卫星宽带通信系统

第8章第8章卫星宽带通信系统卫星宽带通信系统章卫星宽带通信系统卫星宽带通信系统目录一、概述二、卫星宽带通信系统结构三颗卫星TCP技术三、卫星TCP技术四、卫星IP技术五、国外卫星宽带通信系统的参考文献?孙志立。卫星网络原理和协议。 John Wiley＆Sons，Ltd.，2005?陈振国等。卫星通信系统与技术。北京：北京邮电大学出版社，2003年?DOUGLAS E. COMER，林瑶等译。使用TCP / IP进行Internet互连。 ?DOUGLAS E. COMER，林瑶等译。使用TCP / IP进行Internet互连。北京：电子工业出版社，1998?Chotikapong，Y。 Sun，Z.通过卫星链接评估TCP / IP的应用程序性能。卫星服务和互联网，2000年2月17日举行的IEE研讨会，页：4/1 – 4 /4.一、概述?随着人类社会对信息需求的不断增长和对互联网的依赖性不断提高，互联网服务和宽带集成服务已逐渐取代传统的低速语音和数据通信，成为通信网络中的主要服务?互联网服务和宽带集成服务自然地成为当前快速发展的卫星宽带通信系统的特征和功能。卫星通信应用领域?特性?高传输速率，例如Gilat和Microsoft等。使用双向VSAT共同启动的Internet接入服务可以在下行链路提供40Mb / s的数据速率，在153.6Kb / s的数据速率下提供数据速率。上行链路（但单个用户只能获得下行链路400Kb / s和上行链路56-100Kb / s的速率）为了独立于地面网络，大多数卫星宽带通信通信系统使用微波或激光卫星间链路来实现卫星互连，从而形成空间主干传输波，或者通过激光卫星间链路来实现卫星互连，从而形成空间主干传输网络。卫星链路的传输损耗很大，在高速传输的情况下，要求用户使用孔径较大的天线。

因此，在短时间内，卫星宽带系统将无法支持移动手持终端中的高速通信。 ?功能?为用户或用户组提供对Internet骨干网的高速访问?作为骨干传输网络，连接不同地理区域的Internet网络运营商?西欧卫星转发器（36MHz）供需转发器的数量需求业务920042009传统语音和数据4163 Internet中继0017.1147200 Internet访问00.49.913143电视和视频5275285859641207 二、卫星宽带通信系统结构?交互式卫星宽带因特网访问系统结构直接访问直接用户访问传入用户LANInternet骨干网用户组用户站系统网关站ISP?非对称卫星宽带接入系统结构?卫星宽带骨干传输系统结构三、卫星TCP技术的几个概念：（1）往返延迟RTT?发送从发送数据开始当它收到来自接收端的响应时，等效时间是信息传输的往返延迟。 （2）连接容量（或带宽延迟乘积）可以发送的最大数据量受接收窗口限制（接收窗口是带宽延迟乘积）。连接容量=带宽?RTT（3）长厚管道?对于给定的最大窗口大小（带宽延迟乘积），较大的往返延迟将限制连接带宽（即传输速率），而具有较大带宽延迟乘积的数据连接通常称为“长而厚的管道”。

?TCP协议功能?面向连接的，端到端，过程到过程的可靠传输协议，为用户提供字节流传输服务?基于不可靠的IP服务，使用端到端提供可靠的数据传输端到端流控制端到端流控制，拥塞控制和错误控制机制可确保服务可靠性拥塞控制和错误控制机制可确保服务可靠性（一）TCP概述?使用滑动窗口协议来实现端到端流控制?使用慢启动，避免拥塞，快速重传和快速恢复算法来完成拥塞控制?使用确认包，计时器和重传机制来实现差错控制1、滑动窗口协议?接收端公告窗口是发送滑动窗口，是接收者向发送者宣告的窗口大小的值2、拥塞控制机制?TCP拥塞控制s范·雅各布森（Van Jacobson）在1980年代后期提出了策略。 TCP拥塞控制机制遵循TCP TCP拥塞控制机制，并且TCP协议版本不同。不同的是，在当前常见的TCP-Reno中，拥塞控制机制由慢启动算法，拥塞避免算法，快速重传和快速恢复算法组成?nWND（KB）40506070 threshold timeout timeout3、慢启动/拥塞避免机制7-6慢启动拥塞避免算法CWND改变拥塞窗口CWN归一化时间（RTT）0350102030临界值临界值示例1根据图7-6中所示的慢启动拥塞避免算法，假设TCP在一个A中通过移动卫星链路传输400KB文件，往返延迟为100ms。

如果TCP发送的段大小为1KB，则：发送的段大小为（1）发送文件需要多少RTT？（2）此传输的有效吞吐量是多少？ ：CWND（KB）拥塞窗口C3临界值超时标准化时间（RTT）0351020临界值临界值解决方案：（1）传输400KB文件后，RTT数为24（2）这一次传输的有效吞吐量是：（400×8）/（24×0.1）= 1 33.3（Kbps）示例2假定TCP在卫星通信链路上实现了扩展：允许窗口较大假设您正在使用此扩展TCP在1Gbps移动卫星链路上以10ms的往返延迟传输10MB文件，并且TCP接收窗口为1MB。如果TCP发送的数据包的大小为1KB，则在网络中在没有拥塞且没有数据包丢失的情况下：在数据包丢失的情况下：（[1）当慢启动打开发送窗口达到1MB时，使用多少RTT？ 2）使用多少RTT发送文件？ （[3）如果发送文件的时间由所需的RTT数量与链接延迟的乘积给出，则此传输的有效吞吐量是多少？链接带宽的利用率是多少？CWND（KB）拥塞窗口解决方案：（1）当慢启动打开发送窗口达到1MB时，所需的RTT数量为：（2）根据慢启动/拥塞避免算法，发送文件所需的RTT数量为： 35（3）有效吞吐量为（3）此传输的有效吞吐量为：10 /（35 *0.1） =2.857（MB / s）链路带宽利用率为：（2.857 * 8）/ 1000 =2.2856％22log（/）log（1024 /1)10SST MMS??卫星通信系统中的TCP有哪些问题？（二）卫星中的TCP通信系统存在的问题1.卫星通信链路传播时延大2、卫星通信链路信息传输的误码率高h，导致数据丢失，并且协议可以将其解释为由拥塞引起的丢失。协议可能将此解释为拥塞3、卫星网络的带宽延迟乘积很大4、卫星链路的不对称性1、长延迟对TCP协议性能的影响?在新的TCP连接已建立，发送方和接收方都不清楚传输网络的流量负载，因此使用缓慢启动来逐步进行。逐步检测传输链路的有效带宽?对于1个TCP连接，传输速率b约为/ bCWND RTT??TCP使用每个段确认时，传输比特率达到B所需的时间（1logSStRTT??当TCP使用延迟确认时，传输比特率达到B（1logSStRTT???，其中l是消息段的平均长度（位数）2 //）B RTTl?1.所需的时间5 /）B RTTl??假设在不同的速率B和不同的确认方法下，传输数据段的平均长度为1KB，TCP协议的缓慢启动过程的持续时间如下表所示。每段磁道类型tSS（s）确认延迟确认B = 1MbpsB = 10MbpsB = 155MbpsB = 1MbpsB = 10MbpsB = 155Mbps低轨0.180.350.550.280.560.90中间轨道1. 492.323.312.373.795.48固定轨道3.915.737.916.299.4113.13RTT值：GEO－ 550ms，MEO－ 250ms，LEO－50ms；延迟确认：每2段收到一次确认。

2、高错误率对TCP协议性能的影响?地面电缆传输网络的错误率非常低。典型的误码率小于10-10，而卫星链路的误码率通常为10- 2?10-6之间（没有纠错编码时）?传输错误从三个方面影响TCP的吞吐量性能方面：1）由于错误而丢失的消息段必须重新传输，从而增加了网络资源。2） TCP发送方始终将消息段的丢失解释为网络拥塞，因此降低其传输速率会使网络资源的利用率急剧下降。 ，降低其传输速率，使网络资源利用率急剧下降； 3）反向链路上确认分组的丢失将导致接收段的超时重传，从而进一步降低协议的吞吐量性能。 ?卫星链路错误是突发性的，快速重传和快速恢复算法通常无法在单个窗口中处理多个错误。因此，TCP协议的拥塞避免机制将严重限制窗口的增长。3、带宽延迟乘积对TCP协议性能的影响?在TCP连接中，链路的最大有效带宽与连接的往返时间RTT的乘积称为带宽延迟乘积BDP乘积BDP?BDP表示RTT吞吐量BDP中的TCP链接最大值（KB）带宽128Kbps244Kbps1Mbps2Mbps45Mbps155Mbps低轨（RTT = 50ms）0.8 1. 5256.2512.528 1. 25968.75 RTT = 250ms）47.6253 1. 2562.51406.254843.75静止轨道（RTT = 550ms）8.816.77568.75137.53093.7510656.25?TCP流量控制是由两个关联方公布其窗口大小来实现的。?在TCP标头中，窗口大小是一个16位字段段，这意味着最大窗口大小为216 = 65535字节，即64KB?发送方处于发送消息段的过程中，发送方发送的数据量不应超过接收确认信息之前的窗口大小已发送消息段中的一个。 ?卫星系统具有较大的传输延迟，以便充分利用带宽资源。?卫星系统具有较大的传输延迟。为了充分利用带宽资源，必须在接收确认消息之前将足够的数据发送到网络。这要求TCP连接窗口足够大，可以连接到链路的不对称4、对TCP协议性能的影响?卫星网络中TCP的正向和反向链路通常在带宽上具有较大的不对称性，即，前向链路的有效带宽远大于反向链路的带宽。 ?考虑到具有大量TCP传输的单向特性（例如，从网络服务器到远程主机），可以在很大程度上接收较慢的反向链路?当反向链路的带宽有限时，请确认聚合分组和丢失使确认信号流变得突发，这具有三个影响：1）发送的数据流变得更加突发； 2）降低拥塞窗口CWND的增长率；）降低拥塞窗口的增长率； 3）降低了快速恢复机制的效率（三）改善卫星TCP性能的方法?主要解决方案可以大致分为两类1、端到端解决方案：标准TCP协议调整和协议扩展，改进的计时机制以及更高级的流控制和数据包丢失恢复算法以及其他丢失恢复算法等。2、基于中间件的解决方案：使用性能增强代理来隔离长时延和高延迟。网络的其余部分的错误率部分。使用专用协议增强系统性能的部分TCP增强技术-增加初始窗口?慢启动算法中的初始窗口很小（只有1），这使得慢启动时间更长RFC 2414针对这种情况提出以下公式确定初始窗口1、端到端解决方案?根据此方法，当确认每个消息段时ed，可以将慢启动算法所需的最大接收窗口恢复时间缩短为：其中Wmax是最大允许接收窗口，Winit是初始窗口??min4，max（2,4380)MSSMSS??initialwindow = 2max2init（log Wlog W）RTT慢速启动时间?TCP增强技术字节计数?字节计数是TCP确认计算方法?在字节计数方法中，拥塞窗口的增加由先前未确认的数目确定每个确认（而不是确认数量）覆盖的字节数?有两个字节数算法：无限字节数（UBC）和受限字节数（LBC）。

?UBC每次根据收到的确认就根据确认所覆盖的未确认字节数简单地增加拥塞窗口，而LBC则将拥塞窗口的增加限制为2个分段?与UBC相比，LBC防止了较大的线性增加突发数据，从而减少数据丢失并提高传输效率。?延迟确认意味着接收端不会确认每个接收到的段，而仅在接收到第二个完整段时才确认。确认?在慢启动过程中，TCP发送方增加拥塞窗口的大小根据收到的确认数来增加拥塞窗口的大小。延迟确认将接收方发送的确认数量减少了一半，因此拥塞窗口大小增加了。放慢了速度?缓慢启动后使用延迟确认，这样，TCP连接的活动延迟确认将向接收端发送TCP增强信息慢速启动后技术延迟确认DAASS可在拥塞窗口大小增加时提供足够的确认。 TCP连接稳定后，减少确认次数以节省网络资源。 ?选择确认是一种策略，用于在丢失多个数据段时纠正TCP处理。 ?使用选择确认，接收端可以告诉发送端所有接收都是TCP增强技术选择确认SACK功能的数据段的序列号，以便发送方仅重传那些确实丢失的数据段，从而提高了TCP传输的性能。与标准TCP相比，在卫星信道中使用SACK在性能上有很大的提高。当拥塞开始时，显式通知机制会将IP数据包头中的1位ECN字段设置为1，以通知终端节点。

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