基于卫星的Internet接入技术的研究

2019-11-03 18:37:43

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供稿：网友

张少锋
浙江大学信息学院信息与电子工程学系

　　摘要近年来随着卫星通信应用的快速发展，卫星网络可提供更广泛的Internet业务。目前大部分的应用和业务是基于TCP和UDP协议，因为卫星链路和地面信道有许多不同的特性，所以TCP在卫星链路上的实现对TCP性能和应用有很大的影响。本文分析了卫星链路的特征和影响TCP性能的主要因素，提出了一种改进的Internet接入方案。

　　关键词卫星通信 TCP SACK

1 引言

　　随着互联网的飞速发展，终端用户数量不断扩大和新业务的不断涌现，都对Internet提出了新的挑战。卫星通信系统具有全球覆盖性，是一种向分布在全球的用户提供Internet服务的较好方式。尤其对处于边远地区缺少地面通信基础设施的用户是极为合适的，甚至是唯一的选择。即使是在有线网络密集的地区，卫星通信也可以作为日益拥挤的地面链路的一种备用选择。

2 卫星通信简介

　　卫星的类型包括地球同步轨道GEO卫星、中轨道MEO卫星和低轨道LEO卫星。GEO卫星位于地球赤道上方36000km高度的地球同步赤道上，卫星相对地球静止，只要有三个GEO卫星就可以覆盖除南北两极外地球上所有的地区。MEO卫星距离地球表面3000~35786km，LEO卫星距离地球表面200～3000km。由于MEO卫星和LEO卫星距离地球表面比较近，覆盖范围较小，因而需要数量较多的卫星才能覆盖全球。

　　卫星通信目前使用的频段如表1所示：

　　频段越高，波长越短，接收天线的尺寸越小，但是越容易受到多径衰落和雨衰的影响。

　　从技术和经济方面来看卫星通信的主要特点是：

　　（1）卫星的波束覆盖面广，通信距离远；

　　（2）便于一点到多址的连接和广播方式工作；

　　（3）通信稳定、可靠；

　　（4）通信电路开通迅速、简便。

　　基于这些优点，采用GEO、MEO或LEO卫星可以提供Internet接入和数据中继服务。3 卫星链路上影响TCP性能的主要因素

　　卫星Internet能够提供基于TCP和UDP的应用。然而由于各种因素，TCP在卫星链路上的应用使其性能受到很大影响，资源利用率较低。

3.1 TCP拥塞控制算法[5]

　　在介绍影响TCP性能的主要因素之前，先介绍一下Internet的拥塞控制算法。

　　TCP拥塞控制引入了慢启动机制，拥塞控制算法中需要三个参数：接收方窗口、拥塞窗口CWnd和拥塞窗口阈值。慢启动机制运行时先初始化拥塞窗口阈值，开始CWnd按指数规律增长（1、2、4、8…）。当CWnd超过拥塞窗口阈值时，CWnd按线性规律增长，出现定时器超时，拥塞窗口阈值被设置为CWnd当前值的1/2，并再次运行慢启动机制。

3.2 影响TCP性能的主要因素

　　（1）高信道误码率BER（Bit Error Rate）卫星信道容易受到干扰，由于在卫星信号传播中存在着衰落、阴影效应和雨衰等不同因素的影响，因此信道BER会很高。但TCP协议区分不了由于传输错误造成的数据包错误和拥塞造成的数据包丢失，这两种情况都被解释为网络拥塞的标志。当接收到一个损坏的数据包，即使没有拥塞发生，窗口的大小随即变为原来的一半，降低了TCP的性能。

　　（2）长时延由于卫星至地面的距离较远，GEO卫星的往返时间RTT超过500ms，这种长时延会减弱流量控制，影响吞吐量。以TCP最大缓冲区64KB计算，卫星信道的最大吞吐量为1Mbits（64×8kbit/500ms）。

　　（3）信道的不对称性卫星系统下行信道和上行信道间数据带宽分配不等，信道的上行速率低，而下行速率很高。一般情况下，用户向信息提供者发送的数据量少，而信息提供者向用户发送的数据量大。卫星系统可以满足Internet的要求，然而Internet是基于地面有线信道的对称性网络，信道的不对称性对TCP性能有很大的影响。速率较快的下行信道传输的大量数据会造成反馈信息的积存，降低了窗口的更新速度，上行信道阻塞造成的ACK丢失会引起数据的不必要重传，从而将降低网络的性能。

　　（4）变化的RTT[1] MEO卫星和LEO卫星距地较近，卫星的高速运转造成信号在地面基站间的传播时延发生变化，导致TCP源端至目的端的RTT漂移，从而影响了TCP性能。

4 改进的卫星Internet接入系统

　　基于卫星链路的特性及以上各种影响TCP性能的因素，提出了几种改进措施：

　　（1）TCP选择应答SACK（selective acknowledgement）[4] SACK是TCP处理策略的一种改进方案，在接收端指定所有接收成功的数据段序列号，发送端只需重传丢失的数据块。SACK能在一个RTT内恢复多个丢失的数据段，提高了TCP传输的性能。

　　（2）Web缓存把经常访问的邮件、数据和视频等资料存储在本地服务器上，使经常被访问的主页在本地就可得到服务。网页缓存极大地降低了连接的时延和带宽的消耗，从而节省了昂贵的卫星链路频带资源。

　　（3）协议网关在卫星主站上安装协议网关，协议网关提供一个既能充分利用卫星网络环境又不改变原有客户和服务器协议的办法。在协议关口把TCP协议的信号转换为一个特殊的适合于卫星链路的优化协议的信号，而在链路的另一端，由协议关口把数据重新转换成TCP数据。由于卫星优化协议不受TCP的限制约束，数据通过量将比使用TCP更大。

　　（4）应用LEO卫星提供全球的宽带Internet接入由于LEO卫星距离地球表面较近，大大减少了信号的传播时延。典型的RTT为20～60ms，和地面连接差不多，所以LEO卫星能提供实时能力较强的业务服务。另外，LEO卫星所需的天线尺寸较小，传输功率较低，随着LEO卫星系统自身的逐步完善，它可以提供蜂窝无线通信服务和与地点无关的宽带通信的Internet接入。

　　（5）星间切换和转发技术随着多点波束卫星的出现，使星上交换成为提高系统性能的有效手段。LEO卫星覆盖面小，需要数量较多的星座才能实现全球通信。相邻的星座之间通过星间链路ISL （Inter-Satellite Link）直接通信，空中路由和交换功能由安装在卫星上的路由器完成。另外，由于LEO卫星相对地球表面高速运动，LEO卫星在地面用户上空停留时间少于20 分钟，用户必须进行卫星到卫星的切换，LEO卫星必需将路由信息和未发送完的数据通过ISL转发至用户当前的LEO卫星以避免数据包的丢失。

　　（6）多点广播 GEO卫星覆盖面广，在卫星主站将邮件、数据和视频等信号通过编码、数字复用、加扰、调制和上变频把数据发射到GEO卫星.，它可以把数据广播到所有远端节点。GEO卫星提供了一个比地面网络简单、更经济的方法。多点广播技术是基于UDP而不是TCP上，它不会受到TCP的限制而充分利用了传输媒质的广播特性。然而，它没有内部数据可靠传输机制，所以更适合于图像和声音信号。

5 系统实现

　　GEO卫星和LEO卫星与地面上基于光纤标准的网络无缝地兼容通信，通过分接复用可将PDH信号映射为SDH信号，而充分利用地面SDH网络设施。随着数字通信技术、微电子技术等的快速发展和芯片处理速度的加快，可以采用先进的调制解调和编解码等技术来提高通信质量和效率。

　　（1）提高带宽效率和功率效率多进制正交幅度调制QAM信号的功率谱和带宽效率与多进制PSK调制信号相同，在功率效率方面，QAM优于多进制PSK。采用16 QAM可以提高信号的功率效率。

　　在带宽一定的情况下，信号的速率越大带宽效率越高。用FPGA技术可实现数据的复用和解复用。例如：多路以太网E1信号（2048Kbit/s），经过复用为3次群（34Mbit/s）或4次群（140Mbit/s）的高速信号，可以提高带宽效率。数据复用系统框图如图2所示：

　　（2）降低BER 采用信道编码和信源编码等组合方案来进一步降低BER。一方面采用前向纠错FEC和交织编码可降低信道传输中的的突发错误和成串错误，提高卫星链路的质量。另一方面采用维特比（Viterbi）编解码和RS（Reed-Solomon）编解码可以达到与陆地链路相当的BER，从而提高TCP/ip的性能。另外，在发射端采用一定的上行功率控制UPC，可以解决雨衰等带来的自然噪声问题。

　　（3）邮件、话音或多媒体业务在卫星主站将邮件、话音等低速率数据信号经复用、加扰、调制和变频后发射，在卫星接收站只要进行相反的操作即可恢复原来的数据信号。

　　针对多媒体业务，可采用MF-TDMA（多频-时分多址）技术。MF-TDMA的优势在于：载波频率和分配带宽都可以灵活适应多变的多媒体传输要求，而且时隙和突发速率都可以根据网控中心的要求来改变。只要在卫星主站数据封装设备中采用数字视频广播DVB/MPEG-2标准封装，结合现已成熟的甚小口径天线VSAT技术和陆地有线电视CATV网或光纤网，即可实现像远程教育和远程会议等不同带宽要求的宽带多媒体业务。

　　（4）双向数据通路在没有电话线接入的偏远乡村，个人用户只要在室外安装VSAT，利用PC机接上机顶盒，就可以接收高速率的数据，实现Internet接入的单向数据通路。在通电话线的地区，用PC机加上调制解调器，通过PSTN接入Internet，用户将请求信息通过Internet发到信息提供方的ISP，并获得所需要的信息，从而实现双向数据通路。

6 结束语

　　目前，中国偏远乡村大部分地区信息化程度比较低，如何寻求一种高效快捷的Internet接入方案是一个值得研究的课题。本文利用GEO卫星和LEO卫星优势互补实现Internet接入，可以充分利用地面现有的网络设施，满足各种业务的需求，具有一定的军事、商业和民用价值。然而LEO卫星网络的设计具有很大的挑战性，LEO星座距离参数的设计和星上IP路由技术仍需进一步的研究。

参考文献

[1] Yotsapak Chotikapong，Haitham Cruickshank，Zhili Sun . Evaluation of TCP and Internet traffic via low Earth Orbit Satellites。IEEE Personal Communications，june 2001：28-34

[2] Lioyd Wood，George Pavlou，Barry Evans . Effects on TCP of Routing Strategies in satellite constellations . IEEE Communications Magazine，March 2001：172-181

[3] G.Fairhurst . How not to design satellite links for TCP/IP . 2000 The Institutions of Electrical Engineers，10/1-10/6

[4] S. Floyd ｅｔａｌ . “An Extension to the Selective Acknowledgment（SACK） Option for TCP”. IETF RFC 2883，July 2000

[5] Andrew S. Tanenbaum 著，熊桂喜王小虎等译。计算机网络（第三版） . 北京：清华大学出版社，2000

　　张少锋，男（汉族），安徽省宿州市，工程师，硕士研究生，主要研究方向：网络与通信、嵌入式系统设计。

----《中国数据通信》