基于衛(wèi)星的Internet接入技術(shù)的研究

相關(guān)專題: 無線 芯片

張少鋒

浙江大學(xué)信息學(xué)院信息與電子工程學(xué)系




  摘要 近年來隨著衛(wèi)星通信應(yīng)用的快速發(fā)展,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可提供更廣泛的Internet業(yè)務(wù)。目前大部分的應(yīng)用和業(yè)務(wù)是基于TCP和UDP協(xié)議,因?yàn)樾l(wèi)星鏈路和地面信道有許多不同的特性,所以TCP在衛(wèi)星鏈路上的實(shí)現(xiàn)對TCP性能和應(yīng)用有很大的影響。本文分析了衛(wèi)星鏈路的特征和影響TCP性能的主要因素,提出了一種改進(jìn)的Internet接入方案。


  關(guān)鍵詞 衛(wèi)星通信 TCP SACK



1 引言


  隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展,終端用戶數(shù)量不斷擴(kuò)大和新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn),都對Internet提出了新的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有全球覆蓋性,是一種向分布在全球的用戶提供Internet服務(wù)的較好方式。尤其對處于邊遠(yuǎn)地區(qū)缺少地面通信基礎(chǔ)設(shè)施的用戶是極為合適的,甚至是唯一的選擇。即使是在有線網(wǎng)絡(luò)密集的地區(qū),衛(wèi)星通信也可以作為日益擁擠的地面鏈路的一種備用選擇。


2 衛(wèi)星通信簡介


  衛(wèi)星的類型包括地球同步軌道GEO衛(wèi)星、中軌道MEO衛(wèi)星和低軌道LEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星位于地球赤道上方36000km高度的地球同步赤道上,衛(wèi)星相對地球靜止,只要有三個(gè)GEO衛(wèi)星就可以覆蓋除南北兩極外地球上所有的地區(qū)。MEO衛(wèi)星距離地球表面3000~35786km,LEO衛(wèi)星距離地球表面200~3000km。由于MEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星距離地球表面比較近,覆蓋范圍較小,因而需要數(shù)量較多的衛(wèi)星才能覆蓋全球。


  衛(wèi)星通信目前使用的頻段如表1所示:


  頻段越高,波長越短,接收天線的尺寸越小,但是越容易受到多徑衰落和雨衰的影響。


  從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面來看衛(wèi)星通信的主要特點(diǎn)是:


  (1)衛(wèi)星的波束覆蓋面廣,通信距離遠(yuǎn);


 。2)便于一點(diǎn)到多址的連接和廣播方式工作;


 。3)通信穩(wěn)定、可靠;


  (4)通信電路開通迅速、簡便。


  基于這些優(yōu)點(diǎn),采用GEO、MEO或LEO衛(wèi)星可以提供Internet接入和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。
3 衛(wèi)星鏈路上影響TCP性能的主要因素


  衛(wèi)星Internet能夠提供基于TCP和UDP的應(yīng)用。然而由于各種因素,TCP在衛(wèi)星鏈路上的應(yīng)用使其性能受到很大影響,資源利用率較低。


3.1 TCP擁塞控制算法[5]


  在介紹影響TCP性能的主要因素之前,先介紹一下Internet的擁塞控制算法。


  TCP擁塞控制引入了慢啟動機(jī)制,擁塞控制算法中需要三個(gè)參數(shù):接收方窗口、擁塞窗口CWnd和擁塞窗口閾值。慢啟動機(jī)制運(yùn)行時(shí)先初始化擁塞窗口閾值,開始CWnd按指數(shù)規(guī)律增長(1、2、4、8…)。當(dāng)CWnd超過擁塞窗口閾值時(shí),CWnd按線性規(guī)律增長,出現(xiàn)定時(shí)器超時(shí),擁塞窗口閾值被設(shè)置為CWnd當(dāng)前值的1/2,并再次運(yùn)行慢啟動機(jī)制。


3.2 影響TCP性能的主要因素


 。1)高信道誤碼率BER(Bit Error Rate) 衛(wèi)星信道容易受到干擾,由于在衛(wèi)星信號傳播中存在著衰落、陰影效應(yīng)和雨衰等不同因素的影響,因此信道BER會很高。但TCP協(xié)議區(qū)分不了由于傳輸錯誤造成的數(shù)據(jù)包錯誤和擁塞造成的數(shù)據(jù)包丟失,這兩種情況都被解釋為網(wǎng)絡(luò)擁塞的標(biāo)志。當(dāng)接收到一個(gè)損壞的數(shù)據(jù)包,即使沒有擁塞發(fā)生,窗口的大小隨即變?yōu)樵瓉淼囊话,降低了TCP的性能。


  (2)長時(shí)延 由于衛(wèi)星至地面的距離較遠(yuǎn),GEO衛(wèi)星的往返時(shí)間RTT超過500ms,這種長時(shí)延會減弱流量控制,影響吞吐量。以TCP最大緩沖區(qū)64KB計(jì)算,衛(wèi)星信道的最大吞吐量為1Mbits(64×8kbit/500ms)。


 。3)信道的不對稱性 衛(wèi)星系統(tǒng)下行信道和上行信道間數(shù)據(jù)帶寬分配不等,信道的上行速率低,而下行速率很高。一般情況下,用戶向信息提供者發(fā)送的數(shù)據(jù)量少,而信息提供者向用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)量大。衛(wèi)星系統(tǒng)可以滿足Internet的要求,然而Internet是基于地面有線信道的對稱性網(wǎng)絡(luò),信道的不對稱性對TCP性能有很大的影響。速率較快的下行信道傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)會造成反饋信息的積存,降低了窗口的更新速度,上行信道阻塞造成的ACK丟失會引起數(shù)據(jù)的不必要重傳,從而將降低網(wǎng)絡(luò)的性能。


  (4)變化的RTT[1] MEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星距地較近,衛(wèi)星的高速運(yùn)轉(zhuǎn)造成信號在地面基站間的傳播時(shí)延發(fā)生變化,導(dǎo)致TCP源端至目的端的RTT漂移,從而影響了TCP性能。


4 改進(jìn)的衛(wèi)星Internet接入系統(tǒng)


  基于衛(wèi)星鏈路的特性及以上各種影響TCP性能的因素,提出了幾種改進(jìn)措施:


 。1)TCP選擇應(yīng)答SACK(selective acknowledgement)[4] SACK是TCP處理策略的一種改進(jìn)方案,在接收端指定所有接收成功的數(shù)據(jù)段序列號,發(fā)送端只需重傳丟失的數(shù)據(jù)塊。SACK能在一個(gè)RTT內(nèi)恢復(fù)多個(gè)丟失的數(shù)據(jù)段,提高了TCP傳輸?shù)男阅堋?br />

  (2)Web緩存 把經(jīng)常訪問的郵件、數(shù)據(jù)和視頻等資料存儲在本地服務(wù)器上,使經(jīng)常被訪問的主頁在本地就可得到服務(wù)。網(wǎng)頁緩存極大地降低了連接的時(shí)延和帶寬的消耗,從而節(jié)省了昂貴的衛(wèi)星鏈路頻帶資源。


 。3)協(xié)議網(wǎng)關(guān) 在衛(wèi)星主站上安裝協(xié)議網(wǎng)關(guān),協(xié)議網(wǎng)關(guān)提供一個(gè)既能充分利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境又不改變原有客戶和服務(wù)器協(xié)議的辦法。在協(xié)議關(guān)口把TCP協(xié)議的信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)特殊的適合于衛(wèi)星鏈路的優(yōu)化協(xié)議的信號,而在鏈路的另一端,由協(xié)議關(guān)口把數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)換成TCP數(shù)據(jù)。由于衛(wèi)星優(yōu)化協(xié)議不受TCP的限制約束,數(shù)據(jù)通過量將比使用TCP更大。


 。4)應(yīng)用LEO衛(wèi)星提供全球的寬帶Internet接入 由于LEO衛(wèi)星距離地球表面較近,大大減少了信號的傳播時(shí)延。典型的RTT為20~60ms,和地面連接差不多,所以LEO衛(wèi)星能提供實(shí)時(shí)能力較強(qiáng)的業(yè)務(wù)服務(wù)。另外,LEO衛(wèi)星所需的天線尺寸較小,傳輸功率較低,隨著LEO衛(wèi)星系統(tǒng)自身的逐步完善,它可以提供蜂窩無線通信服務(wù)和與地點(diǎn)無關(guān)的寬帶通信的Internet接入。


 。5)星間切換和轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù) 隨著多點(diǎn)波束衛(wèi)星的出現(xiàn),使星上交換成為提高系統(tǒng)性能的有效手段。LEO衛(wèi)星覆蓋面小,需要數(shù)量較多的星座才能實(shí)現(xiàn)全球通信。相鄰的星座之間通過星間鏈路ISL (Inter-Satellite Link)直接通信,空中路由和交換功能由安裝在衛(wèi)星上的路由器完成。另外,由于LEO衛(wèi)星相對地球表面高速運(yùn)動,LEO衛(wèi)星在地面用戶上空停留時(shí)間少于20 分鐘,用戶必須進(jìn)行衛(wèi)星到衛(wèi)星的切換,LEO衛(wèi)星必需將路由信息和未發(fā)送完的數(shù)據(jù)通過ISL轉(zhuǎn)發(fā)至用戶當(dāng)前的LEO衛(wèi)星以避免數(shù)據(jù)包的丟失。


 。6)多點(diǎn)廣播 GEO衛(wèi)星覆蓋面廣,在衛(wèi)星主站將郵件、數(shù)據(jù)和視頻等信號通過編碼、數(shù)字復(fù)用、加擾、調(diào)制和上變頻把數(shù)據(jù)發(fā)射到GEO衛(wèi)星.,它可以把數(shù)據(jù)廣播到所有遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)。GEO衛(wèi)星提供了一個(gè)比地面網(wǎng)絡(luò)簡單、更經(jīng)濟(jì)的方法。多點(diǎn)廣播技術(shù)是基于UDP而不是TCP上,它不會受到TCP的限制而充分利用了傳輸媒質(zhì)的廣播特性。然而,它沒有內(nèi)部數(shù)據(jù)可靠傳輸機(jī)制,所以更適合于圖像和聲音信號。



5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)


  GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星與地面上基于光纖標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)無縫地兼容通信,通過分接復(fù)用可將PDH信號映射為SDH信號,而充分利用地面SDH網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。隨著數(shù)字通信技術(shù)、微電子技術(shù)等的快速發(fā)展和芯片處理速度的加快,可以采用先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)和編解碼等技術(shù)來提高通信質(zhì)量和效率。


  (1)提高帶寬效率和功率效率 多進(jìn)制正交幅度調(diào)制QAM信號的功率譜和帶寬效率與多進(jìn)制PSK調(diào)制信號相同,在功率效率方面,QAM優(yōu)于多進(jìn)制PSK。采用16 QAM可以提高信號的功率效率。


  在帶寬一定的情況下,信號的速率越大帶寬效率越高。用FPGA技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的復(fù)用和解復(fù)用。例如:多路以太網(wǎng)E1信號(2048Kbit/s),經(jīng)過復(fù)用為3次群(34Mbit/s)或4次群(140Mbit/s)的高速信號,可以提高帶寬效率。數(shù)據(jù)復(fù)用系統(tǒng)框圖如圖2所示:


  (2)降低BER 采用信道編碼和信源編碼等組合方案來進(jìn)一步降低BER。一方面采用前向糾錯FEC和交織編碼可降低信道傳輸中的的突發(fā)錯誤和成串錯誤,提高衛(wèi)星鏈路的質(zhì)量。另一方面采用維特比(Viterbi)編解碼和RS(Reed-Solomon)編解碼可以達(dá)到與陸地鏈路相當(dāng)?shù)腂ER,從而提高TCP/IP的性能。另外,在發(fā)射端采用一定的上行功率控制UPC,可以解決雨衰等帶來的自然噪聲問題。


 。3)郵件、話音或多媒體業(yè)務(wù) 在衛(wèi)星主站將郵件、話音等低速率數(shù)據(jù)信號經(jīng)復(fù)用、加擾、調(diào)制和變頻后發(fā)射,在衛(wèi)星接收站只要進(jìn)行相反的操作即可恢復(fù)原來的數(shù)據(jù)信號。


  針對多媒體業(yè)務(wù),可采用MF-TDMA(多頻-時(shí)分多址)技術(shù)。MF-TDMA的優(yōu)勢在于:載波頻率和分配帶寬都可以靈活適應(yīng)多變的多媒體傳輸要求,而且時(shí)隙和突發(fā)速率都可以根據(jù)網(wǎng)控中心的要求來改變。只要在衛(wèi)星主站數(shù)據(jù)封裝設(shè)備中采用數(shù)字視頻廣播DVB/MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)封裝,結(jié)合現(xiàn)已成熟的甚小口徑天線VSAT技術(shù)和陸地有線電視CATV網(wǎng)或光纖網(wǎng),即可實(shí)現(xiàn)像遠(yuǎn)程教育和遠(yuǎn)程會議等不同帶寬要求的寬帶多媒體業(yè)務(wù)。


 。4)雙向數(shù)據(jù)通路 在沒有電話線接入的偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村,個(gè)人用戶只要在室外安裝VSAT,利用PC機(jī)接上機(jī)頂盒,就可以接收高速率的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)Internet接入的單向數(shù)據(jù)通路。在通電話線的地區(qū),用PC機(jī)加上調(diào)制解調(diào)器,通過PSTN接入Internet,用戶將請求信息通過Internet發(fā)到信息提供方的ISP,并獲得所需要的信息,從而實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通路。


6 結(jié)束語


  目前,中國偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村大部分地區(qū)信息化程度比較低,如何尋求一種高效快捷的Internet接入方案是一個(gè)值得研究的課題。本文利用GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星優(yōu)勢互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)Internet接入,可以充分利用地面現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,滿足各種業(yè)務(wù)的需求,具有一定的軍事、商業(yè)和民用價(jià)值。然而LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有很大的挑戰(zhàn)性,LEO星座距離參數(shù)的設(shè)計(jì)和星上IP路由技術(shù)仍需進(jìn)一步的研究。



參 考 文 獻(xiàn)


[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 et al . “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 譯。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第三版) . 北京:清華大學(xué)出版社,2000


  張少鋒,男(漢族),安徽省宿州市,工程師,碩士研究生,主要研究方向:網(wǎng)絡(luò)與通信、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。




----《中國數(shù)據(jù)通信》

   

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