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 Sun, Z. Evaluation of Application Performance for TCP/IP via Satellite Links. Satellite Services and the Internet, IEE Seminar on

2、 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 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/

3、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)177223298204163 Internet中繼0017.1147200 Internet接

4、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) LAN Internet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RTT l 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

5、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

6、、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TCP 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掏铝渴嵌嗌伲?解：（1）傳輸完400K

7、B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）當慢啟動打開發(fā)送窗口達到1MB時，用了多 少RTT？ （2）發(fā)送該文件用了多少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?多少

8、？鏈路帶寬的利用率是多少？ 解：（1）當慢啟動打開發(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% 22 log (/)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)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

9、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 RTT 2 (1 log/ ) SS tRTTB RTT l 1.5 (1log/ ) SS tRTTB RTT l 假設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)報文段的平均長度為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

10、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3.915.737.916.299.4113.13 RTT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在10-210-6之間（無糾錯編碼時） 傳輸差

11、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之積稱為帶寬延時 積BDP BDP說明了一個TCP鏈路

12、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)送報文段的過程中，在未收到已發(fā)送

13、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)性 ； 2）降低擁塞窗

14、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?。▋H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，慢啟動算法

15、 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

16、加為2段 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

17、認，接收端可以告訴發(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ECN TCP Vegas：使用傳輸速率來實現(xiàn)

18、擁塞控制 TCP Peach：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

19、下，信關(guān)站需要完成不同版本TCP協(xié)議的轉(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

20、術(shù) 從網(wǎng)絡(luò)層來看基于IP的QoS管理機制，有兩 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

21、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

22、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

23、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） SkyBridgeKu 20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40 HughesLINKKu 1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 26 Virg