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1、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
2、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。 Inte rnet 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
3、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 TCPIPTCPIP 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 是指导网络上的数据包
4、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 TCPIP 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 )。T CP 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
5、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
6、依每次往返时间递增，以发现可持续的吞吐量。卫星信道对 TCPIP 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 ) 。BD P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：Q
7、OS、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 TIPIP 传输研究也主要集中在这两方面。2. 卫星 TCPIP 传输的基本改进TCP是 TCPIP 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 TCPIP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
8、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，放在此仅简单介绍一下。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
9、效率。因此不同的业务和网络条件支持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 TCPIP 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
10、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
11、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
12、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
13、 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
14、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
