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面向未來衛星系統的網絡與協議架構 版權信息
- ISBN：9787030683595
- 條形碼：9787030683595 ; 978-7-03-068359-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
面向未來衛星系統的網絡與協議架構 內容簡介
本書譯自德國宇航中心德科勒等所著Network and Protocol Architectures for Future Satellite Systems一書。該書展望未來衛星系統及組網技術的發展趨勢，重點闡述網絡編碼、多路TCP和信息中心網絡等近期新組網與協議在衛星網絡中的應用。 本書適合衛星互聯網領域研究人員及相關專業高年級研究生閱讀。
面向未來衛星系統的網絡與協議架構 目錄
目錄
譯者序
摘要
縮略語
第1章 概述 1
1.1 現代衛星系統 1
1.2 整體框架 2
第2章 衛星通信的未來趨勢 3
2.1 高通量衛星系統 3
2.1.1 概述 3
2.1.2 頻譜管制 5
2.1.3 智能網關分集架構 5
2.1.4 載荷結構 10
2.1.5 靈活的HTS載荷結構 17
2.1.6 研究挑戰 24
2.2 非GEO衛星系統 26
2.2.1 星座 26
2.2.2 高空平臺 34
2.3 組網挑戰 36
2.3.1 TCP性能 36
2.3.2 星地網絡一體化 38
2.3.3 多網關HTS系統中的切換 39
2.3.4 SDN/NFV 40
第3章 高通量衛星系統的組網方案 43
3.1 MPTCP 43
3.1.1 多空口和多歸屬：定義、特征和實例 43
3.1.2 MPTCP的基本特征 44
3.1.3 中間盒的影響 46
3.1.4 子流與MPTCP的組合 48
3.1.5 MPTCP擁塞控制方案 50
3.1.6 MPTCP應用于移動衛星系統 54
3.1.7 不平衡路徑的影響 55
3.1.8 MPTCPRFC 和實現 55
3.2 網絡編碼及其在衛星組網中的應用 56
3.2.1 包級前向糾錯與網絡編碼的對比 58
3.2.2 *小割(min-cut)定理 62
3.2.3 伽羅華域上的算術運算 63
3.2.4 線性網絡編碼 64
3.2.5 隨機線性網絡編碼 64
3.2.6 立即可解編碼 69
3.2.7 網絡編碼在衛星網絡中的應用 70
第4章 衛星組網的未來趨勢 72
4.1 衛星通信用例和應用 72
4.1.1 內容分發 72
4.1.2 物聯網 77
4.2 基于ICN架構的未來衛星通信 80
4.2.1 ICN架構概述 80
4.2.2 ICN與星地一體化網絡 82
4.2.3 結論 92
參考文獻 93
譯者序
摘要
縮略語
第1章 概述 1
1.1 現代衛星系統 1
1.2 整體框架 2
第2章 衛星通信的未來趨勢 3
2.1 高通量衛星系統 3
2.1.1 概述 3
2.1.2 頻譜管制 5
2.1.3 智能網關分集架構 5
2.1.4 載荷結構 10
2.1.5 靈活的HTS載荷結構 17
2.1.6 研究挑戰 24
2.2 非GEO衛星系統 26
2.2.1 星座 26
2.2.2 高空平臺 34
2.3 組網挑戰 36
2.3.1 TCP性能 36
2.3.2 星地網絡一體化 38
2.3.3 多網關HTS系統中的切換 39
2.3.4 SDN/NFV 40
第3章 高通量衛星系統的組網方案 43
3.1 MPTCP 43
3.1.1 多空口和多歸屬：定義、特征和實例 43
3.1.2 MPTCP的基本特征 44
3.1.3 中間盒的影響 46
3.1.4 子流與MPTCP的組合 48
3.1.5 MPTCP擁塞控制方案 50
3.1.6 MPTCP應用于移動衛星系統 54
3.1.7 不平衡路徑的影響 55
3.1.8 MPTCPRFC 和實現 55
3.2 網絡編碼及其在衛星組網中的應用 56
3.2.1 包級前向糾錯與網絡編碼的對比 58
3.2.2 *小割(min-cut)定理 62
3.2.3 伽羅華域上的算術運算 63
3.2.4 線性網絡編碼 64
3.2.5 隨機線性網絡編碼 64
3.2.6 立即可解編碼 69
3.2.7 網絡編碼在衛星網絡中的應用 70
第4章 衛星組網的未來趨勢 72
4.1 衛星通信用例和應用 72
4.1.1 內容分發 72
4.1.2 物聯網 77
4.2 基于ICN架構的未來衛星通信 80
4.2.1 ICN架構概述 80
4.2.2 ICN與星地一體化網絡 82
4.2.3 結論 92
參考文獻 93
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面向未來衛星系統的網絡與協議架構 節選
第1章 概述 1.1 現代衛星系統 從 Clark在1945年那篇鼓舞人心和富有遠見卓識的大作①開始，衛星通信就越來越成為我們日常生活的一部分，因為它們在大量應用中發揮著重要作用，如電視廣播、地球觀測、車輛輔助導航、災害救援等，不勝枚舉。隨著應用數量的不斷增加，衛星學術和產業界花費很大精力開發新的平臺以提供更大的容量，從而支持更豐富的業務。從這個角度來看，為了確保不同衛星系統之間的互操作性而開發的通信標準的激增也是值得提及的，例如，那些在 DVB和 ETSI標準化論壇中詳細闡述的標準。 在過去20年持續的技術進步中，通信范式在從單波束到多波束的轉換中扮演了重要的角色，目的在于提供更大的數據速率，盡管對比一些適當的緩解方法，這付出了干擾增加的代價。這種變革引發我們對整個衛星系統的重新思考，它涉及地面和空間兩個部分。至于后者，經典的“彎管”(bent-pipe)衛星已經更多地與機載處理衛星一起使用，從而拓寬了系統設計時可以考慮的優化空間。特別地，擁有靈活的功率、頻率、時間(跳波束，beam hopping)的衛星載荷的出現，為整個衛星系統的資源分配問題引入一個新的維度，從而有助于更高效地滿足用戶對容量的需求。 另一個關鍵的技術進展來自2000年伊始 LEO星座的引入，*初的結果并不成功，然而它*終重新成為一個吸引人的概念，近期發射的巨型星座證明了這一點；它設想能以更大的數據速率和更低的接入延遲更好地服務用戶，從而可能成為地面技術的直接競爭者。從這個角度看，自由空間激光光學的出現也成為未來衛星系統設計革命的重要一步，因為它們能提供比射頻系統大得多的數據速率，盡管前者的性能會受到不利條件(如云)的嚴重阻礙。 盡管衛星界持續努力演進衛星通信的運營理念，但一定要清醒地意識到衛星系統不可能成為支持所有電信形態的終極載體。相反，互聯網主要由地面基礎設施傳輸，而且它的統治地位會增高，這也得益于移動設備在日常生活中的滲透。盡管如此，兩個相互競爭的世界之間的理想折中在于相互融合在一個獨特的生態系統中，從而能夠滿足所有用戶在任何時間、任何地點的全面需求。為使一體化操作對雙方都有意義，衛星系統從通信角度完成了重要的增強，旨在提高所提供的總體容量，這已經被超高頻(extra high frequency， EHF)頻段的實驗和高效支持網關切換事件的分集技術的相關應用所驗證，而且仍保持著非常高的系統可用性。此外，探索新的組網范式，使衛星技術成為與地面網絡集成的一個有吸引力的候選。從這個角度來看，當下互聯網交付基礎設施的重塑也正扮演著重要的角色；這種重塑越來越多地圍繞內容定制，而不是傳統的源-目的哲學。基于此，信息中心網絡的推廣代表了迄今為止所用網絡范例的一個重要轉變，并且引入了一些重要的特性來簡化異構技術之間的集成。 總的來說，這些是被認為有助于發展更現代的衛星系統的主要組成部分，它們必定在不久的將來與地面基礎設施無縫集成在一起。 1.2整體框架 本書綜述了衛星通信技術的*新進展，尤其是有望促進衛星與地面部分無縫集成的組網概念。基于此觀點，它引導讀者沿著這樣的路徑，理想地將衛星載荷設計的*新趨勢及對資源分配方案設計相關的影響與過去幾年在地面領域出現的現代協議體系架構關聯起來。該場景的邏輯分解也因此存在三個主要部分，分別對應相應的章節；從衛星環境的系統視圖開始，以體系結構的展望結束。有鑒于此，本書結構如下所示。 (1)第2章闡述柔性和跳波束載荷設計背后的主要概念，并深入探討應如何實現更有效的資源分配。總體討論提供衛星系統的系統視圖分析，并為下一代衛星系統的設計及后續新業務的啟用描繪可能的前景。 (2)第3章探討衛星與地面網絡融合的趨勢，挖掘多徑通信協議的潛力。在這些方面，該章概述了多路徑 TCP (MPTCP)，并結合其在異構星-地鏈路網絡編碼中的應用進行分析。 (3)第4章是第3章關于星地一體化網絡討論的自然延續，這里給出一個體系架構方面的展望。特別地，應用*近構想的信息中心網絡(information centric networking，ICN)的概念來展示其部分特性所提供的無縫網絡集成方面的優勢。 第2章 衛星通信的未來趨勢 本章以高通量衛星(high throughput satellite， HTS)系統范式為參考，介紹衛星通信發展的主要趨勢，并著重介紹衛星載荷的設計選擇。接下來，考慮其他衛星系統的配置，從而引入衛星與地面段網絡融合(有望成為電信系統的未來)的一般性話題。在這方面，概述了組網方面*重要的發展趨勢，其中的部分內容(如 MPTCP和網絡編碼)在接下來的章節還將進一步闡述。 2.1 高通量衛星系統 2.1.1 概述 對高質量和數據速率服務持續增長的需求將改變電信世界，從而在交付的比特率方面給用戶提供前所未有的體驗[19]①。另外，由于缺乏有效的地面基礎設施或者由于領土形態(如高山、沙漠等)造成有挑戰的運行環境，數字鴻溝仍在影響著世界上一些區域。從這個角度講，衛星將在補充地面基礎設施方面發揮突出作用，從而為所有用戶提供非常高的數據速率(如歐洲確立的2020年以后超過50 Mbit/s的目標)。為此，在實現 Tbit/s容量[18]的總體設計任務下，人們構想出高通量衛星(以及類似的非常高和新近的超高)的概念[36]。因此，實現這一目標將象征著當前衛星系統的一個里程碑，并肯定證實進入了下一代衛星系統的時代。事實上，目前的系統能夠提供10～200 Gbit/s范圍內非常有限的容量(如 Hylas 2、Ka Sat及 Echostar XIX等，不一一列舉)[52]，因此，需要作出重大的再優化(re-engineering)努力，以推進衛星系統的設計。尤其是在總體系統設計中必須恰當地解決(至少)三個主要的技術挑戰[75，100]： (1)帶寬不足； (2)大型網關網絡； (3)匹配用戶長期數據速率需求。 關于第(1)點，一種合適的方法是利用整個 Ka波段(17.7～19.7 GHz)[59]作為用戶鏈路，并將 EHF波段(>40 GHz)用作饋線鏈路，以充分地利用更大的頻譜空間。特別地，已經注意到 Q/V頻帶的使用，還可能與更高的頻率(如 W頻帶)或光饋線結合，以進一步增加可用容量。另外，值得一提的是，那些運行在 EHF或者更高頻段結合自由空間光學技術中的鏈路可能會受到大氣損傷的嚴重影響。例如，電話會議和遠程醫療等服務(具有高可用性需求)可能會在用戶級別上遭受嚴重的體驗質量下降。此外，任務關鍵型(mission-critical)應用(即要求低延遲交付和無信息丟失，如警報/警告和遙測服務)可能會受到由饋線鏈路中斷事件(盡管持續時間很短)引起的重要性能限制。對于使用射頻(radio frequency， RF)鏈路的網關來說，性能下降會因下雨引起的嚴重信道衰落而發生，而建立在自由空間光學技術上的鏈路則通常會受到云層導致的信號阻塞事件的影響。 因此，地面段的設計必須基于冗余和空間分集的概念，額外增加了網絡的規模，如第(2)點所述。特別地，對大型網關網絡的需求本質上來自實現 Tbit/s容量的目標，這需要大量運行在 RF波段的網關。當目標可用性高于99.5%時，必須充分地考慮這方面的因素，因此智能網關分集技術(下一節進一步重點闡述)確實非常必要。 第(3)點當然是*重要的一點，即與用戶需求相匹配，因為它包含了地面和空間段的各個方面。一方面，為用戶提供比目前實際供應的更大的數據速率將需要衛星網絡配備更多的波束(>200個)，這反過來也將導致波束變得更窄[75]。此外，為了盡可能充分地利用可用頻譜，還設想提高頻率重用系數，因此需要適當的干擾緩解技術和調度解決方案。另一方面，滿足用戶在數據速率方面的需求與資源分配問題緊密關聯，其實質是將提供的容量與請求的容量之間的差距*小化。這一問題的解決方案實際上要同時在空間和地面段實施，以便使衛星載荷也能適當分配資源(時間/頻率和功率)。由于目前主要基于靜態分配的方案在大型衛星網絡(即>200個波束)和容量高可用性的情況下，預期性能不佳，所以設計適當的無線資源管理解決方案是必要的。 因此，寬帶衛星網絡的設計必須仔細考慮一些關鍵的系統參數，并對這些參數進行優化，以*大限度地提高吞吐量和可用性(至少)，僅以幾個基本性能目標為例。更確切地說，在對整個衛星系統進行尺寸標定時，應特別注意下列系統參數，從而滿足特定的業務需求[75]： (1)用戶鏈路帶寬B，即分配給用戶鏈路的 Ka波段的射頻帶寬總量，主要由監管約束決定。 (2)波束數Nb，這取決于覆蓋范圍的大小、星載用戶鏈路天線的大小和波束模式交叉點數。 (3)顏色數nc (與頻率重用直接相關)，即頻率子帶和偏極化的獨特組合數。它決定總的系統帶寬 W (Hz)= Nb ？ B/nc，并對同頻干擾水平有著重要影響。 (4)星上載荷的高功率放大器(high power amplifier， HPA)的數量，受星上載荷質量、功率、艙室大小和熱耗散的限制，其值取決于波束數和每臺 HPA的波束數。 (5)總線直流總功率 PDC：只有部分直流總功率分配給電信載荷(特別是給前向鏈路行波管放大器的)，并轉換為射頻功率。 2.1.2頻譜管制 如前面所述，可用于高通量衛星系統的頻譜數量必須符合國際電信聯盟(In-ternational Telecommunication Union，ITU)、歐洲郵電管理委員會(Committee for European Post and Telecommunication，CEPT)及不同國家主管部門[52，75，100]的監管約束。在用戶鏈路中，由于來自/去達小型用戶站衛星信號的特性，與其他服務共存非常具有挑戰性，因此監管將確保一定程度的保護。為此，歐洲已經作出決定以確保不受干擾，并免除以下頻段(以下稱為“專用頻段”)的個人終端許可:①19.7～20.2 GHz用于空-地通信；.29.5～30 GHz用于地-空通信。 進一步的決定確定了可用于用戶鏈路上行(地-空通信)的其他頻譜部分，即27.5～27.8285 GHz；28.445～28.8365 GHz；29.4525～29.5 GHz；28.8365～28.9485 GHz。 對于下行鏈路，17.3～17.7 GHz部分可以被認為是高密度固定衛星服務(high-density fixed satellite service，HDFSS)旗下的一個候選波段。然而，該頻帶的運營應在不影響 BSS饋線鏈路服務的情況下進行。接下來，這些額外的頻譜部分將被稱為“擴展波段”。 對于饋線鏈路，存在以下兩種選擇。 (1) Ka波段： ITU無線電條例在全球范圍內分配27.5～29.5 GHz頻段用于地-空方向的固定衛星服務，17.7～19.7 GHz頻段用于空-地方向。 (2) Q/V波段：在37.5～43.5 GHz和47.2～51.4 GHz的區域。 2.1.3 智能網關分集架構 系統設計必須應對由于惡劣天氣條件造成的饋線鏈路損傷，這種損傷在高頻波段尤其嚴重。自適應編碼調制(adaptive coding modulation，ACM)自身可能無法保證所要求的服務質量(quality of service，QoS)系統規格，由于在這些頻帶會發生非常高的信號退化(由于氣象效應引起的深度衰落)，這意味著將出現不希望的吞吐量下降，伴隨著饋線鏈路信道的傳播衰減。基于這些事實，開發了網關分集(gateway diversity，GD)技術，其使用一組通過地面鏈路(相互)連通的網關(gateway，GW)。當一個 GW的饋線鏈路經受深度大氣衰落時，它的
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