高通量卫星应用于4G基站回传的方式研究

2018-11-24黄曜明张哲铭

电信工程技术与标准化 2018年11期

黄曜明，张哲铭

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

为进一步深入推进电信普遍服务工作，国家要求加快偏远和边疆地区4G网络覆盖，目标为至2020年实现全国行政村4G覆盖率超过98%。为此，在山区、边疆、海岛等地区需新增2万个以上4G覆盖村。卫星通信的广覆盖优势将有助于目标的达成，同时4G基站回传的特殊性对卫星传输带来新的挑战。

2 4G基站传输要求以及传统卫星的不足

4G突出特点就是可以给用户带来高速数据业务体验，从而适配互联网信息通信高速发展的现状，而传统卫星通信难以提供高速率通信。

2.1 普通4G基站传输要求

4G基站现网平均单站速率约为下行40 Mbit/s、上行10 Mbit/s，考虑到传输峰值，单站带宽规划一般在80～ 100 Mbit/s。

根据3GPP协议要求，eNode B至S-GW之间的S1接口控制面时延为10 ms，终端从空闲态到连接态的时延应控制在100 ms以内。承载的业务时延虽然各不相同，总体上仍要求达到100～300 ms之间。

2.2 传统卫星的不足

传统通信卫星一般采用C波段和Ku波段对地静止轨道卫星，并采用大波束的覆盖方式，一个波束即可覆盖中国全境。然而由于C波段和Ku波段相加仅能提供1 GHz带宽，且对地静止轨道全球仅有一个，只能以约2°的轨道经度进行区隔，资源极其宝贵。传统的广覆盖、大波束Ku和C频段卫星将在以下方面受到限制，因而将难以承载大规模4G基站回传。

为便于安装和应用，同时也为减轻成本，用于基站回传的卫星站均为VSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口径终端）站，一般天线口径不超过2.4 m。在分配带宽不超过10 MHz的情况下，单站仅可达到20 Mbit/s左右的传输能力，难以达到4G基站传输通常的速率要求。如果进一步增加带宽，则会带来严峻的成本问题。

卫星通信的成本主要是卫星转发器租赁成本，传统卫星每年每兆赫兹的成本约为15～20万元。为达到下行40 Mbit/s、上行10 Mbit/s的基本传输能力，按照2 bit/Hz的带宽效率计算，每年每站的卫星转发器租费将超过300万元，是普通4G基站运营费用的数倍。

3 高通量卫星的技术革新

新一代高通量卫星在保留传统卫星广覆盖特点的基础上进行一系列技术革新，将有助于解决传统卫星应用于4G基站回传遇到的困难。

3.1 高通量卫星提升传输速率的技术

3.1.1 多波束+频率复用

传统卫星的设计思路是尽可能提升覆盖广度，采用普遍覆盖的大波束方式。然而单个波束的容量是基本固定的，波束越大、覆盖越广，卫星容量却摊薄到更广阔的覆盖区域，从而单个用户可用的容量反而下降。如图1所示，高通量卫星参考地面蜂窝网的思路，采用多波束方式，将原有广阔的覆盖区域通过小波束分割为多个小区域，地理位置上间隔较远的区域可用相同的频率进行覆盖。容量。以覆盖我国境内的首颗高通量卫星中星16号为例，一共26个Ka频段波束，每段频率能够复用6或7次。与采用传统大波束的卫星相比，同等条件下总体容量将是传统卫星的6至7倍。如果波束进一步缩小，或总的覆盖范围拓宽，则频率复用倍数更高，容量增加更大。

3.1.2 采用更高频段

随着高频设备制造技术的成熟，在当前C和Ku波段资源已经基本耗尽的情况下，高容量卫星开始转用频率更高的Ka波段。根据国际电联的规定，中国所在的第三区，Ka频段上行（地面站发射）为27.5～31 GHz，下行（地面站接收）为17.7～21.2 GHz，上下行各有3.5 GHz，是当前C和Ku波段可用频率总和的3倍多。因此，更高频段将带来更高的吞吐量。

3.1.3 采用TDM/TDMA时分复用技术

图1 高通量卫星与传统卫星波束比较

同步轨道上的Ka频段高通量卫星，采用典型的4 dB波束宽度为0.69°的波束，单波束覆盖地面直径约400 km的区域。区域与区域之间可以按照四色原理同频复用，多个波束的容量相加后将成倍的增加卫星整体

高容量卫星一般采用“关口站—远端站”星状网络结构，关口站将网内所有用户的数据进行汇聚，通过TDM广播信道发送至网内全部站点。由于高容量卫星承载的大部分是互联网业务，其业务特点是同一时刻用户不会同时活跃，因此可以通过数据汇聚收获较好的时分复用效率，相比较传统的FDMA频分复用方式，容量能够得到更有效利用。此外，采用时分复用的方式还可根据各站点的信噪比灵活调整调制和编码方式，高信噪比站点采用高频谱效率方式以提升传输速率、低信噪比站点采用低频谱效率方式以保障信道质量，使得卫星传输通道的信号能量与数据速率相匹配。高通量卫星波束能量和噪声分布不均衡，在波束中心信噪比高，波束边缘信噪比低，通过TDM/TDMA方式灵活调整网内各站点的传输方式，可以提升波束整体吞吐量。

3.2 高通量卫星对传统卫星的突破

如2.2节分析，传统卫星用于4G基站回传将在传输能力和成本受到较强的限制，高通量卫星将从这两个方面进行突破。

在传输能力方面，按照通用的四色复用原则，各关口站每个波束下行可用带宽为全部下行带宽的1/4[1]。对于Ka频段，可以达到300 MHz以上；对于Ku频段，也可达到100 MHz以上。因此，高通量卫星单个TDM载波可用带宽能够达到100 MHz级别，采用DVBS2和DVBS2-X高效调制编码方式，提供的传输通道可达到200 Mbit/s级别，是传统卫星的10倍。由于TDM载波为多个站点共享，可以同时为多个4G基站提供回传通道，既能满足单个4G基站传输峰值所需的100 Mbit/s速率，也能通过时分复用方式动态调整、及时满足多个并发4G基站当前速率需求。

在传输成本方面，综合各卫星公司公开披露数据，单颗高通量卫星的建造、运营成本约为传统卫星的2～3倍，其可提供的容量以我国第一颗高通量卫星中星16号为例大约为传统卫星的10倍左右（20～30 Gbit/s），则单位传输速率的成本约为传统卫星的1/3～1/5。随着卫星建造技术的进步，目前典型的高通量卫星单星容量一般为100～500 Gbit/s，容量达到500 Gbit/s～1 Tbit/s的卫星也将逐步投入使用，将进一步降低传输成本。

4 高通量卫星应用于4G基站回传需考虑的问题

高通量卫星虽然有助于解决传统卫星应用于4G基站回传遇到的容量和成本两大难题，但其主要目标是解决普通互联网用户的接入，对于基站回传这种中继传输的应用还需考虑更多问题。

4.1 高通量卫星与4G传送网联合规划

传统的地面网络一般采用PTN光网络提供基站数据回传，为简化网络结构，PTN网络一般采用层二，并在核心网侧设置二层转三层设备，从而为eNode B和核心网之间打造层二的传输通道。

高通量卫星的核心目标是解决普通互联网用户接入，因此整个系统采用更适合互联网业务的、调度更灵活的层三解决方案。在承担4G基站回传的应用场景下，如果不做改动地沿用层三方案，高通量卫星通信网将需要与移动通信网联合进行IP网络规划，丧失各自的网络独立性，网络结构将极为复杂。此外，高通量卫星采用星座网络结构，所有传输链路都需要在信关站或运营中心汇聚，对于互联网业务可以直接接入互联网，而对于4G基站回传业务，则还需接入PTN网络才能到达核心网。因此高通量卫星需作为4G传送网的一部分联合规划，并需采用层二的传输方式以适配现有PTN的架构。

通过高通量卫星承载4G基站回传的完整的链路连接示意如图2所示。

4.2 高通量卫星需对S1接口数据进行优化处理以减少带宽占用

如第3.2节分析，高通量卫星相比传统卫星传输成本大幅下降，但相对地面传送网，成本仍然高昂，需要通过信源优化方式提升带宽利用率。

4.2.1 针对VoLTE等业务采用分组头压缩技术

VoLTE采用AMR-WB语音编码方式时每帧为20 ms，在S1接口上其数据分组的封装方式如图3所示。在23.85 kbit/s码率场景下每一个数据分组为61 byte，而所有分组头相加为100 byte，总的传输速率达到64 kbit/s，分组头占全部速率的63%。在更低码率情况下（如12.2 kbit/s），分组头所占比例更大。

图3 VoLTE数据分组封装示意图

高通量卫星传输系统可以采用4G基站空口PDCP层中广泛采用的RoHC头压缩算法。通用的RoHC处理可以将最外层的IPv4和UDP分组头共28 byte压缩至1 byte，VoLTE数据分组从161 byte减少为134 byte，数据速率减少为53.6 kbit/s。如果进一步结合GTP压缩技术，深入GTP数据分组内部，则还可将IPv6、UDP、RTP分组头共60 byte压缩至2 byte，GTP分组头压缩至2 byte，VoLTE数据分组可从161 byte减少为66 byte，数据速率减少为26.4 kbit/s，仅为原始数据的40%。

4.2.2 进一步采用载荷压缩技术

对于话音业务中的静音帧以及数据业务中重复的报文，还可进一步采用载荷压缩技术。通过侦查数据流中的重复数据进行简化传输，以传输数据标签代替传输完整的数据报文。从中国移动实际测试数据看，载荷压缩技术可将VoLTE话音数据压缩至原始数据的70%左右。然而，如果数据采用IPSec加密或者信源加密方式，载荷压缩技术效率将显著下降。

4.3 高通量卫星需针对卫星时延进行优化以提升互联网用户体验

当前的高通量卫星一般采用同步轨道卫星，信号从地面发射至卫星再经卫星转发回传，链路时延达到240 ms以上，往返时延将超过600 ms。从网络实际运行情况看，基站信令传输正常，话音质量无明显影响，影响较大的业务类型为TCP业务。

TCP进程的传输速率主要取决于TCP窗口，窗口越大同时发送的数据分组越多，总体传输速率就越快[2]，同时也极易带来网络拥塞。为防止网络拥塞，灵活控制传输速率， TCP窗口设置为动态变化。一般地，新建TCP进程的窗口初始化为1个最大报文段大小，每收到一个反馈报文，窗口增加1，可收到的反馈报文数也相应增加，窗口将指数级增长，这种方式有利于窗口快速增长、尽快将数据发送，但同时容易造成信道拥塞。因此TCP进程又设置了慢启动门限，一旦窗口大小超过门限，就改为线性递增方式。此外，数据超时未得到确认反馈，TCP将认为网络进入拥塞状态，窗口将为起始值、慢启动门限减半，TCP单进程数据速率将显著下降。

TCP这种窗口调整机制在正常的传输网络中既能快速利用信道，又能有效避免信道拥塞，然而在卫星传输信道中，反馈报文的时延将从普通信道的不到10 ms增加至600 ms以上，将造成单进程速率瓶颈。首先，启动初始阶段需要收到反馈报文才会增加窗口大小，普通信道可在不到10 ms内扩大一次窗口，而卫星信道需要600 ms才能扩大一次，对于小数据量的TCP进程，在速率尚未达到最高点前可能进程已经执行完毕，网络能力没有达到有效利用。其次，卫星信道是容量受限信道，且信道质量容易收到雨雪云雾的影响，不可避免出现拥塞或分组丢失造成数据超时，而引起TCP窗口急剧变小，以及数据传输速率急速下降。

为解决上述问题，需要采用TCP加速方式。TCP加速一般采用透明代理的方式。透明代理分别与TCP连接的两端进行交互，两端的数据分组都被缓存在TCP加速器上，TCP加速器之间的数据发送由TCP加速器进行控制，无需反馈ACK。TCP加速器采用协议欺骗的方式，在未收到一端的ACK之前即可提前向另一端发送ACK，对用户终端而言，减少了ACK的回传时间，从而使得TCP窗口能够快速提升。由于S1接口的TCP层在GTP封装之内，则需先突破GTP层，才能对TCP加速，因此需采用GTP/TCP联合加速，对应的网络分层如图4所示。