下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展研究*

毛騰躍，徐正全，朱容波，侯 睿

（1.中南民族大學計算機科學學院 武漢430074；2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室 武漢430079）

1 當前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

近十余年來，Internet獲得了高速發(fā)展，終端用戶數(shù)量不斷增加，新業(yè)務(wù)層出不窮，骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)帶寬不斷提高，接入方式靈活方便。盡管Internet為其基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋區(qū)域的用戶提供了極大的便利，但在一些電纜和光纖均無法到達的區(qū)域，用戶利用衛(wèi)星高速接入Internet，無疑是目前唯一的選擇。與Internet相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)存在著一些得天獨厚的特性：傳輸距離遠、部署快速靈活、全球無縫覆蓋、高傳輸帶寬、廣播特性等，可以彌補地面Internet的不足，使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為地面Internet的延伸[1,2]。

自20世紀90年代末以來，整個衛(wèi)星通信行業(yè)開始進入了新一輪的快速增長期。許多投資巨大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以為不同用戶提供各種各樣的通信服務(wù)，包括Internet應(yīng)用、寬帶多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)和個人移動通信服務(wù)等[3]。

1.1 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)類型

目前的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)按照所提供服務(wù)及應(yīng)用范圍的不同，大致可分為以下幾種類型[4]：寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)、靜止軌道或非靜止軌道的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)等。

（1）寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以向USAT（ultra small aperture terminal，極小口徑終端）提供雙向多媒體業(yè)務(wù)，并具備星上 處 理 （onboard processing） 和星上交換（onboard switching）能力，如泰國的IPStar、美國的Wideblue和SPaceway、加拿大的Anik-f2、歐洲的寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)Amerhis以及韓國和日本的MBSat等。

（2）衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)

VSAT（very small aperture terminal，甚小口徑終端）是衛(wèi)星固定通信中的一種重要形式，提供電信通信、廣播電視、轉(zhuǎn)發(fā)器出租、內(nèi)部專網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集等服務(wù)。各類衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)在近幾年得到較快發(fā)展，尤其是基于IP的業(yè)務(wù)，如電視會議、遠程教育、遠程醫(yī)療、流媒體等業(yè)務(wù)。典型的系統(tǒng)有國際通信衛(wèi)星（Intelsat）系統(tǒng)、歐洲通信衛(wèi)星公司（Eutelsat）、俄羅斯聯(lián)邦國際衛(wèi)星組織（IntersPutnik）、美國泛美衛(wèi)星（PanAmsat）、新天空衛(wèi)星（Newskies）等。

（3）靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

國際海事衛(wèi)星（Inmarsat）系統(tǒng)提供區(qū)域覆蓋的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，主要有北美移動衛(wèi)星（MSAT）系統(tǒng)、亞洲蜂窩衛(wèi)星（ACeS）系統(tǒng)、瑟拉亞衛(wèi)星（Thuraya）系統(tǒng)等。

（4）非靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)

非靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中比較典型的有Iridium系統(tǒng)和Globalstar系統(tǒng)，兩者均采用LEO（low earth orbit，近地軌道）組網(wǎng)，與GEO（geostationary earth orbit，地球同步軌道）通信系統(tǒng)相比，傳播時延大大減小，能較好地滿足實時性要求較高的應(yīng)用需求，但它們同樣因為需要“挑選和租用”一個特定連接，用戶使用費用較高。這些系統(tǒng)組網(wǎng)實現(xiàn)起來較容易，而且絕大部分系統(tǒng)采用Ka波段，通信容量大，帶寬高；在Internet和地面移動網(wǎng)絡(luò)沒有覆蓋的區(qū)域，是唯一的接入選擇；提供互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、寬帶多媒體數(shù)據(jù)及個人移動通信等服務(wù)，業(yè)務(wù)類型豐富。

1.2 當前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的局限性

目前的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟，國際標準逐漸完善，但其缺點也非常明顯。

（1）延時高

寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)以及非靜止軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，這3種衛(wèi)星通信系統(tǒng)絕大部分是利用GEO衛(wèi)星充當物理連接通道。地面站先用特定頻率向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)，然后衛(wèi)星再把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他預(yù)先確定的地面站，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)屬于“彎管架構(gòu)”，路由只能在地面進行。當數(shù)據(jù)分組每次由一個衛(wèi)星傳輸?shù)搅硪粋€衛(wèi)星上時，都需要先發(fā)送至地面基站，然后再由地面基站轉(zhuǎn)發(fā)，每一次轉(zhuǎn)發(fā)都產(chǎn)生一定的延時。除了轉(zhuǎn)發(fā)時延，相對地面網(wǎng)絡(luò)來說，GEO衛(wèi)星還有較長的傳播時延，在實時要求較高的通信應(yīng)用中，受到較大的限制。

（2）帶寬利用率低

“彎管架構(gòu)”導致“雙跳”，“雙跳”每次傳輸將占用兩倍于傳輸信息量的帶寬，從而造成帶寬的利用率較低。

（3）通信成本高

衛(wèi)星服務(wù)需要“挑選和租用”一個特定連接，衛(wèi)星服務(wù)提供商維持自己的服務(wù)和鏈路，而每個鏈路可能只用于一項服務(wù)，從用戶費用角度看，費用較高。當前諸如銥星等系統(tǒng)，雖然衛(wèi)星彼此間能夠通信，但并沒有使用通用標準的IP技術(shù)。這些系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)發(fā)地面Internet的IP分組，但屬于基于透明轉(zhuǎn)發(fā)或者基于再生處理的轉(zhuǎn)發(fā)，而不是基于IP分組級的路由轉(zhuǎn)發(fā)。歸根結(jié)底，是因為這些系統(tǒng)不具備星上路由功能，只能基于特定鏈接轉(zhuǎn)發(fā)，而不能如地面Internet上的節(jié)點一樣，實現(xiàn)IP分組級的路由轉(zhuǎn)發(fā)。

（4）服務(wù)融合能力差

每個衛(wèi)星系統(tǒng)作為獨立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，不同系統(tǒng)之間缺乏兼容性與可擴展性，不能像地面Internet一樣，融合所有的服務(wù)。目前的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)很大程度上由昂貴的專利設(shè)備組成，星間鏈路采用特殊的路由算法，且不同系統(tǒng)之間缺乏兼容性與可擴展性。表1對目前幾種典型的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點進行了對比。

當前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高延時彎管架構(gòu)、不具備標準的星上IP功能以及缺乏兼容性與擴展性等局限性，導致了它不能像地面Internet一樣高速而迅猛地發(fā)展。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的局限性使它難以滿足用戶廉價和方便的服務(wù)需求。

表1 典型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點對比

2 下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

IP技術(shù)在地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的成功，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展指明了方向。未來的網(wǎng)絡(luò)將是全IP網(wǎng)絡(luò)，全IP能無縫集成各種接入方式[5]。下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)只有利用成熟的IP技術(shù)組建IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面Internet無縫對接，實現(xiàn)天地一體化的Internet，才能突破衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，滿足用戶的廉價和方便的服務(wù)需求。

2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)IP化的必然性

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融入地面Internet已是大勢所趨。兩大力量驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)融合：經(jīng)濟利益的驅(qū)使和技術(shù)發(fā)展的要求。從經(jīng)濟利益的角度看，用戶需要廉價和方便的服務(wù)，而當前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高通信成本和服務(wù)融合能力差的缺點難以滿足用戶的需求。只有采用IP技術(shù)融入地面Internet才能降低通信成本、融合所有的服務(wù)。從技術(shù)發(fā)展的要求看，目前衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)多是彎管通信，除帶寬利用率低外，還會產(chǎn)生較大的延時。如果采用地面Internet成熟的IP技術(shù)，IP數(shù)據(jù)分組可以在太空中被正確地路由到目的地，從而降低延時、提高帶寬利用率。下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將是一個以IP為核心思想發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)，一個融入到地面Internet、與地面Internet無縫對接的網(wǎng)絡(luò)[6～8]。

2.2 下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的主旨是：以IP為核心思想發(fā)展衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)天地一體化的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，承載的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)“飛天入地”。在這個新的天地一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，所有的服務(wù)可以有機地融合在一起，其架構(gòu)[9～11]如圖1所示。

具體描述如下。

（1）衛(wèi)星成為Internet的一個節(jié)點，具有星間鏈路提供通信路徑、具有星上處理、星上交換、星上路由（onboard routing）功能，用于傳送信號、提供路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。

（2）太空衛(wèi)星骨干網(wǎng)中的衛(wèi)星節(jié)點包括各種類型的星座：GEO、MEO（medium earth orbit，中度地球軌道）、LEO。

（3）衛(wèi)星通過星間鏈路建立太空的移動衛(wèi)星骨干網(wǎng)（mobile satellite backbone）。

（4）太空衛(wèi)星骨干網(wǎng)通過地面的互通網(wǎng)關(guān)（interworking gateway）和地面Internet互聯(lián)互通。

（5）地面終端（固定終端和移動終端）可以直接接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，也可以通過地面的互通網(wǎng)關(guān)接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，地面終端之間互通。

終上所述，下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是一個全IP網(wǎng)絡(luò)，通過太空中的各種星座，搭建移動衛(wèi)星骨干網(wǎng)，利用地面互通網(wǎng)關(guān)，和地面Internet無縫對接。

2.3 下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

同當前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比，采用IP技術(shù)、融入地面Internet的下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將具有無可比擬的優(yōu)勢。

（1）高容量，低成本

通過不同的地面基站或衛(wèi)星，它們可以接收IP數(shù)據(jù)分組，并將這些數(shù)據(jù)分組發(fā)往多個地方，從而根據(jù)需要隨時建立新的連接。這與以往傳統(tǒng)的“挑選和租用”一個特定連接相比，用戶需要支付的衛(wèi)星服務(wù)費將更低。

（2）低延時

衛(wèi)星間進行直接通信，不需要兩次上下傳輸，省去了一輪衛(wèi)星往返傳輸，“單跳”降低音視頻等實時業(yè)務(wù)傳輸?shù)难訒r。

（3）多服務(wù)融合

借助太空路由，建立太空IP網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種服務(wù)的融合?；贗P的連接來承載多項服務(wù)，支持多種不同的應(yīng)用，無需為衛(wèi)星電視、電話服務(wù)等提供獨立的專用硬件。

巨大的優(yōu)勢將會使下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)像地面Internet一樣高速而迅猛地發(fā)展，不斷滿足用戶廉價和便捷的服務(wù)需求。

3 下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)及機遇

下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擁有巨大的優(yōu)勢，前景非常美好，但發(fā)展的道路將會漫長而曲折，這是因為傳統(tǒng)的IP技術(shù)主要是為有線固定網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計。與地面Internet相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有許多獨特的地方，如衛(wèi)星高速運動、網(wǎng)絡(luò)拓撲周期性變化導致星際鏈路和星地鏈路頻繁切換、星上資源和能量受限、宇宙空間環(huán)境復雜導致信道誤碼率遠大于地面網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星空間分布稀疏、節(jié)點間距離遙遠等。這些受限條件決定了不能簡單地將地面Internet技術(shù)直接移植到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。在諸多受限條件的限制下，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的IP化道路面臨巨大的挑戰(zhàn)。

·星間鏈路和星地鏈路頻繁切換等特點導致路由策略極其復雜，作為IP網(wǎng)絡(luò)中的核心技術(shù)，路由問題面臨巨大的挑戰(zhàn)[12,13]。路由問題一直得到了極大的關(guān)注，成為持續(xù)的研究熱點。

·衛(wèi)星鏈路傳輸延時大、誤碼率高等特性導致地面Internet的TCP不能直接應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

·衛(wèi)星相對于地面的高速移動和用戶終端的移動性導致星間鏈路和星地鏈路頻繁切換，給衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的移動性管理帶來了重大挑戰(zhàn)。

·在地面Internet中，QoS（quality of service）問題一直沒有得到很好的解決，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不僅要面對地面Internet原有的QoS問題，還要面對在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的一系列問題。

除此之外，還有用戶需求的不對稱引起的流量管理機制、鏈路頻繁切換引起的帶寬利用和分配機制以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的安全等問題。

盡管下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展之路任重道遠，但以IP為核心思想發(fā)展衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的趨勢和方向使得國際上許多科研機構(gòu)參與其中，大量的研究資金投入其中，如美國航空航天局（NASA）格林研究中心、英國薩里衛(wèi)星公司以及思科公司等，自20世紀末期便開始了衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的研究。美國走在研究的前列，歐洲、日本等緊跟其后，隨后我國也開始關(guān)注，以2007年美國國防部啟動IRIS[14,15]（internet routers in space）太空互聯(lián)網(wǎng)路由計劃為代表的研究活動，一步步地推動著下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化進程。在研究過程中，被關(guān)注的研究熱點層出不窮，需要解決的許多關(guān)鍵技術(shù)仍未有定論。可以預(yù)見，在下一個階段，下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將是一個持續(xù)被諸多學者和研究機構(gòu)關(guān)注、研究的熱點，其關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)性問題將在這一階段被攻克，國際標準將在這一階段被制定和完善。我國在地面互聯(lián)網(wǎng)的標準制定中未能抓住機遇，而目前在下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究上我國與國際基本處于同一起跑線，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的IP化提供了一個絕好的機會，一定要抓住這次機遇，積極參與到國際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的IP化的標準制定之中。

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