新一代天基信息系統(tǒng)多業(yè)務(wù)傳輸保障機制設(shè)計

谷聚娟，白鶴峰，李文屏，蘇 曼，王曉婷，馬廣龍

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

0 引言

近年來，天基網(wǎng)絡(luò)空間成為全球新一輪競爭熱點，我國已經(jīng)將天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)列為重大專項，天基網(wǎng)絡(luò)對維護國家安全、搶占空天信息競爭制高點、促進經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義[1]。近年來，我國已經(jīng)成功發(fā)射了多顆不同軌道、不同用途的衛(wèi)星，并積極開展新一代天基信息系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)研究和探索，初步形成了“天基骨干網(wǎng)+天基接入網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2-3]。

新一代天基信息系統(tǒng)是以不同軌道、種類、特征的衛(wèi)星、星座及相應(yīng)地面基礎(chǔ)設(shè)施所組成的信息網(wǎng)絡(luò)，它們通過星間、星地鏈路連接在一起，可以為用戶提供數(shù)據(jù)、話音、視頻等多種類型業(yè)務(wù)。新一代天基信息系統(tǒng)具有大時空跨度、衛(wèi)星資源受限、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等特點，相比傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)，其多業(yè)務(wù)傳輸保障機制面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

如何在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中進行端到端服務(wù)質(zhì)量保證，文獻[4-9]進行了一定的研究，但是都沒有針對天基網(wǎng)絡(luò)特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、分析衛(wèi)星的特點以及結(jié)合具體的業(yè)務(wù)類型，因此其成果不能直接用于天基信息網(wǎng)絡(luò)中。

天基信息系統(tǒng)中多業(yè)務(wù)的傳輸保障機制還不完善，為保證多種業(yè)務(wù)類型的傳輸，充分利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，必須結(jié)合天基信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)類型以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)特點設(shè)計適用于新一代天基信息系統(tǒng)的多業(yè)務(wù)傳輸保障機制。

1 新一代天基信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

我國新一代天基信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究和討論已經(jīng)持續(xù)了10多年，并安排了一系列課題進行研究，目前已經(jīng)取得了一系列成果。在綜合文獻[10-15]相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，提出新一代天基信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖1所示。

圖1 新一代天基信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Network architecture of the new generation space-based information system

新一代天基信息系統(tǒng)包括天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)以及地基節(jié)點網(wǎng)三部分。高軌衛(wèi)星節(jié)點具有拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、單星覆蓋區(qū)域廣的優(yōu)勢，可以作為天基骨干網(wǎng)。天基接入網(wǎng)由高軌接入網(wǎng)、中低軌接入網(wǎng)等多種軌道節(jié)點構(gòu)成，高軌道接入衛(wèi)星在全球覆蓋和傳輸能力方面具有優(yōu)勢，可以納入高軌接入網(wǎng)；中低軌星座衛(wèi)星具有數(shù)量多、全球覆蓋及時延低等優(yōu)勢，滿足陸、海、空、天多層次海量用戶的接入需求。地基節(jié)點網(wǎng)主要包括衛(wèi)星管控中心、各類關(guān)口站，通過地面關(guān)口站完成不同網(wǎng)系各類用戶業(yè)務(wù)到地面互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)的地面轉(zhuǎn)接與信息交換等功能，實現(xiàn)與其他地面系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

2 多域協(xié)同的QoS機制設(shè)計

2.1 業(yè)務(wù)QoS需求分析及策略

在新一代天基信息系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)類型包括話音、視頻、IP數(shù)據(jù)以及會議等多種類型，不同業(yè)務(wù)類型的QoS需求不盡相同，需要結(jié)合業(yè)務(wù)類型進行分析。

對于話音、視頻電話以及會議等業(yè)務(wù)，實時性要求較高，可以作為保障業(yè)務(wù)，多域協(xié)同，提前為其分配保障鏈路[16]，提供高水平的服務(wù)質(zhì)量保障。對于其他實時業(yè)務(wù)，為其劃分較高優(yōu)先級來保障其傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。

而數(shù)傳業(yè)務(wù)對鏈路傳輸時延要求較低，可以延時傳輸，因此可以作為非保障業(yè)務(wù)，盡力而為進行傳輸。

2.2 QoS機制總體架構(gòu)

新一代天基信息系統(tǒng)中，不同業(yè)務(wù)類型的QoS需求不同，并且天基信息系統(tǒng)具有大時空跨度、衛(wèi)星資源受限、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等不同于地面網(wǎng)絡(luò)的特點?，F(xiàn)有QoS技術(shù)都不能很好地支持業(yè)務(wù)端到端QoS，綜合服務(wù)模型實現(xiàn)過于復(fù)雜，區(qū)分服務(wù)模型只能提供相對的QoS保證，MPLS-TE對網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的要求比較高，通常只用于地面核心網(wǎng)絡(luò)[17]。

本文提出了多域協(xié)同的跨層按需服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)，總體架構(gòu)如圖2所示。多域協(xié)同的跨層按需服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)按照天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的特點，在不同網(wǎng)絡(luò)域針對不同業(yè)務(wù)采用不同的QoS機制，域間通過QoS參數(shù)協(xié)同，以保證各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)策略的一致性和收斂性；在不同的網(wǎng)絡(luò)層次采用不同的QoS機制，實現(xiàn)在公共、開放、融合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為業(yè)務(wù)提供端到端的QoS保障。

圖2 QoS總體架構(gòu)Fig.2 QoS overall architecture

2.3 跨層QoS機制

天基網(wǎng)絡(luò)中的QoS架構(gòu)采用保障類業(yè)務(wù)和非保障類業(yè)務(wù)相結(jié)合的方式，全面保障各類業(yè)務(wù)的QoS需求。對于話音、視頻電話等有嚴格帶寬需求的會話類業(yè)務(wù)，采用自定義的資源預(yù)留協(xié)議為業(yè)務(wù)預(yù)先分配信道資源，一旦資源預(yù)留成功則為其分配較高優(yōu)先級，并在預(yù)留信道進行傳輸。系統(tǒng)首先對數(shù)據(jù)包進行分析，解析數(shù)據(jù)包是SIP信令還是普通數(shù)據(jù)包。對于保障類業(yè)務(wù)，觸發(fā)資源預(yù)留過程，并與星上進行QoS參數(shù)協(xié)同，提供多域統(tǒng)一的服務(wù)質(zhì)量保障。對于普通業(yè)務(wù)，則采用Diffserv的方式，區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級，進行QoS管理，優(yōu)先保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)。

跨層QoS需要在通信網(wǎng)絡(luò)各個層面進行服務(wù)質(zhì)量聯(lián)動控制，在網(wǎng)絡(luò)層通過IP 網(wǎng)絡(luò)QoS 技術(shù)，為上層應(yīng)用提供QoS 協(xié)商機制，對下需要與實際的無線信道資源分配相組合[4]。

下面分別從應(yīng)用層、IP層和MAC層介紹各層的QoS功能。

(1) 應(yīng)用層：向用戶終端發(fā)送SIP信令建立或取消會話。對于實時業(yè)務(wù)(如VOIP)，用戶終端之間基于SIP信令來建立、改變和終止多媒體會話，協(xié)商業(yè)務(wù)的傳輸信息，如媒體類型、使用的編碼方式等。如果衛(wèi)星終端能夠為實時業(yè)務(wù)預(yù)留資源，則通知接入控制模塊準許接入業(yè)務(wù)，應(yīng)用層向用戶終端轉(zhuǎn)發(fā)確認建立SIP會話的信令；反之向用戶終端發(fā)送取消SIP會話信令。

(2) IP層：采用Diffserv的方式，進行QoS管理，具有業(yè)務(wù)分類、標(biāo)記、流量控制、策略以及排隊調(diào)度等功能。通過MAC層的反饋機制對各個IP隊列進行流量控制，減少各個MAC隊列的大小，提高整個調(diào)度效率。

(3) MAC層：為滿足IP層Diffserv的轉(zhuǎn)發(fā)請求，需要結(jié)合無線資源管理技術(shù)，通過衛(wèi)星資源管理中心預(yù)留無線資源來保障實時業(yè)務(wù)端到端的服務(wù)質(zhì)量。對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的無線資源，實時業(yè)務(wù)使用預(yù)留的帶寬資源；非實時業(yè)務(wù)，各優(yōu)先級隊列按照絕對優(yōu)先調(diào)度規(guī)則共享非實時帶寬資源。

(4) QoS跨層映射：IP層優(yōu)先級到MAC層QoS優(yōu)先級進行映射，基于MAC QoS優(yōu)先級對數(shù)據(jù)包進行緩存,映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 IP層和MAC層QoS優(yōu)先級的映射關(guān)系Fig.3 Mapping relationship between IP layer and MAC layer

MAC QoS到無線資源的映射一方面根據(jù)業(yè)務(wù)需求生成不同類型的資源請求，另一方面利用系統(tǒng)分配的帶寬資源對MAC層信元隊列進行調(diào)度。經(jīng)過調(diào)度的信元通過相應(yīng)處理(信道編碼、調(diào)制、突發(fā)成形等)發(fā)送至系統(tǒng)上行鏈路。

2.4 跨域QoS協(xié)同

在天地一體化融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，為實現(xiàn)業(yè)務(wù)在跨網(wǎng)傳輸過程中能夠得到一致的服務(wù)質(zhì)量保證，需要分別結(jié)合天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)自身QoS參數(shù)指標(biāo)體系，建立網(wǎng)絡(luò)間QoS參數(shù)的映射關(guān)系，同時，天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)都需要從端到端的角度提供自己的QoS承載服務(wù)和端到端QoS參數(shù)在不同協(xié)議層之間的映射，以確保用戶體驗指標(biāo)、業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)及各網(wǎng)絡(luò)資源參數(shù)指標(biāo)在業(yè)務(wù)提供過程中的一致性。

目前比較成熟的 QoS 機制，通常采用靜態(tài)映射方式，或根據(jù)業(yè)務(wù)某一項或者幾項 QoS 參數(shù)尋找物理上最接近的性能進行匹配。對于實時性要求高的VIP數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，在地面網(wǎng)絡(luò)中也需要映射為較高優(yōu)先級；對于非實時數(shù)據(jù)，映射為較低優(yōu)先級；對于盡力而為的數(shù)據(jù)映射為最低優(yōu)先級。通過簡單的對應(yīng)方式，將自身的業(yè)務(wù)類型映射為 IP QoS 標(biāo)準，以便在 IP 骨干網(wǎng)上順利傳輸。

3 基于原型系統(tǒng)的測試及分析

原型系統(tǒng)測試環(huán)境如圖4所示，該環(huán)境由2顆衛(wèi)星、2個關(guān)口站和2個衛(wèi)星機動站組成。衛(wèi)星載荷包含星載交換和星載CPU，可以對數(shù)據(jù)進行優(yōu)先級分類和調(diào)度，衛(wèi)星間配置星間鏈進行連通，A星和B星下各有1個關(guān)口站和1個機動站，組成全連通的衛(wèi)星網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。B星關(guān)口站包括SIP服務(wù)器、SDN控制器、網(wǎng)管中心、衛(wèi)星通信終端、業(yè)務(wù)終端及IP話機等；A星關(guān)口站和衛(wèi)星機動站包括衛(wèi)星通信終端、業(yè)務(wù)終端及IP話機等。由B星關(guān)口站連接路由器接入地面網(wǎng)，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

圖4 原型系統(tǒng)測試框圖Fig.4 Prototype system test block diagram

按照測試框圖，連接各個設(shè)備，對多業(yè)務(wù)傳輸保障機制進行測試，步驟如下：

① 給所有設(shè)備加電，配置或檢查各設(shè)備IP地址是否正確，等待各終端入網(wǎng)成功，路由表收斂；

② 配置網(wǎng)絡(luò)測試儀在端口1到端口4進行RFC2544測試，記錄測試結(jié)果；

③ 根據(jù)測試結(jié)果給網(wǎng)絡(luò)持續(xù)注入背景流量，同時撥打IP電話，觀察電話互通情況及背景流量丟包情況。

測試結(jié)果如表1所示。

表1 多業(yè)務(wù)傳輸保障功能測試結(jié)果Tab.1 Multi-service transmission guarantee function test results

由測試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在背景流量達到吞吐量時，仍能夠保障電話信令和電話媒體流的正常傳輸，電話通話正常。

4 結(jié)束語

我國已經(jīng)將天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)列為重大專項，天基信息系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注，支持多種業(yè)務(wù)傳輸保障成為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，因此研究新一代天基信息系統(tǒng)多業(yè)務(wù)傳輸保障機制具有重大意義。本文提出的多域協(xié)同的按需服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)，將業(yè)務(wù)劃分為保障類業(yè)務(wù)和非保障類業(yè)務(wù)，在不同的網(wǎng)絡(luò)域為不同業(yè)務(wù)采用不同的QoS機制，域間通過QoS參數(shù)協(xié)同，保證各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)策略的一致性和收斂性，可以滿足新一代天基信息系統(tǒng)中不同業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量的要求，提高無線鏈路資源使用效率。