基于IP协议的卫星通信系统性能评估

王小康 中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081

基于IP协议的卫星通信系统性能评估

王小康 中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081

针对卫星通信系统网络化的趋势日益增强，提出一种基于IP协议的卫星通信系统性能评估方法。首先，提出基于IP协议的卫星通信性能评估系统设计要求，其次根据卫星信道的特性设计卫星信道模拟器和软件测试方法，最后搭建基于IP协议的卫星通信系统性能评估系统进行评估测试，给出评估结果并对这种评估方法提出了改进措施。

卫星通信；IP协议；网络测试；卫星信道模拟器

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

引言

一个基于IP协议的卫星通信系统，传输包括视频、语音和实时数据等多媒体信息。在系统建设初期应当对其业务承载能力及传输性能做出评估，即在模拟系统上建设网络实验平台、设计合理的测量方法和研制性能测试综合软件等。通过性能评估，可提前发现卫星通信系统性能是否满足用户需求以降低系统建设风险。

1 网络性能指标

网络性能是由网络测量的一组指标参数来评价的，目前，IETF的IPPM定义的指标包括连通性单向延迟、单向包丢失、往返延迟等。在本文的专用网络(带宽限制较小，一般为2 MB)性能测试过程中，测试的网络性能指标包括带宽、误码率和延时，通过实验找出对当前网络业务性能最敏感的测量指标作为关键指标集。对多媒体网络，需要进一步判断出分别影响数据传输、语音传输和视频传输的关键指标集。在卫星通信网络实验平台上，利用卫星信道模拟器的误码和延时性能向网络信道中附加误码和延时参数，通过实验的方法研究卫星通信网络的误码率、延时和链路带宽对不同网络业务性能的影响。

2 评估测试系统

根据评估测试要求搭建测试平台，系统连接框图见图1。其中图像编解码器的编码速率和系统码流速率可以调整，语音网关不可以调整数据速率，测试计算机则根据测试要求进行不同速率的收发数据测试。路由器对出口数据速率限制为2Mb/s。

2.1 卫星信道模拟器

基于LMS模型的卫星信道模拟器可以模拟卫星星地链路特性，提供8路仿真的双向数字信道，能够根据星地链路收发信机参数、用户所处环境参数、工作频段参数等，实时仿真星地链路进行数据通信时的误码、误帧、延时等信道特性。其主要参数指标如下：

①容量：8路仿真的双向数字信道；

②信道接口：每路均具有10/100 Mb/ s以太网接口，可同时连接8个独立工作的网络节点；

③误码间隔0～2 000 bit，误码长度0～16 bit，误码范围0～10-7；

④延时：1 ms～200 ms，精度0.1 ms；

⑤参数设置：可以设置的参数包括调制方式、延时、信噪比，每路的参数设置互不影响。

实验网络中的卫星信道模拟器具有以下特点：只涉及星地链路，主要考虑传输延时和无线误码2个基本特性。误码特性模块和延时特性模块如图2所示，可以通过改变模拟器的参数改变网络的特性。

图2 卫星信道模拟器结构示意图

2.2 网络测量方法

网络测量的方法和工具多种多样，可以分为主动测量和被动测量两大类。主动测量通过向网络中注入探测流量来进行，通过结果响应数据来获得网络状态信息；被动测量是在网络的主要出入口监听和记录网络中的分组流量并进行测量，从中提取数据，进行分析从而得到网络状态信息。

在网络测评中，确定网络性能指标或测度最为关键，直接影响网络测评的内容及其全面性、合理性和有效性。例如带宽、时延、时延抖动、丢包率、流量或吞吐量等指标都是众所周知的测度。目前IETFs IPPM(IP Performance Metrics)定义的网络测量指标分为RFC已经定义的指标和目前还是IETF中的一个草案的指标，前者包括连通性（RFC 2678）、单向延迟（RFC 2679）、单向包丢失（RFC 2680）、往返延迟（RFC 2681），后者包括瞬间包延迟变化、IP包延迟变化、单向丢失模式采样。

2.3 测试方法及性能参数选择

采用主动测试方法：在网络上布置测试机器，主动发送测试流量，如，从A端到B端，获得两端点间的测试结果信息。

选择的网络测量内容包括带宽、时延、时延抖动、丢包率、流量和吞吐量等。

2.4 测试要点

将实验网络设为2Mb/s带宽，逐步加大图像业务IP数据流量，测量信息丢包率、时延和时延抖动等指标，目测视频传输的性能情况，标定上述指标的可容忍度。

在给定业务容量情况下，逐步调低网络传输速率，按照标定指标进行判断，得出传输给定业务的所需的最小带宽。

加入卫星信道模拟器，逐步加入噪声或加大时延，测试信息传输丢包率的变化情况，绘制丢包率、时延、噪声功率的双变量曲线。

变化业务数，记录视频性能变化、各段带宽值的变化、各段时延值变化，丢包率指标变化，查找卫星通信网络在带宽和时延上的“瓶颈”。

3 测试程序架构

测量程序采用Winpcap+Winsock的层次化测量架构。

Winpcap源于Berkley Packet Filter（BPF）和libpcap函数库，支持Win32的网络监测程序设计。Winsock是人们很熟悉的Windows套接字编程工具，源于Berkley Socket技术。这两款网络开发工具各有特色，结合使用可以取长补短，提高软件开发的效率，增强软件的运行性能。Winpcap支持网络原始数据包的接收和发送，绕开了TCP/IP协议栈，有利于高速的数据包检测和分析；支持对数据包的过滤。

Winsock是建立在TCP/IP协议栈之上的程序开发工具，提供面向连接和的连接得网络服务，可以大大降低程序开发工作量。

图3 测量程序架构

程序采用三层架构：网络接口层、网络层、测试层。

其中网络接口层就是网卡驱动程序模块，负责程序与网络设备间的交互。

网络层包括两部分：一个是基于网络数据包过滤器（NPF）的网络模块，一个是基于TCP/IP的网络模块。

测试层通过Winpcap编程接口来访问NPF，检测出原始数据包并获取数据包到达时刻；通过Winsock编程接口来访问TCP/IP，获取TCP会话信息。主从程序测试层均包括两个基本功能模块：数据包检测和TCP会话。数据包检测模块利用Winpcap接口获取网络中的原始数据包，测量开始后，主程序数据包检测模块直接解析出发送端计算机发出的数据包IP标志，记录进主测试窗口，从程序的数据包检测模块直接解析出接收端计算机接收的数据包IP标志，记录进从测试窗口，同时记录视频包的达到时刻；TCP会话模块利用Winsock接口建立主从程序间的TCP连接，控制测量步骤，并交互测量过程中获取的数据。窗口调节模块利用这两个基本功能动态调整测试窗口尺寸。根据正确接收的数据包和主程序通知确认的数据包序列，从程序的丢包确认模块检查数据包的丢失情况，并把丢包数据反馈给主程序。根据反馈的丢包信息，主程序的丢包率计算分析模块计算丢包率。从程序的延迟计算模块通过时间提取，计算相继到达视频包的延迟，并通过TCP会话连接将最后的延迟统计值返回给主程序的延迟获取模块。

4 测试结果及评估

4.1 测试结果

利用PCM限定网络链路带宽为128 Kb/s，设置卫星信道模拟器的延时为1 ms。在不同误码率下，利用TCP文件传输工具在计算机1和计算机2之间传输27 KB的文件。改变模拟器延时，再次测试不同误码率下利用TCP协议传输27 KB文件的速率和重传率等参数，实验数据取3次测量结果的平均值。通过分析实验数据，找出误码率和延时对TCP文件传输的影响，如图4所示。可以看出，误码率对卫星通信网络TCP文件传输速率有很大影响。随着误码率的增大，TCP文件传输速率急剧下降，当误码率大于10～4时，文件基本无法传输，对于TCP协议来说，网络近似中断。在相同误码率下，小于200 ms的链路延时只会引起卫星通信网络TCP文件传输速率的下降，且延时的增加引起传输时间的增长，但不会引起丢包。当链路时延大于TCP协议3次握手应答时间范围时，会引起TCP文件传输丢包。

图4 误码率和时延对TCP文件传输的影响

4.2 评估结果

通过将测量软件用于试验系统进行模拟测试，结果如下：①业务承载能力，在2Mb/s卫星信道通信容量下，最多可传输1,700Kb/s有效数据，满足设计需要；②传输性能，长延时和突发误码情况下，视频丢包≤1 /M，语音通话清晰可懂，满足设计需要。

5 结束语

作为卫星通信网络设计和运行管理的重要组成部分，卫星通信系统性能评估越来越受到人们的重视。本文提出了一种基于IP协议的卫星通信系统评估要求和评估方法，并进行了评估测试。后续的卫星系统测试结果与评估测试结果基本符合，从而证明评估系统对基于IP协议的卫星通信系统可行性分析具有一定的指导意义。在今后的工作中，将根据项目要求，加强故障管理功能研究，并把网络性能测试和故障定位技术推广到新一代卫星通信网络中。

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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