星地融合网络中基于分段确认机制的可靠数据分发方法与流程

本发明属于卫星移动通信领域，特别是指一种星地融合网络中基于分段确认机制的可靠数据分发方法。

背景技术：

1、卫星移动通信网络和地面移动通信网络历经30多年的独立发展，都取得了辉煌的成绩，但也存在各自的局限性。卫星移动通信网络可实现全球全天候覆盖，但相对封闭，建设和运行成本高；地面移动通信系统标准化程度高、全球产业链发达，但全球化覆盖能力有限，目前仅覆盖了不到6％的地球表面积。随着新的应用场景和多样性业务的出现，势必会打破卫星网络与地面网络独立发展的态势，实现星地网络的深度融合与优势互补。

2、国际标准化组织及相关联盟对星地融合网络架构设计和关键技术进行了初步探索，但仍然存在一些重大的技术挑战。其中一个热门话题是，在卫星长时延、高误码链路条件下，如何满足各种移动业务的服务质量要求。当业务数据经过卫星链路时，在地面网络中性能良好的tcp端到端重传机制，会因为rtt(round trip time，往返时延)过大而导致性能严重下降的情况。已有的研究在星地间增加pep节点(protocol enhancing proxy，协议增强代理)，进行tcp欺骗，将端到端tcp连接分为几段tcp连接。然而，这种方式不适用于星地融合网络，原因如下：1)地面移动通信系统(如5g)使用gtp-u(gprs tunneling protocol-user plane)隧道来实现基站与upf(user plane function，用户面功能)网元之间的n3接口、upf之间的n9/n19接口，用户数据(包括tcp报文)封装在gtp-u分组中，gtp-u隧道的中间节点看不到内层的tcp报文；2)如果一定要在gtp-u隧道中解析内层的tcp报文，不仅会极大地增加处理的复杂性，而且存在安全隐患。

3、gtp-u在传输层使用了udp协议，而udp没有确认重传的机制。在地面网络中，这一点不存在性能问题，因为地面网络链路质量好、时延低，利用端节点的tcp重传机制也能获得良好的性能。然而，如果直接在星上使用gtp-u协议，就会出现长rtt条件下tcp性能下降的问题。

4、为了使用地面移动通信系统的技术标准实现星地融合，需要对gtp-u协议进行改造，增加确认重传机制，实现星间、星地分段确认重传的可靠传输，解决tcp端到端重传的性能问题。

5、鉴于以上分析，实现基于gtp-u的卫星可靠传输机制，对于满足星地融合网络中多样性业务的服务质量保障十分必要。

技术实现思路

1、为了满足移动业务在卫星通信网络中的服务质量需求，本发明提出一种星地融合网络中基于分段确认机制的可靠数据分发方法。该方法可在卫星与地面移动通信系统融合组网场景下，实现基于分段确认机制的可靠数据分发。

2、本发明采用的技术方案为：

3、星地融合网络中基于分段确认机制的可靠数据分发方法，包括如下步骤：

4、步骤1：根据卫星移动通信系统规划好的网络拓扑，在网络部署时对需要可靠隧道传输的gnb和upf开启可靠gtp-u扩展功能；

5、步骤2：根据gnb和upf收到的数据情况，判断是否发起隧道可靠传输，若发起则转步骤3，否则继续接收数据，重复步骤2；

6、步骤3：gnb或upf作为gtp-u可靠传输发送端，在gtp-u/udp/ip协议头封装时，构建用以携带qos流标识的pdu会话容器类型扩展头，并构建可靠gtp-u容器扩展头，用以携带数据包的可靠传输信息，然后，将数据包缓存到相应的qos流标识的业务流重传队列中，启动重传超时定时器，如果定时器到期未收到选择ack确认信息，则重传数据包，若收到选择ack确认信息，则对已确认收到的数据包停止重传定时器并从业务流重传队列里删除该数据包；在数据包传输过程中，gnb或upf检测可靠gtp-u容器扩展头是否有新定义的可靠gtp-u容器，如果有，则回复携带选择ack信息的gtp-u数据包，告知gtp-u发送端已收到哪些数据包。

7、进一步地，步骤2中，判断是否发起隧道可靠传输，分为以下三种情况：

8、1)对于gnb空口收到用户终端发来的上行数据包，如果gnb已使能可靠gtp-u扩展功能，则通过包过滤规则确定此业务流qos，如果对可靠性有要求，则gnb发起隧道可靠传输；

9、2)对于upf的n6接口收到dn网络发来的下行数据包，如果upf已使能可靠gtp-u扩展功能，则通过包过滤规则确定此业务流qos，如果对可靠性有要求，则upf发起隧道可靠传输；

10、3)对于upf在n9/n19接口收到的gtp-u数据包，如果upf已使能可靠gtp-u扩展功能，则检测gtp-u扩展头是否有新定义的可靠gtp-u容器，如果有，则upf在终结前一段卫星链路可靠传输后再次发起新的一段卫星链路的隧道可靠传输；否则，upf在剥掉gtp-u/udp/ip协议头后，通过包过滤规则确定此业务流qos是否对可靠性有要求，如果需要可靠传输，则upf发起隧道可靠传输。

11、进一步地，步骤3中，回复携带选择ack信息的gtp-u数据包的具体方式为：

12、设置选择ack延迟发送时间，通过一个固定的定时器每隔延迟发送时间检查是否需要发送选择ack包；当需要发送选择ack包时，如果接收端有qos流标识相同的qos流数据包要发送，则在发送数据包里带上需要发送的选择ack信息，否则，单独发送只携带选择ack信息的gtp-u数据包。

13、本发明的有益效果在于：

14、1、本发明设计了在星载gnb和upf的gtp-u隧道协议模块里增加一个扩展功能模块，即可靠gtp-u模块。通过对gtp-u隧道协议进行扩展，实现移动业务数据报文的缓存、超时重传和确认机制，可以使移动业务在卫星通信的物理链路(星地链路gsl和星间链路isl)上实时分段监控数据报文的接收状态，并以链路段为粒度地快速发现丢包并重传。星上基于分段的可靠路由转发大大提高了卫星通信带宽利用率。

15、2、本发明考虑到向后兼容，当业务数据完全通过地面网络传输时，无需启用可靠gtp-u模块，以便减少处理开销。使用一个开关来使能可靠gtp-u功能，对于完全使用地面网络传输的情况，关闭此扩展功能；而对于使用了卫星段链路的卫星移动通信系统可以根据网络拓扑规划对卫星通信的物理链路需要可靠传输的gnb和upf开启可靠gtp-u扩展功能。通过支持可靠gtp-u功能开闭的选择性，可大大增加网络部署的灵活性。

16、3、移动业务有多样化的数据流对应不同的qos要求。针对qos保障的路由转发，一般都是基于预定义策略从不同维度(如用户级别、业务类型、业务内容等)。因此，卫星移动通信系统所支持的星上可靠传输也需要考虑业务感知，即星载gnb和upf仅对有可靠性要求的业务流做可靠路由转发。一方面由于gnb本身能感知业务qos，对于从用户终端发送的上行数据流可以由gnb根据业务qos感知的结果动态决定是否对本条业务流进行星上可靠传输，另一方面由于upf本身支持3/4/7层业务识别，对于从dn侧发送的下行数据流可以由upf经业务识别后得到的业务qos结果动态决定是否对本条业务流进行星上可靠传输。这样，卫星移动通信系统可以提供业务感知的星上可靠路由转发。