LTE基站卫星接入可行性研究

蔡云斌

（中国电信股份有限公司上海机动通信局，上海 200437）

LTE基站卫星接入可行性研究

蔡云斌

（中国电信股份有限公司上海机动通信局，上海 200437）

LTE网络具有全IP化、高带宽、扁平化等特点，目前在LTE网络建设中采用IPRAN技术作为基站与核心网之间的承载网络。但在某些特殊应用场景下，还是需要借助卫星链路来解决基站接入问题。本文将重点对LTE基站基于卫星接入方式的可行性进行研究分析。

IPRAN；卫星接入；时延；S1接口

1 引言

无线移动网络目前已进入4G LTE网络时代，LTE网络具有全IP化、高带宽、扁平化等特点，并对基站传输网络提出了更高、更新的要求。以中国电信LTE网络为例，采用IPRAN作为基站与核心网之间的传输承载网络，IPRAN组网方案可以满足LTE移动网络全IP化、高带宽等发展趋势。但在某些特殊应用场景下，如在光纤资源无法到达的地方（如应急保障、海岛地区等）需要开通LTE网络的话，还是需要借助卫星链路来解决基站的接入问题。但是由于卫星通信时延等固有缺点限制了其在4G基站接入方面的应用，本文将重点介绍LTE基站基于卫星接入方式的可行性，并对相关测试结果进行分析。

2 LTE基站传输需求分析

2.1 基站接口协议

LTE网络架构为扁平化结构，取消了原有3G网络中的RNC单元,基站直接与核心网相连，原先由RNC承担的功能分别由EPC及基站来完成，基站接口包括S1/X2两种接口，如图1所示。

图1 LTE基站S1/X2接口示意图

（1）S1接口

S1-U用户平面接口：S1-U接口用于基站与核心网S-GW单元之间的连接，基于GTP传输协议，提供基站和S-GW之间的非保障传输，GTP协议只对用户数据进行封装，但不提供数据传输控制机制；

S1-MME控制层接口：S1-MME接口用于基站与核心网MME单元之间的连接，S1-MME接口采用流量传输协议SCTP，确保控制信令数据的可靠传输。

（2）X2接口

X2主要实现基站之间的互联，同样包括X2-C（控制层）、X2-U（用户层），分别传送控制信令及部分用户数据。

LTE基站S1/X2接口对于业务及信令数据传递采用不同的协议标准，其中业务数据是基于GTP/ UDP传输协议，而信令数据是基于SCTP/IP协议，这种业务与信令分离模式为后续实现卫星接入提供可能。

2.2 带宽分析

与3G网络相比，LTE网络对业务承载网络提出了更高的带宽要求，以单基站单载扇为例，基站承载带宽需求约为150Mb/s～200Mb/s，其中用户层面S1-U接口业务量最大，达到90%以上，控制层接口业务量较小，只占整个基站业务量的5%～10%。以下主要以用户层面S1-U带宽需求分析为例进行说明：

S1-U接口主要承担用户数据业务传输，实际的传输带宽占用等于业务数据流量加上各类传输协议带来的包头开销。数据包的大小取决于不同业务类别，其中语音业务数据包较小，而数据业务包则较大，对于不同协议所附加的包头开销则相对固定，以S1-U接口为例，所涉及到的各类协议包头开销见表1。

表1 S1-U接口包头开销字节统计

在包头开销相对固定的情况下，其包头开销占比也各不相同：对于视频业务来说，由于数据包较大，因此包头开销占的比重较小；而对于语音业务来说，数据包较小，故包头开销占比也就较大。这点对于地面传输网络来说，影响不大，但当采用卫星接入方式时，过大的包头冗余开销比率将大大降低卫星信道利用率。当LTE基站采用卫星接入方式时，基站总带宽受限于卫星带宽，卫星频谱资源与业务带宽有一定的对应关系，这种对应关系取决于调制编码方式、滚降系数取值、载波叠加技术应用等因素，如何进一步提高卫星频段资源利用率是卫星业务发展的关键问题之一。

2.3 时延分析

系统传输时延越大，其有效吞吐量也就越小。3GPP对LTE传输时延有具体规定，以S1接口为例，S1-U时延要求最高，时延要求控制在5ms以内，S1-MME时延要求较低，一般要求小于100ms。时延可分为空口时延、EPC时延和E2E时延三部分（如图2所示）。

图2 时延值分段定位示意图

在实践应用中，传输时延测试可采用以下两种方法：

（1）Ping数据包测试法

最常见的时延测试方式是E2E时延测试法，一般采用Ping数据包的方法进行测试，在预调模式下E2E时延小于10ms，但在实际工程项目中，E2E时延一般达到40ms～50ms。当基站与核心网之间引入卫星段的话，由于卫星传输固有时延达到540ms左右，故实际传输时延大大超出现有LTE网络时延规范要求。

（2）SCTP心跳应答测试法

如需更精确测试传输时延的话，可采用SCTP心跳应答测试方法。当SCTP通路空闲时，发送端发送心跳消息给接收端，接收端收到心跳消息后通过心跳确认消息予以应答，通过这种应答机制可确认SCTP通路是否正常。利用计算心跳消息及心跳确认消息两者之间的时间差，可精确测量收发端传输时延值。

3 卫星接入影响分析

3.1 卫星时延影响

在LTE网络结构中，若基站采用卫星接入时，基站与核心网之间单向传输时延至少增加270ms，这么大的传输时延，会对LTE基站传输产生一定的影响，具体分析如下：

3.1.1 对TCP协议影响

由于TCP/IP传输协议采用确认应答方式，其数据吞吐量不仅取决于信道的传输速率，还与数据往返时延RTT有关。在TCP/IP标准中，最大数据吞吐量可用公式（1）表示：

在TCP/IP协议中最大接收窗口为64K字节，最大吞吐量仅取决于RTT，对于卫星信道来说来回时延越为540ms，因此，在卫星信道所支持的TCP/IP协议最大数据吞吐量为1Mb/s左右。在现有卫星通信中，一般采用TCP/IP加速器，通过欺骗协议等方式来实现提高数据吞吐量的目的。

3.1.2 对UDP协议影响

对于UDP协议来说，由于数据流没有采用严格的应答确认机制，因此不受卫星窗口时延限制，在实际应用中不需要额外加速。

3.1.3 对S1接口的影响

（1）用户层

在S1接口传输协议中，以用户层接口S1-U的承载带宽需求最大，其所需带宽占基站总承载带宽90%以上，相应的时延要求小于5ms。从表面看卫星链路显然不满足S1-U协议传输要求，但由于S1-U接口传输协议是基于GTP协议，该协议只对用户数据进行包头封装，而不进行数据交互控制，因此，可以认为S1-U传输协议不受卫星传输固有时延影响。

（2）控制层

控制层接口S1-MME由于主要承担信令及控制等重要数据传输任务，因此承载的数据吞吐量较小，仅占基站总承载带宽的3%～5%。S1-MME采用SCTP传输协议，与TCP/IP协议类似，SCTP协议也采用确认应答等控制机制，从而确保数据可靠传输；其传输时延要求小于100ms。对于卫星传输来说，虽然S1-MME接口协议承载带宽较小，时延要求也低于S1-U时延要求，但由于其采用交互应答确认机制，其最大吞吐量会受卫星窗口时延要求限制。

如果仅为TCP/IP协议的话，可通过采用卫星TCP/IP加速设备进行加速处理，但由于目前卫星TCP/IP加速器设备无法识别及处理SCTP包头数据，因此无法利用常规方式进行加速处理，给SCTP数据加速工作带来一定难度。

3.2 卫星带宽影响

在实际应用中，一方面受成本因素制约，卫星链路所提供的带宽资源无法与地面网络相比；另一方面由于卫星接入一般用于应急或特殊情况下，因此其业务规模小于公共业务。故2Mb/s～15Mb/s卫星带宽资源已基本满足应急场景接入需要。

另外，考虑到应急情况下，语音、数据等综合业务应用需求，卫星接入方式应满足不同业务共享带宽资源的需求。

4 LTE基站卫星接入可行性测试

4.1 测试概述

图3 卫星接入测试拓扑结构图

在应急应用场景下，LTE基站卫星接入方式主要指LTE基站BBU设备与IPRAN边缘路由器之间引入卫星链路段，其拓扑结构图如图3所示。当LTE基站采用光纤连接时，LTE基站与IPRAN边缘路由器之间一般采用Ge光口；而当采用卫星接入时，卫星设备两端为FE电接口，因此必须增加光电转换设备，确保卫星接入设备与基站BBU及路由器之间接口匹配。

4.2 主要测试项目

4.2.1 时延抖动测试

（1）Ping数据包时延测试法

在光纤接入及卫星接入状态下的，通过Ping数据包方式分别测试时延即抖动值，测试数据如表2、图4、图5所示。

表2 卫星接入与光纤接入时延值统计表

图4 光纤接入时延数据记录

图5 卫星接入时延数据记录

（2）SCTP心跳应答测试法

我们也可采用SCTP心跳应答测试法来测试传输时延值。首先，在卫星接入状态下通过Wireshark抓包工具抓取SCTP协议中相关heartbeat及heartbeat-ack消息，注意所提取的心跳消息与心跳确认消息必须是两个IP地址之间相对应的消息。其中，由7.65.207.50发给7.65.152.102的heartbeat心跳消息如图6所示，由7.65.152.102返回7.65.207.50的heartbeat-Ack心跳应答消息如图7所示。

图6 heartbeat心跳消息数据

图7 heartbeat心跳应答消息数据

计算两端之间的回路时延RTT值为：

RTT＝4.655484-4.149368＝506ms

该时延值为基站与核心网EPC之间的传输时延值，小于Ping数据包所测到的时延值，因为后者还包含应用服务器所需的时延。

4.2.2 数据包分析

为了更好分析卫星接入对LTE基站传输的影响，本文利用抓包工具，在卫星MODEM业务端口抓取相关数据包进行分析。

（1）GTP数据分析

LTE基站主要业务数据流（例如视频业务等）是通过S1-U接口，采用GTP/UDP传输协议进行传送的，由于GTP是基于UDP协议，因此不存在吞吐量受限于卫星时延的问题。

在数据包传输过程中，不同传输协议会在有效数据信息基础上附加各类包头开销，包头开销占比将直接影响传输性能，包头开销越大，有效数据包的传输效率就越低，这一点对于卫星通信来说较为突出。

以下以实测过程中捕获的GTP数据包为例进行分析，其中NO.825数据包是一个典型的基于GTP传输协议的用户数据包，整个包长1474字节，其中包头开销共计106字节，实际有效数据1368字节。其中包头开销主要来源两大部分：一部分是与业务相关的应用服务器所添加的包头信息，另一部分是在LTE移动网络中新增的相关包头信息，具体数据包如表3所示：

表3 GTP数据包头开销统计表

图8 视频业务流数据包信息

图9 GTP协议包头字节内容

（2）SCTP数据分析

LTE基站信令数据是通过S1-MME接口，采用SCTP/IP协议进行传送的，SCTP/IP协议采用交互应答确认机制，确保数据可靠传输。通过实时抓取SCTP数据包后进行分析，本例中NO.785数据包是一条基于SCTP协议的heartbeat信令消息，其整个数据包长142字节，其中各类包头开销50字节（详见表4）。

表4 SCTP包头开销列表

图10 SCTP详细包头开销结构图

SCTP详细包头结构如图10所示，对于SCTP数据来说，主要问题在于当其吞吐量增加后，会由于交互应答机制对卫星传输造成一定影响；当然在卫星接入时，鉴于卫星资源成本较高，LTE基站不大会大规模应用，因此，SCTP数据量不会很大。

4.2.3 业务下载能力测试

为验证LTE基站在卫星接入条件下的业务下载能力，通过LTE终端设备访问FTP应用服务器，下载相关文件，以此验证实际业务下载能力。当采用卫星接入方式时，由于卫星转发器成本较高，不可能像地面直联方式一样，提供千兆带宽接入能力，故只能提供有限带宽资源。

（1）测试一：卫星接入条件下手机FTP下载速率测试

不同卫星资源条件下，相对应的下载速率测试数据如表5所示：

表5 手机FTP下载速率统计表

图11 2Mb/s卫星资源下手机单线程下载

图12 3Mb/s卫星资源下手机单线程下载

在卫星接入条件下，手机FTP下载可行，单手机FTP下载速率达到相应卫星带宽资源的80%以上；多线程下载速率略高于单线程下载速率。

（2）测试二：卫星接入条件下手机、PC机多任务下载速率测试

表6 多任务下载速率测试统计表

图13 2Mb/s卫星资源+PC单线程+手机单线程下载测试数据

当采用卫星接入方式时，LTE基站多任务下载正常，总下载速率与卫星资源情况相匹配；多线程下载速率基本高于单线程下载速率。

5 结束语

综合上述分析及测试结果，可以得出以下几方面结论：

（1） 对LTE网络的影响

⊙ 卫星接入方式基本支持LTE基站与核心网之间的信令传递，但由于目前卫星链路仍无法实现对SCTP等传输协议进行IP加速，基站信令数据吞吐量受限于卫星带宽资源。

⊙ 卫星接入方式不支持与地面直联基站之间的切换模式，只能作为单站使用。

（2）对LTE业务影响

LTE基站有条件支持卫星接入方式，能满足基本业务需求，但鉴于卫星带宽及时延等因素影响，无法提供与地面接入方式相比拟的业务体验，对具体业务影响程度如下：

⊙ 互联网业务：基本满足高速互联网浏览业务需求，但业务体验受限于卫星链路带宽资源。

⊙ 视频业务：基本满足实时视频业务需求，但业务体验受限于卫星链路带宽资源。

⊙ 游戏类业务：该类业务受卫星时延即带宽资源限制，无法很好满足其业务需求。

⊙ 语音业务：目前暂未进行语音业务测试，但根据现有网络架构，语音业务是由3G网络来承担的，在3G网络中卫星接入支持语音业务需求。

（3）提升卫星资源利用率方式

虽卫星接入满足LTE基站业务需求，但由于卫星链路成本较高，除应急及特殊场景需求外，无法提供与地面光纤传输方式相比拟的业务体验，故如何提高卫星频谱资源利用率，降低卫星链路运行成本显得尤为重要，具体提高卫星资源利用率的手段包括：在卫星链路中采用载波叠加、高阶调制等带宽压缩技术，达到提高卫星资源利用率的目的；可利用未来KA频段卫星资源，进一步提高卫星频谱利用率。

[1] 陈运清等．电信级IPRAN实现[M]．北京：电子工业出版社，2013

[2] 孙宇彤．LTE教程：原理与实现[M]．北京：电子工业出版社，2014

[3] 程鸿雁等．LTE FDD网络规划与设计[M]．北京：人民邮电出版社，2013

[4] 陈宇恒等．LTE协议栈与信令分析[M]．北京：人民邮电出版社，2013

[5] 舒良珺等．LTE承载网络需求分析[J]．移动通信，2012.10

[6] 刘丽娟．IPRAN在4G网络中的应用[J]．硅谷，2014第8期（152）

[7] 3GPP TS 36.300: E-UTRA and E-UTRAN;Overall description

[8] http://www.3gpp.org

[9] Chris sanders．Wireshark数据包分析实战（第2版）[M] ．北京：人民邮电出版社，2013

华三推出小贝系列WLAN设备

近几年，企业无线网市场竞争日益激烈，该市场的火爆程度可见一斑。近日，杭州华三通信技术有限公司发布了小贝系列企业级WLAN设备，别具新意的命名，精准的产品定位，让小贝一出场就获得业内瞩目。华三通信分销事业市场部总监殷鸿说，小贝系列设备主要针对的是介于传统企业和家用市场的商用用户，包括中型企业、酒店、商超、营业场所乃至别墅等应用领域，既具备企业级产品的高等级品质和安全特性又具备家用设备的易用特点。

华三通信小贝系列产品经理何宇锋说，小贝系列WLAN解决方案具有高品质、高安全、易用性和高性价比的特点，该系列产品不仅拥有企业级的品质，更创新地免费配置手机APP管理功能，使之成为商用WLAN部署的新星，彻底解决高成本、难管理、难部署的三大难题。他表示，本次推出的小贝系列产品包括无线控制器WAC360/361系列和高速无线接入设备WAP621，WAP722，WAP722E以及指尖上的无线手机操作APP。其中，WAC360/361集合网关、路由、防火墙和AC多种设备功能，具有无线自动网优、出口链路备份、状态防火墙、认证及权限管理等功能，大幅节约了用户设备投资，减少了空间占用。

针对无线安全问题，华三通信无线产品管理部总工程师白浪说，结合认证的用户名，小贝系列产品可让每一个人员有不同的网络访问权限，也可将多个用户名归为一组，让每组人员有不同的网络访问权限，支持用户认证及权限管理。而WIPS无线入侵安全检测功能，可实时监控无线网络覆盖内所有终端（包括关联和非关联终端）异常行为，随时防患于未然。更为重要的是华三充分考虑到中小型企业专业IT人员稀缺和便捷管理的需求，小贝产品无需复杂命令行配置，具有上电即组网的功能，而且免费配套的手机APP通过图形化界面，轻松实现各种管理问题，使得管理企业网络就像管理家用路由器一样简单方便。

据悉，本次只是小贝系列的第一批上市产品。未来，华三将进一步增大研发投入，陆续推出更多的小贝系列以满足广大商业用户的选择。华三通信已经连续六年占领国内WLAN市场份额第一的位置，所有WLAN产品均通过百余项可靠性实验室的的苛刻测试。相信凭借华三通信在无线领域14年的技术积累经验，在移动办公时代，小贝系列WLAN设备的推出将满足个性化的无线部署需求，帮助中小企业建设高效、可用、耐用的无线网络，并以此迅速获取竞争优势，进入移动商务新时代。

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文献标示码：A

1672-7274（2014）12-0027-07

蔡云斌：高级无线工程师，先工作于中国电信股份有限公司上海机动通信局，长期从事卫星通信、应急通信、移动通信等方面工作。