IP技术对卫星通信研发影响

目前，地面移动通信网络中3G、4G以及下一代网络(NGN)均依赖于ip技术，几乎所有通信网络设备以及移动终端都将支持TCP/IP协议，IP包交换技术是网络中语音短信和其他一些通信业务的基础。因此，各种通信方式都在探寻与IP技术的结合以有效利用现有地面网络和用户终端以降低通信成本。

卫星通信具有广播、多播和覆盖面广等天然特性，在一般通信方式难于实现或地形不利信号传输的情况下，卫星通信是首选的通信工具。随着新军事变革的推进和空间技术的发展，卫星通信在国防、航天等诸多领域也必将发挥着越来越重要的作用。卫星IP网络吸收采纳IP技术，可以更有效地提供数据传输业务和提高卫星信道利用率，降低卫星通信成本[1]。

本文简要分析了卫星信道的特点及引起TCP/IP协议性能下降的原因，讨论了TCP/IP协议在卫星通信网的应用以及存在的问题，探讨了相关问题的改进方案，最后给出了IP技术在卫星通信中的发展趋势。

1IP技术在卫星通信应用中的问题及改进方案

IP网络的传输特性有助于降低业务成本，在大众消费市场上使用卫星IP网络可以与地面通信方式竞争。鉴于卫星和IP的广播特性、TCP/IP的健壮性以及Inter-net业务的普遍性，TCP成为了卫星通信标准协议的首选传输层协议。但是，卫星信道某些性能的局限性也随着因特网的膨胀和拥塞控制技术的引入逐渐显露。

1.1卫星链路对TCP/IP协议的影响

卫星系统远距离、高频率的工作条件对天气等环境因素敏感，卫星信道具有其固有特性[2]。影响TCP协议传输性能的主要因素有长时延、高误码率和信道不对称这三个方面。

(1)长时延。卫星链路的传播延时很长(静止轨道卫星在270ms以上)，而卫星通信的速率通常是很高的(几兆比特每秒)。TCP协议限制了拥塞窗口最大为64Kbyte，可以得到最大吞吐率为：(64K×8)/500=1.024Mbps为提高吞吐率，必须对接收缓存窗口进行修改。与此同时，发送方在连接开始时根据接收到的确认的数量增大拥塞窗口，经过数个往返时间周期才能增长至最大窗口大小，也会使得传播时延更长。

(2)高误码率。在因特网中，卫星链路比地面链路的误码率(BER)更高。现有卫星转发器误码率大约为10-4~10-6。然而，TCP成功传输所需要的BER是10-8量级或更低。由于卫星链路TCP无法区分拥塞丢失还是链路恶化丢失，会误认为出现了拥塞故障，并自动采取拥塞控制，TCP协议会自动减小滑动窗口尺寸，引起吞吐量降低。此外，由误码引起的确认信息ACK分组丢失也会使吞吐量进一步恶化。

(3)信道不对称。绝大多数的卫星链路带宽配置是不对称的，其中下行链路的带宽远大于上行链路。采用速度较慢的上行信道可使接收机的设计更经济且节省了宝贵的卫星带宽，但非对称配置对TCP性能有显著的影响，系统吞吐率随不对称的增加呈指数减小。通过分析可以看出，卫星链路的长时延、高误码率和信道不对称特点对原始TCP/IP协议有很大的影响，引起了数据传输速率、带宽利用率，以及数据传输的实时性等问题，必然会对原来适用于地面网络的TCP/IP协议提出许多新要求。

1.2卫星链路中TCP/IP协议的改进方案

由于卫星链路特性的影响，传统应用于Internet的TCP拥塞控制策略在卫星链路上进行TCP数据包传输时不能充分利用网络的吞吐量，降低了网络效率，不利于卫星IP网络的发展。因此，有必要引进增强TCP机制及其他技术以改进卫星IP网络的性能[3]。现有的解决方案可主要分为两大类：

(1)在协议上改进。此类方法有帧结构改进、选择性ARQ、慢启动(如表1所示)、延迟ACK、选择性ACK等。Internet工程任务组(IETF)已提出了一些扩展建议，如RFC1323，克服长时延、高信道容量下的TCP瓶颈；RFC581、RFC52001则为了克服卫星通信信道容量的非对称性及性能起伏，动态实现信道的有效利用；RFC2018(SACK-SelectiveAcknowledgement)克服了长时延、大窗口、高误码情况下的效率下降。此外，人们可以选择各种差错控制方法来满足卫星链路误码率的要求，FEC(前向纠错)和ARQ(自动请求重发)是两个主要的差错控制方法。FEC可以选择卷积编码和级联编码，还可以同时采用比特交织技术减小突发错误的影响。

(2)从卫星出发。其一是TCPSpoofing技术，即协议欺骗技术；其二是TCPSplitting方案，通过协议转换网关将TCP连接完全分开，用适合于卫星环境的专有协议来取代卫星连接段上的TCP，同时保持地面段的TCP连接，如图1所示。在这种网络结构中，客户端和服务器端都不需要进行任何修改，可以继续使用原来的TCP协议。该网络结构的协议栈模型如图2所示，在图2中我们可以看到，专有协议与标准TCP协议在栈中的对等位置，通过这样设计首先可以将卫星链路的特性隔离在有线链路之外，实现对TCP性能的改善；其次，对应用完全透明，用户主机上的TCP/IP协议栈和应用不需要针对协议网关进行任何额外的开发工作。

2IP技术在卫星通信中的发展趋势

近年来，IP和多媒体技术在卫星中的应用已成为一个研究热点。卫星IP网络关键技术研究包括支持IP的卫星网络体系结构；支持IP运行的网络层协议、Internet规定协议和传输层协议的卫星链路需求；支持IP运行的话音、视频、可视电话和文件传输的卫星链路性能；IP增强卫星链路或高级协议性能的可改善要求；使用IP专用和加密协议对卫星链路的影响等。卫星IP网络是地面IP技术在卫星通信领域内的演变和应用，它作为适应卫星分组业务和降低系统复杂性的一种尝试，目的在于廉价为用户提供满意的大流量分组数据业务[4]。

具体的一些研究方向包括：

(1)提供基于LAN的IP互连。基于LAN的IP采用在发展中的Ipv6和RSVP，可以支持QoS量级不断变化的实时业务，采用沿业务流路径在中转路由器中保留资源的方法。这就要求星上的动态容量分配(DCA)必须与IP层的QoS相配合，并控制端到端的无线LAN的QoS。

(2)适应卫星IP业务的MAC层协议。近年来，为适应不同应用环境的要求，人们提出了一系列改进的MAC层协议，但都不具备通用性。在此，我们只考虑适合卫星链路的MAC层协议。其设计目标是实现高信道流量、低传输时延、信道稳定性、协议可实现性、信道重构性和控制算法的低复杂度。卫星和地面链路的传输时延不同，所以一些MAC协议被排除在外(如LAN和WAN的MAC层协议)或重新评估。此外，卫星物理设备的改变是有限的，因此需要一个简单可行的控制机制。与此同时，卫星网的MAC协议应具备容错和生存能力，在网络拓扑发生变化或系统重构时，能正常工作；应该有利于降低功耗和降低缓存容量，提高信道容量。为此研究了许多种可用的协议，最普通的MAC层协议有：固定时隙分配协议(FixedAs-signment)、按需请求分配协议(DemandAssignment)、随机访问(RandomAccess)、时隙保留协议(Reservation)及自适应(Adaptive)协议。表2所示是各种MAC协议的比较。

(3)星上交换机。采用第三层交换技术，使得构建星上交换新传输体制下的IP网络成为可能。研究交换机的交换结构旨在增大IP交换机的吞吐量和减小分组在交换机中的排队时长。在实际工作时，有可能出现端口竞争(几个输入输出端口中的信元同时到达同一输出端口)，有时还会出现内部阻塞(端口竞争情况发生在交换结构内部)。交换机的每一个端口控制器管理可能存在的三个数据队列为：输入队列、输出队列及广播队列，端口上定容的缓冲存储器则用来缓存上述队列。因此,需要我们研究内部无阻塞的交换结构。另外，还需研究交换机的其他功能：优先级设置、广播和组播功能。

(4)移动组播管理。移动IP组播是采用移动IP协议进行移动管理的一个新的研究方向。当某个IP站点向Internet上的多个IP站点广播发送数据时，IP组播可减少非必要的重叠发送，有效利用网络带宽；而且相对于重复的点到点传输来说，虽然过程中增加了IP组播相关协议的处理，但是仍然大幅度缩短了组播路由器和主机处理IP报文的时间。移动IP组播技术在卫星IP网络中的应用前景与卫星通信简单的拓扑结构和利于广播的特性是分不开的。卫星网络是非对称广播类型，因特网互联结构是对称式和点到点的蜂窝式，如何将两者集成到一起是一大技术难题。

(5)空间光码分多址技术。空间光码分多址技术(SO-CDMA)是无线传输技术中的关键技术，星际链路选择何种多址方式直接影响系统的性能。SO-CDMA每个发射光源的地址码采用彼此独立的光脉冲序列，各地址码相互正交，每个信号源用各自的地址码调制，接收端使用相应的地址码进行解调。SO-CDMA有如下优点：a.码分多址独有的抗背景噪声的能力在很大程度上提高了星际通信的性能。b.无需全网同步，码分多址便能很好地支持异步通信和突发业务。当前，对SO-CDMA的研究主要集中在扩频序列的选择、调制方式、信号检测方法(包括多径接收和多用户接收)、功率控制以及同步技术等方面。SO-CDMA将是以后星际链路采用的最重要的方式之一。

此外，地面IP网络的一些热点问题也同样可能是卫星IP网络今后的研究方向。如：

(1)IP协议的服务质量(QoS)。与ATM相比，IP只能通过减少误码率进行单一的QoS保证。将来，卫星IP协议也可以发展为提供座机QoS保证，从而支持多媒体业务。

(2)IP路由选择。IP路由选择是IP网络中的一个逻辑功能。目前，卫星IP网络中的各种路由选择方案正在研究之中，这些方案包括隧道效应、NAT、BGP、采用PLS的IP/ATM以及基于约束的优先级路由选择技术等。将来，卫星IP网络中的路由选择方案可能会采用隧道效应、NAT、BGP及MPLS的组合方式来实现，这种方式比较适合用来支持基于ATM-SATCOM中的IP路由选择方案。

(3)IP多播、基于卫星通信的IP安全以及卫星IP拥塞控制。从通信技术的发展情况来看，Internet技术已得到广泛应用。与地面部分相同，未来的3G和4G卫星通信系统须支持IP业务,如多播功能。今后的卫星IP网络还可能采用一些将ATM和TCP/IP相结合的方法，但还存在一些实现以及性能上的问题。

这些问题主要包括如何与地面IP网络互连，IP路由选择以及采用增强的TCP协议来适应长时延和高误码的信道，例如LMS和无线连接、拥塞控制、提供高QoS的MAC协议及安全协议等[5]。

3结束语

近年来，IP技术在卫星中的应用已成为一个研究热点。ITU-R的WP4B会议通过了IP在卫星通信中的应用这一新技术课题提案，这对于卫星通信的发展意义重大。随着移动通信技术和互联网技术的不断发展和进步，全IP成为必然趋势，卫星通信也有必要逐渐向卫星IP网络和卫星移动通信方向演进。在我军卫星移动通信新一代系统中采用IP技术并进行相关研究，其意义将十分重大。