基于冗余鏈路的車載衛星寬帶數據傳輸系統的研究

于德志　賈正鋒

摘要：針對采用衛星寬帶作為車載等移動網絡的數據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網絡與衛星寬帶相結合的方式來增強衛星寬帶數據傳輸能力的方法。該方法針對衛星寬帶信號較差的情況下，采用同時通過多個移動4G網絡和衛星寬帶同步傳輸的方式發送數據，在數據接收端對數據進行去重，將數據傳輸至目標網絡中。經過實驗結果表明，該方法可顯著提高衛星寬帶的數據傳輸可靠性和降低衛星寬帶的使用成本開銷。

關鍵詞：衛星寬帶；移動4G網絡；冗余傳輸

中圖分類號：TP393.1

文獻標志碼：A

文章編號：1009-3044（2017）10-0033-03

在基于車載、船載等環境下的數據通信系統中，由于其移動性要求，在網絡接入方面多數采用了衛星寬帶網絡。衛星寬帶網絡由于其覆蓋區域的廣泛性，可為移動網絡環境提供便捷的遠距離數據傳輸。

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

隨著國內4G/LTE網絡覆蓋范圍的逐步完善，使得采用移動4G/LTE網絡進行移動數據傳輸成為了可能。與衛星寬帶相比較，移動4G網絡的資費和鏈路的通信效率都具有較明顯的優勢。對于非涉密類的通信而言，采用移動4G網絡進行數據傳輸已經成為一種趨勢。

1.系統構成

1.1原有網絡結構

對于車載通信網絡，其原有的網絡結構如下圖所示：

在圖1中，車載通信設備接入到車載通信子網交換機，車載衛星接收站的調制解調器接人到車載通信子網交換機。車載通信設備通過車載衛星接收站將通信數據通過衛星鏈路發送到地面衛星接收站，進入到對端子網交換機中，進而有對端通信設備對通信數據進行處理。通信衛星作為物理層通信設備，連通了車載通信子網和地面站后的對端通信子網，從網絡地址的劃分上，是屬于同一個局域網。

在上述網絡結構中，兩個部分的子網連通性完全依賴于衛星鏈路。如前所述在衛星信號質量較差的情況下，兩個部分的子網通信就無法開展。另外，由于衛星鏈路的高延遲的特點，在基于衛星鏈路的通信結構中，傳輸實時性要求較高的數據就變得不太可能。

1.2改進后的網絡結構

為了復用目前較為成熟的移動4G通信網絡，本文提出了如下的一種改進后的車載通信結構，參見圖2。

在改進后的網絡結構圖中，增加了如下兩個設備：接入主機和匯接主機。接入主機通過接人車載通信子網交換機，同時有多個網絡接口可連接衛星寬帶接收器、多個移動4G/LTE路由器；匯接主機通過網卡0接人到車載通信子網對端交換機，網卡1和網卡2分別接入到衛星寬帶接收站和互聯網寬帶路由器中。

在接入主機上，包括如下功能單元：信號質量采集單元、數據包發送單元、數據包接收單元、策略路由單元。

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

數據包發送單元通過讀取網卡0獲取到的交換機中的數據，并將需要發送的數據包通過Linux內核的模塊進行排隊處理，并添加數據包包頭，根據信號質量單元的探測結果選擇最優的鏈路進行數據發送，如果發送數據的鏈路超過1個，需要對數據包復制后再發送；

策略路由模塊，是依據發送數據包時所使用的通信目標地址和源地址，選擇合適的路由；

數據包接收模塊，是對接收到的數據包進行去重處理，并依據數據包頭對收到的數據包進行去重和排隊處理，并將接收到的數據包通過網卡0發送到本地交換機中。

在匯接主機中，包括如下功能單元：數據包接收模塊，數據包發送模塊，策略路由模塊。其功能與接收主機的功能模塊類似。

2.系統的實現

2.1數據包發送單元的實現

數據包發送單元包括數據包的抓取、數據包過濾、數據包復制、數據包發送四個部分組成。

本文設計并實現了一個基于Linux內核的模塊mirror。該模塊將網卡0的數據抓取到后，復制到用戶空間的mirroro設備上，并提供了該設備上的緩沖區，將讀取到的數據按照數據接收的先后順序寫入到該緩沖區中；同時提供了基于poll的接口，以供應用程序來讀取該設備緩沖區上的數據。

數據的接收，為了能夠接收到網卡0上的所有數據，這里需要將網卡設置為混雜模式（Promiscuous）。為保證接收到的數據包可以進入到mirror的處理函數中，需要向Linux內核注冊一個struct packet_type數據包的處理鉤子，定義需要獲取的數據包類型來獲取對應的數據幀，如果需要獲取所有數據幀，傳人給該結構體的type取值為ETH_P_ALL。

對于上述接收到的數據包，在Mirror模塊中緩存到該模塊的緩沖區中，該緩沖區按照環形隊列的方式進行組織。同時該模塊中提供poll函數的支持，根據環形隊列中數據的多少，返回給應用程序poll的結果。如果存在數據，則返回POLLIN，否則返回0。

數據包的復制，是通過用戶層的應用程序來負責完成的。該應用層程序獲取到目前可用的通信鏈路，對讀取到的數據添加數據幀頭。數據幀頭的構成包括發送數據的時間戳、數據幀的順序號。應用程序對添加完數據幀頭的數據幀進行復制，并通過socket通信的方式發送到衛星地面站接收端和互聯網寬帶公網地址處的通信端口處。

數據包的過濾，本地子網之間的通訊數據沒有必要經過衛星鏈路或者移動4G通信鏈路發送到對端。這里可通過基于源MAC地址學習的方式來逐步建立本地設備與MAC地址的對應關系，具體描述為：從接收到數據幀，分析其發送MAC地址，將該MAC地址記錄至本地mac列表；如果該mac地址已經存在，則更新其?；顣r間；接收到的數據幀，如果其目標MAC地址在本地MAC地址列表中，則該數據無需進入處理流程。

2.2數據包接收單元的實現

在接入主機或者匯接主機的數據包接收單元，是通過用戶空間的應用程序來完成的。該應用程序默認情況下監聽Sock-et通信端口，接收來自對端的數據發送，接收數據。

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

經過上述預處理后的數據幀就是要發送給本地交換機上的數據，應用程序通過向mirror設備發起寫操作，進而通過內核的數據發送操作將數據通過網卡0發送至本地交換機上。

2.3信號質量采集單元的實現

信號質量采集單元是一個應用程序，分別通過RS232串口，網卡2和網卡3訪問車載衛星接收站、移動4G/LTE路由器l和移動4G/LTE路由器2的信號質量，按照預設時間間隔的方式獲取對應設備的信號質量，以確定發送數據的鏈路可用性。

上述探測的信號質量結果可以作為數據包發送單元中的數據包復制的參考依據。

3.系統的測試

3.1測試環境

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星工作站，該衛星接收器通過與位于北京的衛星地面站接入到通信目標網絡中。測試中通過對軌道車上的車載攝像頭的業務數據傳輸來對方案進行對比分析。

3.2可靠性測試對比

通過對攝像頭的網絡地址進行ping，測試持續時間為30分鐘，其測試結果見表1。

在實驗測試的環境中，由于要穿越橋梁、樹林、城市內的高樓等建筑物環境，因此對于原來采用衛星寬帶的方案中，其丟包數量較為明顯。由于測試是在市區和郊區，移動4G/LTE網絡覆蓋較為完善，對ping結果沒有明顯影響。

3.3視頻監控業務的測試對比

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

從圖3的結果來看，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，視頻流的圖片已經出現明顯的馬賽克情況。而采用了冗余時，由于移動4G網絡的補充，可顯著降低由于衛星寬帶不可用時導致的幀丟失情況。

4.結束語

本文通過將移動4G/LTE網絡應用于車載衛星寬帶中，可在原有衛星寬帶使用受限的條件下，較大程度上提升車載設備的通信的可靠性，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網絡，在發送數據時，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的研究和實現中對這部分進行優化，保證有兩份可靠的數據傳輸即可。