《卫星通信》课件第6章 卫星通信网络技术.pptx
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- 卫星通信 卫星通信课件第6章 卫星通信网络技术 课件 网络技术
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1、第六章 卫星通信网络技术v拓扑结构与特征第6章 卫星通信网络技术v协议体系pTCP协议pSCPS协议pSR协议pDTN协议v关键技术p路由技术p多播技术p资源分配技术p干扰协调技术1 单层卫星通信网络pGEO卫星通信网络 传输时延大。传输时延大。两地面站间往返时延(Round Trip Time,RTT)大约为550 ms,无法满足语音、交互式视频等实时性业务的时延需求。信号衰落严重。信号衰落严重。卫星通信信号的自由空间损耗与星地间的距离平方成正比,GEO系统中信号衰减非常严重,发射端需要采用大发射功率来克服此影响,同时接收端需要有较高的接收灵敏度。这对天线尺寸提出了更高要求,致使地面通信设备
2、的小型化难以实现。轨位资源受限。轨位资源受限。GEO卫星必须部署在赤道35786 km处,且卫星间需要保持一定的最小空间角度间隔,因此可以利用的轨位资源非常有限。不能覆盖两极地区。不能覆盖两极地区。GEO卫星位于赤道上空,地面接收站的通信仰角会随维度的增加而显著下降,对于两极地区则无法覆盖。GEO卫星覆盖范围广、与地面站指向关系固定、传播时延固定;在早期卫星通信系统中发挥了重要作用,可以便捷地为地球上相距很远的两点间提供中继通道。但由于轨道位置和高度的原因,其缺点主要表现为:1 单层卫星通信网络pLEO卫星通信网络 高速运动的影响。高速运动的影响。根据开普勒第三定理,卫星轨道越低,其相对地面的
3、运动速度越快,因此不仅对卫星的跟踪带来了困难,且严重的多普勒频移会影响卫星信号的接收质量,甚至不能正常接收。轨道高度的影响。轨道高度的影响。轨道高度降低致使单星覆盖范围下降,因此要几十甚至几百颗卫星构成星座以实现全球覆盖。拓扑结构的影响拓扑结构的影响。由于卫星间和星地间的拓扑结构不断变化,必然带来频繁的卫星切换和波束切换问题,以铱星(Iridium)系列为例,卫星切换平均每10 min一次,波束切换平均每1-2 min一次,因而系统建设维护成本和技术复杂度均大大提高;尽管LEO卫星单跳时延远小于GEO卫星,但由于网络的动态性,端到端的时延抖动较为严重,对系统的服务质量带来了不利影响。与GEO卫
4、星相比,LEO卫星轨道高度大大降低,因此传播时延大大降低,约为几十毫秒左右,在不经过回音抵消处理的情况下就可以满足实时话音传输的需求;同时LEO卫星的传输衰减也显著下降,地面用户可以使用手持终端进行通信。然而LEO卫星的缺点也很明显。1 单层卫星通信网络pMEO卫星通信网络 时延性能。时延性能。作为GEO和LEO卫星的折中,MEO卫星双跳传输时延大于LEO卫星;但考虑星际链路的整个长度、星上处理和上下行链路等因素,MEO星座时延性能可能优于LEO星座,且满足ITU-T的建议G.114和G.131所描述的400 ms话音通信最大传输时延要求。拓扑优势。拓扑优势。相对于LEO卫星,MEO星座切换概
5、率降低,多普勒效应减小,空间控制系统和天线跟瞄系统简化,一般能达到20o30o的通信仰角。与GEO卫星和LEO卫星相比,MEO卫星的特点是具有中等的覆盖面积、中等的星座卫星数量、中等的端到端时延和时延抖动、中等的传输损耗和中等的多普勒频移,因此近年来也逐渐得到业内关注。MEO卫星位于内外两个范艾伦带间的轨道上。星座一般由十几颗卫星组成,单颗卫星可视时间达12 h。1 单层卫星通信网络p单层卫星的网络存在的问题 单层卫星星座的时延过高单层卫星星座的时延过高 对于LEO卫星星座,时延过高来源于两方面的因素。首先随LEO星座规模扩大,传输路径上LEO卫星节点增加,虽然单颗LEO卫星处理时延不大,但整
6、体单层LEO卫星星座中的总处理时延积累值迅速增加。随着LEO星座规模扩大,路径中星间ISL数目迅速增加,而且LEO星间的路由切换概率较高,重路由过程严重破坏了单层卫星网络的时延指标。对于MEO星座来说,因为MEO卫星轨道较高,卫星数量较少,主要是ISL长度导致传输时延的过长。而GEO卫星的路径长度更大,时延也更大,且还存在覆盖不足的问题。在以上各个方面因素共同影响下,在远距离传输过程中,单层卫星网络时延指标过高;而在多层星座网络中,由于MEO卫星可接入时间长和GEO卫星位置相对固定,路径中卫星节点数目较少,ISL切换概率也较小,使多层卫星网络时延明显减小。在单层卫星网络中,为实现全球无缝覆盖,
7、常采用极轨道和近极轨道类型的星座在单层卫星网络中,为实现全球无缝覆盖,常采用极轨道和近极轨道类型的星座 在极轨道星座中,ISL在通过极地地区时,由于星载跟瞄系统技术原因会暂时关闭,因此该ISL所承载的流量必须切换到相邻的卫星上。随卫星星座规模不断扩大,ISL切换频率将增加,导致单层卫星网络中路由阻塞概率增大,包括一次路由中断概率和重路由中断概率增大。而在多层卫星网络中,通过高层卫星中继,网络可以降低ISL切换概率,从而达到降低网络阻塞概率的目的。1 单层卫星通信网络p单层卫星的网络存在的问题 单层卫星网络抗毁性较差单层卫星网络抗毁性较差 在多层卫星网络中,源卫星和目标卫星间存在差异性很大的备用
8、路由,在所选取路径中某颗卫星或某条ISL出现故障时,多层卫星网络能够容易地找到满足原有QoS要求(时延等条件)的代替路径。而在单层卫星网络中,源卫星和目标卫星间也存在多条备用路径,但能够提供同样时延指标的被选路径数不多,因此在所选路径中某颗卫星或某条ISL出现损毁下,单层卫星网络不易找到满足原有要求的替代路径。单层单层LEO卫星星座的星载跟瞄系统设计困难卫星星座的星载跟瞄系统设计困难 单层LEO卫星星座多数使用极轨道星座或是近极轨道星座。极轨道星座虽简化了星座设计过程,但逆向轨道间ISL设计问题成为影响系统性能的难点。若为满足覆盖缝两侧的实时通信要求而采用逆向轨道间ISL,则会增加LEO卫星跟
9、瞄系统设计的复杂性。即使通过适当增加实现复杂性实现逆向轨道间ISL,其性能也很难保证。为使用逆向轨道间ISL,需有特殊控制(如更复杂的差错控制功能和功率控制功能等),这样更增加系统实现的复杂性。在多层星座卫星网络中,通过MEO或GEO卫星中继服务,卫星网络不再需要维持低轨道星座中逆向轨道间ISL,甚至可以采用倾斜轨道来实现LEO星座,降低了对星载跟瞄系统的设计要求。不同轨道高度的卫星都存在其局限性。随着人们对卫星网络传输可靠性、服务质量和覆盖性能需求的不断提高,单层卫星网络逐渐难以保证系统设计的需求。2 多层卫星通信网络p多层卫星通信网络结构 按照卫星在网络中的位置,可以分为卫星接入网、卫星骨
10、干传输网两大部分。卫星接入网实现地面、空中、海上各类用户终端到卫星网络的连接,也就是通常所说的业务“上星”;卫星骨干传输网由相同轨道高度的单层卫星星座或者不同轨道高度的多层卫星星座构成,通过卫星链路完成通信业务在空间网络部分的路由、交换和传输过程。卫星通信网络的地面系统主要包括:卫星管控中心、卫星关口站、卫星DTH(Direct To Home,直接入户)终端、卫星远程接入终端、手持终端、移动车载(机载、舰载)终端、可移动终端(野外通信)等2 多层卫星通信网络p多层卫星星座设计 单层倾斜圆轨道卫星星座卫星对地球的覆盖,也就是地心角的一半为 多层卫星网络:上层卫星覆盖下层卫星星间距离最小通信仰角
11、3 卫星通信网络的特征p 传播时延长传播时延长由于卫星网络空间跨度大,卫星间、星地间的链路长度远大于地面网络中的链路长度,这将带来长传播时延。在地面网络中,影响端到端时延的主要因素是链路带宽瓶颈所制约的传输时延,多数情况下电磁波在链路中的传播时延可忽略不计;而在卫星通信网络中,对于GEO卫星,星地间单向传播时延为115-135 ms,即使是LEO卫星,由于端到端的通信过程会经过多跳星际链路,带来的总传输时延也会在数十毫秒量级。这种长传播时延将对卫星通信网络的性能带来很大影响,许多在地面网络中采用的方案无法采用。例如,当TCP用于长传播时延的卫星链路时,将面临三个主要问题:拥塞窗口增长较慢、丢失
12、数据分组恢复时间较长、接收窗口受限,严重制约了系统的最大吞吐量;而在卫星路由协议角度,需要节点间频繁交互信息的方案也将不再适用。p 误码率高误码率高卫星链路的另一显著特点是高误码率特性。由于空间跨度大带来的自由空间损耗较大,且信号受大气吸收、雨衰等因素影响,卫星通信链路具有相对较高的误码率。以TCP为例,其最初是为具有低BER(大约为10-9)的地面链路开发的:由于数据分组受损的概率低,因此所有TCP拥塞控制策略都将丢失的数据分组看作是拥塞指示;对于每个丢失的数据分组,TCP发送端至少将其传输速率减少一半。因此,对于数据分组因受损而丢失的情况,这是一个错误的响应,将造成传输速率不必要的降低。3
13、 卫星通信网络的特征p 高动态性高动态性对于非GEO卫星系统,由于空间节点处于不断运动中,引起链路通断状态、长度、连接关系等不断变化,这种时变拓扑结构给卫星通信网络的传输容量和服务质量带来了挑战;同时,空间主要节点处于预先设定的轨道上,其运行规律是可预知的,因此这种动态性不同于地面Ad hoc等网络情形。p 资源受限资源受限卫星通信网络是典型的资源受限系统,主要表现在:带宽受限、星上功率受限。日益增长的业务传输需求和受限的系统资源间呈现矛盾加剧,成为制约卫星通信网络大规模发展和应用的一大瓶颈。因此,如何合理分配信道带宽、星上功率等资源,在兼顾公平性的基础上最大程度提高系统容量和服务质量,是卫星
14、通信网络规划和设计中需要重点考虑的问题。第6章 卫星通信网络技术v拓扑结构与特征v协议体系pTCP协议pSCPS协议pSR协议pDTN协议v关键技术p路由技术p多播技术p资源分配技术p干扰协调技术1 TCP协议pTCP协议概述 IP协议工作于TCP/IP协议栈的网络层,实现对于采用不同传输介质或机制的网络集成以构成Internet,并为数据包的传送选择传输路径。IP协议提供“尽力交付”的数据包传输服务,是一种不可靠的数据包传输服务,可能出现丢失、错序和重复。为向应用层提供可靠的数据传输服务,TCP协议应运而生。TCP协议工作于TCP/IP协议栈的传输层,它在IP协议提供的不可靠、无连接的数据包
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