机载移动通信卫星中继链路的高效传输方法❋

叶航，宋茂忠

机载移动通信卫星中继链路的高效传输方法❋

叶航，宋茂忠

（南京航空航天大学信息科学与技术学院，南京210016）

为了提高机载移动通信卫星中继链路的数据传输效率，给出了一种高效传输方法，先通过转换话音编码方式对语音进行压缩，再把话音数据作为有效负载封装成IP数据包，采用RTP复用和IP／UDP／RTP报头压缩等技术来提高话音数据的传输效率。最后通过仿真说明了这种高效传输方法能提升给机载移动通信的性能。

机载移动通信；中继链路；语音压缩；RTP复用；报头压缩

1 引言

随着电磁兼容技术的发展，机载移动通信已经成为一种可能，国外的一些航空公司已经提供了在飞机上打电话的相关业务，国内的航空公司也进行了相关的测试。机载移动通信的特殊性在于通信过程要借助于卫星中继链路，然而卫星中继链路的资源十分有限，中继链路的数据传输速率是受到限制的。因此，在保证系统通信性能不受影响的前提下，如何提高有效数据的传输效率显得尤为重要。

在通信过程中，移动用户的话音数据作为有效负载，根据相关协议在用户终端通过添加RTP（Realtime Transport Protocol）报头、UDP报头和IP报头封装成IP数据包的形式，再封装成帧送往卫星中继数据链路。然而，在用来传输实时多媒体流的IP／UDP／RTP协议中，仅报头就引入了40 byte的额外开销，其中包括20 byte的IP报头、8 byte的UDP报头和12 byte的RTP报头，当话音编码采用GSM FR方式时，话音数据只有33 byte，这样的报头开销太大了，大大降低了系统的传输效率。因此，本文针对这一问题，在机载通信系统中引入了RTP复用和IP／UDP／RTP报头压缩等技术，提出了报头压缩的一些策略并详细说明了报头压缩的原理，从而提高话音数据在卫星中继链路上的传输效率。

2 机载移动通信原理

在机载移动通信中，除了利用卫星中继数据链路，还应充分考虑到机载移动通信特殊性。本文介绍了一种基于卫星中继链路的机载移动通信系统［1］，系统基本框图如图1所示。该机载移动通信系统主要针对GSM系统，终端Terminal Side为机载设备，网络端Network Side为地面网络设备。

机载移动用户进行呼叫，若有空闲信道则呼叫链路成功建立。通过机载移动基站BTS连接到终端GSM服务器TSGS，同时要防止基站接入地面通信网络。在终端GSM服务器中先将话音编码方式GSM FR转换为AMR方式，再添加RTP报头、UDP报头、IP报头，打包成IP数据包，再送至调制器经由卫星数据中继链路传输至地面。地面接收后传输至网络端GSM服务器NSGS，将收到的数据包去除IP报头、UDP报头、RTP报头，通过地面的基站控制器BSC将语音编码恢复至GSM FR编码方式，同时BSC还要处理机载BTS和地面移动交换中心MSC之间的信令传输。最后，BSC通过移动交换中心MSC连接至地面的核心网络。

在通信过程中，卫星中继链路、机载设备以及地面网络设备提供了类似于GSM通信系统中基站子系统的BSC和BTS之间Abis接口的功能，只是其中的传输链路具体实现不同。Abis接口采用标准的64 kbit／s PCM数字传输链路来实现，而在机载移动通信系统中，先把话音数据打包成IP数据包再封装成帧，利用卫星中继数据链路来实现。

3 卫星中继高效传输方法

GSM系统中的话音编码每帧时长为20 ms，GSM FR话音编码方式采用RPE-LTP编码器，此编码器每20 ms取样一次，输出260 bit（约为33 byte），添加的RTP报头为12 byte，UDP报头为8 byte，IP报头为20 byte，如图2所示，这样每路话音传输速率为29.2 kbit／s（计算过程为（20＋8＋12＋33）×8／20）。在每一帧中语音数据为33 byte，而IP／UDP／RTP报头开销占用了40 byte，对于33 byte的有效负荷来说这样的包头开销太大了。因此，为了提高传输速率受限的卫星中继数据链路的传输效率，进行IP／UDP／RTP报头压缩是十分必要的。数据包压缩的整个过程如图2所示。

3.1 话音压缩

为了提高传输效率，通过TSGS中的语音转换模块，我们把话音从GSM FR编码方式转换为自适应多速率AMR语音编码方式。AMR编码方式采用变速率声码器算法ACELP，可提供从4.75～12.2 kbit／s共8种不同话音速率，可以根据信道的质量情况随时调整不同的速率，以达到最佳的传输效果。为了提高话音的传输效率，文中只采用AMR语音编码速率较低的两种速率，即4.75 kbit／s和5.15 kbit／s，将IP数据包中话音数据压缩至14 byte。这样每路话音传输速率降为21.6 kbit／s。

3.2 RTP报头压缩

根据RFC2508协议中提出的CRTP报头压缩方案［2］，我们可以把12 byte的RTP报头压缩至2 byte，那么每路话音的传输速率为17.6 kbit／s。RTP报头之所以能够被压缩，主要是以下几方面的原因：第一，报头中的V、P、X、CC、PT、SSRC字段一般不作变化，不需要每次传送，而且对于AMR语音来说不存在CSRC字段；第二，报头中变化的仅仅是序列号（Sequence Number）和时间戳（Timestamp），但它们都是按一定规律变化的。这样，只需要在接收方保存一个完整的RTP报头结构信息，以及序列号和时间戳送往增量信息，那么每次只需传送少量的字节就可以重构完整的报头。

基于以上RTP报头压缩原理给出了一种RTP报头压缩的实现算法，首先定义了3种RTP包格式：非压缩的完整的报头格式、压缩的报头格式和错误包提示。发送方开始先发送完整的RTP包，接收方收到完整数据包后，保存完整的RTP头信息，还需保存一个RTP时间戳变化步长和RTP序号变化步长。然后发送方再发送压缩的RTP包，并检测RTP时间戳变化步长和RTP序号变化步长是否变化，若发生变化则将变化的信息添加在RTP压缩报头后传送。接收方根据接收到的压缩包和保存的信息重构原始的RTP报头，并刷新保存的信息，发送方和接收方RTP压缩模块算法流程图如图3所示。

3.3 RTP流复用

RTP复用技术［3］就是通过把来自多个语音通道的语音载荷组合进一个大包。在发送侧，软交换媒体网关系统取出从多个媒体流通道送来并要发往同一个目的地的载荷，把它们组合成一个大的复合包。由于每个包承载着好几个独立会话的复合载荷，应用只需要发送数量较少的复用包，这样不仅提高了带宽的利用率，还减少了路由的工作量。我们把4个RTP流复用到一个UDP数据包中，即将4个独立语音通道的语音载荷封装在一个复合数据包中。这样每路话音的平均传输速率就降到了9.2 kbit／s（计算过程为（（14＋2）×4＋20＋8）×8／（20×4））。

我们之所以采用只有4个RTP流复用到一个UDP数据包中，而不是将更多的RTP流进行复用，主要是考虑到传输效率和传输时延的影响。假如我们将5个RTP流进行复用，那么每路话音的平均传输速率为8.64 kbit／s，速率降低并不明显，而且将更多的RTP流进行复用会增大复用包长度，从而增加数据包的传输时延和系统的处理时间，这对实时传输的RTP流来说是十分不利的。因此，基于传输效率和时延的综合考虑，我们只将4个RTP流复用到一个UDP数据包。

3.4 IP／UDP／RTP报头压缩

最后利用UDP／IP数据包的首部压缩特性［4，5］，将IP报头和UDP报头由28 byte压缩至4 byte。UDP／IP数据包的报头之所以能被压缩，主要是因为报头的各个字段都存在冗余。第一类是保持不变的部分，如IP头中源地址和目的地址、版本号、UDP头中源端口号和目的端口号等；第二类是通过其它方法可以推算出来的部分，如IP校验和、数据包长度；第三类是两相邻的数据包的某些字段是按增量变化的，并且变化量很小的部分，如IP头的标识等。由于UDP／IP协议组合没有确认机制，因此UDP／IP报头压缩流程只涉及全头数据包和非TCP压缩数据包两种类型。全头数据包主要用来初始化或更新解压缩端的上下文，维护上下文的一致性，确保数据包正确压缩和解压缩。在进行初始同步后，后续的数据处理只需要传递变化字段的压缩信息。压缩的非TCP数据包采用UDP协议传输，其中动态变化字段采用原值传递而不进行增量压缩。此外，由于没有上层协议保证数据传输的正确性，压缩端将无法知道数据包的解压缩情况，为了保证最小的解压缩失败率，压缩端通过周期性地发送全头数据包来刷新解压缩端的上下文。因此，在采用话音压缩、RTP流复用和IP／UDP／RTP报头压缩后，每路话音的平均传输速率为6.8 kbit／s。

4 优化前后性能分析

采用优化措施后，平均每路话音传输速率由原来的29.2 kbit／s减小至6.8 kbit／s，大大降低了每路话音所需的传输速率，明显提高了话音数据的传输效率。

4.1 媒体流实时传输指标比较

在最原始的数据包中，如图2所示，报头开销占了40 byte，有效负荷为33 byte，仅占45.2%，而采用话音编码转换、IP／UDP／RTP报头压缩和RTP复用技术后，即经过优化后数据包的有效负荷为56 byte，占了82.3%的比例。这主要是由于采用优化方案后大大减小了数据包的报头开销，从而提高了话音数据的传输效率。再者，采用报头首部压缩技术后，传输每路话音的平均数据包大小由73 byte减小至17 byte，压缩数据包相对于完整数据包减少了56 byte。假定卫星中继链路传输速率为400 kbit／s下，带来的传输时延收益为56×8／400＝1.12 ms。当然在系统中增加了报头压缩模块后，会带来相应的压缩解压的处理时延，但这种处理时延通常为几百微秒，相对于传输时延收益是可以忽略的［6］。

卫星链路的误比特率一般为10－6数量级，则一个73 byte的数据包在卫星链路上丢失或损坏的概率为0.58‰，而经过优化后传输每路话音的平均数据包大小为17 byte，丢失或损坏的概率为0.14‰，压缩前后的一些性能比较如表1所示。

4.2 通信系统的性能分析

在进行系统性能仿真时，我们选择INMARSAT系统提供的SwiftBroadband服务作为卫星中继数据链路，单信道SwiftBroadband能提供的最高传输速率为432 kbit／s左右。若采用GSM FR编码，每路话音的传输速率需要29.2 kbit／s，则系统最多只能允许14个移动用户同时在飞机上进行移动通信；当采用语音压缩即采用AMR话音编码后，系统最多能提供20个用户同时进行通信；当采用报头压缩等一系列优化措施后，系统能允许60多个移动用户同时进行通信。再利用爱尔兰B公式来分析系统的通信性能，分别设定可使用的中继信道数C（即允许同时进行通话的用户数）为14、20、60，分析话务量和呼损率之间的关系，在Matlab仿真环境下得到的结果如图4所示。

由图4可以看出，随着中继信道数C的增大对系统的通信性能有明显的提高，即在相同话务量情况下，通信系统能提供同时进行通话的用户数越多，语音通信系统的阻塞率就越低。另一方面，在一定的呼损率情况下，如图中所示（呼损率在0.011左右），当允许同时进行通话的用户数增加到60时，系统能承载的话务量由优化前的10 Erl左右大幅增加到47 Erl左右。因此，在传输速率有限的卫星中继链路中，这种高效的传输方法把话音速率由原来的29.2 kbit／s降至6.8 kbit／s，提高了卫星中继链路带宽的利用率，而且大大提高了系统同时进行通话的用户数，明显提高了系统能承载的话务量和系统的通信性能。

5 总结

本文将主要应用在地面无线IP网络中的实时流报头压缩技术如RTP复用和IP／UDP／RTP报头压缩应用到了机载移动通信系统中，给出了一种卫星中继链路的高效传输方法，使话音数据传输效率得到大幅提升，并通过性能指标比较和实验仿真证实了这种高效传输方法不仅提高了卫星中继链路带宽的利用率，而且明显提高了机载移动通信系统的通信性能。

［1］Kota S L.Satellite Multimedia Networks Issues and Challenges［C］／／Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineering.Boston，MA，USA：IEEE，1998：600－618.

［2］RFC2508，Compression IP／UDP／RTP Headers for Low-SpeedLinks［S］.

［3］RFC1889，RTP：A transport protocol for real-Time applications［S］.

［4］Àngels Via，Eriza Hafid Fazli.IP Overhead Comparison in a Test-bed for Air Traffic Management Services［C］／／Proceedings ofIEEE69thVehicularTechnologyConference. Barcelona，Spain：IEEE，2009：1－5.

［5］吴亦川，郑健平，黄奎，等.无线IP网络中一种针对实时流的报头压缩算法［J］.软件学报，2005，16（6）：1159－1167.

WU Yi-chuan，ZHENG Jian-ping，HANG Kui，et al.A Header Compression Algorithm for Real-Time Stream in Wireless IP Networks［J］.Journal of Software，2005，16（6）：1159－1167.（in Chinese）

［6］汪亚光，汪敏.包头压缩技术在VoIP中的应用［J］.上海大学学报（自然科学版），2001，7（1）：18－22.

W ANG Ya-guang，W ANG Min.Application of Header Compression in Voice Over IP［J］.Journal of Shanghai University（Natural Science Edition），2001，7（1）：18－22.（in Chinese）

YE Hang was born in Jinhua，Zhejiang Province，in 1987.He received the B.S.degree in 2009.He is now a graduate student.His research concerns satellite communication and digital communication.

Email：lipuhuwan＠163.com

宋茂忠（1962－），男，安徽歙县人，教授、博士生导师，主要研究方向为调制技术、数字通信、卫星导航等。

SONG Mao-zhong was born in Shexian，Anhui Province，in 1962.He is now a professor and alao the Ph.D.supervisor.His research concerns modulation technique，digital communication and satellite navigation.

A High Efficient Transmission Method of Satellite Relay Link in Airborne Mobile Communication

YE Hang，SONG Mao-zhong
（College of Information Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

A high efficient transmission method of satellite relay link is presented to improve the data transmission efficiency in airborne mobile communication.Voice data is compressed by changing the voice codec mode，and then is encapsulated into IP packet.This high efficient transmission employs RTP（Real-time Transport Protocol）multiplexing and IP／UDP／RTP header compression scheme to improve the transmission efficiency of the voice data.Finally，the performance improvement by using the high efficient transmission method is investigated through computer simulation.

airborne mobile communication；relay link；speech compression；RTP multiplexing；header compression

TN915

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.013

叶航（1987－），男，浙江金华人，2009年获学士学位，现为硕士研究生，主要研究方向为卫星通信、数字通信等；

1001－893X（2011）02－0067－05

2010－11－12；

2010－12－09