CN101127676A - 基于卫星组播及回程信道共享的网络接入与控制方法 - Google Patents

Abstract

基于卫星组播及回程信道共享的网络接入与控制方法属于网络通信技术领域，其特征在于，所有小站以分时间段的方式共享一个回程信道，但在主站控制下每时刻只有一个小站允许根据主站的切换命令独享回程信道。同时，主站控制了一个虚拟小站，以防止发生小站切换操作时，由于下一个使用回程信道的小站不能正确打开信道而产生的组播停滞的后果。本发明具有成本低、效率高、适用于偏远地区及广大农村地区的上网通信用户。

Description

基于卫星组播及回程信道共享的网络接入与控制方法

技术领域

基于卫星组播及回程信道共享的网络接入与控制方法属于计算机网络通信技术领域。

背景技术

1962年，AT&T公司发射了世界上第一颗真正的卫星。从那时开始，卫星技术蓬勃发展，无数的通讯卫星被发射到地球周围的轨道中，在通讯系统中占据了举足轻重的地位。但随着光通讯技术的发展，卫星通讯由于受到带宽低，吞吐量小，成本大等因素的影响，使用比较有限。

尽管如此，卫星通讯相比光通讯，仍具有以下的优点：

●通过卫星很容易覆盖大片地面地区、进行大范围的广播和组播，并且对地面条件没有太高的要求，而地面光缆很难铺设到非常偏僻的地方。

●卫星通信可以提供良好的远程通信的功能

●从链路层的角度看，一条卫星链路仅仅是一跳，影响链路状态的因素比较单一，而相同长度的地面链路往往需要数跳，并且这些链路往往属于不同的管理者，影响其状态的因素要复杂很多，不利于调整和控制。

●卫星已被广泛应用于很多非数据通信的领域，利用卫星可以很容易的向用户同时提供数据通信服务和非数据通信服务，有利于管理和降低成本。

随着Internet的发展，人们逐渐认识到卫星通信可以作为Internet的一个重要补充，下表显示了卫星通信和Internet的互补优势

Internet的困境	Internet的需求	卫星通信的优势
			骨干网阻塞	骨干网分流	利用卫星转发器分流
接入速度慢	远程宽带接入	可远程连接，直接到用户
			内容分发效率低	内容组播广播	广播媒体，一次投送
实时性差	实时传输流媒体	实时传输

表一：卫星通讯网与Internet的优势互补

由表一可见，卫星通信是Internet的重要补充，也就是说卫星通信正好补充了Internet的不足，卫星通信与Internet的结合是一种技术上的必然趋势。

由于卫星的转发器租用费用很高，因此，早期基于卫星的组网大多是银行等部门用来作为主干网的关键链路的备份，在这类应用环境中，主要采用单载波单通道SCPC(SingleChannel Per Carrier)模式，为了实现双向通信每个方向都需要一个SCPC信道，因此成本很高昂。

随着DVB-S等技术及标准规范的引入，卫星通信技术作为一种互联网接入技术曾得到一定范围的应用。这种技术大多采用星形拓扑结构的双向非对称传输的结构，其下行(从中心节点到其他节点)和上行(从其他节点到中心节点，也称回程)采用不同的技术，效果也不一样，通常下行都采用IP/DVB-S方式广播数据，带宽较大、链路状态较好。上行链路主要分为通过地面Internet接入(比如电话拨号等)和通过卫星载波信道接入两种。通过地面Internet接入的接入速度慢，实时性差，且受到地域限制——用户方所在地必须有Internet接入服务。通过卫星载波信道接入方式目前有两种，一种是SCPC模式，这种模式要求每一个远端站点都需要有一个独立的SCPC返回信道到主站，并且每个使用SCPC上行链路的用户在服务方都需要一个独立的解调器，因此总体的组网成本很高，而且系统规模很难做得很大。另一个通过卫星载波信道接入的方式是采用时分复用技术的卫星回程链路(Return Channelvia Satellite，RCS)，在这种模式下多个用户可以通过时分复用的方式(如ALOHA、S-ALOHA等)共享同一个卫星回程信道作为上行链路，成本比基于SCPC模式组网低。它的主要缺点就是卫星频段的利用率很低。例如，对于采用S-ALOHA方式的回程信道，其带宽利用率的理论极限值为36.8％，这里面还包括被报文头等消耗掉的带宽。

由此可见，虽然现有的基于卫星通信技术的互联网组网技术已经能实现偏远地区的用户与别的节点甚至全球互联网上的节点进行双向通信，但是现有技术要么强烈地依赖于地面链路、要么成本过高，往往使其应用和部署受到极大的限制。这些年来，基于卫星的接入技术已鲜有提及，另一方面，我国的偏远地区及广大农村地区用户的上网问题则面临极大压力。另一方面，我们也注意到，很多时候，在很多场合下，网络通信并不需要随时都保持双向在线的通信方式。根据这样的假设，本发明旨在双向通信、对地面网络的依赖和组网成本这三者之间取得一种平衡，它通过牺牲部分双向通信的能力来消除对地面网络的依赖、同时降低成本。它主要面向的对象是偏远山区的远程教育用户、没有Internet接入的科学站、考察站以及有互联网接入需求的其他受地理条件限制的用户群体。

发明内容

本发明的目的在于提供基于组播及回程信道共享的卫星组网方案。本发明的系统结构图如图1所示。整个系统分为两大部分，即由系统管理方控制的主站和用户方控制的小站。在目前设计的系统中只有一个主站，但有多个小站。主站与所有的小站进行数据通信，而各个小站之间并不能直接进行数据通讯，故整个系统形成一个星形拓扑结构。系统的基本工作模式是：从主站到小站的数据被封装到DVB传输流中按照DVB-S协议规范以广播的方式发送到小站，而从小站到主站的数据则被封装到V.35的帧中通过共享的卫星回程信道传送到主站。回程信道相当于一条点到点链路，一个回程信道在一个时刻只能供一个用户使用，多个用户采用分时间段使用的办法共享一个回程信道。主站到小站使用DVB传输是考虑到主站可能发送大量的数据，例如远程视频教育。使用DVB可以提高大数据传输的效率；而由于小站发往主站的数据量不会很大，因此使用了比较普遍的V.35的帧。

图1中用到的名词解释如下：

●主站服务器：服务方用来提供各种服务(域名服务、电子邮件服务等)的设备，也充当整个系统和互联网通信的网关。可以是一台计算机，也可以是多台计算机。

●小站服务器：与主站服务器配合为用户提供服务(域名服务、电子邮件服务等)，同时充当小站所在局域网的网关。

●SCPC：单载波单通道模式(Single Channel Per Carrier)。

●DVB-S：以卫星信道为通道的数字视频广播(Digital Video Broadcast via Satellite)。

●IP打包机：该设备能够通过以太网接口接收IP报文，然后将接收到的IP报文封装到DVB传输流中。

●IP/DVB接收机：该设备能将IP报文从DVB传输流中解封装出来并输出到以太网接口。

我们系统的特别之处在于：所有的小站共享一个回程信道，但不同于传统的时分复用的卫星网络，我们的系统中的是由主站控制小站能否使用回程信道的，且每个小站在使用回程信道的时候是独享式的，其他小站不会对其产生干扰。这与时分复用的网络冲突检测式的通讯方式是完全不同的。

本系统中，主站负责使用组播给所有小站发送数据(例如远程教育的视频流)，并通过发送控制报文来动态的切换小站对回程信道的使用权。小站完全是被动的，不能主动打开和关闭回程信道。主站对小站的控制有两种模式：一是静态调度，事先安排好每个小站使用回程信道的时间和顺序，由运行在主站服务器上的程序自动进行切换控制。二是动态调度，由主站的管理员通过运行界面对主站服务器上程序进行控制来给小站发送命令(运行管理界面见附图6)，这种方式下可以通过小站向主站管理员提出申请来在突发情况下获得回程信道使用权。当小站接收到控制报文时，如果需要关闭回程信道，则通过运行在小站服务器上的程序自动的关闭回程信道。关闭信道的方法是通过小站服务器对小站调制解调器进行串口编程，关闭其发送功能实现的。同样，如果是让该小站使用回程信道的命令，也通过自动的控制调制解调器打开发送功能实现回程信道的打开。两种工作模式的最大区别在于静态调度中主站事先知道每个小站的开始使用时间和结束时间，而动态调度不会事先确定，切换完全是动态随机的。因此，动态调度模式实现难度是大于静态调度模式的，我们后面的介绍也将以动态调度模式为主。

系统中最关键的技术难点有以下两个

1.如何保证同时只能有一个小站使用回程信道：

系统中为了保证这点，小站的所有操作必须由主站控制，主站在需要小站打开或者关闭信道的时候会通知小站，小站没有自主权。而主站则通过缜密的逻辑保证只有一个小站在使用回程信道，后面的“主要步骤”中会作详细描述。

2.如何保证主站的组播功能可以正常使用：

主站的组播功能，例如远程教育的视频流传送是面向所有小站的，它需要能准确的发送给所有小站。而卫星系统中，组播只有在能检测到信道有载波时才能正常发送，也就是说必须在有一个小站打开其调制解调器的发送功能时组播才能正确发送。因此，系统中如果发生小站切换的操作，当使用信道的小站关闭信道到下一个小站打开信道的这段时间内，组播功能是不能正常使用的。这时候如果下一个使用回程信道的小站能够正确的打开其回程信道，则组播功能可以正常恢复，不影响使用。但如果下一个小站不能正确打开信道，则组播发送也将停滞。为了防止这种现象(所有小站都没有使用回程信道，组播不能正常发送)出现，系统中增加了一个“虚拟小站”。“虚拟小站”也是一个小站，与其他小站的不同是，“虚拟小站”是由主站服务器控制的，它没有小站服务器，也不会组织局域网络(参见附图2)。如果在小站切换过程中，主站在等待一段时间后仍然没有接受到下一个使用信道小站的反馈数据报文，则认为该小站未能正确打开信道。主站控制“虚拟小站”打开其回程信道，使得组播功能可以正常发送。

系统中主站发送给小站的报文具体分为两种模式，一种是通过组播传送给所有小站的，另一种则是通过双向链路和使用回程信道的小站进行交互的。在我们的系统中，每个小站会分配一个唯一的ID作为标示，这个会在报文中使用到。具体的数据格式如下：

使用组播发送的命令报文格式：

1.查询回程信道使用者的命令报文

<ucl xmlns＝″ucl:server:query″type＝″get″>

   <server ip＝″10.9.1.2″port＝″1000″></server>

</ucl>

只有使用回程信道的小站会响应查询报文，返回该小站的ID。

报文中ip和port是监听使用回程信道小站汇报信息的主站地址和监听端口

2.主站退出前要求所有小站关闭的命令报文，仅用于主站出现问题需要紧急退出时

<ucl xmlns＝″ucl:server:close″type＝″set″>

   <server ip＝″10.9.1.2″port＝″1000″></server>

</ucl>

只有当使用回程信道的小站关闭信道出现问题(关闭调制解调器出错)，才会返回关闭错误的状态报文；其他情况下任何小站都不会响应该报文。

报文ip和port是监听小站汇报信息的主站地址和监听端口。

3.主站在接受到小站关闭信道失败的消息后通知其他小站不要打开调制解调器的命令报文

<ucl xmlns＝″ucl:server:open_cancel″type＝″set″>

   <server ip＝″10.9.1.2″port＝″1000″></server>

</ucl>

该命令是主站发出切换信道命令后，当前使用回程信道的小站关闭信道出错后通知主站，为了避免同时有两个小站使用回程信道，主站会立刻广播该命令。收到该命令的小站检查如果本站是上次切换命令发布的下一个信道使用者，则必须立刻停止打开调制解调器。本报文不需要回复。

ip和port是监听小站汇报信息的主站地址和监听端口，小站可以忽略该信息。

4.主站切换使用回程信道小站的命令报文

<ucl xmlns＝″ucl:server:change_peer″type＝″set″>

   <server ip＝″10.9.1.2″port＝″1000″></server>

   <client id＝″1″time＝″60″></client>

</ucl>

当前使用回程信道的小站收到该命令后会关闭自己的回程信道，如果出现问题(关闭调制解调器出错)，则会返回给主站关闭错误的状态报文，交由主站处理。如果当前小站的ID与该命令报文中的id相同，则表明该小站将会获得回程信道使用权。小站在成功打丌调制解调器后需要通过回程信道向主站发送打开成功的状态报文。

ip和port是监听小站汇报信息的主站地址和监听端口，id是该命令包捎带的下一个要使用回程信道的小站ID。使用捎带ID方法的原因是：在小站切换过程中，当前使用信道的小站关闭回程信道后，主站的组播控制命令是发送不出去的，因此必须在前一次命令中捎带出来。id对应的小站在等待一段时间后没有接到主站停止打开的命令时，就表示之前使用信道的小站已经成功关闭，于是自行打开回程信道，这样就完成了回程信道的切换，主站的组播发送功能也得以恢复。time则是下一个信道使用者在接收到该命令报文后需要等待的时间，如果在该时间内没有收到主站的取消打开信道的命令，则可以正常打开回程信道。

使用双向链路发送的命令报文格式：

1.主站向使用回程信道的小站发出的保持连接的命令报文，用来检测小站是否正常使用回程信道，防止小站突发的掉线情况。

<ucl xmlns＝″ucl:server:keep_alive″type＝″get″>

   <server ip＝″10.9.1.2″port＝″2000″></server>

   <client id＝″3″></client>

</ucl>

只有正在使用回程信道的小站才会收到该命令报文，并且小站需要立刻响应该报文。在连续三次小站未响应情况下则认为小站已经掉线。

ip和port是监听小站汇报信息的主站地址和监听端口，id是当前使用信道的小站ID，小站可以忽略这项。

2.主站向使用信道的小站发出的需要关闭信道的命令报文。如果在切换小站过程中，当前信道使用者发送给主站关闭调制解调器错误的状态报文，则通过双向链路控制当前使用信道的小站，直到该小站正常关闭信道结束。

<ucl xmlns＝″ucl:server:notify″type＝″set″>

    <server ip＝″10.9.1.2″port＝″2000″></server>

    <client id＝″3″time＝″60″></client>

</ucl>

小站在接受到该命令情况下会立刻进行关闭信道前的操作，例如关闭一些和互联网的连接等，在完成操作后关闭回程信道。

ip和port是监听小站汇报信息的主站地址和监听端口，id是当前使用信道的小站ID，time是信道必须关闭的最大延时。例如60表示小站应该在1分钟内关闭回程信道，1分钟到后，无论小站是否完成关闭信道前的全部操作，小站必须立刻关闭回程信道。

小站只有在拥有回程信道使用权的时候才能和主站通信。由于小站完全受主站控制，因此小站只能被动的向主站发送状态报告，而不能主动对信道进行操作。小站到主站的数据报格式如下：

1.小站接收到主站的查询命令，如果本站是信道的使用者，则向主站报告信道使用者ID。

<ucl xmlns＝″UCL_CLIENT_RESPONSE″type＝″report″>

    <client id＝″3″></client>

</ucl>

其中id是当前使用信道的小站的ID

2.小站接受到关闭信道的命令后，但关闭调制解调器失败，向主站发送状态报文

<ucl xmlns＝″UCL_CLIENT_CLOSE_FAILED″type＝″report″>

   <client id＝″3″></client>

</ucl>

其中id是当前使用信道的小站的ID

3.小站接受到使用回程信道的命令后，打开调制解调器成功，向主站发送状态报文

<ucl xmlns＝″UCL_CLIENT_OPEN_SUCCEDD″type＝″report″>

   <client id＝″3″></client>

</ucl>

其中id是当前使用信道的小站的ID

4.小站在使用信道的过程中应答主站的保持连接的命令报文

<ucl xmlns＝″UCL_CLIENT_ACK″type＝″report″>

   <client id＝″″></client>

</ucl>

其中id是当前使用信道的小站的ID

5.小站汇报主站已经完成关闭信道前的操作，即将放弃回程信道的状态报文。用于响应主站通过双向链路发送的关闭信号，如果小站在主站规定的时间前已经提前完成了关闭信道前的操作，则发送该状态报文给主站，并立刻结束对回程信道的使用。

<ucl xmlns＝″UCL_CLIENT_DONE″type＝″report″>

   <client id＝″3″></client>

</ucl>

其中id是当前使用信道的小站的ID

为了保证系统的健壮性和稳定性，我们的系统中小站完全是由主站控制的，主站必须能检测小站的操作是否能正确完成。但很多时候，小站是不能将其执行命令的状态返回给主站的，例如小站关闭回程信道成功或者打开回程信道失败。对于这些不能返回给主站的状态，我们是通过超时来检测的。因此，系统参数包含了大量的超时定义。

1.CLIENT_RESPONSE_DELAY：主站发送查询回程信道使用者后等待小站的最大等待时间。如果在该时间内没有小站回应则认为没有小站使用回程信道

2.CLIENT_CLOSE_DELAY：主站发送关闭或者切换信道命令后，等待当前使用回程信道小站关闭信道的最大延时。如果在这段时间内未收到小站关闭失败的状态报文，则认为小站关闭成功；如果是切换信道命令，则下一个信道使用者在收到主站切换信道的控制报文后，等待到该时间结束，如果没有收到主站发送的停止打丌信道的控制报文，则表明原先使用信道的小站已经成功关闭小站，可以打开回程信道了。

3.CLIENT_OPEN_DELAY：主站发送切换命令后，首先等待当前使用信道的小站关闭，在等待CLIENT_CLOSE_DELAY时间后小站没有响应，则进入下一个小站打开信道的过程，主站继续等待CLIENT_OPEN_DELAY时间，如果没有收到下一个小站成功打开信道的状态报文，则认为打开失败。此时为了保证组播的正常功能，需要打开“虚拟小站”的回程信道

4.CLIENT_COMMUNICATION_DELAY：当小站获得回程信道使用权后，主站为了防止小站出现掉线的情况，需要和小站保持联络，即隔一段时间发送保持连接的控制报文给小站，小站必须响应该数据报，发送回状态报文。如果在CLIENT_COMMUNICATION_DELAY时间内小站没有响应，则认为小站可能掉线；如果连续发送三次控制报文小站都没有响应，则认为小站已经掉线。

5.KEEP_ALIVE_INTERVAL：主站发送给小站保持连接命令报文的间隔时间。

6.MODEM_CONTROL_DELAY：服务器通过串口控制调制解调器操作后，等待调制解调器状态改变以及信道恢复的延时。

本发明的特征在于，该方法是在由一个主站与多个小站组成的星形拓扑结构中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)初始化：

主站服务器，设在主站上，服务方用于提供包括域名服务和电子邮件服务在内的各种服务，同时起整个系统和互联网通信的网关的作用，从主站到小站的数据被封装到数字视频广播传输流DVB中按照DVB-S协议规范以组播的方式发送到小站，在主站服务器上设有以下数据格式：使用组播向所有小站发送的命令报文格式以及通过双向链路和使用回程信道的小站进行交互的命令报文格式，其中

使用组播发送的命令报文格式包含：

a：查询回程信道使用者的命令报文，含有监听使用回程信道小站汇报信息的主站地址IP和监听端口port；

b：主站退出前要求所有小站关闭的命令报文，含有前述的IP和port；

c：主站在接收到小站关闭信道失败的消息后通知其他小站不要打开调制解调器的命令报文，包含前述的IP和port；

d：主站切换使用回程信道小站的命令报文，含有前述的IP、port和id、time，其中id是该命令报文捎带的下一个要使用回程信道的小站的标识ID，time是下一个信道使用者在接收到该命令报文后到开始使用回程信道需要等待的时间；

使用双向链路发送的命令报文格式包含：

e：主站向使用回程信道的小站发出的保持连接的命令报文，供检测用，含有前述的IP、port、id；

f：主站向使用回程信道的小站发出的需要关闭信道的命令报文，供控制用，含有前述的IP、port以及信道必须关闭的最大延时；

小站服务器，用ID标识，设在小站上，与主站服务器配合为用户提供前述的各种服务，同时还充当所在局域网的网关，从小站到主站的数据被封装到V.35的帧中通过共享的回程信道传送到主站，多个用户采用分时段使用的方式共享一个回程信道，小站只能被动的向主站发送状态报文，其数据格式有以下几种：

a′：向主站报告当前信道是自己在使用的状态报文，含有自己的标识ID；

b′：向主站发送关闭调制解调器失败的状态报文，含有自己的标识ID；

c′：向主站发送打开调制解调器成功的状态报文，含有自己的标识ID；

d′：应答主站保持连接的命令报文，含有自己的标识ID；

e′：向主站发送放弃信道的状态报文，含有自己的标识ID；

步骤(2)网络动态接入和控制依次按以下步骤进行：

步骤(2.1)定义以下参数并设定其值：

主站发送出查询回程信道使用者的命令报文后等待小站响应的最大等待时间CLIENT_RESPONSE_DELAY，

主站发送关闭或切换信道命令后，等待当前使用回程信道的小站关闭信道的最大延时CLIENT_CLOSE_DELAY，

小站对主站的切换命令未在CLIENT_CLOSE_DELAY时间内做出响应，主站需继续等待的时间CLIENT_OPEN_DELAY，

小站向主站发送状态报文以响应主站保持连接的命令报文的最大延迟时间CLIENT_COMMUNICATION_DELAY，

主站向小站发送保持连接的命令报文的间隔时间KEEP_ALIVE_INTERVAL，

服务器通过串口控制调制解调器操作后，等到调制解调器状态改变及信道恢复的延时MODEM_CONTROL_DELAY，

设当前回程信道使用者标识CID为0，

设一个受主站服务器控制的“虚拟小站”以便在小站切换过程中，当主站确认下一个使用信道小站未能正确打开信道时能控制“虚拟小站”打开其回程信道，便于组播的正常发送，为此，设定“虚拟小站”的调制解调器的发送功能标识RF_STATE为“OFF”，不打开发送功能；

步骤(2.2)主站服务器按以下步骤进行：

步骤(2.2.1)设定运行的初始参数和小站使用者；

步骤(2.2.2)通过多播发送查询命令报文，判断是否有小站使用信道：

若有则设置CID为当前运行小站ID，并与其进行保持连接的操作；否则打开虚拟小站的发送功能，设置其发送功能标识RF_STATE为“ON”，设CID为0；

步骤(2.2.3)按以下步骤切使用换回程信道的小站：

步骤(2.2.3.1)选择下一个使用信道的小站，相应的在切换小站的命令报文中设置该小站的ID，在向所有的小站组播切换信道的命令，如果“虚拟小站”发送功能是打开的，则将其关闭，并设置其发送功能标识RF_STATE为“OFF”；

步骤(2.2.3.2)判断在指定时间内是否受到小站的应答信号：

若没有，则打开“虚拟小站”调制解调器的发送功能以便进行组播；

若有应答信号，则判断其类型：

当收到指定使用信道小站的确认信号，成功切换信道，主站设置CID为该小站ID，该小站开始使用回程信道，并保持连接；

当收到原先拥有信道小站关闭调制解调器失败的信号，主站首先组播通知其他小站不能使用回程信道，再与该拥有回程信道的小站通过双向通信直到该小站释放信道；

步骤(2.3)小站服务器按以下步骤进行：

步骤(2.3.1)小站启动，开始监听组播信道，如果又是回程信道使用者则同时需要监听双向信道；

步骤(2.3.2)当收到主站保持连接的命令报文时，回应主站信号，保持连接；

步骤(2.3.3)当收到主站关闭小站的命令报文时，关闭信道，退出；

步骤(2.3.4)当收到主站要求小站释放回程信道的命令报文时，关闭信道，转步骤(2.3.1)；

步骤(2.3.5)当收到主站查询命令报文时，若小站拥有回程信道，则把查询结果通知主站，否则转步骤(2.3.1)；

步骤(2.3.6)当接受到主站切换小站的命令报文时按以下步骤进行：

步骤(2.3.6.1)若小站此时拥有回程信道，则尝试关闭调制解调器，如关闭成功则返回步骤(2.3.1)；否则，通过回程信道和主站联系，在主站的控制下释放回程信道；若不拥有回程信道则转步骤(2.3.6.2)；

步骤(2.3.6.2)根据命令报文判断，本小站是否是下一个使用回程信道的小站，若是，在指定时间内等待主站控制信息，在没有收到取消信道使用的命令下，打开调制解调器，使用回程信道并开始监听双向信道；若不是，则返回步骤(2.3.1)。

实验的测试环境如图5所示。卫星主站(发送方)由一个发送服务器(Sender)通过以太网口和一台Cisco2500系列路由器(Sat_thu1)相连，路由器的V.35串口通过卫星Modem(SDM-300)接入卫星室外单位(ODU)。卫星小站(接收方)由一个接受客户机(Receiver)通过以太网口和另一台Cisco2500系列路由器相连，路由器的V.35串口通过卫星Modem(SDM-300)接入卫星室外单位(ODU)。发送服务器和接收客户机都安装Linux系统。其中路由器标记为Sat_thu2的是真实小站节点，而标记为Sat_thu3的是“伪小站”节点。“伪小站”节点使用一条UDLR链路与主站的Sat_thu1相连，该UDLR链路是为转发在一个单向卫星链路的组播信息包提供一个反向信道，起到“欺骗”主站的路由器加入组播组成功的作用。主站和各小站的主机处于内网，并未连入Internet。主站下行192Kbps，上行64Kbps。

实验的结果表明，整个系统能够通过主站的控制稳定地运行。实验中测试得到的卫星网络延时约为200毫秒。因此，CLIENT_CLOSE_DELAY为30秒，CLIENT_OPEN_DELAY也为30秒。除去这一共60秒的信道切换时间外，其它时间小站都能正常的使用回程信道。

下面计算回程信道的使用率，在静态调度的情况下，假设我们的系统部署了m个小站，每个小站每天使用回程信道的次数为k次，那么每天的切换次数n＝m×k，则该系统(回程信道的最大使用率为

如果我们要求系统的使用率最低为50％，那么n的最大值为720，考虑到切换的代价，我们限制每个小站每天使用信道的次数不能多于5次，但可以根据需要延长每次的使用时间。因此我们系统的小站容量应该在150个左右。

如果在动态调度下，假设每天切换的次数为n，那么该系统的最大使用率为

考虑到时间开销，我们限定一次切换的时间间隔最少为10分钟，那么一天最多切换次数为144次，使用率为90％，使用率是相当高的。当然，在这种情况下，系统的小站规模也应该限制在150左右。

从上面的分析可以看出，我们的系统与采用时分复用技术的卫星回程链路(RCS)相比，在使用率方面有了很大的提高。在面向并非需要时刻使用双向通信的科学站，考察站等对象时，该系统应该是相当有效的。

从上可知，实验结果得到了预期的要求，与传统的卫星接入方式相比，我们虽然不能保证时刻都能使用回程信道，但我们通过组播弥补了部分应用的需求。例如与单载波单通道模式相比我们大大节约了经费，而与采用时分复用技术的卫星回程链路模式相比我们成本虽差不多，但我们的系统中一个用户独占一个回程信道，没有用户间的冲突，也不需要冲突检测和处理的协议，效率上又有了很大的提高。因此，可以说我们在节省了经费的同时也保证了小站对网络应用的需求，是一个有效，可行的设计方案，对于偏远地区的Internet接入，远程教育用户以及类似科学站，考察站等受到地域影响的，又对Internet接入有需求的对象都是一个良好的设计方案。

附图说明：

图1.系统总体结构框架图。

图2.“虚拟小站”结构示意图。

图3.卫星组网测试环境示意图

图4.动态调度的主站具体实施逻辑图。

图5.动态调度的小站具体实施逻辑图。

具体实施方式：

主站的运行步骤：

步骤1.定义相关参数，

步骤1.1设置系统延时参数，其中KEEP_ALIVE_INTERVAL为60秒，MODEM_CONTROL_DELAY为20秒，如果测试得到的卫星网络的延时为t，则其他参数定义为：

CLIENT_RESPONSE_DELAY：     50t

CLIENT_CLOSE_DELAY：        50t+MODEM_CONTROL_DELAY

CLIENT_OPEN_DELAY：         50t+MODEM_CONTROL_DELAY

CLIENT_COMMUNICATION_DELAY：30t

步骤1.2设定当前回程信道使用者CID为0，表示没有人在使用回程信道

步骤1.3设定“虚拟小站”调制解调器的发送功能标志RF_STATE为“OFF”状态，即不打开发送功能。

步骤2.启动主站控制程序，通过组播发送带有查询命令的命令报文，并等待CLIENT_RESPONSE_DELAY时间。

步骤2.1如果在等待时间内未接受到小站的状态报文，则认为当前没有人使用小站，通过串口操作打开“虚拟小站”的发送功能，并设置RF_STATE为“ON”状态，跳转步骤3。

步骤2.2如果收到小站状态报文，则根据回复报文中的小站client id修改CID，同时开始与小站进行保持连接的操作(见步骤4)，跳转步骤3。

步骤3.等待主站管理员的切换控制。当需要切换回程信道使用者时，通过控制界面选择下一个使用信道的小站，并设置切换小站的命令报文中的捎带ID为选择的下一个信道使用者，进入信道切换阶段。

步骤3.1通过CID和RF_STATE判断当前使用者并实现不同操作。

步骤3.1.1如果CID是0，RF_STATE为“ON”，则当前回程信道的使用者是“虚拟小站”，设置命令报文中的time为MODEM_CONTROL_DELAY，并通过组播将带有切换小站命令的命令报文发送出去。串口操作“虚拟小站”的调制解调器关闭其信道，设置RF_STATE为“OFF”，跳转步骤3.2。

步骤3.1.2信道使用者不为“虚拟小站”，设置命令报文中的time为CLIENT_CLOSE_DELAY，并通过组播将带有切换小站命令的命令报文发送出去。同时结束和当前使用信道小站的保持连接操作。主站在发送命令报文后等待CLIENT_CLOSE_DELAY时间，如果在这段时间内未接受到来自小站的报文，则认为当前使用信道的小站已经成功关闭信道，跳转步骤3.2；如果接受到来自小站的报文，则判断该报文内型。

步骤3.1.2.1如果该报文是关闭调制解调器失败的报文，则立刻通过组播发送取消打开信道的报文，并通过双向链路控制当前使用信道的小站，直到其正常关闭信道。然后通过串口操作打开“虚拟小站”调制解调器发送功能，并设置CID为0，RF_STATE为“ON”，跳转步骤3。

步骤3.1.2.2如果该报文是其他格式报文，出现异常，跳转步骤5。步骤3.2等待CLIENT_OPEN_DELAY时间。如果在这段时间内未接收到小站的状态报文，则认为小站打开信道出错，打开“虚拟小站”的回程信道，并设置CID为0，RF_STATE为“ON”，跳转步骤3。如果收到来自小站的状态报文，则分析该报文

步骤3.2.1若该报文是小站成功打开信道的状态报文，则设置CID为该小站的ID，并开始与该小站进行保持连接的操作(见步骤4)，跳转步骤3。

步骤3.2.2若该报文是其他格式的报文，出现异常，跳转步骤5。

步骤4.开启一新线程，与当前使用信道的小站进行保持连接的操作，同时设置超时计数T＝0。

步骤4.1每隔KEEP_ALIVE_INTERVAL时间发送给小站保持连接的命令报文，并等待CLIENTC_OMMUNICATION_DELAY时间。

步骤4.1.1如果接收到小站的状态报文，则小站连接正常，T＝0，跳转步骤4.1。

步骤4.1.2如果没有接收到小站的状态报文，T＝T+1。如果T＜3，跳转步骤4.1，否则认为小站掉线，设置CID＝0，通过串口操作打开“虚拟小站”的调制解调器的发送功能，设置RF_STATE为“ON”，结束线程，跳转步骤3。

步骤5.异常处理部分。主站通过组播发送所有小站关闭的命令报文，并退出程序。

主站运行的主要逻辑图如图3所示。

小站的运行步骤：

步骤1.定义相关参数，设定当前是否使用信道的状态标志RF_STATE为“OFF”，表示并未使用回程信道，CID为小站id，这个是事先由主站指定的每个小站唯一的标示。

步骤2.启动程序

步骤2.1监听组播信道。当收到主站的命令报文时操作：

步骤2.1.1如果是查询信道使用者的命令报文，则检查自己的RF_STATE状态，如果为“OFF”则忽略该报文；如果为“ON”则通过回程信道发送状态报文；跳转到步骤2.1

步骤2.1.2如果是小站关闭的命令报文，则关闭当前使用的连接，回程信道的使用者关闭信道，小站程序结束，退出。

步骤2.1.3如果是主站保持连接的命令报文，则回应主站命令，发回相应的状态报文，跳转步骤2.1

步骤2.1.4如果是主站要求关闭回程信道的命令报文，则关闭正在使用的连接，并在主站指定的时间内关闭回程信道，跳转步骤2.1

步骤2.1.5如果是切换小站的命令报文，则检查自己的状态RF_STATE以及小站的CID。如果RF_STATE为“ON”，即是当前使用者，则关闭回程信道。关闭成功立刻跳转步骤2.1，失败则向主站发送关闭调制解调器失败的状态报文，并跳转步骤2.1；如果RF_STATE为“OFF”且CID与报文中的id不一致，则跳转步骤2.1；如果RF_STATE为“OFF”但CID与命令报文中的id一致，则等待命令报文中指定的time时间。

步骤2.1.5.1如果在等待时间内接收到主站的取消打开信道的命令报文，则跳转步骤2.1。

步骤2.1.5.2如果未接收到主站的命令报文，则打开调制解调器的发送功能。如果打开失败，跳转步骤2.1，打开成功则通过回程信道发送主站打开成功的状态报文，同时丌始监听双向链路。跳转步骤2.1。

小站运行的逻辑图如图4所示。

Claims (1)

1.基于卫星组播及回程信道共享的网络动态接入与控制方法，其特征在于，该方法是在由一个主站与多个小站组成的星形拓扑结构中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)初始化：

主站服务器，设在主站上，服务方用于提供包括域名服务和电子邮件服务在内的各种服务，同时起整个系统和互联网通信的网关的作用，从主站到小站的数据被封装到数字视频广播传输流DVB中按照DVB-S协议规范以组播的方式发送到小站，在主站服务器上设有以下数据格式：使用组播向所有小站发送的命令报文格式以及通过双向链路和使用回程信道的小站进行交互的命令报文格式，其中

使用组播发送的命令报文格式包含：

a：查询回程信道使用者的命令报文，含有监听使用回程信道小站汇报信息的主站地址IP和监听端口port；

b：主站退出前要求所有小站关闭的命令报文，含有前述的IP和port；

c：主站在接收到小站关闭信道失败的消息后通知其他小站不要打开调制解调器的命令报文，包含前述的IP和port；

d：主站切换使用回程信道小站的命令报文，含有前述的IP、port和id、time，其中id是该命令报文捎带的下一个要使用回程信道的小站的标识ID，time是下一个信道使用者在接收到该命令报文后到开始使用回程信道需要等待的时间；

使用双向链路发送的命令报文格式包含：

e：主站向使用回程信道的小站发出的保持连接的命令报文，供检测用，含有前述的IP、port、id；

f：主站向使用回程信道的小站发出的需要关闭信道的命令报文，供控制用，含有前述的IP、port以及信道必须关闭的最大延时；

小站服务器，用ID标识，设在小站上，与主站服务器配合为用户提供前述的各种服务，同时还充当所在局域网的网关，从小站到主站的数据被封装到V.35的帧中通过共享的回程信道传送到主站，多个用户采用分时段使用的方式共享一个回程信道，小站只能被动的向主站发送状态报文，其数据格式有以下几种：

a′：向主站报告当前信道是自己在使用的状态报文，含有自己的标识ID；

b′：向主站发送关闭调制解调器失败的状态报文，含有自己的标识ID；

c′：向主站发送打开调制解调器成功的状态报文，含有自己的标识ID；

d′：应答主站保持连接的命令报文，含有自己的标识ID；

e′：向主站发送放弃信道的状态报文，含有自己的标识ID；

步骤(2)网络动态接入和控制依次按以下步骤进行：

步骤(2.1)定义以下参数并设定其值：

主站发送出查询回程信道使用者的命令报文后等待小站响应的最大等待时间CLIENT_RESPONSE_DELAY，

主站发送关闭或切换信道命令后，等待当前使用回程信道的小站关闭信道的最大延时CLIENT_CLOSE_DELAY，

小站对主站的切换命令未在CLIENT_CLOSE_DELAY时间内做出响应，主站需继续等待的时间CLIENT_OPEN_DELAY，

小站向主站发送状态报文以响应主站保持连接的命令报文的最大延迟时间CLIENT_COMMUNICATION_DELAY，

主站向小站发送保持连接的命令报文的间隔时间KEEP_ALIVE_INTERVAL，

服务器通过串口控制调制解调器操作后，等到调制解调器状态改变及信道恢复的延时MODEM_CONTROL_DELAY，

设当前回程信道使用者标识CID为0，

设一个受主站服务器控制的“虚拟小站”以便在小站切换过程中，当主站确认下一个使用信道小站未能正确打开信道时能控制“虚拟小站”打开其回程信道，便于组播的正常发送，为此，设定“虚拟小站”的调制解调器的发送功能标识RF_STATE为“OFF”，不打开发送功能；

步骤(2.2)主站服务器按以下步骤进行：

步骤(2.2.1)设定运行的初始参数和小站使用者；

步骤(2.2.2)通过多播发送查询命令报文，判断是否有小站使用信道：

若有则设置CID为当前运行小站ID，并与其进行保持连接的操作；否则打开虚拟小站的发送功能，设置其发送功能标识RF_STATE为“ON”，设CID为0；

步骤(2.2.3)按以下步骤切使用换回程信道的小站：

步骤(2.2.3.1)选择下一个使用信道的小站，相应的在切换小站的命令报文中设置该小站的ID，在向所有的小站组播切换信道的命令，如果“虚拟小站”发送功能是打开的，则将其关闭，并设置其发送功能标识RF_STATE为“OFF”；

步骤(2.2.3.2)判断在指定时间内是否受到小站的应答信号：

若没有，则打开“虚拟小站”调制解调器的发送功能以便进行组播；

若有应答信号，则判断其类型：

当收到指定使用信道小站的确认信号，成功切换信道，主站设置CID为该小站ID，该小站开始使用回程信道，并保持连接；

当收到原先拥有信道小站关闭调制解调器失败的信号，主站首先组播通知其他小站不能使用回程信道，再与该拥有回程信道的小站通过双向通信直到该小站释放信道；

步骤(2.3)小站服务器按以下步骤进行：

步骤(2.3.1)小站启动，开始监听组播信道，如果又是回程信道使用者则同时需要监听双向信道；

步骤(2.3.2)当收到主站保持连接的命令报文时，回应主站信号，保持连接；

步骤(2.3.3)当收到主站关闭小站的命令报文时，关闭信道，退出；

步骤(2.3.4)当收到主站要求小站释放回程信道的命令报文时，关闭信道，转步骤(2.3.1)；

步骤(2.3.5)当收到主站查询命令报文时，若小站拥有回程信道，则把查询结果通知主站，否则转步骤(2.3.1)；

步骤(2.3.6)当接受到主站切换小站的命令报文时按以下步骤进行：

步骤(2.3.6.1)若小站此时拥有回程信道，则尝试关闭调制解调器，如关闭成功则返回步骤(2.3.1)；否则，通过回程信道和主站联系，在主站的控制下释放回程信道；若不拥有回程信道则转步骤(2.3.6.2)；

步骤(2.3.6.2)根据命令报文判断，本小站是否是下一个使用回程信道的小站，若是，在指定时间内等待主站控制信息，在没有收到取消信道使用的命令下，打开调制解调器，使用回程信道并开始监听双向信道；若不是，则返回步骤(2.3.1)。

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