第2章 卫星通信网结构

第二章卫星通信网结构卫星通信网提供三种用户之间的连接链路：点到点，点到多点，多点到点。l点到多点传输，用于视频和数据广播（GPS等）。由上行主站发往卫星，再由卫星转送到其覆盖范围的每个接收用户。l多点到点是对广播系统的接收站赋予发送信息的能力，（DVB-S2,DVB-RCS）。l网状网提供点到点的连接，支持交互式业务。lVSAT数据网采用星形结构，中心站和各小站间的链路是双向的。2.1网络结构简介2.1.1网络分类网络的分类方式有很多种，例如按交换方式分，按拓扑结构分，按地理位置范围分等。常用的计算机网络的基本拓扑结构有：总线形、星形、环形、树形、网状网和不规则形。1）总线形结构图2-1总线形结构网络n通信网络只是传输媒体n成本低n分散控制n结构简单，可靠性好n各结点共用总线，广播式传输n扩充性好，增减结点容易n总线长度有限2)星形结构图2-2星形结构n集中控制，中心交换节点功能复杂，但其他通信节点负荷相对较轻n建设成本较大，可扩展性好n所有结点与中央结点连接n结构简单、控制简单n结点出现故障易于隔离n中央结点的可靠性致关重要3）环形结构图2-3环形结构n由一组转发器通过点对点连接成环路构成n分散控制n单个节点的故障有可能波及全网Centralservern各结点共享环路n采用令牌控制，重负载时吞吐量较大4)总线结构图2-4总线结构5)网状网图1-5网状网n端结点之间存在多条通路，需选择路径n可靠性高n通信控制复杂2.1.2网络协议层次化在通信过程中必须遵守事先规定好的规则，即网络协议。国际标准化组织于1979年公布了开放系统互连参考模型OSI。OSI模型分为7层，如图2-6所示。在同一个结点上，下层为上层提供服务，在两个结点之间，对等层之间通过该层协议进行通信。优点n简化了协议，便于实现、调试和维护n各层相互独立，某一层只需知道下一层通过接口所提供的服务，而不需Concentrator了解其实现的细节n功能的追加和变更，限定在相关的层中，使得功能扩充比较灵活n结构上可分割开，各层都可以选则最适合的实现技术图2-6OSI参考模型两个系统间的数据在网络中的传输如图2-7所示。图2-7OSI中的数据流2.2卫星通信网的一般特性Ø面向连接与无连接面向连接的通信由3个过程组成1）建立连接2）传输数据3）撤消连接无连接的通信在传输数据之前不需要建立联系，发送方可以随时发送数据，但数据中要携带目的地的地址，网络按照目的地地址把数据传送到目的地。2.2.1专用带宽业务卫星发展初期，一般为每一业务的传输分配一条固定的卫星链路，在通信期间，所建立的连接链路始终保持不间断。这种固定的专用带宽分配链路传输的速率始终不变。2.2.2电路交换业务所谓电路交换（CircuitSwitching），就是在两通信端之间建立一条专用的（dedicated）实际物理通路路径。此路径由发送端开始，一站一站往目的端串联起来。一旦建立两端之间的联机后，它将一直维持专用状态（即他人无法使用），直到通信结束之后，这条专用路径才停止使用，并让出供他人继续使用。目前的电话与电报交换系统就是使用这种技术。电话电话交换局呼叫时建立的物理连接图2-8电路交换的工作模式电路交换方式属于预分配电路资源系统，即在一次接续中，电路资源预先分配给一对用户固定使用，不管在这条电路上实际有无数据传输，电路一直被占用，直到双方通信完毕拆除连接为止。电路交换方式是从一点到另一点传递信息的最简单的方式。电路交换方式是基于电话网电路交换的原理，即当用户要求发送数据时，交换机就在主叫用户终端和被叫用户终端之间接续一条物理的数据传输通路，这种传输通路是双向的。图2-9是电路交换的基本过程。图2-9电路交换的基本过程。为用户分配固定的专用（带宽）链路，但通常用户只在有实际通信需求时，才需要资源，因此这种方式不经济。卫星通信网中，地球站对呼叫请求的响应将直接传送到电话用户或公用电话网（无星上交换）。电路作为系统容量资源，对应一个频带或一个时隙，实行按需分配。图2-10是各类地球站的卫星电话网示意图。图2-10优点传输的实时性好，适合实时性要求高的交互式信息的传输。缺点交换节点A交换节点B交换节点C交换节点D连续呼叫呼叫应答数据传输确认连接释放时间n线路的利用率比较低n不适合少量的突发性数据的传输n要求收发双方不“忙”，有相同的数据传输速率n不能完成编码格式、通信规程等方面的转换n中间结点不具备差错控制能力n当网络通信量很大时，会使线路的连接失败l在NGEO系统中，呼叫是通过多个卫星和星际链路的连接实现，考虑到用户和卫星之间的相互运动，需要进行卫星之间的切换，更加复杂，在卫星通信系统中，呼叫建立的时间通常达10s。2.2.3分组交换业务l分组交换方式是把要传输的报文分成若干个小的数据块，称为分组，然后以分组为单位按照与报文交换同样的方法进行传输。为了使得信息的可靠传输和处理，信息流在信源端被封装成分组时，要加上“报头”，在接收后，“报头”被去掉。TCP/IP成为分组数据网的主流技术，ATM也是一种分组交换业务。l特点1)出现误码后，只重发有误码的分组2)在接收下一个分组的同时，就可以转发上一个分组，提高了吞吐量3)由于分组比较短，可以存储在内存中，减少了存储时间4)技术实现比较复杂l分组交换分为有两种基本形式：虚电路（VC，virtualcircuit）和数据报方式（DG，datagram）。一．虚电路方式虚电路方式，是一种面向连接的技术，它与电路交换有相似之处，即虚电路的连接也有连接的建立和清除过程，但不是物理链路的连接，而是由虚电路号所标识的逻辑信道的连接，交换节点根据分组标识进行路由。在传送过程所有的分组将沿已建立的虚电路传送，可靠性高，虚电路方式如图2-11所示。图2-11虚电路方式二．数据报方式l数据报方式，无需建立预先的连接，源终端的各数据分组可沿彼此独立的路由进行传输，即每个分组可以沿不同的路径通过网络，但可靠性较差，可以说是一种无连接服务。分组到达目的地的顺序可能与发送不同，还需要整序。l如果数据报方式可以重新排序，并向入节点申请重发丢失的分组，也可以提供面向连接的服务。图2-12数据报方式l分组交换网具有如下特点：（1）分组交换具有多逻辑信道的能力，故中继线的电路利用率高；（2）可实现分组交换网上的不同码型、速率和规程之间的终端互通；（3）由于分组交换具有差错检测和纠正的能力，故电路传送的误码率极小；（4）分组交换的网路管理功能强。经济性能好。此外,分组交换能与公用电话网、用户电报网及其他专用网互连也是分组交换网的优点。2.2.4ATM简介ATM即异步传输模式，ATM是一种快速分组交换技术，因为ATM中的分组被称为信元，如图2-13所示，所以也叫信元交换。图2-13ATM信元（53字节）一．同步传输采用时分多路复用，传输介质被划分为多个信道，同时传送多路数据，如图2-14所示，所有信道平均分配介质带宽若某路数据较少，可能造成信道空闲，浪费了带宽资源。图2-14ATM同步传输二．异步传输采用时分多路复用，根据需要来分配信道，每个信道分到的带宽不同一个信元占据一个时隙，通过信元头部的控制信息区分信道可以充分利用介质带宽，如图2-15所示。图2-15ATM异步传输三．ATM的逻辑连接ATM先建立一条虚连接的通路，再发送数据，ATM可在两个层次上建立虚连接，一条链路上可建立多条虚路径，用虚路径标识(VPI)区分信元头部有VPI，用以表示该信元属于哪个虚路径，同一信元的VPI在不同链路上可以不同。图2-16是虚路径下的虚拟通道。图2-16虚通道是虚路径下的虚拟通道一条虚路径中可以包含一条或多条虚通道，用虚通道标识VCI区分，每条虚通道是一条逻辑信道，传送一路信息信元头部有VCI，同一信元的VCI在不同链路上可以不同，如图2-17所示。图2-17.四．信元的传输信元的头部都含有VPI和VCI。具有相同VPI和VCI的信元在同一个虚路径中的虚通道中传输，信元中的VPI和VCI在每段链路上可以是不同的。ATM交换机按照在建立虚连接时创建的路由表，把输入端信元的VPI和VCI改为输出端的VPI和VCI。虚路径和虚通道是逻辑上的信息传输通路，在物理链路上信元是串行传送的，逻辑上的多通路是通过复用技术实现的，每个信元头部的VPI和VCI决定了该信元属于哪条逻辑通路。图2-18虚路径、虚通道与信元之间的关系2.2.5卫星ATM卫星ATM网要解决的主要技术问题是卫星通信网与ATM网的互连互通，最终使卫星网成为全球通信网的一个无缝、可互操作的部分，因而，规范网络结构、标准空中接口以及与ATM兼容的网络协议是解决问题的关键。卫星ATM网结合了各自的特点，它以卫星传输为手段达到ATM的交换及业务要求，又比固定ATM增加了移动性、灵活的网络及容量配置、更强的广播能力和更广的覆盖范围等特点。l卫星ATM网络体系分为两种：(a)用于卫星透明传输的卫星ATM(b)用于具有星上交换能力的卫星ATM两大体系在透明卫星网络中，在卫星的ATM层或以上层次不进行处理，所有协议处理都是在地面的用户端(UT)、关口站(GES)和网络控制中心(NCC)进行的。尽管没有星上处理和交换功能妨碍卫星网络和地面ATM网络间的完全融合，但因其具有处处覆盖、独特的广播性能、灵活的网络配置和容量分配以及提供移动服务等优点，使得这些体系结构成为了地面高速网络的有力扩展由于ATM传输数据速率高，接收终端必须使用定向天线。对于GEO卫星的固定终端来说使用固定天线即可，但是对于LEO卫星，需要有两个波束的跟踪天线，以适应卫星的切换。移动终端也需要额外的补偿由于用户移动带来的损耗图2-19ATM卫星传输网络结构2.2.5数据通信和协议利用卫星进行数据通信，关键在于正确的协议和编码方案。协议：是一套保证在两个终端之间进行码元（或分组）正确传输和判定的规则，要有出错重传机制。卫星链路与地面链路相比，可能出现成串的突发错误，并由长的传输延时，因此要采用前向纠错码FEC，目前最常用的是卷积码。2.2.6卫星通信系统的服务质量问题服务质量(QoS)是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可以量化为带宽、时延、时延抖动、丢失率、吞吐量、耗费等性能指标。l我们关注的是业务在卫星通信网传输之前，如何根据它们的特性将它们区分，以便区别的传送，这就是QoS解决方案，QoS研究目标是如何有效的为用户提供端到端的服务质量和保证。它无法创造带宽，只是根据需求和网络状况来管理带宽。具体可以量化为传输延迟、抖动、丢包率、带宽要求、吞吐量、业务可用性等指标。为了解决QoS问题，IETF提出了下面几种服务模型和机制：集成服务和资源预留协议(IntServ/RSVP)、区分服务(DiffServ)、和多协议标签交换(Multiprotocollabelswitching，MPLS)。一．卫星链路特点l由于地球站对GEO卫星仰角较高，与地面微波传播相比，大气引起的衰落较轻微，而且持续时间短，比地面微波传输要稳定，一般建模成恒参信道。l干扰情况与地面网不同。地面网主要受认为干扰和不同类型的短期脉冲干扰；而卫星链路的干扰主要来源于接收机内部噪声（偏远地区，各种干扰少），它是由于当前器件和技术水平决定的常量，可以用增加信号功率的方法补偿。l卫星移动通信链路较卫星的固定通信链路传输条件恶劣。天线高度低，增益也低，而且由于环境影响，存在多径现象。二．话音质量与回波l由于链路距离长，传播延时大，单跳的传播时延就达到250毫秒，加上语音编码器等的处理时间则单跳时延将达到350毫秒左右，当移动用户通过卫星进行双跳通信时，时延将达到700毫秒，这是用户所难以忍受的。为了避免这种双跳通信就必须采用星上处理使得卫星具有交换功能，但这必将增加卫星的复杂度，不但增加系统成本，也有一定的技术风险。长的延时对电话业务有影响。l卫星通信中，长的通信时延会带来回波干扰的问题。l在二线传输的两个方向上同时间、同频谱地占用线路，在线路上两个方向传输的信号完全混在一起，本端发信号的回波即成为本端收信号的干扰信号，利用自适应