卫星Internet接入技术综述

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卫星Internet接入技术综述

　　信息技术在迅速发展，通信手段也越来越多。卫星通信作为一种重要的通信方式，在数字技术的迅速发展推动下，得到了迅速发展。在我国复杂的地理条件下，采用卫星通信技术是一种有效方案。在广播电视领域中，直播卫星电视是利用工作在专用卫星广播频段的广播卫星，将广播电视节目或声音广播直接送到家庭的一种广播方式。  
　　随着Internet的快速发展，利用卫星的宽带IP多媒体广播解决Internet带宽的瓶颈问题，通过卫星进行多媒体广播的宽带IP系统逐渐引起了人们的重视，宽带IP系统提供的多媒体（音频、视频、数据等）信息和高速Internet接入等服务已经在商业运营中取得一定成效。由于卫星广播具有覆盖面大，传输距离远，不受地理条件限制等优点，利用卫星通信作为宽带接入网技术，将有很大的发展前景。目前，已有网络使用卫星通信的VSAT技术，发挥其非对称特点，即上行检索使用地面电话线或数据电路，而下行则以卫星通信高速率传输，可用于提供ISP的双向传输。

一、卫星TCP/IP数据传输技术

　　利用TCP/IP协议进行数据传输逐渐成为网络应用的主流。Internet在全球的急剧膨胀导致传输带宽资源紧缺，这成为限制其发展的主要因素，业务应用一方面要求增大接入带宽，另一方面对移动Internet的需求越来越大。卫星通信的宽覆盖范围，良好的广播能力和不受各种地域条件限制的优点使卫星通信在未来仍将发挥重要作用，卫星通信将是无线Internet的重要手段。目前，利用卫星进行TCP/IP数据传输（卫星IP网络）已经引起人们的重视。

1．卫星IP网络与TCP／IP

　　TCP／IP是当今进行Internet网络数据传输时使用的主要协议族。该协议族中，TCP和IP是核心，还包括一些其它协议。TCP和IP协议分别控制着数据在互联网上的传输和路由选择。IP是一个为广域网设计的无连接网络层协议，它被设计为网间互联协议，IP数据报可在几乎任何链路层协议上的网关（或路由器）间传递。从本质上说，IP是引导网络上的数据包从发方计算机送达收方计算机。TCP则负责确保数据在设备之间进行端到端的可靠交付。  
　　卫星链路对TCP／IP数据传输的影响主要体现在TCP这一层（虽说理论上讲TCP不必关心IP是运行于光纤还是卫星上，但实际上必须考虑这一点，否则可能会使TCP逻辑上正确，但实际性能极差）。TCP使用基于滑动窗口的流量和拥塞控制方式，通过确认分组流实施控制（接收方窗口通知）。TCP使用基于往返定时器（RTh：round－trip timer）的自适应时钟来调谐重发超时。TCP 为完成对数据的确认使用了滑动窗口机制，为避免拥塞采用了称为"慢启动"的策略。发方对丢失或损坏数据的重发，要求保留数据副本直至收到数据确认（ACK）。为避免大量可能丢失的数据副本占用大量存储器并浪费带宽，TCP采用了一个滑动窗口装置来限制传送中的数据数量。随着确认的返回，TCP在前移窗口的同时，发送不断增加的数据。一旦窗口被占满，发方必须停止传输数据直至更多的确认到达。虽然TCP能发现数据没有送达，但重新发送会进一步加剧信道的拥塞，从而进一步导致数据丢失。为避免网络因拥塞而瘫痪，TCP只能降低传输速率以对数据丢失做出反应。但是从算法上讲，TCP每次进行新的连接都必须从最低的传输速率启动，TCP用返回的ACK来指示提高速率，这是一个较慢的线性增加的过程。这就是所说的“慢启动”，即发送窗口依每次往返时间递增，以发现可持续的吞吐量。  
　　卫星信道对TCP／IP数据传输网络有一定的影响，因为卫星通信网是一个高带宽延迟产物（BDP：bandwidth－delay product）网络。网络的基本属性是延迟（信息从发送节点传播到接收节点的双向等待时间，通常称为往返时间）和带宽（在某段时间内能传输的比特数）。BDP指一个网络或信道是这两个属性（如网络能容纳的比特数）的产物。在传输／数据链路层，BDP代表网络上任何时刻允许的最大待确认处理的信息数量，它占满整个链路。BDP也指示出为了获得最佳性能，端用户必须拥有的缓存要求的上限。卫星IP网需要研究的问题还有：QOS、互操作和路由选择等问题，但其影响主要体现在通信流量（拥塞）控制和协议带宽效率这两方面，因此卫星TIP／IP传输研究也主要集中在这两方面。

2．卫星TCP／IP传输的基本改进

　　TCP是TCP／IP中的用于可靠数据传输的数据传输协议，TCP要求反馈以确认数据接收成功。卫星信道的一些固有特性（如较大延迟、较高比特差错率和带宽不对称等）对通过卫星链路进行TCP／IP传输有一定的负面影响，主要体现在过长的TCP超时和重传引起较大的带宽浪费，此外还要考虑卫星环境下的一些TCP特性，如窗口较小，往返定时器不精确，以及启动窗口等问题。研究人员对提高卫星网中的TCP性能提出了各种解决方案，研究涉及链路层差错控制方案和协议，更完善的TCP版本等各个方面。

（1）链路层改进

　　卫星TCP中，链路差错率是一个主要考虑的方面。目前已有各种差错控制方案可供选择，由于它们不是TCP专用的，放在此仅简单先容一下。前向纠错（EEC）方案和自动重传（ARQ）协议是两个主要的差错控制方法。前向纠错方案中可以选择卷积编码和级联编码，一些较高级的编码方案还同时采用比特交织技术减小突发错误的影响。较好的系统通过采取这些差错控制方案，BER值可超过10－7的范围，从而使分组差错率达到10－9以上。但是由于差错控制方案引入了数据冗余，编码复杂度减慢了卫星调制解调器的速度并降低了带宽效率。因此不同的业务和网络条件支撑的编码方案的范围是不同的。系统设计中应根据具体情况具体分析，例如，可根据业务对延迟是否敏感采用不同的编码级数，还可使用数据压缩技术抵消由编码引起的带宽效率降低。  
　　自动重传协议包括停止--等待、返回和选择重传等三种类型。自动重传协议由于额外的重传延迟不适合较高的BER环境。尽管选择重传较另两种自动重传效率高些，但需要调制解调器中有较高的复杂度，TCP和选择重传间的相互影响还有待深入研究。

（2）TCP改进

　　对于卫星TCP／IP数据传输，由于延迟时间过长，通常的TCP滑动窗口大小限制了卫星链路的最高吞吐量；同样，由于ACK从卫星返回得十分缓慢，TCP达到全速时需要一个较长的提速时间，即使对于一个较小的数据连接也是如此。许多调整的参数可用于增强TCP的性能，包括数据段、定时器和窗口的大小。TCP实现中含有大量拥塞避免算法，如启动、选择重传和选择确认，它通常能改进像Internet这样的共享网络的性能。但在许多拥塞控制算法，特别是慢启动中，当中等数量数据正在一个具有较大带宽延迟特性的链路上传输时，会产生端到端通信的低效带宽利用问题。对此需要有相应的解决办法。

A．基本TCP改进

　　TCP的一个问题是它的缺省窗口大小仅限于16bit，这个值对于卫星高BDP来说是不够的。由于要求的窗口大小很容易超出最大允许的65536字节，这限制了最大吞吐量接近1Mbit／S（低于T1速率）。简单地为TCP窗口大小安排更多的比特是不可行的，因为对报头的相应改变会造成老版本网络互联的复杂化。窗口扩缩（window scaling）选项解决了这一问题，它允许启动时的连接协商一个比例因子，这个因子通常是2的幂，最大允许窗口达到32bit，这对于卫星网络是足够了。然而增大的窗口也会引起序列号回绕的问题，要求附加回绕保护序列号（PAWS）机制。这两个特点对于卫星TCP是基本的，特别对于GEO系统犹为如此。  
　　较大的往返延迟偏差将导致不精确的往返时间估计，它最终将降低TCP的丢失检测机制的效能，可能导致拥塞崩溃。TCP的定时机制一次仅计时一个TCP数据段，造成对于动态条件和较大窗口环境而言过粗的取样速率，特别是在缓存延迟与传播延迟数量级相同时。在启动时显示的TCP，回应（echo）选项通过将一个发端时基与每个数据段相关联解决了这个问题。接收方回应这些时，给出处理延迟的ACK定时器和不连续序列号（如丢掉的数据段）的措施。考虑到较大的延迟偏差和增加的缓存要求，回应选项对于TCP卫星网络很重要。

B．选择性确认改进

　　TCP接下来的一个主要缺点是它易受多个丢失的影响，造成它失去它的“自计数”属性和超时。在长延迟网络中，阻止不必要的窗口减小并仅重发受损／丢落分组，有助于提高带宽利用率，如ITU－T为卫星制定的SSCOP协议。这类协议称为选择性确认（TCP SACK），对TCP协议提出了明显的改进。TCP SACK是一个数据发现算法，其中接收方能够有选择地示意哪个数据块（数据段）没有收到。这允许接收方仅精确地重传这些遗漏的分组，从而有效地降低了不必要的重传。  
　　研究结果显示TCP SACK适合于具有中等丢失率（低于窗口大小的50％）的长延迟网络环境，对于线路丢失率较严重的网络，在SACK基础上改进的前向ACK （FACK）建议比较适合。前向ACK进一步地结合了拥塞控制以及数据发现算法，尽管对于高噪声卫星环境还有待进一步研究，前向ACK有望提供较高的性能增益。

C．非对称性考虑

　　信道不对称问题的一个有效的解决办法是确保适当的反向带宽并使用充分大的分组。否则，增加的前向ACK在要求处理较大的线性速率突发错误。像弹出“旧的”ACK分组，甚至是操纵ACK序列号这样更精细的ACK处理方案在这里也是有帮助的。这些方案试图保持和退回包含较高序列号的ACK分组，整体上改进了吞吐量。

D．ACK控制方案

　　ACK控制方案最初用于改进在ATM上进行TCP传输的性能，由于TCP反馈环和ATM拥塞控制两者的时间度量差异较大（前者为几百毫秒，后者为几毫秒），引入ACK控制方案的目的是使两者更好地匹配。其中有两种方案引人注目，一种是延迟返回的ACK分组，一种是修改返回ACK分组中的接收机窗口段。ACK控制的好处是不需修改TCP协议栈，仅发端变得复杂一些。ACK控制方案不是ATM专用的，它也很适合卫星网络。

3．卫星IP网络的实现

　　IP over卫星和IP over卫星ATM这两种卫星IP网络各有特点，应用的通信卫星技术有所不同。

（1）IP over卫星

　　这里的卫星主要指现阶段的C或Ku波段静止轨道卫星，可用于作为地面网中继的大型卫星关口站或VSAT卫星通信网。这种方式主要是采用协议网关来实现。协议网络既可以是单独的设备，也可以将功能集成到卫星调制解调器中。它截取来自客户机的TCP连接，将数据转换成适合卫星传输的卫星协议（卫星协议是根据前面所述的针对卫星特点对TCP的改进），然后在卫星线路的另一端将数据还原成TCP，以达成与服务器的通信。整个过程中，协议网关将端到端的TCP连接分成三个独立的部分：一是客户机与网关间的远程TCP连接；二是两个网关间的卫星协议连接；三是服务器方网关与服务器问的TCP连接。  
　　这一结构采取分解端到瑞连接的方式，既保持了对最终用户的全部透明，又改进了性能。客户机和服务器不需做任何改动，TCP避免拥塞装置可继续保留地面连接部分，以保持地面网段的稳定性。同时通过在两个网关间采用大窗口和改进的数据确认算法，减弱了窗口大小对吞吐量的限制，避免了将分组丢失引起的传输超时误认为是拥塞所致。

（2）IP over卫星ATM

　　为了满足多媒体通信业务的需求，许多宽带卫星计划正在快速发展中，采用星上处理和ATM技术是其主要特点。IP over卫星ATM使宽带卫星能够无缝传输Internet业务，因而这种方式的卫星IP网将更好地满足未来人们对数据传输的需求。在卫星ATM网络中，卫星被设计为能支撑几千个地面终端。地面终端通过星上交换机建立VC（Virtual Channel），与另一个地面终端之间传输ATM信元。由于星上交换机有限的能力，每个地面终端能用于TCP／IP数据传输的VC数量有限。当路由选择IP业务进出ATM网时，这些地面终端成为IP与ATM间的边缘设备（路由器）。这些路由器必须能够将多个IP流聚集到单个VC中。除了流量和VC管理之外，地面终端还提供在IP和ATM网间拥塞控制的方法。卫星上ATM交换机必须在信元和VC级完成业务管理。此外，为了有效利用网络带宽，TCP主机实现各种TCP流量和拥塞控制机制。IP over卫星ATM可以利用前面讨论的卫星知P改进和协议网关等技术，地面网中IP over ATM的一些技术也适用。  
　　由于卫星在现代通信基础设施中发挥越来越重要的作用，卫星网与IP网的结合是当今卫星通信领域最热门的话题之一。但由于卫星网络固有的一些特性影响了获得良好TCP性能，主要包括长延迟、增加的比特差错率、网络不对称性。为保证可靠的端到端数据传递，提高卫星TCP的性能，人们提出了许多有效的解决方案。这些方案对卫星媒质要解决的主要问题是支撑较大的流量控制窗口以及改进拥塞控制算法。随着研究的进一步深入，在这一重要领域将出现更综合、更完善的解决方案。在对TCP进行改进的同时，人们对IP over卫星ATM进行了深入的研究。卫星ATM网中传输TCP／IP业务，要求从TCP机制和ATM机制两个方面进行改进，IP over卫星ATM技术将使卫星通信在全球信息基础设施中发挥更大的作用，其技术进展值得关注。

二、卫星Internet接入的特点

与其他通信技术相比，卫星通信技术有着自己与众不同的特点，主要表现在以下几个方面：

1．市场发展潜力大

　　卫星通信作为重要通信手段，已在我国得到广泛应用，而利用卫星通信技术来组织因特网，在我国是近几年的事。但是其发展速度却很快，我国国际互联网的总带宽已达700MHZ，其中利用卫星传送的带宽已达208MHZ。据说，目前在国内已经上网的因特网用户中，大约有10%的用户通过卫星接入网接入因特网，可见其潜力之大。随着用户数量的不断增加，卫星通信技术将在解决农村及边远地区通信和扩大因特网覆盖区等方面继续发挥其作用，这也说明，我国卫星通信的发展仍极具潜力。

2．使用数据包分发技术来提高传输速度

　　卫星通信的数据包分发服务可以让内容提供商能够以高达3Mbps的速度（相当于普通Modem的100倍）向任意的远端接收站发送数字、音频、视频及文本文件，如App、电子文档、远程教学教材等，卫星通信的条件接入机制确保数据只被授权用户接收。数据包分发服务主要利用卫星信道天然的广播优势，能够以非常低廉的价格实现广大区域内大数据量的分发。信息以组播方式推送给一组卫星通信用户，这些用户无须任何操作，只需打开计算机即可接受信息，实现大家通常提到的“信息推送”服务。

3．总通信成本低廉

　　卫星通信作为一种新发展起来的卫星通信业务，在卫星因特网业务方面得到了迅速发展。据DTT提供的研究报告称，目前全球超过15％的因特网服务商使用卫星作为其骨干网，其发展速度也很快，有些地区每四个月就翻一番。根据一些研究机构的分析，今后20年，通过卫星传送的话音业务基本维持不变，保持在100亿美金左右，而数据型业务的发展将会很快，从2001年的300亿美金达到2020年的800亿美金左右。

4．发展需求大

　　由于通信、媒体、因特网及娱乐等得到迅速发展，对带宽的需求增加很快，其中也包括对卫星空间容量更大的需求。根据国际卫星商业委员会（ISBC）的一份报告称，全球因特网使用的卫星空间段容量已达15Gbps，今后四年将增加五倍，达到64Gbps。

5．具有先进的技术优势

　　网络设计、系统构成、星间协调、星星处理等充分利用现代通信智能化、数字化及多媒体化的最新技术，以技术优势换取市场竞争和价格／性能比上的优势。

6．能提供IP视频流多点传送

　　卫星业务已在直播卫星电视市场起步，卫星通信将提供高清晰度电视业务。通过卫星传输Internet电视，能为用户提供视频点播，针对用户需求双向传送广告，有选择地观看经过定制处理的更加丰富的电视内容。供企业用户使用的视频广播和桌面电视会议也将寄希翼于宽带卫星网络。而IP视频流多点传送是又一种新的应用业务。这一应用是依靠卫星技术所具有的广播和覆盖范围宽的特点，对众多的用户提供视频服务，如基于IP提供MPEG2实时视频传送。

7．高速接入

　　卫星通信技术给因特网接入速度提高了一个层次，它将用户的上行数据和下行数据分离，相对较少的上行数据（如对网站的信息请求）可以通过现有的Modem和ISDN等任何方式传输，而大量的下行数据（如图片、动态图像）则通过54M宽带卫星转发器直接发送到用户端。用户可以享受高达400kbps的浏览和下载速度，这一速度是标准ISDN的3倍多，是28.8k Modem的14倍，它支撑标准的TCP/IP网络协议及WWW、E-mail、Newsgroup、Telnet等应用。同时，它不像ISDN和小范围内应用的ADSL及Cable Modem技术，DirecPC拥有可以马上为全球任何角落提供服务的成熟技术。

8．数据传输性能稳定

　　传统的卫星通信可能会受恶劣天气如特大暴雨、大冰雹、暴雪和日凌等现象影响，经过不断发展和成熟，现阶段的卫星通信使用了KU波段和高功率卫星，相对传统的C波段卫星对天气和日凌的抗干扰能力已经提高了，目前用于因特网接入的卫星通信可以确保数据信息在传输的时候有较强的稳定性。

三、卫星Internet接入在我国的应用情况

　　我国在1998年底首次采用非对称技术，开通了第一条发/收分别为8Mb/s和45Mb/s的Internet国际卫星链路，从此China Net有了20多条国际卫星链路。国内卫星网络用于ISP或区域网络的也比较多，如China GBN、CER Net、CST Net等。其中，CST Net的远程网就是通过卫星网络接入核心网的。据有关方面统计，我国国际Internet总带宽达到3257MHz，其中卫星线路占用带宽达300～350MHz。  
　　卫星通信在Internet接入网中的应用，在国外已很广泛，而我国从1999年起，开始利用美国休斯企业DirecPC技术解决Internet下载瓶颈问题。近一个时期，双威通信网络与首创企业达成协议，双方各自利用无线接入技术和光缆等专线资源，共同为用户提供宽带互联网接入服务。这标志着卫星传送已进入首都信息平台。其上行通过现有的163拨号或专线TCP/IP网络传送，下行信息通过54MHz卫星带宽广播发送，这样用户可享受比传统Modem高出8倍的速率，达到400kb/s的浏览速度、3Mb/s的下载速度，为用户节省60%以上的上网时间，还可以享受宽带视频、音频多点传送服务。卫星通信技术用于Internet的前景非常看好，相信不久之后，新一代低成本的双向IP VSAT将投入市场。