卫星网络

2024-06-27

卫星网络(通用12篇)

卫星网络 篇1

0 引言

第5 代移动通信系统( 5G) 已经成为国内外移动通信领域的研究热点。2013 年初欧盟在第7 框架计划启动了面向5G研发的METIS项目,由包括华为公司等29 个参加方共同承担; 韩国和中国分别成立了5G技术论坛和IMT - 2020 ( 5G) 推进组,“863”计划也分别于2013 年6 月和2014 年3 月启动了5G重大项目一期和二期研发课题[1]。目前,世界各国正就5G的发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标及使能技术进行广泛的研讨,力求在2015 年世界无线电大会前后达成共识,并于2016 年后启动有关标准化进程[2]。

目前传统的移动通信和5G的研究中很少有人考虑到卫星的应用。然而卫星具有覆盖范围广、覆盖波束大、组网灵活和通信不受地理环境限制等优点,可以在陆地蜂窝覆盖不到的边远地区、山区、河海、空中和空间实现移动通信[3]。因此在研究5G时,在地面网络中融入卫星网络来弥补地面网络的不足将十分必要。

本文综合国内外最新研究成果,借鉴软件定义网络和网络功能虚拟化的思想,将星地网络从核心网角度融合,利用卫星网络的优点解决了地面网络不易解决的问题。

1 国内外研究现状

由于5G技术过于新颖,学术界和产业界还没有对其进行定义,相关诸如国际电信联盟( ITU) 等国际通信标准机构及全球3GPP、Wi MAX等移动通信论坛也没有给出正式的技术定义,使得5G技术至今还没有一个清晰的概念。国际上,欧洲针对新一代接入网提出了CRAN架构,采用软件定义网络( SDN) 和网络功能虚拟化( NFV) 技术,希望将接入网实现基站池化。国内IMT - 2020( 5G) 推进组提出了号称“三朵云”的5G网络架构,将整个网络分为接入云、控制云和转发云,实现多网融合与核心网的控制与转发分离。以上二者在研究5G时都没有相关卫星移动网络描述。

2 网络架构

文献[4 - 6]中指出5G在峰值速率、用户容量和数据流量等方面的需求指标,本文认为5G还应有全球无死角覆盖、永远在线、融合网络和开放架构易扩展、易配置等特征,为解决这些技术要求,提出了一种卫星网络与地面网络融合的5G网络架构,在地面网络架构中融入卫星网络,不同于以往简单地使用网关互联,本文所提出的架构考虑从核心网的角度来实现卫星网络和地面移动网络的融合,即卫星网络和地面移动网络共用一个核心网。

软件定义网络恰恰体现了网络中的控制与转发分离的思想,将核心网使用SDN和NFV技术把各个网元的功能实体实现软件化,可以解决2 张网络在核心网融合方面的问题。结合国内外最新最热成果,利用SDN和NFV技术将卫星移动网络融合到5G网络架构中,提出了一种新的网络架构方案,如图1 所示。

新架构主要由以下几部分组成:

用户终端: 双模模式,有卫星模式和地面模式。分别相应地接入卫星基站和地面基站,接入基站时采用基于竞争的随机接入。

基站: 有卫星基站( S-e Node B) 和地面基站( Ge Node B) 。基站的主要功能与LTE类似,主要有:

① 无线资源管理: 包括所有与无线承载相关的功能,如无线承载控制、无线准入控制、无线接口的移动性管理、终端上下文调度以及动态资源分配等[7,8]。

② IP包头压缩: 通过对IP数据包头的压缩有助于无线接口的有效利用,否则这将是一个不小的开销,特别对于像Vo IP这样的小数据包来说。

③ 安全性: 所有通过无线接口发送的数据包都需要加密。

核心网: 由核心网处理云和核心网转发云组成。处理云是控制面,负责处理所有控制信息。包含软件实现的移动性管理实体( MME) 、策略与计费规则功能单元( PCRF) 、归属签约服务器( HSS) 、IP多媒体子系统( IMS) 、Tt T交换控制功能( Tt TSCC) 、鉴别、授权、计费单元( AAA/QOS) 、SGW和PGW的控制功能SGW-C和PGW-C。转发云在处理云的控制下负责所有的业务数据的转发。

本架构中的核心网借鉴软件定义网络的思想和云计算的思想,将核心网分为核心网处理云和核心网转发云,实现转发与控制的分离。构造一个新的核心网架构,使其能够提供最大的灵活性、开放性和可编程能力。

软件定义网络思想的应用使封闭的架构变得开放,为集中化、精准化地扩展和配置核心网提供了方便[9]。控制处理面功能对计算资源需求较大,可以逻辑地集中部署并使用虚拟化技术。转发面功能不集中部署,单纯做转发,具有简单、稳定和高性能等特性。控制处理面功能集中化,转发面功能设备通用化,从而具有更灵活的资源调整及网络控制能力。云计算是一种运用于中央控制服务器上的技术,主要是在中央服务器上储存数据和执行应用。云计算的使用可以极大地提高核心网运行效率,也可有效地融合卫星网络与地面网络。

本架构中地面基站采用光纤拉远的方式进行大面积分布式布局,所有基站互相联通同时又统一连接到核心网处理云和核心网转发云。此架构中卫星网络与地面网络在核心网的角度实现融合,打破了传统2 张网络独立运行或利用网关互联的架构基础,提高了网络性能和用户体验。

在5G网络中,卫星网络是地面移动网络一个强有力的补充,在地面网络未覆盖到的地方,可以由卫星网络为移动用户提供移动通信服务。在卫星网络与地面网络同时覆盖的区域,由于考虑到卫星网络的资源有限和延时较大等特点,还是优先选择地面网络。

3 新网络架构的主要信令流程

3. 1 终端注册

终端开机获取本机信息后需要向网络进行注册。

终端先判断出自己所处的环境,继而判断出是使用卫星网络模式还是地面网络模式,然后选择正确的模式向网络注册。5G网络架构注册流程如图2所示。

流程说明如下:

① 随机接入过程。随机接入过程需要基站和终端的协作下共同完成,基站的主要工作就是接收来自不同终端的前导信息和接入信息,终端的主要工作就是发送前导信息和随机接入信息。

② 基站收到注册请求信令,信令中携带主机信息( 包含主机号、主机MAC地址和使用模式等) ,基站将其打包处理成ip协议信令转发至核心网处理网元。

③ 核心网处理网元发起对终端的认证、鉴权和安全密钥分发等过程。

④ 核心网返回注册响应信令,为终端分配ip地址。5G网络中终端永远在线,除非终端主动退网,否则不会丢失ip地址。

3. 2 终端呼叫

终端呼叫根据应用场景不同可以分为以下几种情况: ① 卫星网络终端呼叫卫星网络终端; ② 卫星网络终端呼叫地面网络终端; ③ 地面网络终端呼叫卫星网络终端; ④ 地面网络终端呼叫地面网络终端。

5G网络架构终端呼叫信令流程如图3 所示。

流程说明如下:

① 呼叫发起信令。在呼叫开始时终端1 只知道终端2 的主机号,所以呼叫发起信令携带的是终端2 的主机号、终端1 的主机号和ip地址等信息。

② 信令到达核心网,核心根据用户注册表查出终端2 的IMSI号和ip地址等信息,再根据终端2 的最后一次位置更新来对终端2 进行呼叫。

③ 寻呼到达终端2,终端2 上报自己的当前状态。

④ 连接建立成功信令向终端1 通知终端2 的主机号和ip地址。

⑤ 核心网处理网元为2 个终端建立业务链路。

⑥ 呼叫结束后,终端1 上发呼叫结束信令,上报核心网处理网元通话结束,核心网处理网元拆除业务链路,释放信道资源。

4 仿真实现

在本架构中由于卫星网络与地面网络的双重覆盖,所以会有3 种不同的通信方式,分别是卫星网络与卫星网络通信、卫星网络与地面网络通信以及地面网络与地面网络通信。在仿真测试时,主要测试了终端注册能力以及网络融合后卫星网络与地面网络的通信能力。

核心网采用软件模拟的方式,运行在虚拟机上。基站与终端采用思博伦的Landslide测试工具模拟[10,11,12]。信道模拟器模拟信道链路,时延采用260 ms。

4. 1 终端注册

注册测试框图如图4 所示。

测试结果如下:

① 在既有卫星信号又有地面基站信号时,4 个终端通过地面基站注册到核心网;

② 切断终端与地面基站的链路,只有卫星信号时,4 个终端通过卫星基站注册到核心网;

③ 切断终端1 和终端2 与地面基站的链路,切断终端3 和终端4 与信道模拟器的链路。终端1 和终端2 通过卫星基站注册到核心网,终端3 和终端4 通过地面基站注册到核心网。

4.2卫星网络终端与地面网络终端通信

通信测试框图如图5所示。

2 个终端分别以卫星模式和地面模式注册到核心网。入网后分别得到的ip地址为: 终端1: 183.12. 16. 33; 终端3: 183. 12. 16. 34,终端1 可与终端3正常通信。ping包示意图如图6 所示。

本实验主要证明了: ① 在融合架构中,在卫星网络与地面网络同时覆盖的区域,系统优先选择地面网络; ② 融合架构中,处于卫星网络的终端1 可以与处于地面网络的终端2 正常通信。

5 结束语

本文提出的卫星网络与地面网络融合的5G网络架构,将卫星网络和地面移动网络融合设计,充分利用了卫星网络的优势来弥补地面移动网络不足。而在核心网方面的扁平化处理,控制与转发分离的方式不仅极大地提高了核心网的性能,而且简化了各种信令处理流程。

摘要:为解决5G的全球无死角覆盖、永远在线和融合网络的要求,提出了一种卫星网络与地面网络融合的5G网络架构,并设计了在此架构下的终端接入和呼叫的信令流程。在新架构中地面网与卫星网共用一套核心网,以核心网的角度来实现融合,打破了传统2张网络独立运行或利用网关互联的架构基础,提高了用户体验。实验结果表明,星地网络在核心网角度融合具有良好的系统性能,用户可无差别地使用卫星网络和地面网络。

关键词:5G,网络架构,核心网,信令流程

参考文献

[1]王志勤,罗振东,魏克军.5G业务需求分析及技术标准进程[J].中兴通讯技术,2014,20(2):2-4.

[2]李远东.5G实现移动通信与电视广播的无缝融合[J].卫星电视与宽带多媒体,2014(4):21-25.

[3]张军.面向未来的空天地一体化网络技术[J].国际航空杂志,2008(9):34-37.

[4]ZHANG Jun,CHEN Run-hua,ANDREWS J G,et al.Coordinated Multi-cell MIMO Systems with Cellular Block Diagonalization[C]∥Proceedings of the 41st Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers,2007:1 669-1 673.

[5]董爱先,王学军.第5代移动通信技术及发展趋势[J].通信技术,2014,47(3):235-240.

[6]姜大洁,何丽峰,刘宇超,等.5G:趋势、挑战和愿景[J].电信网技术,2013(9):20-26.

[7]王立静,汪中,孙晨华,等.TDMA卫星系统与IMS融合体系及资源分配[J].无线电通信技术,2012,38(4):18-20.

[8]LI Q C,NIU H N,PAPATHANASSIOU A T,et al.5G Network Capacity:Key Elements and Technologies[J].IEEE Vehicular Technology Magazine,2014,9(1):71-78.

[9]尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学,2014(44):551-563.

[10]CHANNEGOWDA M,NEJABATI R,SIMEONIDOU D.Software-defined Optical Networks Technology and Infrastructure:Enabling Software-defined Optical Network Operations[J].IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,2013,5(10):A274-A282.

[11]王国仲,李小文.TD-LTE UE开机附着信令过程的详细研究[J].广东通信技术,2012(9):19-22.

[12]吴志斌,周昌盛,高奇.轻量级LTE核心网技术[J].移动通信,2014(11):67-71.

卫星网络 篇2

关于印发《卫星网络申报协调与登记维护

管理办法(试行)》的通知

工信部无〔2017〕3号

各卫星操作单位:

为加强和规范卫星网络的申报、协调、登记、维护等各项工作,根据《中华人民共和国无线电管理条例》、国际电信联盟《无线电规则》等相关法规和规定,制定《卫星网络申报协调与登记维护管理办法(试行)》。现予发布,自2017年3月1日起施行。

工业和信息化部

2017年1月3日

卫星网络申报协调与登记维护管理办法(试行)

第一章 总 则

第一条 为加强和规范卫星网络的申报、协调、登记和维护工作,根据《中华人民共和国无线电管理条例》、国际电信联盟(以下简称国际电联)《无线电规则》等相关法规和规定,制定本办法。

第二条 本办法所称的卫星网络,是指由卫星(包括人造卫星、飞船、空间站、深空探测器等航天器)及相应地球站组成的卫星无线电系统或卫星无线电系统的一部分。卫星网络资料是指卫星网络正常工作所涉及的无线电频率和空间轨道等相关信息的技术文件。

卫星网络根据申报使用方式的不同,可分为非规划频段卫星网络和规划频段卫星网络;根据卫星网络资料处理阶段的不同,可分为卫星网络的提前公布资料、协调资料和通知资料,以及规划频段PART A资料、PART B

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资料等。

第三条 本办法适用于在国际电联《无线电规则》框架下,我国卫星操作单位通过工业和信息化部向国际电联申报卫星网络,以及相应开展的卫星网络协调、登记和维护等各项工作。

涉及香港、澳门特别行政区卫星网络的申报、协调、登记和维护事宜,根据内地与香港、澳门特别行政区政府间有关规定办理。

涉及地球站的协调与登记事宜,按照工业和信息化部有关规定办理。

涉及军事系统卫星网络相关事宜,按照军队有关规定办理。

第四条 拟使用卫星频率和轨道资源开展空间无线电业务的,应按照《无线电规则》和本办法要求,向国际电联申报卫星网络。涉及办理空间无线电台执照、组建卫星通信网、卫星发射、电信业务经营等的,还应依法取得相应行政许可。

第五条 投入使用卫星网络需履行国际电联规定的卫星网络申报、协调、登记以及维护等阶段的相关程序。

在卫星网络申报阶段,由卫星操作单位编制相关材料,通过工业和信息化部向国际电联报送提前公布资料、协调资料、规划频段PART A资料等,以及相应开展与之相关的资料补充、修改和澄清等工作。首次申报卫星网络的,由国际电联注册为中国的卫星操作单位。

在卫星网络协调阶段,由工业和信息化部组织卫星操作单位就申报的卫星网络,开展与国内及相关国家的卫星网络和地面无线电业务的兼容共用技术磋商工作。

在卫星网络登记阶段,由工业和信息化部将已履行申报、协调程序的卫星网络通知资料,以及相应的投入使用、履行相关行政程序所需的信息(行政应付努力信息)等报送国际电联,并通知国际电联将卫星网络资料相关信息登记进入频率总表(MIFR),以取得国际认可和保护地位。

在卫星网络的申报、协调、登记或投入使用后等阶段,根据卫星网络的使用计划或实际使用情况,由工业和信息化部组织卫星操作单位开展相应的卫星网络维护工作,以保持卫星网络资料的有效性,提高卫星频率和轨道资源使用效率。

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第二章 卫星网络的申报和国内协调

第六条 卫星操作单位应当具有法人资格,具备履行工业和信息化部和国际电联规定义务的能力,并符合法律法规规定的开展空间业务活动的条件。

第七条 卫星操作单位拟申报卫星网络的,应向工业和信息化部提交下列材料:

(一)申报文件,包括所申报的卫星网络的概况、主要参数、项目背景、使用用途、实施计划、频率协调方案和项目联系人。涉及委托关系的,还应提供相关证明文件。

(二)使用国际电联指定软件填报生成的《无线电规则》附录4和相关决议所列的电子版文件。

(三)卫星网络申报承诺书(见附件)。

(四)工业和信息化部要求的其他材料。首次申报卫星网络的,除上述材料外,还应提供:

(一)申报单位基本情况、单位负责人和联系人。

(二)法人资格证明。

(三)具有履行国际电联以及工业和信息化部规定的相关能力的证明材料(技术人员、管理人员情况和必要的设施、资金等相关情况的证明材料)。

上述信息如发生重大变化,卫星操作单位应当及时向工业和信息化部报送变更后的材料。

第八条 向国际电联申报的卫星网络应当符合《中华人民共和国无线电频率划分规定》等无线电管理规定的有关要求,并符合以下条件:

(一)申报的卫星网络特性符合国际电联《无线电规则》等有关规定。

(二)申报时间符合国际电联规定的时限要求;对于临时重大任务安排、短任务周期卫星等特殊卫星网络,在总体符合频率兼容的条件下,可适当放宽申报时限。

(三)涉及使用卫星业余无线电业务的,还应当符合国际业余无线电联盟有关技术规范和要求。

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第九条 申报材料受理后,由工业和信息化部组织召开国内协调会议,就频率兼容等问题征求国内其他相关卫星操作单位的意见。必要时,工业和信息化部可组织相关单位进行技术论证、专家咨询。经国内协调会议研究,工业和信息化部综合考虑相关卫星网络的申报顺序、卫星项目的立项论证情况以及我国卫星频率和轨道资源申报总体工作需要等因素,形成申报意见。

卫星网络申报后,申报单位应积极主动开展国内协调工作,被协调单位应予配合,相关协调要求应当合理可行。国内协调的完成情况是后续报送通知资料的重要依据。

第三章 卫星网络的国际协调

第十条 卫星操作单位在卫星网络提前公布资料、协调资料或PART A资料等报送国际电联后,应根据国际电联在国际频率信息通报(IFIC)中公布的协调清单和《无线电规则》有关要求,通过信函、电子邮件、电话会议、会谈等方式与相关国家的卫星网络和地面无线电业务开展协调。

第十一条 卫星网络协调可以通过主管部门开展,也可由卫星操作单位自主开展。主管部门间的协调会谈优先考虑涉及静止轨道卫星网络、实际在轨卫星、已批复工程计划、开展国际合作或者历次卫星操作单位间协调中遇有突出困难等的相关卫星网络的协调。

第十二条 应卫星操作单位要求,工业和信息化部可对卫星操作单位间的协调给予必要的指导。我国卫星操作单位与国外卫星操作单位间达成的协调协议应当符合我国无线电管理相关规定,有利于国家卫星频率和轨道资源整体利益,并不得损害国内第三方合法权益。卫星操作单位间所达成的协调协议,应当在协议签署后6个月内报告工业和信息化部。

第十三条 卫星操作单位应当在每年的10月前将下一年度的卫星网络国际协调计划报工业和信息化部。根据卫星网络协调的工作需要,由工业和信息化部统筹安排下一年度主管部门间卫星网络国际协调会谈计划。

第十四条 对于规划频段的PART A资料,在完成必要的国际协调后,卫星操作单位应当通过工业和信息化部向国际电联提交PART B资料,并同

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时提供协调情况说明。

第四章 卫星网络的登记

第十五条 卫星操作单位应当在卫星网络投入使用前,向工业和信息化部提交使用国际电联指定软件填报的《无线电规则》附录4所列通知资料,并提供与国内国际其他卫星网络及相关地面无线电业务协调完成情况的说明。通知资料可依据协调情况进行适当调整,但相关参数一般不得超出此前申报资料的范围。

第十六条 卫星操作单位按要求完成国内协调和必要的国际协调的,由工业和信息化部向国际电联报送卫星网络通知资料,并履行相关的通知登记程序。

相关国际协调确实难以完成的,卫星操作单位应向工业和信息化部作出书面说明,工业和信息化部综合考虑国家卫星频率和轨道资源申报情况后仍可向国际电联报送通知资料。

第十七条 在卫星网络投入使用前,卫星操作单位应按有关要求通过工业和信息化部向国际电联报送行政应付努力信息,并提供卫星网络标识、航天器制造商、发射服务提供商等有关信息说明。

第十八条 卫星网络投入使用后,卫星操作单位应在规定期限内通过工业和信息化部向国际电联报送卫星网络投入使用信息,并说明卫星实际发射和接收频段与卫星网络资料的对应情况。

通过一颗卫星投入使用多个轨位卫星网络的,应按国际电联有关要求提供情况说明。

第五章 卫星网络的维护

第十九条 卫星操作单位应当按照有关要求,及时、准确、积极地开展卫星网络协调等信函处理工作。在信函处理工作中,卫星操作单位应草拟完整的信函处理意见并附上相关说明材料,由工业和信息化部回复相关国家主管部门或国际电联。

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第二十条 卫星操作单位应按有关要求,及时、准确处理国际电联频率信息通报。对其他国家申报的提前公布资料、协调资料、通知资料以及规划频段PART A、PART B资料等信息,卫星操作单位应就国外卫星网络对中方卫星网络的干扰情况、双方协调完成状态等信息进行分析并提出协调意见。

第二十一条 卫星操作单位每年可通过工业和信息化部向国际电联申请免费卫星网络资料,免除国际电联相关成本回收费用。工业和信息化部在综合考虑各单位所申报的卫星网络资料的公益性,以及投入使用的可能性、协调情况、成本回收金额等因素后,指定一份免费卫星网络资料,经公示无异议后履行国际电联的相关手续。免费卫星网络资料的申请应当在每年10月前向工业和信息化部提出。

第二十二条 卫星投入使用后应按卫星网络资料规定的参数范围及达成的协调协议开展工作。超出卫星网络资料参数范围的,应当向工业和信息化部报送卫星网络的修改资料或重新报送资料。

第二十三条 已投入使用的卫星网络拟暂停使用的,卫星操作单位应按规定时限通过工业和信息化部向国际电联申请暂停使用。恢复使用后,卫星操作单位应按规定时限报告工业和信息化部,并提供对相关卫星的发射接收能力的描述,由工业和信息化部向国际电联报送重新投入使用信息。

第二十四条 对于已投入使用的卫星网络拟延长使用的,卫星操作单位应按规定时限在卫星网络使用期限届满前通过工业和信息化部向国际电联办理延期手续。

第二十五条 国内卫星操作单位之间拟利用卫星网络开展合作的,应符合国家卫星频率和轨道资源整体权益,不得损害国内其他卫星操作单位权益,并报告工业和信息化部。

卫星操作单位拟利用其他国家卫星网络设置使用我国空间无线电台的,应当完成与国内卫星网络的协调,并报告工业和信息化部;卫星操作单位拟通过其他国家空间无线电台使用我国卫星网络的,应当符合卫星测控站设置在我国境内或相关卫星操作由我国可控的条件,且不得损害国内其他卫星操作单位权益,并报告工业和信息化部。

第二十六条 在下列情况下,工业和信息化部可对卫星操作单位的相关

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卫星网络资料的使用权进行调配:

(一)卫星操作单位间协商一致,调配使用后有助于提高频率使用效率,且不损害国内其他卫星操作单位权益的。

(二)国家重大工程任务需要,调配使用后符合国家卫星频率和轨道资源整体利益的。

受让的卫星操作单位应当确保对相关卫星网络的合理有效利用,并对原卫星操作单位因申报协调卫星网络产生的费用给予合理补偿。

第二十七条 根据国家卫星频率和轨道资源申报工作需要,工业和信息化部可组织相关单位申报卫星网络资料,并给予必要的指导。

第六章 附 则

第二十八条 违反本办法规定的,由工业和信息化部予以约谈、通报并责令改正;卫星操作单位因自身原因不能合理有效利用卫星频率和轨道资源,造成资源长期闲置并导致国家权益损失的,或造成其他严重后果的,工业和信息化部可收回其所申报的卫星网络资料并重新分配使用。

未经许可擅自使用或转让卫星频率的,由工业和信息化部依照《中华人民共和国无线电管理条例》给予处罚。

第二十九条 本办法由工业和信息化部解释。

第三十条 本办法自2017年3月1日起施行。

附件:卫星网络申报承诺书(略)

来源:中华人民共和国工业和信息化部网

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卫星网络 篇3

[关键词]空间通信 网络安全 防御系统

[中图分类号]TN915.08

[文献标识码]A

[文章编号]1672-5158(2013)05-0247-01

一引言

随着计算机网络和通信技术的高速发展,卫星通信以其通信范围广、距离远、灵活可靠等多方面的优势成为当今的最重要、最有发展前景的信息通信方式之一。随着卫星涉及国计民生的业务范围越来越广,其重要性越来越高,随之引起了对其安全性重视和关注。同互联网一样,卫星通信也不是绝对可靠的信息传输方式,也存在着和互联网同样的安全隐患;并且在线路接入方面,在卫星信号覆盖的范围内使用卫星接收装置都可以获取卫星数据。根据卫星所使用空间通信协议,一方面,各方采取各自独立开发空间通信协议从而提高通信的安全性,另一方面,随着卫星间和卫星与地面间的信息交叉传输,又对空间通信协议的统一性和兼容性提出更高的要求。因此传统单一的安全机制已经不能满足卫星通信对安全服务上的需求。

二卫星通信网的主要安全隐患

卫星通信网与互联网对于安全性的要求是一致的,通常从其可用性、访问控制、机密性、完整性、安全认证等几个方面对其安全性进行分析。在互联网安全性的基础上,以下从这几个方面对卫星通信网的安全性能进行分析评价。

1、卫星通信网的可用性。由于卫星通信网是采用的完整的卫星通信系统进行完成通信任务,不只是采用某单一卫星。而在各个卫星在逻辑上协同工作的同时,各个卫星又在物理上相对独立。因此当某一颗或几颗卫星出现安全隐患而瘫痪时,其他卫星可以协同完成通信任务。因此卫星通信网具有较好的可用性。

2、卫星通信网的访问控制。同互联网的访问控制策略相同,访问控制是保证卫星通信网络安全的最重要核心策略之一。在访问控制方面主要考虑的安全隐患是非授权用户对卫星通信资源和数据信息的非法访问和操作使用。因为从卫星通信安全隐患所占的比重上来看,人为破坏因素比卫星因素要比卫星自身存在问题所占因素比重大的多。

3、卫星通信信息的机密性。与双绞线,同轴电缆及光纤通讯类似,卫星采取的是微波通讯,是信息传输的众多渠道之一,显然,卫星通讯数据也同样存在被拦截或者侦听的可能性,即卫星通信在进行信息传输时存在物理层或数据链路层上的漏洞,一旦数据被窃取,其造成后果也是极其严重的。

4、卫星通信数据的完整性。卫星通信完整性指的是卫星收发信息保证一致,不受非授权的方式的干扰和破坏。通常会影响传输数据的完整性的因素有两种,一种就是恶意的网络攻击,另一种就是采取信道到干扰。根据卫星通信的传播方式,这两种影响因素在卫星通信中都存在。

5、卫星通信的安全认证。安全认证是对抗对卫星通信主动攻击的主要手段。由于物理位置比较分散,用户和设备在数量上也不固定,所以卫星采用的是广播方式,使用公钥的认证算法。因此安全认证能够确保这种开放式卫星通信网络中消息来源或者消息本身被标识。

三卫星通信网的安全防御机制

针对卫星通信网存在的网络安全上的主要威胁,卫星通信网采取安全措施一方面可以把传统的安全策略上用到卫星网络上,另一方面加强卫星自身的物理安全措施和链路安全措施。

首先,传统的网络安全策略对卫星网络安全依然有效可行。传统网络安全策略包括访问控制,信息加密,鉴别交换和安全审计等。根据卫星的所面临的主要威胁的分析,可以看出,既然卫星通信网与互联网对网络安全的目标要求是一致,所不同的就是体现在物理链路和通信基础设施以及空间位置的局限上,因此排除这些因素,其通信协议都是以TCP/IP协议为基础,因此传统的网络安全策略对卫星通信网仍然可行。

其次,在对卫星通信网中传输的信息进行加密和完整性保护,对通信双方实体进行身份鉴别、以及加强访问控制和对星上通信基础设施的加强安全防护的一系列防御措施的基础之上,同时,根据卫星通信系统的自身特点,其网络安全要着重设计密钥管理,身份认证,访问授权,数据安全,代码安全和平台安全保障方案。加强卫星自身的物理安全措施和链路安全措施。

最后,加强远程安全管理。结合入侵检测系统,加强卫星通信安全管理人员对卫星安全的监控。培训卫星通信安全的管理人才,完善卫星通信的相关法律规定,使系统能应对各种可能的攻击和安全威胁,将安全风险控制在可接受度范围内。

四卫星通信网的分级安全机制的构建

随着卫星通信网络传输的使用范围不断扩大,从军用,商用到民用,传输业务也越来越多。采用传统的单一的安全机制已经无法适应当前不同级别业务以及不同级别用户的安全需求。因此,采取对安全机制加以改进,提供一种从技术能满足不同业务和不同用户角色而对应着不同的安全等级的机制。让具体的业务和角色可以选择适合的等级的安全保障。通过这种机制,一方面既能满足对安全性要求等级较高的业务需求,另一方面对于对安全等级要求不高的业务需求,可以节省卫星系统的存储、计算等多方面的资源,从而提高卫星通信系统的高效性和可靠性。

整个系统的核心是星上的安全策略服务器,卫星网络运营部门可以根据任务对安全需求不同进行配置安全等级,并存储在星上的安全策略服务器上,另一方面,对于卫星网络用户来说,他们不需要对卫星通信的内部安全策略了解,只需要简单直观的选择任务,并向安全代理服务器申请与任务相应等级的安全服务,星上安全响应服务器将该请求交与星上安全策略服务器进行仲裁,这时,星上安全策略服务器首先要对该任务请求提供主动安全防御措施,对是否将该用户接人卫星通信网,以及是否授权等进行统一控制。另一方面对通信的接收方的实体进行仲裁。最后根据通信双方的实体的在卫星通信中的安全级别的性质,统一进行控制,由通信双方分别设置网络安全代理,并由网络安全代理按照安全策略服务器为通信双方实体指定的安全等级进行通信。其中由星上安全响应服务器这个网络实体来具体执行指定等级的安全策略。而安全网关负责安全策略服务器和安全响应服务器以及通信双方实体之间的通信的网络连接。

根据任务分级安全策略构建思路,该机制的核心思想在于根据任务和用户角色的不同灵活的选择相应等级的安全策略。这种安全机制一方面可以实现多样化的网络安全服务,根据安全需求不同,设置相应的安全等级。。另一方面,提高了卫星通信的使用效率,节省了资源。最后就是可以安全的和其他网络兼容,为卫星通信网其他网络之间交叉传输提供了一个安全策略机制。

五结束语

本文结合目前卫星通信的发展和网络安全状况,首先探讨了卫星通信的主要安全隐患,并进一步对其相应的的防御措施进行了分析。最后在这些安全措施的基础上,提出一种根据任务不同的分级安全机制。根据安全性的要求高低不同采取不同的认证和加密方式,从而保证卫星通信的安全性、高效性与兼容性。

参考文献

卫星网络 篇4

关键词:卫星网络,网络编码,长时延,ARQ,Sat-NC-ARQ

0 引言

近年来国内外很多学者都在关注卫星通信中的业务传输性能问题。然而, 卫星信道所处的环境非常复杂[1,2], 这些复杂环境会大幅降低卫星信道的通信质量。

由于卫星信道的特殊性, 很多地面协议在应用于卫星网络时往往效率低下[3]。为了克服该问题, 研究者们在借鉴地面ARQ的思想上, 针对卫星环境对ARQ做了深入分析并进行了适应性改进[4,5,6,7]。ARQ主要有停止等待、后退N步和选择性重传3种方式[4]。此外, 网络编码[8,9]在无线通信领域得到了广泛应用。大量研究[10,11,12,13]表明, 无线通信中的网络编码技术能够减少数据包重传次数和丢包率。

为了进一步降低卫星信道的传输时延以及丢包数, 考虑将网络编码应用到卫星网络的ARQ中, 提出了一种适用于卫星网络的基于网络编码的ARQ (Sat-NC-ARQ) 机制。在Sat-NC-ARQ中, 卫星终端除了发送真实业务终端的数据包外, 还会创建一个虚拟业务终端发送网络编码数据包, 从而接收终端只要收到足够多的数据包, 就能对所有的数据包进行解码, 因此可以起到减少重传次数的目的。

1 Sat-NC-ARQ中采用的网络编码思想

Sat-NC-ARQ机制中采用的网络编码思想可以用图1进行简单说明。图1中, 源业务终端s1和s2通过地面链路与源卫星终端连接, 目的业务终端d1和d2通过地面链路与目的卫星终端连接, 而源卫星终端和目的卫星终端之间通过卫星链路连接。

假设源业务终端s1要发送数据包1101给目的业务终端d1, 而源业务终端s2要发送数据包1001给目的业务终端d2。首先, s1和s2要通过地面链路分别发送数据包给源卫星终端, 当源卫星终端收到s1和s2的数据包后, 可以对s1和s2的数据包进行网络编码, 即进行简单的XOR操作, 即11011001=0100;随后将数据包1101、1001和网络编码数据包0100一起发送给目的卫星终端。当目的终端收到3个数据包中的任意2两个时, 都能够利用网络编码技术译码出原数据包, 例如假设目的卫星终端收到s1的数据包1101和网络编码数据包0100, 而s2的数据包1001丢失, 那么目的卫星终端可以通过XOR操作11010100=1001来译码出s2的数据包。随后目的卫星终端就可以将s1和s2的数据包分别发送到d1和d2。

从以上的例子可以看出, 当s2的分组丢失后, Sat-NC-ARQ机制并不需要s2重传分组数据, 因此可以降低卫星网络的传输时延和丢包个数。

2 Sat-NC-ARQ机制

本文将网络编码技术引入到卫星网络的ARQ机制当中, 设计了适用于卫星网络的基于网络编码的Sat-NC-ARQ机制, 最终达到了降低网络延迟与丢包个数的目的。

2.1 系统模型

考虑的卫星网络模型如图2所示, 它包含4种节点, 分别为:①源业务终端集合, S={s1, s2, …, sK}, 其中|S|=K;②目的业务终端集合, D={d1, d2, …, dK}, 其中|D|=K;③一个源卫星终端ST;④一个目的卫星终端DT。因此该卫星网络的节点数量为N=2K+2。

为了简化问题, 只考虑单播情况, 即每个源业务终端si只传输数据包给对应的目的业务终端di。在进行数据传输时, 源业务终端首先要将数据包传输给源卫星终端, 然后源卫星终端通过透明转发的中继卫星将这些数据包发送给目的卫星终端, 最后目的卫星终端再将对应的数据包传输给对应的目的业务终端。只考虑前向链路的情况, 但是由于反向链路在传输方式上和前向链路完全一致, 因此本文的研究成果同样适用于反向链路。

为了简化系统处理, 可以调整数据包的长度大小, 以达到每1 ms发送一个数据包。同时可以假设每个源业务终端依次轮询在每个时刻发送数据包。

为了引入网络编码技术, 在源卫星终端收到K个源业务终端的数据包后, 会对这K个数据包进行网络编码 (XOR操作) , 然后将K个数据包和网络编码包依次发送给目的卫星终端。为了形式化描述该问题, 创建一个虚拟源业务终端sK+1和一个虚拟目的业务终端dK+1。虚拟源业务终端负责在K个源业务终端各发送完毕一个数据包时, 执行网络编码任务并发送K个数据包的网络编码包。

称每个源业务终端 (包含虚拟源业务终端) 都发送一次的时间为一轮, 即每轮持续的时间为K+1 ms。假设每个数据包最大的传输次数为Mmax。用符号gi, j表示源发送业务终端si在第j轮发送的数据包, 用符号M (gi, j) 表示该分组数据包的传输次数, 则有M (gi, j) ≤Mmax。用符号gi, j表示源业务终端si的第j轮发送的数据包的单次发送丢包率。

由于Sat-NC-ARQ机制创建了一个虚拟源业务终端发送网络编码数据包, 于是各源业务终端都每隔N+1 ms发送一次数据包, 如图3所示。因此目标就是确定每一个发送业务终端在被调度发送数据包时, 是传输下一个数据包还是重传已发送过的某个数据包。

2.2 Sat-NC-ARQ详述

为了适应卫星信道的长时延特性, 每个源业务终端都采用选择性重传ARQ机制。

对于每个源业务终端si (虚拟源业务终端除外) , 都维护一个发送队列SQi和一个缓存队列CQi, 在自己的发送时间内依次发送队列中的数据, 其中1≤i≤K。若收到接收正确反馈信息ACK (si, gi, j) , 则将包gi, j从缓存队列中删除。而若接收到接收失败反馈信息NACK (si, gi, j) 时, 若数据包gi, j的发送次数小于Mmax, 则将gij从缓冲队列中移除, 放入发送队列头部, 以准备在下次发送时间重发该数据包;否则, 将gi, j从CQi中删除, 数据包gi, j发送失败。

对于虚拟源业务终端sK+1, 在自己的发送时间内, 都发送前K个时间单位内各源业务终端发送的数据包的网络编码包, 即:

对于源卫星终端ST, 当接收到源业务终端发送的数据包时, 都转发接收到的数据包给目的卫星终端。而当收到源业务终端sN的数据包gN, j时, 则控制虚拟源业务终端在下一时刻发送网络编码包。

对于目的卫星终端DT, 每接收到一个数据包gi, j, 就将该数据包放入缓存区RC。若该数据包接收成功, 则调用算法Ncdecode (RC, gi, j) 以利用该数据包对缓冲区RC中丢失的数据包进行网络译码, 并将该数据和译码后的数据发送给对应目的业务终端。

用符号Fi, j表示源业务终端si的数据包gi, j的接收结果, 若Fi, j=true, 则表示数据包gi, j接收成功, 否则, 则表示接收失败。算法Ncdecode (RC, g) 对缓冲区中包含数据包g的每轮数据包, 都查看是否能够利用网络编码技术译码出丢失的数据包。假设第j轮收到的数据包中包含g, 若该轮接收成功的数据包的个数suc (j) 为K并且FK+1, j=true, 可以用gi, j表示该轮数据中丢失的数据包, 则可以利用网络编码技术译码出丢失的数据包, 即:

随后, 将译码出的数据包发送给对应的目的业务终端。随后再递归调用算法Ncdecode以利用该译码出的数据包对缓冲区RC中丢失的数据包进行网络译码。

目的卫星终端每经过一轮后, 就查看是否可以对该轮中接收到的数据包进行网络译码, 若可以则将本轮数据包的发送结果发送给对应的目的业务终端。而对于经网络编码技术译码后还丢失的数据包, 将发送丢包信息LOSS (si, gi, j) 给对应的目的业务终端。

对于目的业务终端di, 当正确收到数据包gi, 时, 则反馈ACK (si, gi, j) 给源业务终端;否则反馈NACK (si, gi, j) 给源业务终端。

(1) 发送业务终端si (sK+1除外) 算法

(2) 发送卫星终端ST算法

(3) 目的卫星终端DT算法

(4) 目的业务终端di算法

3 Sat-NC-ARQ性能分析

Sat-NC-ARQ具有下列性质。

定理1:在Sat-NC-ARQ机制中, 一个数据包若丢失, 必然达到最大传输次数。

证明:从表1-4的Sat-NC-ARQ机制中可以很容易看出该结论成立。证毕。

定理2:Sat-NC-ARQ的丢包个数小于选择性重传ARQ机制。

证明:假设si的某数据包在第m次发送时的轮数为第jm轮, 则该数据包在第jm轮单次发送成功的概率为:

用符号PSat-NC-ARQ表示在Sat-NC-ARQ中每个数据包发送成功的概率, 则有:

而ARQ机制在第jm轮单次发送成功, 以及每个数据包发送成功的概率为:

由式 (3) 和式 (5) 可知, Sat-NC-ARQ机制单次发送数据包的成功率大于选择性重传ARQ, 于是Sat-NC-ARQ对于每个包的发送成功率大于ARQ, 故丢包率也小于ARQ。因此Sat-NC-ARQ机制的丢包个数小于选择性重传ARQ机制。证毕。

当终端个数远小于RTT时, 由于Sat-NC-ARQ的单次发包成功率大于ARQ, 从而其重传次数也小于ARQ, 故其每个包的期望传输时延也小于ARQ。

但是Sat-NC-ARQ的缺点是在正向链路上会减少系统的吞吐量。

4 仿真分析

为了验证Sat-NC-ARQ机制的性能, 针对卫星网络进行了相应的仿真设计。仿真场景如下, 持续1 000 000 ms时间内, 由K个源业务终端依次轮询发送数据包, 即总共发送1 000 000次数据包 (包含重传) 。每个时刻的单次发送丢包率设置为 (0.1, 0.2]内的随机数。此外, 借鉴地面ARQ技术, 设置每个包的最大传输次数为4次, 即最大重传次数为3次。在仿真中, 将Sat-NC-ARQ与SRARQ的性能进行了比较。

仿真结果如图4所示。图4表明, Sat-NC-ARQ机制的平均延迟、丢包数和吞吐量都会随终端数的增大而增大, 这是因为随着终端数的增大, 能够进行网络译码的概率会变小。而选择性重传ARQ (SRARQ) 的平均延迟、丢包数和吞吐量并没有随终端数的变化而发生明显变化。在实际中, 虽然考虑到终端数越多, Sat-NC-ARQ的吞吐量会越大, 但同时平均延迟和丢包数也会增加, 因此需要对终端数进行平衡考虑, 已选择一个合适的终端数来进行网络编码。例如当终端数为6时, 相对于SRARQ, SatNC-ARQ可以降低约11%的传输时延和86%的丢包次数。而当终端数大于6时, 可以考虑将终端分组, 每6个一组, 然后在每组的基础上再应用SatNC-ARQ机制。

5 结束语

卫星网络 篇5

2009年4月15日零点16分,春夜中的中华大地一片静谧.长征三号丙运载火箭托举着北斗星导航系统首颗地球静止轨道卫星从大凉山深处腾空而起,在我国东南地区上空划出了一道美丽的轨迹.

作 者:陈全育  作者单位: 刊 名:太空探索 英文刊名:SPACE EXPLORATION 年,卷(期):2009 “”(5) 分类号: 关键词: 

★ 我国环境-1 A、1B卫星成功发射

★ 导航卫星有效载荷的仿真技术研究

★ 基于图像位移的低轨卫星自主导航技术

★ 绕月探测工程的发射场系统-西昌卫星发射中心

卫星网络 篇6

火箭点火起飞约12分钟后,西安卫星测控中心传来的数据表明,“资源三号”卫星与火箭分离,卫星成功进入高度约500公里、倾角约97.5度的太阳同步轨道。

“资源三号”卫星是我国首颗高精度民用立体测绘卫星,重约2 650公斤,设计寿命约5年。卫星的主要任务是长期、连续、稳定、快速地获取覆盖全国的高分辨率立体影像和多光谱影像,为国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通、国家重大工程等领域的应用提供服务。卫星用户为国家测绘地理信息局。

据介绍,“资源三号”卫星的发射升空,对于提高国土资源调查与监测的数据保障能力,推动地理信息产业发展,具有重要意义。此外,我国重力卫星、雷达卫星和“资源三号”后续卫星研制已列入相关计划,以实现各种气候条件下的地理信息获取,为国家基础测绘提供稳定可靠的卫星数据源保障。

“资源三号”卫星和长征四号乙运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和上海航天技术研究院研制。这次“一箭双星”发射升空,是2012年我国首次航天发射,也是长征系列运载火箭的第156次飞行。

(來源:新华网)

LEO卫星网络路由协议研究 篇7

随着互联网的广泛应用以及卫星技术的快速发展, 卫星网络将逐渐成为下一代互联网重要的组成部分。目前通信卫星按其轨道高度, 大体上分为3类:地球同步卫星 (Geostationary Earth Orbit satellite, GEO) 、中轨卫星 (Medium Earth Orbit Satellites, MEO) 和低轨卫星 (Low Earth Orbit Satellites, LEO) 。

静止地球轨道卫星GEO具有相对地面静止和覆盖面积广的优点, 但是用户终端功耗大、频率资源利用低和卫星与地面终端之间的星地链路延迟大, 不适合提供实时的多媒体数据传输。LEO卫星的轨道与GEO的相比轨道较低、卫星与地面节点之间的星地链路具有与地面上链路可比的传输延迟、用户终端实现简单而且功耗低、频率能够高效复用和链路具有高带宽, 如果卫星之间具有星际链路 (Inter-Satellite Link, ISL) , 卫星之间的通信可以不需要依赖陆地上的网络资源, 因此, 能够提供宽带通信业务的LEO卫星网络目前成为卫星通信网络的研究热点之一[1~3]。

本文对LEO卫星网络系统中路由技术的研究进行了介绍, 第1节介绍了LEO卫星网络的拓扑结构特点;第2节介绍了LEO极轨道卫星网络模型, 提出了LEO卫星网络路由机制的分类方式;第3节着重阐述了LEO卫星网络各种路由协议的主要思想;第4节介绍了LEO卫星网络路由协议的未来研究方向;最后是结束语。

1 LEO卫星网络的拓扑结构特点

1.1 相关概念

LEO卫星系统通常包括多个轨道平面, 每个轨道平面上运行多个卫星。卫星的轨道高度在500~2 000km之间, 典型的运行速度大约为20 000km/h, 绕地球一周不超过2h。按轨道是否通过极地可以将LEO卫星系统分为极地轨道星座和非极地轨道星座, 极地轨道星座的卫星轨道平面都通过南北极地区域。目前主要有Iridium, Teledesic和Globalstar三大LEO卫星系统。

在LEO卫星网络中, 卫星之间存在星际链路, 目前每颗卫星最多有4~8条到附近卫星的星际链路。星际链路是高带宽的高频或光链路, 主要分为轨道内星际链路 (Intraplane ISL) 、轨道间星际链路 (Interplane ISL) 和反向缝链路 (Crossseam ISL) 。轨道内星际链路是卫星与同一个轨道上最近2颗或4颗卫星间的链路, 在卫星运行过程中保持不变。轨道间星际链路是卫星与邻近轨道上卫星间的链路。轨道间星际链路在卫星运行过程中是动态可变的, 主要原因是: (1) 在不同的纬度, 卫星轨道间的距离是不同的; (2) 在极地区域, 卫星快速交叉运行, 卫星上天线系统不能快速跟踪卫星的交叉位置, 轨道间链路需要经过断开再连接的过程。在极地星座中, 存在南北反向运转的相邻两个卫星轨道平面, 这两个反向运行轨道上卫星间的链路称为反向缝链路。大部分路由协议中, 假设反相逢链路是不存在的。

1.2 LEO卫星网络路由机制要求

L E O星座复杂的拓扑结构使其无法直接使用地面网络的路由协议, 一种有效的卫星网路由技术应该具有以下性质[4]。

(1) 网络拓扑的动态变化的适应性

这是卫星网的路由技术应具有的基本性质。路由技术还应采取适当措施避免可能出现的路由环, 或者在出现路由环时能够及时、有效地消除路由环带来的不利影响。

(2) 抗毁性

当两次路由更新间隔之间出现卫星节点失效或者链路故障时, 路由技术应能够有效避免由此引起的数据丢失, 这对于空间攻防对抗来说尤为重要。

(3) 高效性

路由技术或者协议应尽量降低实施的复杂性, 以较小的开销获得较大的传输成功率或者系统吞吐量。

(4) 网络流量变化的适应性

路由技术应能采取措施支持流量负载均衡以避免网络出现链路拥塞或节点拥塞, 或者在出现拥塞时及时、有效地消除拥塞带来的影响。

除此之外, 卫星网的组网结构也直接影响着路由技术的有效性, 因此, 在考虑路由技术的上述性质时, 还应考虑技术的通用性。

2 LEO极轨道卫星网络模型及分类

2.1 动态拓扑结构及数学模型

2.2 LEO卫星网络特性

针对星座路由设计的影响, 本文将LEO星座特性分为拓扑结构、切换、处理能力3类进行分析, 如图2。

(1) LEO卫星星座的拓扑特性主要是由LEO卫星在轨道上高速运动引起的, 这增加了路由设计难度。但星座中卫星分布的均匀性和对称性, 使得拓扑变化存在一定的周期性和可预测性, 又为星座路由设计提供了有利条件, 带来了新的研究方向。

(2) LEO卫星星座的切换特性是路由协议中的热点研究问题。当发生切换时, 由于卫星进入或退出正在通信的路径, 需要立刻重选路径。路径重选主要有完全重选、部分重选和组播重选三种基本方法, 或者根据卫星上天线系统的不同控制机制分为异步切换和同步切换两种方式。

(3) 星上处理能力局限性是卫星网络自身的一个缺陷, 由于全球业务日益增多, 业务种类的多样性, 对服务质量 (Qo S) 的要求也随之增高。如何合理地设计卫星路由, 尽可能地减少网络拥塞和提高网络资源利用率是这一类路由协议需要解决的难题。

3 LEO网络路由协议分析和比较

按照上述三种分类, 文中将分别介绍各类LEO卫星网络路由协议中的典型协议, 详细分析和讨论各自的性能参数、所解决的问题、系统结构以及存在的缺陷等。

3.1星座拓扑路由协议

3.1.1静态性路由

静态性路由机制就是根据LEO卫星网运行的周期性特点, 把卫星网系统周期划分为一系列的时间片段。在每个时间片段内, 卫星网的拓扑是固定不变的。时间片段的选取如果足够小, 则可以认为该时间段中的ISL链路代价是固定值。卫星网拓扑的变化只可能发生在时间片之间的切换点上, 这样就可以采用已有成熟的方法如Dijkstra最短路径协议找到最优路径以及备选路径。静态性路由机制能够用大量存储需求换取在线计算复杂度的降低。

1997年Werner提出了一种基于ATM机制的面向连接服务的动态虚拟拓扑路由协议 (Discrete Time Dynamic Virtual Topolopy Routing, DT-DVTR) [6]。算法的优化目标是减少由于拓扑在不同时间片间切换为引起的VP路径切换次数。协议将卫星网的路由计算转化为N个静态虚拟拓扑下的VP (Virtual Path) 路由计算问题, 利用拓扑变化的周期特性划分时间间隔, 将动态路由转变为一系列静态路由, 有效地简化了路由协议复杂度, 降低了通信开销。但是DT-DVTR协议没有能够有效解决链路切换或连接切换引起的重路由问题, 而且每颗卫星需要存放各个离散间隔内的大量路由信息, 对星载存储能力提出了较高的要求。

FSA (Finite State Automaton) [7]卫星网络路由协议同样把星座周期分割为有限个时间片, 每个时间片对应的网络拓扑看作一个“状态”。将卫星网络的动态拓扑结构模型看作为一个有限状态自动机, 卫星网络的路由问题转化为在有限状态自动机中对固定网络拓扑进行链路分配最优化的问题。它的优化目标为:

其中, i、j为卫星节点;C是链路容量;fij为在链路 (i, j) 上的运行流量。该优化目标主要考虑的是全局优化, 减小全局网络负担, 增大剩余容量。

FSA协议的优势在于对网络资源的最优化使用, 它的缺点在于: (1) 选择路径标准不是路由最短原则; (2) 动态链路分配技术对于LEO卫星网络实现难度过高; (3) 路由算法的计算复杂度过高。

Gounder提出了一种基于快照序列的路由算法[8], 算法中定义卫星网络的一个“快照”为卫星系统在某一特定时刻的网络拓扑。每当增加一个新的ISL或者断开一个已有的ISL时, 认为形成了一个新的快照。这样, 卫星的动态拓扑结构可以表示为一系列拓扑结构快照的循环, 循环周期就是卫星系统周期。

快照序列路由使用简单标记交换, 路由表项的机构为:

<入口链表, 入口标签, 出口链路, 出口标签>

卫星节点收到数据分组时, 根据分组的标签和入口链路号查找路由表, 如果链路通信量正常, 那么选择最短路径。如果下一个节点出现故障或ISL拥塞, 则选择另一个合适的备选路径。但由于相邻快照间的变化很小, 快照的数量非常多, 快照的存储是一个问题。

3.1.2动态性路由

3.2 卫星同步和异步切换的路由

根据卫星上天线系统的不同控制机制, 卫星切换又可分为异步切换和同步切换两种方式。

(1) 同步切换路由协议

同步切换路由协议模型最早应用在Teledesic星座系统中。在此基础上, 研究者们继而提出了虚拟节点 (VNs) 模型。卫星下方所在的地面区域进行逻辑地址编号, 并将其值作为该卫星的地址。当卫星要离开所在区域进入下一个区域时, 星上路由信息会通过地面服务器移交给下一个通过该区域的卫星节点, 卫星网络上的路由协议就可以承载在一个拓扑固定的虚拟网络上。分布式数据报路由协议 (DRA) [11]采用VNs模型, 隐藏卫星网络的动态特性, 通过各卫星节点独立计算出下一跳, 获得最小延迟路由。但该协议缺乏对全局负载的考虑, 增加整个网络路由状态的不稳定性, 同时也缺乏考虑单个节点失效时的补救方法。近年来, 同步切换协议以及VNs模型已经被越来越多的研究者采纳。同时, 针对这类协议的不足之处, 研究者也给予了修正。例如, VNs模型只考虑了虚拟节点和服务卫星一对一的情况, 但实际中会出现多颗卫星共同服务一个覆盖区域的情况, 如果依旧使用一对一的VNs旧模型, 则可能导致路由失效和通信中断。因此提出了一种多状态的虚拟网络 (MSVN) 模型, 不仅解决了一对一模型的局限性, 也为Earth-fixed卫星模型系统设计了一种新的切换机制, 同时适用于新, 旧两类虚拟节点模型。

(2) 异步切换路由协议

异步切换路由协议的核心是优化切换引起的信道资源分配问题, 减少切换对路由选择的影响。当地面终端进入覆盖重叠区域, 首先判断是否有可用信道, 如果有则接入请求;如果没有则将请求放入队列中。这种协议称为切换排队协议 (HQ) 。在设计切换方法时, 让系统保留一部分信道用于切换请求, 称为守护信道切换 (HG) 。当繁忙信道数量达到给定阈值, 卫星就只处理切换请求而不再接受新请求。协议中阈值的选取是平衡系统资源和服务质量的关键。切换保证 (GH) 路由协议分析了星座的运动特性以及卫星各个波束对地面终端的服务时间, 引入终端进入和离开某个波束的两个时间阈值。协议中不仅在当前卫星预留信道, 同时在将要使用卫星中预留信道。这种设计提高了通信服务质量, 但是协议中一旦信道预留失败, 通话将一定时间内被中断, 这是通信中最糟糕的情况。

3.3 面向负载的路由协议

(1) 负载均衡路由协议

由于业务分部的不平均, 比如城市与农村, 北极与南极, 导致不同区域上空的卫星利用率存在很大差距。因此, 面向负载的路由协议应运而生。Explicit Load Balancing (ELB) 协议[12]的核心思想是服务卫星能够在掌握下一跳链路负载的情况下选择路由。协议通过拥塞卫星发送信令的方式, 通知相邻卫星降低发送速率, 或尽可能地选择其它路径, 用以降低网络阻塞率。但是ELB协议只是针对拥塞节点相对较少的情况, 当出现较多拥塞的情况, 该协议可能失效。基于优先权的自适应路由协议 (Priority-based Adaptive Routing, PAR) [13]是在拥塞发生前尽量减少拥塞的路由协议, 起到合理分配网络负载的作用。该协议利用链路前一时刻的状态参数 (例如排队长度、等待时间等) 决定下一跳方向, 是一种适用于动态业务分布的最小跳协议。通过仿真实验发现, PAR协议和其它最小跳协议相比不仅有较高的系统吞吐率, 而且时延也较低。从研究的内容和目标来看, 基于负载均衡的协议势必将是下一步研究的重要方向之一, 很多问题还有待进一步攻破。

(2) 考虑Qo S的路由

A.Jukan提出了一种基于Qo S的分布式路由协议[14], 源节点通过泛洪方式向目的节点发送连接请求。每个中间节点不断更新Qo S参数, 当包达到目的节点, 根据路径上各节点参数, 删除不符合Qo S要求的链路, 最后在满足条件的路径中选择跳数最小或者链路生命期最长的路径作为路由。Kandus提出了一种面向业务的路由协议 (TCD) , 试图满足不同的业务的Qo S要求。协议将业务分为三类:实时业务、保证吞吐率的业务和尽力而为业务。卫星节点分配三个相互独立的输出队列服务于不同的业务, 分别采用不同的路由策略, 分别对应不同的Qo S保证。该协议的不足在于可能分配一条单一路径给一项大数量的业务, 造成路径超负载, 从而造成整个网络的业务不均衡。

4 未来的研究方向

通过研究, 发现LEO卫星网络路由研究中仍然面临许多挑战, 亟待进一步研究[15]:

(1) 性能和开销这对矛盾仍然是卫星路由协议面临的难题。因为星间链路容量有限, 为此需要对现有的各种LEO卫星路由协议进行全面的、定量的研究, 以便在性能和开销之间寻找到最佳平衡点, 尽可能地减小星间链路负载。

(2) 提供Qo S保证成为下一代卫星通信系统中不可忽视的重点。目前很多协议缺乏对Qo S的研究或者研究不深入, 例如, 如何在降低通信时延的同时满足时延抖动的要求、如何在多条路径拥塞情况下保持通信等等, 都需要进一步探讨。

(3) 网络负载均衡。由于卫星自身的局限性和全球业务不均, 使得合理利用卫星网络资源越来越受到研究者的关注。结合动态业务建立自适应的卫星路由模型, 合理规划和分配网络资源, 以达到优化全局网络性能的效果, 这类路由协议将毋庸置疑地成为卫星网络路由协议发展的关键。

5 结束语

边防安全卫星通信网络设计 篇8

边防是国防不可分割的重要组成部分,是国家有效行使主权和维护安全而采取的必要形式,边防安全对维护国家的权益及边境稳定具有重要的意义。当前,威胁边境安全的活动日益多样化,如非法武装组织渗透、非法越境、难民涌入、走私等,如何及时发现边境地区非法入侵人员、车辆、低空飞行器, 对目标进行有效识别与跟踪,快速完成指挥决策并执行应急处置成为边境安全管理面临的重要问题。

由于边境安全关系到国家主权利益以及稳定发展,各国在边防项目上的投入越来越多,边海防系统装备出现基础设施电子化、侦察监视平台无人化、情报处理智能化的特点,通过先进边海防装备投入,边境态势感知能力、信息化处理能力有了极大的提升, 然而,边防管理机构为多层次体系,包括指挥中心、 指挥分中心、处置站、瞭望塔等,各层级间涉及侦察监测信息收集、指挥调度、协同作战等需求,因此需设计通畅、稳定、抗打击能力强的多层次立体化通信网络,使得各层级互联互通,最终构建成有机的整体。

2边境防务系统组成及业务流程

为达到对边境态势的一体化侦查监视,提升边境态势感知能力和指挥调度效率,边境防务系统的设计基于多级指挥调度架构,包括瞭望塔、处置站、 指挥分中心、指挥中心。

瞭望塔部署在边境区域,部署雷达设备、光电探测设备、声振传感设备、电子围栏等,实现对人员、车辆、低空飞行器的检测、识别与跟踪,通过合理部署传感器设备,弥补不同传感器工作盲区,最终达到对边境态势的全天时、全天候侦察监视,获取全面的侦察信息。

处置站部署各类作战单元,包括侦察车、巡逻车、无人机、单兵作战单元等,处置站包括两方面功能,一方面用于对边境出现的人员、车辆、低空飞行器入侵执行打击处置,另一方面,通过侦察车、无人机执行大范围机动侦察,获取重点区域、紧急状态下的侦察信息。

指挥分中心接收处置站发送的侦察信息,进行多源信息融合,基于作战态势图直观获取战场形势, 及时进行目标识别、任务评估,从而有效地分配资源,完成任务规划及任务下发,通过处置站执行处置任务。

指挥中心为调度核心,位于指挥控制的最高层级,指挥中心提供整体作战态势图,提供情报共享分发和对指挥分中心的协同指挥调度,在紧急情况下可直接对处置站进行指挥调度。

边境防务系统以指挥中心为核心,采用分级指挥控制方式,通过指挥分中心实现对瞭望塔和处置站的指挥控制。系统工作流程包括目标监测信息获取、指挥决策、目标处置,具体业务流程如下:

a. 目标监测信息获取: 通过安置在瞭望塔的雷达、光电仪、电子围栏、声振传感设备进行常态监测, 通过无人机、侦察车进行重点区域的常态监视及应急状态下的现场监视,监测信息通过处置站汇总上传指挥分中心,通过指挥分中心处理后提取重要态势信息报送指挥中心;

b. 指挥决策: 指挥分中心接收到监测信息后,进行多源信息融合,同时将融合信息报送指挥中心,指挥分中心进行态势感知、决策指挥,对于指挥分中心能够执行的决策,指挥分中心进行任务调度,制定任务下发到处置站; 对于指挥分中心无法执行的决策, 指挥分中心上报指挥中心,指挥中心进行决策指挥及任务调度,指挥中心具备多源信息融合及态势感知、态势叠加功能;

c. 目标处置: 处置站接收指挥分中心、指挥中心下发的处置任务后,调用相应的无人机、巡逻车、单兵作战单元等执行处置任务。

3边境防务系统通信网络设计

为确保边境防务系统按照上述业务流程有效运转,需确保指挥中心、指挥分中心、处置站、瞭望塔之间的互联互通。

由于边境地区地理环境复杂,地面通信网络部署困难,维护难度大,易于破坏,而卫星通信方式具有抗摧毁能力强,覆盖范围广,建设成本低,支持应急状态下快速组网的优势[1],同时随着大容量宽带通信卫星的推广,卫星通信方式越来越多的应用于视频、音频、数据高速传输领域,因此,在边境防务系统中设计卫星通信网络实现指挥中心、指挥分中心、 处置站、瞭望塔之间的互联。各单元互联说明如下表1所示。

瞭望塔无人值守,仅与处置站通信,采用单向卫星通信方式将瞭望塔内雷达、光电探测设备、电子围栏、声振传感设备信息统一上传到处置站。处置站接收瞭望塔发送的各类传感信息,与处置站无人机、 侦察车产生的侦察信息汇总,上报指挥分中心; 接收指挥分中心作战任务,完成侦察车、巡逻车、无人机部署,与各类移动单元进行交互通信; 同时与其他处置站进行交互通信,满足协同作战需求。指挥分中心接收处置站上传的侦察信息,与处置站交互作战任务; 同时具有与指挥中心、其他指挥分中心交互。 指挥中心接收指挥分中心上报的态势信息,规划顶层任务,下发各指挥分中心,完成指挥分中心之间的协同工作,紧急情况下可与处置站通信。

为满足上述使用信息流转,设计星网结合的卫星通信网络,如图2所示。指挥中心作为主站,指挥分中心、处置站、瞭望塔部署卫星通信端站,支持在指挥中心主站管理下组成星状网,也支持在指挥中心主站的管理下,指挥分中心、处置站、瞭望塔两两形成网状网络,实现单跳通信。

为了满足机动作战要求,配备传输距离较近的超短波通信方式,满足短距离通信需求。所有边防侦察车、边防巡逻车、单兵作战单元配置超短波通信方式,侦查车除配置超短波通信方式外还配置卫星通信方式,机动作战情况下,巡逻车、单兵作战单元将采集到的音频、视频、位置信息通过超短波电台发送到侦察车,由侦察车统一汇总通过卫星通信方式发送到处置站。

卫星通信网络不受环境影响,可提供全时全天候不间断通信服务,适用于边境态势复杂情况的信息传输,有效解决地面通信基础设施建设难、地面通信抗打击弱的问题,所设计卫星通信网络采用SCPC体制[2],支持瞭望塔10Mbit/s数据出境,处置站20Mbit / s数据出境,指挥分中心与指挥中心出境数据为20Mbit/s,通过调整主站及各端站天线、功放配置可提高传输速率。

4通信网络安全性设计

为确保整个边境防务系统通信网络安全,设计专门安全加密系统,该系统基于分组密码,分组密码是实现数据加密、认证及密钥管理等应用的核心密码算法,分组密码将输入的明文分组当做一个整体处理,输出一个等长的密文分组,该算法是在密钥K控制下的一个置换,将明文P变换成密文C,其中P和C的长度相等,其长度称为分组长度,通常为64比特或者128比特。我们将这一过程记为EK(P)=C,相应的解密过程记为DK(C)=P,密钥长度一般都是64比特,常用的是128比特,在安全级别更高一些的应用环境,密钥用192或256比特。

边境防务系统所设计安全加密系统基于高级加密标准( AES) ,AES为分组密码[3],该算法由美国国家标准技术研究所于2001年发布,旨在替代数据加密标准( DES) 。AES算法明文分组的长度为128位,根据边境防务系统使用场景,密钥长度采用256位( AES - 256) ,共需14个轮密钥,加密后的IP数据格式如下。

安全加密系统密钥协商方案采用基于椭圆曲线的Diffie - Hellman密钥协商方案[4],密钥管理分为传输密钥、会话密钥两个层次进行管理。基于上述加解密算法及密钥协商方案的端站与主站间数据传输流程包括: 加解密设备的接入认证、传输密钥协商、会话密钥协商和数据通信。

a. 加解密设备的接入认证、传输密钥协商: 在端站加解密设备开机时触发加解密机的接入认证与传输密钥协商,端站加解密设备初始化完成后即完成接入认证,同时具备了与主站共享的传输密钥;

b. 会话密钥协商: 会话密钥的首次协商是由应用终端发送IP数据流触发的,会话密钥协商在安全加密系统的协助下完成,端站与主站加解密机在安全加密系统的协助下完成会话密钥协商,通信双方即具有了共同的会话密钥;

c. 数据通信: 端站与主站加解密机通过共同的会话密钥及AES算法实现端站与主站之间应用终端的数据通信。

安全加密系统组成包括网络安全子系统、运管子系统、密钥管理子系统、加解密子系统。网络安全子系统实现整个安全加密系统的互联互通,为整个系统提供安全防护、系统安全认证,主要包括交换机、防火墙、数据库审计服务器; 运管子系统对整个安全加密系统中的设备、软件进行监控和管理,主要包括运行管理服务器、运行管理客户端; 密钥管理子系统实现密钥的生成、分发、管理等功能,包括密钥管理设备、数据库服务器、磁盘阵列; 加解密子系统实现对端站或主站的IP数据的加解密,部署在主站和端站,包括主站与端站加解密机。安全加密系统组成如图5所示。

安全加密系统所采用的加密算法与加密方式, 充分考虑处理时延、数据处理能力、抵抗攻击能力等问题,避免对卫星通信业务质量造成影响。安全加密系统能够同时支持1000个加解密机接入认证和会话密钥协商,解密机每秒至少完成300Mbit数据的加解密处理,安全强度是1063MIPS years。

5结论

随着宽带通信卫星系统发展,卫星通信在各领域应用日益广泛,将安全加密卫星通信应用于边防领域,在保证通信安全性的同时,可有效提高边防通信网络覆盖范围,提高通信网络整体抗打击能力,发挥应急状态快速组网优势。

参考文献

[1]Louis J.Ippolito Jr..Satellite Communications Systems Engineering[M].John Wiley&Sons Ltd,Inc.,2008.

[2]郭庆等.卫星通信系统[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3]William Stallings.Cryptography and Network Security Principles and Practice[M].Pearson Education,Inc.,2011.

卫星网络管理系统控制信道设计 篇9

为了增加卫星网络管理系统中控制信息传输可靠性, 设计了互为备份的2种网管信息传输控制信道, 一种是专用TDM/TDMA控制信道、另一种是控制信息与业务复接在一起的复接控制信道。

控制信道切换通过网管软件完成, 提供手动切换和故障自动切换2种方式。系统正常运行时, 2种信道均保持畅通, 主用TDM/TDMA专用控制信道, 复接控制信道处于自检状态。当主用信道故障时, 切换到复接控制信道;主用信道恢复并确认稳定后切换回主用信道。

1作用和组成

控制信道用于保证网管信息在远端站和中心站之间能稳定可靠的传输。

设计的控制信道包括:复接控制信道和TDM/TDMA专用控制信道。

复接控制信道:中心站网管系统将对远端站的控制命令通过复接器与该远端站的各种业务复接在一起, 利用业务载波送到该远端站。

相应远端站将传给中心站网管的信息与该站的业务复接在一起, 利用业务载波送往中心站。

TDM/TDMA专用控制信道:中心站采用一个TDM连续出向信道, 所有远端站共享此信道, 接收后从中选出发给本站的网管数据。所有远端站共用一个TDMA载波作为入向信道, 每个远端站在各自特定的时隙发送信息给中心站。

2复接控制信道设计

2.1特点和接口

此方式各远端卫星地球站网管信息相互独立传送, 直接利用业务信道, 不需要专用卫星信道。只需配置的复接器提供支路接口用于接入网管信息, 每个远端站需要一路, 总体成本较低。复接控制信道采用的都是业务设备, 连接相应设备接口后控制信道即沟通, 设计实现比较容易。

网管系统利用接口扩展设备与复接器相应接口连接, 需要与每一远端站对应连接。

复接控制信道组成如图1所示。

2.2特有问题解决

由于复接控制信道方式下控制信息与业务信息共用卫星业务信道, 因而当业务信道调整失败时, 会造成该远端站暂时不受控。在业务载波切换时, 网管软件和远端监控设备软件可以针对复接控制信道的特点采取措施来解决:

① 网管命令通过现有复接控制信道传送给相关远端监控设备;

② 远端监控设备利用纠错信息进行判断, 错误时要求网管重新发送, 保证远端监控设备接收的网管命令正确无误;

③ 远端监控设备根据网管命令修改远端站有关设备参数, 同时保存设备原有工作参数 (此时卫星信道已中断, 远端站不受控) ;

④ 修改后远端监控设备读取设备新状态, 若发现状态不正常, 则重复前面修改, 若多次修改状态仍然不正常, 恢复到保存的改动前工作状态;

⑤ 中心站网管判断对应此次网管命令要修改的设备状态是否发生变化, 同时保留原工作相关参数。发现设备状态有变化 (确认远端设备参数已修改成功) 后, 对应将有关设备设置为新参数, 读取设备新状态, 若发现状态不正常, 则重复前面修改, 若多次修改后状态仍然不正常, 恢复到保存的改动前工作状态 (新建或恢复控制信道, 远端站受控) ;

⑥ 若网管系统在一定时间内探测发现新建链路没有正常开通, 远端站和中心站都自动恢复到保存的改动前工作状态, 恢复网管控制信息的正常沟通。

3TDM/TDMA专用控制信道设计

工作示意如图2所示。

TDM/TDMA控制信道完成的主要功能包括:

① 中心站。以中心站站钟为时钟源, 产生控制信道的时间基准;接收网管数据转换为TDM同步数据发送;捕获各远端站发射的TDMA载波, 同步TDMA数据、TDMA解帧, 格式转换后送往中心站网管系统;

② 远端站。从接收的TDM载波中, 提取时间基准作为远端站TDMA载波发送的时钟参考, 实现TDM/TDMA控制信道的全网时钟同步, 完成TDMA成帧。

TDM/TDMA专用控制信道设计主要内容有:

① 卫星突发Modem解决方案;

② TDMA帧结构。

③ TDM/TDMA链路适配器设计。

3.1卫星突发Modem解决方案

由于TDM/TDMA专用控制信道上行采用TDMA方式, 所以必须使用卫星突发MODEM。初期考虑采用商用卫星MODEM。基于此, 对市场上的商用卫星MODEM进行全面了解, 发现一款卫星MODEM可以满足要求, 下面分析其相关功能。

3.1.1 调制器的TDMA突发工作方式

调制器突发工作方式是受接口的RTS/CTS和数据标志信号控制的。 此工作方式适用于标准TDMA, 中心站必须有TDMA解调器配合, 要求捕获时间非常短 (ns级) , 但由于没有合适的商用TDMA解调器产品, 该方式不适合采用。

3.1.2 慢速TDMA工作方式

慢速TDMA工作方式时, 用户可以创建自定义的数据包和足够长的前同步码, 从而利用标准卫星MODEM接收该数据包。前同步码的长度要求确保能使载波锁定, 如表1所示。卫星MODEM突发载波通过RTS控制发射/关闭。基于现有条件卫星突发MODEM采用该工作方式。

3.2帧结构设计

3.2.1 设计原则

时分多址 (TDMA) 方式是用不同时隙来区分不同地址, 各远端站只在规定时隙内以突发形式发射信号;在时间上, 要求这些信号按规定次序依次通过卫星转发器, 互不重叠, 任何时刻通过卫星转发器的只有一个站发出的信号。因此, 需要设计TDMA帧结构, 避免不同站点发送的控制信号在卫星转发器上重叠;并提高控制信道利用率, 减少转发器空闲时间。

综合考虑载波捕获时间和传输信息量, 控制信道载波信息速率选定为64 kbps, TDM载波选用QPSK调制、FEC 3/4纠错, TDMA载波选用BPSK调制、FEC 1/2纠错, 载波捕获时间至少60 ms。初期网络规模考虑8个远端卫星地球站。为减少复杂性、压缩信息传输周期, 时隙分配选择固定预分配方式。设计采用层次化帧结构, 由帧、分帧及时隙组成, 其最小单位为时隙。

3.2.2 保护时隙确定

TDMA载波工作时, 必须有统一的时间基准, 各站点时隙必须与时间基准同步。作为时间基准的中心站利用连续传输的TDM载波, 周期性为各远端站提供时间基准。

系统定时问题是TDMA方式工作的一个关键问题, 主要包括2个方面的过程:

① 开始发射时, 保证此突发准确落入指定的时隙, 而不会误入其他时隙造成干扰;

② 各分站在指定的时隙工作, 它们之间维持严格的时间关系, 而不会发生重叠现象。

由于各远端站及中心站距离卫星的电波传播直线距离彼此之间存在差异。使得中心站发至卫星的TDM载波, 各远端站接收并提取的TDMA载波时钟基准相互之间存在偏差, 造成各远端站发送到卫星转发器上的信息可能重叠。最简方法就是采用保护时隙克服其影响。保护时间要大于此最大可能的偏差值的2倍。

根据对全国范围卫星延时统计情况, 再考虑一定的卫星漂移、时钟偏移, 保护时间应不小于30 ms。

3.2.3 帧结构确定

帧长选取要考虑以下主要因素:帧效率和系统时延;业务数据段长度为8 bit的整数倍;网络的规模即网络内工作的站数, 帧越长帧效率越高, 可容纳的站数越多;载波捕获和时钟提取时间。

设计出向TDM载波帧周期与入向TDMA载波分帧周期相同, TDMA帧结构如图3所示。

可知, 载波捕获同步时间:

Ts=512×8/64=64 (ms) >60 ms;

保护时间:

Tp=252×8/64=31.5 (ms) >30 ms;

单个远端站TDMA帧周期:

T= (512+4+1200+252) ×8/64=246 ms;

单个远端站一帧内信息传输时间:

Ti=1200×8/64=150 ms;

单个远端站TDMA帧效率:

η=Ti/T=150/246≈61%;

8个远端站TDMA帧帧周期为:

Tf=8T=1.968 s。

卫星2跳最大延时Td=540 ms, 则中心站发出命令到收到应答所需最大时间:

Tmax=Tf+Td=1.968+0.54=2.5 s 。

3.3各端口速率确定

远端站与TDM/TDMA控制信道异步串口信息发送速率RRT选为2.4 kbps, 则远端站在一个应答周期内最大数据量:

DR=RRT* (Tf+Td/2) =5.3712 kb

远端站数据在本站的传输时间Ti内发射DR数据所需传输速率, 即中心站控制信道异步串口所需最大接收速率:

RRT=RCR=DR/Ti=35.8 kbps。

中心站控制信道异步串口接收速率选择异步38.4 kbps标准速率;发送速率考虑管理所有远端站的信息量, 并遵循一致性原则, 也选择38.4 kbps;各远端站接收中心站TDM连续载波, 最终异步接口接收速率与中心站发送速率相同也为38.4 kbps。

3.4链路适配器

研发设计了TDM/TDMA链路适配器来完成上述功能, 该设备组成框图如图4所示。完成网管系统和控制信道专用卫星突发调制解调器 (Modem) 之间接口转换、TDM和TDMA成帧解帧、数据同步、数据交换及远端站卫星突发Modem载波控制。

4结束语

控制信道用于保证卫星网络管理系统控制信息的可靠传输, 基于此提供了一整套互为备份的控制信道设计和实现方法。经过验证, 使用2种控制信道都能可靠完成网管所有功能, 运行稳定;2种信道的手动和自动切换可靠。并且已应用到实际工程项目中, 经工程验证方案可行、实现了设计目标。

参考文献

[1]杨云年.VSAT卫星通信网[M].北京:人民邮电出版社, 1997.

卫星IP网络包头压缩技术分析 篇10

目前利用卫星网络传输IP业务得到了越来越广泛的应用, 然而过大的IP包头严重浪费了宝贵的卫星带宽资源。以VoIP电话业务为例, 采用IPv4进行传输, VoIP电话中IP包头IP+UDP+RTP总共40个bytes, 而话音有效载荷采用话音编码压缩后大小约为15~20 bytes。以20 bytes计算, 有效传输效率仅为33%, 传输效率相当低。为了提高带宽的利用率, 一种可行的解决方案是采用IP头压缩技术, 减小IP头的大小, 以提高业务数据的传输效率。

健壮性头标压缩协议 (ROHC) 是IETF提出的一种头标压缩方案, 它被设计成能在具有较长响应时间且差错率较高的无线链路上, 进行头标压缩的可扩展框架, 且具有很好的压缩率和健壮性。

1ROHC应用分析

在单跳卫星链路中, IP包仅需要链路层头标就可以保证正确传送, 而网络层以上的头标像IP、UDP和RTP等不起作用。ROHC是一种基于流的数据包头压缩方案, 在网络数据包的传输过程中, 同一个流的分组其大部分首部字段具有相同的域值。ROHC在某个流中取一个参考分组, 对于其他分组仅仅发送首部字段中相对参考分组变化的信息, 以达到压缩的目的。同时, 对于卫星链路误码、丢包引起的压缩和解压不同步状态, ROHC 通过控制反馈消息的频率和数量、检测失步的严格逻辑以及差错校验等手段, 使ROHC压缩机制具有高度的有效性和合理的健壮性。因此, 在具有高差错率和长往返时间的卫星链路上采用ROHC压缩方案非常适合。ROHC在卫星IP网络中的应用配置如图1所示。在卫星IP网关中实现ROHC压缩。

在OSI/ISO协议栈中, ROHC位于链路层和网络层之间, 经过ROHC压缩器处理的分组, 去掉了网络层提交的分组中冗长的IP、UDP和RTP头, 而在数据的前面加入比去掉的头标长度要短得多的ROHC头标, 这样就大大减少了传输包头所占用的带宽。

2ROHC的实现

ROHC框架定义了3种工作模式:单向模式 (U模式) 、双向可靠模式 (R模式) 和双向优化模式 (O模式) 。其中U模式适用于单向无反馈信道环境, 由于卫星通信系统中很多情况下都是单向链路, 因此针对单向U模式进行了实现。

2.1ROHC在内核中嵌入方式

在Linux平台进行实现了ROHC U模式, ROHC以内核模块形式加载到系统中。为了实现压缩和解压缩, ROHC模块在系统中加载后替换了IP包发送和接收接口函数, 对于发送端, ROHC模块利用自定义钩子函数替换了发送接口的hardstartxmit函数, 使外出的IP包首先经过自定义钩子函数进行压缩处理, 由压缩器将IP包头进行压缩, 然后重新组装成新的ROHC分组, 交给内核进行发送。对于接收端, ROHC模块利用Linux内核提供的devaddpack在系统中注册一个自定义协议实现ROHC解压, 恢复为原始IP包后解压模块将原始IP包放到网络接口输入队列中, 从而将此IP包交给IP层进行处理。

2.2压缩器实现流程

压缩器完成U模式下的状态机的变迁操作。压缩器有3个状态, 级别从低到高依次为:初始状态 (IR) 、一级压缩状态 (FO) 和二级压缩状态 (SO) 。IR 状态是最低级的状态, 用于初始化和从错误中恢复关联中的静态部分;FO状态是较高的压缩状态, 用于有效分组流中的不规律部分;SO状态是最佳的压缩状态。U模式下由于没有解压方的反馈信息, 压缩方在发送n1、n2包后, 才从较低级的压缩模式转移到更高级的压缩模式。另外, 由于没有反馈, 为了确保解压方上下文的同步, U模式中采用周期性的使压缩状态从较高级转移到较低级的机制。然而, 如果反馈信道可以使用, 解压器能够发送一个成功解压的确认。当压缩器接收到一个这样的消息时, 它可以取消周期性IR刷新或增大周期性IR刷新的时间间隔。压缩器实现流程如图2所示。根据文献[2]取n1=n2=3, 超时时间=4 s。

ROHC采用简档 (Profile) 来标识不同协议类型的IP包, 压缩器判断到来的数据包的协议类型是否是RTP、UDP或IP, 如果不是上述类型, 则直接将数据包交给内核发送;否则根据数据包的协议类型选择不同的Profile, 根据Profile标识到上下文列表中查找合适的上下文标识, 根据当前压缩器状态和选定的上下文对当前的IP包头进行压缩, 压缩算法采用基于窗口的最低有效位压缩编码, 具体算法可参见文献[1]。在组装成新的ROHC分组的时候, 由CRC校验部分为新的分组生成校验和, 以便在解压器端解压时进行校验, 以确保数据报传输的正确性。

2.3解压器实现流程

解压器也有3个状态, 级别从低到高依次为:无关联状态 (NC) 、静态关联状态 (SC) 和完全关联状态 (FC) 。解压器的初始化时的状态是NC状态, 一旦正确解压了一个分组, 解压方将转移到FC状态, 解压方在获得足够的解压信息后总是处于FC状态, 只是当最近收到的n1个连续的分组中有k1个解压失败的时候才会由FC状态转移到SC状态。在SC状态下, 当成功的解压一个含有足够更新信息的分组的时候, 就会转移到FC, 当最近收到的n2个连续的分组中有k2个解压失败的时候才转移到NC状态, 根据文献[2]取k1=k2=3。

解压器处理流程如图3所示。在接收到新的ROHC分组时, 解压器对其进行解析, 根据分组中的Profile标识, 从上下文列表中选择合适的上下文, 然后从ROHC分组中解压出原始IP包的首部, 并重新组装成新的IP包, 然后计算出新的CRC校验和, 并和ROHC分组中的校验和进行比较, 如果相等, 则解压过程正确, 将新组装的IP数据包向上层传递, 状态机向较高的状态进行变迁, 否则进行修复性尝试, 如果尝试失败, 抛弃分组, 状态机进入到低阶的状态。

3测试及性能分析

为了计算ROHC压缩率, 进行如下定义, 定义H为IP包头长度 (字节) , L为IP包净荷长度, Hrohc为压缩后包头平均长度, 定义IP包压缩效率G为压缩减少的长度与整个IP包长比值。

G= (Η+L) - (Ηrohc+L) Η+L=Η-ΗrohcΗ+L

由上式可以看出, 当Hrohc=0时, 得到理论上最大IP包压缩效率为:

Gmax=ΗΗ+L

以G.729话音编码为例, H=40, L=20, 此时

Gmax=40/ (20+40) =66%。

由上式也可以看出, 随着L的增大, Gmax会逐渐减小。在VoIP应用中, 一般H都要大于L, 可见ROHC非常适合VoIP话音分组包头压缩。

测试环境参见图1, 卫星信道速率设为64 kbps, 误码率10-7, 分别进行IP (Ping) 、UDP数据和VoIP压缩性能测试, 测试结果如表1所示。

由测试结果可以看出, 采用ROHC压缩后, VoIP数据包头长度由40 bytes平均压缩为6 bytes左右。仍以G.729话音编码为例, 此时G= (40-6) /60=56%, 很接近其理论最大值Gmax=66%, 信道有效传输效率由不压缩时的33%提高到77%。

4结束语

ROHC最初由IETF ROHC工作组提出对WLAN IP包头进行压缩, 现在已经被ETSI和3GPP采纳, 作为3G移动通信的技术标准。分析及测试表明, ROHC非常适合卫星通信系统中IP包头压缩。为了提高压缩率, 下一步需要对ROHC R模式、O模式以及ROHC框架下IP/TCP头压缩进行进一步研究。

摘要:由于IP数据包头带来的较大开销, 在卫星链路上传输IP数据包效率较低。分析了健壮性头标压缩协议 (ROHC) 在卫星通信系统中应用的可行性, 在Linux平台对ROHC进行了实现。描述了ROHC在内核中的实现方法, 提出了ROHC在内核中的嵌入方式, 介绍了压缩器和解压器的实现流程, 对ROHC实现进行了测试和性能分析。实验测试表明, 采用ROHC极大减少了IP数据包头长度, 大大提高了IP业务卫星带宽利用率。

关键词:卫星IP网络,ROHC,包头压缩,Linux

参考文献

[1]BORMANN C, BURMEISTER C.RObust Header Compression (ROHC) :Framework and Four Profiles:RTP, UDP, ESP, and Uncompressed.RFC3095[S], 2001.

卫星网络 篇11

16日,在太空运行的北斗导航卫星准确接收到西安卫星测控中心发出的第3次远地点点火指令,测量数据显示,卫星顺利进入工作轨道,星上设备工作正常,卫星转入正常工作模式,开通导航信号。

这颗北斗导航卫星将参与中国北斗导航系统建设计划。卫星的发射成功,标志着我国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。

卫星导航系统为人类带来了巨大的社会和经济效益,目前世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。我国先后于2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日以及今年2月3日发射了四颗北斗导航试验卫星,成功建立了具有我国自主知识产权的区域性卫星导航系统——北斗卫星导航试验系统。该系统一直运行稳定、状态良好,已在测绘、交通运输、电信、水利、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用,应用前景十分广阔。

据介绍,我国将在未来几年里,陆续发射系列北斗导航卫星,并进行系统组网和试验,逐步扩展为全球卫星导航系统,主要用于国家经济建设,满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求。

本次成功发射的北斗导航卫星由航天科技集团公司所属的中国空间技术研究院研制生产。

执行卫星发射任务的长三甲火箭由航天科技集团公司所属的中国运载火箭技术研究院为主研制。

据悉,北斗卫星导航系统的发射任务将全部由长三甲系列火箭承担。由于该系统由不同轨道卫星组成,因此火箭会适时进行技术状态更改。此次发射,火箭进行了较大的技术状态变化。最大的变化是发射的卫星轨道由前12次的地球同步轨道变为中圆轨道。另外,此次发射还首次在火箭上使用了地面预置瞄准起飞滚转定向和高空双风向补偿技术,火箭三级发动机第一次采用一次工作模式,首次采用远距离测发控模式发射等等。这是该火箭连续第13次成功飞行,是长三甲系列火箭第20次成功发射。

此次发射是长征系列火箭第97次发射,是自1996年10月以来,该系列火箭连续55次成功发射。

卫星网络 篇12

1 发展我国应急通信的重要性

发展我国的应急通信保障系统, 有助于维护国家和社会的稳定, 是让国家经济发展的重要条件, 让人民安居乐业的基础保证, 也是全面建设社会主义和谐社会时必须要解决的问题[1]。我国每年都会发生很多起重大的公共事件, 重大公共安全事件主要包括自然灾害、事故灾难、公共卫生、社会安全事件等, 这些重大事件给国家蒙受了巨大的经济损失和人员伤亡, 为了减少安全事件所带来的损失, 更加应该重视通信保障系统的建设。

2 卫星通信系统的分类

2.1 卫星地面站

卫星通信系统的发展还离不开地面站的部署, 在地面上建立超短波电台、无线集群系统等内容, 可以在交通不发达的地区实现交通通信的覆盖[2]。

2.2 应急通信车, 包括动中通和静中通

应急通信车的应用, 可以让卫星网络展现出更大的优势, 通信车的设施齐全, 使用方便, 在车体内也可以满足卫星网络覆盖范围内的通信能力, 而且机动能力性更强, 可以用于通信体系中的指挥调度。

2.3 空中转信平台

由于我国地大物博, 各种地形情况都会遇到, 在一些地质地貌破坏严重的地区, 就要利用直升机等设施, 进行空中中转, 以此来实现卫星网络和地面上的通信, 保障地面上的通信保障网络系统能和卫星网络进行有效地沟通。

3 天地一体的通信保障体系的构建方案

3.1 系统构建思路

天地一体的通信保障体系, 顾名思义, 就是这个系统要由空间段和地面段组成, 空间段是卫星网络, 而地面段则是卫星的地面站和通信车。将卫星网络和地面网络进行有机结合, 能让地面网络最大化辅助卫星网络的工作, 使通信保障更完善。

3.2 系统的组成

天地一体的通信保障体系是由宽带卫星和地面站以及通信指挥车共同构成的。在这两类中, 宽带卫星是一种能将语音、数据、图像等数据综合处理的通信方式, 视频的采集和回传、视频会议是通信保障系统的重要内容, 宽带卫星能为这些内容提供数据支持[3]。而地面站和通信指挥车则可以不受地形环境的影响, 更好地追踪卫星网络的移动轨道和基本情况, 有效地和卫星网络进行沟通, 实现语音、数据、图像、视频之间的传递。

3.3 系统的特点

天地一体的通信保障系统的, 强调了地面网络的能动作用, 在具体地实施中补充了卫星网络的多种通信方式, 而通信车也提供了更多的供电方式, 人们可以在地面上更好地观察到卫星网络在天体中的运行状况, 便于开展视频会议, 同时, 地面上指挥车和地面站上的设备能够实现远程监控的作用, 为通信保障的指挥决策提供一个更加准确的依据。

4 天地一体的通信保障体系的作用

天地一体的通信保障体系, 更加重视地面上网络通信的重要性, 是现代通信中的一种重要的手段, 在国际上也得到了广泛的运用。当国家中发生了重大安全事件, 天地一体的通信保障体系可以突破时间和空间上的限制, 卫星网络和地面网络相互合作、补充, 共同发挥出难以替代的作用。

同时, 天地一体通信保障体系的建立还满足了以下的要求:能够在任意地点建立起综合数据的互相沟通、具有双向的通信能力, 将数据传输透明化、一体化, 还具有对商业机密传输过程中的加密功能[4]。

5 结论

现代科学技术的不断发展, 对通信保障体系提出了更高的要求, 要求通信保障体系实现全时空、全方位的天地一体化, 在实际的通信指挥中实现多种并存的通信手段, 融合了多媒体性能的传输能力和处理能力。这样一体化的通信保障体系已经在我国得到了越来越广泛的运用, 在今后的发展中, 还应该更加努力, 去深入开展卫星通信系统和地面网络信息系统地建立, 实现二者的协调发展, 让我国的空间技术水平更加提高。

参考文献

[1]何家富, 冯艺芝.构建卫星网络与地面网络天地一体的通信保障系统[J].数字通信世界, 2014, (01) :13-16.

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