空间通信与导航报告

空间通信与导航报告第一页，共28页。目录1综述2TCP协议3改进的TCP协议目录结构4仿真及结论第二页，共28页。

综述第三页，共28页。卫星通信系统是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信的数据传输系统。卫星通信系统主要由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四部分组成。其中跟踪遥测及指令分系统负责对卫星的轨道、位置及姿态进行监视和校正；监控分系统负责对卫星的性能及参数进行监测。卫星通信系统概述第四页，共28页。为了满足全球因特网数据传输的需求，卫星通信已经朝着宽带因特网接入服务方向发展。结合卫星通信的自身特点，与地面网络相比，卫星宽带因特网特点鲜明，主要体现在：能够快速组网，短时间内可实现全球范围内的终端用户接入；以广播方式工作，具有大面积覆盖能力，通信灵活机动，适合多媒体业务的广播和组播业务；通信距离远，工作频段宽，通信容量大，可承载多种业务传输；传输能力强，数据传输量大，业务费用低廉。卫星通信系统与Internet结合将会使得空地之间以IP为通信平台，形成空地合一的高速因特网。卫星与Internet融合第五页，共28页。面临的问题卫星网络由于传输距离远（赤道静止轨道卫星距离地球35860km）、传输环境多变的特点（环境干扰、星体阻挡、雨衰、空间复杂电磁环境），在实际数据传输的过程中表现出数据传输延迟大，信道误码率高等特点。同时从卫星发射负荷能力和传输设备经济性考虑，要求卫星星体小巧轻便，因此可搭载的数据传输设备有限，导致卫星传输上下行链路带宽不对称。将TCP直接应用于空间环境却不能表现出良好的数据传输性能，其中最主要的就是TCP在差错控制、拥塞控制和数据传输控制方面的原因。所以卫星网络协议面临两种选择：一是在地面通信网络协议的基础上进行修改，使其适合空间网络环境；二是根据卫星网络的各种约束条件，重新设计新的网络协议。第六页，共28页。

TCP协议第七页，共28页。TCP协议TCP/IP协议族开始于60年代，到了90年代就已经发展成为使用最为广泛的计算机互联协议。TCP/IP协议族主要分为两个部分，即TCP协议和IP协议。从协议层次上讲，IP协议位于网络层中，它为各种高层协议提供了一个通用平台。高层协议和应用程序只需做好与IP的“沟通”，不必关心底层协议和链路接口，就可以实现不同网络和终端的广泛互联。IP具有简单、灵活优点的同时也有不足之处：不提供数据传输的质量保证，也就是通常所说的“尽力而为”的服务。设计TCP协议的目的就是为了弥补IP在这方面的不足，解决数据传输不可靠的问题。TCP协议位于传输控制层，它以适应网络特性为目标，提供可靠、面向连接的服务。TCP协议在发展的过程中经历了几次改动，形成了几种不同的协议版本，但各个版本的TCP协议都包含了连接管理、差错控制、流量控制和拥塞控制机制等。第八页，共28页。卫星链路特点及对TCP协议性能的影响卫星信道属于无线信道，它具有较高的信道误码率和较长的信号传播时延。另外，出于成本等因素的考虑，卫星链路带宽采用的是不对称的连接方式。这些都直接影响TCP协议的性能，降低TCP协议对卫星数据传输信道资源的有效利用。地面网络的往返时延RTT在几个到几十个毫秒内，卫星信道的传播延时则大的多，其传播延时大约为240~250ms，往返时延RTT达到480ms~500ms之间，行星之间的传播时延还要更长。长传播时延会严重影响TCP的性能。同时，长传播延时在TCP检测和恢复丢失数据操作上影响很大。丢失数据的恢复是通过重传完成的，而重传是建立在对丢失数据的检测上。长传播延时：第九页，共28页。

通常在无线通信尤其在空间卫星通信环境下，信道噪声主要为加性高斯白噪声，随机误码为主要表现形式，误码率在10-4~10-7，前向误码修正可在一定程度上纠正误码，但对卫星通信这样的高误码率情况是无能为力的。另外，卫星信道还受天气气候影响，当天气情况恶化时，信道误码率还会更大。高信道误码率卫星链路特点及对TCP协议性能的影响第十页，共28页。卫星网络传输控制协议研究现状针对目前TCP协议在空间通信中出现的种种弊端，如何改进地面数据传输协议以使之适应空间通信网络环境要求，一直是人们广泛关注和研究的热点。各种科研机构和工作组制定了多个RFC文档，而且提出了很多改进方案。这些改进方案主要分为几个方面：1、TCP协议修改方案；2、其他协议层修改方案；3、代理方案。几种TCP协议修改方案：链路层解决方案、端到端解决方案，TCP连接分割方案。在链路层解决方案中，采用TCP确认去触发链路重传，并抑制确认传送到TCP发送端，因此能很好的将链路层丢失掩盖起来，使TCP发送端不会降低其拥塞窗口，但仍然需要访问TCP头从而得到包序列号和确认号。如果基站保持确认在端到端之间进行传送，那么卫星长时延传播就会产生不公平问题。第十一页，共28页。卫星网络传输控制协议研究现状在端到端解决方案中，每种方案只是根据卫星链路传输特点的一部分进行考虑，如大的初始窗口，只是改进了TCP协议在卫星链路长时延情况下，慢启动阶段拥塞窗口增长缓慢的问题，如果在高拥塞情况下，大的初始窗口有可能会增加TCP连接的数据包丢失。同样，字节计数和慢启动后延时确认也只是针对卫星链路距离远时延长的特点，采用加速拥塞窗口增长的方法；在差错控制方面，没有采取完备的差错控制检测策略。TCP连接分割采用的协议转换网关的策略，将地面链路和卫星链路分割开来，在卫星链路段采用适合卫星数据传输的协议，而在另一个协议转换网管再将数据还原为TCP数据，但这种方法在很大程度上增加了协议转换网关的复杂性，对于协议转化的开销很大。第十二页，共28页。TCP协议在卫星链路中需要改进的功能TCP协议之所以在空间通信环境下存在诸多问题，关键是缺乏全面的应用于空间链路的传输控制机制。首先，TCP的错误控制主要是以网络拥塞丢包为中心，而忽略了链路传输错误等其他问题，这在传统网络上是成立的；但在空间通信环境下，链路错误产生的丢包是典型的错误特征，TCP缺乏处理这些错误的能力。其次，TCP在数据发送速率控制方面主要采用慢启动和拥塞避免策略，采用缓慢增长数据发送速度用以探测网络传输带宽的方法，逐步满负荷发挥线路传输性能。这个过程时间长、线路利用率低。我们应就如何侦测网络实际可用带宽，快速有效的在最大带宽条件下传输数据进行改进，使数据发送在短时间内以信道最大有效带宽发送数据，提高信道数据吞吐量。第十三页，共28页。改进的TCP协议第十四页，共28页。SN-TCP协议的提出国际上已经提出了一些传输控制协议，具有典型代表的是：TCP-Peach、TCPWestwood和XCP等协议。这些协议虽然综合考虑了线路误码和网络拥塞，与TCP-Reno和TCP-Newreno相比性能也不同程度提高，但在链路随机误码严重时，或者出现突发误码时，协议性能明显降低。另外，这些协议均未考虑非对称卫星链路的特点，反向链路的拥塞也严重影响了协议的性能。其次，考虑到卫星通信网络电磁环境的特殊性，星上设备设计简单，传输控制协议应降低对星载路由、交换设备的设计要求。因此，这里我们提出一种改进型的端到端的卫星网络传输控制协议——SN-TCP。第十五页，共28页。SN-TCP协议针对卫星链路长传播延时造成的数据传输增长缓慢的问题，我们提出了改进型的快速启动（FasterStart）策略。为了判别数据丢失具体情况，我们提出了丢失检验（LossDetect）策略，这样SN-TCP协议能有效识别丢包所在位置等相关信息和后续丢包的确认。第十六页，共28页。SN-TCP协议N-TCP协议总体结构如图所示：协议主要包括Fasterstart、CongestionAvoidance、bandwidthdetect、LossDetect和SnackRetransmission等策略。第十七页，共28页。SN-TCP协议改进型的快速起始（FasterStart）策略在发送端和接收端成功建立连接后，发送端首先进入到FasterStart阶段。由于卫星链路长时延特点，数据传输时间长，发送方在发送一个分组后，需要等待较长时间（因为卫星链路RTT很大）才能接收到对数据的应答，根据传统TCP协议的慢启动策略，接收端每收到一个分组就才发出一个确认信号ACK。如果接收方采用延迟确认机制，发送方收到ACK个数大约只有上面的一半，拥塞窗口cwnd从一个分组到达通告窗口（awin）所需要的时间就增大至大约两倍。可以看出TCP所采用的延迟响应策略也影响了慢启动，减慢了Cwnd的增加速度，降低了TCP的性能。针对这个问题，我们采用动态扩大初始Cwnd的方法，增加初始的Cwnd的大小，这样对较短的数据流和低带宽极为为有利。如首先使用一个较大的Cwnd的初始值Iw，在发生超时重传时才设置为1，这样就能提高慢启动时的网络带宽利用率。以上提出的扩大Iw值主要针对慢启动阶段在数据开始传输时或者检测出丢失数据重传时设置。第十八页，共28页。丢失判决（LossDetect）策略在丢失判决策略中，采用检测数据包在发送窗口中是否成“洞”的方式判断数据丢失情况。根据TCP包结构，TCP协议在发送数据包时，对每个数据包设定序列号，协议每发送一个数据包的同时将下一个数据包的序列号增加1以标注数据，再通过等待相应序列号数据包应答返回的方法判断数据包是否被正确接收，这种策略保证了数据有效可靠的传输。在数据接收端，协议对比接收到的数据包与上一个已经成功接收的数据包的序列号。接收端在接收到本数据包的时候发送应答，将下一期望接收到的数据包序列号发送给数据源端，希望下一时刻数据端发送本数据。如果在发送过程中，数据窗口的数据包发生丢失，接收端接收到了其他的数据，这样在接收到的数据包序列号与已经接收到的最大序列号数据包进行比较时，发现序列号不相符，当前数据包并非期望接收到的包，这表明数据包丢失，数据发送窗口出现“洞”，于是进入差错控制机制进行丢失数据。SN-TCP协议第十九页，共28页。拥塞避免（CongestionAvoidance）策略带宽探测（bandwidthdetect）策略差错控制策略数据包格式设计SN-TCP协议第二十页，共28页。仿真及结论第二十一页，共28页。非对称链路仿真由于卫星信道带宽不对称的特点，我们需要在不对称信道链路拓扑中仿真协议性能，并进行对比。模型由4个节点组成，n1为server端，通过地面路由n2向卫星n3发送数据，n2和n3之间采用两条带宽不对称的单向卫星链路建立数据通信连接，下行链路远大于上行链路第二十二页，共28页。仿真软件为：NS-2参数如表所示：非对称链路仿真第二十三页，共28页。从图可以看出，SN-TCP在相同条件下，数据包发送量较其他协议高出50%，这是由于SN-TCP协议采用了比其他传统TCP协议更为有效的流量控制机制、差错控制机制和数据重传机制，确保了链路带宽得到充分利用。仿真结果第二十四页，共28页。在相同的仿真时间内，非对称链路上SN-TCP传输的数据量为传统TCP的1.8倍左右。基于SN-TCP的详细准确标注发送窗口内丢失数据包信息的机制和不依赖于快速重传算法探测数据丢失的算法，降低了ACK数据包发送的频率，发送端几乎不能收到重复的ACK包，所以SN-TCP每隔一端时间才发送一个ACK数据包，有效的节约了上行链路带宽资源。仿真结果第二十五页，共28页。本文基于现有TCP传输协议，研究设计一种用以改进型在空间链路上数据传输性能的SN-TCP协议，针对空间数据传输长延时、高误码、线路不对称等特点，设计了快速开始策