宽带卫星通信技术.ppt

1、宽带卫星通信技术,康乐 2004年6月,提纲,卫星通信基础 基于卫星的宽带通信系统 DirecPC, DirecWay系统,系统组成,卫星通信系统的组成：,GSO，MEO，LEO,GS主站,Phone,Camera,PC,Server,GS关口站,Phone,PC,FAX,NOC,OCC,静止轨道卫星GSO,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。 固有的缺陷： 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； 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25

2、0-280ms，这不利于实时通信。,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。,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

3、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。,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。,VSAT卫星网络,“Very Small Aperture Terminal” 小口径地面站或者叫做个人地球站（PES）。 支持单向和双向数据传输、语音、图像及其他综合电信及信息业务。 特点： 设备简单、体积小、重量轻、耗电省、造价低、易安装维护。 组网灵活、接续方便。 通信效率高，性能质量好，适用于多种业务

4、。 可建立直接面对用户的直达电路。 集成化程度高，智能化功能强。,VSAT网络构成示意图,HUB,主站,主计算机,FAX,监视器,摄像机,电话,网络监视控制装置,通信卫星,IDU,ODU,VSAT,天线,FAX,Phone,微机,ODU,VSAT,天线,IDU,监视器,微机,VSAT小站,空间段,VSAT网络,按照VSAT网络及设备的基本功能，可以分为单向系统和双向系统。 单向系统：单向传输的功能，或者接受，或者发送。广播系统、数据采集系统。 双向系统：VSAT与主站之间，或者VSAT之间交互通信。 Outband传输：主站发给VSAT的信号。 Inband传输：VSAT发给主站的信号。,VS

5、AT业务类型及应用,广播和分配业务 数据、图像、音频、视频（电视接受、商业电视） 收集和监控业务 数据、图像、视频 交互型业务（星型拓扑） 数据 交互型业务（点对点） 数据、语音、视频,小结,卫星通信系统：技术成熟、特点鲜明、应用广泛。 频带宽，容量大，适用于多业务。 覆盖能力强，稳定可靠。 不受地理条件限制，机动灵活。 成本与通信距离无关。,系统简介,宽带IP卫星通信技术的现状 未来用户的需要 是当前通信发展的新热点之一 向应用TCP/IP的分组交换型网络发展 充分吸收成熟的IP技术和应用。,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

6、上处理OBP，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。,基于弯管卫星架构,图1,基于OBP和ISL卫星架构,图2,基于DBS Internet架构,图3,技术挑战,多址接入控制 固定分配 随机接入 按需分配 卫星系统的路由问题 卫星传输,多址接入控制,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

7、这种分配方式只适用于流量平稳的小规模网络。,多址接入控制,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。,多址接入控制,按需分配 ： 尽管随机接入方式可适用于突发大流量的终端，但是却不能保证QoS。按需分配多址接入协议根据用户需要动态地分配系统的带宽，从而解决了上述问题。 预留的两种方式

8、： 中心控制 分散控制 资源预留： 显式 隐式,卫星系统的路由问题,1. 低轨星座中的路由问题 2.动态拓扑 3.卫星上的IP路由 4.卫星上的ATM交换 5.外部路由问题 6.单向路由,1. 低轨星座中的路由问题,具有OBP和ISL功能的低轨卫星的优点是短时延和无缝连接，这对太空中的Internet具有很强的吸引力。在这种网络中，主要的技术问题是由卫星的运动引起的复杂的动态路由。,2.动态拓扑,离散时间动态虚拟拓扑路由（DT-DVTR）:利用星座的周期性脱机工作。将系统时间分为一组时间间隔。每个时间间隔内是静态拓扑路由问题。多个连续的路由表存贮在卫星上，在拓扑变化时恢复出来。 虚拟节点（VN

9、）：这种策略的目的是从路由协议中隐藏拓扑的变化。每个VN保持状态信息。VN由某一特定的卫星代表，当该卫星消失在地平线时，VN由经过上方的另一个卫星代表，状态信息由第一颗卫星传送到第二颗卫星。,3.卫星上的IP路由,为了通过卫星来传输IP数据包，可以在卫星上直接采用IP路由。这种策略是建立在VN基础上的，它可以实现空间网络和陆地Internet网络的无缝连接，而且允许直接IP多播和IP的QoS。 存在问题： 处理不同长度的IP数据包。 路由表规模 空间设备计算和处理能力,4.卫星上的ATM交换,许多系统使用ATM作为卫星通信的网络协议。包含了专用的信令协议和链路层协议。 ATM是有线网络宽带通信

10、的主要技术，与无线相结合产生的研究方向一无线ATM（WATM）。,5.外部路由问题,内部的协议应该简单，卫星网络的细节应该在陆地网络中隐藏掉，反之亦然。目前的Internet通过使用自治系统AS的概念来实现这种隔离。 卫星系统在Internet中可以看作是一个自治系统（AS）。,6.单向路由,DBS的Internet接入存在单向路由问题。 解决办法： 路由改进协议：馈入端（Feeder），接收端（Receiver）。 隧道：隧道提供了一个链路层，用于在路由处理中隐藏网络的不对称性。,卫星传输,基于卫星的TCP协议的性能 TCP通过一种确认的反馈机制来进行流量控制和可靠地传输数据。 链路容易受到

11、不同因素的影响（如干扰、衰落、阴影效应和雨衰 ）拥塞发生，窗口的大小相应缩小。 不同RTT的TCP连接的公平性。当那些TCP连接共享一个有瓶颈的链路时，有较长RTT的TCP连接会得到不公平的带宽分配。,卫星传输,性能的改进 TCP选择确认：TCP selective acknowledgement(SACK) 事务TCP能够将连接握手的时间由2个RTT减少到1个RTT 永久TCP连接（HTTP1.1支持），允许多个小数据包通过一个永久的TCP进行传输，这种方法对于小流量的业务非常有效。 路径最大传输单元（MTU）发现机制允许TCP使用尽可能大的数据包来避免IP包分块。这样可减少报头负荷，消除分

12、块和合并的过程，提高处理速度。,小结,继续沿卫星ATM方向发展 实时多媒体业务 提高ATM卫星环境下端到端的TCP性能 移动管理 IP和多媒体技术在卫星中的应用发展迅速。 提供基于LAN的IP互连 适应卫星IP业务的MAC层协议 星上IP交换机的结构研究 移动组播管理,DirecPC系统介绍,DirecPC是休斯公司最早的基于DBS的产品和业务系统。 非对称信道提供Internet数据业务。 系统优点在于大数据量文件的回传是通过高速卫星链路而不是低速的Modem. 休斯601卫星，下行链路工作在Ka频段（20-30Ghz）。提供Internet业务到DirecPc和DirecTV组合系统。,D

13、irecPC系统图,开始,PC机发送一个请求,直接送到DirecPC天线和卫星Modem,数据内容压缩后以400Kbps发送,DirecPC卫星,NOC将数据发送到,DirecPC网络运营中心,通过用户的电话Modem,寻路到,用户的ISP,发送到或者来自Internet的信息,DirecWay系统,DirecWay是休斯公司的下一代卫星宽带服务系统。是DirecPC的升级产品。 可靠、高速的连接 Always-on Connection 优点： 可提供单向、双向连接。 Home/office高速接入 动态IP地址。 提供ISP服务,DirecWay系统图,FAQs About DirecWa

14、y,Q: What is DIRECWAY broadband by satellite? Q: How fast is the DIRECWAY system? Q: What is the difference between DIRECWAY Enterprise-Class service plans and the consumer service plans I see offered by local satellite dealers or advertised by the big consumer electronic retailers? Q: How fast are DIRECWAY Enterprise-Class services compared to other high-speed servi