《卫星通信》课件第6章 卫星通信网络技术.pptx

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

15、传输服务基础上，向应用程序提供端到端、有连接、可靠的数据流传输服务。TCP协议包括连接管理、差错控制、流量控制和拥塞控制等机制1 TCP协议p 连接管理 TCP采用三次握手程序建立连接 当数据传送完毕时，发送端和接收端通过四次握手来终止连接。p 差错控制机制 包括差错检测和差错恢复。TCP使用确认包、定时器和重传来完成差错控制。TCP超时与重传机制中最重要的部分就是连接的往返时间RTT的测量，即从发送方发出一个数据段开始到收到相应ACK的时间。由于网络状态的变化，RTT时间也会经常变化。TCP应该跟踪这些变化，并相应改变其超时时间。1 TCP协议p 流量控制机制 流量控制机制确保发送端发送的数

16、据量不超过接收端所能处理的最大数据量。TCP提供一个允许接收端规定发送端发送数据量的机制，它使用滑动窗口算法实现流量控制。为了避免缓冲区空间被耗尽，接收端向发送端通告它可以接收多少数据，这个工作由TCP头中的通告窗口域(RWND）来完成，通告窗口尺寸表示接收缓冲区中的空闲空间。1 TCP协议p 拥塞控制机制 拥塞控制中，TCP发送端维护三个状态变量：拥塞窗口CWND、接收端公告窗口RWND，和慢启动门限SS-THRESH。TCP拥塞控制机制采用一种加性增加乘性减少的（AIMD）、基于窗口的、端到端的闭环控制方式。拥塞控制一般由慢速启动算法、拥塞避免、快速重传和快速恢复算法组成。CWND用于保证

17、发送端不会使得网络超载；RWND用于保证发送端不会使接收端缓冲器溢出；SS-THRESH一般在TCP连接建立时初始化为65535字节。TCP-Reno拥塞控制机制1 TCP协议p 拥塞控制机制 慢启动算法CWND*2SS-THRESH慢启动结束，进入拥塞避免阶段 拥塞避免阶段发送端的CWND在每个往返时间（RTT）内增加一个最大报文段长度，因此CWND按线性规律增长 有两种报文段丢失的指示方法：超时机制是发送端主观判断网络拥塞的方法；重复确认则是发送端根据接收端的指示判断报文丢失的方法。1 TCP协议p 拥塞控制机制超时机制。发送端在发送报文段后启动重传定时器，如果定时器溢出时还没有收到确认，

18、发送端就重传该数据报文段，并将SS-THRESH重新设置为当前CWND值的一半，重新开始慢启动过程。重复确认。接收端接收到失序的报文段后，将立即产生一个重复确认对于发送端，由于不知道一个重复确认是由于一个丢失报文段引起的，还是由于出现了几个报文段的重新排序，因此需要等待少量重复确认到来。假如只是一些报文段重新排序，则在重新排序的报文段被处理并产生一个新的确认前，只可能产生1-2个重复确认。如果连续收到3个或3个以上重复确认，就认为是一个报文段丢失了，此时无须等待定时器溢出，立即重传丢失的数据报文段，这就是快速重传算法。接下来执行的不是慢启动算法而是拥塞避免算法，这就是快速恢复算法快速恢复算法1

19、 TCP协议影响 长传播延时拥塞窗口增长较慢。检测和恢复丢失的时间较长。接收窗口受限。高误码率无法区分拥塞丢失和受损丢失。不能很好地处理每个拥塞窗口中多个丢失的数据包。带宽非对称性输入确认的速率较慢。容易造成数据突发。造成不必要的超时重传。p 卫星通信对传统TCP性能的影响1 TCP协议改进p 卫星通信中对TCP/IP性能的改进 从TCP/IP协议角度的改进方法（a）端到端的解决方案TCP增强大的初始窗口。字节计数。使用较大的窗口尺寸。选择性确认。前向确认。使用路由MTU。TCP-PeachTCP-Peach将传统TCP协议拥塞控制的4个核心算法修改为：突然启动、拥塞控制、快速重传和快速恢复。

20、STCP为更好地利用长延时卫星链路的带宽，STCP以共享TCP状态信息的思想为基础，通过在连贯并存的连接间共享有关主机对间的信道信息，使到达同一目的地的新连接能够更有效地启动，并对并存连接进行协调。（b）链路层解决方案窥探ARQ协议前向纠错码1 TCP协议改进 从卫星链路角度的改进方法TCP Spoofing技术该方法主要用来解决长延时网络路径上TCP启动速率的问题。TCP Splitting技术p 目前卫星链路段的主要协议有如下几种 可靠UDP RTP协议 XTP协议2 SCPS协议p SCPS协议通过对TCP/IP协议进行修改和扩充，以适应空间通信环境中高误码、长延时等特点。SCPS协议簇

21、包括网络协议（SCPS-NP）、安全协议（SCPS-SP）、传输协议（SCPS-TP）以及文件协议（SCPS-FP）。p SCPS协议簇包括 SCPS-SP（SCPS Security Protoco1）与IPSec类似，为空间网络数据传输提供了可选的端到端保护。SCPS-TP（SCPS Transmission Protoco1）为空间通信网络提供端到端的数据传输服务。SCPS-NP（SCPS Network Protoco1）对应Internet中的IP协议。它提供非常简洁灵活的终端地址与组地址表示方法，提供数据包的优先级操作机制和每包路由控制机制。SCPS-FP（SCPS File Pr

22、otoco1）支持带宽受限环境下的文件传输与指令传输。2 SCPS协议p SCPS-TP在使用SCPS协议时是必须使用的，而其他三个协议可以用TCP/IP协议簇中的协议代替。p SCPS-TP相对于TCP的修改包括：采用SNACK与报头压缩技术来减小误码率；增大TCP拥塞窗口，以适应卫星通信中时延大的要求；数据速率控制功能，防止出现拥塞；可选择的多种拥塞控制机制；往返时延测量等功能。p 实际应用证明SCPS协议在卫星通信中比其它空间通信协议性能好，因此SCPS协议的地位也越来越重要，它对空间通信的贡献堪比TCP/IP对Internet的贡献。通过这些修改和扩充，SCPS-TP很好地解决了卫星通

23、信中误码率高、延时大、前向和反向链路差异大等问题。3 SR协议p 前向纠错和反馈重传以及两者的混合是数据链路层提供可靠传输的重要技术，其中反馈重传中的SR ARQ(Selective-Repeat ARQ)技术以其具有高的可靠性和传输控制能力得到人们的青睐，特别是在无线数据通信系统中。3 DTN协议p DTN体系结构为解决异构挑战性网络间的互操作，在异构网络的传输层与应用层间，引入捆绑层（bundle layer）。p 捆绑层作为端到端面向消息（message-oriented）的覆盖层，采用存储转发的消息交换机制、低层逐跳的消息确认机制以及可选的端到端确认策略，提供持续存储（persiste

24、nt storage）功能；采用保管传递（custody transfer）机制实现DTN节点间的消息重传与确认，增加消息传输的可靠性。p DTN不同于传统Internet等网络，主要具有以下基本特性：间歇连接。时延极高、数据率低。资源有限、寿命有限。随机动态拓扑。安全性差。异构互连。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 路由技术p 卫星通信网络由无线节点、星际链路和星地链路构成，路由算法的目的是为通信网络中源-目标节点对（Origination Destination P

25、air，OD-Pair）找到一条满足限制条件下的最优路径。从用户角度出发，这些限制条件可被称为服务等级（Grade of Service，GoS）和QoS，包含时延、时延抖动、阻塞概率、分组丢失率和吞吐量率指标；从系统管理角度出发，需要根据链路长短和负载状况进行网络资源分配和调度，以保证不同的GoS和QoS需求。p 卫星通信网络的路由算法主要存在如下特殊问题需要考虑：链路时延较大，需要频繁进行信息交互的路由方案不再适用；网络拓扑不断地变化，路由中断现象频繁，需充分利用卫星运行规律的可预测性来避免由路由中断带来的不利影响。1 路由技术p卫星网络路由策略虚拟拓扑策略。虚拟拓扑路由算法是利用星座运动

26、的周期性和可预测性，将动态变化的网络拓扑看作是一系列重复周期为 的网络拓扑快照。一个周期内的网络拓扑快照数为。通过选择合适的时间间隔，可使网络拓扑快照接近于实时的网络拓扑结构。虚拟节点策略。虚拟节点路由算法是将地球表面覆盖域按保持不变的逻辑地址划分，与地面覆盖域对应的空间节点视为一虚拟节点，代表运行到这个虚拟空间的卫星，卫星运动到不同覆盖域上方就使用不同的逻辑地址，路由确定主要根据虚拟节点来计算的。拓扑依赖策略。拓扑依赖路由算法是一种专用算法，主要是针对特定的星座类型，根据其网络拓扑结构特性，特别是系统切换问题，使用专用的路由协议计算2个地面节点间的一条无环路径。2 多播技术p 多播指的是点到

27、多点或多点到多点的信息传输过程，与传统单播（Unicast）通信方式相比，多播方式具有网络利用率高、带宽开销小、可扩展性强等优点。p 卫星多播技术的应用 交互式多媒体远程教学 远程医疗会诊 电视会议系统2 多播技术p卫星多播协议的问题在卫星多播网络中，卫星终端距离卫星通常只有一跳，所有接收者直接从卫星接收数据分组，在卫星和接收者间没有中间路由器。收到数据分组后，接收者直接向卫星发送确认包。也就是说，在卫星和接收者间没有物理的分级。这种结构上的差异导致许多针对地面有线网络提出的基于多播树的多播传输协议不再适合于卫星环境。网络拓扑结构的影响 卫星信道特性的影响相对地面多播技术来说，卫星信道的长传播

28、时延、高误码率、前向、反向信道不对称等给卫星多播技术带来了新的问题。3 资源分配技术p卫星通信网络的资源分配主要包括两方面：带宽分配研究卫星接入体制的目标是高效、合理地为系统用户分配带宽资源，在保障各类业务服务质量的同时，使卫星信道利用率达到最佳。除带宽受限，由于卫星平台载荷能力有限，星上转发器的总功率也受限，而各个点波束的传输速率由该波束的发射功率决定。因此如何对有限的卫星功率资源进行合理的分配，是多点波束卫星的关键问题，也是影响整个卫星通信网络性能的关键。功率分配3 资源分配技术p卫星多波束功率分配 典型的卫星多波束系统包括卫星交换机和多波束天线两部分星上受限的功率资源在多个点波束队列间如

29、何分配，将对卫星系统的性能产生重要的影响 经典的多波束卫星功率分配算法经典的多波束卫星功率分配算法：基于雨衰补偿的多波束功率分配算法，基于多链路质量平衡的多波束功率分配算法，以SINR为目标的多波束功率分配算法等；启发式多波束卫星功率分配算法启发式多波束卫星功率分配算法：如多目标遗传算法、多目标粒子群算法和多目标模拟退火算法，多目标萤火虫算法等。4 干扰协调干扰p 干扰分类 空间干扰空间干扰包括邻星干扰、相邻信道干扰和个别用户由于不规范操作而误发的信号干扰。自然干扰常见地面干扰有地球站设备的杂波干扰、电磁干扰、互调干扰、交叉极化干扰等。人为干扰p 抗干扰措施 天线抗干扰技术 扩频抗干扰技术 限幅和线性化技术 无线光通信技术对于通信卫星的自然干扰主要包括了以下的形式：雨衰、日凌、电离层闪烁和卫星蚀。人为干扰是指人为有目的性的对卫星通信进行干扰，其破坏性往往较强，而且在破坏后会带来严重后果。地面干扰4 干扰协调临星干扰p 邻星干扰的定义p邻星干扰的模型 静止卫星单邻星干扰 静止卫星双邻星干扰 非静止卫星与静止卫星间干扰p 降低临星干扰的方法 增加轨位间隔 使用性能更好的天线 隔离覆盖区 隔离频率 调整其它网络参数C l i c k t o e d i t c o m p a n y s l o g a n .