刘炯，解东宏：卫星互联网宽带接入和高速传输技术

通信卫星以其独有的特点和优势，在全球通信中发挥着非常重要的作用。随着卫星通信技术的不断发展，特别是星上数字处理技术的显著提高，已有多颗具有星上基带处理能力的新型通信卫星投入使用和列入发射计划。毫无疑问，具有星上基带处理能力的新型通信卫星已成为卫星通信发展的一大趋势。地面互联网以惊人的速度在全球范围内发展，互联网已成为人们生活、工作的重要组成部分。为了满足日益增长的互联网多媒体业务的传输需求，卫星通信从支持语音和图像业务传输向支持多种业务传输的宽带互联网接入方向发展。并且，随着人类对月球、火星等深空领域的探索，卫星通信不仅面向地球传输信息，还会形成覆盖面更广的卫星互联网。

卫星互联网宽带接入和高速传输技术

刘炯，解东宏 著

北京：科学出版社，2023.3

国家科学技术学术著作出版基金项目

ISBN 978-7-03-074724-2

责任编辑：宋无汗

卫星互联网的研究和建设涉及的问题非常多，如卫星互联网通信系统体制、卫星网络路由、信息传输控制等。《卫星互联网宽带接入和高速传输技术》从卫星通信和互联网概念的提出和发展出发，介绍相关知识和理论，重点讨论卫星互联网的宽带通信、高速接入、可靠传输等的技术和理论。

全书共 11 章。

第 1 章介绍互联网及其协议模型，包括互联网的发展、组织机构和协议模型。

本章首先简要回顾互联网的发展历史和应用现状，讨论互联网的发展趋势；其次介绍互联网的组织机构和职能；最后讨论互联网的协议模型，比较 OSI 模型与互联网协议模型的异同，从中理解 TCP/IP 模型。

▲TCP 数据传输

第 2 章介绍 TCP/IP，主要包括 IP、TCP 和 UDP的发展、格式标准、基本原理和特点。

IP 处在 TCP/IP 模型的网络层，在 TCP/IP 族中的地位非常重要，成功应用于现代分组交换网络中。目前，在互联网中应用最为广泛的是 IPv4 协议。TCP 和 UDP 都处在 TCP/IP 模型的传输层，在 TCP/IP 族中起到举足轻重的作用，是实现信息端到端传输的关键。虽然 TCP 和 UDP 都是负责信息的传输，但两者在协议算法上区别非常大。

▲TCP/IP 模型

第 3 章介绍卫星通信的基本原理、发展历程。

本章首先从理论的提出、试验探索和应用发展等几方面介绍卫星通信的发展；其次介绍卫星通信的基本概念，包括卫星通信的定义、工作频段和轨道划分；再次从地面段、控制段和空间段三方面讨论卫星通信系统的组成；从次介绍卫星通信系统的网络架构，并讨论卫星通信的网络接入技术；最后通过与其他通信技术的对比，分析卫星通信的特点和不足。

▲不同类型卫星轨道位置

第 4 章介绍宽带多媒体通信卫星和星上处理技术，着重分析星上处理技术。

本章研究宽带多媒体通信卫星和星上处理技术，主要内容：首先，介绍宽带多媒体通信卫星的发展；其次，按照星上数字处理的方式对宽带多媒体通信卫星进行分类，并着重介绍星上基带处理类型的卫星；再次，重点介绍星上基带处理设备；最后，分析和讨论星上基带信息处理技术，揭示卫星通信的发展趋势。

星上基带处理技术的比较

第 5 章介绍卫星互联网的发展，包括世界各国推进的研究计划和中低轨星座系统的建设情况。

本章讨论卫星互联网技术，主要内容：首先，着重介绍美国的卫星互联网研究，从 OMNI 研究计划、CLEO 研究计划、太空互联网路由计划、行星际互联网计划和空间网络协议框架研究等方面介绍卫星互联网的研究进展；其次，介绍中低轨星座系统的建设发展情况；最后，介绍我国的卫星互联网建设发展情况。

▲卫星互联网应用场景

第 6 章介绍卫星激光通信，主要包括卫星激光通信的发展、系统原理和关键技术、系统组成和应用。

本章首先介绍卫星激光通信的发展过程，分析卫星激光通信的发展趋势；其次阐述卫星激光通信的主要技术，主要介绍卫星激光通信系统的组成，分析各系统的功能和作用；最后介绍卫星激光通信的主要应用。

▲典型卫星激光通信系统构成框图

第 7 章介绍卫星互联网接入技术，重点分析接入技术及其对传输层 TCP 性能的影响。

本章研究讨论卫星互联网中的终端接入问题，主要内容：首先，从 ALOHA协议、Slotted ALOHA 协议入手，介绍多种随机多址接入技术；其次，介绍按需多址接入技术；最后，针对 Slotted ALOHA 协议深入分析随机多址接入技术在卫星通信网络中对 TCP 的性能影响。

▲ALOHA 协议、SA 协议、DSA 协议

第 8 章介绍卫星互联网传输协议，分析各类卫星互联网传输协议的技术特点。

本章讨论卫星互联网传输协议的研究状况，主要内容：首先，讨论空间链路的信道特点，在此基础上分析其对 TCP 性能的影响；然后，着重分析已提出的各种研究方案，按照研究方案的特点，分为基本改进方案、数据报优先级方案、可用带宽估计方案、拥塞窗口指示方案、信道不对称改进方案、代理方案和跨层联合设计方案等，并按照这些类别依次展开讨论。

▲TCP-Peach 协议

第 9、10 章介绍卫星互联网传输协议的解决方案，包括具体协议算法及其性能特点。

第 9章针对在星上数据再生、复用和转发的卫星网络进行传输控制协议的研究。主要内容：首先，提出一种星载 TCP-Spoofing 代理方案，除了在卫星地面网关处采用目前流行的TCP-Splitting代理方案外，还在星上加载TCP-Spoofing代理方案；其次，提出一种新的传输控制协议——NSTP，此协议是基于 UDP 的数据传输机制，采用了主动周期应答策略；再次，将星载 TCP-Spoofing代理方案和 NSTP 结合起来，构成一套完整的改进方案；最后，采用理论分析和仿真相结合的方式比较验证新型方案的性能。

▲星载 TCP-Spoofing 代理方案结构框架

第 10章针对具有基带交换、路由的卫星互联网进行了卫星互联网传输控制协议研究，主要内容：首先，提出一整套全新的端到端卫星互联网传输控制协议——TP-Satellite，协议包括主动周期应答、超起始(Super Start)、拥塞回避(Congestion Avoidance)、丢失判断(LossDistinction)、拥塞恢复(Congestion Recovery)等策略，以及配合 TP-Satellite 的空间路由器的数据丢弃算法；其次，从数据发送初始阶段、数据丢失原因判断、反向带宽占用和数据保留时间等多方面分析 TP-Satellite 性能；最后，通过仿真比较的方式验证协议的性能。

▲TP-Satellite 总体结构

第 11 章是有关研究工作的总结与展望。

卫星互联网的建设发展是计算机网络和卫星通信两个技术领域的结合。本书由浅入深，从互联网和卫星通信两个方面出发，首先介绍了互联网的起源、发展、组织机构、协议体系；其次讨论了 TCP/IP 体系，特别是网络层 IP 和传输层 TCP、UDP；再次介绍了卫星通信的基本原理；接着介绍了宽带多媒体通信卫星，重点分析了星上基带处理技术；随后介绍了近年来卫星互联网的研究和发展；最后在分析卫星互联网中激光通信、接入技术、传输协议等关键技术的基础上，提出了两种卫星互联网传输控制解决方案。

随着互联网的不断发展，业务类型和用户类型都在不断变化。对于卫星互联网来说，新的需求和挑战也会不断涌现。因此，在今后的研究中还应侧重如下几个方向：

1

研究基于 IP 通用平台的卫星互联网

从当前地面网络的发展，美国在此方面的研究成果，以及前述内容对 ATM与 IP 技术的比较来看，将 IP 作为卫星互联网的通用平台比较合理。这不仅因为技术上可以实现，而且便于与地面网络的连接，从而构成地面、空间统一的传输平台。

2

卫星互联网的路由研究

对于星座网络 IP 路由的研究已经开始，也提出了多种研究方案。但这些方案大都集中在绕地的星座网络。对具有行星际链路、通信范围更大的卫星互联网的路由研究还不够深入。因此，在卫星互联网领域中，还要继续开展 IP 路由技术的研究。

3

研究空间网络与地面网络的连接技术

虽然卫星互联网采用 IP 通用平台，与地面网络一致，便于连接。但如何将地面互联网与卫星互联网相连，从而构成空天地一体的互联网，仍然是需要解决的关键技术。

4

研究空间子网和移动 IP 技术

卫星互联网中卫星、飞船等空间飞行器，将会在空间构成通信子网，甚至 1颗卫星或者 1 架飞船的内部也构成 1 个局域网。研究空间子网和移动 IP 技术是解决空间飞行器之间通信的关键技术。

5

研究基于 IP 的数据传输控制技术

空间链路与地面链路存在很大差异，包括链路误码和时延等。另外，卫星互联网还存在很多不确定因素，这主要体现在网络和链路的不断变化上。研究基于IP 的数据传输控制技术是卫星互联网的一项关键技术。

6

多种业务类型的 QoS 传输控制研究

目前的传输控制方案研究，主要是针对最基本，也是最重要的数据传输业务。随着互联网的发展和业务的多元化发展，支持QoS 的多媒体通信将是卫星互联网面临的问题。因此，除了研究业务可靠传输外，还应该能够根据所传输的业务类型和要求，提供不同种类的 QoS 保证。