張 毅，陳世康，姚春華，謝小賦

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

海事衛(wèi)星是全球第一個(gè)建設(shè)并形成全球通信覆蓋能力的移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前，海事衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展到第四代—BGAN(Broadband Global1 Area Network)。第四代海事衛(wèi)星綜合了高低端多種業(yè)務(wù)，采用高效的頻率復(fù)用技術(shù)，帶寬最高能達(dá)492 kb/s，實(shí)現(xiàn)了無縫覆蓋全球的寬帶衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡(luò)，提供電子郵件、信息、數(shù)據(jù)文件傳輸、視頻會(huì)議、電話、Internet接入等業(yè)務(wù)［1］。隨著海事衛(wèi)星的傳輸帶寬和傳輸性能提高，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)已逐步在流媒體實(shí)時(shí)視頻傳輸中得到應(yīng)用，在突發(fā)事件的新聞報(bào)道和應(yīng)急指揮中發(fā)揮著越來越重要的作用［2］。

1 鏈路聚合需求分析

隨著海事衛(wèi)星傳輸流媒體實(shí)時(shí)視頻的應(yīng)用越來越多，海事衛(wèi)星傳輸流媒體質(zhì)量差的問題越來越突出。流媒體傳輸?shù)馁|(zhì)量主要體現(xiàn)在3個(gè)方面［3］:

1)流暢性:指視頻播放時(shí)畫面流暢，不存在畫面停滯現(xiàn)象，這就要求數(shù)據(jù)傳輸不能有太大的抖動(dòng)，才能保證視頻播放的流暢性。

2)實(shí)時(shí)性:指視頻數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延小，保障視頻播放時(shí)看到的畫面接近現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)畫面。

3)最低發(fā)送速率:視頻流是按照特定視頻編碼速率生成的，對(duì)同一種編碼方式，更高碼率代表了更好的視頻質(zhì)量。視頻發(fā)送方的傳輸速率必須滿足最低發(fā)送速率要求，否則會(huì)導(dǎo)致滿足最低播放的數(shù)據(jù)無法及時(shí)完整地到達(dá)，從而導(dǎo)致無法播放。

然而海事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)延長(zhǎng)、誤碼率高和帶寬不對(duì)稱、星上無交換、無路由功能等特點(diǎn)［4］，傳輸流媒體的質(zhì)量在獨(dú)享帶寬的情況下，幀率一般可達(dá)15幀/秒，視頻分辨率可達(dá)CIF標(biāo)準(zhǔn)，其視頻的流暢性較差，較難滿足高質(zhì)量實(shí)時(shí)流媒體的播放要求。解決流媒體傳輸質(zhì)量通常有兩種方式，一種是通過對(duì)流媒體系統(tǒng)涉及到的傳輸協(xié)議、音視頻編碼等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn);一種通過增加流媒體傳輸帶寬。然而，對(duì)流媒體系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)對(duì)流媒體傳輸?shù)馁|(zhì)量提升效果并不明顯，增加海事衛(wèi)星鏈路帶寬仍將是提升實(shí)時(shí)視頻傳輸效果的有效手段。

鏈路聚合是在單一線路帶寬無法增加的條件下提升帶寬和實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的有效方法。鏈路聚合技術(shù)就是利用相應(yīng)軟硬件技術(shù)把多條物理鏈路捆綁在一起作為一條邏輯鏈路使用，以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬一種新技術(shù)。鏈路聚合具有如下優(yōu)點(diǎn)［5］:

1)鏈路聚合技術(shù)可在不升級(jí)現(xiàn)有傳輸設(shè)備的情況下增加帶寬，其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，并可節(jié)省硬件成本。

2)鏈路聚合技術(shù)能夠自動(dòng)和快速地進(jìn)行配置和重新配置，在配置中依靠所選算法的選擇來確保鏈路的捆綁。

3)鏈路聚合技術(shù)可以用軟件和硬件相結(jié)合的方法來增加帶寬。

4)鏈路聚合技術(shù)能夠均衡流量負(fù)載，增強(qiáng)容錯(cuò)性，傳輸負(fù)載可以均分在屬于同一個(gè)鏈路聚合的多條鏈路上，減少鏈路瓶頸的發(fā)生。另外，如果某條鏈路發(fā)生故障，數(shù)據(jù)仍然能通過鏈路聚合中的其他鏈路傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

鑒于鏈路聚合技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)，采用鏈路聚合的方法提升海事衛(wèi)星帶寬，可提升通過海事衛(wèi)星傳輸流媒體視頻的效果，并可在海事衛(wèi)星低帶寬、長(zhǎng)時(shí)延的環(huán)境下傳送標(biāo)清的視頻。

2 鏈路聚合方案

從OSI網(wǎng)絡(luò)模型的來看，鏈路聚合主要有兩種方法，一種方法是在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)聚合，即MAC鏈路聚合;一種方法是在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)聚合，即多路由鏈路聚合。

2.1 MAC鏈路聚合

MAC鏈路聚合是在MAC層和MAC Client層之間增加了一個(gè)可選的鏈路聚合子層。MAC鏈路聚合子層在IEEE802.3體系結(jié)構(gòu)中的位置如圖1所示［6］。

圖1 鏈路聚合在IEEE802.3ad中的位置Fig.1 Link aggregation location in IEEE 802.3ad

鏈路聚合子層位于MAC層或MAC控制層(可選)和MAC Client層之間，這個(gè)子層是可選的，只有加入鏈路聚合的成員鏈路上才使用鏈路聚合子層，由該層來管理所有成員鏈路，并向MAC Client提供一個(gè)單獨(dú)的接口，這樣MAC Client就只與鏈路聚合子層交互。LACP(Link Aggregation Control Protocol)鏈路聚合控制協(xié)議是MAC鏈路聚合的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，協(xié)議通過LACPDU(Link Aggregation Control Protocol Data Unit)鏈路聚合控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元與對(duì)端交互信息。

2.2 多路由鏈路聚合

多路由鏈路聚合技術(shù)是利用了通信網(wǎng)絡(luò)的多信道捆綁數(shù)據(jù)通信技術(shù)，在通信鏈路上將多個(gè)路由的數(shù)據(jù)傳送經(jīng)由應(yīng)用層面，通過對(duì)IP包進(jìn)行拆分－傳送－聚合的過程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸帶寬的增加，其多路由鏈路聚合的協(xié)議結(jié)構(gòu)圖如圖2［3］所示。

圖2 多路由鏈路聚合協(xié)議結(jié)構(gòu)Fig.2 Multi－route link aggregation protocol model

多路由鏈路聚合由應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。這里所指的鏈路并不一定是點(diǎn)到點(diǎn)之間建立的通信連接，而是指點(diǎn)到點(diǎn)之間存在的一條數(shù)據(jù)傳輸通道，是邏輯意義上的鏈路。相比較于TCP協(xié)議，UDP協(xié)議同樣存在鏈路，主要差別是UDP沒有建立全程連接的鏈路和數(shù)據(jù)傳送校驗(yàn)機(jī)制而已。所以，對(duì)于基于UDP協(xié)議的流媒體傳輸來說同樣存在鏈路的聚合問題。

3 鏈路聚合實(shí)現(xiàn)

MAC鏈路層的帶寬聚合，主要由網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備負(fù)責(zé)。在海事衛(wèi)星環(huán)境中，主要接入設(shè)備指的是海事衛(wèi)星終端。在MAC鏈路子層實(shí)現(xiàn)鏈路聚合，需要修改海事衛(wèi)星終端軟件，增加鏈路聚合子層軟件模塊和LACP(Link Aggregation Control Protocol)鏈路聚合控制協(xié)議。由于海事衛(wèi)星終端大都是國(guó)外產(chǎn)品，很難對(duì)其軟件進(jìn)行修改，因此只能參考多路由鏈路聚合原理，采用硬件和軟件結(jié)合的方法，研制鏈路聚合器設(shè)備。海事衛(wèi)星鏈路聚合器應(yīng)用在多媒體傳輸系統(tǒng)中，其部署如圖3所示。

圖3 海事衛(wèi)星鏈路聚合器的部署圖Fig.3 Deploy chart of BGAN link aggregation device

海事衛(wèi)星鏈路聚合器在數(shù)據(jù)傳送中可理解為一個(gè)分拆－傳送－聚合的過程。通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議，將網(wǎng)絡(luò)傳送中的IP數(shù)據(jù)包分拆成若干個(gè)子包，經(jīng)由一定的驅(qū)動(dòng)程序，轉(zhuǎn)而由通信網(wǎng)絡(luò)綁定的海事衛(wèi)星終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在接收端經(jīng)過驅(qū)動(dòng)程序轉(zhuǎn)成相應(yīng)的IP數(shù)據(jù)子包，并最終聚合為IP數(shù)據(jù)包，其技術(shù)示意圖如圖4所示。

圖4 海事衛(wèi)星多路由鏈路聚合技術(shù)示意Fig.4 Technology chart of BGAN multi－route link aggregation

鏈路聚合器的除了實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包的拆分、路由等功能外，主要需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

(1)數(shù)據(jù)緩沖

海事衛(wèi)星流媒體實(shí)時(shí)視頻IP包傳送速率比較高，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送來到多路由鏈路聚合應(yīng)用層時(shí)，必須設(shè)置一個(gè)高效的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以存放等待傳送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，使得數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在傳送數(shù)據(jù)時(shí)更為有效。緩沖區(qū)的設(shè)置需綜合考慮多路由鏈路的特性，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的分配空間。

(2)數(shù)據(jù)包路由分流策略

數(shù)據(jù)包路由分流策略基于RTP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，在鏈路聚合器上增加鏈路檢測(cè)機(jī)制，對(duì)鏈路的帶寬、時(shí)延和丟包率進(jìn)行反饋;同時(shí)結(jié)合RTCP實(shí)時(shí)流媒體傳輸控制協(xié)議，對(duì)流媒體的數(shù)據(jù)幀分類，以及數(shù)據(jù)包的大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。對(duì)關(guān)鍵視頻幀調(diào)度到較好路由鏈路。

(3)幀失序處理和控制

由于流媒體數(shù)據(jù)的傳輸主要使用UDP協(xié)議，并且流媒體數(shù)據(jù)可能從多條鏈路到達(dá)接收端，因此流媒體數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)幀失序的可能。為了解決幀失序，設(shè)計(jì)采用如下方法:

1)接收端增大數(shù)據(jù)緩沖能力，屏蔽幀抖動(dòng)。

2)數(shù)據(jù)分流方法:發(fā)送端在進(jìn)行數(shù)據(jù)分流時(shí)，分配給一條鏈路的數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度要合適，不能不能太長(zhǎng)也不能太短。

4 試驗(yàn)效果分析

為了對(duì)鏈路聚合器的使用效果進(jìn)行測(cè)試，搭建如圖5所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)實(shí)時(shí)視頻傳輸效果進(jìn)行試驗(yàn)。其中，IP信道損傷測(cè)試儀主要模擬海事衛(wèi)星鏈路的帶寬、時(shí)延、誤碼率、丟包率。鏈路聚合器采用純軟件實(shí)現(xiàn)的一個(gè)模擬器，主要實(shí)現(xiàn)了鏈路聚合器的基本功能模塊。

圖5 試驗(yàn)測(cè)試連接Fig.5 Link chart of experimentation

試驗(yàn)步驟如下:

1)設(shè)置鏈路1的帶寬128 kb/s，時(shí)延700 ms。

2)設(shè)置鏈路2的帶寬128 kb/s，時(shí)延700 ms。

3)視頻服務(wù)器的碼率設(shè)定為192 kb/s，幀率為10幀，I幀間隔為25。

4)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻播放，觀看視頻效果。

5)設(shè)置鏈路1的帶寬256 kb/s。

6)設(shè)置鏈路2的帶寬256 kb/s。

7)設(shè)置服務(wù)器的碼率設(shè)定為384 kb/s，幀率為15幀，I幀間隔為25。

8)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻播放，觀看視頻效果。

試驗(yàn)結(jié)果:

1)步驟4)的視頻效果圖像質(zhì)量一般，流暢度一般，有圖像停滯現(xiàn)象，延時(shí)約為3s。

2)步驟8)的視頻效果圖像質(zhì)量清晰，流暢度高，無圖像停滯現(xiàn)象，延時(shí)約為2s。

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過鏈路聚合器，傳輸流媒體的帶寬基本能達(dá)到鏈路帶寬總和的70%，為流媒體音視頻數(shù)據(jù)在海事衛(wèi)星信道的傳輸提供了有力保證。

4 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了通過鏈路聚合實(shí)現(xiàn)海事衛(wèi)星的流媒體實(shí)時(shí)頻傳輸，解決視頻傳輸帶寬不足的問題，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠極大地提高視頻數(shù)據(jù)傳輸速率，也能夠保證在視頻傳輸在海事衛(wèi)星環(huán)境下有著更好的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和流暢性。網(wǎng)絡(luò)的帶寬永遠(yuǎn)不可能滿足人們需要，對(duì)于更高帶寬要求的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展，鏈路聚合技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)得到更大發(fā)展。

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