適合4G基站回傳的衛(wèi)星通信思路探析

黃曜明，王激揚(yáng)，汪鴻濱，范曉雷

（1.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京　100080；2.中國衛(wèi)通集團(tuán)有限公司，北京　100094）

適合4G基站回傳的衛(wèi)星通信思路探析

黃曜明1，王激揚(yáng)1，汪鴻濱2，范曉雷2

（1.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京100080；2.中國衛(wèi)通集團(tuán)有限公司，北京100094）

在山區(qū)、海域等光傳輸網(wǎng)絡(luò)難于抵達(dá)的地區(qū)或者應(yīng)急通信場景，4G基站回傳仍然需要使用衛(wèi)星通信。然而，4G業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、業(yè)務(wù)速率高的特點(diǎn)也放大了衛(wèi)星通信帶寬較小、時(shí)延較大的弱勢。本文從這個(gè)矛盾出發(fā)，結(jié)合實(shí)際測試和應(yīng)用情況，試從衛(wèi)星帶寬分配方式、TCP加速、包頭壓縮、QoS等方面提出適合4G基站回傳的衛(wèi)星通信解決思路。

4G；衛(wèi)星通信；基站回傳；QoS

1　引言

隨著中國移動TD-LTE網(wǎng)絡(luò)向農(nóng)村地區(qū)覆蓋的深入，這張全世界最大的4G網(wǎng)絡(luò)不光是基站數(shù)量最大，覆蓋區(qū)域也勇奪全球之冠，這也大大增加了基站回傳網(wǎng)絡(luò)的壓力。根據(jù)GSM網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，衛(wèi)星傳輸基于廣覆蓋、少維護(hù)的特點(diǎn)，在邊境、沙漠、高山等區(qū)域相對光傳輸網(wǎng)絡(luò)具備一定的成本優(yōu)勢，特別是對于海島、機(jī)載、船載等應(yīng)用場景，衛(wèi)星通信幾乎是惟一的選擇。此外，隨著應(yīng)急通信場景下視頻通信等實(shí)時(shí)寬帶通信的需求日益增長，應(yīng)急通信也應(yīng)提供4G業(yè)務(wù)，在面對汶川地震這種重大災(zāi)害時(shí)，4G應(yīng)急尚需具備衛(wèi)星回傳的能力。

然而，目前通信衛(wèi)星大部分仍采用同步軌道（GEO）衛(wèi)星，這種時(shí)延大、帶寬受限的傳輸方式恰恰與4G業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、業(yè)務(wù)速率高的特點(diǎn)相矛盾。本文從該矛盾出發(fā)，結(jié)合實(shí)際測試和應(yīng)用情況，試議4G基站采用衛(wèi)星回傳需要考慮的因素，希冀能為現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用提出一些解決思路。

2　4G基站回傳對于傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求

2.1帶寬要求

根據(jù)中國移動TD-LTE傳輸規(guī)劃原則，基站接入層帶寬規(guī)劃如表1所示。

表1　TD-LTE傳輸網(wǎng)帶寬規(guī)劃建議表

2.2時(shí)延要求

（1）控制面時(shí)延。協(xié)議規(guī)定，終端從空閑態(tài)到連接態(tài)的時(shí)延應(yīng)控制在100ms以內(nèi)。目前要求eNB 至S-GW之間的S1接口時(shí)延為10ms，eNB之間的X2接口時(shí)延為20ms。

（2）業(yè)務(wù)時(shí)延。LTE網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，針對不同業(yè)務(wù)有不同的優(yōu)先級、時(shí)延和傳輸質(zhì)量要求。具體要求如表2所示。

表2　LTE各類型業(yè)務(wù)要求對比

3　衛(wèi)星通信的限制

3.1帶寬限制

由于衛(wèi)星通信天線物理尺寸較大，為便于安裝，一般地用于基站回傳的C頻段天線不超過3米（中心站可配置為15米），Ku頻段天線不超過2.4米（中心站可配置為9米）。采用目前在軌的優(yōu)質(zhì)衛(wèi)星資源，C頻段單站可達(dá)到20～30Mb/s的能力，Ku頻段單站可達(dá)到30～40Mb/s的能力?？梢?，一般的衛(wèi)星遠(yuǎn)端站通信能力無法達(dá)到普通4G基站接入層傳輸網(wǎng)帶寬規(guī)劃的要求。此外，在這種應(yīng)用模式下，單個(gè)基站即使用了將近1個(gè)36MHz轉(zhuǎn)發(fā)器的全部資源，這將帶來很高的成本代價(jià)。

3.2時(shí)延限制

當(dāng)前通信衛(wèi)星主要采用GEO衛(wèi)星，GEO衛(wèi)星位于赤道上空距地約35，786km的惟一軌道上，信號從地面發(fā)射至衛(wèi)星再經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回傳，鏈路時(shí)延達(dá)到240ms，加上信號處理時(shí)延則鏈路總時(shí)延約為260ms左右。該物理時(shí)延不能滿足4G規(guī)范要求的基站回傳的信令基本時(shí)延要求，也不能滿足大部分業(yè)務(wù)的時(shí)延要求。

由于GEO衛(wèi)星軌道擁擠且時(shí)延較大，當(dāng)前衛(wèi)星界也在研究中軌道（MEO）和低軌道（LEO）衛(wèi)星提供寬帶衛(wèi)星傳輸。由于MEO和LEO衛(wèi)星軌道不是對地靜止，因此一般采用星座的方式進(jìn)行覆蓋。以目前開始運(yùn)營的O3B公司寬帶衛(wèi)星星座為例，衛(wèi)星位于赤道上空距地8，063km的軌道上，信號從地面發(fā)射至衛(wèi)星再經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回傳，約需傳遞16，126km，鏈路時(shí)延約為54ms，加上信號處理時(shí)延約為70ms左右。雖然基本能夠達(dá)到協(xié)議要求，但仍大大超過地面光纜網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。

4　4G基站采用衛(wèi)星傳輸需要考慮的問題

4.1衛(wèi)星帶寬分配方式

圖1　4G基站下行數(shù)據(jù)速率實(shí)時(shí)圖示

圖1是一個(gè)典型的4G基站下行數(shù)據(jù)速率實(shí)時(shí)圖，其中藍(lán)色為實(shí)時(shí)速率。可見，由于多種IP業(yè)務(wù)并發(fā)的特點(diǎn)，4G基站傳輸速率峰均比很高（現(xiàn)網(wǎng)基站峰均比一般都超過2∶1）。如果基于傳統(tǒng)的固定分配衛(wèi)星帶寬的方式，為保障基站傳輸在一定概率下不出現(xiàn)擁塞，則需為這種概率分配較高的帶寬（如圖1中灰色線所示）。固定帶寬即獨(dú)享帶寬，剩余的帶寬將無法與其他基站共享，其結(jié)果將造成固定分配帶寬在很多情況下處于空閑狀態(tài)（如圖1中紅色部分所示），而且在保障概率之外的時(shí)刻（比如突發(fā)大速率業(yè)務(wù)），將會造成鏈路擁塞。因此，此種應(yīng)用場景下帶寬必須動態(tài)分配，且多個(gè)基站之間應(yīng)能夠共享帶寬。

對于應(yīng)急通信場景，峰均比將比圖1要小，即便如此，仍應(yīng)采用動態(tài)的或者階梯式的帶寬分配方式。

此外，考慮到采用衛(wèi)星回傳的4G基站應(yīng)用場景的特殊性，地面只能盡力而為提供業(yè)務(wù)能力，一般地僅采用O1配置。在20M信道帶寬、MIMO2×2、特殊子幀10∶2∶2、cat3終端條件下，單小區(qū)下行理論峰值速率約為80Mb/s，上行理論峰值速率約為10Mb/s。在實(shí)際使用中，單個(gè)O1配置基站平均下行速率在30Mb/s左右，平均上行速率約為10Mb/s左右。因此，衛(wèi)星通信傳輸不應(yīng)參照地面?zhèn)鬏敯凑辗逯蹬渲?0Mb/s以上的傳輸帶寬，應(yīng)按照實(shí)際需求和傳輸能力，按照多個(gè)站點(diǎn)的平均值進(jìn)行統(tǒng)籌配置，多個(gè)站點(diǎn)之間進(jìn)行動態(tài)共享。

一般地，4G基站僅需提供2Mb/s左右的帶寬即可保障基站開站。從實(shí)際測試情況來看，雙向提供5Mb/s左右的帶寬即可實(shí)現(xiàn)流暢的VoLTE、視頻、FTP、HTTP等各種類型的業(yè)務(wù)?；谛l(wèi)星傳輸帶寬成本較高、能力受限的特點(diǎn)，建議按照實(shí)際用戶模型分配適合實(shí)際應(yīng)用的帶寬，在QoS控制下有優(yōu)先級的、盡力而為的提供業(yè)務(wù)。

4.2時(shí)延的影響及應(yīng)對措施

圖2　衛(wèi)星回傳4G基站TCP單進(jìn)程速率實(shí)測圖

LTE基站控制面具備一定的時(shí)延容忍度，從實(shí)際測試情況看，在往返傳輸時(shí)間（RTT）達(dá)到600ms的情況下，基站能夠正常開站和進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，未出現(xiàn)操作告警。衛(wèi)星傳輸時(shí)延對于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的影響主要體現(xiàn)在用戶體驗(yàn)上，VoLTE話音和視頻通話主觀感受會有一定的延遲，話音質(zhì)量無明顯影響。影響較大的業(yè)務(wù)類型主要是TCP業(yè)務(wù)，需要通過技術(shù)手段進(jìn)行優(yōu)化。

為了防止網(wǎng)絡(luò)擁塞，TCP采用一系列的擁塞控制機(jī)制。擁塞控制主要采用擁塞窗口（cwnd），窗口值的大小就代表能夠發(fā)送出去的，但還沒有收到確認(rèn)（ACK）的最大數(shù)據(jù)報(bào)文段，窗口越大數(shù)據(jù)發(fā)送的速度也就越快，但是越可能使得網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞。新建TCP連接采用慢啟動方式，cwnd初始化為1個(gè)最大報(bào)文段（MSS）大小，發(fā)送端開始按照擁塞窗口大小發(fā)送數(shù)據(jù)，每當(dāng)有一個(gè)報(bào)文段被確認(rèn)，cwnd就翻倍。因此，雖然數(shù)據(jù)窗口起點(diǎn)比較低，但cwnd的值隨著RTT呈指數(shù)級增長，可以很快速地達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最大能力。對于GEO衛(wèi)星，RTT大約為600ms，但是經(jīng)過約6～8個(gè)RTT時(shí)間（5秒鐘左右），單進(jìn)程即可達(dá)到2Mb/s以上的速率。因此，慢啟動對于衛(wèi)星承載的TCP進(jìn)程影響較小。

然而，cwnd不能一直指數(shù)增長，因?yàn)檫@樣將很快造成信道擁塞。所以，TCP還使用了慢啟動門限（ssthresh），當(dāng)cwnd超過ssthresh后，慢啟動過程結(jié)束，進(jìn)入擁塞避免階段。擁塞避免的主要思想是加法增大，也就是cwnd的值不再指數(shù)級往上升，改為加法增加。此時(shí)當(dāng)窗口中所有的報(bào)文段都被確認(rèn)時(shí)，cwnd的大小加1，cwnd的值就隨著RTT開始線性增加，從而避免速率增長過快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。對于GEO衛(wèi)星，600ms左右的RTT將造成單個(gè)TCP進(jìn)程的速率增長較慢。圖2為實(shí)際測試的GEO衛(wèi)星承載的4G單進(jìn)程業(yè)務(wù)流量統(tǒng)計(jì)情況，可見數(shù)據(jù)速率有明顯的線性增加趨勢，從最低的500kb/s至最高的5Mb/s，大概需要4分鐘。對于小數(shù)據(jù)量的TCP進(jìn)程，在速率尚未達(dá)到最高點(diǎn)前可能進(jìn)程已經(jīng)執(zhí)行完畢，網(wǎng)絡(luò)能力沒有達(dá)到有效利用。

由于衛(wèi)星信道容量有限，TCP進(jìn)程不可避免地會出現(xiàn)擁塞。TCP對每一個(gè)報(bào)文段都有一個(gè)重傳定時(shí)器（RTO），當(dāng)RTO超時(shí)且還沒有得到數(shù)據(jù)確認(rèn)，那么TCP就會對該報(bào)文段進(jìn)行重傳，此時(shí)TCP將認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入擁塞狀態(tài)。為避免擁塞，一種典型的TCP應(yīng)對方式是：把ssthresh降低為cwnd值的一半；把cwnd重新設(shè)置為1（普通方式）或者設(shè)置為新的ssthresh（快速重傳方式）；重新進(jìn)入慢啟動過程（普通方式）或擁塞避免階段（快速重傳方式）。此時(shí)，TCP單進(jìn)程數(shù)據(jù)速率將顯著下降。

為解決上述問題，采用MEO或LEO衛(wèi)星星座降低RTT是較為有效的方式，對于GEO衛(wèi)星，則需采用TCP加速。TCP加速一般采用透明代理的方式，透明代理分別與TCP連接的兩端進(jìn)行交互，兩端的數(shù)據(jù)包都被緩存在TCP加速器上，TCP加速器之間的數(shù)據(jù)發(fā)送由TCP加速器進(jìn)行控制，無需反饋ACK。TCP加速器采用協(xié)議欺騙的方式，在未收到一端的ACK之前即可提前向另一端發(fā)送ACK，對用戶終端而言，減少了ACK的回傳時(shí)間，從而使得上述的速率線性增加速度加快。采用TCP加速后，TCP單進(jìn)程將可以很快將速率提升至100Mb/s以上。圖3為采用時(shí)延仿真器測試的不同RTT時(shí)延、不同TCP窗口條件下，TCP單進(jìn)程速率?？梢?，采用TCP加速之后，速率能夠迅速提升，且與鏈路時(shí)延無關(guān)。當(dāng)然，TCP透明代理的引入也不避免地會出現(xiàn)ACK誤報(bào)、不再重傳的情況，從而造成鏈路質(zhì)量會有一定程度的下降，從測試結(jié)果看，下降程度不明顯。

圖3　TCP窗口、RTT時(shí)延與速率關(guān)系圖

4.3如何支持VoLTE

VoLTE是中國移動LTE網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)語音解決方案，從長遠(yuǎn)來看，衛(wèi)星傳輸也應(yīng)支持VoLTE業(yè)務(wù)。VoLTE采用AMR-WB語音編碼方式，每幀為20ms。從現(xiàn)網(wǎng)抓包分析，碼率為23.85kb/s的AMRWB包每一包大小為61字節(jié)。VoLTE數(shù)據(jù)包的封裝方式如圖4所示，可見每一個(gè)61字節(jié)的AMR-WB數(shù)據(jù)包在IP層將增加為161字節(jié)，約為64kb/s。該速率與現(xiàn)網(wǎng)測試平均值基本相符。

圖4　VoLTE數(shù)據(jù)包封裝示意圖

從上述分析可知，由于AMR-WB數(shù)據(jù)包字節(jié)較少，靜載荷為23.85kb/s的數(shù)據(jù)流經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸后需要64kb/s。通過包頭壓縮方式可以將最外層的IPv4和UDP包頭共28個(gè)字節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，僅需2個(gè)字節(jié)即可進(jìn)行信息傳遞，則可將數(shù)據(jù)速率壓縮為54kb/s，優(yōu)化效率為16％。如果更進(jìn)一步采用GTP壓縮技術(shù)，深入GTP數(shù)據(jù)包內(nèi)部，則還可將GTP報(bào)頭、IPv6報(bào)頭、UDP報(bào)頭共60字節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，采用12個(gè)字節(jié)即可進(jìn)行信息傳遞，則可將數(shù)據(jù)速率壓縮為34kb/s，優(yōu)化效率達(dá)到47％。

此外，也可采用載荷壓縮技術(shù)，探測數(shù)據(jù)包的重復(fù)性，并將重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮傳遞。由于同一通話過程中VoLTE數(shù)據(jù)包的GTP報(bào)頭、IPv6報(bào)頭和UDP報(bào)頭重復(fù)發(fā)送，也能起到GTP壓縮的作用。從網(wǎng)絡(luò)實(shí)際測試結(jié)果看，綜合考慮對靜音幀的處理，每路VoLTE話音的數(shù)據(jù)速率可優(yōu)化至25～30kb/s，對于衛(wèi)星傳輸帶寬節(jié)約效果相當(dāng)可觀。

此外，由于VoLTE話音終端起呼接續(xù)流程較短，雖然衛(wèi)星單跳傳輸時(shí)延達(dá)到260ms左右，仍能將接續(xù)時(shí)間控制在5秒鐘之內(nèi)，相當(dāng)于通過地面?zhèn)鬏數(shù)腉SM網(wǎng)絡(luò)的接續(xù)時(shí)延，并大大優(yōu)于衛(wèi)星傳輸GSM網(wǎng)絡(luò)所需的15秒左右的接續(xù)時(shí)延，用戶體驗(yàn)較好。

4.4QoS

不管是從成本考慮還是從設(shè)備能力考慮，現(xiàn)階段的衛(wèi)星傳輸尚無法提供能夠比擬光傳輸網(wǎng)絡(luò)的容量，也無法滿足4G基站回傳的峰值速率，因此，基于衛(wèi)星傳輸?shù)?G回傳將不可避免地遇到傳輸容量受限的問題。如表2所示，4G基站回傳包含信令、多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及基站網(wǎng)管等數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時(shí)，必須采用QoS機(jī)制以保障重要業(yè)務(wù)量不受延遲或丟棄，同時(shí)還能保證網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

4G基站回傳的QoS機(jī)制主要應(yīng)基于4G系統(tǒng)自身的QCI參數(shù)，這是一種主動式的QoS方式?；咎綔y到鏈路擁塞后，將會根據(jù)業(yè)務(wù)的QCI參數(shù)和優(yōu)先級，優(yōu)先向傳輸通道發(fā)送高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包。在實(shí)際測試過程中，采用FTP傳輸將傳輸信道占滿的情況下，優(yōu)先級較高的VoLTE業(yè)務(wù)能夠及時(shí)的搶占資源，而同一優(yōu)先級的HTTP等業(yè)務(wù)影響明顯。因此，如果在某些特殊應(yīng)用場景下部分業(yè)務(wù)需要優(yōu)先傳輸，則須對這部分?jǐn)?shù)據(jù)配置較高的優(yōu)先級。

4G基站回傳的QoS機(jī)制也可以利用衛(wèi)星傳輸鏈路的QoS。衛(wèi)星傳輸?shù)腝oS應(yīng)用可以基于協(xié)議、VLAN ID、TOS值、源IP地址（或子網(wǎng)）、目的IP地址（或子網(wǎng)）、端口及DSCP（DiffServ）等方式。這種控制可獨(dú)立于4G系統(tǒng)之外，作為輔助QoS方式并結(jié)合衛(wèi)星帶寬分配方式綜合使用。然而這種方式也依賴于4G系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)之間的協(xié)商和配合，衛(wèi)星系統(tǒng)需要根據(jù)QoS規(guī)則提前了解各類業(yè)務(wù)優(yōu)先級標(biāo)簽。

5　結(jié)束語

4G業(yè)務(wù)的主要特點(diǎn)是高速率、低時(shí)延，在受限于應(yīng)用場景只能采用衛(wèi)星傳輸這種容量受限、時(shí)延較大的基站回傳通道時(shí)，應(yīng)綜合采取動態(tài)帶寬分配、TCP加速、包頭壓縮、載荷壓縮等技術(shù)，在控制成本的同時(shí)增強(qiáng)業(yè)務(wù)能力；同時(shí)也應(yīng)充分考慮QoS機(jī)制，確保重要業(yè)務(wù)優(yōu)先傳遞。

Study on Satellite Communication for 4G Backhaul

Huang Yaoming1，Wang Jiyang1，Wang Hongbin2，F(xiàn)an 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