張建飛，丁 廣，趙乾宏

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰214431)

0 引 言

海事FB 站是基于Inmarsat BGAN 系統(tǒng)的船載衛(wèi)星通信終端設備。某遠洋船海事FB 站通過該系統(tǒng)地面接口、接入網(wǎng)和租用專線構成岸船通信鏈路，完成岸船間的話音通信和數(shù)據(jù)傳輸。然而，該鏈路時延和時延抖動較大，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包、話音不暢等問題，對遠洋船海上實驗任務的順利完成帶來一定的影響。

1 海事BGAN 網(wǎng)絡

BGAN 網(wǎng)絡是Inmarsat 提供的基于海事第四代衛(wèi)星的全球?qū)拵l(wèi)星移動通信系統(tǒng)［1］。海事第四代衛(wèi)星在同步軌道布置了3 顆，它們分別是歐非星(Eur-MidEast-Afr，EMEA，@ 25° E)、亞 太 星(Asia-Pacific，APAC，@ 143.5° E) 和 美 洲 星(Americas，AMER，@98°W)［2］。Inmarsat 針對第四代海事衛(wèi)星軌道位置，在全球相應地區(qū)設置了4 座地面關口站(Satellite Access Station，SAS)，它們分別是夏威夷站、荷蘭站、意大利站和北京站。其中意大利站與荷蘭站互為備份，夏威夷站對應東西2個方向(美洲星和亞太星)覆蓋地區(qū)及海區(qū)的業(yè)務，北京站對應亞太星覆蓋地區(qū)及海區(qū)的部分業(yè)務，如圖1 所示。地面關口站的作用是負責其對應方向衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)在線用戶信號的落地并接入Inmarsat BGAN 核心網(wǎng)。在BGAN 核心網(wǎng)內(nèi)設置了3個網(wǎng)絡匯接點(Meet Me Point，MMP)，分別位于阿姆斯特丹(簡稱荷蘭MMP)、紐約和香港。

BGAN 系統(tǒng)通過MMP (或SAS 直接地)在各地設立BGAN 業(yè)務地面接續(xù)站 (Inmarsat point of presence，POP)，提供BGAN 相關用戶與當?shù)毓娊粨Q電信網(wǎng)和國際互聯(lián)網(wǎng)的連接，負責開通BGAN數(shù)據(jù)、話音及傳真等業(yè)務［3］。

圖1 BGAN 海事衛(wèi)星及SAS 分布Fig.1 Distribution of satellite and SAS fort Inmarsat BGAN

BGAN 業(yè)務終端形式有多種多樣，可根據(jù)用戶的具體需求和經(jīng)濟實力而定。從大體上分有陸用站、船載站和機載站。針對海上業(yè)務，Inmarsat 定義海上寬帶業(yè)務船載站為Fleet Broadband 系列站，簡稱FB 站或FBB 站。各FB 站的外觀、重量、業(yè)務功能及操作界面不盡相同，各有特色。

SAILOR FB500 (簡稱FB500)是T＆T 公司推出的基于BGAN 業(yè)務無縫覆蓋的海事FB 站，主要有主機、天線、操作手柄和電源等4 部分組成。具有話音通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多功能，其中數(shù)據(jù)傳輸功能分為UDI、standard IP 和 streaming IP 等。BGAN 對streaming IP 業(yè)務方式能提供最好的服務質(zhì)量保證。

2 遠洋船海事衛(wèi)星通信鏈路

2.1 鏈路主干結構

遠洋船海事通信終端FB 站通信業(yè)務在某國際運營商香港POP 注冊，其通信業(yè)務目前通過香港POP 完成接續(xù)。其信息流程是:信號在夏威夷落地后經(jīng)過海底光纜到達香港MMP，然后再經(jīng)過香港POP 和地面IPLC 線路接入北京指揮中心，其結構如圖2 所示。夏威夷至香港的海底光纜線路走向如圖3 所示。

2.2 用戶終端系統(tǒng)

遠洋船海事FB 站通信鏈路終端系統(tǒng)即船載部分由FB500 型FB 站、路由器、網(wǎng)絡隔離器、時延抖動平滑器、船站局域網(wǎng)等部分組成。

在海事FB 站通信鏈路中，為了信息安全、加入了網(wǎng)路隔離措施;同時，針對時延抖動問題采用了時延抖動平滑措施。

圖2 遠洋船海事衛(wèi)星通信鏈路Fig.2 Satcom link of Inmarsat BGAN about the ocean-going ship

圖3 海底光纜線路圖Fig.3 Link of submarine optical fiber cable

2.3 存在問題

遠洋船海事海事衛(wèi)通鏈路在實際工程應用中，存在以下問題:

1)FB 站在streaming IP 256 kbit/s 業(yè)務(包長64byte)下，數(shù)據(jù)最大時延實測值最小為437 ms，平均時延為480 ms，最大達到589 ms，與點對點衛(wèi)通鏈路方式(指標為400 ms)相比，存在較大的差距。

2)鏈路經(jīng)過漫長的海底光纜和陸地復雜的租用線路，中間環(huán)節(jié)多，鏈路的可靠性和信息的安全性受到影響。

3)信息在國外衛(wèi)星關口站落地，在鏈路溝通、設備維護及故障排查過程中，難以進行雙方技術業(yè)務的交流與協(xié)作。

3 時延分析

時延是指數(shù)據(jù)從鏈路的一端傳送到另一端所需的時間。鏈路中的時延是由發(fā)送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延組成的［4］。造成鏈路時延的主要原因可以簡單地分為設備產(chǎn)生的時延和鏈路產(chǎn)生的時延。時延很大程度上體現(xiàn)了鏈路的擁塞狀態(tài)。

1)發(fā)送時延

發(fā)送時延是主機或路由器發(fā)送數(shù)據(jù)包所需要的時間，也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)包的第一個比特算起，到該包最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。發(fā)送時延為數(shù)據(jù)包長與鏈路傳輸速率之比。通過控制應用層，包長可將傳輸時延控制在合適范圍。當數(shù)據(jù)包長為64 bytes，鏈路傳輸速率為256 kbit/s 時，發(fā)送時延約為2 ms。

2)傳播時延

傳播時延是電磁波在信道中傳播一定距離所需花費的時間。端對端方式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)時延一般在270 ms 左右［5］。對于光纜通信線路，時延值為［6］

式中:L 為光纖長度;N 為光纖材料群折射率，對于1 310 nm 的光纖來講，折射率約為1.5;C 為真空中的光速，其值為3 ×108m/s。

根據(jù)圖3 大略計算海底光纜距離，夏威夷經(jīng)威克島、關島、東京、香港的球面直線距離約為15 000 km，光纜的傳播時延約為75 ms。在陸地上的專線，從香港到北京的直線距離約為2 000 km，光纜的傳播時延約為10 ms。

另外，BGAN 網(wǎng)絡國際用戶進入中國領土、領海及領空時，須接受中國交通信息管理部門的“強制路由”管理，其通信話音和數(shù)據(jù)等必須經(jīng)過該部門通信導航機構的“檢驗”和“識別”。遠洋船海事FB 站因在國際某運營商香港POP 注冊，當船舶在我國領?；顒訒r，其信息流程如圖4 所示。香港至北京的地面路徑來回約4 000 km，傳播時延計算為20 ms 左右。

3)處理時延

主機或路由器在收到數(shù)據(jù)包時要花費一定的時間進行處理，例如分析數(shù)據(jù)包的首部、從數(shù)據(jù)包中提取數(shù)據(jù)部分、進行差錯檢驗或查找適當?shù)穆酚傻?。處理時延大小受每個節(jié)點的計算能力和可用的硬件的影響。

圖4 “強制路由”信息流程Fig.4 The data flow of forced route

4)排隊時延

排隊時延是指數(shù)據(jù)包在路由器的緩沖區(qū)中，傳輸或處理前的等待時間。排隊時延由路由器中的交換結構決定。排隊時延與帶寬利用率和信息突發(fā)的關系明顯，當網(wǎng)絡輕負荷時，排隊時延很小，基本可忽略。時延抖動主要由IP 數(shù)據(jù)包在節(jié)點排隊等待時間的不確定性因素產(chǎn)生。

綜上所述，海事衛(wèi)通鏈路的信息從國外衛(wèi)星關口站落地，經(jīng)過BGAN 核心網(wǎng)的交換和傳輸，再經(jīng)過地面專線到達指控中心，對鏈路時延影響較大的主要是傳播時延，該值達到375 ms。發(fā)送時延、處理時延和排隊時延，因系統(tǒng)涉及范圍廣，鏈路間的節(jié)點、設備數(shù)量及型號不明，其數(shù)值難以計算，只能通過測試的方法獲得。

由上可見，數(shù)據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星電路和光纜線路之后，其傳播時延累計達到375 ms，其中光纜的傳播時延達到105 ms。再加上發(fā)送時延、處理時延和排隊時延，以及途中諸多路由節(jié)點增加的時延，海事FB站通信鏈路在通信雙方路由器之間的累計時延就超過了437 ms。

4 鏈路優(yōu)化設計

從通信系統(tǒng)技術要求來說，目前岸船海事衛(wèi)通鏈路的數(shù)據(jù)傳輸時延確實存在偏大問題，為此有必要對岸船通信鏈路進行優(yōu)化，縮短數(shù)據(jù)傳輸時延，以提高系統(tǒng)性能，拓展通信業(yè)務。

4.1 注冊MCN POP

中國交通部通信信息中心是Inmarsat 組織成員國在中國的業(yè)務代理，BGAN 網(wǎng)絡中國用戶須在中國交通部通信信息中心下屬的北京通信導航公司(MCN)注冊，享受中國用戶的權益和通信服務。遠洋船用戶如果在MCN 注冊，使用MCN POP 站，則不存在“強制路由”的問題，使海事終端用戶在信息傳輸更加順暢;另外遠洋船海事衛(wèi)通及鏈路在業(yè)務管理、系統(tǒng)維護、技術交流等方面能得到交通部通信信息中心業(yè)務部門有力和便捷的支持。

4.2 選用北京SAS

目前，全球第4 座海事BGAN 衛(wèi)星關口站——北京SAS 在北京某地區(qū)建設完成并投入使用，2015年3 月北京SAS 完成骨干網(wǎng)線路優(yōu)化調(diào)整，其骨干線路直接連通夏威夷SAS 與荷蘭SAS。北京SAS 站的投入使用，使MCN POP 站在BGAN 網(wǎng)中的邏輯位置發(fā)生變化。通過與北京SAS 站的連接可直接接入BGAN 大網(wǎng)。目前MCN 所有用戶無論在全球哪個SAS 站落地，通信業(yè)務均通過站點間專線路由至北京SAS 站，進入MCN POP 站。北京SAS 站通過帶寬40M 的MPLS 專線實現(xiàn)與BGAN 其他站點間的互聯(lián)互通，較之前北京－香港之間的8M 專線相比有了徹底改善，業(yè)務不再受帶寬瓶頸的限制。

如果遠洋船海事通信業(yè)務從北京關口站落地，這將大大縮短信道路程，有效解決信息傳輸時延和時延抖動偏大的問題。通過敷設或調(diào)配專用光纜，把線路接進指控中心，可以進一步改善鏈路質(zhì)量，見圖5 所示，此時帶來的好處:

1)選用北京SAS 后將大大地縮短路徑、減少中間設備和環(huán)節(jié)，能有效減小處理時延和排隊時延，從而提高系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)傳輸性能。

2)目前，遠洋船對海事衛(wèi)通終端和海事鏈路性能狀態(tài)檢查的主要方法是鏈路ping 通檢查和誤碼測試，如果采用北京SAS 的話，可以建立海事用戶終端與北京SAS 之間的鏈路性能測試業(yè)務，為此能有效提高工作效率和節(jié)省費用。

圖5 基于北京SAS 的海事衛(wèi)星鏈路Fig.5 The communication link for Inmarsat BGAN base on SAS-beijing

3)海事關口站(SAS)能夠監(jiān)視全球海事終端在線使用情況，包括信號激活、流量分析、功率控制等。如果把該信息采集伴隨傳送到遠洋船，則對設備和鏈路的運行管理、技術保障和故障分析帶來諸多方便。

4.3 優(yōu)化設計驗證

根據(jù)本方案設計，在某船舶FB 終端進行Streaming256 業(yè)務性能測試。結果是:信息直接從北京SAS 站落地，再傳輸?shù)絇OP －MCN，平均傳輸時延約為350 ms (包長64 byte);信息在其他SAS站落地時，通過BGAN 核心網(wǎng)MPLS 專線路由到達北京SAS，平均時延約425 ms (亞太星/美洲星)。試驗結果證明:

1)FB 站從北京SAS 落地之后，比原先香港POP 再加地面租用專線到指控中心的方式平均時延減少了130 ms，說明海底光纜和地面租用專線的漫長和復雜帶來不可忽視的時延。

2)信息在其他SAS 站落地時，通過BGAN 核心網(wǎng)傳輸?shù)絇OP －MCN，再到指控中心，比當前其他POP 方式減少了55 ms，說明POP － MCN 融入BGAN 核心網(wǎng)后性能有明顯的提升。

遠洋船海事FB 站通信鏈路采用北京SAS 落地，其鏈路將大為縮短，中間環(huán)節(jié)大為減少，不僅時延減小，而且在時延抖動指標上得到改善，屆時可以省略時延平滑設備，使系統(tǒng)更加簡捷和可靠性。同時在系統(tǒng)維護、設備聯(lián)試和技術交流上能得到業(yè)務管理部門的支持。

5 結 語

基于第四代海事衛(wèi)星的BGAN 是目前國際上比較先進的衛(wèi)星寬帶移動通信系統(tǒng)，F(xiàn)B 站是該系統(tǒng)中的船載用戶終端。該系統(tǒng)擁有便捷的操作、較寬的帶寬、豐富的業(yè)務、可靠的核心網(wǎng)絡等諸多優(yōu)點，但由于網(wǎng)絡復雜，存在信息安全隱患和時延較大等問題。在用戶通信鏈路的系統(tǒng)設計中，應從系統(tǒng)可靠性和安全性的大局出發(fā)，綜合考慮各項指標，緊跟技術發(fā)展步伐，及時解決應用過程中出現(xiàn)的問題，不斷完善系統(tǒng)性能。

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