基于卫星的Internet关键技术

　　1　基于卫星的Internet的简介
　　近年来互联网得到了飞速的发展。与此同时，随着终端用户数量的不断扩大，以及新业务的不断涌现，对Internet提出了新的挑战。因此需要一种新的Internet基础结构来提供高速率高质量的服务，来满足各种各样QoS业务的需要。
　　卫星通信系统具有全球覆盖性、固定的广播能力、按需灵活分配带宽以及支持移动性等优点，是一种向分布在全球的用户提供Internet服务的最好的候选方案。另外，如果一个卫星通信系统经过良好的设计，可以覆盖整个地球表面，这对航空和航海用户和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。卫星网络是一个广播系统，对于飞速发展的点对多点和多点广播特别是宽带多媒体应用具有特别的吸引力。卫星网络可以用作宽带接入网接入各种各样的网络，或者提供固定和移动终端用户之间简单的通信服务。然而，卫星网络和现有的地面Internet基础的互操作性正面临着新的挑战。本文试图对正在实施的卫星通信系统整合internet的研究和一简单综述。
　　2　卫星通信基础
　　卫星通信系统包括空间部分和地面部分。地面部分包括关口站GS、网络控制中心NCC、操作控制中心OCC。其中NCC和OCC负责整个网络资源的管理、卫星的操作、轨道的控制。CS作为各种外部网络和卫星通信网络的网络接口。空间部分即卫星，包括静止轨道卫星GSO和非静止轨道卫星NGSO，其中NGSO根据对地球的高度可以分为中轨道卫星MEO和低轨道卫星LEO。
　　（1）GSO：系统的卫星位于地球赤道上主35786km附近的地球同步赤道上，卫星绕地球公转与地球自转的方向和周期都相同，因此卫星相对地球静止，只要有三个GSO卫星就可以覆盖除南北两极地球上所有的地区。然而GSO具有以下固有的缺陷：
　　1）在自由空间中，信号的强度与传输距离的平方成反比。GSO距地球较远，需要较大口径的天线和较大的发射功率；
　　2）信号经远距离的传输会带来很大的时延，典型的往返时延是250-280ms，这不利于实时通信。
　　（2）MEO和LEO：MEO距离地球表面3000km到GSO轨道，典型的往返时间是110-130ms。LEO位于地球表面200-3000km，典型的往返时间为20-25ms，和地面连接差不多。由于LEO和MEO卫星距离地球表面比较近，所需的天线尺寸较小，传输功率较低，但是覆盖范围较小。另外，由于卫星相对地球表面高速运动，用户必须进行卫星到卫星的切换。
　　（3）卫星的负载：由于卫星的成本较高，而且空间环境非常恶劣，所以卫星的负载具有简单性和健壮性。传统GSO采用弯管方式，作为地面两个通信点之间的中继器，没有星上处理OBP。而有些卫星系统允许OBP，包括解调/再调制，解码/再编码，转发器/波束交换，以及路由功能。OBPs支持高容量星间连接ISL，即两个卫星进行视距连接。
　　（4）频段：卫星通信系统经常使用的是C波段（4-8GHz）、Ku波段（10-18GHz）、Ka波段（18-31GHZ）。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。
　　3　基于卫星的Internet架构
　　基于卫星的Internet由于不同的卫星通信系统的设计（轨道类型，星上处理或者弯管，ISL的设计方式）采取了多种架构选择。卫星通信网络可以作为Internet枢纽的一部分或者是高速接入网。基于弯管卫星的Internet的典型方案如图1所示。

　　其中的卫星可以采用GSO、MEO或者LEO，可以提供Internet接入和数据中继服务。卫星通信网络通过GS与地面的Internet网络相连。但是，弯管架构缺少直接的空间传输，造成较低低频利用率和长时延。OBP和ISL可以用来构建空间网络，如图2所示。以上两种方式，用户终端是交互的，可以直接对卫星发送和接收数据。

　　由于Internet流量的不对称性（服务器传输到用户的数据流量比用户到服务器的数据流量大得多），现在有一种倾向，即通过直接广播卫星DBS提供Internet接入，每个家庭都安装一个只能接收的卫星天线，用来接收卫星广播信道上的高速数据，反向信道则由地面连接来提供。如图3所示。

　　4　技术挑战
　　在本节中，我们简要地总结一下基于卫星的Internet在设计和应用的过程中所面临的技术挑战，其中包括多址接入控制MAC，卫星通信网络的IP传输，以及TCP协议的修改和卫星专用的传输协议，这些都是适应于卫星通信系统特殊的环境。
　　4.1多址接入控制
　　在交互式卫星通信系统中，同一卫星覆盖区大量的用户终端都在竞争上行链路，MAC作为一种竞争用户接入共享信道的规则，在高效公平地利用有限的信道资源上起到重要的作用。MAC协议的性能对高层协议以及系统的QoS都会产生很大的影响。MAC协议的性能依赖于共享通信媒质和流量的两方面因素。卫星信道的长时延（特别是CSO链路），以及卫星上有限的功率资源，都限制了卫星上的转发和计算的能力。根据带宽在竞争者之间的分配方式，候选卫星通信系统的MAC方案可以分为固定分配、随机接入和按需分配3种。
　　（1）固定分配
　　固定分配可以建立在频率、时间或者码址的基础之上，采用的主要技术有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。在频分多址和时分多址系统中，每个基站都利用自己专用的信道，没有竞争，可以提供QoS服务，但没有充分利用信道资源。由于缺少灵活性和可伸缩性，因此这种分配方式只适用于流量平稳的小规模网络。
　　（2）随机接入
　　随着科技的进步，小型低速率终端（例如VAST）得到了广泛的应用，促进了个人和家庭的卫星接入服务。一个卫星覆盖区下的基站数量从几个发展到成百上千个，而且每个用户的流量迅速增长，基于竞争的随机接入方式逐渐取代固定分配方式。在随机接入方案中，每个基站发送数据都不考虑其他基站的传输状态，然而碰撞后的重传增加了平均传输时延，频繁的重传会导致很低的吞吐量。
　　（3）按需分配
　　尽管随机接入方式可适用于突发大流量的终端，但是却不能保证QoS。按需分配多址接入协议根据用户需要动态地分配系统的带宽，从而解决了上述问题。该协议在进行实际数据传输之前必须发送一个资源请求，而发出请求本身就是一个多址接入问题，但是请求消息比实际的传输数据的长度要小得多，可以确保预定消息碰撞以后重传。当预留成功以后，FDMA和TDMA系统对带宽进行整体分配，这样数据的传输就不再会有磁撞。
　　预留可以采取中心控制和分散控制两种方式。资源预留可以采取显式或隐式。
　　显式预留通常是由所有的基站共享一个指定的预留信道。每个基站通过预留信道发送一个短的请求，该信道具有一个固定的标识时隙号，基站采取固定分配模式接入预留信道（例如TDMA方式）或者随机接入方式（例如ALOHA方式）。预留成功以后，数据就通过数据信道进行传输。　　在隐式预留中没有明显的预留消息，每个时隙中成功的数据传输表示下一帧相应的预留时隙。因此，属于一个长传输序列的数据包经常占据相同的时隙号。帧中的空时隙号表示传输结束，在下一帧的开始，其他的用户就可以竞争这个时隙。这种策略对于流量相对稳定的业务（例如语音和图像）很吸引力，预约ALOHA就是其中的一种实现方式。
　　4.2卫星系统的路由问题
　　（1）低轨星座中的路由问题
　　具有OBP和ISL功能的低轨卫星的优点是短时延和无缝连接，这对太空中的Internet具有很强的吸引力。在这种网络中，主要的技术问题是由卫星的运动引起的复杂的动态路由。
　　（2）动态拓扑
　　尽管星座拓扑经常变化，但卫星的运动轨道是非常严格的，因此具有周期性和可预测性。Internet上一些常用的动态路由机制，如距离矢量和链路状态算法，在星座路由中不能直接使用，这是因为星座的拓扑经常发生变化，这会导致庞大的开销。下面介绍两种适用于动态星座的新概念：离散时间动态虚拟拓扑路由和虚拟节点。
　　1）离散时间动态虚拟拓扑路由（DT-DVTR）：该路由充分利用星座的周期性完全脱机工作。它将系统时间分为一组时间间隔，因此拓扑只在每个时间间隔的开始时变化而在其他时间保持恒定。在每个时间间隔内，路由问题可以看作是静态拓扑路由问题。多个连续的路由表存贮在卫星上，在拓扑变化时恢复出来。通过这种机制，脱机计算的复杂性就转化成卫星上大量的存贮空间。
　　2）虚拟节点（VN）：这种策略的目的是从路由协议中隐藏拓扑的变化。虚拟拓扑由VN组成，而VN是重叠在星座的物理拓扑之上的。即使卫星经过天空，虚拟拓扑仍然保持不变。每个VN保持状态信息，包括路由表和覆盖区域内的用户信息。在特定的时间内，VN由某一特定的卫星代表，当这颗卫星消失在地平线时，VN由经过上方的另一个卫星代表，状态信息由第一颗卫星传送到第二颗卫星。路由决策是建立在虚拟拓扑的基础上，协议不注意隐藏在状态传递中的动态星座分布。
　　（3）卫星上的IP路由
　　为了通过卫星星座来投递IP数据包，可以在卫星上直接采用IP路由。这种策略是建立在VN基础上的，它可以实现空间网络和陆地Internet网络的无缝连接，而且允许直接IP多播和IP的QoS。然而怎样处理不同长度的IP数据包以及星上路由表的规模问题，空间设备的计算和处理能力的限制，都是具有挑战性的问题。这种策略仍然处于初期阶段，而且在VN概念的应用上仍然有许多没有解决的问题。
　　（4）卫星上的ATM交换
　　许多系统中使用ATM作为星座的网络协议，其中包含了卫星专用的信令协议和链路层协议。在DT-DVTR的ATM中，同一对入口和出口卫星之间的所有虚拟信道的连接合并为一个虚拟通道（VPC），根据VPC标签来进行星上交换。如果采用这种系统来提供Internet服务，将使用IP over ATM或者其他相似技术。
　　（5）外部路由问题
　　内部的协议应该简单，卫星网络的细节应该在陆地网络中隐藏掉，反之亦然。目前的Internet通过使用自治系统AS的概念来实现这种隔离。
　　卫星系统在Internet中可以看作是一个自治系统（AS），如图4所示。许多边界关口运行外部路由协议，与陆地网络进行通信。只有那些星座外围的边界关口必须注意外面的地址和拓扑信息。所有经过卫星星座的数据包从一个入口BG进入卫星AS，其中BG负责决定每个数据包的出口BG，如果有必要，入口/出口BG进行打包拆包和地址解析。BG可以在卫星上或者在地面的关口站上实现。如果使用基于空间的BG，所需的计算和存储容量对于卫星来说是太庞大了。另一方面，如果采用地面上的关口站，数据包必须往返路程时延。在地面网络中，在任何自治区的内部链路要比自治区之间的链路有着更低的成本，然而卫星系统覆盖全球，在卫星星座内的路由可能比经过几个自治区传输的成本还要高。因此，从卫星星座到有些自治区域的目的需要使用多对BG（关口站）。
　　（6）单向路由
　　如前所述，通过DBS的Internet接入产生了单向路由问题，不能通过传统的动态路由策略来解决，这是因为其前提必须是双向链路，而在卫星广播模式下不再适用了，这是因为卫星的直接反向链路是不存在的。基于反向最短路径树的多点广播路由协议（如DVMRP）也遇到同样的问题。目前有3种方法解决这个问题。其中的一种方法就是不使用动态路由而使用静态路由，但是一个DBS为上千用户提供服务，不可能手动配置所有的路由表。另外2种路由方法是路由改进协议和隧道法。
　　1）路由改进协议：单向路由中，在单向链路一端具有只能发送接口的路由口指定为馈入端（Feeder），而在单向链路另一端具有只能发送接口的路由器称为接收端（Receiver）。改进的主要思想分为2部分。首先，改进的协议应该能够使接收端在从接收到的路由更新信息中识别潜在的馈入端，并且忽略无用的路由信息，与此同时保持有用的报表并维护相邻路由器的连接。其次，馈入端取得路由信息后，能够通过单向链路经过接收端，更新可以到达的目的地的路由信息。
　　2）隧道：隧道提供了一个链路层，用于在路由处理中隐藏网络的不对称性。在一个DBS和用户之间采取打包和拆包的方式建立一条虚拟的链路。这种虚拟链路就是隧道。从用户到DBS的数据包通过隧道进行分发。首先在用户端的隧道终点进行打包，根据路由协议，将数据经由隧道通过实际的陆地反向信道进行分发。隧道终端捕获到传输至卫星上的数据包后，先进行拆包，然后通过路由协议前向传输，可见，数据报是通过双向链路传输过来的。
　　以上的2种方法比较简单，而且由于隧道对上层协议是透明的，可以在DBS Internet接入网架构中很快得以应用。然而卫星是点对多点的广播系统，这2种方案设计都是基于点对点的单向链路。因此需要更深入的研究来对这种架构进行优化，设计出新的方案。这2种方法都是着眼于同一自治区内的路由问题，没有解决自治区之间的路由问题，因此需要新的域间路由方案来解决单向链路问题。
　　4.3卫星传输
　　TCP/IP和UDP/IP协议组构成了Internet的基础，而且在不久的将来不可能被完全抛弃。因此，基于卫星的Internet应该能够继续提供基于TCP和UDP的应用。然而，这2种协议的性能受到卫星链路的长时延和易出误码的影响，尤其对TCP的影响更大。这里我们首先提出基于卫星链路的TCP协议的主要的局限，然后对卫星传输问题进行简单的研究总结。
　　（1）基于卫星的TCP协议的性能
　　TCP通过一种确认的反馈机制来进行流量控制和可靠地传输数据。卫星链路的长时延增大了TCP端到端的时延，导致确认信息的延缓。这种缓慢的反馈会减弱流量控制，降低了避免拥塞的性能，并会影响吞吐量。另外，潜在的问题是由于LEO星座网络的动态拓扑导致了RTT（往返时间）的漂移。RTT的剧烈变化将导致错误的超时和重传。因此卫星链路没有得到充分的利用，需要一个和带宽一时延同步增长的窗口来提高吞吐量。
　　链路容易受到不同因素的影响（如干扰、衰落、阴影效应和雨衰），因此会有很高的误码率（BER）。但TCP协议不会区分由于传输错误造成的数据包错误还是由于拥塞造成的数据包丢失，对这两种都无法确认，而被解释成网络拥塞的标志。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。而且，网络的不对称性也降低了TCP的性能。反向链路的容量的限制会导致缺少确认的问题，积存的反馈信息将降低窗口的更新速度。而且，由于反向链路阻塞造成的确认信息的丢失，可能会引起不必要的重传。
　　在TCP中的另外一个问题就是不同RTT的TCP连接的公平性。当那些TCP连接共享一个有瓶颈的链路时，有较长RTT的TCP连接会得到不公平的带宽分配。
　　（2）性能的改进
　　IETF TCP工作组最近在RFC中提出了许多建议来提高基于卫星的TCP的性能。最后的2个方案采用的是非TCP技术。
　　TCP选择确认（TCP selective acknowledgement(SACK)）允许接收端指定正确接收的数据块，因此发送端只需重传丢失的数据块。TCP SACK能够恢复一个RTT时间内一个传输窗口的多个数据的丢失。
　　事务TCP能够将连接握手的时间由2个RTT减少到1个RTT，对于短暂的传输会有很大的提高。
　　永久TCP连接（HTTP1.1支持），允许多个小数据包通过一个永久的TCP进行传输，这种方法对于小流量的业务非常有效。
　　路径最大传输单元（MTU）发现机制允许TCP使用尽可能大的数据包来避免IP包分块。这样可减少报头负荷，消除分块和合并的过程，提高处理速度。
　　FEC用于链路层协议来提高卫星链路的质量，但是它不能解决所有的与人为噪声（如军事上的干扰）和自然噪声（如雨衰）有关的问题。除了FEC，采用一些其他的链路层的方法（如交织编码，链路层自动重发请求方案）也能降低卫星链路上传输数据包的差错率。
　　TCP协议的扩展能够解决基于卫星链路的标准TCP的一些局限性，但是其他的问题（如端到端的长时延和不对称性）没有得到很好的解决。有一种减少端到端时延的方法，是将一个卫星网络和地面网络的关口站的TCP连接分解成2个或3个连接。有以下3中方法可将卫星链路的TCP连接进行分解。
　　1）TCP欺骗：分解后的各个连接被GS隔离，这会在接收数据包时提前发出欺骗应答。在分解点上的GS负责重传所有的数据。
　　2）TCP分解：与欺骗方式不同，TCP连接完全进行分解。必须在卫星网络中采用一种合适的协议而不影响陆地网络采用的标准TCP协议。因此必须在分解点上采用一种灵活的协议转换器。
　　3）网页缓存：与以上2种方案不同，TCP连接在卫星网络的网页缓存进行分解。如果在缓存中有所需要的内容，那么卫星网络中连接到网页缓存中有所需要的内容，那么卫星网络中连接到网页缓存的用户可不必和外部的服务器建立TCP连接。网页缓存极大地降低了连接的时延和带宽的消耗。
　　5结论
　　在本文中，我们介绍了基于卫星的Internet，并讨论了一些可能的基于转发器和OBP卫星的Internet的架构。此外，我们研究了其中的关键技术，包括LEO星座、单向路由和卫星传输等问题。除此之外，我们还阐述了以下一些重要的研究课题。
　　（1）IP对QoS的支持：卫星系统的QoS支持的研究大多数是基于ATM的QoS，将ATM服务集映射到IPQoS。另外，基于ATM的TCP/IP会带来更多头部负荷，因此带来额外的处理时间和协议的复杂性，需要对业务整合和分离的Internet模型的直接支持。多协议标记交换MPLS，也可用于支持基于卫星网络的Internet的QoS（整合或分离的业务）间和陆地通信系统的整合，不同卫星网络的互联，以及复合卫星系统，都会带来更多的路由选择问题。因此在卫星通信系统的QoS路由将是一个很重要的研究课题。
　　（2）流量和拥塞控制：为确保卫星网络取得理想的性能并满足IP QoS的要求，需要一系列机制来控制流量和避免阻塞，同时需要流量管理、流量成型、监视和调度。防止拥塞控制的策略（如接入控制）和有效的拥塞指示策略对于保证特定的QoS是很重要的。