链路聚合在海事卫星网络中的应用研究*

张 毅，陈世康，姚春华，谢小赋

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

海事卫星是全球第一个建设并形成全球通信覆盖能力的移动卫星通信系统。目前，海事卫星已经发展到第四代—BGAN(Broadband Global1 Area Network)。第四代海事卫星综合了高低端多种业务，采用高效的频率复用技术，带宽最高能达492 kb/s，实现了无缝覆盖全球的宽带卫星传输网络，提供电子邮件、信息、数据文件传输、视频会议、电话、Internet接入等业务［1］。随着海事卫星的传输带宽和传输性能提高，海事卫星通信系统已逐步在流媒体实时视频传输中得到应用，在突发事件的新闻报道和应急指挥中发挥着越来越重要的作用［2］。

1 链路聚合需求分析

随着海事卫星传输流媒体实时视频的应用越来越多，海事卫星传输流媒体质量差的问题越来越突出。流媒体传输的质量主要体现在3个方面［3］:

1)流畅性:指视频播放时画面流畅，不存在画面停滞现象，这就要求数据传输不能有太大的抖动，才能保证视频播放的流畅性。

2)实时性:指视频数据的传输时延小，保障视频播放时看到的画面接近现场的实时画面。

3)最低发送速率:视频流是按照特定视频编码速率生成的，对同一种编码方式，更高码率代表了更好的视频质量。视频发送方的传输速率必须满足最低发送速率要求，否则会导致满足最低播放的数据无法及时完整地到达，从而导致无法播放。

然而海事卫星网络具有时延长、误码率高和带宽不对称、星上无交换、无路由功能等特点［4］，传输流媒体的质量在独享带宽的情况下，帧率一般可达15帧/秒，视频分辨率可达CIF标准，其视频的流畅性较差，较难满足高质量实时流媒体的播放要求。解决流媒体传输质量通常有两种方式，一种是通过对流媒体系统涉及到的传输协议、音视频编码等进行优化改进;一种通过增加流媒体传输带宽。然而，对流媒体系统的优化改进对流媒体传输的质量提升效果并不明显，增加海事卫星链路带宽仍将是提升实时视频传输效果的有效手段。

链路聚合是在单一线路带宽无法增加的条件下提升带宽和实现负载均衡的有效方法。链路聚合技术就是利用相应软硬件技术把多条物理链路捆绑在一起作为一条逻辑链路使用，以提高网络带宽一种新技术。链路聚合具有如下优点［5］:

1)链路聚合技术可在不升级现有传输设备的情况下增加带宽，其实现方法简单，并可节省硬件成本。

2)链路聚合技术能够自动和快速地进行配置和重新配置，在配置中依靠所选算法的选择来确保链路的捆绑。

3)链路聚合技术可以用软件和硬件相结合的方法来增加带宽。

4)链路聚合技术能够均衡流量负载，增强容错性，传输负载可以均分在属于同一个链路聚合的多条链路上，减少链路瓶颈的发生。另外，如果某条链路发生故障，数据仍然能通过链路聚合中的其他链路传输，提高了网络传输的可靠性。

鉴于链路聚合技术的上述优点，采用链路聚合的方法提升海事卫星带宽，可提升通过海事卫星传输流媒体视频的效果，并可在海事卫星低带宽、长时延的环境下传送标清的视频。

2 链路聚合方案

从OSI网络模型的来看，链路聚合主要有两种方法，一种方法是在数据链路层实现聚合，即MAC链路聚合;一种方法是在应用层实现聚合，即多路由链路聚合。

2.1 MAC链路聚合

MAC链路聚合是在MAC层和MAC Client层之间增加了一个可选的链路聚合子层。MAC链路聚合子层在IEEE802.3体系结构中的位置如图1所示［6］。

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

链路聚合子层位于MAC层或MAC控制层(可选)和MAC Client层之间，这个子层是可选的，只有加入链路聚合的成员链路上才使用链路聚合子层，由该层来管理所有成员链路，并向MAC Client提供一个单独的接口，这样MAC Client就只与链路聚合子层交互。LACP(Link Aggregation Control Protocol)链路聚合控制协议是MAC链路聚合的标准协议，协议通过LACPDU(Link Aggregation Control Protocol Data Unit)链路聚合控制协议数据单元与对端交互信息。

2.2 多路由链路聚合

多路由链路聚合技术是利用了通信网络的多信道捆绑数据通信技术，在通信链路上将多个路由的数据传送经由应用层面，通过对IP包进行拆分－传送－聚合的过程，实现系统传输带宽的增加，其多路由链路聚合的协议结构图如图2［3］所示。

图2 多路由链路聚合协议结构Fig.2 Multi－route link aggregation protocol model

多路由链路聚合由应用层实现。这里所指的链路并不一定是点到点之间建立的通信连接，而是指点到点之间存在的一条数据传输通道，是逻辑意义上的链路。相比较于TCP协议，UDP协议同样存在链路，主要差别是UDP没有建立全程连接的链路和数据传送校验机制而已。所以，对于基于UDP协议的流媒体传输来说同样存在链路的聚合问题。

3 链路聚合实现

MAC链路层的带宽聚合，主要由网络接入设备负责。在海事卫星环境中，主要接入设备指的是海事卫星终端。在MAC链路子层实现链路聚合，需要修改海事卫星终端软件，增加链路聚合子层软件模块和LACP(Link Aggregation Control Protocol)链路聚合控制协议。由于海事卫星终端大都是国外产品，很难对其软件进行修改，因此只能参考多路由链路聚合原理，采用硬件和软件结合的方法，研制链路聚合器设备。海事卫星链路聚合器应用在多媒体传输系统中，其部署如图3所示。

图3 海事卫星链路聚合器的部署图Fig.3 Deploy chart of BGAN link aggregation device

海事卫星链路聚合器在数据传送中可理解为一个分拆－传送－聚合的过程。通过数据网络的TCP/IP协议，将网络传送中的IP数据包分拆成若干个子包，经由一定的驱动程序，转而由通信网络绑定的海事卫星终端进行数据传送，在接收端经过驱动程序转成相应的IP数据子包，并最终聚合为IP数据包，其技术示意图如图4所示。

图4 海事卫星多路由链路聚合技术示意Fig.4 Technology chart of BGAN multi－route link aggregation

链路聚合器的除了实现IP数据包的拆分、路由等功能外，主要需要解决以下几个关键技术。

(1)数据缓冲

海事卫星流媒体实时视频IP包传送速率比较高，当数据传送来到多路由链路聚合应用层时，必须设置一个高效的数据缓冲区以存放等待传送的网络数据包，使得数据网络在传送数据时更为有效。缓冲区的设置需综合考虑多路由链路的特性，以实现动态的分配空间。

(2)数据包路由分流策略

数据包路由分流策略基于RTP实时数据传输协议，在链路聚合器上增加链路检测机制，对链路的带宽、时延和丢包率进行反馈;同时结合RTCP实时流媒体传输控制协议，对流媒体的数据帧分类，以及数据包的大小进行动态调整。对关键视频帧调度到较好路由链路。

(3)帧失序处理和控制

由于流媒体数据的传输主要使用UDP协议，并且流媒体数据可能从多条链路到达接收端，因此流媒体数据会出现帧失序的可能。为了解决帧失序，设计采用如下方法:

1)接收端增大数据缓冲能力，屏蔽帧抖动。

2)数据分流方法:发送端在进行数据分流时，分配给一条链路的数据段长度要合适，不能不能太长也不能太短。

4 试验效果分析

为了对链路聚合器的使用效果进行测试，搭建如图5所示的实验平台，对实时视频传输效果进行试验。其中，IP信道损伤测试仪主要模拟海事卫星链路的带宽、时延、误码率、丢包率。链路聚合器采用纯软件实现的一个模拟器，主要实现了链路聚合器的基本功能模块。

图5 试验测试连接Fig.5 Link chart of experimentation

试验步骤如下:

1)设置链路1的带宽128 kb/s，时延700 ms。

2)设置链路2的带宽128 kb/s，时延700 ms。

3)视频服务器的码率设定为192 kb/s，帧率为10帧，I帧间隔为25。

4)进行实时视频播放，观看视频效果。

5)设置链路1的带宽256 kb/s。

6)设置链路2的带宽256 kb/s。

7)设置服务器的码率设定为384 kb/s，帧率为15帧，I帧间隔为25。

8)进行实时视频播放，观看视频效果。

试验结果:

1)步骤4)的视频效果图像质量一般，流畅度一般，有图像停滞现象，延时约为3s。

2)步骤8)的视频效果图像质量清晰，流畅度高，无图像停滞现象，延时约为2s。

试验结果表明，通过链路聚合器，传输流媒体的带宽基本能达到链路带宽总和的70%，为流媒体音视频数据在海事卫星信道的传输提供了有力保证。

4 结语

文中设计了通过链路聚合实现海事卫星的流媒体实时频传输，解决视频传输带宽不足的问题，测试结果表明，该系统能够极大地提高视频数据传输速率，也能够保证在视频传输在海事卫星环境下有着更好的稳定性、实时性和流畅性。网络的带宽永远不可能满足人们需要，对于更高带宽要求的网络业务发展，链路聚合技术的应用将会得到更大发展。

［1］王昆.基于卫星宽带网络的综合通信指挥系统［D］.北京:北京交通大学，2009.WANG Kun.Integrated Communication Command System Based on Broadband Satellite Network System［D］.Beijing:Beijing Jiaotong University，2009.

［2］郭春启，宋智军.宽带海事卫星在突发新闻报道中的应用［J］.现代电视技术，2009(12):88－89.GUO Chun－qi，SONG Zhi－jun.Maritime BGAN Satellite Technology Applications in the News Report of Abrupt E-vents［J］.Advanced Television Engineering.

［3］林科文，杨珉，毛迪林.基于多链路聚合的无线实时视频传输系统［J］.小型微型计算机系统，2011(05):925－926.LIN Ke－wen，YANG Min，MAO Di－lin.Wireless Realtime Video Transmission System Based on Multi－link Aggregation［J］.Journal of Chinese Computer Systems 2011(05):925－926.

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