基于IP協(xié)議的衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能評(píng)估

王小康 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081

基于IP協(xié)議的衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能評(píng)估

王小康 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081

針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)日益增強(qiáng)，提出一種基于IP協(xié)議的衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能評(píng)估方法。首先，提出基于IP協(xié)議的衛(wèi)星通信性能評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，其次根據(jù)衛(wèi)星信道的特性設(shè)計(jì)衛(wèi)星信道模擬器和軟件測(cè)試方法，最后搭建基于IP協(xié)議的衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估測(cè)試，給出評(píng)估結(jié)果并對(duì)這種評(píng)估方法提出了改進(jìn)措施。

衛(wèi)星通信；IP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)測(cè)試；衛(wèi)星信道模擬器

satellite communication； IP protocol； network test；satellite transponders emulator

引言

一個(gè)基于IP協(xié)議的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，傳輸包括視頻、語(yǔ)音和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等多媒體信息。在系統(tǒng)建設(shè)初期應(yīng)當(dāng)對(duì)其業(yè)務(wù)承載能力及傳輸性能做出評(píng)估，即在模擬系統(tǒng)上建設(shè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、設(shè)計(jì)合理的測(cè)量方法和研制性能測(cè)試綜合軟件等。通過性能評(píng)估，可提前發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能是否滿足用戶需求以降低系統(tǒng)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。

1 網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)性能是由網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的一組指標(biāo)參數(shù)來評(píng)價(jià)的，目前，IETF的IPPM定義的指標(biāo)包括連通性單向延遲、單向包丟失、往返延遲等。在本文的專用網(wǎng)絡(luò)(帶寬限制較小，一般為2 MB)性能測(cè)試過程中，測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)包括帶寬、誤碼率和延時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)找出對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)性能最敏感的測(cè)量指標(biāo)作為關(guān)鍵指標(biāo)集。對(duì)多媒體網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)一步判斷出分別影響數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音傳輸和視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵指標(biāo)集。在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，利用衛(wèi)星信道模擬器的誤碼和延時(shí)性能向網(wǎng)絡(luò)信道中附加誤碼和延時(shí)參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)的方法研究衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的誤碼率、延時(shí)和鏈路帶寬對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)性能的影響。

2 評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)評(píng)估測(cè)試要求搭建測(cè)試平臺(tái)，系統(tǒng)連接框圖見圖1。其中圖像編解碼器的編碼速率和系統(tǒng)碼流速率可以調(diào)整，語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)不可以調(diào)整數(shù)據(jù)速率，測(cè)試計(jì)算機(jī)則根據(jù)測(cè)試要求進(jìn)行不同速率的收發(fā)數(shù)據(jù)測(cè)試。路由器對(duì)出口數(shù)據(jù)速率限制為2Mb/s。

2.1 衛(wèi)星信道模擬器

基于LMS模型的衛(wèi)星信道模擬器可以模擬衛(wèi)星星地鏈路特性，提供8路仿真的雙向數(shù)字信道，能夠根據(jù)星地鏈路收發(fā)信機(jī)參數(shù)、用戶所處環(huán)境參數(shù)、工作頻段參數(shù)等，實(shí)時(shí)仿真星地鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)的誤碼、誤幀、延時(shí)等信道特性。其主要參數(shù)指標(biāo)如下：

①容量：8路仿真的雙向數(shù)字信道；

②信道接口：每路均具有10/100 Mb/ s以太網(wǎng)接口，可同時(shí)連接8個(gè)獨(dú)立工作的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；

③誤碼間隔0～2 000 bit，誤碼長(zhǎng)度0～16 bit，誤碼范圍0～10-7；

④延時(shí)：1 ms～200 ms，精度0.1 ms；

⑤參數(shù)設(shè)置：可以設(shè)置的參數(shù)包括調(diào)制方式、延時(shí)、信噪比，每路的參數(shù)設(shè)置互不影響。

實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星信道模擬器具有以下特點(diǎn)：只涉及星地鏈路，主要考慮傳輸延時(shí)和無線誤碼2個(gè)基本特性。誤碼特性模塊和延時(shí)特性模塊如圖2所示，可以通過改變模擬器的參數(shù)改變網(wǎng)絡(luò)的特性。

圖2 衛(wèi)星信道模擬器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的方法和工具多種多樣，可以分為主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量?jī)纱箢悺Ｖ鲃?dòng)測(cè)量通過向網(wǎng)絡(luò)中注入探測(cè)流量來進(jìn)行，通過結(jié)果響應(yīng)數(shù)據(jù)來獲得網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；被動(dòng)測(cè)量是在網(wǎng)絡(luò)的主要出入口監(jiān)聽和記錄網(wǎng)絡(luò)中的分組流量并進(jìn)行測(cè)量，從中提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析從而得到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。

在網(wǎng)絡(luò)測(cè)評(píng)中，確定網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)或測(cè)度最為關(guān)鍵，直接影響網(wǎng)絡(luò)測(cè)評(píng)的內(nèi)容及其全面性、合理性和有效性。例如帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率、流量或吞吐量等指標(biāo)都是眾所周知的測(cè)度。目前IETFs IPPM(IP Performance Metrics)定義的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量指標(biāo)分為RFC已經(jīng)定義的指標(biāo)和目前還是IETF中的一個(gè)草案的指標(biāo)，前者包括連通性（RFC 2678）、單向延遲（RFC 2679）、單向包丟失（RFC 2680）、往返延遲（RFC 2681），后者包括瞬間包延遲變化、IP包延遲變化、單向丟失模式采樣。

2.3 測(cè)試方法及性能參數(shù)選擇

采用主動(dòng)測(cè)試方法：在網(wǎng)絡(luò)上布置測(cè)試機(jī)器，主動(dòng)發(fā)送測(cè)試流量，如，從A端到B端，獲得兩端點(diǎn)間的測(cè)試結(jié)果信息。

選擇的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量?jī)?nèi)容包括帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率、流量和吞吐量等。

2.4 測(cè)試要點(diǎn)

將實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)為2Mb/s帶寬，逐步加大圖像業(yè)務(wù)IP數(shù)據(jù)流量，測(cè)量信息丟包率、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)等指標(biāo)，目測(cè)視頻傳輸?shù)男阅芮闆r，標(biāo)定上述指標(biāo)的可容忍度。

在給定業(yè)務(wù)容量情況下，逐步調(diào)低網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，按照標(biāo)定指標(biāo)進(jìn)行判斷，得出傳輸給定業(yè)務(wù)的所需的最小帶寬。

加入衛(wèi)星信道模擬器，逐步加入噪聲或加大時(shí)延，測(cè)試信息傳輸丟包率的變化情況，繪制丟包率、時(shí)延、噪聲功率的雙變量曲線。

變化業(yè)務(wù)數(shù)，記錄視頻性能變化、各段帶寬值的變化、各段時(shí)延值變化，丟包率指標(biāo)變化，查找衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在帶寬和時(shí)延上的“瓶頸”。

3 測(cè)試程序架構(gòu)

測(cè)量程序采用Winpcap+Winsock的層次化測(cè)量架構(gòu)。

Winpcap源于Berkley Packet Filter（BPF）和libpcap函數(shù)庫(kù)，支持Win32的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)。Winsock是人們很熟悉的Windows套接字編程工具，源于Berkley Socket技術(shù)。這兩款網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具各有特色，結(jié)合使用可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高軟件開發(fā)的效率，增強(qiáng)軟件的運(yùn)行性能。Winpcap支持網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送，繞開了TCP/IP協(xié)議棧，有利于高速的數(shù)據(jù)包檢測(cè)和分析；支持對(duì)數(shù)據(jù)包的過濾。

Winsock是建立在TCP/IP協(xié)議棧之上的程序開發(fā)工具，提供面向連接和的連接得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以大大降低程序開發(fā)工作量。

圖3 測(cè)量程序架構(gòu)

程序采用三層架構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、測(cè)試層。

其中網(wǎng)絡(luò)接口層就是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序模塊，負(fù)責(zé)程序與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的交互。

網(wǎng)絡(luò)層包括兩部分：一個(gè)是基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾器（NPF）的網(wǎng)絡(luò)模塊，一個(gè)是基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)模塊。

測(cè)試層通過Winpcap編程接口來訪問NPF，檢測(cè)出原始數(shù)據(jù)包并獲取數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)刻；通過Winsock編程接口來訪問TCP/IP，獲取TCP會(huì)話信息。主從程序測(cè)試層均包括兩個(gè)基本功能模塊：數(shù)據(jù)包檢測(cè)和TCP會(huì)話。數(shù)據(jù)包檢測(cè)模塊利用Winpcap接口獲取網(wǎng)絡(luò)中的原始數(shù)據(jù)包，測(cè)量開始后，主程序數(shù)據(jù)包檢測(cè)模塊直接解析出發(fā)送端計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包IP標(biāo)志，記錄進(jìn)主測(cè)試窗口，從程序的數(shù)據(jù)包檢測(cè)模塊直接解析出接收端計(jì)算機(jī)接收的數(shù)據(jù)包IP標(biāo)志，記錄進(jìn)從測(cè)試窗口，同時(shí)記錄視頻包的達(dá)到時(shí)刻；TCP會(huì)話模塊利用Winsock接口建立主從程序間的TCP連接，控制測(cè)量步驟，并交互測(cè)量過程中獲取的數(shù)據(jù)。窗口調(diào)節(jié)模塊利用這兩個(gè)基本功能動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)試窗口尺寸。根據(jù)正確接收的數(shù)據(jù)包和主程序通知確認(rèn)的數(shù)據(jù)包序列，從程序的丟包確認(rèn)模塊檢查數(shù)據(jù)包的丟失情況，并把丟包數(shù)據(jù)反饋給主程序。根據(jù)反饋的丟包信息，主程序的丟包率計(jì)算分析模塊計(jì)算丟包率。從程序的延遲計(jì)算模塊通過時(shí)間提取，計(jì)算相繼到達(dá)視頻包的延遲，并通過TCP會(huì)話連接將最后的延遲統(tǒng)計(jì)值返回給主程序的延遲獲取模塊。

4 測(cè)試結(jié)果及評(píng)估

4.1 測(cè)試結(jié)果

利用PCM限定網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬為128 Kb/s，設(shè)置衛(wèi)星信道模擬器的延時(shí)為1 ms。在不同誤碼率下，利用TCP文件傳輸工具在計(jì)算機(jī)1和計(jì)算機(jī)2之間傳輸27 KB的文件。改變模擬器延時(shí)，再次測(cè)試不同誤碼率下利用TCP協(xié)議傳輸27 KB文件的速率和重傳率等參數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取3次測(cè)量結(jié)果的平均值。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出誤碼率和延時(shí)對(duì)TCP文件傳輸?shù)挠绊懀鐖D4所示。可以看出，誤碼率對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)TCP文件傳輸速率有很大影響。隨著誤碼率的增大，TCP文件傳輸速率急劇下降，當(dāng)誤碼率大于10～4時(shí)，文件基本無法傳輸，對(duì)于TCP協(xié)議來說，網(wǎng)絡(luò)近似中斷。在相同誤碼率下，小于200 ms的鏈路延時(shí)只會(huì)引起衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)TCP文件傳輸速率的下降，且延時(shí)的增加引起傳輸時(shí)間的增長(zhǎng)，但不會(huì)引起丟包。當(dāng)鏈路時(shí)延大于TCP協(xié)議3次握手應(yīng)答時(shí)間范圍時(shí)，會(huì)引起TCP文件傳輸丟包。

圖4 誤碼率和時(shí)延對(duì)TCP文件傳輸?shù)挠绊?/p>

4.2 評(píng)估結(jié)果

通過將測(cè)量軟件用于試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試，結(jié)果如下：①業(yè)務(wù)承載能力，在2Mb/s衛(wèi)星信道通信容量下，最多可傳輸1,700Kb/s有效數(shù)據(jù)，滿足設(shè)計(jì)需要；②傳輸性能，長(zhǎng)延時(shí)和突發(fā)誤碼情況下，視頻丟包≤1 /M，語(yǔ)音通話清晰可懂，滿足設(shè)計(jì)需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的重要組成部分，衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能評(píng)估越來越受到人們的重視。本文提出了一種基于IP協(xié)議的衛(wèi)星通信系統(tǒng)評(píng)估要求和評(píng)估方法，并進(jìn)行了評(píng)估測(cè)試。后續(xù)的衛(wèi)星系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與評(píng)估測(cè)試結(jié)果基本符合，從而證明評(píng)估系統(tǒng)對(duì)基于IP協(xié)議的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可行性分析具有一定的指導(dǎo)意義。在今后的工作中，將根據(jù)項(xiàng)目要求，加強(qiáng)故障管理功能研究，并把網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試和故障定位技術(shù)推廣到新一代衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中。

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Performance evaluate of satellite communication system base on IP protocol

Wang Xiao-kang The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081,China

The old satellite communication system evaluation method is not reflected actually the communication performance of the satellite communication system, by the increasing network for satellite communication system. A new communication system performance evaluation method is proposed on the IP protocol, the satellite channel simulator and testing method of channel quality are designed, and then the satellite communication simulation testing system is built up based on the IP protocol. In the end, several improved suggestions of the evaluation method are introduced.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.048