蔡云斌

（中國電信股份有限公司上海機動通信局，上海 200437）

LTE基站衛(wèi)星接入可行性研究

蔡云斌

（中國電信股份有限公司上海機動通信局，上海 200437）

LTE網(wǎng)絡具有全IP化、高帶寬、扁平化等特點，目前在LTE網(wǎng)絡建設中采用IPRAN技術(shù)作為基站與核心網(wǎng)之間的承載網(wǎng)絡。但在某些特殊應用場景下，還是需要借助衛(wèi)星鏈路來解決基站接入問題。本文將重點對LTE基站基于衛(wèi)星接入方式的可行性進行研究分析。

IPRAN；衛(wèi)星接入；時延；S1接口

1 引言

無線移動網(wǎng)絡目前已進入4G LTE網(wǎng)絡時代，LTE網(wǎng)絡具有全IP化、高帶寬、扁平化等特點，并對基站傳輸網(wǎng)絡提出了更高、更新的要求。以中國電信LTE網(wǎng)絡為例，采用IPRAN作為基站與核心網(wǎng)之間的傳輸承載網(wǎng)絡，IPRAN組網(wǎng)方案可以滿足LTE移動網(wǎng)絡全IP化、高帶寬等發(fā)展趨勢。但在某些特殊應用場景下，如在光纖資源無法到達的地方（如應急保障、海島地區(qū)等）需要開通LTE網(wǎng)絡的話，還是需要借助衛(wèi)星鏈路來解決基站的接入問題。但是由于衛(wèi)星通信時延等固有缺點限制了其在4G基站接入方面的應用，本文將重點介紹LTE基站基于衛(wèi)星接入方式的可行性，并對相關(guān)測試結(jié)果進行分析。

2 LTE基站傳輸需求分析

2.1 基站接口協(xié)議

LTE網(wǎng)絡架構(gòu)為扁平化結(jié)構(gòu)，取消了原有3G網(wǎng)絡中的RNC單元,基站直接與核心網(wǎng)相連，原先由RNC承擔的功能分別由EPC及基站來完成，基站接口包括S1/X2兩種接口，如圖1所示。

圖1 LTE基站S1/X2接口示意圖

（1）S1接口

S1-U用戶平面接口：S1-U接口用于基站與核心網(wǎng)S-GW單元之間的連接，基于GTP傳輸協(xié)議，提供基站和S-GW之間的非保障傳輸，GTP協(xié)議只對用戶數(shù)據(jù)進行封裝，但不提供數(shù)據(jù)傳輸控制機制；

S1-MME控制層接口：S1-MME接口用于基站與核心網(wǎng)MME單元之間的連接，S1-MME接口采用流量傳輸協(xié)議SCTP，確?？刂菩帕顢?shù)據(jù)的可靠傳輸。

（2）X2接口

X2主要實現(xiàn)基站之間的互聯(lián)，同樣包括X2-C（控制層）、X2-U（用戶層），分別傳送控制信令及部分用戶數(shù)據(jù)。

LTE基站S1/X2接口對于業(yè)務及信令數(shù)據(jù)傳遞采用不同的協(xié)議標準，其中業(yè)務數(shù)據(jù)是基于GTP/ UDP傳輸協(xié)議，而信令數(shù)據(jù)是基于SCTP/IP協(xié)議，這種業(yè)務與信令分離模式為后續(xù)實現(xiàn)衛(wèi)星接入提供可能。

2.2 帶寬分析

與3G網(wǎng)絡相比，LTE網(wǎng)絡對業(yè)務承載網(wǎng)絡提出了更高的帶寬要求，以單基站單載扇為例，基站承載帶寬需求約為150Mb/s～200Mb/s，其中用戶層面S1-U接口業(yè)務量最大，達到90%以上，控制層接口業(yè)務量較小，只占整個基站業(yè)務量的5%～10%。以下主要以用戶層面S1-U帶寬需求分析為例進行說明：

S1-U接口主要承擔用戶數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸，實際的傳輸帶寬占用等于業(yè)務數(shù)據(jù)流量加上各類傳輸協(xié)議帶來的包頭開銷。數(shù)據(jù)包的大小取決于不同業(yè)務類別，其中語音業(yè)務數(shù)據(jù)包較小，而數(shù)據(jù)業(yè)務包則較大，對于不同協(xié)議所附加的包頭開銷則相對固定，以S1-U接口為例，所涉及到的各類協(xié)議包頭開銷見表1。

表1 S1-U接口包頭開銷字節(jié)統(tǒng)計

在包頭開銷相對固定的情況下，其包頭開銷占比也各不相同：對于視頻業(yè)務來說，由于數(shù)據(jù)包較大，因此包頭開銷占的比重較?。欢鴮τ谡Z音業(yè)務來說，數(shù)據(jù)包較小，故包頭開銷占比也就較大。這點對于地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡來說，影響不大，但當采用衛(wèi)星接入方式時，過大的包頭冗余開銷比率將大大降低衛(wèi)星信道利用率。當LTE基站采用衛(wèi)星接入方式時，基站總帶寬受限于衛(wèi)星帶寬，衛(wèi)星頻譜資源與業(yè)務帶寬有一定的對應關(guān)系，這種對應關(guān)系取決于調(diào)制編碼方式、滾降系數(shù)取值、載波疊加技術(shù)應用等因素，如何進一步提高衛(wèi)星頻段資源利用率是衛(wèi)星業(yè)務發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

2.3 時延分析

系統(tǒng)傳輸時延越大，其有效吞吐量也就越小。3GPP對LTE傳輸時延有具體規(guī)定，以S1接口為例，S1-U時延要求最高，時延要求控制在5ms以內(nèi)，S1-MME時延要求較低，一般要求小于100ms。時延可分為空口時延、EPC時延和E2E時延三部分（如圖2所示）。

圖2 時延值分段定位示意圖

在實踐應用中，傳輸時延測試可采用以下兩種方法：

（1）Ping數(shù)據(jù)包測試法

最常見的時延測試方式是E2E時延測試法，一般采用Ping數(shù)據(jù)包的方法進行測試，在預調(diào)模式下E2E時延小于10ms，但在實際工程項目中，E2E時延一般達到40ms～50ms。當基站與核心網(wǎng)之間引入衛(wèi)星段的話，由于衛(wèi)星傳輸固有時延達到540ms左右，故實際傳輸時延大大超出現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡時延規(guī)范要求。

（2）SCTP心跳應答測試法

如需更精確測試傳輸時延的話，可采用SCTP心跳應答測試方法。當SCTP通路空閑時，發(fā)送端發(fā)送心跳消息給接收端，接收端收到心跳消息后通過心跳確認消息予以應答，通過這種應答機制可確認SCTP通路是否正常。利用計算心跳消息及心跳確認消息兩者之間的時間差，可精確測量收發(fā)端傳輸時延值。

3 衛(wèi)星接入影響分析

3.1 衛(wèi)星時延影響

在LTE網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，若基站采用衛(wèi)星接入時，基站與核心網(wǎng)之間單向傳輸時延至少增加270ms，這么大的傳輸時延，會對LTE基站傳輸產(chǎn)生一定的影響，具體分析如下：

3.1.1 對TCP協(xié)議影響

由于TCP/IP傳輸協(xié)議采用確認應答方式，其數(shù)據(jù)吞吐量不僅取決于信道的傳輸速率，還與數(shù)據(jù)往返時延RTT有關(guān)。在TCP/IP標準中，最大數(shù)據(jù)吞吐量可用公式（1）表示：

在TCP/IP協(xié)議中最大接收窗口為64K字節(jié)，最大吞吐量僅取決于RTT，對于衛(wèi)星信道來說來回時延越為540ms，因此，在衛(wèi)星信道所支持的TCP/IP協(xié)議最大數(shù)據(jù)吞吐量為1Mb/s左右。在現(xiàn)有衛(wèi)星通信中，一般采用TCP/IP加速器，通過欺騙協(xié)議等方式來實現(xiàn)提高數(shù)據(jù)吞吐量的目的。

3.1.2 對UDP協(xié)議影響

對于UDP協(xié)議來說，由于數(shù)據(jù)流沒有采用嚴格的應答確認機制，因此不受衛(wèi)星窗口時延限制，在實際應用中不需要額外加速。

3.1.3 對S1接口的影響

（1）用戶層

在S1接口傳輸協(xié)議中，以用戶層接口S1-U的承載帶寬需求最大，其所需帶寬占基站總承載帶寬90%以上，相應的時延要求小于5ms。從表面看衛(wèi)星鏈路顯然不滿足S1-U協(xié)議傳輸要求，但由于S1-U接口傳輸協(xié)議是基于GTP協(xié)議，該協(xié)議只對用戶數(shù)據(jù)進行包頭封裝，而不進行數(shù)據(jù)交互控制，因此，可以認為S1-U傳輸協(xié)議不受衛(wèi)星傳輸固有時延影響。

（2）控制層

控制層接口S1-MME由于主要承擔信令及控制等重要數(shù)據(jù)傳輸任務，因此承載的數(shù)據(jù)吞吐量較小，僅占基站總承載帶寬的3%～5%。S1-MME采用SCTP傳輸協(xié)議，與TCP/IP協(xié)議類似，SCTP協(xié)議也采用確認應答等控制機制，從而確保數(shù)據(jù)可靠傳輸；其傳輸時延要求小于100ms。對于衛(wèi)星傳輸來說，雖然S1-MME接口協(xié)議承載帶寬較小，時延要求也低于S1-U時延要求，但由于其采用交互應答確認機制，其最大吞吐量會受衛(wèi)星窗口時延要求限制。

如果僅為TCP/IP協(xié)議的話，可通過采用衛(wèi)星TCP/IP加速設備進行加速處理，但由于目前衛(wèi)星TCP/IP加速器設備無法識別及處理SCTP包頭數(shù)據(jù)，因此無法利用常規(guī)方式進行加速處理，給SCTP數(shù)據(jù)加速工作帶來一定難度。

3.2 衛(wèi)星帶寬影響

在實際應用中，一方面受成本因素制約，衛(wèi)星鏈路所提供的帶寬資源無法與地面網(wǎng)絡相比；另一方面由于衛(wèi)星接入一般用于應急或特殊情況下，因此其業(yè)務規(guī)模小于公共業(yè)務。故2Mb/s～15Mb/s衛(wèi)星帶寬資源已基本滿足應急場景接入需要。

另外，考慮到應急情況下，語音、數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務應用需求，衛(wèi)星接入方式應滿足不同業(yè)務共享帶寬資源的需求。

4 LTE基站衛(wèi)星接入可行性測試

4.1 測試概述

圖3 衛(wèi)星接入測試拓撲結(jié)構(gòu)圖

在應急應用場景下，LTE基站衛(wèi)星接入方式主要指LTE基站BBU設備與IPRAN邊緣路由器之間引入衛(wèi)星鏈路段，其拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。當LTE基站采用光纖連接時，LTE基站與IPRAN邊緣路由器之間一般采用Ge光口；而當采用衛(wèi)星接入時，衛(wèi)星設備兩端為FE電接口，因此必須增加光電轉(zhuǎn)換設備，確保衛(wèi)星接入設備與基站BBU及路由器之間接口匹配。

4.2 主要測試項目

4.2.1 時延抖動測試

（1）Ping數(shù)據(jù)包時延測試法

在光纖接入及衛(wèi)星接入狀態(tài)下的，通過Ping數(shù)據(jù)包方式分別測試時延即抖動值，測試數(shù)據(jù)如表2、圖4、圖5所示。

表2 衛(wèi)星接入與光纖接入時延值統(tǒng)計表

圖4 光纖接入時延數(shù)據(jù)記錄

圖5 衛(wèi)星接入時延數(shù)據(jù)記錄

（2）SCTP心跳應答測試法

我們也可采用SCTP心跳應答測試法來測試傳輸時延值。首先，在衛(wèi)星接入狀態(tài)下通過Wireshark抓包工具抓取SCTP協(xié)議中相關(guān)heartbeat及heartbeat-ack消息，注意所提取的心跳消息與心跳確認消息必須是兩個IP地址之間相對應的消息。其中，由7.65.207.50發(fā)給7.65.152.102的heartbeat心跳消息如圖6所示，由7.65.152.102返回7.65.207.50的heartbeat-Ack心跳應答消息如圖7所示。

圖6 heartbeat心跳消息數(shù)據(jù)

圖7 heartbeat心跳應答消息數(shù)據(jù)

計算兩端之間的回路時延RTT值為：

RTT＝4.655484-4.149368＝506ms

該時延值為基站與核心網(wǎng)EPC之間的傳輸時延值，小于Ping數(shù)據(jù)包所測到的時延值，因為后者還包含應用服務器所需的時延。

4.2.2 數(shù)據(jù)包分析

為了更好分析衛(wèi)星接入對LTE基站傳輸?shù)挠绊?，本文利用抓包工具，在衛(wèi)星MODEM業(yè)務端口抓取相關(guān)數(shù)據(jù)包進行分析。

（1）GTP數(shù)據(jù)分析

LTE基站主要業(yè)務數(shù)據(jù)流（例如視頻業(yè)務等）是通過S1-U接口，采用GTP/UDP傳輸協(xié)議進行傳送的，由于GTP是基于UDP協(xié)議，因此不存在吞吐量受限于衛(wèi)星時延的問題。

在數(shù)據(jù)包傳輸過程中，不同傳輸協(xié)議會在有效數(shù)據(jù)信息基礎上附加各類包頭開銷，包頭開銷占比將直接影響傳輸性能，包頭開銷越大，有效數(shù)據(jù)包的傳輸效率就越低，這一點對于衛(wèi)星通信來說較為突出。

以下以實測過程中捕獲的GTP數(shù)據(jù)包為例進行分析，其中NO.825數(shù)據(jù)包是一個典型的基于GTP傳輸協(xié)議的用戶數(shù)據(jù)包，整個包長1474字節(jié)，其中包頭開銷共計106字節(jié)，實際有效數(shù)據(jù)1368字節(jié)。其中包頭開銷主要來源兩大部分：一部分是與業(yè)務相關(guān)的應用服務器所添加的包頭信息，另一部分是在LTE移動網(wǎng)絡中新增的相關(guān)包頭信息，具體數(shù)據(jù)包如表3所示：

表3 GTP數(shù)據(jù)包頭開銷統(tǒng)計表

圖8 視頻業(yè)務流數(shù)據(jù)包信息

圖9 GTP協(xié)議包頭字節(jié)內(nèi)容

（2）SCTP數(shù)據(jù)分析

LTE基站信令數(shù)據(jù)是通過S1-MME接口，采用SCTP/IP協(xié)議進行傳送的，SCTP/IP協(xié)議采用交互應答確認機制，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。通過實時抓取SCTP數(shù)據(jù)包后進行分析，本例中NO.785數(shù)據(jù)包是一條基于SCTP協(xié)議的heartbeat信令消息，其整個數(shù)據(jù)包長142字節(jié)，其中各類包頭開銷50字節(jié)（詳見表4）。

表4 SCTP包頭開銷列表

圖10 SCTP詳細包頭開銷結(jié)構(gòu)圖

SCTP詳細包頭結(jié)構(gòu)如圖10所示，對于SCTP數(shù)據(jù)來說，主要問題在于當其吞吐量增加后，會由于交互應答機制對衛(wèi)星傳輸造成一定影響；當然在衛(wèi)星接入時，鑒于衛(wèi)星資源成本較高，LTE基站不大會大規(guī)模應用，因此，SCTP數(shù)據(jù)量不會很大。

4.2.3 業(yè)務下載能力測試

為驗證LTE基站在衛(wèi)星接入條件下的業(yè)務下載能力，通過LTE終端設備訪問FTP應用服務器，下載相關(guān)文件，以此驗證實際業(yè)務下載能力。當采用衛(wèi)星接入方式時，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器成本較高，不可能像地面直聯(lián)方式一樣，提供千兆帶寬接入能力，故只能提供有限帶寬資源。

（1）測試一：衛(wèi)星接入條件下手機FTP下載速率測試

不同衛(wèi)星資源條件下，相對應的下載速率測試數(shù)據(jù)如表5所示：

表5 手機FTP下載速率統(tǒng)計表

圖11 2Mb/s衛(wèi)星資源下手機單線程下載

圖12 3Mb/s衛(wèi)星資源下手機單線程下載

在衛(wèi)星接入條件下，手機FTP下載可行，單手機FTP下載速率達到相應衛(wèi)星帶寬資源的80%以上；多線程下載速率略高于單線程下載速率。

（2）測試二：衛(wèi)星接入條件下手機、PC機多任務下載速率測試

表6 多任務下載速率測試統(tǒng)計表

圖13 2Mb/s衛(wèi)星資源+PC單線程+手機單線程下載測試數(shù)據(jù)

當采用衛(wèi)星接入方式時，LTE基站多任務下載正常，總下載速率與衛(wèi)星資源情況相匹配；多線程下載速率基本高于單線程下載速率。

5 結(jié)束語

綜合上述分析及測試結(jié)果，可以得出以下幾方面結(jié)論：

（1） 對LTE網(wǎng)絡的影響

⊙ 衛(wèi)星接入方式基本支持LTE基站與核心網(wǎng)之間的信令傳遞，但由于目前衛(wèi)星鏈路仍無法實現(xiàn)對SCTP等傳輸協(xié)議進行IP加速，基站信令數(shù)據(jù)吞吐量受限于衛(wèi)星帶寬資源。

⊙ 衛(wèi)星接入方式不支持與地面直聯(lián)基站之間的切換模式，只能作為單站使用。

（2）對LTE業(yè)務影響

LTE基站有條件支持衛(wèi)星接入方式，能滿足基本業(yè)務需求，但鑒于衛(wèi)星帶寬及時延等因素影響，無法提供與地面接入方式相比擬的業(yè)務體驗，對具體業(yè)務影響程度如下：

⊙ 互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務：基本滿足高速互聯(lián)網(wǎng)瀏覽業(yè)務需求，但業(yè)務體驗受限于衛(wèi)星鏈路帶寬資源。

⊙ 視頻業(yè)務：基本滿足實時視頻業(yè)務需求，但業(yè)務體驗受限于衛(wèi)星鏈路帶寬資源。

⊙ 游戲類業(yè)務：該類業(yè)務受衛(wèi)星時延即帶寬資源限制，無法很好滿足其業(yè)務需求。

⊙ 語音業(yè)務：目前暫未進行語音業(yè)務測試，但根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)，語音業(yè)務是由3G網(wǎng)絡來承擔的，在3G網(wǎng)絡中衛(wèi)星接入支持語音業(yè)務需求。

（3）提升衛(wèi)星資源利用率方式

雖衛(wèi)星接入滿足LTE基站業(yè)務需求，但由于衛(wèi)星鏈路成本較高，除應急及特殊場景需求外，無法提供與地面光纖傳輸方式相比擬的業(yè)務體驗，故如何提高衛(wèi)星頻譜資源利用率，降低衛(wèi)星鏈路運行成本顯得尤為重要，具體提高衛(wèi)星資源利用率的手段包括：在衛(wèi)星鏈路中采用載波疊加、高階調(diào)制等帶寬壓縮技術(shù)，達到提高衛(wèi)星資源利用率的目的；可利用未來KA頻段衛(wèi)星資源，進一步提高衛(wèi)星頻譜利用率。

[1] 陳運清等．電信級IPRAN實現(xiàn)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013

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華三推出小貝系列WLAN設備

近幾年，企業(yè)無線網(wǎng)市場競爭日益激烈，該市場的火爆程度可見一斑。近日，杭州華三通信技術(shù)有限公司發(fā)布了小貝系列企業(yè)級WLAN設備，別具新意的命名，精準的產(chǎn)品定位，讓小貝一出場就獲得業(yè)內(nèi)矚目。華三通信分銷事業(yè)市場部總監(jiān)殷鴻說，小貝系列設備主要針對的是介于傳統(tǒng)企業(yè)和家用市場的商用用戶，包括中型企業(yè)、酒店、商超、營業(yè)場所乃至別墅等應用領域，既具備企業(yè)級產(chǎn)品的高等級品質(zhì)和安全特性又具備家用設備的易用特點。

華三通信小貝系列產(chǎn)品經(jīng)理何宇鋒說，小貝系列WLAN解決方案具有高品質(zhì)、高安全、易用性和高性價比的特點，該系列產(chǎn)品不僅擁有企業(yè)級的品質(zhì)，更創(chuàng)新地免費配置手機APP管理功能，使之成為商用WLAN部署的新星，徹底解決高成本、難管理、難部署的三大難題。他表示，本次推出的小貝系列產(chǎn)品包括無線控制器WAC360/361系列和高速無線接入設備WAP621，WAP722，WAP722E以及指尖上的無線手機操作APP。其中，WAC360/361集合網(wǎng)關(guān)、路由、防火墻和AC多種設備功能，具有無線自動網(wǎng)優(yōu)、出口鏈路備份、狀態(tài)防火墻、認證及權(quán)限管理等功能，大幅節(jié)約了用戶設備投資，減少了空間占用。

針對無線安全問題，華三通信無線產(chǎn)品管理部總工程師白浪說，結(jié)合認證的用戶名，小貝系列產(chǎn)品可讓每一個人員有不同的網(wǎng)絡訪問權(quán)限，也可將多個用戶名歸為一組，讓每組人員有不同的網(wǎng)絡訪問權(quán)限，支持用戶認證及權(quán)限管理。而WIPS無線入侵安全檢測功能，可實時監(jiān)控無線網(wǎng)絡覆蓋內(nèi)所有終端（包括關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)終端）異常行為，隨時防患于未然。更為重要的是華三充分考慮到中小型企業(yè)專業(yè)IT人員稀缺和便捷管理的需求，小貝產(chǎn)品無需復雜命令行配置，具有上電即組網(wǎng)的功能，而且免費配套的手機APP通過圖形化界面，輕松實現(xiàn)各種管理問題，使得管理企業(yè)網(wǎng)絡就像管理家用路由器一樣簡單方便。

據(jù)悉，本次只是小貝系列的第一批上市產(chǎn)品。未來，華三將進一步增大研發(fā)投入，陸續(xù)推出更多的小貝系列以滿足廣大商業(yè)用戶的選擇。華三通信已經(jīng)連續(xù)六年占領國內(nèi)WLAN市場份額第一的位置，所有WLAN產(chǎn)品均通過百余項可靠性實驗室的的苛刻測試。相信憑借華三通信在無線領域14年的技術(shù)積累經(jīng)驗，在移動辦公時代，小貝系列WLAN設備的推出將滿足個性化的無線部署需求，幫助中小企業(yè)建設高效、可用、耐用的無線網(wǎng)絡，并以此迅速獲取競爭優(yōu)勢，進入移動商務新時代。

Study on the Feasibility of LTE base Station Satellite Access

Cai Yunbin
(China Telecom, Shanghai Emergency Communication Office, Shanghai, 200437)

LTE network has the characteristics of full IP, high bandwidth, fattening, At present in the LTE network construction using IPRAN technology as the bearer network between the base station and the core network. But in some special application scenarios, still needs the help of satellite link to solve the problem of base station access. This paper will be on the LTE base station satellite access mode based on the feasibility study analysis.

IPRAN; satellite access; Time delay; S1 interface

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.12.006

TN927，TN929.5文獻標示碼：A

1672-7274（2014）12-0027-07

蔡云斌：高級無線工程師，先工作于中國電信股份有限公司上海機動通信局，長期從事衛(wèi)星通信、應急通信、移動通信等方面工作。