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作为卫星通信的重要发展方向,宽带卫星通信日益受到人们的重视,2004年起,欧洲标准化组织ETSI相继出台了一系列宽带卫星通信的标准,为宽带卫星通信系统的设计提供指导与参考。其中基于星上再生处理的网状卫星系统(Regenerative Satellite Mesh RSM-A)采用星上再生式处理转发技术,可实现网内用户终端之间的单跳通信,目前已在休斯公司研制的宽带卫星通信系统Spaceway3上成功应用。该卫星于2007年8月发射升空,是世界上首个采用星上交换和路由的Ka波段商业宽带卫星,采用了相控阵天线和多跳变点波束等许多先进技术。在其成功发射八个月之后,休斯公司自2008年4月起向北美提供基于Spaceway3 的商业服务。
在服务推出仅仅一年的时间里,超过128,000的个人、企业和政府用户享受了Spaceway3提供的卫星宽带服务。全球首个提供Spaceway3服务的运营商是总部位于加拿大新布伦瑞克的Barrett Xplore公司,2008年该公司通过建立信关站向加拿大市场销售其Xplornet品牌的宽带卫星服务。Spaceway3 系统使得Barrett Xplore公司能够向加拿大乡村地区提供城市水平的宽带服务,从而全面拓展了业务。
Spaceway3系统在应急通信方面的作用也不可小觑。最近休斯网络公司借助Spaceway3系统在福罗里达州组建应急通信网向用户提供基于卫星的应急通信服务。在2008年飓风灾害中,它向当地用户播发了来自国家和本地管理中心的实时新闻,出色完成了预警任务。另外休斯公司又基于Spaceway3推出了Inter-Government Crisis Network(IGCN)系统(见图1),该系统在地面网络无法运转的情况下,可向政府部门提供基于卫星的安全可靠的应急通信方式。IGCN满足了国家安全部总统指挥中心等关键部门之间的通信路径多样化和冗余备份的要求。Spaceway3卫星系统的灵活设计使得该系统能够:
● 建立地面网络备份链路,由数据备份中心提供最大可能的网络可用性;
● 采用基于策略的路由机制Policy-Based Routing(PBR),提供故障自动检测及默认路径与备份路径之间的切换;
● 提供灵活的构造和服务计划,基于各个站点,根据网络容量和站点及网络需求的变化迅速升级网络功能。
显而易见,基于RSM-A技术的Spaceway3系统使宽带卫星通信技术向前推进了一大步,为卫星宽带市场带来了前所未有的活力。
RSM-A系统协议栈结构如图2所示。为了实现与TCP/IP协议的完全融合,该系统的设计集中在物理层和链路层,其中链路层又分为媒体接入控制子层(SMAC)和链路控制(SLC)子层。SLC子层位于SMAC子层与IP层之间,主要用于对等用户终端(ST)间的数据包的可靠传输,它支持带确认模式(即ACK模式)和不带确认模式(即NACK模式)两种传输模式。其中ACK模式是可选项,是将来的应用扩展,现在该系统暂不支持。SLC子层的主要功能是:
● 生成会话号(Session ID)并将上层的数据包映射到相应的会话中;
● 对指定的服务数据单元(SDU)加密和解密;
● 对SDU进行循环冗余校验(CRC);
● 由SDU构建扩展数据单元(EDU);
具体工作过程如下:
在发送端,SLC子层将上层送来的SDU扩展为EDU,将EDU分段并加上合适的SLC头,组成SLC-PDU交给SMAC子层进行相应处理。在接收端从SMAC子层接收SLC-PDU执行相反操作还原出SDU并交给上层。在进行上述操作时,SLC子层应保持SDU的传输顺序,因此服务等级和目的地址相同的SDU应在排入同一队列,并按照顺序进行发送。
SLC子层处理流程
SLC子层在发送端的处理流程主要包括:压缩(可选项);数据加密;CRC校验;SLC对等容量协商(适用于仅具有基本能力的终端);EDU(或SDU)分段;恢复丢失的SLC-PDU分组(主要通过重传实现,为可选项);故障诊断测试。
在接收端处理流程主要包括:解压缩(可选项);数据解密;CRC校验;SLC对等容量协商(适用于仅具有基本能力的终端);EDU(或SDU)重组;恢复丢失的SLC-PDU分组(主要通过ACK机制实现,为可选项);故障诊断测试。
SLC NACK模式下,发送终端根据数据包的目的MAC地址不同划分生成多个会话(session),每个会话由终端SLC模式(ACK或NACK)、终端源ID、目的MAC地址和会话号码(0-63)唯一标识。当目的MAC地址为组播地址时,不能使用SLC ACK模式,只能采用NACK模式。此外,为了避免发生错误,在一个SLC会话中,一个EDU的所有分段需全部发送完毕后,才能继续发送下一个EDU的分段。
1.发送端会话建立
由用户终端内部的业务分类机制可以确定到达数据包的SLC模式(ACK或NACK)。在SLC NACK模式下,在发送已分段的EDU之前,用户终端应生成一个包含SLC模式(ACK模式或NACK模式),源ID,会话号(0-63)和目的MAC地址的会话标识。该标识在发送端和目的MAC地址之间的所有会话中是唯一且保持不变的。当目的MAC地址是一个多播组群时不能使用SLC ACK模式,只能采用NACK模式。在SLC会话中,同一EDU的分段应在另一个EDU的分段发送之前发送完毕。
2.接收端会话建立
接收终端收到包含有某个会话首比特标识的SLC-PDU且该会话事先并不存在时,则会为该会话建立相应的缓存,用于恢复分段前的EDU。会话同样以SLC模式(ACK模式或NACK模式),源ID,会话号(0-63)和目的MAC地址作为标识。接收端的处理方式还取决于SLC-PDU中的SLC模式标识(ACK模式或NACK模式)。如果其指示的SLC模式该终端不支持,则终端会将其丢弃。
3.发送端会话释放
在NACK模式下,会话释放的方式有多种,如对应SLC会话的缓存释放,该SLC会话号会重新分配给其它会话使用,具体如下:
● 在NACK模式下,当发送完EDU的最后一个分段时,就会将会话立即关闭;
● 当遇到无法恢复的错误时会话也会立即关闭,属于该会话的所有分段都会被清空,已经分配给该会话的时隙也会无法使用;
● 除此之外,高层应用也会突然发送会话中止请求,此时也应立即释放会话,将所有分段丢弃。
4. 接收端会话释放
在NACK模式下,如下情况可导致接收端关闭会话:
● 当一个EDU的所有分段接收完毕时,会正常关闭会话;
● 当发现分段丢失时会将会话关闭;
● 当重组计时器超时会将会话关闭;
● 分配给某会话的资源被正常或非正常释放,则将收到的相关分段丢弃并将会话关闭。
5. 构建EDU
构建EDU主要包括压缩(目前不支持),加密,安全处理,CRC,添加帧头、添加扩展头等操作,其中压缩、帧头和扩展头作为未来扩展考虑暂未做定义,处理流程如图3所示:
安全处理包括容量保护和用户数据隐私两大部分。容量保护由SAM完成,RSM-A 系统允许卫星和SAM就容量保护进行协商。SLC子层的用户数据隐私保护受卫星网络运行商和用户(批发商,零售商和最终用户)共同控制。它允许发送终端采用适当的安全算法来提供SLC子层加密服务,此时,安全头负责为接收终端提供合适的密钥和相关解码方式。
6. 分段与重组
在发送端,SLC子层对EDU分段,生成长度为100字节的SLC-PDU送往MAC层进行传输。在接收端,SLC子层负责接受来自MAC层长度为100字节的SLC-PDU,并重组为EDU。其分段过程如图4所示:先将一个EDU分成可填充在SLC-PDU中的分段,每个分段长度为97字节,这些分段具有严格的顺序并以序号标识。按照先后顺序包括一个首分段,零个或多个中间分段及一个尾分段。不同分段类型具有相应的SLC头,即首分段头,中间分段头和尾分段头。不需分段的EDU(即长度小于97字节)相应定义了相应的整分段头。其中,首分段头和整分段头的域中表明了该EDU使用的各种操作(压缩,加密,CRC校验等)。重组过程与分段相反,对于每个会话,在NACK模式下,SLC子层都会生成下一个期望的包序号;在ACK模式下,SLC子层生成期望的序号窗口。包序号存在于分段头中,用户终端在接收到首分段后,由其分段头中的包序列号得出下一个期望的包序列号,在接收到每个SLC-PDU后,期望包序列号依次递增。当接收分段的序列号与期望序列号不匹配时,表明存在分段丢失或失序,此时所有该会话的分段都将被丢弃。
结束语
RSM-A系统SLC子层主要用于保障对等用户终端(ST)间数据的可靠传输,它支持ACK、NACK和透明三种传输模式。随着业务的发展,ACK模式是将来的应用扩展,该子层很大程度上保证了多媒体业务的可靠性。
在服务推出仅仅一年的时间里,超过128,000的个人、企业和政府用户享受了Spaceway3提供的卫星宽带服务。全球首个提供Spaceway3服务的运营商是总部位于加拿大新布伦瑞克的Barrett Xplore公司,2008年该公司通过建立信关站向加拿大市场销售其Xplornet品牌的宽带卫星服务。Spaceway3 系统使得Barrett Xplore公司能够向加拿大乡村地区提供城市水平的宽带服务,从而全面拓展了业务。
Spaceway3系统在应急通信方面的作用也不可小觑。最近休斯网络公司借助Spaceway3系统在福罗里达州组建应急通信网向用户提供基于卫星的应急通信服务。在2008年飓风灾害中,它向当地用户播发了来自国家和本地管理中心的实时新闻,出色完成了预警任务。另外休斯公司又基于Spaceway3推出了Inter-Government Crisis Network(IGCN)系统(见图1),该系统在地面网络无法运转的情况下,可向政府部门提供基于卫星的安全可靠的应急通信方式。IGCN满足了国家安全部总统指挥中心等关键部门之间的通信路径多样化和冗余备份的要求。Spaceway3卫星系统的灵活设计使得该系统能够:
● 建立地面网络备份链路,由数据备份中心提供最大可能的网络可用性;
● 采用基于策略的路由机制Policy-Based Routing(PBR),提供故障自动检测及默认路径与备份路径之间的切换;
● 提供灵活的构造和服务计划,基于各个站点,根据网络容量和站点及网络需求的变化迅速升级网络功能。
显而易见,基于RSM-A技术的Spaceway3系统使宽带卫星通信技术向前推进了一大步,为卫星宽带市场带来了前所未有的活力。
RSM-A系统协议栈结构如图2所示。为了实现与TCP/IP协议的完全融合,该系统的设计集中在物理层和链路层,其中链路层又分为媒体接入控制子层(SMAC)和链路控制(SLC)子层。SLC子层位于SMAC子层与IP层之间,主要用于对等用户终端(ST)间的数据包的可靠传输,它支持带确认模式(即ACK模式)和不带确认模式(即NACK模式)两种传输模式。其中ACK模式是可选项,是将来的应用扩展,现在该系统暂不支持。SLC子层的主要功能是:
● 生成会话号(Session ID)并将上层的数据包映射到相应的会话中;
● 对指定的服务数据单元(SDU)加密和解密;
● 对SDU进行循环冗余校验(CRC);
● 由SDU构建扩展数据单元(EDU);
具体工作过程如下:
在发送端,SLC子层将上层送来的SDU扩展为EDU,将EDU分段并加上合适的SLC头,组成SLC-PDU交给SMAC子层进行相应处理。在接收端从SMAC子层接收SLC-PDU执行相反操作还原出SDU并交给上层。在进行上述操作时,SLC子层应保持SDU的传输顺序,因此服务等级和目的地址相同的SDU应在排入同一队列,并按照顺序进行发送。
SLC子层处理流程
SLC子层在发送端的处理流程主要包括:压缩(可选项);数据加密;CRC校验;SLC对等容量协商(适用于仅具有基本能力的终端);EDU(或SDU)分段;恢复丢失的SLC-PDU分组(主要通过重传实现,为可选项);故障诊断测试。
在接收端处理流程主要包括:解压缩(可选项);数据解密;CRC校验;SLC对等容量协商(适用于仅具有基本能力的终端);EDU(或SDU)重组;恢复丢失的SLC-PDU分组(主要通过ACK机制实现,为可选项);故障诊断测试。
SLC NACK模式下,发送终端根据数据包的目的MAC地址不同划分生成多个会话(session),每个会话由终端SLC模式(ACK或NACK)、终端源ID、目的MAC地址和会话号码(0-63)唯一标识。当目的MAC地址为组播地址时,不能使用SLC ACK模式,只能采用NACK模式。此外,为了避免发生错误,在一个SLC会话中,一个EDU的所有分段需全部发送完毕后,才能继续发送下一个EDU的分段。
1.发送端会话建立
由用户终端内部的业务分类机制可以确定到达数据包的SLC模式(ACK或NACK)。在SLC NACK模式下,在发送已分段的EDU之前,用户终端应生成一个包含SLC模式(ACK模式或NACK模式),源ID,会话号(0-63)和目的MAC地址的会话标识。该标识在发送端和目的MAC地址之间的所有会话中是唯一且保持不变的。当目的MAC地址是一个多播组群时不能使用SLC ACK模式,只能采用NACK模式。在SLC会话中,同一EDU的分段应在另一个EDU的分段发送之前发送完毕。
2.接收端会话建立
接收终端收到包含有某个会话首比特标识的SLC-PDU且该会话事先并不存在时,则会为该会话建立相应的缓存,用于恢复分段前的EDU。会话同样以SLC模式(ACK模式或NACK模式),源ID,会话号(0-63)和目的MAC地址作为标识。接收端的处理方式还取决于SLC-PDU中的SLC模式标识(ACK模式或NACK模式)。如果其指示的SLC模式该终端不支持,则终端会将其丢弃。
3.发送端会话释放
在NACK模式下,会话释放的方式有多种,如对应SLC会话的缓存释放,该SLC会话号会重新分配给其它会话使用,具体如下:
● 在NACK模式下,当发送完EDU的最后一个分段时,就会将会话立即关闭;
● 当遇到无法恢复的错误时会话也会立即关闭,属于该会话的所有分段都会被清空,已经分配给该会话的时隙也会无法使用;
● 除此之外,高层应用也会突然发送会话中止请求,此时也应立即释放会话,将所有分段丢弃。
4. 接收端会话释放
在NACK模式下,如下情况可导致接收端关闭会话:
● 当一个EDU的所有分段接收完毕时,会正常关闭会话;
● 当发现分段丢失时会将会话关闭;
● 当重组计时器超时会将会话关闭;
● 分配给某会话的资源被正常或非正常释放,则将收到的相关分段丢弃并将会话关闭。
5. 构建EDU
构建EDU主要包括压缩(目前不支持),加密,安全处理,CRC,添加帧头、添加扩展头等操作,其中压缩、帧头和扩展头作为未来扩展考虑暂未做定义,处理流程如图3所示:
安全处理包括容量保护和用户数据隐私两大部分。容量保护由SAM完成,RSM-A 系统允许卫星和SAM就容量保护进行协商。SLC子层的用户数据隐私保护受卫星网络运行商和用户(批发商,零售商和最终用户)共同控制。它允许发送终端采用适当的安全算法来提供SLC子层加密服务,此时,安全头负责为接收终端提供合适的密钥和相关解码方式。
6. 分段与重组
在发送端,SLC子层对EDU分段,生成长度为100字节的SLC-PDU送往MAC层进行传输。在接收端,SLC子层负责接受来自MAC层长度为100字节的SLC-PDU,并重组为EDU。其分段过程如图4所示:先将一个EDU分成可填充在SLC-PDU中的分段,每个分段长度为97字节,这些分段具有严格的顺序并以序号标识。按照先后顺序包括一个首分段,零个或多个中间分段及一个尾分段。不同分段类型具有相应的SLC头,即首分段头,中间分段头和尾分段头。不需分段的EDU(即长度小于97字节)相应定义了相应的整分段头。其中,首分段头和整分段头的域中表明了该EDU使用的各种操作(压缩,加密,CRC校验等)。重组过程与分段相反,对于每个会话,在NACK模式下,SLC子层都会生成下一个期望的包序号;在ACK模式下,SLC子层生成期望的序号窗口。包序号存在于分段头中,用户终端在接收到首分段后,由其分段头中的包序列号得出下一个期望的包序列号,在接收到每个SLC-PDU后,期望包序列号依次递增。当接收分段的序列号与期望序列号不匹配时,表明存在分段丢失或失序,此时所有该会话的分段都将被丢弃。
结束语
RSM-A系统SLC子层主要用于保障对等用户终端(ST)间数据的可靠传输,它支持ACK、NACK和透明三种传输模式。随着业务的发展,ACK模式是将来的应用扩展,该子层很大程度上保证了多媒体业务的可靠性。