谷聚娟，白鹤峰，李文屏，苏 曼，王晓婷，马广龙

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

0 引言

近年来，天基网络空间成为全球新一轮竞争热点，我国已经将天地一体化信息网络列为重大专项，天基网络对维护国家安全、抢占空天信息竞争制高点、促进经济发展具有重大意义[1]。近年来，我国已经成功发射了多颗不同轨道、不同用途的卫星，并积极开展新一代天基信息系统组网技术研究和探索，初步形成了“天基骨干网+天基接入网”的网络架构[2-3]。

新一代天基信息系统是以不同轨道、种类、特征的卫星、星座及相应地面基础设施所组成的信息网络，它们通过星间、星地链路连接在一起，可以为用户提供数据、话音、视频等多种类型业务。新一代天基信息系统具有大时空跨度、卫星资源受限、异构网络互联等特点，相比传统地面网络，其多业务传输保障机制面临着前所未有的挑战。

如何在异构无线网络中进行端到端服务质量保证，文献[4-9]进行了一定的研究，但是都没有针对天基网络特定的网络环境、分析卫星的特点以及结合具体的业务类型，因此其成果不能直接用于天基信息网络中。

天基信息系统中多业务的传输保障机制还不完善，为保证多种业务类型的传输，充分利用卫星网络带宽资源，必须结合天基信息系统的网络架构、业务类型以及异构网络互联特点设计适用于新一代天基信息系统的多业务传输保障机制。

1 新一代天基信息系统网络架构

我国新一代天基信息网络相关的研究和讨论已经持续了10多年，并安排了一系列课题进行研究，目前已经取得了一系列成果。在综合文献[10-15]相关研究工作的基础上，提出新一代天基信息系统网络架构,如图1所示。

图1 新一代天基信息系统网络架构Fig.1 Network architecture of the new generation space-based information system

新一代天基信息系统包括天基骨干网、天基接入网以及地基节点网三部分。高轨卫星节点具有拓扑结构稳定、单星覆盖区域广的优势，可以作为天基骨干网。天基接入网由高轨接入网、中低轨接入网等多种轨道节点构成，高轨道接入卫星在全球覆盖和传输能力方面具有优势，可以纳入高轨接入网；中低轨星座卫星具有数量多、全球覆盖及时延低等优势，满足陆、海、空、天多层次海量用户的接入需求。地基节点网主要包括卫星管控中心、各类关口站，通过地面关口站完成不同网系各类用户业务到地面互联网和移动通信网的地面转接与信息交换等功能，实现与其他地面系统的互联互通。

2 多域协同的QoS机制设计

2.1 业务QoS需求分析及策略

在新一代天基信息系统中，业务类型包括话音、视频、IP数据以及会议等多种类型，不同业务类型的QoS需求不尽相同，需要结合业务类型进行分析。

对于话音、视频电话以及会议等业务，实时性要求较高，可以作为保障业务，多域协同，提前为其分配保障链路[16]，提供高水平的服务质量保障。对于其他实时业务，为其划分较高优先级来保障其传输的可靠性和实时性。

而数传业务对链路传输时延要求较低，可以延时传输，因此可以作为非保障业务，尽力而为进行传输。

2.2 QoS机制总体架构

新一代天基信息系统中，不同业务类型的QoS需求不同，并且天基信息系统具有大时空跨度、卫星资源受限、异构网络互联等不同于地面网络的特点。现有QoS技术都不能很好地支持业务端到端QoS，综合服务模型实现过于复杂，区分服务模型只能提供相对的QoS保证，MPLS-TE对网络和设备的要求比较高，通常只用于地面核心网络[17]。

本文提出了多域协同的跨层按需服务质量保障技术，总体架构如图2所示。多域协同的跨层按需服务质量保障技术按照天基网络和地面网络的特点，在不同网络域针对不同业务采用不同的QoS机制，域间通过QoS参数协同，以保证各异构网络策略的一致性和收敛性；在不同的网络层次采用不同的QoS机制，实现在公共、开放、融合的网络环境中为业务提供端到端的QoS保障。

图2 QoS总体架构Fig.2 QoS overall architecture

2.3 跨层QoS机制

天基网络中的QoS架构采用保障类业务和非保障类业务相结合的方式，全面保障各类业务的QoS需求。对于话音、视频电话等有严格带宽需求的会话类业务，采用自定义的资源预留协议为业务预先分配信道资源，一旦资源预留成功则为其分配较高优先级，并在预留信道进行传输。系统首先对数据包进行分析，解析数据包是SIP信令还是普通数据包。对于保障类业务，触发资源预留过程，并与星上进行QoS参数协同，提供多域统一的服务质量保障。对于普通业务，则采用Diffserv的方式，区分业务优先级，进行QoS管理，优先保障高优先级业务。

跨层QoS需要在通信网络各个层面进行服务质量联动控制，在网络层通过IP 网络QoS 技术，为上层应用提供QoS 协商机制，对下需要与实际的无线信道资源分配相组合[4]。

下面分别从应用层、IP层和MAC层介绍各层的QoS功能。

(1) 应用层：向用户终端发送SIP信令建立或取消会话。对于实时业务(如VOIP)，用户终端之间基于SIP信令来建立、改变和终止多媒体会话，协商业务的传输信息，如媒体类型、使用的编码方式等。如果卫星终端能够为实时业务预留资源，则通知接入控制模块准许接入业务，应用层向用户终端转发确认建立SIP会话的信令；反之向用户终端发送取消SIP会话信令。

(2) IP层：采用Diffserv的方式，进行QoS管理，具有业务分类、标记、流量控制、策略以及排队调度等功能。通过MAC层的反馈机制对各个IP队列进行流量控制，减少各个MAC队列的大小，提高整个调度效率。

(3) MAC层：为满足IP层Diffserv的转发请求，需要结合无线资源管理技术，通过卫星资源管理中心预留无线资源来保障实时业务端到端的服务质量。对于卫星网络中的无线资源，实时业务使用预留的带宽资源；非实时业务，各优先级队列按照绝对优先调度规则共享非实时带宽资源。

(4) QoS跨层映射：IP层优先级到MAC层QoS优先级进行映射，基于MAC QoS优先级对数据包进行缓存,映射关系如图3所示。

图3 IP层和MAC层QoS优先级的映射关系Fig.3 Mapping relationship between IP layer and MAC layer

MAC QoS到无线资源的映射一方面根据业务需求生成不同类型的资源请求，另一方面利用系统分配的带宽资源对MAC层信元队列进行调度。经过调度的信元通过相应处理(信道编码、调制、突发成形等)发送至系统上行链路。

2.4 跨域QoS协同

在天地一体化融合网络环境下，为实现业务在跨网传输过程中能够得到一致的服务质量保证，需要分别结合天基网络和地面网络自身QoS参数指标体系，建立网络间QoS参数的映射关系，同时，天基网络和地面网络都需要从端到端的角度提供自己的QoS承载服务和端到端QoS参数在不同协议层之间的映射，以确保用户体验指标、业务质量指标及各网络资源参数指标在业务提供过程中的一致性。

目前比较成熟的 QoS 机制，通常采用静态映射方式，或根据业务某一项或者几项 QoS 参数寻找物理上最接近的性能进行匹配。对于实时性要求高的VIP数据和实时数据，在地面网络中也需要映射为较高优先级；对于非实时数据，映射为较低优先级；对于尽力而为的数据映射为最低优先级。通过简单的对应方式，将自身的业务类型映射为 IP QoS 标准，以便在 IP 骨干网上顺利传输。

3 基于原型系统的测试及分析

原型系统测试环境如图4所示，该环境由2颗卫星、2个关口站和2个卫星机动站组成。卫星载荷包含星载交换和星载CPU，可以对数据进行优先级分类和调度，卫星间配置星间链进行连通，A星和B星下各有1个关口站和1个机动站，组成全连通的卫星网状网络。B星关口站包括SIP服务器、SDN控制器、网管中心、卫星通信终端、业务终端及IP话机等；A星关口站和卫星机动站包括卫星通信终端、业务终端及IP话机等。由B星关口站连接路由器接入地面网，实现异构网络互联。

图4 原型系统测试框图Fig.4 Prototype system test block diagram

按照测试框图，连接各个设备，对多业务传输保障机制进行测试，步骤如下：

① 给所有设备加电，配置或检查各设备IP地址是否正确，等待各终端入网成功，路由表收敛；

② 配置网络测试仪在端口1到端口4进行RFC2544测试，记录测试结果；

③ 根据测试结果给网络持续注入背景流量，同时拨打IP电话，观察电话互通情况及背景流量丢包情况。

测试结果如表1所示。

表1 多业务传输保障功能测试结果Tab.1 Multi-service transmission guarantee function test results

由测试结果可以看出，系统在背景流量达到吞吐量时，仍能够保障电话信令和电话媒体流的正常传输，电话通话正常。

4 结束语

我国已经将天地一体化信息网络列为重大专项，天基信息系统受到越来越多的关注，支持多种业务传输保障成为卫星网络发展的必然趋势，因此研究新一代天基信息系统多业务传输保障机制具有重大意义。本文提出的多域协同的按需服务质量保障技术，将业务划分为保障类业务和非保障类业务，在不同的网络域为不同业务采用不同的QoS机制，域间通过QoS参数协同，保证各异构网络策略的一致性和收敛性，可以满足新一代天基信息系统中不同业务对服务质量的要求，提高无线链路资源使用效率。