衛星寬帶通信系統

第8章第8章衛星寬帶通信系統衛星寬帶通信系統章衛星寬帶通信系統衛星寬帶通信系統目錄一、概述二、衛星寬帶通信系統結構三顆衛星TCP技術三、衛星TCP技術四、衛星IP技術五、國外衛星寬帶通信系統的參考文獻?孫志立。衛星網絡原理和協議。 John Wiley＆Sons，Ltd.，2005?陳振國等。衛星通信系統與技術。北京：北京郵電大學出版社，2003年?DOUGLAS E. COMER，林瑤等譯。使用TCP / IP進行Internet互連。 ?DOUGLAS E. COMER，林瑤等譯。使用TCP / IP進行Internet互連。北京：電子工業出版社，1998?Chotikapong，Y。 Sun，Z.通過衛星鏈接評估TCP / IP的應用程序性能。衛星服務和互聯網，2000年2月17日舉行的IEE研討會，頁：4/1 – 4 /4.一、概述?隨著人類社會對信息需求的不斷增長和對互聯網的依賴性不斷提高，互聯網服務和寬帶集成服務已逐漸取代傳統的低速語音和數據通信，成為通信網絡中的主要服務?互聯網服務和寬帶集成服務自然地成為當前快速發展的衛星寬帶通信系統的特征和功能。衛星通信應用領域?特性?高傳輸速率，例如Gilat和Microsoft等。使用雙向VSAT共同啟動的Internet接入服務可以在下行鏈路提供40Mb / s的數據速率，在153.6Kb / s的數據速率下提供數據速率。上行鏈路（但單個用戶只能獲得下行鏈路400Kb / s和上行鏈路56-100Kb / s的速率）為了獨立于地面網絡，大多數衛星寬帶通信通信系統使用微波或激光衛星間鏈路來實現衛星互連，從而形成空間主干傳輸波，或者通過激光衛星間鏈路來實現衛星互連，從而形成空間主干傳輸網絡。衛星鏈路的傳輸損耗很大，在高速傳輸的情況下，要求用戶使用孔徑較大的天線。

因此，在短時間內，衛星寬帶系統將無法支持移動手持終端中的高速通信。 ?功能?為用戶或用戶組提供對Internet骨干網的高速訪問?作為骨干傳輸網絡，連接不同地理區域的Internet網絡運營商?西歐衛星轉發器（36MHz）供需轉發器的數量需求業務920042009傳統語音和數據4163 Internet中繼0017.1147200 Internet訪問00.49.913143電視和視頻5275285859641207 二、衛星寬帶通信系統結構?交互式衛星寬帶因特網訪問系統結構直接訪問直接用戶訪問傳入用戶LANInternet骨干網用戶組用戶站系統網關站ISP?非對稱衛星寬帶接入系統結構?衛星寬帶骨干傳輸系統結構三、衛星TCP技術的幾個概念：（1）往返延遲RTT?發送從發送數據開始當它收到來自接收端的響應時，等效時間是信息傳輸的往返延遲。 （2）連接容量（或帶寬延遲乘積）可以發送的最大數據量受接收窗口限制（接收窗口是帶寬延遲乘積）。連接容量=帶寬?RTT（3）長厚管道?對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據連接通常稱為“長而厚的管道”。

?TCP協議功能?面向連接的，端到端，過程到過程的可靠傳輸協議，為用戶提供字節流傳輸服務?基于不可靠的IP服務，使用端到端提供可靠的數據傳輸端到端流控制端到端流控制，擁塞控制和錯誤控制機制可確保服務可靠性擁塞控制和錯誤控制機制可確保服務可靠性（一）TCP概述?使用滑動窗口協議來實現端到端流控制?使用慢啟動，避免擁塞，快速重傳和快速恢復算法來完成擁塞控制?使用確認包，計時器和重傳機制來實現差錯控制1、滑動窗口協議?接收端公告窗口是發送滑動窗口，是接收者向發送者宣告的窗口大小的值2、擁塞控制機制?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擁塞控制機制遵循TCP TCP擁塞控制機制，并且TCP協議版本不同。不同的是，在當前常見的TCP-Reno中，擁塞控制機制由慢啟動算法，擁塞避免算法，快速重傳和快速恢復算法組成?nWND（KB）40506070 threshold timeout timeout3、慢啟動/擁塞避免機制7-6慢啟動擁塞避免算法CWND改變擁塞窗口CWN歸一化時間（RTT）0350102030臨界值臨界值示例1根據圖7-6中所示的慢啟動擁塞避免算法，假設TCP在一個A中通過移動衛星鏈路傳輸400KB文件，往返延遲為100ms。

如果TCP發送的段大小為1KB，則：發送的段大小為（1）發送文件需要多少RTT？（2）此傳輸的有效吞吐量是多少？ ：CWND（KB）擁塞窗口C3臨界值超時標準化時間（RTT）0351020臨界值臨界值解決方案：（1）傳輸400KB文件后，RTT數為24（2）這一次傳輸的有效吞吐量是：（400×8）/（24×0.1）= 1 33.3（Kbps）示例2假定TCP在衛星通信鏈路上實現了擴展：允許窗口較大假設您正在使用此擴展TCP在1Gbps移動衛星鏈路上以10ms的往返延遲傳輸10MB文件，并且TCP接收窗口為1MB。如果TCP發送的數據包的大小為1KB，則在網絡中在沒有擁塞且沒有數據包丟失的情況下：在數據包丟失的情況下：（[1）當慢啟動打開發送窗口達到1MB時，使用多少RTT？ 2）使用多少RTT發送文件？ （[3）如果發送文件的時間由所需的RTT數量與鏈接延遲的乘積給出，則此傳輸的有效吞吐量是多少？鏈接帶寬的利用率是多少？CWND（KB）擁塞窗口解決方案：（1）當慢啟動打開發送窗口達到1MB時，所需的RTT數量為：（2）根據慢啟動/擁塞避免算法，發送文件所需的RTT數量為： 35（3）有效吞吐量為（3）此傳輸的有效吞吐量為：10 /（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??衛星通信系統中的TCP有哪些問題？（二）衛星中的TCP通信系統存在的問題1.衛星通信鏈路傳播時延大2、衛星通信鏈路信息傳輸的誤碼率高h，導致數據丟失，并且協議可以將其解釋為由擁塞引起的丟失。協議可能將此解釋為擁塞3、衛星網絡的帶寬延遲乘積很大4、衛星鏈路的不對稱性1、長延遲對TCP協議性能的影響?在新的TCP連接已建立，發送方和接收方都不清楚傳輸網絡的流量負載，因此使用緩慢啟動來逐步進行。逐步檢測傳輸鏈路的有效帶寬?對于1個TCP連接，傳輸速率b約為/ bCWND RTT??TCP使用每個段確認時，傳輸比特率達到B所需的時間（1logSStRTT??當TCP使用延遲確認時，傳輸比特率達到B（1logSStRTT???，其中l是消息段的平均長度（位數）2 //）B RTTl?1.所需的時間5 /）B RTTl??假設在不同的速率B和不同的確認方法下，傳輸數據段的平均長度為1KB，TCP協議的緩慢啟動過程的持續時間如下表所示。每段磁道類型tSS（s）確認延遲確認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：每2段收到一次確認。

2、高錯誤率對TCP協議性能的影響?地面電纜傳輸網絡的錯誤率非常低。典型的誤碼率小于10-10，而衛星鏈路的誤碼率通常為10- 2?10-6之間（沒有糾錯編碼時）?傳輸錯誤從三個方面影響TCP的吞吐量性能方面：1）由于錯誤而丟失的消息段必須重新傳輸，從而增加了網絡資源。2） TCP發送方始終將消息段的丟失解釋為網絡擁塞，因此降低其傳輸速率會使網絡資源的利用率急劇下降。 ，降低其傳輸速率，使網絡資源利用率急劇下降； 3）反向鏈路上確認分組的丟失將導致接收段的超時重傳，從而進一步降低協議的吞吐量性能。 ?衛星鏈路錯誤是突發性的，快速重傳和快速恢復算法通常無法在單個窗口中處理多個錯誤。因此，TCP協議的擁塞避免機制將嚴重限制窗口的增長。3、帶寬延遲乘積對TCP協議性能的影響?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流量控制是由兩個關聯方公布其窗口大小來實現的。?在TCP標頭中，窗口大小是一個16位字段段，這意味著最大窗口大小為216 = 65535字節，即64KB?發送方處于發送消息段的過程中，發送方發送的數據量不應超過接收確認信息之前的窗口大小已發送消息段中的一個。 ?衛星系統具有較大的傳輸延遲，以便充分利用帶寬資源。?衛星系統具有較大的傳輸延遲。為了充分利用帶寬資源，必須在接收確認消息之前將足夠的數據發送到網絡。這要求TCP連接窗口足夠大，可以連接到鏈路的不對稱4、對TCP協議性能的影響?衛星網絡中TCP的正向和反向鏈路通常在帶寬上具有較大的不對稱性，即，前向鏈路的有效帶寬遠大于反向鏈路的帶寬。 ?考慮到具有大量TCP傳輸的單向特性（例如，從網絡服務器到遠程主機），可以在很大程度上接收較慢的反向鏈路?當反向鏈路的帶寬有限時，請確認聚合分組和丟失使確認信號流變得突發，這具有三個影響：1）發送的數據流變得更加突發； 2）降低擁塞窗口CWND的增長率；）降低擁塞窗口的增長率； 3）降低了快速恢復機制的效率（三）改善衛星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：標準TCP協議調整和協議擴展，改進的計時機制以及更高級的流控制和數據包丟失恢復算法以及其他丟失恢復算法等。2、基于中間件的解決方案：使用性能增強代理來隔離長時延和高延遲。網絡的其余部分的錯誤率部分。使用專用協議增強系統性能的部分TCP增強技術-增加初始窗口?慢啟動算法中的初始窗口很小（只有1），這使得慢啟動時間更長RFC 2414針對這種情況提出以下公式確定初始窗口1、端到端解決方案?根據此方法，當確認每個消息段時ed，可以將慢啟動算法所需的最大接收窗口恢復時間縮短為：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慢速啟動時間?TCP增強技術字節計數?字節計數是TCP確認計算方法?在字節計數方法中，擁塞窗口的增加由先前未確認的數目確定每個確認（而不是確認數量）覆蓋的字節數?有兩個字節數算法：無限字節數（UBC）和受限字節數（LBC）。

?UBC每次根據收到的確認就根據確認所覆蓋的未確認字節數簡單地增加擁塞窗口，而LBC則將擁塞窗口的增加限制為2個分段?與UBC相比，LBC防止了較大的線性增加突發數據，從而減少數據丟失并提高傳輸效率。?延遲確認意味著接收端不會確認每個接收到的段，而僅在接收到第二個完整段時才確認。確認?在慢啟動過程中，TCP發送方增加擁塞窗口的大小根據收到的確認數來增加擁塞窗口的大小。延遲確認將接收方發送的確認數量減少了一半，因此擁塞窗口大小增加了。放慢了速度?緩慢啟動后使用延遲確認，這樣，TCP連接的活動延遲確認將向接收端發送TCP增強信息慢速啟動后技術延遲確認DAASS可在擁塞窗口大小增加時提供足夠的確認。 TCP連接穩定后，減少確認次數以節省網絡資源。 ?選擇確認是一種策略，用于在丟失多個數據段時糾正TCP處理。 ?使用選擇確認，接收端可以告訴發送端所有接收都是TCP增強技術選擇確認SACK功能的數據段的序列號，以便發送方僅重傳那些確實丟失的數據段，從而提高了TCP傳輸的性能。與標準TCP相比，在衛星信道中使用SACK在性能上有很大的提高。當擁塞開始時，顯式通知機制會將IP數據包頭中的1位ECN字段設置為1，以通知終端節點。

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