CN107231184A - 利用无线网络补强卫星宽带通信的***及其控制方法 - Google Patents

利用无线网络补强卫星宽带通信的***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用无线网络补强卫星宽带通信的***及其控制方法，移动通信接入端通过卫星链路和电信运营商的4G/LTE网络链路与公有网络汇聚端连接，接入端设备负责多种网络链路的路由选择，完成从接入端到汇聚端的数据可靠传输。由于接入端数据包发送单元在发送数据时可根据信号质量采集单元的结果选择卫星链路和4G链路进行数据传输，因此可以明显的提高卫星宽带通信***的数据传输可靠性。

Description

利用无线网络补强卫星宽带通信的***及其控制方法
技术领域
本发明涉及利用无线网络补强卫星宽带通信的***及其控制方法，具体地说是一种利用移动4G/LTE网络对卫星宽带通信进行补强的***以及控制方法。
背景技术
在基于车载、船载等环境下的数据通信***中，由于其移动性要求，在网络接入方面多数采用了卫星宽带网络。卫星宽带网络由于其覆盖区域的广泛性，可为移动网络环境提供便捷的远距离数据传输。但采用卫星宽带网络作为接入网络存在着很多不足。例如卫星宽带网络在建筑物、山峦、树林等遮挡情况下，会出现“对星不成功”或者链路传输质量较差的情况；在恶劣天气情况下，如下雪、雾天、阴天等，卫星宽带网络的传输效率和可靠性会受到影响。目前使用卫星链路作为数据传输的应用场景，多是以应急指挥、紧急救援等为主，对通信链路的可靠性和通信质量都有着较高的要求。
随着国内4G/LTE网络覆盖范围的逐步扩大，在一线城市全覆盖，在二三线城市主要市区覆盖，使得采用移动4G/LTE网络进行移动数据传输成为了可能。但由于其网络的覆盖问题，完全采用移动4G/LTE网络作为数据传输的解决方案仍存在不足。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种复用无线网络补强卫星宽带通信***及其控制方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种利用无线网络补强卫星宽带通信的***，移动通信接入端通过卫星链路和电信运营商的4G/LTE网络链路与公有网络汇聚端连接，接入端负责多种网络链路的路由选择，完成从接入端到汇聚端的数据可靠传输。
所述移动通信接入端包括数据包接收单元一、信号质量采集单元一、数据包发送单元一、主机配置单元一；
数据包接收单元一与本地通信网络局域网连接，接收来自本地通信数据或者发送数据到本地通信网络；
信号质量采集单元一与卫星控制器和4G/LTE路由器连接，实时采集通信链路质量；
数据包发送单元一与卫星链路，4G/LTE链路连接和信号质量采集单元一连接，依据信号质量采集结果调整数据发送链路；
主机配置单元一与数据包接收单元一、数据包发送单元一、信号质量采集单元一连接，负责提供接入端主机的配置参数。
所述公有网络汇聚端包括数据包接收单元二、数据包发送单元二、主机配置单元二；
数据包接收单元二与宽带路由器和卫星链路、数据复制驱动的设备连接，负责来自外网数据的接收和写入到内核空间；
数据包发送单元二与远端通信网络、数据复制驱动的设备连接，负责将内核中驱动的数据发送到目标网络中；
主机配置单元二与数据包发送单元二、数据包接收单元二连接，负责提供汇聚端的***参数配置。
移动通信接入端的数据接收单元一包括设备驱动层和用户空间层程序；设备驱动层负责从本地通信网络中获取通信数据包，并通知用户空间层程序读取数据；用户空间层程序负责数据的读取和发送到公有网络汇聚端。
移动通信接入端的信号质量采集单元一与卫星控制器通过RS232连接，周期性读取卫星控制器的卫星信号报告，作为信号链路选择的参考依据；该信号质量采集单元一与4G/LTE路由器通过以太网口连接，周期性读取4G信号质量报告，作为4G链路选择的参考依据。
移动通信接入端的数据发送单元一在数据发送的时候支持三种工作模式，分别是全复制、分组复制和轮询复制；在轮询复制时，采用链路的信号质量作为选中链路的判断依据。
公有网络汇聚端的数据接收单元二具有数据包去重能力，对于接收到的重复数据包进行丢弃处理。
一种利用无线网络补强卫星宽带通信的***的控制方法，包括如下过程：
步骤1：开始，***进行初始化，通过公有网络汇聚端的主机配置单元二和接入端的主机配置单元二对***进行配置；
步骤2：移动通信接入端的数据接收单元一和公有网络汇聚端的数据接收单元二进入服务监听过程；
步骤3：移动通信接入端与本地通信网络连接，本地通信网络中的网络设备进行数据发送，该数据通过移动通信接入端的数据接收单元一接收，并输出到网络驱动程序缓冲区等待数据发送单元二读取；
步骤4：移动通信接入端的数据发送单元一读取数据，并根据链路质量和工作模式选择冗余链路发送到公有网络汇聚端；
步骤5：公有网络汇聚端的数据接收单元二对接收到的数据进行有效性检查和去重处理，将数据写入到驱动设备；
步骤6：网卡驱动程序读取数据，并将数据发送到与公有网络汇聚端连接的远端通信子网的目标网络中，交由目标网络中的进行数据处理。
移动通信接入端的数据发送单元一将接收到的数据作为新数据包的载荷，并在载荷之前附加发送该发送数据包的顺序号作为其唯一标识。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.为在原有卫星链路基础之上提高链路的可靠性。本发明通过复用多个4G/LTE网络为接入到卫星链路的移动通信网络提供了链路冗余。当卫星链路出现通信质量不佳或者网络中断的情况下，本发明中的传输单元会将经过的数据包按照预定的配置策略进行冗余分发，通过其他可用的通信链路进行数据传输。
2.降低了卫星宽带通信***的通信延迟。在卫星链路可用时，链路上的固有延迟，对通信实时性要求较高的场景难以满足要求。本发明中的4G/LTE网络冗余接入下，可通过优先采用4G/LTE链路进行数据传输从而降低通信延迟。
3.降低卫星宽带通信***的通信开销。随着移动4G/LTE网络的逐步成熟和商用成本的降低，在覆盖和信号满足应用需求的场景下，优先采用4G网络，可显著降低通信时的成本开销。
附图说明
图1本***的结构组成图；
图2本***的数据发送流程图；
图3本***的数据去重流程图。
具体实施方式
下面结合附图1-3及实施对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明利用无线网络补强卫星宽带通信***及其控制方法包括如下两个组成部分：移动通信网络接入端和公有网络汇接端。所述移动通信网络接入端通过双绞线接入到本地卫星宽带通信***的交换机中，再经由卫星宽带接入到因特网/广域网中；公有网络汇接端通过双绞线接入宽带接入路由器，再经由宽带接入路由器接入到因特网/广域网中。
本地通信网络接入端包括一台接入主机和3个工业LTE路由器组成。接入主机具有6个以太网网卡和若干个RS232接口。工业LTE路由器通过***各电信运营商的4G上网卡接入到4G/LTE网络中。
接入主机通过网卡0接入到本地通信交换机中，负责接收来自本地通信网络中的上行数据包；
该移动通信网络接入主机的内置软件包括数据包接收单元、数据包发送单元、信号质量采集单元、主机配置单元、策略路由单元。
数据包接收单元是完成本地通信网络的上行数据包的接收。
数据包发送单元是完成下行数据包的复制、按照配置单元的策略将数据包分发至网卡1-网卡4数据包上行至汇接端，同时该单元还负责接收来自汇接端的数据包接收，并将数据包按照配置单元的策略去重和合并，然后将数据包发送至数据包接收单元。
信号质量采集单元是通过RS232接口与卫星控制器对接获取卫星实时信号质量以及通过以太网接口网卡2-4获取4G/LTE网络质量，以作为数据包分发策略的判断依据。该采集单元将按照一定时间间隔向卫星控制器和工业LTE路由器发起网络信号质量查询以获取各个设备实时的网络状况。
主机配置单元提供了接入主机的各个网卡端口的上行分发策略和汇接端对接的配置以及数据传输安全性配置策略。该主机配置单元实时读取信号质量采集单元的采集结果，根据预先设定策略对分发机制进行实时调整。该配置单元支持全分发、分组分发、端口分发三种工作模式。
公有网络汇接端包括一台汇接主机，具有4个1000M网络接口，运行了Linux操作***。汇接主机的网卡1通过双绞线接入到卫星宽带网络接入交换机中；汇接主机的网卡2和网卡3分别通过双绞线与多个运营商的宽带路由器连接，接收因特网数据；网卡0则通过双绞线接入到远端通信网络的交换机。
本发明利用无线网络补强卫星宽带通信***的控制方法包括如下步骤：
(1)开始，***进行初始化，通过接入端主机的主机配置单元完成接入端的接入网络配置，配置内容包括：接入主机网卡0-4的IP地址，汇接主机IP地址对，接入主机的策略路由配置，接入主机网卡分组设置和接入主机分发模式设定以及接入主机数据安全性设定，还包括RS232端口参数设置；汇接端通过汇接主机的配置单元完成汇接端的接入网络配置，配置内容包括：汇接主机的网卡0-2的IP地址，汇接主机的策略路由配置。
(2)工业LTE路由器通过***的运营商4G电话卡注册接入到运营商4G/LTE网络中；卫星宽带链路完成对星成功，并建立连接；接入主机中的信号质量采集单元完成配置解析后，开始进入监听和轮询，分别获取卫星链路和4GLTE路由器的信号质量参数；
另外，汇接主机侧完成数据初始化配置加载，并通过宽带路由器分别接入到卫星链路和宽带网络中。
(3)本地接入主机的数据包接收单元读取***配置参数，将网卡0设置为混杂模式，并向Linux***内核加载数据复制驱动模块；驱动模块初始化完成后，等待接收来自网卡0的数据包；数据包发送单元读取***配置参数，分别建立与内核驱动模块的虚拟设备连接和汇接端的主机的网络连接，准备接收来自内核的数据包和汇接端主机的数据包；当接入主机网卡0收到数据包后，会触发数据包接收单元中的驱动模块回调，其执行过程如图2所示：复制接收到的数据包，将数据包加入到接收数据包缓冲队列，如果该缓冲队列已满，则删除旧的数据包后再将新数据包加入该队列；通知用户空间程序该设备已有数据需要读取；
(4)数据发送单元按照设定的时间间隔轮询该驱动设备是否有数据需要读取；如数据可读，则读取该数据包并复制到用户空间；数据发送单元根据接入主机的分组设定策略进行数据的复制和分发。全分发模式，数据发送单元向网卡1到网卡4端口均复制一份数据包；分组分发模式，数据发送单元则对每个分组均复制一份数据包；轮循模式，则不复制。对于上述复制的数据，由数据发送单元将从内核空间接收到的数据包作为新数据包的有效载荷，并构造出新的数据包分别发送到汇接端的接收数据包单元；
另外，数据发送单元在数据包复制时，针对每个分发的数据包定义该数据包在发送会话中的发送顺序号，以唯一地标识该数据包；该发送顺序号是递增顺序的32位整数；
(5)接入主机的数据发送单元发送数据时，通过Linux操作***的策略路由进行数据包路由选择。数据发送单元在数据发送时，分别设定数据包的汇接主机网卡1和网卡2的IP地址作为其发送目标地址；
(6)汇接主机的数据接收单元侦听到有新的网络数据包到达后，开启数据接收。待数据接收成功后，首先进行数据包的完整性验证和安全性检查。检查通过后，对数据包进行去重处理。对于重复顺序号的数据包进行丢弃处理；
如果该数据包为新数据包，汇接主机的数据接收单元则将该数据包的来源地址、来源端口和来源顺序号、当前***时戳作为该数据包的描述信息，进入到接收数据单元的去重缓冲队列，作为后续到达数据包判重的依据；将数据包的载荷部分作为完整的数据包，通过与汇接主机的驱动所对应的设备写入到Linux***的内核空间中；
(7)汇接主机的数据复制驱动模块，监听到来自于数据接收单元的数据写请求时，将数据复制到内核空间，并将复制后的数据通过设置为混杂模式的汇接主机的网卡0发送到远端通信网络中，交由其他网络主机进一步处理。
本发明还具有如下步骤：接入主机的信号质量采集单元可对上行网络质量进行实时采集，为数据链路切换提供依据。
1)信号质量采集单元根据配置单元中的参数对RS232接口初始化以完成与卫星控制器对接，设置LTE路由器的4G/LTE信号质量获取URL；
2)信号质量采集单元周期性的请求卫星控制器信号质量和LTE路由器的4G/LTE信号质量，并将获取到的结果推送到接入主机的数据发送单元；
3)接入主机的数据发送单元在数据发送时，根据当前的卫星链路和4G/LTE信号链路质量，按照数据发送模式进行链路选择。对于信号质量低于门限值的链路，则不进行数据分发。
本发明还具有如下步骤：接入主机和汇接端主机支持对传输数据的加密传输。
1)汇接端主机配置单元设置数据加密传输方案，该传输方案在***初始化时进行加载；接入端主机配置单元设置与汇接端主机匹配的数据加密传输方案，并在***初始化时进行加载；
2)接入端数据发送单元在数据传输时，将数据包的载荷部分按照预设值的数据加密传输方案进行加密，并将加密后的密文作为有效载荷，在新数据包的包头部分携带该接入端的身份信息以及所采用的数据加密算法ID描述；
3)汇接端的数据接收单元根据接收到的数据包报头获取到数据解密所需关键信息，对载荷部分进行数据解密，解密后的明文作为数据包内容再写入到内核空间中。

Claims (9)

1.一种利用无线网络补强卫星宽带通信的***，其特征在于，移动通信接入端通过卫星链路和电信运营商的4G/LTE网络链路与公有网络汇聚端连接，接入端负责多种网络链路的路由选择，完成从接入端到汇聚端的数据可靠传输。
2.根据权利要求1所述的利用无线网络补强卫星宽带通信的***，其特征在于：
所述移动通信接入端包括数据包接收单元一、信号质量采集单元一、数据包发送单元一、主机配置单元一；
数据包接收单元一与本地通信网络局域网连接，接收来自本地通信数据或者发送数据到本地通信网络；
信号质量采集单元一与卫星控制器和4G/LTE路由器连接，实时采集通信链路质量；
数据包发送单元一与卫星链路，4G/LTE链路连接和信号质量采集单元一连接，依据信号质量采集结果调整数据发送链路；
主机配置单元一与数据包接收单元一、数据包发送单元一、信号质量采集单元一连接，负责提供接入端主机的配置参数。
3.根据权利要求1所述的利用无线网络补强卫星宽带通信的***，其特征在于：所述公有网络汇聚端包括数据包接收单元二、数据包发送单元二、主机配置单元二；
数据包接收单元二与宽带路由器和卫星链路、数据复制驱动的设备连接，负责来自外网数据的接收和写入到内核空间；
数据包发送单元二与远端通信网络、数据复制驱动的设备连接，负责将内核中驱动的数据发送到目标网络中；
主机配置单元二与数据包发送单元二、数据包接收单元二连接，负责提供汇聚端的***参数配置。
4.根据权利要求2所述的利用无线网络补强卫星宽带通信的***，其特征在于：移动通信接入端的数据接收单元一包括设备驱动层和用户空间层程序；设备驱动层负责从本地通信网络中获取通信数据包，并通知用户空间层程序读取数据；用户空间层程序负责数据的读取和发送到公有网络汇聚端。
5.根据权利要求2所述的利用无线网络补强卫星宽带通信的***，其特征在于：移动通信接入端的信号质量采集单元一与卫星控制器通过RS232连接，周期性读取卫星控制器的卫星信号报告，作为信号链路选择的参考依据；该信号质量采集单元一与4G/LTE路由器通过以太网口连接，周期性读取4G信号质量报告，作为4G链路选择的参考依据。
6.根据权利要求2所述的利用无线网络补强卫星宽带通信的***，其特征在于：移动通信接入端的数据发送单元一在数据发送的时候支持三种工作模式，分别是全复制、分组复制和轮询复制；在轮询复制时，采用链路的信号质量作为选中链路的判断依据。
7.根据权利要求3所述的利用无线网络补强卫星宽带通信的***，其特征在于：公有网络汇聚端的数据接收单元二具有数据包去重能力，对于接收到的重复数据包进行丢弃处理。
8.一种利用无线网络补强卫星宽带通信的***的控制方法，其特征在于，包括如下过程：
步骤1：开始，***进行初始化，通过公有网络汇聚端的主机配置单元二和接入端的主机配置单元二对***进行配置；
步骤2：移动通信接入端的数据接收单元一和公有网络汇聚端的数据接收单元二进入服务监听过程；
步骤3：移动通信接入端与本地通信网络连接，本地通信网络中的网络设备进行数据发送，该数据通过移动通信接入端的数据接收单元一接收，并输出到网络驱动程序缓冲区等待数据发送单元二读取；
步骤4：移动通信接入端的数据发送单元一读取数据，并根据链路质量和工作模式选择冗余链路发送到公有网络汇聚端；
步骤5：公有网络汇聚端的数据接收单元二对接收到的数据进行有效性检查和去重处理，将数据写入到驱动设备；
步骤6：网卡驱动程序读取数据，并将数据发送到与公有网络汇聚端连接的远端通信子网的目标网络中，交由目标网络中的进行数据处理。
9.根据权利要求8所述利用无线网络补强卫星宽带通信的***的控制方法，其特征在于：移动通信接入端的数据发送单元一将接收到的数据作为新数据包的载荷，并在载荷之前附加发送该发送数据包的顺序号作为其唯一标识。
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