機載移動通信衛(wèi)星中繼鏈路的高效傳輸方法?

葉航，宋茂忠

機載移動通信衛(wèi)星中繼鏈路的高效傳輸方法?

葉航，宋茂忠

（南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210016）

為了提高機載移動通信衛(wèi)星中繼鏈路的數(shù)據(jù)傳輸效率，給出了一種高效傳輸方法，先通過轉(zhuǎn)換話音編碼方式對語音進行壓縮，再把話音數(shù)據(jù)作為有效負載封裝成IP數(shù)據(jù)包，采用RTP復(fù)用和IP／UDP／RTP報頭壓縮等技術(shù)來提高話音數(shù)據(jù)的傳輸效率。最后通過仿真說明了這種高效傳輸方法能提升給機載移動通信的性能。

機載移動通信；中繼鏈路；語音壓縮；RTP復(fù)用；報頭壓縮

1 引言

隨著電磁兼容技術(shù)的發(fā)展，機載移動通信已經(jīng)成為一種可能，國外的一些航空公司已經(jīng)提供了在飛機上打電話的相關(guān)業(yè)務(wù)，國內(nèi)的航空公司也進行了相關(guān)的測試。機載移動通信的特殊性在于通信過程要借助于衛(wèi)星中繼鏈路，然而衛(wèi)星中繼鏈路的資源十分有限，中繼鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率是受到限制的。因此，在保證系統(tǒng)通信性能不受影響的前提下，如何提高有效數(shù)據(jù)的傳輸效率顯得尤為重要。

在通信過程中，移動用戶的話音數(shù)據(jù)作為有效負載，根據(jù)相關(guān)協(xié)議在用戶終端通過添加RTP（Realtime Transport Protocol）報頭、UDP報頭和IP報頭封裝成IP數(shù)據(jù)包的形式，再封裝成幀送往衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈路。然而，在用來傳輸實時多媒體流的IP／UDP／RTP協(xié)議中，僅報頭就引入了40 byte的額外開銷，其中包括20 byte的IP報頭、8 byte的UDP報頭和12 byte的RTP報頭，當(dāng)話音編碼采用GSM FR方式時，話音數(shù)據(jù)只有33 byte，這樣的報頭開銷太大了，大大降低了系統(tǒng)的傳輸效率。因此，本文針對這一問題，在機載通信系統(tǒng)中引入了RTP復(fù)用和IP／UDP／RTP報頭壓縮等技術(shù)，提出了報頭壓縮的一些策略并詳細說明了報頭壓縮的原理，從而提高話音數(shù)據(jù)在衛(wèi)星中繼鏈路上的傳輸效率。

2 機載移動通信原理

在機載移動通信中，除了利用衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈路，還應(yīng)充分考慮到機載移動通信特殊性。本文介紹了一種基于衛(wèi)星中繼鏈路的機載移動通信系統(tǒng)［1］，系統(tǒng)基本框圖如圖1所示。該機載移動通信系統(tǒng)主要針對GSM系統(tǒng)，終端Terminal Side為機載設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)端Network Side為地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

機載移動用戶進行呼叫，若有空閑信道則呼叫鏈路成功建立。通過機載移動基站BTS連接到終端GSM服務(wù)器TSGS，同時要防止基站接入地面通信網(wǎng)絡(luò)。在終端GSM服務(wù)器中先將話音編碼方式GSM FR轉(zhuǎn)換為AMR方式，再添加RTP報頭、UDP報頭、IP報頭，打包成IP數(shù)據(jù)包，再送至調(diào)制器經(jīng)由衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼鏈路傳輸至地面。地面接收后傳輸至網(wǎng)絡(luò)端GSM服務(wù)器NSGS，將收到的數(shù)據(jù)包去除IP報頭、UDP報頭、RTP報頭，通過地面的基站控制器BSC將語音編碼恢復(fù)至GSM FR編碼方式，同時BSC還要處理機載BTS和地面移動交換中心MSC之間的信令傳輸。最后，BSC通過移動交換中心MSC連接至地面的核心網(wǎng)絡(luò)。

在通信過程中，衛(wèi)星中繼鏈路、機載設(shè)備以及地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供了類似于GSM通信系統(tǒng)中基站子系統(tǒng)的BSC和BTS之間Abis接口的功能，只是其中的傳輸鏈路具體實現(xiàn)不同。Abis接口采用標(biāo)準(zhǔn)的64 kbit／s PCM數(shù)字傳輸鏈路來實現(xiàn)，而在機載移動通信系統(tǒng)中，先把話音數(shù)據(jù)打包成IP數(shù)據(jù)包再封裝成幀，利用衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈路來實現(xiàn)。

3 衛(wèi)星中繼高效傳輸方法

GSM系統(tǒng)中的話音編碼每幀時長為20 ms，GSM FR話音編碼方式采用RPE-LTP編碼器，此編碼器每20 ms取樣一次，輸出260 bit（約為33 byte），添加的RTP報頭為12 byte，UDP報頭為8 byte，IP報頭為20 byte，如圖2所示，這樣每路話音傳輸速率為29.2 kbit／s（計算過程為（20＋8＋12＋33）×8／20）。在每一幀中語音數(shù)據(jù)為33 byte，而IP／UDP／RTP報頭開銷占用了40 byte，對于33 byte的有效負荷來說這樣的包頭開銷太大了。因此，為了提高傳輸速率受限的衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈路的傳輸效率，進行IP／UDP／RTP報頭壓縮是十分必要的。數(shù)據(jù)包壓縮的整個過程如圖2所示。

3.1 話音壓縮

為了提高傳輸效率，通過TSGS中的語音轉(zhuǎn)換模塊，我們把話音從GSM FR編碼方式轉(zhuǎn)換為自適應(yīng)多速率AMR語音編碼方式。AMR編碼方式采用變速率聲碼器算法ACELP，可提供從4.75～12.2 kbit／s共8種不同話音速率，可以根據(jù)信道的質(zhì)量情況隨時調(diào)整不同的速率，以達到最佳的傳輸效果。為了提高話音的傳輸效率，文中只采用AMR語音編碼速率較低的兩種速率，即4.75 kbit／s和5.15 kbit／s，將IP數(shù)據(jù)包中話音數(shù)據(jù)壓縮至14 byte。這樣每路話音傳輸速率降為21.6 kbit／s。

3.2 RTP報頭壓縮

根據(jù)RFC2508協(xié)議中提出的CRTP報頭壓縮方案［2］，我們可以把12 byte的RTP報頭壓縮至2 byte，那么每路話音的傳輸速率為17.6 kbit／s。RTP報頭之所以能夠被壓縮，主要是以下幾方面的原因：第一，報頭中的V、P、X、CC、PT、SSRC字段一般不作變化，不需要每次傳送，而且對于AMR語音來說不存在CSRC字段；第二，報頭中變化的僅僅是序列號（Sequence Number）和時間戳（Timestamp），但它們都是按一定規(guī)律變化的。這樣，只需要在接收方保存一個完整的RTP報頭結(jié)構(gòu)信息，以及序列號和時間戳送往增量信息，那么每次只需傳送少量的字節(jié)就可以重構(gòu)完整的報頭。

基于以上RTP報頭壓縮原理給出了一種RTP報頭壓縮的實現(xiàn)算法，首先定義了3種RTP包格式：非壓縮的完整的報頭格式、壓縮的報頭格式和錯誤包提示。發(fā)送方開始先發(fā)送完整的RTP包，接收方收到完整數(shù)據(jù)包后，保存完整的RTP頭信息，還需保存一個RTP時間戳變化步長和RTP序號變化步長。然后發(fā)送方再發(fā)送壓縮的RTP包，并檢測RTP時間戳變化步長和RTP序號變化步長是否變化，若發(fā)生變化則將變化的信息添加在RTP壓縮報頭后傳送。接收方根據(jù)接收到的壓縮包和保存的信息重構(gòu)原始的RTP報頭，并刷新保存的信息，發(fā)送方和接收方RTP壓縮模塊算法流程圖如圖3所示。

3.3 RTP流復(fù)用

RTP復(fù)用技術(shù)［3］就是通過把來自多個語音通道的語音載荷組合進一個大包。在發(fā)送側(cè)，軟交換媒體網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)取出從多個媒體流通道送來并要發(fā)往同一個目的地的載荷，把它們組合成一個大的復(fù)合包。由于每個包承載著好幾個獨立會話的復(fù)合載荷，應(yīng)用只需要發(fā)送數(shù)量較少的復(fù)用包，這樣不僅提高了帶寬的利用率，還減少了路由的工作量。我們把4個RTP流復(fù)用到一個UDP數(shù)據(jù)包中，即將4個獨立語音通道的語音載荷封裝在一個復(fù)合數(shù)據(jù)包中。這樣每路話音的平均傳輸速率就降到了9.2 kbit／s（計算過程為（（14＋2）×4＋20＋8）×8／（20×4））。

我們之所以采用只有4個RTP流復(fù)用到一個UDP數(shù)據(jù)包中，而不是將更多的RTP流進行復(fù)用，主要是考慮到傳輸效率和傳輸時延的影響。假如我們將5個RTP流進行復(fù)用，那么每路話音的平均傳輸速率為8.64 kbit／s，速率降低并不明顯，而且將更多的RTP流進行復(fù)用會增大復(fù)用包長度，從而增加數(shù)據(jù)包的傳輸時延和系統(tǒng)的處理時間，這對實時傳輸?shù)腞TP流來說是十分不利的。因此，基于傳輸效率和時延的綜合考慮，我們只將4個RTP流復(fù)用到一個UDP數(shù)據(jù)包。

3.4 IP／UDP／RTP報頭壓縮

最后利用UDP／IP數(shù)據(jù)包的首部壓縮特性［4，5］，將IP報頭和UDP報頭由28 byte壓縮至4 byte。UDP／IP數(shù)據(jù)包的報頭之所以能被壓縮，主要是因為報頭的各個字段都存在冗余。第一類是保持不變的部分，如IP頭中源地址和目的地址、版本號、UDP頭中源端口號和目的端口號等；第二類是通過其它方法可以推算出來的部分，如IP校驗和、數(shù)據(jù)包長度；第三類是兩相鄰的數(shù)據(jù)包的某些字段是按增量變化的，并且變化量很小的部分，如IP頭的標(biāo)識等。由于UDP／IP協(xié)議組合沒有確認機制，因此UDP／IP報頭壓縮流程只涉及全頭數(shù)據(jù)包和非TCP壓縮數(shù)據(jù)包兩種類型。全頭數(shù)據(jù)包主要用來初始化或更新解壓縮端的上下文，維護上下文的一致性，確保數(shù)據(jù)包正確壓縮和解壓縮。在進行初始同步后，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理只需要傳遞變化字段的壓縮信息。壓縮的非TCP數(shù)據(jù)包采用UDP協(xié)議傳輸，其中動態(tài)變化字段采用原值傳遞而不進行增量壓縮。此外，由于沒有上層協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，壓縮端將無法知道數(shù)據(jù)包的解壓縮情況，為了保證最小的解壓縮失敗率，壓縮端通過周期性地發(fā)送全頭數(shù)據(jù)包來刷新解壓縮端的上下文。因此，在采用話音壓縮、RTP流復(fù)用和IP／UDP／RTP報頭壓縮后，每路話音的平均傳輸速率為6.8 kbit／s。

4 優(yōu)化前后性能分析

采用優(yōu)化措施后，平均每路話音傳輸速率由原來的29.2 kbit／s減小至6.8 kbit／s，大大降低了每路話音所需的傳輸速率，明顯提高了話音數(shù)據(jù)的傳輸效率。

4.1 媒體流實時傳輸指標(biāo)比較

在最原始的數(shù)據(jù)包中，如圖2所示，報頭開銷占了40 byte，有效負荷為33 byte，僅占45.2%，而采用話音編碼轉(zhuǎn)換、IP／UDP／RTP報頭壓縮和RTP復(fù)用技術(shù)后，即經(jīng)過優(yōu)化后數(shù)據(jù)包的有效負荷為56 byte，占了82.3%的比例。這主要是由于采用優(yōu)化方案后大大減小了數(shù)據(jù)包的報頭開銷，從而提高了話音數(shù)據(jù)的傳輸效率。再者，采用報頭首部壓縮技術(shù)后，傳輸每路話音的平均數(shù)據(jù)包大小由73 byte減小至17 byte，壓縮數(shù)據(jù)包相對于完整數(shù)據(jù)包減少了56 byte。假定衛(wèi)星中繼鏈路傳輸速率為400 kbit／s下，帶來的傳輸時延收益為56×8／400＝1.12 ms。當(dāng)然在系統(tǒng)中增加了報頭壓縮模塊后，會帶來相應(yīng)的壓縮解壓的處理時延，但這種處理時延通常為幾百微秒，相對于傳輸時延收益是可以忽略的［6］。

衛(wèi)星鏈路的誤比特率一般為10－6數(shù)量級，則一個73 byte的數(shù)據(jù)包在衛(wèi)星鏈路上丟失或損壞的概率為0.58‰，而經(jīng)過優(yōu)化后傳輸每路話音的平均數(shù)據(jù)包大小為17 byte，丟失或損壞的概率為0.14‰，壓縮前后的一些性能比較如表1所示。

4.2 通信系統(tǒng)的性能分析

在進行系統(tǒng)性能仿真時，我們選擇INMARSAT系統(tǒng)提供的SwiftBroadband服務(wù)作為衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈路，單信道SwiftBroadband能提供的最高傳輸速率為432 kbit／s左右。若采用GSM FR編碼，每路話音的傳輸速率需要29.2 kbit／s，則系統(tǒng)最多只能允許14個移動用戶同時在飛機上進行移動通信；當(dāng)采用語音壓縮即采用AMR話音編碼后，系統(tǒng)最多能提供20個用戶同時進行通信；當(dāng)采用報頭壓縮等一系列優(yōu)化措施后，系統(tǒng)能允許60多個移動用戶同時進行通信。再利用愛爾蘭B公式來分析系統(tǒng)的通信性能，分別設(shè)定可使用的中繼信道數(shù)C（即允許同時進行通話的用戶數(shù)）為14、20、60，分析話務(wù)量和呼損率之間的關(guān)系，在Matlab仿真環(huán)境下得到的結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著中繼信道數(shù)C的增大對系統(tǒng)的通信性能有明顯的提高，即在相同話務(wù)量情況下，通信系統(tǒng)能提供同時進行通話的用戶數(shù)越多，語音通信系統(tǒng)的阻塞率就越低。另一方面，在一定的呼損率情況下，如圖中所示（呼損率在0.011左右），當(dāng)允許同時進行通話的用戶數(shù)增加到60時，系統(tǒng)能承載的話務(wù)量由優(yōu)化前的10 Erl左右大幅增加到47 Erl左右。因此，在傳輸速率有限的衛(wèi)星中繼鏈路中，這種高效的傳輸方法把話音速率由原來的29.2 kbit／s降至6.8 kbit／s，提高了衛(wèi)星中繼鏈路帶寬的利用率，而且大大提高了系統(tǒng)同時進行通話的用戶數(shù)，明顯提高了系統(tǒng)能承載的話務(wù)量和系統(tǒng)的通信性能。

5 總結(jié)

本文將主要應(yīng)用在地面無線IP網(wǎng)絡(luò)中的實時流報頭壓縮技術(shù)如RTP復(fù)用和IP／UDP／RTP報頭壓縮應(yīng)用到了機載移動通信系統(tǒng)中，給出了一種衛(wèi)星中繼鏈路的高效傳輸方法，使話音數(shù)據(jù)傳輸效率得到大幅提升，并通過性能指標(biāo)比較和實驗仿真證實了這種高效傳輸方法不僅提高了衛(wèi)星中繼鏈路帶寬的利用率，而且明顯提高了機載移動通信系統(tǒng)的通信性能。

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［5］吳亦川，鄭健平，黃奎，等.無線IP網(wǎng)絡(luò)中一種針對實時流的報頭壓縮算法［J］.軟件學(xué)報，2005，16（6）：1159－1167.

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［6］汪亞光，汪敏.包頭壓縮技術(shù)在VoIP中的應(yīng)用［J］.上海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，7（1）：18－22.

W ANG Ya-guang，W ANG Min.Application of Header Compression in Voice Over IP［J］.Journal of Shanghai University（Natural Science Edition），2001，7（1）：18－22.（in Chinese）

YE Hang was born in Jinhua，Zhejiang Province，in 1987.He received the B.S.degree in 2009.He is now a graduate student.His research concerns satellite communication and digital communication.

Email：lipuhuwan＠163.com

宋茂忠（1962－），男，安徽歙縣人，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為調(diào)制技術(shù)、數(shù)字通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等。

SONG Mao-zhong was born in Shexian，Anhui Province，in 1962.He is now a professor and alao the Ph.D.supervisor.His research concerns modulation technique，digital communication and satellite navigation.

A High Efficient Transmission Method of Satellite Relay Link in Airborne Mobile Communication

YE Hang，SONG Mao-zhong
（College of Information Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

A high efficient transmission method of satellite relay link is presented to improve the data transmission efficiency in airborne mobile communication.Voice data is compressed by changing the voice codec mode，and then is encapsulated into IP packet.This high efficient transmission employs RTP（Real-time Transport Protocol）multiplexing and IP／UDP／RTP header compression scheme to improve the transmission efficiency of the voice data.Finally，the performance improvement by using the high efficient transmission method is investigated through computer simulation.

airborne mobile communication；relay link；speech compression；RTP multiplexing；header compression

TN915

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.013

葉航（1987－），男，浙江金華人，2009年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星通信、數(shù)字通信等；

1001－893X（2011）02－0067－05

2010－11－12；

2010－12－09