第8章第8章衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)章衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)目錄一、概述二、衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三顆衛(wèi)星TCP技術(shù)三、衛(wèi)星TCP技術(shù)四、衛(wèi)星IP技術(shù)五、國(guó)外衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)的參考文獻(xiàn)?孫志立。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)原理和協(xié)議。 John Wiley＆Sons，Ltd.，2005?陳振國(guó)等。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術(shù)。北京：北京郵電大學(xué)出版社，2003年?DOUGLAS E. COMER，林瑤等譯。使用TCP / IP進(jìn)行Internet互連。 ?DOUGLAS E. COMER，林瑤等譯。使用TCP / IP進(jìn)行Internet互連。北京：電子工業(yè)出版社，1998?Chotikapong，Y。 Sun，Z.通過(guò)衛(wèi)星鏈接評(píng)估TCP / IP的應(yīng)用程序性能。衛(wèi)星服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)，2000年2月17日舉行的IEE研討會(huì)，頁(yè)：4/1 – 4 /4.一、概述?隨著人類社會(huì)對(duì)信息需求的不斷增長(zhǎng)和對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的依賴性不斷提高，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和寬帶集成服務(wù)已逐漸取代傳統(tǒng)的低速語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信，成為通信網(wǎng)絡(luò)中的主要服務(wù)?互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和寬帶集成服務(wù)自然地成為當(dāng)前快速發(fā)展的衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)的特征和功能。衛(wèi)星通信應(yīng)用領(lǐng)域?特性?高傳輸速率，例如Gilat和Microsoft等。使用雙向VSAT共同啟動(dòng)的Internet接入服務(wù)可以在下行鏈路提供40Mb / s的數(shù)據(jù)速率，在153.6Kb / s的數(shù)據(jù)速率下提供數(shù)據(jù)速率。上行鏈路（但單個(gè)用戶只能獲得下行鏈路400Kb / s和上行鏈路56-100Kb / s的速率）為了獨(dú)立于地面網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)衛(wèi)星寬帶通信通信系統(tǒng)使用微波或激光衛(wèi)星間鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互連，從而形成空間主干傳輸波，或者通過(guò)激光衛(wèi)星間鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互連，從而形成空間主干傳輸網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星鏈路的傳輸損耗很大，在高速傳輸?shù)那闆r下，要求用戶使用孔徑較大的天線。

因此，在短時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)將無(wú)法支持移動(dòng)手持終端中的高速通信。 ?功能?為用戶或用戶組提供對(duì)Internet骨干網(wǎng)的高速訪問(wèn)?作為骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，連接不同地理區(qū)域的Internet網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商?西歐衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器（36MHz）供需轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量需求業(yè)務(wù)920042009傳統(tǒng)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)4163 Internet中繼0017.1147200 Internet訪問(wèn)00.49.913143電視和視頻5275285859641207 二、衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?交互式衛(wèi)星寬帶因特網(wǎng)訪問(wèn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接訪問(wèn)直接用戶訪問(wèn)傳入用戶LANInternet骨干網(wǎng)用戶組用戶站系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)站ISP?非對(duì)稱衛(wèi)星寬帶接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?衛(wèi)星寬帶骨干傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三、衛(wèi)星TCP技術(shù)的幾個(gè)概念：（1）往返延遲RTT?發(fā)送從發(fā)送數(shù)據(jù)開(kāi)始當(dāng)它收到來(lái)自接收端的響應(yīng)時(shí)，等效時(shí)間是信息傳輸?shù)耐�返延遲。 （2）連接容量（或帶寬延遲乘積）可以發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量受接收窗口限制（接收窗口是帶寬延遲乘積）。連接容量=帶寬?RTT（3）長(zhǎng)厚管道?對(duì)于給定的最大窗口大�。◣�寬延遲乘積），較大的往返延遲將限制連接帶寬（即傳輸速率），而具有較大帶寬延遲乘積的數(shù)據(jù)連接通常稱為“長(zhǎng)而厚的管道”。

?TCP協(xié)議功能?面向連接的，端到端，過(guò)程到過(guò)程的可靠傳輸協(xié)議，為用戶提供字節(jié)流傳輸服務(wù)?基于不可靠的IP服務(wù)，使用端到端提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸端到端流控制端到端流控制，擁塞控制和錯(cuò)誤控制機(jī)制可確保服務(wù)可靠性擁塞控制和錯(cuò)誤控制機(jī)制可確保服務(wù)可靠性（一）TCP概述?使用滑動(dòng)窗口協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)端到端流控制?使用慢啟動(dòng)，避免擁塞，快速重傳和快速恢復(fù)算法來(lái)完成擁塞控制?使用確認(rèn)包，計(jì)時(shí)器和重傳機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制1、滑動(dòng)窗口協(xié)議?接收端公告窗口是發(fā)送滑動(dòng)窗口，是接收者向發(fā)送者宣告的窗口大小的值2、擁塞控制機(jī)制?TCP擁塞控制s范·雅各布森（Van Jacobson）在1980年代后期提出了策略。 TCP擁塞控制機(jī)制遵循TCP TCP擁塞控制機(jī)制，并且TCP協(xié)議版本不同。不同的是，在當(dāng)前常見(jiàn)的TCP-Reno中，擁塞控制機(jī)制由慢啟動(dòng)算法，擁塞避免算法，快速重傳和快速恢復(fù)算法組成?nWND（KB）40506070 threshold timeout timeout3、慢啟動(dòng)/擁塞避免機(jī)制7-6慢啟動(dòng)擁塞避免算法CWND改變擁塞窗口CWN歸一化時(shí)間（RTT）0350102030臨界值臨界值示例1根據(jù)圖7-6中所示的慢啟動(dòng)擁塞避免算法，假設(shè)TCP在一個(gè)A中通過(guò)移動(dòng)衛(wèi)星鏈路傳輸400KB文件，往返延遲為100ms。

如果TCP發(fā)送的段大小為1KB，則：發(fā)送的段大小為（1）發(fā)送文件需要多少RTT？（2）此傳輸?shù)挠行�吞吐量是多少�?：CWND（KB）擁塞窗口C3臨界值超時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間（RTT）0351020臨界值臨界值解決方案：（1）傳輸400KB文件后，RTT數(shù)為24（2）這一次傳輸?shù)挠行�吞吐量是：�?00×8）/（24×0.1）= 1 33.3（Kbps）示例2假定TCP在衛(wèi)星通信鏈路上實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展：允許窗口較大假設(shè)您正在使用此擴(kuò)展TCP在1Gbps移動(dòng)衛(wèi)星鏈路上以10ms的往返延遲傳輸10MB文件，并且TCP接收窗口為1MB。如果TCP發(fā)送的數(shù)據(jù)包的大小為1KB，則在網(wǎng)絡(luò)中在沒(méi)有擁塞且沒(méi)有數(shù)據(jù)包丟失的情況下：在數(shù)據(jù)包丟失的情況下：（[1）當(dāng)慢啟動(dòng)打開(kāi)發(fā)送窗口達(dá)到1MB時(shí)，使用多少RTT？ 2）使用多少RTT發(fā)送文件？ （[3）如果發(fā)送文件的時(shí)間由所需的RTT數(shù)量與鏈接延遲的乘積給出，則此傳輸?shù)挠行�吞吐量是多少？鏈接帶寬的利用率是多少？CWND（KB）擁塞窗口解決方案：（1）當(dāng)慢啟動(dòng)打開(kāi)發(fā)送窗口達(dá)到1MB時(shí)，所需的RTT數(shù)量為：（2）根據(jù)慢啟動(dòng)/擁塞避免算法，發(fā)送文件所需的RTT數(shù)量為： 35（3）有效吞吐量為（3）此傳輸?shù)挠行�吞吐量為�?0 /（35 *0.1） =2.857（MB / s）鏈路帶寬利用率為：（2.857 * 8）/ 1000 =2.2856％22log（/）log（1024 /1)10SST MMS??衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的TCP有哪些問(wèn)題？（二）衛(wèi)星中的TCP通信系統(tǒng)存在的問(wèn)題1.衛(wèi)星通信鏈路傳播時(shí)延大2、衛(wèi)星通信鏈路信息傳輸?shù)恼`碼率高h(yuǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，并且協(xié)議可以將其解釋為由擁塞引起的丟失。協(xié)議可能將此解釋為擁塞3、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的帶寬延遲乘積很大4、衛(wèi)星鏈路的不對(duì)稱性1、長(zhǎng)延遲對(duì)TCP協(xié)議性能的影響?在新的TCP連接已建立，發(fā)送方和接收方都不清楚傳輸網(wǎng)絡(luò)的流量負(fù)載，因此使用緩慢啟動(dòng)來(lái)逐步進(jìn)行。逐步檢測(cè)傳輸鏈路的有效帶寬?對(duì)于1個(gè)TCP連接，傳輸速率b約為/ bCWND RTT??TCP使用每個(gè)段確認(rèn)時(shí)，傳輸比特率達(dá)到B所需的時(shí)間（1logSStRTT??當(dāng)TCP使用延遲確認(rèn)時(shí)，傳輸比特率達(dá)到B（1logSStRTT???，其中l(wèi)是消息段的平均長(zhǎng)度（位數(shù)）2 //）B RTTl?1.所需的時(shí)間5 /）B RTTl??假設(shè)在不同的速率B和不同的確認(rèn)方法下，傳輸數(shù)據(jù)段的平均長(zhǎng)度為1KB，TCP協(xié)議的緩慢啟動(dòng)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間如下表所示。每段磁道類型tSS（s）確認(rèn)延遲確認(rèn)B = 1MbpsB = 10MbpsB = 155MbpsB = 1MbpsB = 10MbpsB = 155Mbps低軌0.180.350.550.280.560.90中間軌道1. 492.323.312.373.795.48固定軌道3.915.737.916.299.4113.13RTT值：GEO－ 550ms，MEO－ 250ms，LEO－50ms；延遲確認(rèn)：每2段收到一次確認(rèn)。

2、高錯(cuò)誤率對(duì)TCP協(xié)議性能的影響?地面電纜傳輸網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)誤率非常低。典型的誤碼率小于10-10，而衛(wèi)星鏈路的誤碼率通常為10- 2?10-6之間（沒(méi)有糾錯(cuò)編碼時(shí)）?傳輸錯(cuò)誤從三個(gè)方面影響TCP的吞吐量性能方面：1）由于錯(cuò)誤而丟失的消息段必須重新傳輸，從而增加了網(wǎng)絡(luò)資源。2） TCP發(fā)送方始終將消息段的丟失解釋為網(wǎng)絡(luò)擁塞，因此降低其傳輸速率會(huì)使網(wǎng)絡(luò)資源的利用率急劇下降。 ，降低其傳輸速率，使網(wǎng)絡(luò)資源利用率急劇下降； 3）反向鏈路上確認(rèn)分組的丟失將導(dǎo)致接收段的超時(shí)重傳，從而進(jìn)一步降低協(xié)議的吞吐量性能。 ?衛(wèi)星鏈路錯(cuò)誤是突發(fā)性的，快速重傳和快速恢復(fù)算法通常無(wú)法在單個(gè)窗口中處理多個(gè)錯(cuò)誤。因此，TCP協(xié)議的擁塞避免機(jī)制將嚴(yán)重限制窗口的增長(zhǎng)。3、帶寬延遲乘積對(duì)TCP協(xié)議性能的影響?在TCP連接中，鏈路的最大有效帶寬與連接的往返時(shí)間RTT的乘積稱為帶寬延遲乘積BDP乘積BDP?BDP表示RTT吞吐量BDP中的TCP鏈接最大值（KB）帶寬128Kbps244Kbps1Mbps2Mbps45Mbps155Mbps低軌（RTT = 50ms）0.8 1. 5256.2512.528 1. 25968.75 RTT = 250ms）47.6253 1. 2562.51406.254843.75靜止軌道（RTT = 550ms）8.816.77568.75137.53093.7510656.25?TCP流量控制是由兩個(gè)關(guān)聯(lián)方公布其窗口大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。?在TCP標(biāo)頭中，窗口大小是一個(gè)16位字段段，這意味著最大窗口大小為216 = 65535字節(jié)，即64KB?發(fā)送方處于發(fā)送消息段的過(guò)程中，發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)量不應(yīng)超過(guò)接收確認(rèn)信息之前的窗口大小已發(fā)送消息段中的一個(gè)。 ?衛(wèi)星系統(tǒng)具有較大的傳輸延遲，以便充分利用帶寬資源。?衛(wèi)星系統(tǒng)具有較大的傳輸延遲。為了充分利用帶寬資源，必須在接收確認(rèn)消息之前將足夠的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。這要求TCP連接窗口足夠大，可以連接到鏈路的不對(duì)稱4、對(duì)TCP協(xié)議性能的影響?衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中TCP的正向和反向鏈路通常在帶寬上具有較大的不對(duì)稱性，即，前向鏈路的有效帶寬遠(yuǎn)大于反向鏈路的帶寬。 ?考慮到具有大量TCP傳輸?shù)膯蜗蛱匦裕ɡ�如，從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器到遠(yuǎn)程主機(jī)），可以在很大程度上接收較慢的反向鏈路?當(dāng)反向鏈路的帶寬有限時(shí)，請(qǐng)確認(rèn)聚合分組和丟失使確認(rèn)信號(hào)流變得突發(fā)，這具有三個(gè)影響：1）發(fā)送的數(shù)據(jù)流變得更加突發(fā)； 2）降低擁塞窗口CWND的增長(zhǎng)率；）降低擁塞窗口的增長(zhǎng)率； 3）降低了快速恢復(fù)機(jī)制的效率（三）改善衛(wèi)星TCP性能的方法?主要解決方案可以大致分為兩類1、端到端解決方案：標(biāo)準(zhǔn)TCP協(xié)議調(diào)整和協(xié)議擴(kuò)展，改進(jìn)的計(jì)時(shí)機(jī)制以及更高級(jí)的流控制和數(shù)據(jù)包丟失恢復(fù)算法以及其他丟失恢復(fù)算法等。2、基于中間件的解決方案：使用性能增強(qiáng)代理來(lái)隔離長(zhǎng)時(shí)延和高延遲。網(wǎng)絡(luò)的其余部分的錯(cuò)誤率部分。使用專用協(xié)議增強(qiáng)系統(tǒng)性能的部分TCP增強(qiáng)技術(shù)-增加初始窗口?慢啟動(dòng)算法中的初始窗口很�。ㄖ挥�1），這使得慢啟動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)RFC 2414針對(duì)這種情況提出以下公式確定初始窗口1、端到端解決方案?根據(jù)此方法，當(dāng)確認(rèn)每個(gè)消息段時(shí)ed，可以將慢啟動(dòng)算法所需的最大接收窗口恢復(fù)時(shí)間縮短為：其中Wmax是最大允許接收窗口，Winit是初始窗口??min4，max（2,4380)MSSMSS??initialwindow = 2max2init（log Wlog W）RTT慢速啟動(dòng)時(shí)間?TCP增強(qiáng)技術(shù)字節(jié)計(jì)數(shù)?字節(jié)計(jì)數(shù)是TCP確認(rèn)計(jì)算方法?在字節(jié)計(jì)數(shù)方法中，擁塞窗口的增加由先前未確認(rèn)的數(shù)目確定每個(gè)確認(rèn)（而不是確認(rèn)數(shù)量）覆蓋的字節(jié)數(shù)?有兩個(gè)字節(jié)數(shù)算法：無(wú)限字節(jié)數(shù)（UBC）和受限字節(jié)數(shù)（LBC）。

?UBC每次根據(jù)收到的確認(rèn)就根據(jù)確認(rèn)所覆蓋的未確認(rèn)字節(jié)數(shù)簡(jiǎn)單地增加擁塞窗口，而LBC則將擁塞窗口的增加限制為2個(gè)分段?與UBC相比，LBC防止了較大的線性增加突發(fā)數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)丟失并提高傳輸效率。?延遲確認(rèn)意味著接收端不會(huì)確認(rèn)每個(gè)接收到的段，而僅在接收到第二個(gè)完整段時(shí)才確認(rèn)。確認(rèn)?在慢啟動(dòng)過(guò)程中，TCP發(fā)送方增加擁塞窗口的大小根據(jù)收到的確認(rèn)數(shù)來(lái)增加擁塞窗口的大小。延遲確認(rèn)將接收方發(fā)送的確認(rèn)數(shù)量減少了一半，因此擁塞窗口大小增加了。放慢了速度?緩慢啟動(dòng)后使用延遲確認(rèn)，這樣，TCP連接的活動(dòng)延遲確認(rèn)將向接收端發(fā)送TCP增強(qiáng)信息慢速啟動(dòng)后技術(shù)延遲確認(rèn)DAASS可在擁塞窗口大小增加時(shí)提供足夠的確認(rèn)。 TCP連接穩(wěn)定后，減少確認(rèn)次數(shù)以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。 ?選擇確認(rèn)是一種策略，用于在丟失多個(gè)數(shù)據(jù)段時(shí)糾正TCP處理。 ?使用選擇確認(rèn)，接收端可以告訴發(fā)送端所有接收都是TCP增強(qiáng)技術(shù)選擇確認(rèn)SACK功能的數(shù)據(jù)段的序列號(hào)，以便發(fā)送方僅重傳那些確實(shí)丟失的數(shù)據(jù)段，從而提高了TCP傳輸?shù)男阅堋Ｅc標(biāo)準(zhǔn)TCP相比，在衛(wèi)星信道中使用SACK在性能上有很大的提高。當(dāng)擁塞開(kāi)始時(shí)，顯式通知機(jī)制會(huì)將IP數(shù)據(jù)包頭中的1位ECN字段設(shè)置為1，以通知終端節(jié)點(diǎn)。

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