衛(wèi)星Internet接入技術綜述

1、衛(wèi)星Internet接入技術綜述信息技術在迅速發(fā)展，通信手段也越來越多。衛(wèi)星通信作為一種重要的通信方式，在數(shù)字技術的迅速發(fā)展推動下，得到了迅速發(fā)展。在我國復雜的地理條件下，采用衛(wèi)星通信技術是一種有效方案。在廣播電視領域中，直播衛(wèi)星電視是利用工作在專用衛(wèi)星廣播頻段的廣播衛(wèi)星，將廣播電視節(jié)目或聲音廣播直接送到家庭的一種廣播方式。 隨著Internet的快速發(fā)展，利用衛(wèi)星的寬帶IP多媒體廣播解決Internet帶寬的瓶頸問題，通過衛(wèi)星進行多媒體廣播的寬帶IP系統(tǒng)逐漸引起了人們的重視，寬帶IP系統(tǒng)提供的多媒體(音頻、視頻、數(shù)據(jù)等)信息和高速Internet接入等服務已經在商業(yè)運營中取得一定成效。由于衛(wèi)

2、星廣播具有覆蓋面大，傳輸距離遠，不受地理條件限制等優(yōu)點，利用衛(wèi)星通信作為寬帶接入網技術，將有很大的發(fā)展前景。目前，已有網絡使用衛(wèi)星通信的VSAT技術，發(fā)揮其非對稱特點，即上行檢索使用地面 線或數(shù)據(jù)電路，而下行則以衛(wèi)星通信高速率傳輸，可用于提供ISP的雙向傳輸。 一、衛(wèi)星TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸技術 利用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸逐漸成為網絡應用的主流。Internet在全球的急劇膨脹導致傳輸帶寬資源緊缺，這成為限制其發(fā)展的主要因素，業(yè)務應用一方面要求增大接入帶寬，另一方面對移動Internet的需求越來越大。衛(wèi)星通信的寬覆蓋范圍，良好的廣播能力和不受各種地域條件限制的優(yōu)點使衛(wèi)星通信在未來仍將發(fā)揮

3、重要作用，衛(wèi)星通信將是無線Internet的重要手段。目前，利用衛(wèi)星進行TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸(衛(wèi)星IP網絡)已經引起人們的重視。 1.衛(wèi)星IP網絡與TCPIP TCPIP是當今進行Internet網絡數(shù)據(jù)傳輸時使用的主要協(xié)議族。該協(xié)議族中，TCP和IP是核心，還包括一些其它協(xié)議。TCP和IP協(xié)議分別控制著數(shù)據(jù)在互聯(lián)網上的傳輸和路由選擇。IP是一個為廣域網設計的無連接網絡層協(xié)議，它被設計為網間互聯(lián)協(xié)議，IP數(shù)據(jù)報可在幾乎任何鏈路層協(xié)議上的網關(或路由器)間傳遞。從本質上說，IP是指導網絡上的數(shù)據(jù)包從發(fā)方電腦送達收方電腦。TCP則負責確保數(shù)據(jù)在設備之間進行端到端的可靠交付。 衛(wèi)星鏈路對TCPIP數(shù)

4、據(jù)傳輸?shù)挠绊懼饕磉_在TCP這一層(雖說理論上講TCP不必關心IP是運行于光纖還是衛(wèi)星上，但實際上必須考慮這一點，否則可能會使TCP邏輯上正確，但實際性能極差)。TCP使用基于滑動窗口的流量和擁塞控制方式，通過確認分組流實施控制(接收方窗口通知)。TCP使用基于往返定時器(RTh：round-trip timer)的自適應時鐘來調諧重發(fā)超時。TCP 為完成對數(shù)據(jù)確實認使用了滑動窗口機制，為防止擁塞采用了稱為"慢啟動"的策略。發(fā)方對喪失或損壞數(shù)據(jù)的重發(fā)，要求保留數(shù)據(jù)副本直至收到數(shù)據(jù)確認(ACK)。為防止大量可能喪失的數(shù)據(jù)副本占用大量存儲器并浪費帶寬，TCP采用了一個滑動窗口裝

5、置來限制傳送中的數(shù)據(jù)數(shù)量。隨著確認的返回，TCP在前移窗口的同時，發(fā)送不斷增加的數(shù)據(jù)。一旦窗口被占滿，發(fā)方必須停止傳輸數(shù)據(jù)直至更多確實認到達。雖然TCP能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沒有送達，但重新發(fā)送會進一步加劇信道的擁塞，從而進一步導致數(shù)據(jù)喪失。為防止網絡因擁塞而癱瘓，TCP只能降低傳輸速率以對數(shù)據(jù)喪失做出反應。但是從算法上講，TCP每次進行新的連接都必須從最低的傳輸速率啟動，TCP用返回的ACK來指示提高速率，這是一個較慢的線性增加的過程。這就是所說的“慢啟動”，即發(fā)送窗口依每次往返時間遞增，以發(fā)現(xiàn)可持續(xù)的吞吐量。 衛(wèi)星信道對TCPIP數(shù)據(jù)傳輸網絡有一定的影響，因為衛(wèi)星通信網是一個高帶寬延遲產物(BDP：b

6、andwidth-delay product)網絡。網絡的基本屬性是延遲(信息從發(fā)送節(jié)點傳播到接收節(jié)點的雙向等待時間，通常稱為往返時間)和帶寬(在某段時間內能傳輸?shù)谋忍財?shù))。BDP指一個網絡或信道是這兩個屬性(如網絡能容納的比特數(shù))的產物。在傳輸數(shù)據(jù)鏈路層，BDP代表網絡上任何時刻允許的最大待確認處理的信息數(shù)量，它占滿整個鏈路。BDP也指示出為了獲得最正確性能，端用戶必須擁有的緩存要求的上限。衛(wèi)星IP網需要研究的問題還有：QOS、互操作和路由選擇等問題，但其影響主要表達在通信流量(擁塞)控制和協(xié)議帶寬效率這兩方面，因此衛(wèi)星TIPIP傳輸研究也主要集中在這兩方面。 2.衛(wèi)星TCPIP傳輸?shù)幕靖?/p>

7、良 TCP是TCPIP中的用于可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸協(xié)議，TCP要求反饋以確認數(shù)據(jù)接收成功。衛(wèi)星信道的一些固有特性(如較大延遲、較高比特過失率和帶寬不對稱等)對通過衛(wèi)星鏈路進行TCPIP傳輸有一定的負面影響，主要表達在過長的TCP超時和重傳引起較大的帶寬浪費，此外還要考慮衛(wèi)星環(huán)境下的一些TCP特性，如窗口較小，往返定時器不精確，以及啟動窗口等問題。研究人員對提高衛(wèi)星網中的TCP性能提出了各種解決方案，研究涉及鏈路層過失控制方案和協(xié)議，更完善的TCP版本等各個方面。 (1)鏈路層改良 衛(wèi)星TCP中，鏈路過失率是一個主要考慮的方面。目前已有各種過失控制方案可供選擇，由于它們不是TCP專用的，放在此

8、僅簡單介紹一下。前向糾錯(EEC)方案和自動重傳(ARQ)協(xié)議是兩個主要的過失控制方法。前向糾錯方案中可以選擇卷積編碼和級聯(lián)編碼，一些較高級的編碼方案還同時采用比特交織技術減小突發(fā)錯誤的影響。較好的系統(tǒng)通過采取這些過失控制方案，BER值可超過10-7的范圍，從而使分組過失率到達10-9以上。但是由于過失控制方案引入了數(shù)據(jù)冗余，編碼復雜度減慢了衛(wèi)星調制解調器的速度并降低了帶寬效率。因此不同的業(yè)務和網絡條件支持的編碼方案的范圍是不同的。系統(tǒng)設計中應根據(jù)具體情況具體分析，例如，可根據(jù)業(yè)務對延遲是否敏感采用不同的編碼級數(shù)，還可使用數(shù)據(jù)壓縮技術抵消由編碼引起的帶寬效率降低。 自動重傳協(xié)議包括停止-等待、

9、返回和選擇重傳等三種類型。自動重傳協(xié)議由于額外的重傳延遲不適合較高的BER環(huán)境。盡管選擇重傳較另兩種自動重傳效率高些，但需要調制解調器中有較高的復雜度，TCP和選擇重傳間的相互影響還有待深入研究。 (2)TCP改良 對于衛(wèi)星TCPIP數(shù)據(jù)傳輸，由于延遲時間過長，通常的TCP滑動窗口大小限制了衛(wèi)星鏈路的最高吞吐量；同樣，由于ACK從衛(wèi)星返回得十分緩慢，TCP到達全速時需要一個較長的提速時間，即使對于一個較小的數(shù)據(jù)連接也是如此。許多調整的參數(shù)可用于增強TCP的性能，包括數(shù)據(jù)段、定時器和窗口的大小。TCP實現(xiàn)中含有大量擁塞防止算法，如啟動、選擇重傳和選擇確認，它通常能改良像Internet這樣的共享

10、網絡的性能。但在許多擁塞控制算法，特別是慢啟動中，當中等數(shù)量數(shù)據(jù)正在一個具有較大帶寬延遲特性的鏈路上傳輸時，會產生端到端通信的低效帶寬利用問題。對此需要有相應的解決方法。 A.基本TCP改良 TCP的一個問題是它的缺省窗口大小僅限于16bit，這個值對于衛(wèi)星高BDP來說是不夠的。由于要求的窗口大小很容易超出最大允許的65536字節(jié)，這限制了最大吞吐量接近1MbitS(低于T1速率)。簡單地為TCP窗口大小安排更多的比特是不可行的，因為對報頭的相應改變會造成老版本網絡互聯(lián)的復雜化。窗口擴縮(window scaling)選項解決了這一問題，它允許啟動時的連接協(xié)商一個比例因子，這個因子通常是2的冪

11、，最大允許窗口到達32bit，這對于衛(wèi)星網絡是足夠了。然而增大的窗口也會引起序列號繚繞的問題，要求附加繚繞保護序列號(PAWS)機制。這兩個特點對于衛(wèi)星TCP是基本的，特別對于GEO系統(tǒng)猶為如此。 較大的往返延遲偏差將導致不精確的往返時間估計，它最終將降低TCP的喪失檢測機制的效能，可能導致?lián)砣罎ⅰCP的定時機制一次僅計時一個TCP數(shù)據(jù)段，造成對于動態(tài)條件和較大窗口環(huán)境而言過粗的取樣速率，特別是在緩存延遲與傳播延遲數(shù)量級相同時。在啟動時顯示的TCP，回應(echo)選項通過將一個發(fā)端時基與每個數(shù)據(jù)段相關聯(lián)解決了這個問題。接收方回應這些時，給出處理延遲的ACK定時器和不連續(xù)序列號(如丟掉的數(shù)

12、據(jù)段)的措施?？紤]到較大的延遲偏差和增加的緩存要求，回應選項對于TCP衛(wèi)星網絡很重要。 B.選擇性確認改良 TCP接下來的一個主要缺點是它易受多個喪失的影響，造成它失去它的“自計數(shù)”屬性和超時。在長延遲網絡中，阻止不必要的窗口減小并僅重發(fā)受損丟落分組，有助于提高帶寬利用率，如ITU-T為衛(wèi)星制定的SSCOP協(xié)議。這類協(xié)議稱為選擇性確認(TCP SACK)，對TCP協(xié)議提出了明顯的改良。TCP SACK是一個數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)算法，其中接收方能夠有選擇地示意哪個數(shù)據(jù)塊(數(shù)據(jù)段)沒有收到。這允許接收方僅精確地重傳這些遺漏的分組，從而有效地降低了不必要的重傳。 研究結果顯示TCP SACK適合于具有中等喪失率

13、(低于窗口大小的50%)的長延遲網絡環(huán)境，對于線路喪失率較嚴重的網絡，在SACK基礎上改良的前向ACK (FACK)建議比較適合。前向ACK進一步地結合了擁塞控制以及數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)算法，盡管對于高噪聲衛(wèi)星環(huán)境還有待進一步研究，前向ACK有望提供較高的性能增益。 C.非對稱性考慮 信道不對稱問題的一個有效的解決方法是確保適當?shù)姆聪驇挷⑹褂贸浞执蟮姆纸M。否則，增加的前向ACK在要求處理較大的線性速率突發(fā)錯誤。像彈出“舊的”ACK分組，甚至是操縱ACK序列號這樣更精細的ACK處理方案在這里也是有幫助的。這些方案試圖保持和退回包含較高序列號的ACK分組，整體上改良了吞吐量。 D.ACK控制方案 ACK控制

14、方案最初用于改良在ATM上進行TCP傳輸?shù)男阅?，由于TCP反饋環(huán)和ATM擁塞控制兩者的時間度量差異較大(前者為幾百毫秒，后者為幾毫秒)，引入ACK控制方案的目的是使兩者更好地匹配。其中有兩種方案引人注目，一種是延遲返回的ACK分組，一種是修改返回ACK分組中的接收機窗口段。ACK控制的好處是不需修改TCP協(xié)議棧，僅發(fā)端變得復雜一些。ACK控制方案不是ATM專用的，它也很適合衛(wèi)星網絡。 3.衛(wèi)星IP網絡的實現(xiàn) IP over衛(wèi)星和IP over衛(wèi)星ATM這兩種衛(wèi)星IP網絡各有特點，應用的通信衛(wèi)星技術有所不同。 (1)IP over衛(wèi)星 這里的衛(wèi)星主要指現(xiàn)階段的C或Ku波段靜止軌道衛(wèi)星，可用于作為

15、地面網中繼的大型衛(wèi)星關口站或VSAT衛(wèi)星通信網。這種方式主要是采用協(xié)議網關來實現(xiàn)。協(xié)議網絡既可以是單獨的設備，也可以將功能集成到衛(wèi)星調制解調器中。它截取來自客戶機的TCP連接，將數(shù)據(jù)轉換成適合衛(wèi)星傳輸?shù)男l(wèi)星協(xié)議(衛(wèi)星協(xié)議是根據(jù)前面所述的針對衛(wèi)星特點對TCP的改良)，然后在衛(wèi)星線路的另一端將數(shù)據(jù)復原成TCP，以達成與服務器的通信。整個過程中，協(xié)議網關將端到端的TCP連接分成三個獨立的部分：一是客戶機與網關間的遠程TCP連接；二是兩個網關間的衛(wèi)星協(xié)議連接；三是服務器方網關與服務器問的TCP連接。 這一結構采取分解端到瑞連接的方式，既保持了對最終用戶的全部透明，又改良了性能。客戶機和服務器不需做任何

16、改動，TCP防止擁塞裝置可繼續(xù)保留地面連接部分，以保持地面網段的穩(wěn)定性。同時通過在兩個網關間采用大窗口和改良的數(shù)據(jù)確認算法，減弱了窗口大小對吞吐量的限制，防止了將分組喪失引起的傳輸超時誤認為是擁塞所致。 (2)IP over衛(wèi)星ATM 為了滿足多媒體通信業(yè)務的需求，許多寬帶衛(wèi)星計劃正在快速發(fā)展中，采用星上處理和ATM技術是其主要特點。IP over衛(wèi)星ATM使寬帶衛(wèi)星能夠無縫傳輸Internet業(yè)務，因而這種方式的衛(wèi)星IP網將更好地滿足未來人們對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｔ谛l(wèi)星ATM網絡中，衛(wèi)星被設計為能支持幾千個地面終端。地面終端通過星上交換機建立VC(Virtual Channel)，與另一個地面終

17、端之間傳輸ATM信元。由于星上交換機有限的能力，每個地面終端能用于TCPIP數(shù)據(jù)傳輸?shù)腣C數(shù)量有限。當路由選擇IP業(yè)務進出ATM網時，這些地面終端成為IP與ATM間的邊緣設備(路由器)。這些路由器必須能夠將多個IP流聚集到單個VC中。除了流量和VC管理之外，地面終端還提供在IP和ATM網間擁塞控制的方法。衛(wèi)星上ATM交換機必須在信元和VC級完成業(yè)務管理。此外，為了有效利用網絡帶寬，TCP主機實現(xiàn)各種TCP流量和擁塞控制機制。IP over衛(wèi)星ATM可以利用前面討論的衛(wèi)星知P改良和協(xié)議網關等技術，地面網中IP over ATM的一些技術也適用。 由于衛(wèi)星在現(xiàn)代通信基礎設施中發(fā)揮越來越重要的作用，

18、衛(wèi)星網與IP網的結合是當今衛(wèi)星通信領域最熱門的話題之一。但由于衛(wèi)星網絡固有的一些特性影響了獲得良好TCP性能，主要包括長延遲、增加的比特過失率、網絡不對稱性。為保證可靠的端到端數(shù)據(jù)傳遞，提高衛(wèi)星TCP的性能，人們提出了許多有效的解決方案。這些方案對衛(wèi)星媒質要解決的主要問題是支持較大的流量控制窗口以及改良擁塞控制算法。隨著研究的進一步深入，在這一重要領域將出現(xiàn)更綜合、更完善的解決方案。在對TCP進行改良的同時，人們對IP over衛(wèi)星ATM進行了深入的研究。衛(wèi)星ATM網中傳輸TCPIP業(yè)務，要求從TCP機制和ATM機制兩個方面進行改良，IP over衛(wèi)星ATM技術將使衛(wèi)星通信在全球信息基礎設施中

19、發(fā)揮更大的作用，其技術進展值得關注。 二、衛(wèi)星Internet接入的特點 與其他通信技術相比，衛(wèi)星通信技術有著自己與眾不同的特點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.市場發(fā)展?jié)摿Υ?衛(wèi)星通信作為重要通信手段，已在我國得到廣泛應用，而利用衛(wèi)星通信技術來組織因特網，在我國是近幾年的事。但是其發(fā)展速度卻很快，我國國際互聯(lián)網的總帶寬已達700MHZ，其中利用衛(wèi)星傳送的帶寬已達208MHZ。據(jù)說，目前在國內已經上網的因特網用戶中，大約有10%的用戶通過衛(wèi)星接入網接入因特網，可見其潛力之大。隨著用戶數(shù)量的不斷增加，衛(wèi)星通信技術將在解決農村及遙遠地區(qū)通信和擴大因特網覆蓋區(qū)等方面繼續(xù)發(fā)揮其作用，這也說明，我國衛(wèi)星通

20、信的發(fā)展仍極具潛力。 2.使用數(shù)據(jù)包分發(fā)技術來提高傳輸速度 衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)包分發(fā)服務可以讓內容提供商能夠以高達3Mbps的速度(相當于普通Modem的100倍)向任意的遠端接收站發(fā)送數(shù)字、音頻、視頻及文本文件，如軟件、電子文檔、遠程教學教材等，衛(wèi)星通信的條件接入機制確保數(shù)據(jù)只被授權用戶接收。數(shù)據(jù)包分發(fā)服務主要利用衛(wèi)星信道天然的廣播優(yōu)勢，能夠以非常低廉的價格實現(xiàn)廣闊區(qū)域內大數(shù)據(jù)量的分發(fā)。信息以組播方式推送給一組衛(wèi)星通信用戶，這些用戶無須任何操作，只需打開電腦即可接受信息，實現(xiàn)我們通常提到的“信息推送”服務。 3.總通信成本低廉 衛(wèi)星通信作為一種新發(fā)展起來的衛(wèi)星通信業(yè)務，在衛(wèi)星因特網業(yè)務方面得到了

21、迅速發(fā)展。據(jù)DTT提供的研究報告稱，目前全球超過15%的因特網服務商使用衛(wèi)星作為其骨干網，其發(fā)展速度也很快，有些地區(qū)每四個月就翻一番。根據(jù)一些研究機構的分析，今后20年，通過衛(wèi)星傳送的話音業(yè)務基本維持不變，保持在100億美元左右，而數(shù)據(jù)型業(yè)務的發(fā)展將會很快，從2001年的300億美元到達2020年的800億美元左右。 4.發(fā)展需求大 由于通信、媒體、因特網及娛樂等得到迅速發(fā)展，對帶寬的需求增加很快，其中也包括對衛(wèi)星空間容量更大的需求。根據(jù)國際衛(wèi)星商業(yè)委員會(ISBC)的一份報告稱，全球因特網使用的衛(wèi)星空間段容量已達15Gbps，今后四年將增加五倍，到達64Gbps。 5.具有先進的技術優(yōu)勢 網

22、絡設計、系統(tǒng)構成、星間協(xié)調、星星處理等充分利用現(xiàn)代通信智能化、數(shù)字化及多媒體化的最新技術，以技術優(yōu)勢換取市場競爭和價格性能比上的優(yōu)勢。 6.能提供IP視頻流多點傳送 衛(wèi)星業(yè)務已在直播衛(wèi)星電視市場起步，衛(wèi)星通信將提供高清晰度電視業(yè)務。通過衛(wèi)星傳輸Internet電視，能為用戶提供視頻點播，針對用戶需求雙向傳送廣告，有選擇地觀看經過定制處理的更加豐富的電視內容。供企業(yè)用戶使用的視頻廣播和桌面電視會議也將寄希望于寬帶衛(wèi)星網絡。而IP視頻流多點傳送是又一種新的應用業(yè)務。這一應用是依靠衛(wèi)星技術所具有的廣播和覆蓋范圍寬的特點，對眾多的用戶提供視頻服務，如基于IP提供MPEG2實時視頻傳送。 7.高速接入 衛(wèi)星通信技術給因特網接入速度提高了一個層次，它將用戶的上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)別離，相對較少的上行數(shù)據(jù)(如對網站的信息請求)可以通過現(xiàn)有的Modem和ISDN等任何方式傳輸，而大量的下行數(shù)據(jù)(如圖片、動態(tài)圖像)則通過54M寬帶衛(wèi)星轉發(fā)器直接發(fā)送到用戶端。用戶可以享受高達400kbps的瀏覽和下載速度，這一速度是標準ISDN的3倍多，是28.8k Modem的14倍，它支持標準的TCP/IP網絡協(xié)議及WWW、E-mail、Newsgroup、Telnet等應用。同時，它不像ISDN和小范圍內應用的ADSL及Cable Modem技術，Di