第8章衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)

1、目錄目錄一、概述一、概述二、衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三、衛(wèi)星三、衛(wèi)星TCP技術(shù)技術(shù)四、衛(wèi)星四、衛(wèi)星IP技術(shù)技術(shù)五、國外衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)五、國外衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)參考文獻l Zhili Sun. Satellite Networking Principle and Protocols. John Wiley & Sons,Ltd., 2005l 陳振國等. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術(shù). 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003l DOUGLAS E. COMER著，林瑤等譯. 用TCP/IP進行網(wǎng)際互連.北京：電子工業(yè)出版社，1998l Chotikapong, Y.; Sun, Z

2、. Evaluation of Application Performance for TCP/IP via Satellite Links. Satellite Services and the Internet, IEE Seminar on 17 Feb. 2000, Page(s):4/1 4/4. 一、概述 隨著人類社會對信息需求的不斷增長，對Internet網(wǎng)絡(luò)依賴性的不斷提高，Internet業(yè)務(wù)和寬帶綜合業(yè)務(wù)已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的低速話音和數(shù)據(jù)通信，成為通信網(wǎng)絡(luò)中的主要業(yè)務(wù) Internet業(yè)務(wù)和寬帶綜合業(yè)務(wù)也自然地成為了衛(wèi)星通信當(dāng)前迅速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域 衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)的特點及功能

3、n 特點傳輸速率高，如吉萊特（Gilat）公司與微軟等合作推出的利用雙向VSAT實現(xiàn)的Internet接入服務(wù)，能提供下行40Mb/s，上行153.6Kb/s的數(shù)據(jù)速率（但個人用戶只能獲得下行400Kb/s、上行56100Kb/s的速率）為了獨立于地面網(wǎng)絡(luò)，多數(shù)衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)使用微波或激光星間鏈路實現(xiàn)衛(wèi)星互連，構(gòu)成空間骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)由于衛(wèi)星鏈路的傳輸損耗大，在高速傳輸情況下，要求用戶使用具有較大口徑的天線。因此，短時間內(nèi)衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)將無法支持手持終端移動中的高速通信。n 功能為用戶或用戶群提供Internet骨干網(wǎng)的高速接入 作為骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，連接不同地理區(qū)域的Internet網(wǎng)絡(luò)運營商 西歐

4、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器（36MHz）數(shù)目的供求情況 轉(zhuǎn)發(fā)器需求 業(yè)務(wù)19951997199920042009傳統(tǒng)語音和數(shù)據(jù)177223298204163Internet中繼0017.1147200Internet接入00.49.913143電視和視頻5275285859641207二、衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 交互式衛(wèi)星寬帶Internet 接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)LANInternet骨干網(wǎng)直接接入用戶用戶群用戶站系統(tǒng)信關(guān)站ISP 非對稱衛(wèi)星寬帶接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星寬帶骨干傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三、衛(wèi)星TCP技術(shù)幾個概念：（1）往返延時RTTl 發(fā)送端從開始發(fā)送數(shù)據(jù)到它收到來自接收端的應(yīng)答，所需時間為信息傳輸?shù)耐笛訒r。（2）連

5、接容量（或帶寬延時乘積）l 發(fā)送端在接收到返回的應(yīng)答信息之前所能發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量，它受到接收窗口( 接收窗口為帶寬延時乘積)的限制。連接容量=帶寬RTT（3）長粗管道l 對于給定的最大窗口尺寸(帶寬延時乘積) ，大的往返延時將限制連接帶寬(即傳輸速率)，通常把帶寬延時乘積較大的數(shù)據(jù)連接稱為“長粗管道”。 TCP協(xié)議特點 面向連接的、端對端、進程對進程的可靠傳輸協(xié)議，為用 戶提供字節(jié)流傳輸服務(wù) 基于不可靠的IP服務(wù)來提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，采用了端對 端流量控制、擁塞控制和差錯控制機制來保證服務(wù)的可靠性 使用滑動窗口協(xié)議來實現(xiàn)端對端流量控制 使用慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復(fù)算法來完成 擁塞控

6、制 使用確認信息包、定時器和重傳機制來實現(xiàn)差錯控制 （一）TCP概述1、滑動窗口協(xié)議 接收端公告窗口即是發(fā)送滑動窗口，是接收端通告發(fā)送端的窗口大小數(shù)值 2、擁塞控制機制 TCP擁塞控制策略是在20世紀80年代后期由Van Jacobson提出 TCP的擁塞控制機制隨TCP協(xié)議版本的不同而不同，在目前常見的TCP-Reno中，擁塞控制機制由慢啟動算法、擁塞避免算法、快速重傳和快速恢復(fù)算法構(gòu)成 圖7-6 慢啟動-擁塞避免算法中CWND變化示意圖 3、慢啟動/擁塞避免機制例題1 按照圖7-6所示的慢啟動擁塞避免算法，假設(shè)TCP在一條往返延時為100ms的移動衛(wèi)星鏈路上傳輸一個400KB的文件。如果T

7、CP發(fā)送的報文段大小為1KB，則： （1）發(fā)送完該文件需要用多少RTT？ （2）此次傳輸?shù)挠行掏铝渴嵌嗌?？解：?）傳輸完400KB大小的文件，需要用RTT數(shù)為24 （2）此次傳輸?shù)挠行掏铝繛椋?（4008）/（240.1）=133.3 (Kbps)例題2 假設(shè)TCP在衛(wèi)星通信鏈路上實現(xiàn)一個擴展：允許窗口大小遠大于64KB。假設(shè)你正用這個擴展TCP在一條往返延時為100ms的1Gbps移動衛(wèi)星鏈路上傳送一個10MB的文件，而且TCP接收窗口為1MB。如果TCP發(fā)送的報文段大小為1KB，在網(wǎng)絡(luò)無擁塞、無分組丟失的情況下： （1）當(dāng)慢啟動打開發(fā)送窗口達到1MB時，用了多少RTT？ （2）發(fā)送該

8、文件用了多少RTT？ （3）如果發(fā)送文件的時間由所需的RTT的數(shù)量與鏈路延遲的乘積給出，這次傳輸?shù)挠行掏铝渴嵌嗌伲挎溌穾挼睦寐适嵌嗌伲?解：（1）當(dāng)慢啟動打開發(fā)送窗口達到1MB時，所需RTT數(shù)量為： （2）按照慢啟動/擁塞避免算法，發(fā)送該文件所需要的RTT數(shù)量為：35 （3）這次傳輸?shù)挠行掏铝繛椋?10/（35*0.1）= 2.857 (MB/s) 鏈路帶寬的利用率為： （2.857*8）/1000=2.2856%22log (/)log (1024/1)10SST MMS TCP在衛(wèi)星通信系統(tǒng)種存在什么樣的問題？（二）TCP在衛(wèi)星通信系統(tǒng)種存在的問題1、衛(wèi)星通信鏈路傳播延時較大2、衛(wèi)

9、星通信鏈路信息傳輸?shù)恼`碼率較高，造成數(shù)據(jù) 丟失，而這種可能被協(xié)議解釋為由擁塞所引起的3、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的帶寬延時乘積大4、衛(wèi)星鏈路的非對稱性1、長延時對TCP協(xié)議性能的影響 在新的TCP連接建立后，收發(fā)雙方都不清楚傳輸網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)負載情況，因此使用慢啟動來逐步探測傳輸鏈路的有效帶寬 對1個TCP連接，傳輸速率b約為 在TCP使用每報文段確認時傳輸比特速率達到B所需的時間 在TCP使用延時確認時，傳輸比特速率達到B所需的時間式中，l為報文段的平均長度（比特數(shù)） /bCWND RTT2(1log/ )SStRTTB RTT l1.5(1log/ )SStRTTB RTT l 假設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)報文段的平均長度

10、為1KB，則在不同的速率B和不同的確認方式下，TCP協(xié)議的慢啟動過程持續(xù)時間如下表軌道類型tSS（s）每報文段確認延遲確認B=1MbpsB=10MbpsB=155MbpsB=1MbpsB=10MbpsB=155Mbps低軌0.180.350.550.280.560.90中軌1.492.323.312.373.795.48靜止軌道3.915.737.916.299.4113.13RTT取值：GEO550ms，MEO250ms，LEO-50ms；延遲確認：每收到2個報文段確認一次。2、高差錯率對TCP協(xié)議性能的影響 地面有線傳輸網(wǎng)的差錯率很低，典型的誤碼率值低于10-10， 而衛(wèi)星鏈路的誤碼率通常

11、在10-210-6之間（無糾錯編碼時） 傳輸差錯從三個方面影響了TCP的吞吐率性能： 1）因出錯而丟失的報文段必須被重傳，因此增加了網(wǎng)絡(luò)資 源的消耗； 2）TCP發(fā)送端始終將報文段的丟失理解為網(wǎng)絡(luò)擁塞，因而 降低其傳輸速率，使得網(wǎng)絡(luò)資源的利用率急劇下降； 3）反向鏈路上的確認包丟失將會導(dǎo)致已經(jīng)接收到的報文段 的超時重傳，進一步降低協(xié)議的吞吐率性能。 衛(wèi)星鏈路的差錯具有突發(fā)性，而快速重傳和快速恢復(fù)算法通 常不能處理單個窗口內(nèi)的多個錯誤，因此TCP協(xié)議的擁塞避 免機制將嚴重限制窗口的增長 3、帶寬延時積對TCP協(xié)議性能的影響 一個TCP連接中，鏈路的最大有效帶寬與 連接的往返程時間RTT之積稱為帶

12、寬延時 積BDP BDP說明了一個TCP鏈路在一個RTT內(nèi)的最 大吞吐量BDP（KB）帶寬128Kbps244Kbps1Mbps2Mbps45Mbps155Mbps低軌(RTT=50ms)0.81.5256.2512.5281.25968.75中軌(RTT=250ms)47.62531.2562.51406.254843.75靜止軌道(RTT=550ms)8.816.77568.75137.53093.7510656.25 TCP的流量控制通過連接雙方通告自己的窗口大小來實現(xiàn) 在TCP頭部中，窗口大小是一個16位的域段，也就是說窗口 的最大值為216=65535字節(jié)，即64KB 發(fā)送端在發(fā)送報

13、文段的過程中，在未收到已發(fā)送報文段的確 認信息之前，發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)量不應(yīng)超過該窗口的大小 衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸延時較大，為了充分利用帶寬資源，必須在接 收到確認信息之前發(fā)送足夠多的數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中，這就需要 TCP連接的窗口足夠大 4、鏈路的不對稱性對TCP協(xié)議性能的影響 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中TCP的前向和反向鏈路在帶寬上 通常有著很大的不對稱性，即前向鏈路的有效帶寬 遠大于反向鏈路的帶寬 考慮到大量TCP傳輸?shù)膯蜗蛱匦裕ㄈ鐝木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 到遠程主 機），較慢的反向鏈路在很大程度上是可 以接收的 當(dāng)反向鏈路只具有有限帶寬時，確認包的聚集和丟 失使得確認信號流具有突發(fā)特性，帶來3種影響： 1）發(fā)送的數(shù)據(jù)流變得更具突發(fā)

14、性 ；2）降低擁塞窗口CWND的增長速度；3）快速恢復(fù)機制的效率降低 （三）改善衛(wèi)星TCP性能的方法 主要的解決技術(shù)可以粗略地分為兩大類1、端對端的解決方法：對標準TCP協(xié)議中一些基本參數(shù)的調(diào)整及協(xié)議的擴展，改進定時機制，采用更先進的流控和分組丟失恢復(fù)算法等 2、基于中間件（middleware）的解決方法：利用性能增強代理將網(wǎng)絡(luò)中的長延時和高差錯率部分與其余部分隔離，通過在長延時和高差錯率部分使用專用的協(xié)議來增強系統(tǒng)性能 TCP增強技術(shù)增大初始窗口 慢啟動算法中初始窗口很小（僅為1），使慢啟動時間較長，RFC 2414針對這一情況提出按下式確定初始窗口 按照這種方法，在每報文段確認時，慢啟動

15、算法中所需要的最大接收窗口恢復(fù)時間可以縮短為: 其中Wmax為最大允許接收窗口，Winit為初始窗口 min 4,max(2,4380)MSSMSS初始窗口=2max2init(log Wlog W)RTT慢啟動時間1、端對端的解決方法 TCP增強技術(shù)字節(jié)計數(shù) 字節(jié)計數(shù)是一種TCP確認計算方式 在字節(jié)計數(shù)方式中，擁塞窗口的增加數(shù)量是由每個 確認所覆蓋的先前未確認的字節(jié)數(shù)目來決定的，而 不是由確認的數(shù)目決定的 有兩種字節(jié)計數(shù)的算法：無限字節(jié)計數(shù)（UBC）和 受限字節(jié)計數(shù)（LBC）。 UBC每接收到一個確認就簡單的根據(jù)確認覆蓋的未 確認字節(jié)數(shù)目來增加擁塞窗口，而LBC則限制擁塞 窗口的增加為2段

16、LBC與UBC相比，防止了大量線性增加的突發(fā)數(shù) 據(jù)，從而減少了數(shù)據(jù)的丟失并提高了傳輸效率 延遲確認是指接收端不是對每一個收到的報文段進 行確認，而是收到第2個完整的報文段時才確認 在慢啟動過程中TCP發(fā)送端根據(jù)接收到的確認數(shù)目 來增加擁塞窗口的大小，而延遲確認將接收端發(fā)出 的確認數(shù)目減少了一半，因此擁塞窗口大小增加的 速度就減慢了 在慢啟動后才使用延遲確認，這樣在TCP連接主動 增加擁塞窗口大小時提供了足夠多的確認，而在 TCP連接穩(wěn)定后減少確認數(shù)目以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源 TCP增強技術(shù)慢啟動后的延遲確認DAASS 選擇確認是一種糾正發(fā)生多個數(shù)據(jù)段丟失時的TCP 處理的策略 使用選擇確認，接收端可以告

17、訴發(fā)送端所有接收成 功的數(shù)據(jù)段序列號，從而使發(fā)送端只重發(fā)那些確實 丟失的數(shù)據(jù)段，提高了 TCP傳輸?shù)男阅?在衛(wèi)星信道中使用SACK比標準的TCP在性能上有 很大改進 TCP增強技術(shù)選擇性確認SACK 在網(wǎng)絡(luò)開始擁塞時，顯式通告機制將IP包頭中1比 特ECN域設(shè)置為1來通知終端節(jié)點。相應(yīng)地，終端 節(jié)點減小其傳輸速率 發(fā)送端可以在重傳定時器超時或接收到3個重復(fù)確 認之前就可以收到顯式的擁塞信息，因此，如果一 個報文段丟失而沒有擁塞指示，則該報文段的丟失 就一定是由鏈路的差錯造成的，發(fā)送端無需降低其 傳輸速率 TCP增強技術(shù)顯式擁塞通告ECNTCP Vegas：使用傳輸速率來實現(xiàn)擁塞控制TCP Pe

18、ach：針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制方案：突發(fā)啟動和高速恢復(fù)SCPS-TP：針對標準TCP協(xié)議在空間通信系統(tǒng)種存在的問題進行擴展和改進STP：衛(wèi)星傳輸協(xié)議，提供面向字節(jié)流的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，其自動重傳請求機制使用選擇性否定確認其它端對端的解決方法 基于中間件解決方案的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 2、基于中間件的解決方案 TCP分裂法將整個通信系統(tǒng)分為衛(wèi)星段和非衛(wèi)星段兩個部 分，在非衛(wèi)星段中采用標準的地面網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議，在衛(wèi)星段 采用專用的衛(wèi)星傳輸協(xié)議 位于地面的TCP信關(guān)站通過地面網(wǎng)絡(luò)建立和維護與系統(tǒng)的地 面節(jié)點TCP連接，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建立和維護與遠端信關(guān)站的 連接 在某些情況下，信關(guān)站需要完成不同版本TCP協(xié)議

19、的轉(zhuǎn)換 因為主要的改進都在信關(guān)站實現(xiàn)，TCP分裂法無需修改終端 用戶的TCP協(xié)議棧 TCP分裂法（TCP Splitting） TCP欺騙法中，信關(guān)站作為一個欺騙代理，接收源 節(jié)點的數(shù)據(jù)報文段并代替目的節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送應(yīng) 答信號，使得源節(jié)點可以更快地發(fā)送數(shù)據(jù)；同時， 它還負責(zé)將接收的數(shù)據(jù)報文段可靠地發(fā)送到真正的 目的節(jié)點 因為主要的改動都在信關(guān)站實現(xiàn)，TCP欺騙法無需 修改終端用戶的TCP協(xié)議棧 TCP欺騙法（TCP Spoofing） TCP欺騙法中信關(guān)站的一種典型結(jié)構(gòu)四、衛(wèi)星IP技術(shù) 衛(wèi)星IP QoS 隧道技術(shù) 衛(wèi)星星座路由技術(shù) 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù) 從網(wǎng)絡(luò)層來看基于IP的QoS管理機制，有兩

20、 種方法：1）差別服務(wù)DS，通過配置優(yōu)先權(quán)域來區(qū)分服 務(wù)質(zhì)量和服務(wù)種類；2）資源預(yù)保留協(xié)議RSVP，依靠信令來預(yù)保留帶寬來 滿足一定的服務(wù)質(zhì)量。衛(wèi)星IP QoS 隧道技術(shù)往往用于使分組路由通過異種網(wǎng)絡(luò)傳送到接收方，也常用于在不改變現(xiàn)有Internet的基礎(chǔ)上支持新的網(wǎng)絡(luò)功能 隧道（tunneling）技術(shù) 寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)可能將隧道技術(shù)用在以下幾個方面1）將孤立的地面主機通過衛(wèi)星接入Internet或是與其 他孤立的地面主機或網(wǎng)絡(luò)相連接；2）小路由器利用隧道技術(shù)將其自身所在的局域網(wǎng) （LAN）通過衛(wèi)星接入到地面Internet或與其他地 面主機/網(wǎng)絡(luò)相連 一個完全支持IP路由的系統(tǒng)可以很好地支

21、持IP業(yè)務(wù)，但是卻 不一定可以很好支持非IP業(yè)務(wù)，如ATM分組和幀中繼分組 IP和ATM異種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)產(chǎn)生了一系列問題，特別是在IP組 播路由和QoS管理方面 解決在ATM中進行IP組播的一個方案是采用組播地址解析服 務(wù)器，將IP組播地址映射為ATM服務(wù)器地址 多協(xié)議標簽交換MPLS已經(jīng)被證明非常適合于IP-over-ATM 的狀況，而且很有可能成為ITU推薦的IP-over-ATM的方案 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 地面網(wǎng)的Internet路由協(xié)議，如開放式最短路徑優(yōu)先OSPF 和 路由信息協(xié)議RIP，需要在任何連接拓撲變化時交換全部網(wǎng) 絡(luò)拓撲信息。在低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中，拓撲信息的改變?nèi)绱酥?快，不可能做到快

22、速的更新全網(wǎng)信息 星座系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)有其自身的特點和規(guī)律： 1）由于星座運行的有規(guī)律性，拓撲結(jié)構(gòu)變化可預(yù)知 ； 2）利用回歸星座時，空間段呈周期變化； 3）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目相對固定。 因此，星座系統(tǒng)的路由是極具動態(tài)而又易于捕捉前后關(guān)系的 衛(wèi)星星座路由技術(shù) 衛(wèi)星星座路由策略 目前常用的路由策略包括：1）動態(tài)虛擬拓撲路由：其基本思想是利用星座拓撲的周期性 和可預(yù)測性來優(yōu)化路由；2）虛擬節(jié)點路由：利用星座拓撲變化的規(guī)律性來屏蔽衛(wèi)星的 移動性；3）基于拓撲變化的策略：需要明確知道衛(wèi)星拓撲的變化。 組播（Multicast）協(xié)議是目前運用于具有廣播能力的網(wǎng)絡(luò)中 的一種IP層協(xié)議 組播技術(shù)覆蓋了網(wǎng)絡(luò)的許

23、多領(lǐng)域，包括視頻和遠程會議、多 媒體簡報、新聞發(fā)布以及遠程教育等 到目前為止組播是基于無連接的，但是隨著業(yè)務(wù)需求的變 化，需要在組播應(yīng)用系統(tǒng)中加入必要的控制來提供QoS，包 括安全級別、帶寬、延遲、抖動、誤碼率、成本等服務(wù)參數(shù) 的控制 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù)五、國外衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)概況 系統(tǒng)名稱工作頻段系統(tǒng)衛(wèi)星和軌道特征覆蓋范圍預(yù)計系統(tǒng)容量*（Gb/s）星際鏈路星上交換投資（億美元）SkyBridgeKu20個軌道平面，4衛(wèi)星/軌道平面，1469公里軌道，53傾角70 215無無40HughesLINKKu1個赤道平面，8顆衛(wèi)星，軌道高度15000公里；2個傾斜軌道平面，7衛(wèi)星/軌道平面，15000公里軌道，45傾角全球155光鏈路衛(wèi)星交換時分多址基帶交換26VirgoKu15個軌道平面，1衛(wèi)星/軌道平面，軌道偏心率0.66，遠地點高度27300公里，63.4傾角9個區(qū)域性服務(wù)區(qū)100光鏈路無26.4AstrolinkKa靜止軌道，9顆衛(wèi)星全球9.6快速包交換40Teledesic*Ka24個