基于SDH的卫星IP网络技术

基于SDH的卫星IP网络技术（朱学迅、程建）
摘要  介绍了卫星IP网络和基于SDH的卫星IP网络的基本技术，对目前卫星IP网络的应用及有
关技术问题进行了分析说明，并对卫星IP网络的发展前景作了叙述。
关键词  卫星 IP网络 TCP FSS－SDH PPP  IP Over SDH
1卫星IP网络简介
    卫星IP网络是指以IP技术为基础，通过卫星信道进行传输、交换IP数据包，以达到组网
目的。典型的卫星IP网络基站系统工作进程如下：
    从Internet骨干网、PSTN服务器和ISDN服务器来的IP数据包经过路由器解释处理，并经
复接器复接，形成相应的数据帧，再经调制由基站发射机发出。从卫星传来的数据经相逆过
程送到卫星路由器。卫星路由器收到并解释IP分组（即IP地址）后，选择一个接口发送IP数
据。有的卫星IP网络系统还能直接面向局域网连接。通过小天线和基于PC的处理极，也可将
IP数据包直接送入个人主机。
    由于卫星网络传送技术不同，复接器的类型也不同。在卫星IP网络领域中，主要的传送
技术有三种：ATM、SDH和MPG-2。Eutelsat卫星组织已对IP采用MPG2打包，在卫星上传输业
务。在欧洲提供的Ku波段卫星电视模拟信道上，IP数据报在HDLC帧中打包，再送往音频副载
波发送。这种方式很适合为企业网、局域网或家庭用户提供低速率（92kb／s）的IP业务服
务。
    基于SDH的卫星IP网络以PPP协议作为数据链路层协议，根据RFC1662规范，把IP分组简
单地封装到PPP帧的信息段中，由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH的
同步净荷中，再经过SDH传输层和段层，加上相应的开销，把净行装入一个SDH帧中，最后经
调制由基站发射机发射。
2卫星IP网络的现况和前景
    目前，进入实用的卫星IP网络有Eutelsat卫星组织的卫星多媒体系统，它工作在Ku波段
的卫星电视信道上，以MPEG－2压缩成IP数据，支持IP数据包在卫星上传输。在用户终端，
用小天线（直径60cm）接收信号，在一块PC DVB板中完成信号的解调、译码、分接、IP数据
再生，然后通过标准创览器（IE，Netscape）就可工作了。美国航天航空局（NASA）则致力
于高速卫星IP网络的研究，它下属的Glenn研究中心以TCP OverATM Over SONET传送方式，
已成功地传送速率大于520Mb／s的数据信息。
    卫星IP网络的发展主要有两个方向：（1）高速技术，提供Internet骨干网的无缝连接；
（2）终端小型化，为企业网、局域网或家庭用户提供便宜的Internet接口。
    目前，国际电联拟定的主要研究技术包括：支持IP的卫星网络体系结构；支持IP运行
的网络层协议、Internet规定协议和传输层协议的卫星链路需求；支持IP运行的话音、视
频、可视电话和文件传输的卫星链路性能；IP增强卫星链路或高级协议性能的可改善要求；
使用IP专用和加密协议对卫星链路的影响。目前的研究主要集中在对传输层协议的改进和
更新，以及采用先进的编码和调制技术来提高卫星链路性能。
3基于SDH的卫星IP网络
3.1 FSS-SDH网络结构
    在固定卫星业务（FSS）中，其中，同步基带设备（SBE）主要功能力：完成SDH一的复
接；完成段层、通一道层到卫星系统内部接口和参考点的适配与转换；建立段层或通道层
的非对称、多终点连接，支持点对点同步通道层的交叉连接；为信号在卫星上传输进行特
殊分段；对SDH指针和卫星系统定时的统计；在SBE、SDH复接中的基本管理。卫星地面传
输设备的基本功能有：调制；多址接入系统的协议分析、实现及管理；定时维护。
3.2 FSS-SDH传送网
    在SDH中，引入并规定了各种基本单元功能块，以组成SDH设备。不同类型的设备可用
不同组合来实现，给设备的制造和使用带来了方便。基本单元功能块由特定功能的基本组
件电路和软件组成，包括：PDH物理接口（PPI）、低阶通道适配（LPA-m/n）、高阶通道
终端（HPT－n）、高阶通道连接（HPC－n）、复用段适配（MSA）、复用段保护（MSP）、
复用段终端（MST）、再生段终端（RST）等单元功能块。为了实现～些功能，还需要将若
干标准的基本单元功能块固定组合在一起，形成复合功能块，分为复合适配功能块和监控
功能块两类。前者包括传送终端（TIF）、高阶接口（HOI）、低阶接口（LOI）及高阶组
装（HOA）等功能块；后者包括高阶连接监控（HCS）和低阶连接监控（LCS）功能块。此
外，在设备功能参考模型中还有管理和定时功能块，包括SIJH设备管理（SEMF）、SDH设
备定时源（SETS）、SDH设备定时物理接口（SETPI）、开销接入（OHA）及报文通信（MC
F）等功能块。这些单元功能模块的功能、接口标准和内部的信号处理过程，在ITU－T建
议G.782，G.783和G.784中都有详细说明。
3.3  FSS－SDH组网方案
    根据网络支持的信息速率不同，FSS－SDH定义了三种组网方案：
    （1）支持的点对点SDH再生段是工作在SIM－1（155.52Mb/S）或 STM－（51.84Mb／S ）
下的。RSOH的标准功能、SDH管理网传送链路的建立、特定数据／话音通路连接功能等都
能在卫星基带设备（SBE）中获得。透明传输的MSOHK1／ K2字节可进行自愈网保护，复
用段终端（MST）和复用段保护（MSP）的功能作用在地面网络的局问复用段端口。
    （2）支持SDH业务的点对多点和交叉连接功能，描述了广域卫星网的可视性，以
51.84Mb/s。（STM－0）SDH单速率方式工作，与地面接口速率仍采用STM－1（155Mb/s）。
SBE提供从SDH复用信号中提取净负荷流（VC－12、TUG－2）功能，每个SBE都会在SDH净
负荷流中加入单向卫星内部事务管理段（一个传输的和几个接收的），以支持卫星的多
终点操作。SBE作为卫星线路终端，拥有RST、MST和MS自动保护切换功能。传输信号以
VC－12、VC－2和VC－3为信息单位，进行通道层点到点的连接。标准的通道层功能在交
叉连接时是透明的。
    （3）规定了低于51.84Mb/s。广域多速率交叉连接工作方式，传输速率与地面SDH
的传输速率分级有本质的不同。该网络是在方案（2）的基础上形成的，它支持低级虚
容器（LOVC）交叉连接功能、复用段或再生段功能。在卫星规定网络部分，非SDH序列
速率用于支持较低的业务路由。此方案引人两个新的载荷类型：卫星同步传输模式SSTM
－2n和SSTM－1k。
3.4 IP over SDH技术
   （1）PPP协议
    PPP（Poine-to-Point Protocol[RFC 1661]协议是一个简单的第二层（数据链路层）
协议，提供一种串行点到点链路传输数据的方法。PPP主要由三部分组成：串行链路上
数据报的封装方法；链路建立、配置和数据链路连接测试的链路控制协议（LCP）；建
立和配置不同网络层协议的一组网络控制协议（NCP）。
    PPP协议采用国际标准化组织（ISO）的高级链路控制（HDLC）协议ISO3309－1979
和ISO3309－1984修订版本的原理、术语和帧结构。
    （2）PPP Over SDH技术
    PPP在SDH上应用的操作步骤如下：
    发送方：IP→PPP→帧检验序列生成→比特填充→扰码→SDH帧
    接收方：SDH帧→码扰→去比特填充→FCS检测→PPP→IP
    为了与 RFC1619兼容，扰码器有一个 ON／OFF开关，处于OFF状态时，扰码器被旁
路。一般来说，这项功能的缺省值为ON状态。使用扰码与否用通道开销C2字节来表示，
22（16）表示使用扰码，207（16进制为CF）表示PPP没有用扰码，这时复帧指示H4不
被使用，必须为0。
    在PPP Over SDH中，扰码多项式X43＋1。另外，扰码器只在SDH高阶VC中操作，对
SDH的通道开销和固定比特填充不作扰码。扰码器的状态是连续的，不需要每一帧都重
新设置，最先采用的状态由发送方随机设置。
4影响卫星IP网络性能的因素
4.1影响因素
    卫星信道的一些固有特点对TCP／IP体系影响很大。在现有的卫星信道条件下，TCP
／IP协议的性能较差，带宽利用率较低。
    （1）长时延
    由于地球站与卫星之间相隔遥远，“一跳”（从地球站到卫星再到地球站）的时延
可达279ms，一次响应时间至少558ms。这么长的时延会形成一个长的反馈环路，对于可
靠传输协议TCP来说，其发信机判断数据包是否已到达目的地的时间较长。而且，长时
延会使时延带宽积相当大，当时延带宽积达到105bit时， TCP的性能将明显下降。时
延带宽积是指带宽和往返时延的乘积，也就是在信道完全充分利用的情况下，在信道
中传输但没有被确认的数据量。
    （2）信道误码率较高
    卫星信道的误码率一般大于地面通信链路，其典型值至少为10－7。每当网络出现
拥塞崩溃现象，TCP协议会自动减小窗口尺寸，使发出的数据包减少，以缓解网络拥塞。
TCP判断是否发生网络拥塞的标准是接收的数据包数量，如果接收到的数据包减少，TCP
协议就认为发生网络拥塞，并开始减小滑动窗口的尺寸。然而，实际上有两种情况可能
会造成接收数据包减少，一种是发生了网络拥塞现象，另一种是由误码造成。可见，误
码将会影响卫星IP网络频带利用率。    除此之外，卫星IP网络的其它特点（如不对称
应用、往返时延的变化、连接的间断性等），也许会对TCP的性能造成影响。
4.2解决方案
    （1）采用先进的调制、编码技术来降低误码率，提高卫星IP网络的性能。近年来，
一些先进的调制、编码技术已用于卫星通信中，例如 TCM技术、级联码技术等。此外，
还有一些前沿技术正在研究中，如Turbo码、Turbo格码技术等。在卫星IP网络中应用这
些技术，不仅要考虑到误码率的因素，还要考虑到时延的因素。
    （2）采用自动重复回传（ARQ）协议。ARQ协议已经开始在卫星网络的低层协议中
运用，发信机发送经编号的短小数据包，可选择重传那些丢失数据的数据包。采用的方
法有停止等待、退N步重传、选择重传等。ARQ协议在误码率较低的键路中效果较好，在
误码率较高的链路中会增加信道时延。ARQ与TCP协议之间的关系也需进一步研究，特别
是要慎重选择ARQ重传时间间隔，以免与TCP本身的时间溢出机制相冲突。
    （3）改进TCP协议。可从以下几方面考虑：（i）增大窗口值，现在窗口的最大值
为64kbyte，可考虑增加一个新的TCP选项，允许窗口的值大于64kbyte；（ii）选择确
认应答，在信道中，分组丢失对流量的影响是灾难性的，简单的累加确认更加剧了这种
影响。当出现分组丢失时，发送方将在超时后进行重传。由于发方的TCP不知道已经到
达接收方的情况，有时会发送一些不必要的分组。这时可采用选择性确认，只重传真正
丢失的分段；（iii）序号重用的改进，TCP通过对接收数据的序号检测，实现重复段检
测和数据的有序可靠传输。高速传输将导致短时间内32位序号循环使用，威胁到TCP传
输的可靠性。在频繁关闭和打开连接时，存在滞留网络的段造成序号重用问题，这可利
用TCP回应选项的时戳机制来解决。

摘自《电信快报》