下一代卫星网络发展研究*

毛腾跃，徐正全，朱容波，侯 睿

（1.中南民族大学计算机科学学院 武汉430074；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室 武汉430079）

1 当前卫星网络发展现状

近十余年来，Internet获得了高速发展，终端用户数量不断增加，新业务层出不穷，骨干网、接入网带宽不断提高，接入方式灵活方便。尽管Internet为其基础设施覆盖区域的用户提供了极大的便利，但在一些电缆和光纤均无法到达的区域，用户利用卫星高速接入Internet，无疑是目前唯一的选择。与Internet相比，卫星网络存在着一些得天独厚的特性：传输距离远、部署快速灵活、全球无缝覆盖、高传输带宽、广播特性等，可以弥补地面Internet的不足，使卫星网络成为地面Internet的延伸[1,2]。

自20世纪90年代末以来，整个卫星通信行业开始进入了新一轮的快速增长期。许多投资巨大的卫星通信系统可以为不同用户提供各种各样的通信服务，包括Internet应用、宽带多媒体数据服务和个人移动通信服务等[3]。

1.1 卫星通信网络类型

目前的卫星通信网络按照所提供服务及应用范围的不同，大致可分为以下几种类型[4]：宽带卫星通信系统、卫星固定通信系统、静止轨道或非静止轨道的卫星移动通信系统等。

（1）宽带卫星通信系统

宽带卫星通信系统可以向USAT（ultra small aperture terminal，极小口径终端）提供双向多媒体业务，并具备星上 处 理 （onboard processing） 和星上交换（onboard switching）能力，如泰国的IPStar、美国的Wideblue和SPaceway、加拿大的Anik-f2、欧洲的宽带多媒体卫星通信系统Amerhis以及韩国和日本的MBSat等。

（2）卫星固定通信系统

VSAT（very small aperture terminal，甚小口径终端）是卫星固定通信中的一种重要形式，提供电信通信、广播电视、转发器出租、内部专网、数据采集等服务。各类卫星宽带业务在近几年得到较快发展，尤其是基于IP的业务，如电视会议、远程教育、远程医疗、流媒体等业务。典型的系统有国际通信卫星（Intelsat）系统、欧洲通信卫星公司（Eutelsat）、俄罗斯联邦国际卫星组织（IntersPutnik）、美国泛美卫星（PanAmsat）、新天空卫星（Newskies）等。

（3）静止轨道卫星移动通信系统

国际海事卫星（Inmarsat）系统提供区域覆盖的卫星移动通信系统，主要有北美移动卫星（MSAT）系统、亚洲蜂窝卫星（ACeS）系统、瑟拉亚卫星（Thuraya）系统等。

（4）非静止轨道卫星移动通信系统

非静止轨道卫星移动通信系统中比较典型的有Iridium系统和Globalstar系统，两者均采用LEO（low earth orbit，近地轨道）组网，与GEO（geostationary earth orbit，地球同步轨道）通信系统相比，传播时延大大减小，能较好地满足实时性要求较高的应用需求，但它们同样因为需要“挑选和租用”一个特定连接，用户使用费用较高。这些系统组网实现起来较容易，而且绝大部分系统采用Ka波段，通信容量大，带宽高；在Internet和地面移动网络没有覆盖的区域，是唯一的接入选择；提供互联网应用、宽带多媒体数据及个人移动通信等服务，业务类型丰富。

1.2 当前卫星网络的局限性

目前的卫星通信网络技术日益成熟，国际标准逐渐完善，但其缺点也非常明显。

（1）延时高

宽带卫星通信系统、卫星固定通信系统以及非静止轨道卫星移动通信系统，这3种卫星通信系统绝大部分是利用GEO卫星充当物理连接通道。地面站先用特定频率向卫星发送数据，然后卫星再把这些数据转发给其他预先确定的地面站，其网络架构属于“弯管架构”，路由只能在地面进行。当数据分组每次由一个卫星传输到另一个卫星上时，都需要先发送至地面基站，然后再由地面基站转发，每一次转发都产生一定的延时。除了转发时延，相对地面网络来说，GEO卫星还有较长的传播时延，在实时要求较高的通信应用中，受到较大的限制。

（2）带宽利用率低

“弯管架构”导致“双跳”，“双跳”每次传输将占用两倍于传输信息量的带宽，从而造成带宽的利用率较低。

（3）通信成本高

卫星服务需要“挑选和租用”一个特定连接，卫星服务提供商维持自己的服务和链路，而每个链路可能只用于一项服务，从用户费用角度看，费用较高。当前诸如铱星等系统，虽然卫星彼此间能够通信，但并没有使用通用标准的IP技术。这些系统可以转发地面Internet的IP分组，但属于基于透明转发或者基于再生处理的转发，而不是基于IP分组级的路由转发。归根结底，是因为这些系统不具备星上路由功能，只能基于特定链接转发，而不能如地面Internet上的节点一样，实现IP分组级的路由转发。

（4）服务融合能力差

每个卫星系统作为独立的卫星网络，不同系统之间缺乏兼容性与可扩展性，不能像地面Internet一样，融合所有的服务。目前的卫星网络很大程度上由昂贵的专利设备组成，星间链路采用特殊的路由算法，且不同系统之间缺乏兼容性与可扩展性。表1对目前几种典型的卫星网络的优缺点进行了对比。

当前卫星网络的高延时弯管架构、不具备标准的星上IP功能以及缺乏兼容性与扩展性等局限性，导致了它不能像地面Internet一样高速而迅猛地发展。卫星通信网络的局限性使它难以满足用户廉价和方便的服务需求。

表1 典型卫星网络的优缺点对比

2 下一代卫星网络发展趋势

IP技术在地面网络应用的成功，为卫星网络的发展指明了方向。未来的网络将是全IP网络，全IP能无缝集成各种接入方式[5]。下一代卫星网络只有利用成熟的IP技术组建IP卫星网络与地面Internet无缝对接，实现天地一体化的Internet，才能突破卫星网络发展的瓶颈，满足用户的廉价和方便的服务需求。

2.1 卫星网络IP化的必然性

卫星网络融入地面Internet已是大势所趋。两大力量驱动网络融合：经济利益的驱使和技术发展的要求。从经济利益的角度看，用户需要廉价和方便的服务，而当前卫星网络的高通信成本和服务融合能力差的缺点难以满足用户的需求。只有采用IP技术融入地面Internet才能降低通信成本、融合所有的服务。从技术发展的要求看，目前卫星传送数据多是弯管通信，除带宽利用率低外，还会产生较大的延时。如果采用地面Internet成熟的IP技术，IP数据分组可以在太空中被正确地路由到目的地，从而降低延时、提高带宽利用率。下一代卫星网络将是一个以IP为核心思想发展的网络，一个融入到地面Internet、与地面Internet无缝对接的网络[6～8]。

2.2 下一代卫星网络的架构

下一代卫星网络的主旨是：以IP为核心思想发展卫星网络，实现天地一体化的互联网络，承载的互联网数据“飞天入地”。在这个新的天地一体化的网络架构中，所有的服务可以有机地融合在一起，其架构[9～11]如图1所示。

具体描述如下。

（1）卫星成为Internet的一个节点，具有星间链路提供通信路径、具有星上处理、星上交换、星上路由（onboard routing）功能，用于传送信号、提供路由和转发数据分组。

（2）太空卫星骨干网中的卫星节点包括各种类型的星座：GEO、MEO（medium earth orbit，中度地球轨道）、LEO。

（3）卫星通过星间链路建立太空的移动卫星骨干网（mobile satellite backbone）。

（4）太空卫星骨干网通过地面的互通网关（interworking gateway）和地面Internet互联互通。

（5）地面终端（固定终端和移动终端）可以直接接入卫星网络，也可以通过地面的互通网关接入卫星网络，地面终端之间互通。

终上所述，下一代卫星网络是一个全IP网络，通过太空中的各种星座，搭建移动卫星骨干网，利用地面互通网关，和地面Internet无缝对接。

2.3 下一代卫星网络的优势

同当前卫星网络相比，采用IP技术、融入地面Internet的下一代卫星网络将具有无可比拟的优势。

（1）高容量，低成本

通过不同的地面基站或卫星，它们可以接收IP数据分组，并将这些数据分组发往多个地方，从而根据需要随时建立新的连接。这与以往传统的“挑选和租用”一个特定连接相比，用户需要支付的卫星服务费将更低。

（2）低延时

卫星间进行直接通信，不需要两次上下传输，省去了一轮卫星往返传输，“单跳”降低音视频等实时业务传输的延时。

（3）多服务融合

借助太空路由，建立太空IP网络，能够实现多种服务的融合。基于IP的连接来承载多项服务，支持多种不同的应用，无需为卫星电视、电话服务等提供独立的专用硬件。

巨大的优势将会使下一代卫星网络像地面Internet一样高速而迅猛地发展，不断满足用户廉价和便捷的服务需求。

3 下一代卫星网络面临的挑战及机遇

下一代卫星网络拥有巨大的优势，前景非常美好，但发展的道路将会漫长而曲折，这是因为传统的IP技术主要是为有线固定网络而设计。与地面Internet相比，卫星网络有许多独特的地方，如卫星高速运动、网络拓扑周期性变化导致星际链路和星地链路频繁切换、星上资源和能量受限、宇宙空间环境复杂导致信道误码率远大于地面网络、卫星空间分布稀疏、节点间距离遥远等。这些受限条件决定了不能简单地将地面Internet技术直接移植到卫星网络。在诸多受限条件的限制下，卫星网络的IP化道路面临巨大的挑战。

·星间链路和星地链路频繁切换等特点导致路由策略极其复杂，作为IP网络中的核心技术，路由问题面临巨大的挑战[12,13]。路由问题一直得到了极大的关注，成为持续的研究热点。

·卫星链路传输延时大、误码率高等特性导致地面Internet的TCP不能直接应用于卫星网络。

·卫星相对于地面的高速移动和用户终端的移动性导致星间链路和星地链路频繁切换，给卫星网络的移动性管理带来了重大挑战。

·在地面Internet中，QoS（quality of service）问题一直没有得到很好的解决，卫星网络不仅要面对地面Internet原有的QoS问题，还要面对在卫星网络环境下的一系列问题。

除此之外，还有用户需求的不对称引起的流量管理机制、链路频繁切换引起的带宽利用和分配机制以及卫星网络中的安全等问题。

尽管下一代卫星网络的发展之路任重道远，但以IP为核心思想发展卫星网络的趋势和方向使得国际上许多科研机构参与其中，大量的研究资金投入其中，如美国航空航天局（NASA）格林研究中心、英国萨里卫星公司以及思科公司等，自20世纪末期便开始了卫星IP网络的研究。美国走在研究的前列，欧洲、日本等紧跟其后，随后我国也开始关注，以2007年美国国防部启动IRIS[14,15]（internet routers in space）太空互联网路由计划为代表的研究活动，一步步地推动着下一代卫星网络的商业化进程。在研究过程中，被关注的研究热点层出不穷，需要解决的许多关键技术仍未有定论。可以预见，在下一个阶段，下一代卫星网络将是一个持续被诸多学者和研究机构关注、研究的热点，其关键技术和挑战性问题将在这一阶段被攻克，国际标准将在这一阶段被制定和完善。我国在地面互联网的标准制定中未能抓住机遇，而目前在下一代卫星网络的研究上我国与国际基本处于同一起跑线，卫星网络的IP化提供了一个绝好的机会，一定要抓住这次机遇，积极参与到国际卫星网络的IP化的标准制定之中。

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