利用無線網絡補強衛星寬帶通信的系統及其控制方法與流程

本發明涉及利用無線網絡補強衛星寬帶通信的系統及其控制方法，具體地說是一種利用移動4g/lte網絡對衛星寬帶通信進行補強的系統以及控制方法。

背景技術：

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，衛星寬帶網絡的傳輸效率和可靠性會受到影響。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擴大，在一線城市全覆蓋，在二三線城市主要市區覆蓋，使得采用移動4g/lte網絡進行移動數據傳輸成為了可能。但由于其網絡的覆蓋問題，完全采用移動4g/lte網絡作為數據傳輸的解決方案仍存在不足。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提供了一種復用無線網絡補強衛星寬帶通信系統及其控制方法。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：

一種利用無線網絡補強衛星寬帶通信的系統，移動通信接入端通過衛星鏈路和電信運營商的4g/lte網絡鏈路與公有網絡匯聚端連接，接入端負責多種網絡鏈路的路由選擇，完成從接入端到匯聚端的數據可靠傳輸。

所述移動通信接入端包括數據包接收單元一、信號質量采集單元一、數據包發送單元一、主機配置單元一；

數據包接收單元一與本地通信網絡局域網連接，接收來自本地通信數據或者發送數據到本地通信網絡；

信號質量采集單元一與衛星控制器和4g/lte路由器連接，實時采集通信鏈路質量；

數據包發送單元一與衛星鏈路，4g/lte鏈路連接和信號質量采集單元一連接，依據信號質量采集結果調整數據發送鏈路；

主機配置單元一與數據包接收單元一、數據包發送單元一、信號質量采集單元一連接，負責提供接入端主機的配置參數。

所述公有網絡匯聚端包括數據包接收單元二、數據包發送單元二、主機配置單元二；

數據包接收單元二與寬帶路由器和衛星鏈路、數據復制驅動的設備連接，負責來自外網數據的接收和寫入到內核空間；

數據包發送單元二與遠端通信網絡、數據復制驅動的設備連接，負責將內核中驅動的數據發送到目標網絡中；

主機配置單元二與數據包發送單元二、數據包接收單元二連接，負責提供匯聚端的系統參數配置。

移動通信接入端的數據接收單元一包括設備驅動層和用戶空間層程序；設備驅動層負責從本地通信網絡中獲取通信數據包，并通知用戶空間層程序讀取數據；用戶空間層程序負責數據的讀取和發送到公有網絡匯聚端。

移動通信接入端的信號質量采集單元一與衛星控制器通過rs232連接，周期性讀取衛星控制器的衛星信號報告，作為信號鏈路選擇的參考依據；該信號質量采集單元一與4g/lte路由器通過以太網口連接，周期性讀取4g信號質量報告，作為4g鏈路選擇的參考依據。

移動通信接入端的數據發送單元一在數據發送的時候支持三種工作模式，分別是全復制、分組復制和輪詢復制；在輪詢復制時，采用鏈路的信號質量作為選中鏈路的判斷依據。

公有網絡匯聚端的數據接收單元二具有數據包去重能力，對于接收到的重復數據包進行丟棄處理。

一種利用無線網絡補強衛星寬帶通信的系統的控制方法，包括如下過程：

步驟1：開始，系統進行初始化，通過公有網絡匯聚端的主機配置單元二和接入端的主機配置單元二對系統進行配置；

步驟2：移動通信接入端的數據接收單元一和公有網絡匯聚端的數據接收單元二進入服務監聽過程；

步驟3：移動通信接入端與本地通信網絡連接，本地通信網絡中的網絡設備進行數據發送，該數據通過移動通信接入端的數據接收單元一接收，并輸出到網絡驅動程序緩沖區等待數據發送單元二讀取；

步驟4：移動通信接入端的數據發送單元一讀取數據，并根據鏈路質量和工作模式選擇冗余鏈路發送到公有網絡匯聚端；

步驟5：公有網絡匯聚端的數據接收單元二對接收到的數據進行有效性檢查和去重處理，將數據寫入到驅動設備；

步驟6：網卡驅動程序讀取數據，并將數據發送到與公有網絡匯聚端連接的遠端通信子網的目標網絡中，交由目標網絡中的進行數據處理。

移動通信接入端的數據發送單元一將接收到的數據作為新數據包的載荷，并在載荷之前附加發送該發送數據包的順序號作為其唯一標識。

本發明具有以下有益效果及優點：

1.為在原有衛星鏈路基礎之上提高鏈路的可靠性。本發明通過復用多個4g/lte網絡為接入到衛星鏈路的移動通信網絡提供了鏈路冗余。當衛星鏈路出現通信質量不佳或者網絡中斷的情況下，本發明中的傳輸單元會將經過的數據包按照預定的配置策略進行冗余分發，通過其他可用的通信鏈路進行數據傳輸。

2.降低了衛星寬帶通信系統的通信延遲。在衛星鏈路可用時，鏈路上的固有延遲，對通信實時性要求較高的場景難以滿足要求。本發明中的4g/lte網絡冗余接入下，可通過優先采用4g/lte鏈路進行數據傳輸從而降低通信延遲。

3.降低衛星寬帶通信系統的通信開銷。隨著移動4g/lte網絡的逐步成熟和商用成本的降低，在覆蓋和信號滿足應用需求的場景下，優先采用4g網絡，可顯著降低通信時的成本開銷。

附圖說明

圖1本系統的結構組成圖；

圖2本系統的數據發送流程圖；

圖3本系統的數據去重流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖1-3及實施對本發明做進一步的詳細說明。

如圖1所示，本發明利用無線網絡補強衛星寬帶通信系統及其控制方法包括如下兩個組成部分：移動通信網絡接入端和公有網絡匯接端。所述移動通信網絡接入端通過雙絞線接入到本地衛星寬帶通信系統的交換機中，再經由衛星寬帶接入到因特網/廣域網中；公有網絡匯接端通過雙絞線接入寬帶接入路由器，再經由寬帶接入路由器接入到因特網/廣域網中。

本地通信網絡接入端包括一臺接入主機和3個工業lte路由器組成。接入主機具有6個以太網網卡和若干個rs232接口。工業lte路由器通過插入各電信運營商的4g上網卡接入到4g/lte網絡中。

接入主機通過網卡0接入到本地通信交換機中，負責接收來自本地通信網絡中的上行數據包；

該移動通信網絡接入主機的內置軟件包括數據包接收單元、數據包發送單元、信號質量采集單元、主機配置單元、策略路由單元。

數據包接收單元是完成本地通信網絡的上行數據包的接收。

數據包發送單元是完成下行數據包的復制、按照配置單元的策略將數據包分發至網卡1-網卡4數據包上行至匯接端，同時該單元還負責接收來自匯接端的數據包接收，并將數據包按照配置單元的策略去重和合并，然后將數據包發送至數據包接收單元。

信號質量采集單元是通過rs232接口與衛星控制器對接獲取衛星實時信號質量以及通過以太網接口網卡2-4獲取4g/lte網絡質量，以作為數據包分發策略的判斷依據。該采集單元將按照一定時間間隔向衛星控制器和工業lte路由器發起網絡信號質量查詢以獲取各個設備實時的網絡狀況。

主機配置單元提供了接入主機的各個網卡端口的上行分發策略和匯接端對接的配置以及數據傳輸安全性配置策略。該主機配置單元實時讀取信號質量采集單元的采集結果，根據預先設定策略對分發機制進行實時調整。該配置單元支持全分發、分組分發、端口分發三種工作模式。

公有網絡匯接端包括一臺匯接主機，具有4個1000m網絡接口，運行了linux操作系統。匯接主機的網卡1通過雙絞線接入到衛星寬帶網絡接入交換機中；匯接主機的網卡2和網卡3分別通過雙絞線與多個運營商的寬帶路由器連接，接收因特網數據；網卡0則通過雙絞線接入到遠端通信網絡的交換機。

本發明利用無線網絡補強衛星寬帶通信系統的控制方法包括如下步驟：

(1)開始，系統進行初始化，通過接入端主機的主機配置單元完成接入端的接入網絡配置，配置內容包括：接入主機網卡0-4的ip地址，匯接主機ip地址對，接入主機的策略路由配置，接入主機網卡分組設置和接入主機分發模式設定以及接入主機數據安全性設定，還包括rs232端口參數設置；匯接端通過匯接主機的配置單元完成匯接端的接入網絡配置，配置內容包括：匯接主機的網卡0-2的ip地址，匯接主機的策略路由配置。

(2)工業lte路由器通過插入的運營商4g電話卡注冊接入到運營商4g/lte網絡中；衛星寬帶鏈路完成對星成功，并建立連接；接入主機中的信號質量采集單元完成配置解析后，開始進入監聽和輪詢，分別獲取衛星鏈路和4glte路由器的信號質量參數；

另外，匯接主機側完成數據初始化配置加載，并通過寬帶路由器分別接入到衛星鏈路和寬帶網絡中。

(3)本地接入主機的數據包接收單元讀取系統配置參數，將網卡0設置為混雜模式，并向linux系統內核加載數據復制驅動模塊；驅動模塊初始化完成后，等待接收來自網卡0的數據包；數據包發送單元讀取系統配置參數，分別建立與內核驅動模塊的虛擬設備連接和匯接端的主機的網絡連接，準備接收來自內核的數據包和匯接端主機的數據包；當接入主機網卡0收到數據包后，會觸發數據包接收單元中的驅動模塊回調，其執行過程如圖2所示：復制接收到的數據包，將數據包加入到接收數據包緩沖隊列，如果該緩沖隊列已滿，則刪除舊的數據包后再將新數據包加入該隊列；通知用戶空間程序該設備已有數據需要讀取；

(4)數據發送單元按照設定的時間間隔輪詢該驅動設備是否有數據需要讀取；如數據可讀，則讀取該數據包并復制到用戶空間；數據發送單元根據接入主機的分組設定策略進行數據的復制和分發。全分發模式，數據發送單元向網卡1到網卡4端口均復制一份數據包；分組分發模式，數據發送單元則對每個分組均復制一份數據包；輪循模式，則不復制。對于上述復制的數據，由數據發送單元將從內核空間接收到的數據包作為新數據包的有效載荷，并構造出新的數據包分別發送到匯接端的接收數據包單元；

另外，數據發送單元在數據包復制時，針對每個分發的數據包定義該數據包在發送會話中的發送順序號，以唯一地標識該數據包；該發送順序號是遞增順序的32位整數；

(5)接入主機的數據發送單元發送數據時，通過linux操作系統的策略路由進行數據包路由選擇。數據發送單元在數據發送時，分別設定數據包的匯接主機網卡1和網卡2的ip地址作為其發送目標地址；

(6)匯接主機的數據接收單元偵聽到有新的網絡數據包到達后，開啟數據接收。待數據接收成功后，首先進行數據包的完整性驗證和安全性檢查。檢查通過后，對數據包進行去重處理。對于重復順序號的數據包進行丟棄處理；

如果該數據包為新數據包，匯接主機的數據接收單元則將該數據包的來源地址、來源端口和來源順序號、當前系統時戳作為該數據包的描述信息，進入到接收數據單元的去重緩沖隊列，作為后續到達數據包判重的依據；將數據包的載荷部分作為完整的數據包，通過與匯接主機的驅動所對應的設備寫入到linux系統的內核空間中；

(7)匯接主機的數據復制驅動模塊，監聽到來自于數據接收單元的數據寫請求時，將數據復制到內核空間，并將復制后的數據通過設置為混雜模式的匯接主機的網卡0發送到遠端通信網絡中，交由其他網絡主機進一步處理。

本發明還具有如下步驟：接入主機的信號質量采集單元可對上行網絡質量進行實時采集，為數據鏈路切換提供依據。

1)信號質量采集單元根據配置單元中的參數對rs232接口初始化以完成與衛星控制器對接，設置lte路由器的4g/lte信號質量獲取url；

2)信號質量采集單元周期性的請求衛星控制器信號質量和lte路由器的4g/lte信號質量，并將獲取到的結果推送到接入主機的數據發送單元；

3)接入主機的數據發送單元在數據發送時，根據當前的衛星鏈路和4g/lte信號鏈路質量，按照數據發送模式進行鏈路選擇。對于信號質量低于門限值的鏈路，則不進行數據分發。

本發明還具有如下步驟：接入主機和匯接端主機支持對傳輸數據的加密傳輸。

1)匯接端主機配置單元設置數據加密傳輸方案，該傳輸方案在系統初始化時進行加載；接入端主機配置單元設置與匯接端主機匹配的數據加密傳輸方案，并在系統初始化時進行加載；

2)接入端數據發送單元在數據傳輸時，將數據包的載荷部分按照預設值的數據加密傳輸方案進行加密，并將加密后的密文作為有效載荷，在新數據包的包頭部分攜帶該接入端的身份信息以及所采用的數據加密算法id描述；

3)匯接端的數據接收單元根據接收到的數據包報頭獲取到數據解密所需關鍵信息，對載荷部分進行數據解密，解密后的明文作為數據包內容再寫入到內核空間中。