1 基于衛星的Internet的簡介
近年來互聯網 得到了飛速的發展。與此同時，隨著終端用戶數量的不斷擴大，以及新業務的不斷涌現，對Internet提出了新的挑戰。因此需要一種新的Internet基礎結構來提供高速率高質量的服務，來滿足各種各樣QoS業務的需要。
衛星通信系統具有全球覆蓋性、固定的廣播能力、按需靈活分配帶寬以及支持移動性等優點，是一種向分布在全球的用戶提供Internet服務的最好的候選方案。另外，如果一個衛星通信系統經過良好的設計，可以覆蓋整個地球表面，這對航空和航海用戶和處于邊遠地區缺少地面通信基礎設施的用戶是極為合適的，甚至是唯一的選擇。即使是在有線網絡密集的地區，衛星通信也可以作為日益擁擠的地面鏈路的一種備用選擇。衛星網絡是一個廣播系統，對于飛速發展的點對多點和多點廣播特別是寬帶多媒體應用具有特別的吸引力。衛星網絡可以用作寬帶接入網接入各種各樣的網絡，或者提供固定和移動 終端用戶之間簡單的通信服務。然而，衛星網絡和現有的地面Internet基礎的互操作性正面臨著新的挑戰。本文試圖對正在實施的衛星通信系統整合internet的研究和一簡單綜述。
2 衛星通信基礎
衛星通信系統包括空間部分和地面部分。地面部分包括關口站GS、網絡控制中心NCC、操作控制中心OCC。其中NCC和OCC負責整個網絡資源的管理、衛星的操作、軌道的控制。CS作為各種外部網絡和衛星通信網絡的網絡接口。空間部分即衛星，包括靜止軌道衛星GSO和非靜止軌道衛星NGSO，其中NGSO根據對地球的高度可以分為中軌道衛星MEO和低軌道衛星LEO。
（1）GSO：系統的衛星位于地球赤道上主35786km附近的地球同步赤道上，衛星繞地球公轉與地球自轉的方向和周期都相同，因此衛星相對地球靜止，只要有三個GSO衛星就可以覆蓋除南北兩極地球上所有的地區。然而GSO具有以下固有的缺陷：
1）在自由空間中，信號的強度與傳輸距離的平方成反比。GSO距地球較遠，需要較大口徑的天線和較大的發射功率；
2）信號經遠距離的傳輸會帶來很大的時延，典型的往返時延是250-280ms，這不利于實時通信。
（2）MEO和LEO：MEO距離地球表面3000km到GSO軌道，典型的往返時間是110-130ms。LEO位于地球表面200-3000km，典型的往返時間為20-25ms，和地面連接差不多。由于LEO和MEO衛星距離地球表面比較近，所需的天線尺寸較小，傳輸功率較低，但是覆蓋范圍較小。另外，由于衛星相對地球表面高速運動，用戶必須進行衛星到衛星的切換。
（3）衛星的負載：由于衛星的成本較高，而且空間環境非常惡劣，所以衛星的負載具有簡單性和健壯性。傳統GSO采用彎管方式，作為地面兩個通信點之間的中繼器，沒有星上處理OBP。而有些衛星系統允許OBP，包括解調/再調制，解碼/再編碼，轉發器/波束交換，以及路由功能。OBPs支持高容量星間連接ISL，即兩個衛星進行視距連接。
（4）頻段：衛星通信系統經常使用的是C波段（4-8GHz）、Ku波段（10-18GHz）、Ka波段（18-31GHZ）。頻段越高，波長越短，接收天線的尺寸越小，但是越容易受到多徑衰落和雨衰的影響。
3 基于衛星的Internet架構
基于衛星的Internet由于不同的衛星通信系統的設計（軌道類型，星上處理或者彎管，ISL的設計方式）采取了多種架構選擇。衛星通信網絡可以作為Internet樞紐的一部分或者是高速接入網。基于彎管衛星的Internet的典型方案如圖1所示。
其中的衛星可以采用GSO、MEO或者LEO，可以提供Internet接入和數據中繼服務。衛星通信網絡通過GS與地面的Internet網絡相連。但是，彎管架構缺少直接的空間傳輸，造成較低低頻利用率和長時延。OBP和ISL可以用來構建空間網絡，如圖2所示。以上兩種方式，用戶終端是交互的，可以直接對衛星發送和接收數據。
由于Internet流量的不對稱性（服務器傳輸到用戶的數據流量比用戶到服務器的數據流量大得多），現在有一種傾向，即通過直接廣播衛星DBS提供Internet接入，每個家庭都安裝一個只能接收的衛星天線，用來接收衛星廣播信道上的高速數據，反向信道則由地面連接來提供。如圖3所示。
4 技術挑戰
在本節中，我們簡要地總結一下基于衛星的Internet在設計和應用的過程中所面臨的技術挑戰，其中包括多址接入控制MAC，衛星通信網絡的IP傳輸，以及TCP協議的修改和衛星專用的傳輸協議，這些都是適應于衛星通信系統特殊的環境。
4.1多址接入控制
在交互式衛星通信系統中，同一衛星覆蓋區大量的用戶終端都在競爭上行鏈路，MAC作為一種競爭用戶接入共享信道的規則，在高效公平地利用有限的信道資源上起到重要的作用。MAC協議的性能對高層協議以及系統的QoS都會產生很大的影響。MAC協議的性能依賴于共享通信媒質和流量的兩方面因素。衛星信道的長時延（特別是CSO鏈路），以及衛星上有限的功率資源，都限制了衛星上的轉發和計算的能力。根據帶寬在競爭者之間的分配方式，候選衛星通信系統的MAC方案可以分為固定分配、隨機接入和按需分配3種。
（1）固定分配
固定分配可以建立在頻率、時間或者碼址的基礎之上，采用的主要技術有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。在頻分多址和時分多址系統中，每個基站都利用自己專用的信道，沒有競爭，可以提供QoS服務，但沒有充分利用信道資源。由于缺少靈活性和可伸縮性，因此這種分配方式只適用于流量平穩的小規模網絡。
（2）隨機接入
隨著科技的進步，小型低速率終端（例如VAST）得到了廣泛的應用，促進了個人和家庭的衛星接入服務。一個衛星覆蓋區下的基站數量從幾個發展到成百上千個，而且每個用戶的流量迅速增長，基于競爭的隨機接入方式逐漸取代固定分配方式。在隨機接入方案中，每個基站發送數據都不考慮其他基站的傳輸狀態，然而碰撞后的重傳增加了平均傳輸時延，頻繁的重傳會導致很低的吞吐量。
（3）按需分配
盡管隨機接入方式可適用于突發大流量的終端，但是卻不能保證QoS。按需分配多址接入協議根據用戶需要動態地分配系統的帶寬，從而解決了上述問題。該協議在進行實際數據傳輸之前必須發送一個資源請求，而發出請求本身就是一個多址接入問題，但是請求消息比實際的傳輸數據的長度要小得多，可以確保預定消息碰撞以后重傳。當預留成功以后，FDMA和TDMA系統對帶寬進行整體分配，這樣數據的傳輸就不再會有磁撞。
預留可以采取中心控制和分散控制兩種方式。資源預留可以采取顯式或隱式。
顯式預留通常是由所有的基站共享一個指定的預留信道。每個基站通過預留信道發送一個短的請求，該信道具有一個固定的標識時隙號，基站采取固定分配模式接入預留信道（例如TDMA方式）或者隨機接入方式（例如ALOHA方式）。預留成功以后，數據就通過數據信道進行傳輸。
在隱式預留中沒有明顯的預留消息，每個時隙中成功的數據傳輸表示下一幀相應的預留時隙。因此，屬于一個長傳輸序列的數據包經常占據相同的時隙號。幀中的空時隙號表示傳輸結束，在下一幀的開始，其他的用戶就可以競爭這個時隙。這種策略對于流量相對穩定的業務（例如語音和圖像）很吸引力，預約ALOHA就是其中的一種實現方式。
4.2衛星系統的路由問題
（1）低軌星座中的路由問題
具有OBP和ISL功能的低軌衛星的優點是短時延和無縫連接，這對太空中的Internet具有很強的吸引力。在這種網絡中，主要的技術問題是由衛星的運動引起的復雜的動態路由。
（2）動態拓撲
盡管星座拓撲經常變化，但衛星的運動軌道是非常嚴格的，因此具有周期性和可預測性。Internet上一些常用的動態路由機制，如距離矢量和鏈路狀態算法，在星座路由中不能直接使用，這是因為星座的拓撲經常發生變化，這會導致龐大的開銷。下面介紹兩種適用于動態星座的新概念：離散時間動態虛擬拓撲路由和虛擬節點。
1）離散時間動態虛擬拓撲路由（DT-DVTR）：該路由充分利用星座的周期性完全脫機工作。它將系統時間分為一組時間間隔，因此拓撲只在每個時間間隔的開始時變化而在其他時間保持恒定。在每個時間間隔內，路由問題可以看作是靜態拓撲路由問題。多個連續的路由表存貯在衛星上，在拓撲變化時恢復出來。通過這種機制，脫機計算的復雜性就轉化成衛星上大量的存貯空間。
2）虛擬節點（VN）：這種策略的目的是從路由協議中隱藏拓撲的變化。虛擬拓撲由VN組成，而VN是重疊在星座的物理拓撲之上的。即使衛星經過天空，虛擬拓撲仍然保持不變。每個VN保持狀態信息，包括路由表和覆蓋區域內的用戶信息。在特定的時間內，VN由某一特定的衛星代表，當這顆衛星消失在地平線時，VN由經過上方的另一個衛星代表，狀態信息 由第一顆衛星傳送到第二顆衛星。路由決策是建立在虛擬拓撲的基礎上，協議不注意隱藏在狀態傳遞中的動態星座分布。
（3）衛星上的IP路由
為了通過衛星星座來投遞IP數據包，可以在衛星上直接采用IP路由。這種策略是建立在VN基礎上的，它可以實現空間網絡和陸地Internet網絡的無縫連接，而且允許直接IP多播和IP的QoS。然而怎樣處理不同長度的IP數據包以及星上路由表的規模問題，空間設備的計算和處理能力的限制，都是具有挑戰性的問題。這種策略仍然處于初期階段，而且在VN概念的應用上仍然有許多沒有解決的問題。
（4）衛星上的ATM交換
許多系統中使用ATM作為星座的網絡協議，其中包含了衛星專用的信令協議和鏈路層協議。在DT-DVTR的ATM中，同一對入口和出口衛星之間的所有虛擬信道的連接合并為一個虛擬通道（VPC），根據VPC標簽來進行星上交換。如果采用這種系統來提供Internet服務，將使用IP over ATM或者其他相似技術。
（5）外部路由問題
內部的協議應該簡單，衛星網絡的細節應該在陸地網絡中隱藏掉，反之亦然。目前的Internet通過使用自治系統AS的概念來實現這種隔離。
衛星系統在Internet中可以看作是一個自治系統（AS），如圖4所示。許多邊界關口運行外部路由協議，與陸地網絡進行通信。只有那些星座外圍的邊界關口必須注意外面的地址和拓撲信息 。所有經過衛星星座的數據包從一個入口BG進入衛星AS，其中BG負責決定每個數據包的出口BG，如果有必要，入口/出口BG進行打包拆包和地址解析。BG可以在衛星上或者在地面的關口站上實現。如果使用基于空間的BG，所需的計算和存儲容量對于衛星來說是太龐大了。另一方面，如果采用地面上的關口站，數據包必須往返路程時延。在地面網絡中，在任何自治區的內部鏈路要比自治區之間的鏈路有著更低的成本，然而衛星系統覆蓋全球，在衛星星座內的路由可能比經過幾個自治區傳輸的成本還要高。因此，從衛星星座到有些自治區域的目的需要使用多對BG（關口站）。
（6）單向路由
如前所述，通過DBS的Internet接入產生了單向路由問題，不能通過傳統的動態路由策略來解決，這是因為其前提必須是雙向鏈路，而在衛星廣播模式下不再適用了，這是因為衛星的直接反向鏈路是不存在的。基于反向最短路徑樹的多點廣播路由協議（如DVMRP）也遇到同樣的問題。目前有3種方法解決這個問題。其中的一種方法就是不使用動態路由而使用靜態路由，但是一個DBS為上千用戶提供服務，不可能手動配置所有的路由表。另外2種路由方法是路由改進協議和隧道法。
1）路由改進協議：單向路由中，在單向鏈路一端具有只能發送接口的路由口指定為饋入端（Feeder），而在單向鏈路另一端具有只能發送接口的路由器稱為接收端（Receiver）。改進的主要思想分為2部分。首先，改進的協議應該能夠使接收端在從接收到的路由更新信息中識別潛在的饋入端，并且忽略無用的路由信息，與此同時保持有用的報表并維護相鄰路由器的連接。其次，饋入端取得路由信息后，能夠通過單向鏈路經過接收端，更新可以到達的目的地的路由信息 。
2）隧道：隧道提供了一個鏈路層，用于在路由處理中隱藏網絡的不對稱性。在一個DBS和用戶之間采取打包和拆包的方式建立一條虛擬的鏈路。這種虛擬鏈路就是隧道。從用戶到DBS的數據包通過隧道進行分發。首先在用戶端的隧道終點進行打包，根據路由協議，將數據經由隧道通過實際的陸地反向信道進行分發。隧道終端捕獲到傳輸至衛星上的數據包后，先進行拆包，然后通過路由協議前向傳輸，可見，數據報是通過雙向鏈路傳輸過來的。
以上的2種方法比較簡單，而且由于隧道對上層協議是透明的，可以在DBS Internet接入網架構中很快得以應用。然而衛星是點對多點的廣播系統，這2種方案設計都是基于點對點的單向鏈路。因此需要更深入的研究來對這種架構進行優化，設計出新的方案。這2種方法都是著眼于同一自治區內的路由問題，沒有解決自治區之間的路由問題，因此需要新的域間路由方案來解決單向鏈路問題。
4.3衛星傳輸
TCP/IP和UDP/IP協議組構成了Internet的基礎，而且在不久的將來不可能被完全拋棄。因此，基于衛星的Internet應該能夠繼續提供基于TCP和UDP的應用。然而，這2種協議的性能受到衛星鏈路的長時延和易出誤碼的影響，尤其對TCP的影響更大。這里我們首先提出基于衛星鏈路的TCP協議的主要的局限，然后對衛星傳輸問題進行簡單的研究總結。
（1）基于衛星的TCP協議的性能
TCP通過一種確認的反饋機制來進行流量控制和可靠地傳輸數據。衛星鏈路的長時延增大了TCP端到端的時延，導致確認信息 的延緩。這種緩慢的反饋會減弱流量控制，降低了避免擁塞的性能，并會影響吞吐量。另外，潛在的問題是由于LEO星座網絡的動態拓撲導致了RTT（往返時間）的漂移。RTT的劇烈變化將導致錯誤的超時和重傳。因此衛星鏈路沒有得到充分的利用，需要一個和帶寬一時延同步增長的窗口來提高吞吐量。
鏈路容易受到不同因素的影響（如干擾、衰落、陰影效應和雨衰），因此會有很高的誤碼率（BER）。但TCP協議不會區分由于傳輸錯誤造成的數據包錯誤還是由于擁塞造成的數據包丟失，對這兩種都無法確認，而被解釋成網絡擁塞的標志。當接收到一個損壞的數據包，即使沒有擁塞發生，窗口的大小隨即變為原來的一半。而且，網絡的不對稱性也降低了TCP的性能。反向鏈路的容量的限制會導致缺少確認的問題，積存的反饋信息將降低窗口的更新速度。而且，由于反向鏈路阻塞造成的確認信息 的丟失，可能會引起不必要的重傳。
在TCP中的另外一個問題就是不同RTT的TCP連接的公平性。當那些TCP連接共享一個有瓶頸的鏈路時，有較長RTT的TCP連接會得到不公平的帶寬分配。
（2）性能的改進
IETF TCP工作組最近在RFC中提出了許多建議來提高基于衛星的TCP的性能。最后的2個方案采用的是非TCP技術。
TCP選擇確認（TCP selective acknowledgement(SACK)）允許接收端指定正確接收的數據塊，因此發送端只需重傳丟失的數據塊。TCP SACK能夠恢復一個RTT時間內一個傳輸窗口的多個數據的丟失。
事務TCP能夠將連接握手的時間由2個RTT減少到1個RTT，對于短暫的傳輸會有很大的提高。
永久TCP連接（HTTP1.1支持），允許多個小數據包通過一個永久的TCP進行傳輸，這種方法對于小流量的業務非常有效。
路徑最大傳輸單元（MTU）發現機制允許TCP使用盡可能大的數據包來避免IP包分塊。這樣可減少報頭負荷，消除分塊和合并的過程，提高處理速度。
FEC用于鏈路層協議來提高衛星鏈路的質量，但是它不能解決所有的與人為噪聲（如軍事上的干擾）和自然噪聲（如雨衰）有關的問題。除了FEC，采用一些其他的鏈路層的方法（如交織編碼，鏈路層自動重發請求方案）也能降低衛星鏈路上傳輸數據包的差錯率。
TCP協議的擴展能夠解決基于衛星鏈路的標準TCP的一些局限性，但是其他的問題（如端到端的長時延和不對稱性）沒有得到很好的解決。有一種減少端到端時延的方法，是將一個衛星網絡和地面網絡的關口站的TCP連接分解成2個或3個連接。有以下3中方法可將衛星鏈路的TCP連接進行分解。
1）TCP欺騙：分解后的各個連接被GS隔離，這會在接收數據包時提前發出欺騙應答。在分解點上的GS負責重傳所有的數據。
2）TCP分解：與欺騙方式不同，TCP連接完全進行分解。必須在衛星網絡中采用一種合適的協議而不影響陸地網絡采用的標準TCP協議。因此必須在分解點上采用一種靈活的協議轉換器。
3）網頁緩存：與以上2種方案不同，TCP連接在衛星網絡的網頁緩存進行分解。如果在緩存中有所需要的內容，那么衛星網絡中連接到網頁緩存中有所需要的內容，那么衛星網絡中連接到網頁緩存的用戶可不必和外部的服務器建立TCP連接。網頁緩存極大地降低了連接的時延和帶寬的消耗。
5結論
在本文中，我們介紹了基于衛星的Internet，并討論了一些可能的基于轉發器和OBP衛星的Internet的架構。此外，我們研究了其中的關鍵技術，包括LEO星座、單向路由和衛星傳輸等問題。除此之外，我們還闡述了以下一些重要的研究課題。
（1）IP對QoS的支持：衛星系統的QoS支持的研究大多數是基于ATM的QoS，將ATM服務集映射到IPQoS。另外，基于ATM的TCP/IP會帶來更多頭部負荷，因此帶來額外的處理時間和協議的復雜性，需要對業務整合和分離的Internet模型的直接支持。多協議標記交換MPLS，也可用于支持基于衛星網絡的Internet的QoS（整合或分離的業務）間和陸地通信系統的整合，不同衛星網絡的互聯，以及復合衛星系統，都會帶來更多的路由選擇問題。因此在衛星通信系統的QoS路由將是一個很重要的研究課題。
（2）流量和擁塞控制：為確保衛星網絡取得理想的性能并滿足IP QoS的要求，需要一系列機制來控制流量和避免阻塞，同時需要流量管理、流量成型、監視和調度。防止擁塞控制的策略（如接入控制）和有效的擁塞指示策略對于保證特定的QoS是很重要的。
