面向未来卫星系统的网络与协议架构

第1章 概述 1.1 现代卫星系统 从 Clark在1945年那篇鼓舞人心和富有远见卓识的大作①开始，卫星通信就越来越成为我们日常生活的一部分，因为它们在大量应用中发挥着重要作用，如电视广播、地球观测、车辆辅助导航、灾害救援等，不胜枚举。随着应用数量的不断增加，卫星学术和产业界花费很大精力开发新的平台以提供更大的容量，从而支持更丰富的业务。从这个角度来看，为了确保不同卫星系统之间的互操作性而开发的通信标准的激增也是值得提及的，例如，那些在 DVB和 ETSI标准化论坛中详细阐述的标准。 在过去20年持续的技术进步中，通信范式在从单波束到多波束的转换中扮演了重要的角色，目的在于提供更大的数据速率，尽管对比一些适当的缓解方法，这付出了干扰增加的代价。这种变革引发我们对整个卫星系统的重新思考，它涉及地面和空间两个部分。至于后者，经典的“弯管”(bent-pipe)卫星已经更多地与机载处理卫星一起使用，从而拓宽了系统设计时可以考虑的优化空间。特别地，拥有灵活的功率、频率、时间(跳波束，beam hopping)的卫星载荷的出现，为整个卫星系统的资源分配问题引入一个新的维度，从而有助于更高效地满足用户对容量的需求。 另一个关键的技术进展来自2000年伊始 LEO星座的引入，*初的结果并不成功，然而它*终重新成为一个吸引人的概念，近期发射的巨型星座证明了这一点；它设想能以更大的数据速率和更低的接入延迟更好地服务用户，从而可能成为地面技术的直接竞争者。从这个角度看，自由空间激光光学的出现也成为未来卫星系统设计革命的重要一步，因为它们能提供比射频系统大得多的数据速率，尽管前者的性能会受到不利条件(如云)的严重阻碍。 尽管卫星界持续努力演进卫星通信的运营理念，但一定要清醒地意识到卫星系统不可能成为支持所有电信形态的终极载体。相反，互联网主要由地面基础设施传输，而且它的统治地位会增高，这也得益于移动设备在日常生活中的渗透。尽管如此，两个相互竞争的世界之间的理想折中在于相互融合在一个独特的生态系统中，从而能够满足所有用户在任何时间、任何地点的全面需求。为使一体化操作对双方都有意义，卫星系统从通信角度完成了重要的增强，旨在提高所提供的总体容量，这已经被超高频(extra high frequency， EHF)频段的实验和高效支持网关切换事件的分集技术的相关应用所验证，而且仍保持着非常高的系统可用性。此外，探索新的组网范式，使卫星技术成为与地面网络集成的一个有吸引力的候选。从这个角度来看，当下互联网交付基础设施的重塑也正扮演着重要的角色；这种重塑越来越多地围绕内容定制，而不是传统的源-目的哲学。基于此，信息中心网络的推广代表了迄今为止所用网络范例的一个重要转变，并且引入了一些重要的特性来简化异构技术之间的集成。 总的来说，这些是被认为有助于发展更现代的卫星系统的主要组成部分，它们必定在不久的将来与地面基础设施无缝集成在一起。 1.2整体框架 本书综述了卫星通信技术的*新进展，尤其是有望促进卫星与地面部分无缝集成的组网概念。基于此观点，它引导读者沿着这样的路径，理想地将卫星载荷设计的*新趋势及对资源分配方案设计相关的影响与过去几年在地面领域出现的现代协议体系架构关联起来。该场景的逻辑分解也因此存在三个主要部分，分别对应相应的章节；从卫星环境的系统视图开始，以体系结构的展望结束。有鉴于此，本书结构如下所示。 (1)第2章阐述柔性和跳波束载荷设计背后的主要概念，并深入探讨应如何实现更有效的资源分配。总体讨论提供卫星系统的系统视图分析，并为下一代卫星系统的设计及后续新业务的启用描绘可能的前景。 (2)第3章探讨卫星与地面网络融合的趋势，挖掘多径通信协议的潜力。在这些方面，该章概述了多路径 TCP (MPTCP)，并结合其在异构星-地链路网络编码中的应用进行分析。 (3)第4章是第3章关于星地一体化网络讨论的自然延续，这里给出一个体系架构方面的展望。特别地，应用*近构想的信息中心网络(information centric networking，ICN)的概念来展示其部分特性所提供的无缝网络集成方面的优势。 第2章 卫星通信的未来趋势 本章以高通量卫星(high throughput satellite， HTS)系统范式为参考，介绍卫星通信发展的主要趋势，并着重介绍卫星载荷的设计选择。接下来，考虑其他卫星系统的配置，从而引入卫星与地面段网络融合(有望成为电信系统的未来)的一般性话题。在这方面，概述了组网方面*重要的发展趋势，其中的部分内容(如 MPTCP和网络编码)在接下来的章节还将进一步阐述。 2.1 高通量卫星系统 2.1.1 概述 对高质量和数据速率服务持续增长的需求将改变电信世界，从而在交付的比特率方面给用户提供前所未有的体验[19]①。另外，由于缺乏有效的地面基础设施或者由于领土形态(如高山、沙漠等)造成有挑战的运行环境，数字鸿沟仍在影响着世界上一些区域。从这个角度讲，卫星将在补充地面基础设施方面发挥突出作用，从而为所有用户提供非常高的数据速率(如欧洲确立的2020年以后超过50 Mbit/s的目标)。为此，在实现 Tbit/s容量[18]的总体设计任务下，人们构想出高通量卫星(以及类似的非常高和新近的超高)的概念[36]。因此，实现这一目标将象征着当前卫星系统的一个里程碑，并肯定证实进入了下一代卫星系统的时代。事实上，目前的系统能够提供10～200 Gbit/s范围内非常有限的容量(如 Hylas 2、Ka Sat及 Echostar XIX等，不一一列举)[52]，因此，需要作出重大的再优化(re-engineering)努力，以推进卫星系统的设计。尤其是在总体系统设计中必须恰当地解决(至少)三个主要的技术挑战[75，100]： (1)带宽不足； (2)大型网关网络； (3)匹配用户长期数据速率需求。 关于第(1)点，一种合适的方法是利用整个 Ka波段(17.7～19.7 GHz)[59]作为用户链路，并将 EHF波段(>40 GHz)用作馈线链路，以充分地利用更大的频谱空间。特别地，已经注意到 Q/V频带的使用，还可能与更高的频率(如 W频带)或光馈线结合，以进一步增加可用容量。另外，值得一提的是，那些运行在 EHF或者更高频段结合自由空间光学技术中的链路可能会受到大气损伤的严重影响。例如，电话会议和远程医疗等服务(具有高可用性需求)可能会在用户级别上遭受严重的体验质量下降。此外，任务关键型(mission-critical)应用(即要求低延迟交付和无信息丢失，如警报/警告和遥测服务)可能会受到由馈线链路中断事件(尽管持续时间很短)引起的重要性能限制。对于使用射频(radio frequency， RF)链路的网关来说，性能下降会因下雨引起的严重信道衰落而发生，而建立在自由空间光学技术上的链路则通常会受到云层导致的信号阻塞事件的影响。 因此，地面段的设计必须基于冗余和空间分集的概念，额外增加了网络的规模，如第(2)点所述。特别地，对大型网关网络的需求本质上来自实现 Tbit/s容量的目标，这需要大量运行在 RF波段的网关。当目标可用性高于99.5%时，必须充分地考虑这方面的因素，因此智能网关分集技术(下一节进一步重点阐述)确实非常必要。 第(3)点当然是*重要的一点，即与用户需求相匹配，因为它包含了地面和空间段的各个方面。一方面，为用户提供比目前实际供应的更大的数据速率将需要卫星网络配备更多的波束(>200个)，这反过来也将导致波束变得更窄[75]。此外，为了尽可能充分地利用可用频谱，还设想提高频率重用系数，因此需要适当的干扰缓解技术和调度解决方案。另一方面，满足用户在数据速率方面的需求与资源分配问题紧密关联，其实质是将提供的容量与请求的容量之间的差距*小化。这一问题的解决方案实际上要同时在空间和地面段实施，以便使卫星载荷也能适当分配资源(时间/频率和功率)。由于目前主要基于静态分配的方案在大型卫星网络(即>200个波束)和容量高可用性的情况下，预期性能不佳，所以设计适当的无线资源管理解决方案是必要的。 因此，宽带卫星网络的设计必须仔细考虑一些关键的系统参数，并对这些参数进行优化，以*大限度地提高吞吐量和可用性(至少)，仅以几个基本性能目标为例。更确切地说，在对整个卫星系统进行尺寸标定时，应特别注意下列系统参数，从而满足特定的业务需求[75]： (1)用户链路带宽B，即分配给用户链路的 Ka波段的射频带宽总量，主要由监管约束决定。 (2)波束数Nb，这取决于覆盖范围的大小、星载用户链路天线的大小和波束模式交叉点数。 (3)颜色数nc (与频率重用直接相关)，即频率子带和偏极化的独特组合数。它决定总的系统带宽 W (Hz)= Nb ？ B/nc，并对同频干扰水平有着重要影响。 (4)星上载荷的高功率放大器(high power amplifier， HPA)的数量，受星上载荷质量、功率、舱室大小和热耗散的限制，其值取决于波束数和每台 HPA的波束数。 (5)总线直流总功率 PDC：只有部分直流总功率分配给电信载荷(特别是给前向链路行波管放大器的)，并转换为射频功率。 2.1.2频谱管制 如前面所述，可用于高通量卫星系统的频谱数量必须符合国际电信联盟(In-ternational Telecommunication Union，ITU)、欧洲邮电管理委员会(Committee for European Post and Telecommunication，CEPT)及不同国家主管部门[52，75，100]的监管约束。在用户链路中，由于来自/去达小型用户站卫星信号的特性，与其他服务共存非常具有挑战性，因此监管将确保一定程度的保护。为此，欧洲已经作出决定以确保不受干扰，并免除以下频段(以下称为“专用频段”)的个人终端许可:①19.7～20.2 GHz用于空-地通信；.29.5～30 GHz用于地-空通信。 进一步的决定确定了可用于用户链路上行(地-空通信)的其他频谱部分，即27.5～27.8285 GHz；28.445～28.8365 GHz；29.4525～29.5 GHz；28.8365～28.9485 GHz。 对于下行链路，17.3～17.7 GHz部分可以被认为是高密度固定卫星服务(high-density fixed satellite service，HDFSS)旗下的一个候选波段。然而，该频带的运营应在不影响 BSS馈线链路服务的情况下进行。接下来，这些额外的频谱部分将被称为“扩展波段”。 对于馈线链路，存在以下两种选择。 (1) Ka波段： ITU无线电条例在全球范围内分配27.5～29.5 GHz频段用于地-空方向的固定卫星服务，17.7～19.7 GHz频段用于空-地方向。 (2) Q/V波段：在37.5～43.5 GHz和47.2～51.4 GHz的区域。 2.1.3 智能网关分集架构 系统设计必须应对由于恶劣天气条件造成的馈线链路损伤，这种损伤在高频波段尤其严重。自适应编码调制(adaptive coding modulation，ACM)自身可能无法保证所要求的服务质量(quality of service，QoS)系统规格，由于在这些频带会发生非常高的信号退化(由于气象效应引起的深度衰落)，这意味着将出现不希望的吞吐量下降，伴随着馈线链路信道的传播衰减。基于这些事实，开发了网关分集(gateway diversity，GD)技术，其使用一组通过地面链路(相互)连通的网关(gateway，GW)。当一个 GW的馈线链路经受深度大气衰落时，它的