遠(yuǎn)洋船海事FB站通信鏈路時(shí)延分析

張建飛，丁 廣，趙乾宏

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰214431)

0 引 言

海事FB 站是基于Inmarsat BGAN 系統(tǒng)的船載衛(wèi)星通信終端設(shè)備。某遠(yuǎn)洋船海事FB 站通過該系統(tǒng)地面接口、接入網(wǎng)和租用專線構(gòu)成岸船通信鏈路，完成岸船間的話音通信和數(shù)據(jù)傳輸。然而，該鏈路時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)較大，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包、話音不暢等問題，對(duì)遠(yuǎn)洋船海上實(shí)驗(yàn)任務(wù)的順利完成帶來一定的影響。

1 海事BGAN 網(wǎng)絡(luò)

BGAN 網(wǎng)絡(luò)是Inmarsat 提供的基于海事第四代衛(wèi)星的全球?qū)拵l(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)［1］。海事第四代衛(wèi)星在同步軌道布置了3 顆，它們分別是歐非星(Eur-MidEast-Afr，EMEA，@ 25° E)、亞 太 星(Asia-Pacific，APAC，@ 143.5° E) 和 美 洲 星(Americas，AMER，@98°W)［2］。Inmarsat 針對(duì)第四代海事衛(wèi)星軌道位置，在全球相應(yīng)地區(qū)設(shè)置了4 座地面關(guān)口站(Satellite Access Station，SAS)，它們分別是夏威夷站、荷蘭站、意大利站和北京站。其中意大利站與荷蘭站互為備份，夏威夷站對(duì)應(yīng)東西2個(gè)方向(美洲星和亞太星)覆蓋地區(qū)及海區(qū)的業(yè)務(wù)，北京站對(duì)應(yīng)亞太星覆蓋地區(qū)及海區(qū)的部分業(yè)務(wù)，如圖1 所示。地面關(guān)口站的作用是負(fù)責(zé)其對(duì)應(yīng)方向衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)在線用戶信號(hào)的落地并接入Inmarsat BGAN 核心網(wǎng)。在BGAN 核心網(wǎng)內(nèi)設(shè)置了3個(gè)網(wǎng)絡(luò)匯接點(diǎn)(Meet Me Point，MMP)，分別位于阿姆斯特丹(簡(jiǎn)稱荷蘭MMP)、紐約和香港。

BGAN 系統(tǒng)通過MMP (或SAS 直接地)在各地設(shè)立BGAN 業(yè)務(wù)地面接續(xù)站 (Inmarsat point of presence，POP)，提供BGAN 相關(guān)用戶與當(dāng)?shù)毓娊粨Q電信網(wǎng)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的連接，負(fù)責(zé)開通BGAN數(shù)據(jù)、話音及傳真等業(yè)務(wù)［3］。

圖1 BGAN 海事衛(wèi)星及SAS 分布Fig.1 Distribution of satellite and SAS fort Inmarsat BGAN

BGAN 業(yè)務(wù)終端形式有多種多樣，可根據(jù)用戶的具體需求和經(jīng)濟(jì)實(shí)力而定。從大體上分有陸用站、船載站和機(jī)載站。針對(duì)海上業(yè)務(wù)，Inmarsat 定義海上寬帶業(yè)務(wù)船載站為Fleet Broadband 系列站，簡(jiǎn)稱FB 站或FBB 站。各FB 站的外觀、重量、業(yè)務(wù)功能及操作界面不盡相同，各有特色。

SAILOR FB500 (簡(jiǎn)稱FB500)是T＆T 公司推出的基于BGAN 業(yè)務(wù)無縫覆蓋的海事FB 站，主要有主機(jī)、天線、操作手柄和電源等4 部分組成。具有話音通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多功能，其中數(shù)據(jù)傳輸功能分為UDI、standard IP 和 streaming IP 等。BGAN 對(duì)streaming IP 業(yè)務(wù)方式能提供最好的服務(wù)質(zhì)量保證。

2 遠(yuǎn)洋船海事衛(wèi)星通信鏈路

2.1 鏈路主干結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)洋船海事通信終端FB 站通信業(yè)務(wù)在某國(guó)際運(yùn)營(yíng)商香港POP 注冊(cè)，其通信業(yè)務(wù)目前通過香港POP 完成接續(xù)。其信息流程是:信號(hào)在夏威夷落地后經(jīng)過海底光纜到達(dá)香港MMP，然后再經(jīng)過香港POP 和地面IPLC 線路接入北京指揮中心，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。夏威夷至香港的海底光纜線路走向如圖3 所示。

2.2 用戶終端系統(tǒng)

遠(yuǎn)洋船海事FB 站通信鏈路終端系統(tǒng)即船載部分由FB500 型FB 站、路由器、網(wǎng)絡(luò)隔離器、時(shí)延抖動(dòng)平滑器、船站局域網(wǎng)等部分組成。

在海事FB 站通信鏈路中，為了信息安全、加入了網(wǎng)路隔離措施;同時(shí)，針對(duì)時(shí)延抖動(dòng)問題采用了時(shí)延抖動(dòng)平滑措施。

圖2 遠(yuǎn)洋船海事衛(wèi)星通信鏈路Fig.2 Satcom link of Inmarsat BGAN about the ocean-going ship

圖3 海底光纜線路圖Fig.3 Link of submarine optical fiber cable

2.3 存在問題

遠(yuǎn)洋船海事海事衛(wèi)通鏈路在實(shí)際工程應(yīng)用中，存在以下問題:

1)FB 站在streaming IP 256 kbit/s 業(yè)務(wù)(包長(zhǎng)64byte)下，數(shù)據(jù)最大時(shí)延實(shí)測(cè)值最小為437 ms，平均時(shí)延為480 ms，最大達(dá)到589 ms，與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)衛(wèi)通鏈路方式(指標(biāo)為400 ms)相比，存在較大的差距。

2)鏈路經(jīng)過漫長(zhǎng)的海底光纜和陸地復(fù)雜的租用線路，中間環(huán)節(jié)多，鏈路的可靠性和信息的安全性受到影響。

3)信息在國(guó)外衛(wèi)星關(guān)口站落地，在鏈路溝通、設(shè)備維護(hù)及故障排查過程中，難以進(jìn)行雙方技術(shù)業(yè)務(wù)的交流與協(xié)作。

3 時(shí)延分析

時(shí)延是指數(shù)據(jù)從鏈路的一端傳送到另一端所需的時(shí)間。鏈路中的時(shí)延是由發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延組成的［4］。造成鏈路時(shí)延的主要原因可以簡(jiǎn)單地分為設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)延和鏈路產(chǎn)生的時(shí)延。時(shí)延很大程度上體現(xiàn)了鏈路的擁塞狀態(tài)。

1)發(fā)送時(shí)延

發(fā)送時(shí)延是主機(jī)或路由器發(fā)送數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)間，也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)包的第一個(gè)比特算起，到該包最后一個(gè)比特發(fā)送完畢所需的時(shí)間。發(fā)送時(shí)延為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)與鏈路傳輸速率之比。通過控制應(yīng)用層，包長(zhǎng)可將傳輸時(shí)延控制在合適范圍。當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)為64 bytes，鏈路傳輸速率為256 kbit/s 時(shí)，發(fā)送時(shí)延約為2 ms。

2)傳播時(shí)延

傳播時(shí)延是電磁波在信道中傳播一定距離所需花費(fèi)的時(shí)間。端對(duì)端方式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)時(shí)延一般在270 ms 左右［5］。對(duì)于光纜通信線路，時(shí)延值為［6］

式中:L 為光纖長(zhǎng)度;N 為光纖材料群折射率，對(duì)于1 310 nm 的光纖來講，折射率約為1.5;C 為真空中的光速，其值為3 ×108m/s。

根據(jù)圖3 大略計(jì)算海底光纜距離，夏威夷經(jīng)威克島、關(guān)島、東京、香港的球面直線距離約為15 000 km，光纜的傳播時(shí)延約為75 ms。在陸地上的專線，從香港到北京的直線距離約為2 000 km，光纜的傳播時(shí)延約為10 ms。

另外，BGAN 網(wǎng)絡(luò)國(guó)際用戶進(jìn)入中國(guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海及領(lǐng)空時(shí)，須接受中國(guó)交通信息管理部門的“強(qiáng)制路由”管理，其通信話音和數(shù)據(jù)等必須經(jīng)過該部門通信導(dǎo)航機(jī)構(gòu)的“檢驗(yàn)”和“識(shí)別”。遠(yuǎn)洋船海事FB 站因在國(guó)際某運(yùn)營(yíng)商香港POP 注冊(cè)，當(dāng)船舶在我國(guó)領(lǐng)?；顒?dòng)時(shí)，其信息流程如圖4 所示。香港至北京的地面路徑來回約4 000 km，傳播時(shí)延計(jì)算為20 ms 左右。

3)處理時(shí)延

主機(jī)或路由器在收到數(shù)據(jù)包時(shí)要花費(fèi)一定的時(shí)間進(jìn)行處理，例如分析數(shù)據(jù)包的首部、從數(shù)據(jù)包中提取數(shù)據(jù)部分、進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)或查找適當(dāng)?shù)穆酚傻?。處理時(shí)延大小受每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和可用的硬件的影響。

圖4 “強(qiáng)制路由”信息流程Fig.4 The data flow of forced route

4)排隊(duì)時(shí)延

排隊(duì)時(shí)延是指數(shù)據(jù)包在路由器的緩沖區(qū)中，傳輸或處理前的等待時(shí)間。排隊(duì)時(shí)延由路由器中的交換結(jié)構(gòu)決定。排隊(duì)時(shí)延與帶寬利用率和信息突發(fā)的關(guān)系明顯，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輕負(fù)荷時(shí)，排隊(duì)時(shí)延很小，基本可忽略。時(shí)延抖動(dòng)主要由IP 數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)排隊(duì)等待時(shí)間的不確定性因素產(chǎn)生。

綜上所述，海事衛(wèi)通鏈路的信息從國(guó)外衛(wèi)星關(guān)口站落地，經(jīng)過BGAN 核心網(wǎng)的交換和傳輸，再經(jīng)過地面專線到達(dá)指控中心，對(duì)鏈路時(shí)延影響較大的主要是傳播時(shí)延，該值達(dá)到375 ms。發(fā)送時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延，因系統(tǒng)涉及范圍廣，鏈路間的節(jié)點(diǎn)、設(shè)備數(shù)量及型號(hào)不明，其數(shù)值難以計(jì)算，只能通過測(cè)試的方法獲得。

由上可見，數(shù)據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星電路和光纜線路之后，其傳播時(shí)延累計(jì)達(dá)到375 ms，其中光纜的傳播時(shí)延達(dá)到105 ms。再加上發(fā)送時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延，以及途中諸多路由節(jié)點(diǎn)增加的時(shí)延，海事FB站通信鏈路在通信雙方路由器之間的累計(jì)時(shí)延就超過了437 ms。

4 鏈路優(yōu)化設(shè)計(jì)

從通信系統(tǒng)技術(shù)要求來說，目前岸船海事衛(wèi)通鏈路的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延確實(shí)存在偏大問題，為此有必要對(duì)岸船通信鏈路進(jìn)行優(yōu)化，縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，以提高系統(tǒng)性能，拓展通信業(yè)務(wù)。

4.1 注冊(cè)MCN POP

中國(guó)交通部通信信息中心是Inmarsat 組織成員國(guó)在中國(guó)的業(yè)務(wù)代理，BGAN 網(wǎng)絡(luò)中國(guó)用戶須在中國(guó)交通部通信信息中心下屬的北京通信導(dǎo)航公司(MCN)注冊(cè)，享受中國(guó)用戶的權(quán)益和通信服務(wù)。遠(yuǎn)洋船用戶如果在MCN 注冊(cè)，使用MCN POP 站，則不存在“強(qiáng)制路由”的問題，使海事終端用戶在信息傳輸更加順暢;另外遠(yuǎn)洋船海事衛(wèi)通及鏈路在業(yè)務(wù)管理、系統(tǒng)維護(hù)、技術(shù)交流等方面能得到交通部通信信息中心業(yè)務(wù)部門有力和便捷的支持。

4.2 選用北京SAS

目前，全球第4 座海事BGAN 衛(wèi)星關(guān)口站——北京SAS 在北京某地區(qū)建設(shè)完成并投入使用，2015年3 月北京SAS 完成骨干網(wǎng)線路優(yōu)化調(diào)整，其骨干線路直接連通夏威夷SAS 與荷蘭SAS。北京SAS 站的投入使用，使MCN POP 站在BGAN 網(wǎng)中的邏輯位置發(fā)生變化。通過與北京SAS 站的連接可直接接入BGAN 大網(wǎng)。目前MCN 所有用戶無論在全球哪個(gè)SAS 站落地，通信業(yè)務(wù)均通過站點(diǎn)間專線路由至北京SAS 站，進(jìn)入MCN POP 站。北京SAS 站通過帶寬40M 的MPLS 專線實(shí)現(xiàn)與BGAN 其他站點(diǎn)間的互聯(lián)互通，較之前北京－香港之間的8M 專線相比有了徹底改善，業(yè)務(wù)不再受帶寬瓶頸的限制。

如果遠(yuǎn)洋船海事通信業(yè)務(wù)從北京關(guān)口站落地，這將大大縮短信道路程，有效解決信息傳輸時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)偏大的問題。通過敷設(shè)或調(diào)配專用光纜，把線路接進(jìn)指控中心，可以進(jìn)一步改善鏈路質(zhì)量，見圖5 所示，此時(shí)帶來的好處:

1)選用北京SAS 后將大大地縮短路徑、減少中間設(shè)備和環(huán)節(jié)，能有效減小處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延，從而提高系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)傳輸性能。

2)目前，遠(yuǎn)洋船對(duì)海事衛(wèi)通終端和海事鏈路性能狀態(tài)檢查的主要方法是鏈路ping 通檢查和誤碼測(cè)試，如果采用北京SAS 的話，可以建立海事用戶終端與北京SAS 之間的鏈路性能測(cè)試業(yè)務(wù)，為此能有效提高工作效率和節(jié)省費(fèi)用。

圖5 基于北京SAS 的海事衛(wèi)星鏈路Fig.5 The communication link for Inmarsat BGAN base on SAS-beijing

3)海事關(guān)口站(SAS)能夠監(jiān)視全球海事終端在線使用情況，包括信號(hào)激活、流量分析、功率控制等。如果把該信息采集伴隨傳送到遠(yuǎn)洋船，則對(duì)設(shè)備和鏈路的運(yùn)行管理、技術(shù)保障和故障分析帶來諸多方便。

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)本方案設(shè)計(jì)，在某船舶FB 終端進(jìn)行Streaming256 業(yè)務(wù)性能測(cè)試。結(jié)果是:信息直接從北京SAS 站落地，再傳輸?shù)絇OP －MCN，平均傳輸時(shí)延約為350 ms (包長(zhǎng)64 byte);信息在其他SAS站落地時(shí)，通過BGAN 核心網(wǎng)MPLS 專線路由到達(dá)北京SAS，平均時(shí)延約425 ms (亞太星/美洲星)。試驗(yàn)結(jié)果證明:

1)FB 站從北京SAS 落地之后，比原先香港POP 再加地面租用專線到指控中心的方式平均時(shí)延減少了130 ms，說明海底光纜和地面租用專線的漫長(zhǎng)和復(fù)雜帶來不可忽視的時(shí)延。

2)信息在其他SAS 站落地時(shí)，通過BGAN 核心網(wǎng)傳輸?shù)絇OP －MCN，再到指控中心，比當(dāng)前其他POP 方式減少了55 ms，說明POP － MCN 融入BGAN 核心網(wǎng)后性能有明顯的提升。

遠(yuǎn)洋船海事FB 站通信鏈路采用北京SAS 落地，其鏈路將大為縮短，中間環(huán)節(jié)大為減少，不僅時(shí)延減小，而且在時(shí)延抖動(dòng)指標(biāo)上得到改善，屆時(shí)可以省略時(shí)延平滑設(shè)備，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)捷和可靠性。同時(shí)在系統(tǒng)維護(hù)、設(shè)備聯(lián)試和技術(shù)交流上能得到業(yè)務(wù)管理部門的支持。

5 結(jié) 語

基于第四代海事衛(wèi)星的BGAN 是目前國(guó)際上比較先進(jìn)的衛(wèi)星寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，F(xiàn)B 站是該系統(tǒng)中的船載用戶終端。該系統(tǒng)擁有便捷的操作、較寬的帶寬、豐富的業(yè)務(wù)、可靠的核心網(wǎng)絡(luò)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，存在信息安全隱患和時(shí)延較大等問題。在用戶通信鏈路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從系統(tǒng)可靠性和安全性的大局出發(fā)，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，緊跟技術(shù)發(fā)展步伐，及時(shí)解決應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，不斷完善系統(tǒng)性能。

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