宽带卫星网络多媒体大容量数据短时延传输方法_刘尚昆.pdf

146电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)BROADCASTING&TRANSMISSION广播与传输文献引用格式：刘尚昆.宽带卫星网络多媒体大容量数据短时延传输方法 J.电视技术，2022，46（12）：146-151.LIU S K.A short time delay transmission method for multimedia large capacity data in broadband satellite networkJ.Video Engineering，2022，46（12）：146-151.中图分类号：TN948.14 文献标识码：A DOI：10.16280/j.videoe.2022.12.035宽带卫星网络多媒体大容量数据短时延传输方法刘尚昆（中央广播电视总台，北京 100859）摘要：随着卫星通信技术的不断发展，利用卫星建立高带宽数据传输通路，目前已经成为通信领域的一项关键手段。对于传媒行业而言，资讯的高速传播是保证时效性的关键。因此，利用宽带卫星网络进行多媒体大容量数据传输，就成为当前传媒技术领域的一个关键点。在这一方向上，如何尽可能缩短时延，是目前行业内着重研究的问题。基于此，围绕宽带卫星网络展开探讨，特别从多媒体大容量数据短时延传输的角度，对相关技术及方法进行探讨。传统网络利用 TCP 协议进行传输，由于卫星网络情况复杂，传统 TCP 协议不能很好地支撑。为此，提出面向宽带卫星网络建立特殊的传输控制协议，显著降低卫星网络的端到端处理时延。通过上述方式共同实现时延的缩短，进而保障通信的高实时性。关键词：卫星网络；多媒体传输；低时延；单播路由A Short Time Delay Transmission Method for Multimedia Large Capacity Data in Broadband Satellite NetworkLIU Shangkun(China Media Group,Beijing 100859,China)Abstract:With the continuous development of satellite communications,it has become a key means to establish a high bandwidth data transmission channel by using satellites in the communications field.For the media industry,the high-speed transmission of information is the key to ensure timeliness.Therefore,the use of broadband satellite networks for multimedia mass data transmission has become a key point in the field of media technology.In this direction,how to shorten the delay as much as possible is the focus of research in the industry.Based on this,this paper discusses the broadband satellite network,especially the related technologies and methods from the perspective of short-time delay transmission of multimedia large capacity data.The traditional network uses TCP protocol for transmission.Because of the complexity of satellite network,the traditional TCP protocol can not be well supported.Therefore,a special transmission control protocol for broadband satellite networks is proposed to significantly reduce the end-to-end processing delay of satellite networks.Through the above methods,the delay can be shortened together to ensure high real-time communication.Keywords:satellite network;multimedia transmission;low time delay;unicast routing0 引 言随着社会的发展，人们对于网络和通信的要求已经不局限于有线和基于通信基站的无线通信。目前在光纤覆盖区域，高速、低延时的无线、有线通信网络已经能够充分满足各行各业对于数据传输的需求，特别针对媒体行业，大容量多媒体数据的传输在上述环境下已经得以满足。然而对于一些特殊行业而言，其工作场景往往较为复杂，在有线网络尚未覆盖或通信光缆暂未覆盖的区域，如高山、沙漠、草原、海洋等环境下，网络基础设施不可能完全覆盖。要想获得高质量的网络通信服务，只能借助卫星实现地空网络的交互。传统的卫星通信环境较复杂，卫星资源较紧张，因此，传输速率、传输时延都无法与有线网络相比拟。随着空间技术的发展，高速、低时延的宽带卫星网络成为可能。随着全球空间竞赛的展开，各国开始利用低轨、中轨、高轨卫星搭建覆盖全球的通信网络。对于很多场景而言，传统的光纤通信网络无法覆盖到，只有借助卫星网络完成通信。电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)147BROADCASTING&TRANSMISSION广播与传输对于传媒行业而言，利用网络进行大容量的多媒体数据传输是重要环节之一。高实时性的数据传输能够有效确保信息的及时传达，保障新闻资讯的时效性。因此，传媒行业是最先利用卫星通信方式进行多媒体数据传输的行业之一。以卫星电视和直播为例，利用卫星进行全球实时转播，已经成为很多重要赛事和活动的首选传播途径。然而，当前面对多媒体大容量数据，宽带卫星网络还有诸多限制，比如时延较高、带宽不足等问题。针对带宽不足问题，实质上只要部署足够的卫星资源即可应对。然而，对于时延问题，则需要从多方面予以解决1。目前主流的思想是面向通信协议进行时延优化。本文将围绕宽带卫星网络多媒体大容量数据短时延传输进行研究，对相应的技术和方法进行设计验证，进而获得更高的实时性。1 卫星网络及其通信流程卫星网络实质上是以卫星作为通信链路的中转和路由设备，使得地面设备之间、空间设备与地面设备、空间设备之间能够相互通信。图 1 展示了一套完整的 LEO 宽带卫星网络系统。图 1 卫星网络通信示意图如图 1 所示，空中多个卫星共同构建了类似地面蜂窝网络的星间链路，确保地面相应区域始终有卫星信号覆盖。当地面或空间需要进行网络通信时，用户侧终端设备利用手持终端将数据发送至卫星，由卫星对数据包进行接收、调解、交换、变频，并进一步选择适当的路由进行传递，进而将数据传递到目标地址。该过程可表述为图 2。由此可看到，当终端与用户端建立连接后，卫星网络用户之间的交互就可以单纯通过卫星网络进行，摆脱了对地面基础设施的依赖。当然，与传统网络进行交互，还是要通过信关站进行中转2。图 2 卫星网络通信关键流程2 IP 网络时延及其构成网络时延是指在通信网络中一个报文从发出方到达目的地所需要的时间。网络时延是任何类型网络都不可避免的一个现象，通常被用来评估网络质量。图 3 对网络传输的过程以及时延的分布进行了列举3。从网络时延的构成来看，网络时延可分为节点时延以及传输时延。节点时延是指在各个传输节点上所消耗的时间，可进一步分为处理时延、排队时延以及发送时延。当数据包流向某个节点后，该节点首先对数据包头部进行解析，并进一步校验数据包完整性、分配传148电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)BROADCASTING&TRANSMISSION广播与传输输路径，这些处理过程的耗时统一被称为处理时延。当数据包在节点上处理完成后，将进入链路传输队列，此时等待前序链路数据包传输完成的时间即为排队时延。而发送时延则是路由节点将数据包完整发出到链路上所消耗的时间，该时间可通过链路传输速率和数据包大小来计算4。传输时延是指数据包从一端路由设备到另一端路由设备的总耗时。该时延可通过两路由间的距离、介质传输速率来计算。由上述两类时延可看到，对于数据包较小的报文，其网络时延中处理时延占比较高；而对于数据包较大的报文，传输时延占比较高。在网络的传输距离和传输介质（传输方式）既定的情况下，传输时延只能靠路由算法分配更短的传输距离来缩减，而处理时延则需要对现有的节点处理逻辑进行优化。3 宽带卫星网络对 TCP 性能的影响分析TCP 协议是一种典型的互联网协议。在 TCP连接建立过程中，发送与接收端将进行三次握手，并通过握手数据包判断是否完成了建立，以及通道是否需要维持。这一过程中，TCP 设置了一系列的指标作为判断和逻辑依据。在常规的地面网络环境下，TCP 协议能够很好地支撑各类应用。与传统网络环境相比，卫星网络环境下的信道、传输模式往往更复杂，典型的影响如下。3.1 传输时延显著增加首先，拥塞窗口会表现出增长缓慢的问题。TCP 协议通常根据传输数据的大小对窗口容量进行动态调整。然而卫星通信环境下，数据往返存在较大延迟，这就使得窗口的调整更加缓慢。这一现象使得 TCP 连接过程始终处于慢启动状态，网络带宽无法高效利用。在多媒体大容量数据传输时，TCP整体的传输效率显著降低5。其次，丢失数据包检测的时间会显著拉长。TCP 协议会根据数据包的超时情况判断数据包是否丢失，并判断是否进行补发，以保证数据完整性。然而在地空通信中，往返时延（Round-Trip Time，RTT）值可能因卫星网络的高动态性表现出跳动较大的特性，这就使得 TCP 协议在测量 RTT 的时候无法获得客观精准的数值，进而做出不正确的重发，降低总体传输效率，提升总体时延。最后，存在接收窗口受阻情况。前文提到，卫星通信下，TCP 协议可能长时间处于慢启动状态，这就使得接收窗口大部分处于受阻状态。式 1 表述了往返时延与窗口大小的关系。maxmaxWTRTT=（1）式中：Tmax为传输速率，RTT为往返延时，Wmax为窗口大小。由式（1）可以看到，最大传输速率与RTT成反比，与Wmax成正比。对于 TCP 协议，单窗口传输上限为 64k，在RTT无法显著降低且窗口受阻的情况下，数据传输同样存在限制。3.2 数据存在更高的误码率任何网络通信都有一定的误码率。误码出现后，将会触发重发机制，进而增加时延。对于卫星通信而言，可能存在两种情形。其一是数据包损坏引发的误码。在传统地面传输过程中，通常较难出现因传输导致的数据包损坏，而地空通信中，这一问题出现的概率更高。当出现数据包损坏，TCP 协议无法分辨，会认为是拥塞导致的问题，因此会自动降低传输速率。这就显著提高了传输时延。其二，在确实由于拥塞导致的数据包丢失情形下，TCP 协议本身并无较好的处理方式，只能通过逐个确认并恢复的机制对数据包进行重发和补全，这会显著增加处理时延。图 3 网络传输过程示意图 电视技术 第 46 卷第 12 期(总第 565 期)149BROADCASTING&TRANSMISSION广播与传输3.3 收发速率不对称卫星链路的不对称是其天然特性之一。这是由于卫星设备转发资源昂贵且受限。这一现状会使得发送端往往不能及时获得反馈