于德志　賈正鋒

摘要：針對采用衛(wèi)星寬帶作為車載等移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接入場景中存在的由于建筑物覆蓋、惡劣天氣影響下的“對星不準(zhǔn)確”，傳輸效率較差的問題，該文提出了一種基于冗余移動4G網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星寬帶相結(jié)合的方式來增強衛(wèi)星寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力的方法。該方法針對衛(wèi)星寬帶信號較差的情況下，采用同時通過多個移動4G網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星寬帶同步傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)接收端對數(shù)據(jù)進行去重，將數(shù)據(jù)傳輸至目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中。經(jīng)過實驗結(jié)果表明，該方法可顯著提高衛(wèi)星寬帶的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和降低衛(wèi)星寬帶的使用成本開銷。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星寬帶；移動4G網(wǎng)絡(luò)；冗余傳輸

中圖分類號：TP393.1

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-3044（2017）10-0033-03

在基于車載、船載等環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，由于其移動性要求，在網(wǎng)絡(luò)接入方面多數(shù)采用了衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)由于其覆蓋區(qū)域的廣泛性，可為移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供便捷的遠距離數(shù)據(jù)傳輸。

但采用衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)作為接入網(wǎng)絡(luò)存在著很多不足。例如衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)在建筑物、山巒、樹林等遮擋情況下，會出現(xiàn)“對星不成功”或者鏈路傳輸質(zhì)量較差的情況；在惡劣天氣情況下，如下雪、霧天、陰天等對衛(wèi)星信號質(zhì)量影響較為明顯的情況下，衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和可靠性會難以得到保障。目前使用衛(wèi)星鏈路作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景，多是以應(yīng)急指揮、緊急救援等為主，對通信鏈路的可靠性和通信質(zhì)量都有著較高的要求。

隨著國內(nèi)4G/LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的逐步完善，使得采用移動4G/LTE網(wǎng)絡(luò)進行移動數(shù)據(jù)傳輸成為了可能。與衛(wèi)星寬帶相比較，移動4G網(wǎng)絡(luò)的資費和鏈路的通信效率都具有較明顯的優(yōu)勢。對于非涉密類的通信而言，采用移動4G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)成為一種趨勢。

1.系統(tǒng)構(gòu)成

1.1原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對于車載通信網(wǎng)絡(luò)，其原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

在圖1中，車載通信設(shè)備接入到車載通信子網(wǎng)交換機，車載衛(wèi)星接收站的調(diào)制解調(diào)器接人到車載通信子網(wǎng)交換機。車載通信設(shè)備通過車載衛(wèi)星接收站將通信數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星鏈路發(fā)送到地面衛(wèi)星接收站，進入到對端子網(wǎng)交換機中，進而有對端通信設(shè)備對通信數(shù)據(jù)進行處理。通信衛(wèi)星作為物理層通信設(shè)備，連通了車載通信子網(wǎng)和地面站后的對端通信子網(wǎng)，從網(wǎng)絡(luò)地址的劃分上，是屬于同一個局域網(wǎng)。

在上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，兩個部分的子網(wǎng)連通性完全依賴于衛(wèi)星鏈路。如前所述在衛(wèi)星信號質(zhì)量較差的情況下，兩個部分的子網(wǎng)通信就無法開展。另外，由于衛(wèi)星鏈路的高延遲的特點，在基于衛(wèi)星鏈路的通信結(jié)構(gòu)中，傳輸實時性要求較高的數(shù)據(jù)就變得不太可能。

1.2改進后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了復(fù)用目前較為成熟的移動4G通信網(wǎng)絡(luò)，本文提出了如下的一種改進后的車載通信結(jié)構(gòu)，參見圖2。

在改進后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中，增加了如下兩個設(shè)備：接入主機和匯接主機。接入主機通過接人車載通信子網(wǎng)交換機，同時有多個網(wǎng)絡(luò)接口可連接衛(wèi)星寬帶接收器、多個移動4G/LTE路由器；匯接主機通過網(wǎng)卡0接人到車載通信子網(wǎng)對端交換機，網(wǎng)卡1和網(wǎng)卡2分別接入到衛(wèi)星寬帶接收站和互聯(lián)網(wǎng)寬帶路由器中。

在接入主機上，包括如下功能單元：信號質(zhì)量采集單元、數(shù)據(jù)包發(fā)送單元、數(shù)據(jù)包接收單元、策略路由單元。

其中信號質(zhì)量采集單元通過RS232接口與衛(wèi)星寬帶接收器連接，以實時接收衛(wèi)星寬帶接收器對衛(wèi)星信號的上報，通過網(wǎng)卡2和網(wǎng)卡3與移動4G/LTE路由器連接，獲取移動信號質(zhì)量反饋；

數(shù)據(jù)包發(fā)送單元通過讀取網(wǎng)卡0獲取到的交換機中的數(shù)據(jù)，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過Linux內(nèi)核的模塊進行排隊處理，并添加數(shù)據(jù)包包頭，根據(jù)信號質(zhì)量單元的探測結(jié)果選擇最優(yōu)的鏈路進行數(shù)據(jù)發(fā)送，如果發(fā)送數(shù)據(jù)的鏈路超過1個，需要對數(shù)據(jù)包復(fù)制后再發(fā)送；

策略路由模塊，是依據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包時所使用的通信目標(biāo)地址和源地址，選擇合適的路由；

數(shù)據(jù)包接收模塊，是對接收到的數(shù)據(jù)包進行去重處理，并依據(jù)數(shù)據(jù)包頭對收到的數(shù)據(jù)包進行去重和排隊處理，并將接收到的數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)卡0發(fā)送到本地交換機中。

在匯接主機中，包括如下功能單元：數(shù)據(jù)包接收模塊，數(shù)據(jù)包發(fā)送模塊，策略路由模塊。其功能與接收主機的功能模塊類似。

2.系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1數(shù)據(jù)包發(fā)送單元的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)包發(fā)送單元包括數(shù)據(jù)包的抓取、數(shù)據(jù)包過濾、數(shù)據(jù)包復(fù)制、數(shù)據(jù)包發(fā)送四個部分組成。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于Linux內(nèi)核的模塊mirror。該模塊將網(wǎng)卡0的數(shù)據(jù)抓取到后，復(fù)制到用戶空間的mirroro設(shè)備上，并提供了該設(shè)備上的緩沖區(qū)，將讀取到的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)接收的先后順序?qū)懭氲皆摼彌_區(qū)中；同時提供了基于poll的接口，以供應(yīng)用程序來讀取該設(shè)備緩沖區(qū)上的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的接收，為了能夠接收到網(wǎng)卡0上的所有數(shù)據(jù)，這里需要將網(wǎng)卡設(shè)置為混雜模式（Promiscuous）。為保證接收到的數(shù)據(jù)包可以進入到mirror的處理函數(shù)中，需要向Linux內(nèi)核注冊一個struct packet_type數(shù)據(jù)包的處理鉤子，定義需要獲取的數(shù)據(jù)包類型來獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，如果需要獲取所有數(shù)據(jù)幀，傳人給該結(jié)構(gòu)體的type取值為ETH_P_ALL。

對于上述接收到的數(shù)據(jù)包，在Mirror模塊中緩存到該模塊的緩沖區(qū)中，該緩沖區(qū)按照環(huán)形隊列的方式進行組織。同時該模塊中提供poll函數(shù)的支持，根據(jù)環(huán)形隊列中數(shù)據(jù)的多少，返回給應(yīng)用程序poll的結(jié)果。如果存在數(shù)據(jù)，則返回POLLIN，否則返回0。

數(shù)據(jù)包的復(fù)制，是通過用戶層的應(yīng)用程序來負(fù)責(zé)完成的。該應(yīng)用層程序獲取到目前可用的通信鏈路，對讀取到的數(shù)據(jù)添加數(shù)據(jù)幀頭。數(shù)據(jù)幀頭的構(gòu)成包括發(fā)送數(shù)據(jù)的時間戳、數(shù)據(jù)幀的順序號。應(yīng)用程序?qū)μ砑油陻?shù)據(jù)幀頭的數(shù)據(jù)幀進行復(fù)制，并通過socket通信的方式發(fā)送到衛(wèi)星地面站接收端和互聯(lián)網(wǎng)寬帶公網(wǎng)地址處的通信端口處。

數(shù)據(jù)包的過濾，本地子網(wǎng)之間的通訊數(shù)據(jù)沒有必要經(jīng)過衛(wèi)星鏈路或者移動4G通信鏈路發(fā)送到對端。這里可通過基于源MAC地址學(xué)習(xí)的方式來逐步建立本地設(shè)備與MAC地址的對應(yīng)關(guān)系，具體描述為：從接收到數(shù)據(jù)幀，分析其發(fā)送MAC地址，將該MAC地址記錄至本地mac列表；如果該mac地址已經(jīng)存在，則更新其保活時間；接收到的數(shù)據(jù)幀，如果其目標(biāo)MAC地址在本地MAC地址列表中，則該數(shù)據(jù)無需進入處理流程。

2.2數(shù)據(jù)包接收單元的實現(xiàn)

在接入主機或者匯接主機的數(shù)據(jù)包接收單元，是通過用戶空間的應(yīng)用程序來完成的。該應(yīng)用程序默認(rèn)情況下監(jiān)聽Sock-et通信端口，接收來自對端的數(shù)據(jù)發(fā)送，接收數(shù)據(jù)。

對于接收到的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)幀的格式進行解析，首先解析出數(shù)據(jù)幀的幀頭部分。并將數(shù)據(jù)幀頭部分按照數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時間以及發(fā)送的數(shù)據(jù)幀序號排序處理，同時對于重復(fù)的數(shù)據(jù)幀進行丟棄處理。

經(jīng)過上述預(yù)處理后的數(shù)據(jù)幀就是要發(fā)送給本地交換機上的數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序通過向mirror設(shè)備發(fā)起寫操作，進而通過內(nèi)核的數(shù)據(jù)發(fā)送操作將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡0發(fā)送至本地交換機上。

2.3信號質(zhì)量采集單元的實現(xiàn)

信號質(zhì)量采集單元是一個應(yīng)用程序，分別通過RS232串口，網(wǎng)卡2和網(wǎng)卡3訪問車載衛(wèi)星接收站、移動4G/LTE路由器l和移動4G/LTE路由器2的信號質(zhì)量，按照預(yù)設(shè)時間間隔的方式獲取對應(yīng)設(shè)備的信號質(zhì)量，以確定發(fā)送數(shù)據(jù)的鏈路可用性。

上述探測的信號質(zhì)量結(jié)果可以作為數(shù)據(jù)包發(fā)送單元中的數(shù)據(jù)包復(fù)制的參考依據(jù)。

3.系統(tǒng)的測試

3.1測試環(huán)境

為了驗證本文中提出的改進方案，本文的測試采用的是安裝在軌道車上的車載衛(wèi)星工作站，該衛(wèi)星接收器通過與位于北京的衛(wèi)星地面站接入到通信目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中。測試中通過對軌道車上的車載攝像頭的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸來對方案進行對比分析。

3.2可靠性測試對比

通過對攝像頭的網(wǎng)絡(luò)地址進行ping，測試持續(xù)時間為30分鐘，其測試結(jié)果見表1。

在實驗測試的環(huán)境中，由于要穿越橋梁、樹林、城市內(nèi)的高樓等建筑物環(huán)境，因此對于原來采用衛(wèi)星寬帶的方案中，其丟包數(shù)量較為明顯。由于測試是在市區(qū)和郊區(qū)，移動4G/LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋較為完善，對ping結(jié)果沒有明顯影響。

3.3視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的測試對比

通過對軌道車上的車載攝像頭進行遠程視頻預(yù)覽，分析兩個方案中的視頻流的幀丟失數(shù)量，其對比結(jié)果如圖3所示。

從圖3的結(jié)果來看，隨著視頻流的碼率上限逐漸增加，原方案中的幀丟失比率出現(xiàn)較明顯的增加，特別是超過10%以上的幀丟失時，視頻流的圖片已經(jīng)出現(xiàn)明顯的馬賽克情況。而采用了冗余時，由于移動4G網(wǎng)絡(luò)的補充，可顯著降低由于衛(wèi)星寬帶不可用時導(dǎo)致的幀丟失情況。

4.結(jié)束語

本文通過將移動4G/LTE網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于車載衛(wèi)星寬帶中，可在原有衛(wèi)星寬帶使用受限的條件下，較大程度上提升車載設(shè)備的通信的可靠性，并可明顯降低通信的延遲。

在本文提及到的方案中，由于采用了多路移動4G/LTE網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，選擇了所有可用的通信鏈路，這在一定程度上存在著資源過度浪費的情況?？稍诤罄m(xù)的研究和實現(xiàn)中對這部分進行優(yōu)化，保證有兩份可靠的數(shù)據(jù)傳輸即可。