGAN base on SAS-beijing

3)海事关口站(SAS)能够监视全球海事终端在线使用情况，包括信号激活、流量分析、功率控制等。如果把该信息采集伴随传送到远洋船，则对设备和链路的运行管理、技术保障和故障分析带来诸多方便。

4.3 优化设计验证

根据本方案设计，在某船舶FB 终端进行Streaming256 业务性能测试。结果是:信息直接从北京SAS 站落地，再传输到POP －MCN，平均传输时延约为350 ms (包长64 byte);信息在其他SAS站落地时，通过BGAN 核心网MPLS 专线路由到达北京SAS，平均时延约425 ms (亚太星/美洲星)。试验结果证明:

1)FB 站从北京SAS 落地之后，比原先香港POP 再加地面租用专线到指控中心的方式平均时延减少了130 ms，说明海底光缆和地面租用专线的漫长和复杂带来不可忽视的时延。

2)信息在其他SAS 站落地时，通过BGAN 核心网传输到POP －MCN，再到指控中心，比当前其他POP 方式减少了55 ms，说明POP － MCN 融入BGAN 核心网后性能有明显的提升。

远洋船海事FB 站通信链路采用北京SAS 落地，其链路将大为缩短，中间环节大为减少，不仅时延减小，而且在时延抖动指标上得到改善，届时可以省略时延平滑设备，使系统更加简捷和可靠性。同时在系统维护、设备联试和技术交流上能得到业务管理部门的支持。

5 结 语

基于第四代海事卫星的BGAN 是目前国际上比较先进的卫星宽带移动通信系统，FB 站是该系统中的船载用户终端。该系统拥有便捷的操作、较宽的带宽、丰富的业务、可靠的核心网络等诸多优点，但由于网络复杂，存在信息安全隐患和时延较大等问题。在用户通信链路的系统设计中，应从系统可靠性和安全性的大局出发，综合考虑各项指标，紧跟技术发展步伐，及时解决应用过程中出现的问题，不断完善系统性能。

［1］吕锋，朱涛，徐勤．基于海事卫星C 和BGAN 的邮件系统设计［J］．武汉理工大学学报，2009，31(13):104－107．LV Feng，ZHU Tao，XU Qin．Design of the email system on ship based on inmarsat-C and BGAN［J］．Journal of Wuhan University of Technology，2009，31(13):104－107．

［2］记军．海事“卫星”大搬家［J］．卫星与网络，2008(12):28 －29．JI Jun．Satellite of Inmarsat has been removed［J］．Satellite＆ Network，2008(12):28 －29．

［3］张建飞，田兆平，等．海事BGAN 系统数据链路测试及性能分析［J］．飞行器测控学报，2011，30(4):68 －71．ZHANG Jian-fei，TIAN Zhao-ping，et al．Test and analysis of inmarsat BGAN data link［J］．Journal of Spacecraft TT＆C Technology，2011，30(4):68 －71．

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