宽带卫星网与互联网的连接技术

hszhangtao

——卫星接入互联网

——移动互联网是互联网和移动通信网发展的一个方向。它为全世界成千上万的移动用户提供了一个宽阔的网络互连平台。由于通信卫星所具有的特点，从网络发展的初始阶段就有使用卫星连接几个地面网络的实例。在八十年代初期，SATNET就通过TCP／IP协议对欧洲的几个ARPANET网络进行了互连。

——从现有的系统来看，通过卫星连接地面网络有三种方式：（1）卫星与地面通信设施的混合结构，它建立在互联网的非对称性这一特点上。在这种结构中，用户的请求信息通过低速地面线路传给ISP，而下行数据则由高速卫星链路支持。（2）单独使用卫星链路的结构，在地面线路基础设施比较差的地方，这种网络使用的比较多。（3）卫星通过广播来开发互联网的信息服务功能，据统计，在互联网中大约有20％的信息属于广播服务，如新闻、音像发布等。在广播功能上，卫星是比地面网络更有效的一种媒体。

——在卫星接入互联网的发展中，出现过很多方案，支持不同的传输速率。如IDBS-A系统，IDBS-V系统以及IDBS-D系统等。IDBS是交互式数据广播系统。它使用电话网，相似的低速率网络或低速VSAT反向链路来接入ISP，使用一个或更多个DBS信道在正向链路上为终端用户发送大量的数据。IDBS-A系统使用标准的TV转发器上的一个音频副载波来提供192kb／s。发展的第二个阶段用VSAT来提供64kb／s到2Mb／s，即IDBS-V系统。随后发展了采用DVB／MPEG-2的IDBS-D系统。它通过卫星提供高速多媒体通信，经测试表明系统可以支持2到8Mb／s。

——上面所提到的这些系统基本上都是在用户终端增加SIU（卫星接口单元）和一个数字卫星射频接收机。在为卫星提供上行数据的地面站和基站上需要安装SGW（卫星网关）。SIU和SGW都是硬件和软件的合成，它们处理寻址、路由分配等问题，并提供接口功能。

——需要注意的是：所有以上提到的系统都是利用原有的卫星和地面网络、增加一些接口单元以及数据处理单元来实现的。使用的频段、星上设备等都与原有的系统相同。在更高的频段，卫星可以提供比现有的L或S等波段更宽的频带。像Ka、EHF等高频段的器件性能问题的解决更加促使通信频段向高端发展。目前正在开发中的很多系统，如ACTS的SECOM／ABATE开发了Ka和EHF频段，可以为便携或移动终端提供4kb／s到2Mb／s数据接入业务。

——宽带卫星网络构想

——图1是休斯公司提出的宽带卫星网。此网络的卫星部分由八颗静止轨道（GEO）卫星和分别处于四个轨道平面的20颗中轨道（MEO）卫星组成。MEO卫星的高度为10352km，周期为6小时，这样每24小时卫星星座将完成一次循环。GPS卫星可以提供移动终端的定位信息。

——此卫星通信网络可以提供以前的卫星接入互联网所不能提供的很多服务。它真正实现了对移动用户的多媒体服务。按计划，这个系统将要使用50／4OGHz频段，或其它的高频波段，以便为小型的用户终端提供高容量的服务。在一些情况下，每个GEO卫星为一个用户提供9．75Gb／s，每个MEO卫星51．2Gb/s。整个MEO卫星星座在世界范围内提供1026Gb／s。MEO和GEO总共28颗卫星的移动系统可以提供19OGb／s。网络可以支持一系列的数据速率，从4kb／s的压缩话音到1OMb／s的以太网速率。每种数据速率的用户数量会不断变化，相应的网络可以支持的用户总数也在变化。

——显然，移动用户通过此系统可以随时接入多种地面网络，包括互联网。它与以前的各种卫星接入互联网的系统相比有很明显的区别，如使用频段高，带宽大，可以为全球范围的移动用户提供服务。但是，TCP／IP协议在此类宽带卫星网络中会遇到一些问题。

——TCP／IP在卫星链躇中的性能分析

——互联网的TCP／IP协议能否直接用于卫星多媒体通信网络？它们在地面网络中使用有线传输，那么加入一段无线卫星链路后，它们是否还能运用呢？这是多媒体卫星通信需要解决的难题。在传统的分组交换技术中，没有考虑到移动用户、无线通信链路的物理限制等因素。在局域网和广域网内通过无线分组交换网络提供数据和多媒体通信业务的技术需要进一步的研究。

——互联网协议自下而上的层次分别为网络连接层（物理层和数据链路层），网络层传送层和应用层。其中主要是网络层和传送层协议，即IP和TCP。IP是网络层协议，它的功能是连接异种网络。IP中有两个因素可能影响到数据的吞吐量： IP TTL（TIME TO LIVE）和IP数据报分片。由于主要是在TCP使用时它们才起作用，在分析TCP的影响因素时将一并考虑。
——传送控制协议（TCP）的地位很重要。它控制流量和阻塞，保证数据传输速率与接收机和中间的网络链路容量相匹配。很多与吞吐量相关的问题都与TCP有关。图3给出了影响吞吐量的TCP报头。下面将详细分析TCP中的主要影响因素。
——首先需要说明的是并不存在正式的TCP性能标准。TCP专家一般都期望在传送大量的数据报时，一个TCP连接可以最大程度地使用可用带宽并可以合理地与其它用户分享信道。 TCP报头中各字段的设定及控制算法等对其性能的影响如下：

——TCP序列号

——序列号长度为32bit。为了保证一个给定的序列号只表示一个特定的数据报字节。TCP要求网络中不能同时存在表示不同数据的相同序列号。IP TTL限定数据报在网络中能存在的最长时间，一般设为2分钟，故最大的数据速率为286Mb／s，这将限制可使用的最大带宽。

——TCP传输窗口

——传输窗口的目的是允许用户控制接收数据的速率。在TCP报头中，窗口只有16bit的宽度，所以标准的TCP窗口不能超过64KB。这将TCP的有效带宽限制为：

——216／链路往返时延

——对于像GEO卫星所具有的长时延链路，这个限制将使最大的数据速率低于1Mb／s。

——TCP慢启动算法

——当慢启动算法用于高速网络中时会引起两个问题。首先，系统需要较长的时间才能达到适用的速率。通过慢启动算法我们知道启动时间为：

——T＝R（1+Log1．5（DB／L））

——其中，R为往返时间，DB是时延和带宽之乘积，L为平均段长。

——当带宽或往返时间增加时，启动时间就会比较长。例如在具有Gb／s带宽的GEO卫星中，如链路往返时延为0.5秒，系统将需要大约14.5分钟的启动时间。如果这时的链路空闲。那么整个数据可能在启动完成之前就已传输完毕，将造成很大的资源浪费。

——第二个问题是在有数据损失发生时认为存在阻塞。TCP认为所有的损失都是阻塞引起。如果在一个慢启动开始时有数据损失， TCP将把可用带宽设定得很低。而且因为在起始估计设定后探测算法将变为线性增长，这样达到完全的传输速率所需的时间就很长。在一个6比特的GEO链路上，这个时间可能为几个小时！

——阻塞避免算法

——与慢启动算法类似，阻塞避免算法在带宽时延乘积较大的链路中使用时，由传输引起的数据损失也会触发对可用带宽的过低估计，而后使用的线性探测算法需要很长的时间才能恢复到一定的速率，从而引起传输带宽的浪费。

——各种TCP机制都是相互关联的。比如，如果序列空间和窗口尺寸不够大，那么不管对窗口阻塞算法如何改进也不能提高系统性能。所以在研究宽带卫星多媒体通信时，必须综合考虑这些因素，仅仅改进其中的某个参量是没有意义的。

——从上述分析可以看出，由于GEO和MEO卫星的链路时延比较长，当它们组成的卫星系统为用户提供较大的数据传输速率时将会由于TCP中的序列号，传输窗口的设定，以及慢启动和阻塞避免等控制机制的原因，使得用户不能实现全带宽传输，从而造成很大的资源浪费。所以在使用宽带卫星链路时，要对标准的TCP／IP进行改进。互联网端对端研究组已经作了某些研究来改善TCP／IP在卫星链路中的性能。