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。

来源：ZDNet