IP卫星通信系统路由技术研究解析.docx
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IP卫星通信系统路由技术研究解析
西安电子科技大学硕士学位论文
IP卫星通信系统路由技术研究姓名:
潘俊
申请学位级别:
硕士专业:
通信与信息系统指导教师:
邱智亮20100101
摘要
卫星通信从非再生中继式的载波弯管,再生式的比特弯管,逐步发展到更加复杂高效的星上处理和星上交换。
这一演化使得用户需求的不断增长和技术的不断提高。
卫星通信以其“永远在线”和低成本,大范围覆盖等优势,在军事通信领域具有不可替代的作用。
在当前的信息社会里,万事万物皆Internet,因此我们必须考虑卫星网与Internet的融合。
现今,在大部分的服务提供者,地面通信网络和管理控制实体都广泛采用IP协议实现互联互通的时候,卫星通信实现基于IP协议的星上交换具有很大的优点。
本论文结合本室承担的项目—“基于IP协议的星上交换技术研究”,首先比较了几种主要的星上交换技术的优缺点,并提出基于IP的卫星交换网络的基本构想和设计,而且从技术可行上考虑,依据星地配合的思想,充分发挥地面设备的处理能力来弥补载荷交换平台上交换与处理能力的不足,研究实用的卫星IP网络路由技术。
提出了由卫星用户终端(SUT和地面管理中心(TMC共同完成路由协议的设计方案,本文所研究的卫星网络路由协议技术主要分为两种:
一种是卫星网络内部控制协议,即SUT与TMC之间的路由信息交互;另一种是当卫星网络与自治域内的地面路由器通信时,地面路由器与TMC之间采用域内路由协议(IGP。
本文接着详细描述了内部控制协议的模块设计,并且深入研究OSPF路由协议,然后根据卫星网络特点修改OSPF路由协议,给出了星地配合实现的OSPF路由协议(SatelliteOSPF,简称SOSPF设计,最后,详细描述了SOSPF软件设计和各个协议模块的设计,初步完成域内路由协议的软件实现。
关键词:
卫星网络IP路由协议星地配合OSPF
ABSTRACT
Fromthenon-regeneratiiverelay-stylecarrierbend,regenerativebitbent,Satellitecommunicationgraduallydevelopedintomorecomplexandhighlyefficientonborardprocessingandswitching.Thisevolutionmadetheuserdemandgrowingandtechnologycontinuingtoincrease.Foritsadvantagesof“alwayson”,low-costandwiderangecoverage,Satellitecommunicationsplaysanirreplaceableroleinthefieldofmilitarycommunication.
Inthecurrentinformationsociety,fortheimportanceofInternet,wemustconsidertheintegrationofsatellitenetworkandInternet.Today,whenterrestrialcommunicationnetworkandmanagementofcontrolledentitiesarewidelyusingIPprotocolstointerconnect,SatellitecommunicationsachievingtheonboradswitchingbasedonIPprotocolhavegreatadvantages.
Basedontheresearchproject“ResearchontheIP-basedonboradswitchingtecnology”,thecharacteristicsofmainonboradswitchingtechnologyfirstlyhavebeenresearched.AndabasicdesignofIP-basedonboradswitchingnetworkisproposed.Consideringthetechnicallyfeasibility,basedontheconceptionofcooperationbetweenthesatelliteandground,makefulluseoftheprocessingcapabilityofgroundequipment,weproposedapracticalroutingtechnologyofIPsatellitecommunicationsnetwork.TheSatelliteUserTerminals(SUTcooperatedwiththeTerrestrialManagementCenter(TMCtocompletetheroutingprotocols.Thesatallitenetworkroutingprotocolstechnologythisthesisstudiedaremainlydividedintotwokinds:
oneistheinternalcontrolprotocolthatcompletetheroutinginformationexchangebetweentheSUTandTMC;anotheristheInteriorGatewayProtocol(IGPbetweenthegroundroutersandTMCwhenthesatellitenetworkcommunicatedwiththegroundroutersintheAS.Thenthethesisdescribedthemoduledesignofinteriorcontrolprotocol.Andthenwemadeanin-depthstudyofOSPF,proposedthedesignofSatelliteOSPF(SOSPFwhichachievedbythecooperationbetweenthesatelliteandground.Finally,thedesignofSOSPFsofewarethatcompletedtheelementarysoftwareimplementationofinteriorroutingandtheprotocolmoduleshasbeendescribed.
Keywords:
SatelliteNetworkIPRoutingProtocolCooperationbetweentheSatelliteandGroundOSPF
西安电子科技大学
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尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。
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西安电子科技大学
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(保密的论文在解密后遵守此规定
本学位论文属于保密,在年解密后适用本授权书。
本人签名:
______________日期:
______________
导师签名:
______________日期:
______________
第一章绪论1第一章绪论
1.1论文的研究背景
20世纪80年代和90年代,ATM技术得到了长足的发展,被认为是统一地面通信网络的最佳选择。
受其影响,同时期开始研发的宽带多媒体卫星纷纷采用ATM作为星上分组交换技术,ATM技术也确实能一定程度上满足卫星通信系统对带宽利用率、流量控制和网络管理的需求。
但是,虽然呼声很高,但是以ATM为基础的B-ISDN未能成功,反而以IP协议为基础的因特网以其易用性和开放性最终胜出。
IP协议的广泛使用促使卫星通信网络逐步向IP网络靠拢。
TCP/IP技术出现不久,20世纪70年代就有了关于在卫星通信中应用的讨论。
2003年,SSTL卫星公司设计的UK-DMC监测卫星上搭载了思科公司的移动接入路由器用于科学实验。
实验结果表明,直接将地面路由器放到卫星上不能满足卫星通信的要求。
2008年2月,原计划搭载星上高速交换机和路由器等先进设备的日本“超高速因特网卫星”WINDS最终只实现了星上ATM交换,未能采用星上路由器。
这些前期努力说明,虽然直观上将地面路由器的功能搬到卫星上是实现基于IP协议的星上交换系统的最佳选择,但是从现金技术能力和卫星通信系统的特点来看,做到这一点并非易事。
采用星地配合技术,通过地面终端辅助设备来解决IP路由问题,简化星上功能是切实可行的方法,欧洲上世纪末本世纪初启用的EuroSkyWay,休斯公司的商用卫星IP网SpaceWay等,均是沿着这一技术发展起来的IP卫星网络。
EuroSkyWay(ESW在星上实际完成的是时隙交换[1],使用星上交换矩阵(SwitchingMatrix将上行链路上的特定时隙接通到下行链路的特定时隙。
通过地面接口和控制设备完成IP业务接入。
从ESW的角度看,卫星网络可以单独组成卫星IP子网,也可以作为因特网的一部分为用户提供服务。
由于时隙交换的特点,ESW可以包括电视业务在内的电路型业务。
休斯公司的SpaceWay系统[2]在卫星上交换的是定长的链路层数据帧。
帧头含有目的端口地址和业务类型,其值由用户终端UT在地面根据用户IP分组和控制协议等确定,卫星交换矩阵可以直接使用帧头信息决定转发路径。
SpaceWay的用户业务分类、排队和调度等在UT上完成,路由由地面上的路由服务器来辅助实现。
卫星网络使用内部路由协议,以适应星上简化的处理能力。
UT不仅执行内部路由协议与RIPv2协议的转换,还通过TCPSpoofing,DHCP代理和httppre-fetching等技术来增强上层协议适应卫星通信特点的能力。
此外,通过简单的改造,SpaceWay可以满足美国国防部提出的卫星IP网络需求。
IP卫星通信系统路由技术研究
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虽然采用这样的技术可以实现IP卫星网络,使用户通过卫星实现无缝的IP接入连接但是同直接实现星上路由器相比,存在着“星地交互操作时延过大”,路由灵活性差的缺点。
因此,实现星上路由仍然是人们追求的目标。
2007年8月,带有星上路由器的SpaceWay3卫星发射升空,成为了世界上首颗具有IP交换的应用性通信卫星。
美国于2009年发射的IntelSat测试空间IP里有技术IRIS。
IS卫星携带卫星路由器用于验证“星座”系统的星间路由能力。
TSAT目前还处于系统设计和验证阶段。
美国国防部最终希望在预计2013年发射转型卫星系统TAST上实现基于IPv6的星上路由。
1.2交换式卫星通信系统概述
卫星网络主要有以获取信息为主的LEO应用卫星和以通信、中继、导航和定位为主的中继卫星星座,其中中继卫星可以是GEO(GeostationaryEarthOrbit卫星也可以是MEO卫星。
这些卫星在太空中组成一个由星际链路连接在一起的信息网络,获取的各种数据、控制中心发布的指令、导航信息以及定位信息都要在这个卫星网络中进行处理和传输。
星上处理、激光星际链路等技术不断成熟,使得这种在空间进行大容量数据处理与传输成为可能。
星际链路实现了这些卫星的无缝融合,星上处理增强了星上路由和交换的功能[3]。
星际链路采用激光通信技术具有很多优点,如卫星光通信高码率、大通信容量等。
激光通信之所以能到达高码速率大通信容量,关键原因在于其狭窄的发射光束(约十到几十位弧度,而这又是接收端捕捉发射光束的困难之处。
因此瞄准、捕捉和跟踪即PAT(PointingAcquisitionTracking就成了卫星光通信首先要解决的问题。
随着各种解决PAT技术方案的提出,事实证明激光通信技术将成为解决卫星网络大容量通信的必然趋势。
与传统的通信卫星相比,新一代的先进卫星不再是“透明”的,而是具有基带信号处理和路由交换的功能,就好像是一台架设在太空中的交换机,其结果将导致星上通信载荷的复杂化。
因此,人们对是否有必要去冒险发展具有星上处理能力的通信卫星曾产生过很大的疑问,但争论的结果是肯定的,即发展星上处理技术不存在有没有必要的问题,而是什么时候能实现的问题。
事实上,推动新一代通信卫星研究的动力主要来自三个方面,一是现有的通信卫星并不能以费用合理有效的方式支持新的业务需求;二是星上处理是实现卫星与地面网络互联的重要方式;三是星上处理功能可极大地增强卫星网络应用的灵活性,为大量分散的中、小型业务地面终端提供廉价的传输业务,并能适应不断出现的新的业务需求。
星上处理(OBP,OnBoardProcessor指的是对卫星上行链路来的射频载波所携带的信息进行信号处理,包括解调、解码、纠错、基带路由交换和重新编码与重
第一章绪论3
新组帧,以及对下行链路载波再调制等一系列的过程[4]。
因此,星上处理卫星的转发器已不再是透明的了,而是具有基带信号处理的功能。
OBP技术不仅适用于多波束卫星也适用于单波束卫星,但在后一种情况下,仅包括解调、判别、整形和再调制等处理,没有解码编码和路由交换的能力,故通常称为星上再生处理。
因此,OBP方式主要用在多波束星上交换的场合。
星上交换(OBS,OnBoardSwitch已经成为星上处理的重要组成部分[4]。
星载网络交换系统主要由变频器、Modem和基带交换开关组成。
变频器首先将接收到的射频信号变成中频,Modem从中频信号中取出基带信号并送基带交换开关交换。
交换开关根据分组头部的目的地址将其转发到相应的输出端口。
然后按照与输入处理相反的次序,基带信号被调制到中频和射频,最后由天线发射出去。
下面是目前世界上著名的卫星宽带网络系统及其采用的星上处理技术[5][6]:
Astrolink系统:
2003年1月开始发射,为北美地区提供服务,2004年完成星座发射,2008年容量饱和;星座:
4颗GEO卫星;频率:
Ka-频段;多址技术为FDMA,TDMA;网络技术:
IP/ATM,ISDN;支持高速率多媒体通信。
采用星上处理和星上ATM交换技术,每颗卫星都是通信网络的结点,三颗星三个关口站用光纤互联。
尽管卫星成本加大了,但其容量比传统的透明转发卫星(Bend-pipeSatellite扩大了10倍。
为商业应用提供数据、视频和话音服务,交互式或高速连接,点对点或点对多点的服务。
Cyberstar系统:
运营时间:
2001年;星座:
3颗GEO卫星;频率:
Ka-频段;多址技术:
FDMA,TDMA;网络技术:
IP/ATM,帧中继;容量:
9.6Gb/s;业务:
因特网接入,VOD,宽带业务。
Spaceway系统:
运营时间:
2002年发射,2003年投入北美使用(2颗GEO加一颗备份,2005年投入亚太使用;星座:
16颗GEO卫星,20颗MEO卫星;频率:
Ka-频段;多址技术:
FDMA,TDMA;网络技术:
IP/ATM交换,帧中继;容量:
4.4Gb/s;业务:
高速因特网,宽带多媒体信息服务。
卫星结构基于星上处理、星上交换和点波束技术。
与地面ATM/ISDN/帧中继、X.25标准兼容。
SkyBridge系统:
运营时间:
2002年;星座:
80颗LEO卫星;频率:
Ka-频段;多址技术:
CDMA/TDMA/FDMA混合形式;网络技术:
IP/ATM;超过2千万用户;业务:
高速因特网接入,交互式多媒体。
卫星设计基于透明转发。
Teledesic系统:
运营时间:
2004年;星座:
288颗LEO卫星;频率:
Ka-频段;网络技术:
IP/ATM,ISDN;容量:
10.0Gb/s;可提供高质量话音/数据/视频;采用全星上处理和全星上交换。
iSky系统:
运营时间:
2001年;星座:
2颗GEO卫星;频率:
Ka-频段;网络技术:
IP/ATM;可提供高速率双向因特网接入,直接广播服务通过小口径天
IP卫星通信系统路由技术研究
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线0.8米向家庭和办公室提供未来个人通信系统服务。
通过上述介绍我们可以看出,星上基带处理和适合于卫星链路的网络协议技术是下一代卫星通信宽带网的核心技术,该技术目前还在发展之中。
因此,我国应加快星上处理技术和下一代卫星宽带网的研究工作,以跟上世界宽带卫星技术的发展。
1.3本文的主要工作及内容安排
本文深入研究星上交换技术,并且针对卫星通信与IP路由技术的特点,提出了一种采用星地配合实现的IP卫星网络路由协议设计。
文章内容安排如下:
第一章主要介绍了本文的研究背景和交换式卫星通信系统。
第二章首先对几种主要的星上交换技术进行仔细分析和比较,接着对比了目前地面网络普遍使用的两种路由协议,并指出OSPF路由协议应用于卫星网络的优势所在,最后依据星地配合的思想,提出了基于IP协议的卫星交换网络的基本构想。
第三章首先根据第二章的构想给出了星上交换机的整体设计,接着详细描述了星地配合实现的路由协议的设计方案,分为内部控制协议和域内路由协议的设计,重点介绍了这两个路由协议的模块设计,同时也针对卫星网络和星地配合的思想,修改了OSPF路由协议,完成了卫星网络的域内路由协议设计。
第四章首先介绍了卫星网络OSPF协议软件的概要设计,接着给出了各个协议软件模块的详细设计。
最后结束语总结全文,指出本文的不足和需进一步研究改善的内容。
第二章星上交换技术及IP路由协议分析5
第二章星上交换技术及IP路由协议分析
本章首先对几种主要的星上交换技术进行仔细分析与比较,接着也对比了现在地面网络比较流行的两种IP路由协议,并指出OSPF路由协议应用于卫星网络的优势所在,然后提出了基于IP的卫星交换网络的基本构想。
2.1透明转发技术
2.1.1透明转发原理
透明转发是对微波信号直接进行交换,也称弯管交换(bentpipe。
这时转发器安装具有交换功能的受控微波开关矩阵,以此来实现微波波束的星上交换。
有三种波束间相互连接的方式,即:
跳转发器的连接方式
星上交换/时分多址的连接方式
扫描波束连接方式
跳转发器的波束互连方式[7],如图2.1所示,己在IntelsatV卫星上获得应用。
它只适合FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess多址接入方式而不适合TDMA(TimeDivisionMultipleAccess方式,不过,其跳变连接时的控制较为简单。
但由于这种波束连接需要的转发器数量等于波束数目的平方,所以,只能用于波束数目很少的卫星。
波束1
波束2上行链路
下行链路
频率
频率
B11
B21
B22B12时间时间
频率频率
图2.1跳转发器的波束互联方式
IP卫星通信系统路由技术研究
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星上交换/时分多址(SS/TDMA,SatelliteSwitched/TDMA互连波束的方式,只适用于TDMA多址接入,其特点是使用动态交换矩阵DSM(DynamicSwitchMatrix在微波射领(或中频进行波束切换。
如图2.2所示。
DSM在每个TDMA帧内的切换时间和波束间互连状态的顺序,均由星上控制单元按照地面跟踪遥测指令站发来的命令进行控制。
因此,各波束内的地球站必须根据本波束与星上DSM切换时间和连接状态相一致的TDMA子帧发射定时计划,发送突发信息。
可见,SS/TDMA互连波束方式的控制过程较为复杂的,它不仅涉及到星上设备,而且还涉及到地面站的收发设备。
这种波束互连方式需要的转发器数目与波束的数目相同。
频率控制
A区B区C区
图2.2星上转换/时分多址连接方式
波束扫描连接方式主要适用于点波束覆盖区域的情况。
如图2.3所示,扫描波束由星上波束成形天线产生,在一定时间内循环扫过所有可被其照射到的区域,因此只有当受到扫描波束照射的地球站才能进行通信,并且扫描波束的停留时间与其照射区域的通信业务量成正比。
对透明转发器而言,在任何时刻至少需要两个扫描波束,才能为不同区域的用户建立起上行和下行链路,达到波束互连的目的。
第二章星上交换技术及IP路由协议分析72.1.2终端通信
以星上交换/时分多址连接方式为例,说明在透明转发方式下终端通信过程。
若两个用户终端A和B属于不同卫星波束覆盖区域,请求进行通信。
由于没有星上处理,星上微波交换矩阵配置受控干地面站。
由于卫星之间没有星际链路,进行相互通信时必须通过地面站中继。
如图2.4所示,首先用户A通过控制信道向地面站发送与用户B建立连接的请求(①②,地面站通过控制信道向用户B发送建立连接请求,等待用户B响应(③④。
当用户B同意建立连接,向地面站反馈同意应答(⑤⑥。
地面站把应答反馈给用户A(⑦⑧。
同时地面站根据卫星1、2的信道状态,为用户A、用户B分配信道(⑨⑩。
图2.4透明转发模式下的终端通信
当用户A、用户B属于同一颗卫星覆盖区域时,与上述通信过程不同的是最后地面站只用配置一颗卫星的微波交换矩阵。
2.1.3性能分析
SS/TDMA方式的通信容量最大,并可为控制单元装载控制DSM切换的转化程序,以便根据不同波束内通信容量的变化需要来统一分配所有转发器的通信容量,使卫星转发器的功率和频率获得充分的利用。
由于波束扫描连接方式只有一对点波束同时照射地面覆盖区域,所以克服了多波束天线的波束间相互干扰的缺点。
考虑
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